Научная статья на тему 'МАТЕРИАЛ С КРУПНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ НА ОБЖИГОВОЙ ПОРИЗОВАННОЙ СВЯЗКЕ, ПОЛУЧЕННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОБОЯ'

МАТЕРИАЛ С КРУПНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ НА ОБЖИГОВОЙ ПОРИЗОВАННОЙ СВЯЗКЕ, ПОЛУЧЕННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОБОЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
38
5
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ЭКОЛОГИЯ / СТЕКЛОБОЙ / ОТХОДЫ СТЕКЛА / ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО СТЕКЛА / МАТЕРИАЛЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ / МЕСТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Коротаев Сергей Александрович, Атманзин Алексей Фёдорович, Коротаев Николай Сергеевич, Ерофеев Владимир Трофимович

Одной из важнейших проблем современного строительного материаловедения является получение эффективных композиционных материалов с применением местного сырья и отходов промышленных предприятий. Это объясняется необходимостью охраны окружающей среды, дефицитностью отдельных строительных материалов и т. д. В данной работе рассмотрен вариант применения боя искусственных стекол как эффективного вторичного ресурса, который может быть использован промышленностью строительных материалов. Разработанный материал, обладающий повышенными свойствами водостойкости, пожаробезопасности и экологической чистоты при эксплуатации, рекомендуется к использованию для изготовления тепло- и звукоизоляционных изделий в виде блоков и плит при предварительном технико-экономическом обосновании.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MATERIAL WITH A LARGE FILLER ON A ROASTING POROUS BOND PRODUCED USING CULLET

One of the most important problems of modern construction materials science is the production of effective composite materials with the use of local raw materials and industrial waste. This is due to the need to protect the environment, the scarcity of individual building materials, and so on. The article considers a variant of artificial glass combat as an effective secondary resource, which can be used by the industry of building materials. The developed material exhibiting increased water resistance, fire safety and environmental cleanliness during operation is recommended for use in the manufacture of heat and sound insulation products in the form of blocks and plates with advanced technical business case.

Текст научной работы на тему «МАТЕРИАЛ С КРУПНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ НА ОБЖИГОВОЙ ПОРИЗОВАННОЙ СВЯЗКЕ, ПОЛУЧЕННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОБОЯ»

Научная статья УДК 691.3

ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_86

МАТЕРИАЛ С КРУПНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ НА ОБЖИГОВОЙ ПОРИЗОВАННОЙ СВЯЗКЕ, ПОЛУЧЕННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОБОЯ*

© Авторы 2023 SPIN: 5530-4158 AuthorID: 688766

КОРОТАЕВ Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва (Россия, Саранск)

АТМАНЗИН Алексей Фёдорович

директор

ООО «А-Строй» (Россия, г. Москва)

КОРОТАЕВ Николай Сергеевич

инженер

ООО «А-Строй» (Россия, г. Москва)

SPIN: 9213-4861 ЕРОФЕЕВ Владимир Трофимович

AuthorID: 800708 академик РААСН, доктор технических наук, профессор,

ORCID: 0000-0001-8517-5958 заведующий кафедрой строительных материалов и технологий ResearcherID: AAQ-9234-2021 Национальный исследовательский Мордовский государственный

университет имени Н.П. Огарёва (Россия, Саранск, e-mail: yerofeewt@mail.ru)

Аннотация. Одной из важнейших проблем современного строительного материаловедения является получение эффективных композиционных материалов с применением местного сырья и отходов промышленных предприятий. Это объясняется необходимостью охраны окружающей среды, дефицитностью отдельных строительных материалов и т. д. В данной работе рассмотрен вариант применения боя искусственных стекол как эффективного вторичного ресурса, который может быть использован промышленностью строительных материалов. Разработанный материал, обладающий повышенными свойствами водостойкости, пожаробезопасности и экологической чистоты при эксплуатации, рекомендуется к использованию для изготовления тепло- и звукоизоляционных изделий в виде блоков и плит при предварительном технико-экономическом обосновании.

Ключевые слова: строительные материалы; экология; стеклобой; отходы стекла; пористые материалы из техногенного стекла; материалы нового поколения; местные материалы

Для цитирования: Материал с крупным заполнителем на обжиговой поризованной связке, полученной с использованием стеклобоя / С.А. Коротаев, А.Ф. Атманзин, Н.С. Коротаев, В.Т. Ерофеев // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 86-90. doi:10.51608/26867818_2023_1_86.

* Материалы данной статьи использовались в докладе на Научно-технической конференции «Расширение применения местных сырьевых материалов и отходов предприятий Республики Мордовия, при изготовлении строительных материалов и изделий» (18-19 ноября 2022 г., Саранск, МГУ им. Огарева).

ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 1 (20)

Original article

MATERIAL WITH A LARGE FILLER ON A ROASTING POROUS BOND PRODUCED USING CULLET

© The Author(s) 2023 KOROTAYEV Sergey Alexandrovich

candidate of technical sciences, associate professor

National Research Mordovian State University named after N.P. Ogarev

(Russia, Saransk)

ATMANZIN Alexey Fyodorovich

Director

A-Stroy LLC (Russia, Moscow)

KOROTAYEV Nikolai Sergeevich

Engineer

A-Stroy LLC (Russia, Moscow) EROFEEV Vladimir Trofimovich

Academician of the RAACS, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Building Materials and Technologies National Research Mordovian State University named after N.P. Ogarev (Russia, Saransk, e-mail: yerofeevvt@mail.ru)

Annotation. One of the most important problems of modern construction materials science is the production of effective composite materials with the use of local raw materials and industrial waste. This is due to the need to protect the environment, the scarcity of individual building materials, and so on. The article considers a variant of artificial glass combat as an effective secondary resource, which can be used by the industry of building materials. The developed material exhibiting increased water resistance, fire safety and environmental cleanliness during operation is recommended for use in the manufacture of heat and sound insulation products in the form of blocks and plates with advanced technical business case.

Keywords: building materials; ecology; glass; glass waste; porous materials from semisynthetic glass; materials of a new generation

For citation: Material with a large filler on a roasting porous bond produced using cullet / S.A. Korotayev, A.F. Atmanzin, N.S. Korotayev, V.T. Erofeev // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 86-90. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_86.

Среди всего многообразия техногенных и бытовых отходов, которые в больших количествах сбрасываются в отвалы, значительная часть приходится на бой искусственных стекол. Большая часть, попадая на свалки, способствует их быстрому заполнению и загрязняет окружающую среду. А между тем бой стекла - это эффективный вторичный ресурс, который может быть использован строительной индустрией при получении поризованных (ячеистых) стекол, характеризующихся малой объемной массой, хорошей химической стойкостью, тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Применяемые в настоящее время способы изготовления строительных материалов на основе отходов стекла базируются на технологиях, предусматривающих спекание сырья при высоких температурах или его обработку в автоклавах.

В монографии [1] описан разработанный способ получения связующего и бетонов на основе боя

стекла с добавкой щелочного компонента, твердеющих при температуре, не превышающей 90 оС. Авторами монографии также проведены исследования, направленные на получение поризованных керамзи-тогазобетонов на керамзитовом гравии на основе стеклощелочного связующего. Достоинством разработанной технологии является отверждение связующего при температурах, не превышающих 90 °С, или в нормальных температурно-влажностных условиях. Перед заливкой смеси в форму для поризации связующего в смесь вводится газообразующая добавка. После распалубки отвержденного изделия требуется механическая обработка его верхней поверхности (не контактировавшей с поверхностью стенки формы).

Расширение свойств и области использования материалов с крупными заполнителями возможно при использовании в качестве связующих матриц низко- и высокотемпературных (обжиговых) связок [2-3].

В представленной работе сочетание поризо-ванной связки, полученной с использованием молотого стеклобоя, с крупным жаростойким заполнителем предусматривает термообработку заготовки при температуре, не превышающей 780 °С. Заготовка с крупным заполнителем формуется по так называемой каркасной технологии [4]. Каркасная технология формования позволяет последовательно использовать различные типы связующих для склеивания каркаса из зерен заполнителя и для заполнения пор от-вержденного каркаса. В данном случае нами использовались: для склеивания каркаса из зерен заполнителя - связующее из натриевого жидкого стекла, для заполнения пор отвержденного каркаса - связующее из порошка типичного натрий-кальцийсиликат-ного стекла [5], полученного помолом стеклобоя. То есть, при формовании заготовки использовалось комплексное связующее. Выбор жидкого стекла был обусловлен его широким использованием при получении строительных материалов [6] и высокой адгезией к подложкам различной природы [7].

Разработанный способ получения материала с крупным заполнителем из керамзита на поризо-ванной стеклообразной натрий-кальцийсиликатной связке включает следующие операции.

1. Смешивание заполнителя с жидким стеклом и укладка приготовленной смеси в форму.

2. Отверждение жидкостекольного связующего каркаса в форме в процессе сушки при температуре 60-80 оС и получение каркаса.

3. Извлечение отвержденного каркаса из формы и пропитка его водной суспензией порошка стекла, полученного помолом стеклобоя.

4. Сушка пропитанного каркаса при температуре 60-80 оС.

5. Обжиг пропитанного и высушенного каркаса на огнеупорном поддоне при температуре 740780 оС.

6. Охлаждение обожженного изделия в остывающей печи.

Таким образом, после сушки термообработка заготовки в печи проводится на огнеупорном поддоне без формовой оснастки. Синтез поризованной связки осуществляется в процессе обжига заготовки из компонентов комплексного связующего без дополнительного использования газообразующей добавки.

Теоретическое обоснование механизма синтеза поризованного стеклообразного связующего из компонентов предлагаемого комплексного связующего в процессе последовательно проводимой термообработки на этапах сушки и обжига проведено на основе анализа современных представлений о строении и свойствах щелочных силикатных растворов, описанных в [7], и физико-химических закономерностей поведения щелочных силикатных стекол

при взаимодействии с водой, приведенных в [8]. При сушке натриевого жидкого стекла, которым склеивается каркас из зерен заполнителя, возникают пересыщенные метастабильные растворы с последующим переходом гидратных форм силикатов натрия при испарении влаги в стекловидное состояние. Отверждение сопровождается полимеризацией крем-нийсодержащих химических связок при удалении гидроксильно-водородных групп с образованием кремнийполимерного каркаса объемной сетчатой структуры с ячейками типа

I I - Si - O - Si - .

I I

Отвердевшая клеевая связка имеет прочную адгезию к поверхности пористого заполнителя и высокую прочность, но не обладает водостойкостью. При последующей сушке пропитанного водной суспензией порошка стекла каркаса в процессе взаимодействия слоя суспензии стекла со стеклообразной жидкостекольной связкой будет происходить растворение последней. Процесс растворения гидрати-рованного натриевого стекла сопровождается переходом в раствор катионов натрия за счет сольватаци-онного взаимодействия. Кинетика растворения определяется силикатным модулем стекла и температурой. Навстречу катионам натрия в фазу стекла диффундируют молекулы воды, часть которых вступает в реакцию гидролиза с анионным каркасом стекла по реакции:

^ Si - O- + H2O ^ ^ Si - OH + OH- .

Образующиеся гидроксильные ионы, обладающие высокой подвижностью, будут покидать реакционную зону на границе раздела фаз и переходить в раствор. Также способны переходить в раствор высвобождающиеся мономерные и полимерные анионы, существующие в стекле. Для катионов скорость перехода в раствор выше, чем для анионов. Следствием этого является создание условий для увеличения концентрации гидратированного кремнезема на границе раздела фаз. При повышении температуры в процессе высушивания материала и понижении рН происходит полимеризация гидратированного кремнезема и образование пленки геля кремниевой кислоты. На определенном этапе сушки образующиеся вязкие гелевые слои замедляют процесс растворения стеклообразной жидкостекольной связки каркаса, что способствует сохранению связкой определенной прочности и позволяет проводить сушку пропитанного каркаса без формы. Одновременно с процессом взаимодействия растворной части суспензии стекла с жидкостекольным клеем каркаса происходят процессы выщелачивания и обводнения исходной структуры стекла частиц суспензии, механизм которых основан на взаимодействии водных растворов щелочей с кремнеземом. Обводне-

ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 1 (20)

Рис. 1. Образцы из материала крупнопористой структуры с керамзитом фракции 10-20 мм насыпной плотностью 550 кг/м3 после обжига (а) и фрагмент материала с поризованным стеклообразным связующим после обжига (б)

ние стекла происходит при его гидратации и гидролизе и сопровождается адсорбцией гидратирован-ных катионов щелочных металлов на активных участках поверхности кремнезема, возникающих при помоле стекла, с последующей деполимеризацией кремнезема вследствие гидролиза связей ^ Б1 - О -Б1 ^ с образованием силаноловых групп ^ Б1 - ОН.

Гидратированный кремнезем переносится при сушке к поверхности частиц стекла и при увеличении его концентрации в процессе сушки происходит полимеризация кремнекислоты с образованием плотной эластичной пленки геля, обладающей вяжущими свойствами. По мере удаления свободной воды из высушиваемого материала в объеме связки образуются гидросиликаты натрия из продуктов деструкции клеевой связки каркаса и частиц стекла суспензии. Оставшаяся после сушки свободная вода образует водородные связи с силанольной водой. Последующий нагрев изделия-сырца в обжиговой печи до 400 оС сопровождается удалением воды из гидросиликатов натрия. При дальнейшем повышении температуры до температуры обжига 740-780 оС разрушаются связи кремнекислоты, полимеризуются кремнекислородные тетраэдры и происходит выделение воды при дегидратации гидроксильного покрова стекла. В этом же температурном интервале образующаяся из компонентов комплексного связующего эвтектическая смесь системы Ыа2О - СаО -БЮ2 при плавлении обеспечивает накопление значительного количества расплава, обладающего необходимой пиропластической подвижностью, и образование в объёме обжигаемой связки замкнутых пор. При совпадении процессов газовыделения и образования в расплаве замкнутых пор создаются условия для вспучивания связующего при резком повышении давления пара в порах.

Результаты ИК-спектроскопических исследований подтверждают, что вспучивающим агентом являются пары воды. На ИК-спектре поглощения комплексного связующего после сушки пропитанного каркаса фиксируются широкая полоса поглощения в

интервале 3 300 - 3 600 см-1 , связанная с валентными колебаниями О - Н связи в оксигидрильных группах ОтНп [9].

Результаты проведенных экспериментов показали, что в процессе последовательно проводимых этапов термообработки из компонентов комплексного связующего формируется безусадочная поризованная стеклообразная матрица, связывающая зерна крупного заполнителя (рис. 1, б). Диаметр пор стеклообразного связующего, определенных микроскопическим исследованием, составляет 0,020,50 мм. В процессе обжига заготовка сохраняет свою форму при некотором увеличении объема (на 8-12 %) и не требует механической обработки после обжига. Образцы из материала крупнопористой структуры с керамзитом фракции 10-20 мм после обжига показаны на рис. 1, а. Фрагмент материала после обжига с поризованным стеклообразным связующим показан на рис. 1, б.

Физико-механические характеристики материала крупнопористой структуры полученных образцов (рис. 1, а) имеют следующие параметры: плотность 596 - 620 кг/м3; водопоглощение, определенное после кипячения образцов в воде в течение 30 мин, 20,8-24,2 %; прочность при сжатии 1,3-1,5 МПа. Физико-механические характеристики материала можно регулировать, изменяя вид, крупность и плотность используемого заполнителя, а также степень заполнения связующей матрицей объема пор между зернами заполнителя.

Разработанный материал обладает водостойкостью, пожаробезопасностью, экологической чистотой при эксплуатации и может быть использован для изготовления тепло- и звукоизоляционных изделий в виде блоков и плит при предварительном технико-экономическом обосновании. При использовании блоков и плит из разработанного материала в качестве утепляющего слоя в ограждающих конструкциях зданий и сооружений крупные поры на лицевых поверхностях изделий должны быть закрыты, например, оштукатуриванием лицевых поверхностей.

Библиографический список

1. Богатова, С. Н. Ячеистые и поризованные бетоны на основе отходов стекла / С. Н. Богатова, А. Д. Богатов, В. Т. Ерофеев. - Саранск : Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, 2019. - 108 с. - ISBN 978-5-7103-3922-0. - EDN TZQPCC.

2. Структурированный высокопористый силикат-натриевый материал повышенной тепло- и термостойкости / С. А. Мизюряев, А. Н. Мамонов, В. М. Горин, С. А. Токарева // Строительные материалы. - 2011. - № 7. - С. 8-9.

- EDN PYSYCL.

3. Прогрессивная концепция формирования стеновых блоков из легкого бетона на обжиговой связке / А. П. Пичугин, А. С. Денисов, В. Ф. Хританков, В. И. Бареев // Строительные материалы. - 2011. - № 12. - С. 22-24. - EDN OORSZB.

4. Бобрышев, А. Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем / А. Н. Бобрышев, В. Т. Ерофеев, В. Н. Козомазов.

- Санкт-Петербург : Санкт-Петербургская издательско-кни-готорговая фирма "Наука", 2012. - 474 с. - ISBN 978-5-02025495-4. - EDN SNENQF.

5. Кетов, А. А. Нанотехнологии при производстве пеностеклянных материалов нового поколения / А. А. Кетов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. - 2009. - Т. 1, № 3. - С. 15-23. - EDN KYVQAD.

6. Михайленко, Н. Ю. Строительные материалы на жидкостекольном связующем часть 1. Жидкое стекло как связующее в производстве строительных материалов / Н. Ю. Михайленко, Н. Н. Клименко, П. Д. Саркисов // Техника и технология силикатов. - 2012. - Т. 19, № 2. - С. 25-28. -EDN PABJKT.

7. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла: Жидкое стекло. - Л.: Строй-издат. Ленингр. отд., 1991. 176 с.

8. Основные физико-химические закономерности получения пористых материалов из техногенных стекол, обводненных в различных условиях / Т. И. Шелковникова, Е. В. Баранов, Н. С. Петухова, И. В. Тищенко // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. - 2012. - № 5. - С. 50-56. - EDN PCQJYX.

9. Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. - М.: Наука, 1973. 208 с.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.