CC BY
22УДК 699.844
С.С. ВАЙСЕРА1, инженер (vaisera_sergei@mail.ru), О.В. ПУЧКА1, канд. техн. наук (oleg8a@mail.ru),
B.С. ЛЕСОВИК1, д-р техн. наук; И.В. БЕССОНОВ2, канд. техн. наук (bessonoviv@mail.ru);
C.В. СЕРГЕЕВ3, канд. техн. наук
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
3 ОАО «Дорожное эксплуатационное предприятие № 96» (308511, Белгородская обл., с. Стрелецкое, ул. Строительная, 17)
Эффективные акустические стеклокомпозиты*
Защита от шума - одного из основных неблагоприятных факторов среды обитания человека - стала неотъемлемой частью вопросов проектирования, строительства и реконструкции городов. Наиболее перспективным направлением решения данной задачи является применение высокоэффективных звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов акустических стеклокомпозитов на основе пеностекла. Авторами разработан комплексный газообразователь, который способствует получению стеклокомпозитов с максимальным объемом полимодальной открытой пористостью (наличием различных по размерам открытых пор в пределах нижнего и верхнего пределов крупности) для создания оптимального акустического сопротивления. Сравнительный анализ свойств подтвердил конкурентоспособность разработанного материала по части обеспечения акустического комфорта в помещении, а за счет неорганического состава и долговременности свойств делает его наиболее предпочтительным при выборе акустических материалов.
Ключевые слова: пеностекло, газообразователь, звукоизоляция, звукопоглощение, пористость.
S.S. VAISERA1, Engineer (vaisera_sergei@mail.ru), O.V. PUCHKA1, Candidate of Sciences (Engineering) (oleg8a@mail.ru) V.S. LESOVIK1, Doctor of Sciences (Engineering); I.V. BESSONOV2, Candidate of Sciences (Engineering) (bessonoviv@mail.ru); S.V. SERGEEV3, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
2 Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
3 "Dorozhnoe ekspluatatsionnoe predpriyatie № 96» JSC (17, Stroitel'naya Street, Belgorod Region, Streletskoye Village, 308511, Russian Federation)
Efficient Acoustic Glass Composites*
Protection against noise, one of the main unfavorable factors of the human environment, has become an integral part of issues concerning the design, construction and reconstruction of cities. The most promising direction of this problem solution is the use of highly efficient sound absorbing and sound insulating materials, acoustic glass composites on the basis of foam glass. The authors have developed a complex blowing agent which contributes to producing glass composites with the maximal (Jib^ne of polymodal open porosity (the presence of open pores of various sizes within the lower and upper limits of coarseness) for creation of the optimal acoustic resistance. Comparative analysis of properties confirmed the competiveness of the developed material with respect to ensuring the acoustic comfort in the premises; its inorganic composition and sustainability of properties makes this material the most preferable when selecting acoustic materials.
Keywords: foam glass, blowing agent, sound insulation, noise absorption, porosity.
За последние годы разработаны новые технические решения многоэтажных зданий, в том числе объемно-блочные дома из тонкостенных железобетонных элементов, что позволило, с одной стороны, улучшить технико-экономические показатели зданий путем снижения их веса, материалоемкости, а с другой — существенно отразилось на звукоизоляционных свойствах ограждающих конструкций [1]. Наиболее перспективным направлением решения данной задачи является применение высокоэффективных звукопоглощающих и звукоизоляционных материалов. А при условии постоянного контакта используемых материалов с человеком последние должны обладать не только высокими эксплуатационными характеристики, но и быть экологически чистыми (безвредными).
В настоящее время наиболее перспективными материалами являются композиты различного назначения, в которых стекло является матрицей, образующие сплошную пороячеистую структуру. Одним из таких материалов является ячеистое стекло — пеностекло [2—7]. Достоинства пеностекла — низкая теплопроводность, сравнительно большая прочность по отношению к его плотности и полностью неорганический состав.
Все вышеперечисленные характеристики обусловлены равномерным распределением закрытых мелких пор в объеме материала. За счет этого теплоизоляционное пеностекло обладает высоким коэффициентом отраже-
ния звука р. Поэтому его можно использовать как для теплоизоляции, так и для изоляции от воздушного шума при наружной отделке ограждающей конструкции [8].
Таблица 1
Химический состав технического углерода
Химический состав Значение, %
Углерод (С) 89-99
Водород(Н) 0,3-0,5
Кислород (О) 0,1-10
Сера 0,1-1,1
Минеральные вещества 0,5
Таблица 2
Физико-технические свойства технического углерода
Физико-технические свойства Значение
Плотность, кг/м3 1800-2200
Насыпная плотность, кг/м3 100-400
Размер частиц, мкм 9-320
Удельная поверхность, м2/г 250-12
Термостойкость, 0С 300
Маслоемкость, г/100 г 50-135
* Работа выполнена в рамках выполнения НИР молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» № 922ГУ1/2013 по теме «Разработка технологии теплоизоляционного стеклокомпозита на основе пеностекла».
* The work has been done within the frame of execution of NIR of the Youth Scientific-Innovation Competition "U.M.N.I.K." № 922GU1/2013 on the theme "Development of Technology of Heat Insulation Glass Composite on the Basis of Foam Glass".
научно-технический и производственный журнал
Ш^улг&иш
Таблица 3
Химический и гранулометрический состав колеманита
Колеманит Содержание компонентов, мас. %
В2Оз СаО SiO2 SO4 As Fe2O3 AI2O3 MgO SrO Na2O ППП
Типовое содержание 40±0,5 27±1 4-6,5 0,6 max 0,0035 max 0,08 max 0,4 max 3 max 1,5 max 0,35 max 24,6 max
Содержание фракции
мкм 45-75 свыше 75
% 87±5 20±5
Рис. 1. Стеклокомпозиты, полученные на основе колеманита: 1 -колеманит
Однако для отделки внутренних помещений, как правило, отражающая способность материала (перегородок) недостаточна, так как отраженные звуковые волны будут усиливать шум в помещении. В данном случае необходимо, чтобы структура материала поглощала большую часть кинетической энергии падающей на него звуковой волны [9].
Для получения пеностекла с открытой (сообщающейся) пористостью используют газообразователи из группы нейтрализационных, что неотъемлемо связано с рядом недостатков. Образцы, получаемые «карбонатным» способом, имеют недостаточно высокие звукопо-
Таблица 4
Влияние вида и количества газообразователя на свойства стеклокомпозита
3% колеманит; 2 - 4% колеманит; 3 - 5% колеманит; 4 - 6% колеманит; 5 - 7%
Газообра-зователь Свойства материала
Колеманит, % Коэффициент вспенивания Плотность, кг/м3 Водопоглощение, % водяная баня (2 ч кипячения) / обычное погружение в воду (24 ч)
1 - - -
2 - - -
3 3,2 420 85 / 14
4 3,7 330 130 / 20
5 3,9 305 160 / 28
6 3,9 280 185 / 60
7 3,9 265 307 / 75
* 3,5 3,5 360 110 / 18
* 4,5 3,9 310 150 / 22
Колеманит/ углерод, %
0,1 3,9 285 95 / 24
0,2 4,2 255 125 / 27
0,3 4,4 205 165 / 35
4-5 0,4 4,7 190 205 / 75
0,5 4,8 175 250 / 75
*0,25 4,2 230 115 / 28-30
*0,35 4,5 180 140 / 45
Примечание. 'Дополнительные исследования.
глощающие характеристики, повышенное водопогло-щение и плотность изделий. Изменять характер пористой структуры пеностекла можно путем введения в пенообразующую смесь добавок различного рода. Так, в работе [10] изучено влияние модифицирующей добавки в виде наноструктурного диоксида циркония на акустические свойства, размеры пор и макроструктуру готового пеностекла. А.И. Шутовым и др. [11] для увеличения звукопоглощения был предложен способ применения газообразователя неоднородного гранулометрического состава, что в итоге способствовало созданию в массиве пеностекла дополнительной системы эллипсных пор.
Таким образом, для повышения коэффициента звукопоглощения пеностекла в широком диапазоне частот необходимо использовать комплексный газообразова-тель, способствующий получению материала с максимальным объемом полимодальной открытой пористости (наличием различных по размерам открытых пор в пределах нижнего и верхнего пределов крупности) для создания оптимального акустического сопротивления.
Цель работы заключалась в разработке эффективных акустических стеклокомпозитов на основе пеностекла.
В ходе исследований в качестве газообразователей использовали высокодисперсные продукты: технический углерод и борсодержащее сырье (колеманит).
Химические и физико-технические свойства используемых газообразователей представлены в табл. 1—3.
В работе использовался бой отходов тарного стекла, химический состав, %: SЮ2 — 69; А1203 — 2; СаО — 8,8; MgO - 4,8; №20 - 14,9; Fe2Oз - 0,3; SOз - 0,15. Помол осуществляли в вибрационной мельнице периодического действия до удельной поверхности свыше 1000 м2/кг.
На первом этапе исследований изучали влияние различного вида и содержания газообразователей на физико-механические свойства стеклокомпозита. Параметрами для подбора оптимальных составов были показатели: коэффициент вспенивания, средняя плотность и объемное водопоглощение, которые были определены по традиционным методикам [7]. Температурные интервалы, в которых наиболее целесообразно использовать применяемые типы газообразователей, - 700-800оС. Вспенивание осуществлялось при температуре 740±10оС. Условия эксперимента представлены в табл. 4.
Экспериментальные данные позволили установить, что оптимальное значение свойств стеклокомпо-зита с применением борсодержащего сырья (колеманита) достигается при содержании колеманита в пено-образующей смеси в интервале 4-5%. При таком
\ j научно-технический и производственный журнал
М' ® июнь 2016 29
Таблица 5
Стеклокомпозиты полученные на основе а, звукопоглощение
Частота, Гц
125 250 500 1000 2000 4000
Комплексного газообразователя 0,14 0,19 0,52 0,67 0,81 0,79
3% колеманита 0,1 0,12 0,15 0,19 0,28 0,28
4% колеманита 0,12 0,15 0,25 0,48 0,52 0,52
5% колеманита 0,09 0,11 0,23 0,49 0,5 0,54
6% колеманита 0,11 0,14 0,19 0,24 0,27 0,28
Рис. 2. Стеклокомпозит на основе комплексного газообразователя (4,5% коле-манит/0,25% технический углерод)
содержании средняя плотность стеклокомпозита составляет 310 кг/м3, водопоглощение — до 25%. Можно предположить, что пенообразование в смесях при использовании газообразователя колеманита идет за счет участия в процессе вспенивания водяных паров (ОН групп), содержащихся в колеманите, в виде химически связанной воды (рис. 1).
При введении колеманита в смесь в количестве более 5% в образцах стеклокомпозита наблюдается неравномерная крупнопористая структура, что объясняется увеличением давления газовой фазы вследствие повышенного содержания водяных паров.
В вариантах с комплексным газообразователем (разное соотношение колеманит/технический углерод) был получен стеклокомпозит (4,5% колеманит/0,25% технический углерод) с более равномерной (мелкопористой) структурой, со средней плотностью 230 кг/м3 при увеличении объемного водопоглощения до 30% (рис. 2)
Предположительно это объясняется особенностями химических составов используемых газообразователей: углерод выступает стабилизатором системы стекло—газ. По мнению автора [2], углеродистые газообразователи вследствие малого химического сродства высокодисперсного углерода со стекломассой, а также значительного угла смачивания, в интервале температуры вспенивания, выступают в роли структурно-механических стабилизаторов при формировании ячеистой структуры пеностекла.
Действие колеманита можно описать следующим образом: снижение вязкости стекла является следствием наличия В2О3, выступающего в качестве плавня, а двухвалентные оксиды (в отличие от щелочно-земельных оксидов) в составе колеманита уменьшают КТЛР стекломассы, что способствует уменьшению микротрещин, и, следовательно, процесс структурообразования происходит более плавно: размеры пор равномерно распределяются по крупности, прорывов практически нет.
С введением в пенообразующую смесь колеманита и технического углерода наблюдаются изменения в размерах пор и характере их распределения по объему сте-клокомпозита. Методом электронной сканирующей микроскопии были исследованы разработанные образцы стеклокомпозитов на предмет распределения пор по размерам.
Из данных рис. 3 можно заключить, что у стекло-композитов, полученных при введении 4 и 5% колема-нита и на основе комплексного газообразователя, наблюдается различное распределение пор по крупности, наиболее выраженные пики в интервалах 100—200, 500— 600, 800-900 мкм.
На втором этапе исследований определяли коэффициент звукопоглощения разработанных стеклокомпо-зитов с помощью интерферометра [7] (табл. 5, рис. 4).
Наилучшее значение коэффициента звукопоглощения достигнуто у стеклокомпозита, полученного на ос-
Рис. 3. Распределение пор по размерам разработанных стеклокомпо-зитов
500 1000 Частота, Гц
Рис. 4. Коэффициент звукопоглощения разработанных стеклокомпози-тов в зависимости от частоты: 1 - комплексный газообразователь; 2 - 3% колеманита; 3 - 4% колеманита; 4 - 5% колеманита; 5 - 6% колеманита
научно-технический и производственный журнал
Ш^улг&иш
1
125 250 500 1000 2000 J «10
Частота, Гц
-в— Стеклокомпозит —#—Isover RockwDo! —»—Krtaui (1) - -Knauf (2)
Рис. 7. Сравнительный анализ звукопоглощающих характеристик:
1 - Разработанный стеклокомпазит, 2 - Isover; 3 - Rockwool; 4 - Knauf (1);
5 - Knauf(2)
нове комплексного газообразователя. А так как у данного стеклокомпозита схожие структурные параметры со
стеклокомпозитами, полученными при 4—5% колема-
Список литературы
1. Семченков А.С., Семечкин А.Е., Литвиненко Д.В., Антонов И.М. Проектирование ЛЭЭЭНДТ стеновых ограждений для условий России // Строительные материалы. 2004. № 1. С. 31—32.
2. Комкова А.В., Рачинская М.П. Пеностекло и его применение в России // Современные научные исследования и инновации: Электронный научно-практический журнал. 2012. № 5 (13). С. 18-20. URL: http:// web.snauka.ru/issues/2012/05/12937 (дата обращения: 01.04.2016).
3. Осипов А.Н. Энергоэффективный, пожаробезопасный теплоизоляционный материал — пеностекло // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. № 2. С. 17—18.
4. Сапачева Л.В., Горегляд С.Ю. Пеностекло для экологичного строительства в России // Строительные материалы. 2015. № 1. С. 30—31.
5. Семухин Б.С., Алтарева Л.М., Вотинов А.В., Опа-ренков Ю.В. Управление структурой и свойствами пеностеклокристаллических материалов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 3 (50). С. 171—177.
6. Ерофеев В.Т., Смирнов В.Ф., Богатова С.Н., Бога-тов А.Д., Казначеев С.В. Биостойкие строительные композиты на основе отходов стекла // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2009. № 16. С. 122—126.
7. Вайсман Я.И., Кетов А.А., Кетов П.А. Научные и технологические аспекты производства пеностекла // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41. № 2. С. 214—221.
8. Радоуцкий В.Ю., Ветрова Ю.В. Теоретические и экспериментальные исследования звукоизолирующей способности теплоизоляционных плит на основе пеностекла // Вестник БГТУ. 2015 № 5. С. 45—49.
9. Цукерников И.Е., Тихомиров Л.А., Соломатин Е.О., Салтыков И.П., Кочкин Н.А. Решение задач строительной акустики как фактора, обеспечивающего безопасность и комфортность проживания в зданиях // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 49—52.
10. Семухин Б.С., Вотинов А.В., Казьмина О.В., Ковалев Г.И. Влияние малых добавок диоксида циркония на акустические свойства пеностекольных материалов // Вестник ТГАСУ. 2014. № 6 (47). С. 123—131.
11. Патент РФ № 2266874. Шихта для изготовления пеностекла / Балясников В.И., Кириченко С.Э., Шутов А.И., Мосьпан В.И., Воля П.А. Заявл. 30.04.2002. Опубл. 10.11.2003. Бюл. № 2.
нита, для более детального объяснения результатов сделали снимки исследуемых стеклокомпозитов на электронном микроскопе (рис. 5, 6).
Микрофотографии рис. 6 свидетельствуют, что стеклокомпозит, полученный на основе комплексного га-зобразователя, пронизан микропорами. Эта структурная особенность и объясняет высокие звукопоглощающие характеристики и увеличенное объемное водопоглощение (наружная поверхность обладает наличием полимодальных открытых тупиковых пор со сквозными микропорами в самой поре).
Был также проведен сравнительный анализ характеристик разработанного стеклокомпозита с акустическими материалами, представленными на российском рынке (рис. 7).
Сравнительный анализ звукопоглощающих характеристик подтвердил конкурентоспособность разработанного стеклокомпозита по части обеспечения акустического комфорта в помещении, а за счет его неорганического состава и долговременного сохранения свойств делает его наиболее предпочтительным при выборе акустических материалов.
References
1. Semchenkov A.S., Semechkin A.E., Litvinenko D.V., Antonov I.M. Designing LEEEIDT (light effective energy-saving eco-friendly incombustible durable technological) wall fences for Russia. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2004. No. 1, pp. 31-32. (In Russian).
2. Komkova A. V., Rachinskaya M.P. Foamglass and its application in Russia. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovacii. 2012. No. 5 (13), pp. 18-20. URL: http:// web.snauka.ru/issues/2012/05/12937 (date of access 01.04.2016). (In Russian).
3. Osipov A.N. Foamed glass is an energy efficiency, fire protection, thermal insulation material. Krovel'nye i izol-jacionnye materialy. 2013. No. 2, pp. 17-18. (In Russian).
4. Sapacheva L.V., Goreglyad S.Yu. Foam glass for eco-friendly construction in Russia. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 1, pp. 30-31. (In Russian).
5. Semukhin B.S., Altareva L.M., Votinov A.V., Oparenkov YU.V., Foam glassceramics structure and properties control. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2015. No. 3 (50), pp. 171-177. (In Russian).
6. Erofeyev V.T., Smirnov V.F., Bogatova S.N., Bogatov A.D., Kaznacheev S.V. Biostable construction composites on the basis of waste the glass. Vestnik of the Volgograd state architectural and construction university. Series: Stroitel'stvo i arhitektura. 2009. No. 16, pp. 122-126. (In Russian).
7. Vaisman Ya.I., Ketov A.A., Ketov P.A. Scientific and technological aspects of production of a foamglass. Fizika j khimiya stekla. 2015. Vol. 41. No. 2, pp. 214-221. (In Russian).
8. Radouckiy V.Ju., Vetrova Ju.V. Theoretical and experimental researches of sound insulation ability of insulation boards on the basis of foam glass. Vestnik BGTU. 2015. No. 5, pp. 45-49. (In Russian).
9. Cukernikov I.E., Tihomirov L.A., Solomatin E.O., Saltykov I.P., Kochkin N.A. Solution of problems of engineering acoustics as a factor of ensuring the safety and comfort of living in buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 49-52. (In Russian).
10. Semuhin B.S., Votinov A.V., Kaz'mina O.V., Kovalev G.I. Influence of small additives of zirconium dioxide on properties of foam glass materials. Vestnik TGASU. 2014. No. 6 (47), pp. 123-131. (In Russian).
11. Patent RF 2266874. Shihta dlja izgotovlenija penostekla [The mixture for making foamed glass]. Baljasnikov V.I., Kirichenko S.Je., Shutov A.I., Mos'pan V.I., Volja P.A. Declared 20.02.2012. Published 10.11.2003. Bulletin No. 2. (In Russian).
fj научно-технический и производственный журнал
M ■ ® июнь 2016
