CC BY
72
УДК 691.618.93(043)
ЭФФЕКТИВНЫЕ ПЕНОСТЕКЛА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ ПРЕДБАЙКАЛЬЯ
1 9
Д.Р. Дамдинова1, А.А. Кулюкин2
1Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены вопросы обеспечения энергоэффективности зданий путем применения пеностекол как эффективной теплоизоляции. В регионах с суровыми климатическими условиями актуальна проблема получения эффективных пеностекол с использованием целитсодержащих пород. Определены условия для получения высокопористого материала в широком диапазоне физико-механических свойств при комплексном использовании цеолит-содержащей глины и стеклобоя. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния цеолитсо-держащих пород на характеристики пеностекла. Ил. 8. Табл. 3. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: пеностекло; слюда; стеклобой; стеклошихта; механоактивация.
EFFICIENT FOAMED GLASS BASED ON INDUSTRIAL WASTES AND NATURAL RAW MATERIAL OF THE FORE-
BAIKAL REGION
D.R. Damdinova, A.A. Kulyukin
East-Siberian State Technological University, 40в Klyuchevskaya St., Ulan-Ude, Buryat Republic, 670013. National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article deals with the problems of ensuring energy efficiency of buildings through the use of foamed glass as an effective thermal insulation. This is an urgent problem in the regions with severe climatic conditions, and therefore, the issues of obtaining efficient foamed glass with the use of zeolite-containing rocks are of current interest. The conditions for obtaining highly porous material in a wide range of physico-mechanical properties with the integrated use of zeolite-containing clay and cullet are determined. The results of experimental studies of the effect of zeolite-containing rocks on the foamed glass characteristics are provided. 8 figures. 3 tables. 10 sources.
Key words: foamed glass; mica; cullet; glass batch; mechanical activation.
В свете современных требований к обеспечению энергоэффективности зданий важной научно-практической задачей является разработка и производство эффективных теплоизоляционных материалов. Данная проблема имеет особую актуальность в регионах с суровыми климатическими условиями, где введение в действие энергосберегающих норм по тепловому сопротивлению ограждающих конструкций в соответствии со СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита" сделало использование традиционных стеновых материалов экономически и технически нецелесообразным. Следует отметить, что создание, производство и использование в строительстве эффективных теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов является актуальной проблемой для регионов Сибири и Дальнего Востока.
Среди известных теплоизоляционных материалов особое место, благодаря уникальному сочетанию теплоизолирующих и конструктивных свойств, занимает
пеностекло. По коэффициенту конструктивного качества пеностекло опережает практически все известные на сегодняшний день теплоизоляционные материалы. Наряду с его достаточно высокой прочностью и низкой средней плотностью, такие качества пеностекла, как негорючесть, безусадочность и биостойкость, выдвигают его в разряд наиболее долговечных материалов, срок службы которых соизмерим со сроком всего жизненного цикла зданий и сооружений.
Породы Предбайкалья и техногенные отходы, образующиеся в результате хозяйственной деятельности предприятий и в сфере потребления в Иркутской области, могут послужить сырьем для получения пеностекол по энерго- и ресурсосберегающей технологии. Одним из распространенных полезных ископаемых в Иркутской области является слюда.
Химико-минералогический состав слюд, наличие в них воды, вспучивающей слюду при высокой температуре, позволяет рассматривать их в качестве компо-
1Дамдинова Дарима Ракшаевна, доктор технических наук, профессор кафедры производства строительных материалов и изделий, тел.: (3012) 211960, 89246525079, e-mail: damdinova@mail.ru
Damdinova Darima, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Manufacturing Building Materials and Products, tel.: (3012) 211960, 89246525079, e-mail: damdinova@mail.ru
2Кулюкин Андрей Александрович, аспирант, тел. (3952) 405138, 89500606995, e-mail: kulyukin_andrey@mail.ru Kulyukin Andrei, Postgraduate, tel. (3952) 405138, 89500606995, e-mail: kulyukin_andrey@mail.ru
нента стеклошихты для получения пеностекол.
Природные цеолиты являются водными каркасными алюмосиликатами щелочных и щелочноземельных металлов. Наличие полостей и каналов в микроструктуре цеолитов, а также достаточно большая свобода движения катионов и молекул воды определяют уникальные свойства цеолитов. Обезвоженные путем нагревания цеолиты приобретают способность адсорбировать внутрь структуры молекулы различных веществ, которые по своим размерам не превышают диаметр входных пор - окон. В водной среде цеолиты легко обменивают свои катионы на другие, находящиеся в растворе.
В качестве сырьевых материалов рассмотрены цеолитсодержащая глина Усть-Илимского месторождения (Иркутская область) и стеклобой. Цеолитсодержащая глина представлена туфоалевролитами светло-серыми глинистыми с низкой цеолитовой минерализацией (до 10-20%).
Стеклобой в составе шихты используется как один из основных компонентов стеклошихты. Стеклобой, являясь одновременно стеклообразующим веществом и плавнем, значительно снижает температуру обжига пеностекла. Наличие щелочных оксидов (до 14-16%) в нем способствует ускорению процессов спекания и вспенивания стекломассы.
Отходы стекла благодаря своему неорганическому составу, био- и влагостойкости не подвержены разложению под воздействием окружающей среды, что обусловливает необходимость их своевременной утилизации. Известно, что использование отходов стекла является важнейшим источником экономии кальцинированной соды. Наряду с этим, утилизация отходов стекла (при 60 %-м содержании) обеспечивает сокращение загрязнений воздуха на 6-22%, объема твердых отходов - на 79% и позволяет экономить 6%
энергии, 50% чистой воды и 54 % естественных ресурсов.
Интенсификации процессов обжига также способствует введение в составы пенообразующих смесей щелочного компонента (NaOH), который участвует в процессах поризации стекломассы. В создании газовой фазы участвуют также продукты химических реакций в шихте, протекающих с выделением воды, содержащихся в слюдах и цеолитах при повышении температуры.
В табл. 1 приведены данные по химическому составу видов минерального сырья Предбайкалья и промышленных отходов, которые могут быть использованы для получения пеностекол. Для сравнения состава и структуры цеолитсодержащих пород также приведены данные по витрокластическому туфу -цеолитовой породе Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия.
ИК-спектроскопия, рентгенофазовый анализ и электронная микроскопия проведены в Центре коллективного пользования «Прогресс» ВосточноСибирского государственного технологического университета.
На ИК-спектрах стеклобоя (рис. 1) отмечено наличие широкой полосы поглощения в высокочастотной области спектра при 1050 см-1, соответствующей колебаниям сравнительно высокополимеризованных групп из тетраэдров ^Ю4]. Наличие групп ^Ю4] подтверждается наличием полосы поглощения у частоты 772 см-1.
Диференциально-термический анализ пород и пеностекол проведен на дериватографе фирмы «РаиПк-Е^еЬ в интервале температур от 20 до 1000 °С в лаборатории химии и технологии минерального сырья Байкальского института природопользования СО РАН.
Химический состав сырьевых материалов
Таблица 1
Наименование пород и материалов Содержание оксидов на сухое вещество, масс. %
SiO2 Fe2Oз FeO CaO MgO ^2 SOз Na2O Потеря массы при прокалывании (п. п. п.)
Цеолитсодержащая глина (Бадарминское, Усть-Илим) 69,09 14,49 2,60 0,1 1,40 1,07 0,41 следы 2,94 2,15 4,17
Цеолитсодержащая порода - витрокла-стический туф (Мухор-Талинское месторождение, Республика Бурятия) 73,78 12,25 0,8 0,43 0,61 0,29 0,18 0,01 2,80 2,80 3,45
Бой тарного стекла 72,50 2,00 - - 6,00 3,50 - 0,5 - 15,50 -
Волновое число (см-1)
Рис. 1. ИК-спектроскопия стеклобоя
Рис. 2. ИК-спектр цеолитсодержащей глины
Рис. 3. Рентгенофазовый анализ цеолитсодержащей породы
Синтезируемые пеностекла представляют собой обжиговые строительные стеклоконгломераты, в которых вяжущая часть представлена затвердевшим алюмосиликатным стеклорасплавом, а поры являются как бы специфической разновидностью заполнителя. При этом микроструктура пеностекла будет представлена в большей степени стеклофазой, состоящей из
легкоплавких компонентов, которые не успевают выкристаллизовываться ввиду большой скорости остывания расплава.
Вспучиванию, а следовательно, поризации в процессе обжига подвергается стеклофаза, находящаяся в пиропластическом состоянии. При этом стеклофаза цементирует отдельные кристаллы или сростки кри-
сталлов, как новообразованные, так и перешедшие из исходного минерального сырья.
Механоактивация сырьевых материалов, а затем реакционное спекание смесей, предварительно контактирующих со щелочным компонентом в водной среде при варьировании соотношения порода : стеклобой, содержания щелочного компонента и температуры обжига создают возможность регулирования по-ровой структурой пеностекла и получения благодаря этому как теплоизоляционных, так и конструкционно-теплоизоляционных материалов.
На начальном этапе было изучено комплексное влияние состава стеклошихты, щелочного компонента и Тобж. на свойства пеностекол систем и "стеклобой -цеолитсодержащая глина" и "стеклобой - витрокла-стический туф ". Для этого проведен полнофакторный эксперимент типа ПФЭ 23. В качестве факторов были выбраны: 21 - температура обжига, °С; 22 - содержание стеклобоя, мас. %; 23 - содержание щелочного компонента, мас. % (табл. 2.). Параметрами оптимизации являются средняя плотность (далее плотность) у1 и прочность у2 пеностекол.
Диапазон изменения содержания стеклобоя принят из условия получения пеностекол обеих систем с плотностью ро < 700...750 кг/м3 при Т < 875 °С и содержании щелочного компонента не более 10%. Предварительно были определены оптимальные
удельные поверхности порошков пород на уровне 400-450 м2/кг и стеклобоя = 350 м2/кг.
Таблица 2
Условия эксперимента
Фактор 21 22 23
Основной уровень 850 60 8
Интервал варьирования А 25 20 2
+1 875 80 10
-1 825 40 6
Регрессионные уравнения, характеризующие взаимосвязь основных физико-механических свойств пеностекол и химико-технологических факторов, представлены в табл. 3.
Установлено, что плотность пеностекол, которая предопределяет практически все его другие физико-технические свойства, зависит от соотношения стеклобоя и породы, щелочного компонента и температуры обжига. С ростом указанных факторов снижается плотность пеностекол, что можно объяснить снижением энергии активации поризации расплава в результате комплексного воздействия вышеуказанных факторов (рис. 4 и 5).
Таблица3
Уравнения регрессии
Параметр у| = 1 (Х1, Х2, Х3 )
Для пеностекол системы «стеклобой - цеолитсодержащая глина»
р, кг/м3 у1 = 415,3 - 67х1 - 162,75х2 - 114,25х3 + 17,5 х1х3 + + 49,25 х2х3 + 216 х1х2х3
^ж., мПа у2 = 3,6 - 1,2х1 - 0,63х2 - 1,03 х3 + 0,45 х1х3
Для пеностекол системы «стеклобой - витрокластический туф»
3 р, кг/м у1 = 525,4 - 97,13х1 - 183,13х2 - 87,38х3 - 17,13х1х3 + + 29,63х2х3 + 261,13 х^х3
^ж., мПа у2 = 4,35- 1,15х1 - 0,53 х3 - 1,18х1х2 - 0,88х1х3
а) б)
Рис. 4. Влияние содержания стеклобоя и Тобж. (а) и содержания ЫаОН и Тобж. (б) на плотность пеностекол системы
«стеклобой - цеолитсодержащая глина»
а) б)
Рис. 5. Влияние содержания стеклобоя и Тобж. (а) и содержания ЫаОН и Тобж. (б) на плотность пеностекол системы
«стеклобой - витрокластический туф»
С помощью установленной функциональной связи между входными параметрами и основными физико-механическими свойствами пеностекол построены соответствующие номограммы, по которым можно
определить условия, необходимые для получения пеностекол с заданными свойствами (рис. 6 и 7).
Микроструктура пеностекол, полученных при оптимальных режимах, показана на рис. 8.
375 Ч
Тобж.,°С Тобж., "С
а) б)
Рис. 6. Изолинии плотности и прочности при сжатии пеностекол системы "стеклобой - витрокластический туф" (а) и "стеклобой - цеолитсодержащая глина" (б) в зависимости от содержания стеклобоя и Т0бж.
а)
б)
Рис. 7. Изолинии плотности и прочности при сжатии пеностекол системы "стеклобой - витрокластический туф" (а) и "стеклобой - цеолитсодержащая глина" (б) в зависимости от содержания стеклобоя и содержания
ЫаОН
Рис. 8. Электронная микроскопия пеностекол систем "стеклобой - витротуф" (а) и "стеклобой - цеолитсодержащая глина" (б) при 30-кратном увеличении
Установлено: несмотря на повышенное содержание в витрокластическом туфе стекловидной фазы по сравнению с цеолитсодержащей глиной, пеностекла системы "стеклобой - цеолитсодержащая глина" обладают меньшей плотностью, чем пеностекла системы "стеклобой - витрокластический туф". Это свидетельствует о том, что на плотность пеностекол влияет, главным образом, структура кристаллической фазы в исходной цеолитсодержащей породе. По данным ренгненофазового анализа, в витрокластическом туфе наибольшая интенсивность рефлекса соответствует кристобалиту (0,411; 0395; 0,242 нм), а в цеолитсо-держащей глине - менее тугоплавкому ортоклазу (0,423; 0,333; 0,154 нм) (рис. 1.3). А ортоклаз - калиевый полевой шпат - как известно, в качестве интен-сификатора вводят в керамические массы для увеличения количества образующейся при спекании жидкой фазы.
Как показали исследования, механизм поризации пеностекол модельных систем "стеклобой - цеолитсо-
Библиографический список
держащая глина" и "стеклобой - витрокластический туф" в присутствии щелочного компонента определяется закономерностями пенообразования в пиропла-стических силикатных системах. То есть условием получения оптимальной ячеистой структуры пеностекла является соответствие температур перехода стекла в пиропластическое состояние и начала активного газообразования. Обеспечение этого условия зависит от соотношения в шихте стеклобоя и породы, механо-активации и содержание щелочи.
Таким образом, эксперименты показали возможность получения пеностекол путем непосредственного вспенивания алюмосиликатного расплава. При комплексном использовании цеолитсодержащей глины и стеклобоя может быть получен высокопористый материал в широком диапазоне физико-механических свойств. При средней плотности 225-760 кг/м3 прочность при сжатии составила 2,4-6,6 МПа.
1. Гранулированный пеностеклокристаллический теплоизоляционный материал из цеолитсодержащих пород / Верещагин В.И. [и др.]. // Строительные материалы. 2007. № 3. С. 66-67.
2. Дамдинова Д.Р., Хардаев П.К., Константинова К.К. Эффективные пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя: монография. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. 166 с.
3. Сбор, переработка и направления использования отходов стекла / С.В Дуденков [и др.]. // Обзорная информация. Серия: Рацион. использ. материальных ресурсов. М., ЦНИИТЭИМС, 1978. 47 с.
4. Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло. М.: Промстройиздат, 1953. 132 с.
5. Овчаренко Г.И., Свиридов В.Л., Маркова Л.Н. Свойства известково-цеолитовых вяжущих и изделий на их основе // Резервы производства строительных материалов: доклады региональной конференции, Барнаул, 1997. Ч. 2. Барнаул, 1997. С. 16-27.
6. Овчаренко, Г.И., Свиридов В.Л., Казанцева Л.К. Цеолиты в строительных материалах: монография. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. 320 с.
7. Свиридов В.Л. Строительные материалы и изделия на основе природных цеолитов Сибири и Дальнего Востока: автореф. дис. ... докт. техн. наук. Барнаул, 2000. 40 с.
8. Фащевский А.Б., Меркин Н.А., Писарев Б.В. Строительный материал и способ его получения: пат. 2300506 Рос. Федерация. Заявл. 17.05.2006; опубл. 10.06.2007, Бюл. № 16.
9. Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Константинова К.К. Состав для получения пеностекла: пат. № 2164898 Рос. Федерация. МКИ С03С. Вост.-Сиб. гос. технол. ун-т; 99109233/03; заявл. 19.04.1999; опубл. 10.04.2001, Бюл. №
10.
10. Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Будаева И.И. Способ получения пеностекла: пат. № 2005103210/03. Опубл. 03.07.2006.
