CC BY
0М.М. Зонхиев, канд. техн. наук, e-mail: bizon-1@mail.ru
Д.Р. Дамдинова, д-р техн. наук, проф.
Р.Р. Беппле, доц.
В.Е. Павлов, канд. техн. наук, инженер
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.618.92
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ И ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ РАБОТЫ ПО СИНТЕЗУ ПЕНОСТЕКОЛ И ВНЕДРЕНИЕ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ
В ПРОИЗВОДСТВО
Статья освещает результаты исследований влияния состава пенообразующей шихты, условий механохимической активации компонентов сырьевой смеси и предварительной гидротермической обработки сырцов перед обжигом на свойства пеностекол на основе стеклобоя и горных пород с повышенным содержанием кристаллических фаз. В статье описывается ход работ по коммерциализации результатов и внедрению инновационного продукта в промышленное производство.
Ключевые слова: пеностекло, витрокластический туф, цеолитсодержащая порода, гидротермическая обработка сырцов, демеркуризированный стеклобой.
M.M. Zonkhiev, Cand. Sc. Engineering D.R. Damdinova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
R.R. Bepple, Associate Professor, V.E. Pavlov, Cand. Sc. Engineering, engineer
THE RESEARCH AND DEVELOPMENT ON THE SYNTHESIS OF FOAMGLASSES AND INTRODUCTION OF THEIR RESULTS INTO PRODUCTION
The article highlights the investigation of the influence offoaming blend composition , terms of mechanical and chemical activation of raw mixture components and preliminary hydrothermal handling of raw mixture before firing to properties of foamglass, based on the glass cullet and minerals with high content of crystalline phases. The progress ofwork on the commercialization and introduction of innovation product into commercial production is also carried out.
Key words: foamglass, vitro clastic sinter, zeolite-containing rocks, hydrothermal treatment of raw, demercuration cullet.
Введение
Осуществление мероприятий по повышению энергоэффективности существующих и вновь возводимых объектов строительства требует применения для их теплоизоляции конкурентоспособных теплоизоляционных материалов. Данная проблема особенно актуальна в холодных и влажных регионах, где эффективная теплоизоляция может дать значительный экономический эффект.
Цель исследования
Одним из направлений решения данной проблемы являются проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) и внедрение их результатов в производство высокоэффективного теплоизоляционного материала - пеностекла, применение которого в объектах строительства, в том числе автодорожного, в условиях вечной мерзлоты рассчитано на неограниченно длительный срок службы. Пеностекло превосходит по долговечности все используемые в настоящее время теплоизоляционные материалы.
Актуальность исследований вызвана потребностью строительной индустрии в эффективных теплоизоляторах. Основное преимущество разработанной в ходе проведения исследований ученых Восточно-Сибирского государственного университета технологий и
управления (ВСГУТУ) технологии - это возможность использования широкого спектра местных сырьевых материалов, например эффузивных пород (перлитов, нефелиновых сиенитов и базальтов), запасы которых в Бурятии достаточны для освоения производства пеностекла в промышленных объемах.
Материал и методы
Вопросами синтеза пеностекол занимаются специалисты ведущих вузов и научных учреждений России, таких как МГСУ (Москва), ИХС РАН (Санкт-Петербург), БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород), ВГАСУ (Воронеж), АлтГТУ (Барнаул) и др. [1, 2, 3, 4, 5].
Технология получения пеностекол по сокращенной схеме, без энергоемкого стекловарения разработана в ВСГУТУ, где созданы пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя. В исследованиях А.Д. Цыремпилова, Д.Р. Дамдиновой и др. повышению эффективности пеностекол способствовала механо-химическая активация сырья, а для регулирования их поровой структуры и свойств применялись добавки-катализаторы и специальные технологические приемы термообработки [6].
Использование энергонасыщенных эффузивных горных пород при получении из них пеностекол по сокращенной технологии, как правило, требует подшихтовки стеклобоем и (или) добавки щелочного компонента, а также тонкого измельчения и механоактивации компонентов шихты. Удельная поверхность, являясь кинетическим фактором, снижает энергозатраты при обжиге пеностекол. В особенности это важно для получения качественных пеностекол при непосредственном вспенивании размягченной стекломассы, поскольку в этом случае трудно добиться степени однородности расплава, которая достигается при высокотемпературной варке. Несомненна также роль химического и фазового составов исходного сырья, которые также предопределяют энергозатраты производства пеностекла.
В последующих работах были получены и исследованы пеностекла на основе стеклобоя (СБ) и цеолитизированных горных пород - витрокластического туфа (ВТ) и цеолитсо-держащей породы (ЦСП). Результаты исследований изложены в кандидатской диссертации М.М. Зонхиева «Пеностекла на основе стеклобоя и горных пород с повышенным содержанием кристаллических фаз» [7], защищенной в 2009 г.
Цеолитовые минералы характеризуются сообщающимися между собой окнами, каналами и полостями на уровне кристаллической решетки, которые обусловливают уникальные свойства цеолитов, такие как ситовой эффект, высокие ионообменные, сорбционные и каталитические способности. Указанные особенности этих минералов, содержащихся в исходных породах, проявляются при предварительной обработке прессовок-сырцов перед обжигом и влияют на структуру и свойства синтезируемых пеностекол.
Свойства полученных пеностекол зависят от их поровой структуры, содержания кри-сталлофаз и распределения их по объему, которые, в свою очередь, обусловлены рядом химико-технологических факторов, к которым относятся структура исходных горных пород и стеклобоя, уникальные способности цеолитовых минералов, содержащихся в изучаемых породах, изменения в их структуре при механохимической активации и предварительной подготовке сырцовых прессовок перед обжигом.
Известно, что для увеличения скорости химических реакций необходима энергетическая активация реагирующей системы, которая направлена на перевод компонентов и всей системы в термодинамически нестабильное состояние [2, 3, 4, 5].
Активация может быть вызвана воздействием различных видов обработки шихты -механической, тепловой и химической. Очевидно, что меньшие энергозатраты на активацию потребуются тем системам, которые уже имеют высокий исходный энергетический уровень, и наоборот. В этом отношении рассматриваемые модельные системы СБ-ВТ и СБ-
ЦСП различаются уровнем исходного энергетического состояния, что отражается на процессе поризации алюмосиликатного расплава. ВТ и ЦСП, несмотря на близость химического состава, различаются минералогическим составом и содержанием стеклофаз.
При синтезе пеностекол механизм воздействия механоактивации на структуру алюмо-силикатных пород и стеклобоя заключается, главным образом, в разрыве Si—О—Si- связей и превращении в присутствии воды силоксановых связей в силанольные по известной схеме 1:
= 81-0-81 = ^ 81+ + = 81" ——^ 2 = 81 -ОН (1)
и, как следствие, снижении энергии активации процессов фазо, и порообразования в стекле на стадии обжига.
Активация вызывается также химическим воздействием, т.е. молекулы приобретают нужную энергию в процессе химической реакции. При введении в систему щелочного компонента в виде гидроксида натрия флюсующее воздействие щелочных ионов на структуру пород и стеклобоя выражается в разрыве мостиков Si—O—Si по схеме 2:
= 81-О-81 = + Ка2 О ^ 2(= 81 -О" т + ) (2)
и образованием водородных связей - О-Н.. .О-.
Полученные в ходе работы пеностекла - это обжиговый стеклоконгломерат, в котором вяжущая часть представлена затвердевшим алюмосиликатным стеклорасплавом, а поры являются специфической разновидностью теплоизоляционного заполнителя. Микроструктура пеностекла представлена стеклофазой, состоящей из легкоплавких компонентов, не успевших выкристаллизоваться ввиду большой скорости остывания расплава. Вспучиванию вследствие поризации в процессе обжига подвергается стеклофаза, находящаяся в пиропластическом состоянии.
В технологии производства пеностекол по сокращенной схеме особая роль в формировании структуры и свойств материала принадлежит подготовительным операциям. На этом этапе раскрываются потенциальные свойства сырьевых материалов и достигается повышение их активности различными способами, интенсифицирующими физико-химические процессы на основной технологической операции - вспенивании при обжиге.
Представляло интерес изучение влияния предварительной подготовки формованных сырцовых прессовок в виде длительной выдержки в нормальных условиях или пропарива-ния перед обжигом на структуру и свойства пеностекол.
Применение различной интенсивности предварительной гидротермической обработки сырцов пенообразующих смесей показало механизм активации, заключающийся в том, что при предварительной выдержке и пропаривании происходит интенсификация проникновения ионов натрия в структуру (окна, каналы и полости) кристаллической решетки цеолитового минерала, которая вызывает трансформацию Si—O—Si-связей в БьО-Ыа-связи и образование водородных О-Н.. О -связей.
Повышенное количество цеолитового минерала в исследуемых породах рассматривается как фактор, интенсифицирующий физико-химические процессы при получении пеностекол, и обусловливает интерес к применению механо-химической активации пород и предварительной подготовки отпрессованных сырцов для создания пеностекол с заданными свойствами.
Главная практическая задача исследований состояла в том, чтобы, варьируя рецеп-турно-технологические факторы (химико-минералогический состав исходных сырьевых материалов, содержание щелочного компонента в составе шихты, режимы механоактива-ции компонентов и предварительной подготовки сырцов перед обжигом и температура обжига) в условиях низкотемпературного обжига, получить пеностекла с заданными свойствами.
В монографии Б.К. Демидовича [8] исследовано положительное влияние предварительной гидротермальной обработки стекла на снижение температуры начала вспенивания и расширение его интервала и установлено, что кипячение проб пенообразующей смеси сократило время их термической обработки.
В ходе работы были изучены физико-механические и эксплуатационные свойства полученных пеностекол: средняя плотность, прочность при сжатии, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и химическая устойчивость в соответствии со стандартами, регламентирующими методы испытаний пеностекол и стеновых материалов.
Физико-технические свойства, выявленные в ходе исследования, отражены в таблице 1, из которой видно влияние предварительной гидротермической обработки на их среднюю плотность, а следовательно, на теплоизолирующие свойства.
Обоснованность и достоверность основных положений и выводов работы обусловлены объемом исследований с применением рентгенографического, ИК-спектроскопиче-ского анализов и электронной микроскопии, проведенных в Центре коллективного пользования (ЦКП) «Прогресс» ВСГУТУ, а также методов математического планирования и статистической обработки результатов.
Таблица 1
Физико-технические свойства полученных пеностекол
Свойства Ед. изм. Показатели свойств
СБК
ВТ | ЦСП
Пеностекла без обработки (обжиг сразу после формования)
Средняя плотность кг/м3 951 510
Прочность при сжатии мПа 12,1 3,4
Водопоглощение мас. % 13 12
Пеностекла с выдержкой в течение 12 ч в нормальных условиях
Средняя плотность кг/м3 599 419
Прочность при сжатии мПа 8,3 2,4
Водопоглощение масс. % 14 15
Пеностекла с п ропариванием в течение 0,5 ч при Т=100°С
Средняя плотность кг/м3 289 343
Прочность при сжатии мПа 1,9 2,3
Водопоглощение мас. % 14 12
В ходе проведения лабораторных исследований получены опытные образцы инновационного продукта - пеностекла, продолжены работы по коммерциализации разработки и созданию промышленной технологии пеностекол. Была подана заявка на регистрацию изобретения, которая в настоящее время находится в проработке Федерального института промышленной собственности (ФИПС).
При продвижении на рынок инновационной продукции на первых этапах ее жизненного цикла были проведены маркетинговые исследования и анализ рынка теплоизоляционных материалов Бурятии, бизнес-планирование, проектирование технологии и ее аппаратного обеспечения.
Маркетинговые исследования показали, что в исследуемом регионе для теплоизоляции преимущественно используются завозные минераловатные и минералоплитные изделия и вспененные синтетические материалы, такие как пенопласты, пеноизол и др. , как местного производства, так и завезенные из соседних регионов или импортные. Эти недорогие материалы и изделия отличаются хорошими теплоизолирующими свойствами и низ-
кой плотностью, но являются недолговечными и опасными в пожарном отношении, особенно при использовании для утепления деревянных построек или при применении в вентилируемых фасадах.
В ходе маркетинговых исследований был проведен поиск предложений пеностеколь-ной продукции в России и в мире. Было выяснено, что пеностекольная продукция и разработки на сегодня предлагаются следующими зарубежными и отечественными производителями и исследователями:
1. ОАО «Гомельстекло» [9] - пеностекло по СТБ 1322-2002. Поставщик в Россию -ООО «Экострой-Сити». Средняя цена пеностекла - 10500 руб./м3, пенокрошки -3100 руб./м3.
2. Пеностекло F0AMGLASS [10]. Поставщик в Россию - ООО «СеверСпецКом-плект». Цена 16000 руб./м3.
3. ЗАО «Пеноситал» разработало пеностекло по ТУ № 5914-001-73893595-2005.
4. ООО НПО «Трансполимер» [11]. НИОКР по технологии пеностекла по ТУ № 5712010-75645238-2008 марки «Стеклозит».
5. Пеностекло китайской фирмы «ДиелНио» [12] марки «Нео Тим». Цена - от 7700 руб./м3.
В ходе маркетинговых исследований была исследована сырьевая база проектируемого производства. Исследования выявили следующее:
1) перлиты, витротуфы и липариты Мухор-Талинского месторождения. Ориентировочные запасы по категориям А+В+С1 - 15764 тыс. т, по категории С2 - 55 тыс. т, забалансовые запасы - 8754 тыс. т;
2) известняки, сиениты Челутайского месторождения и карьера «Татарский ключ». Балансовые запасы по категориям А+Б+С1 - 4214 тыс. т;
3) карбонатные породы (известняки и доломиты) Грязнухинского проявления известняков. Балансовые запасы по категориям А+Б+С1 - 114402 тыс. т;
4) сиениты Новобрянского месторождения. Балансовые запасы по категориям А+Б+С1 - 17090 тыс. т;
5) базальты Саган-Нурского месторождения. Балансовые запасы по категориям А+Б+С1 - 617,6 тыс. т.
Месторождения этих пород активно разрабатываются в Заиграевском районе Республики Бурятия, имеющем развитую транспортную инфраструктуру. С администрацией района заключено соглашение о намерении поддержки проекта через выделение земельного участка для размещения завода.
В продолжение работ была разработана промышленная технология, подобрано оборудование, составлены инвестиционный проект и бизнес-план производства пеностекла по способу, разработанному и испытанному в ходе проведения НИОКР. Реализация проекта была разбита на несколько этапов с нарастанием объемов производства и ассортимента выпускаемой продукции. В начале предполагается создание недорогого пилотного мини-производства, которое со временем будет масштабироваться и совершенствоваться.
Состав технологической линии пеностекол:
1) дробильно-размольный участок (ДРУ), осуществляющий предварительное измельчение, размол и получение тонкодисперсных порошков;
2) смесительно-формовочное отделение - сухое смешивание порошков, затворение сырьевой смеси щелочным раствором и формование сырцов;
3) термическое отделение - гидротермическая обработка сырцов, обжиг, остужение изделий;
4) участок калибрования, классификации, сортировки и упаковки готовой продукции.
Выводы
Сегодня в Бурятии сложились все условия для организации производства пеностекол. Республика обладает запасами минерального сырья, достаточными для производства пеностекла в промышленных объемах, а также квалифицированными научными и производственными кадрами из числа выпускников кафедры ПСМИ, аспирантов и молодых ученых.
Реализация проекта позволит достичь следующих результатов:
- производство конкурентоспособной импортозамещающей продукции для обеспечения теплозащиты зданий, сооружений и конструкций в соответствии с современными требованиями по энергосбережению;
- выпуск экологически чистой продукции, превосходящей по долговечности, био- и огнестойкости применяемые сейчас материалы;
- утилизация стеклоотходов, в том числе демеркуризированного стеклобоя, и улучшение экологической ситуации через снижение объема накопленных ТБО;
- издание новые рабочих мест и обеспечение занятости выпускников высших и средних профессиональных учебных заведений;
- увеличение доходной части бюджетов всех уровней.
Расчетная себестоимость пеностекол по бизнес-плану составит 1930,42 руб./м3 в мини-производстве и 1370,74 руб./м3 при полноформатном производстве. Цена продажи -3500 руб./м3.
Кроме того, для производства подобрано универсальное оборудование отрасли строительных материалов отечественного производства, которое способно производить широкий ассортимент сопутствующей продукции: сухие строительные смеси (ССС), вспученные минеральные заполнители, негашеная известь и др., что является одним из условий жизнеспособности предприятия, организуемого в рамках реализации инвестиционного проекта.
В перспективе развития направления предполагается проведение исследований и разработок в области утилизации широкого спектра техногенных отходов Бурятии и их внедрение в производство теплоизоляционных пеностекол.
Библиография
1. Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло. - М.: Промстройиздат, 1953. - 132 с.
2. Кешишян Т.Н., Мусвик О.А. Влияние добавок кварца на физико-механические свойства пеностекла // Тр. Моск. хим.-технол. ин-та им. Д.И. Менделеева. - 1977. - № 98. - С. 150-152.
3. Бутт Л.М., Полляк В.В. Технология стекла. - М.: Стройиздат, 1976. - 368 с.
4. Онацкий С.П. Производство керамзита. - М.: Стройиздат, 1987. - 331 с.
5. Свиридов В.Л., Овчаренко Г.И. Природные цеолиты - минеральное сырье для строительных материалов // Строительные материалы. - 1999. - № 9. - С. 9-11.
6. 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.
7. Зонхиев М.М. Пеностекло на основе стеклобоя и горных пород с повышенным содержанием кристаллических фаз.: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. - Защищена 27.11.2009; Утв. 12.03.2010. - Улан-Удэ, 2009. - 152 с.
8. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. - Минск: Наука и техника, 1972. - 304 с.
9. Сайт пеностекла FOAMGLAS®. - URL: http://www.foamglas.ru/
10. Сайт ОАО «Гомельстекло». - URL: www.gomelglass.com/ru/
11. Сайт ООО НПО «Трансполимер». - URL: http://npo-transpolimer.neobroker.ru/
12. Сайт Компании ДиелНио. - URL: www.dlnio.ru/
Bibliography
1. Kitaigorodsky I.I., Keshishyan T.N. Foamglass. - M.: Promstroyizdat, 1953. - 132 p.
2. Keshishyan T.N., Musvik O.A. Influence of additives of quartz on physicomechanical properties of foamglass // D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia. - 1977. - N 98. - P. 150-152.
3. Booth L.M., Pollyak V.V. Technology of glass. - M.: Stroyizdat, 1976. - 368 p.
4. Onatsky S.P. Production of expanded clay. - M.: Stroyizdat, 1987. - 331 p.
5. Sviridov V.L., Ovcharenko G.I. Natural zeolites - mineral raw materials for construction materials // Construction Materials. - 1999. - N 9. - P. 9-11.
6. Damdinova D.R., Hardayev P.K., Konstantinova K.K. Effective foamglasses on the basis of effusive breeds and a cullet: Monograph. - Ulan-Ude: Publishing house of ESSTU, 2006. - 166 p.
7. ZonkhiyevM.M. Foamglass on the basis of a cullet and rocks with the raised maintenance of crystal phases: dis. ... cand. Eng-ing. Sc.: 05.23.05. - Ulan-Ude, 2009. - 152 p.
8. Demidovich B. K. Production and application of foamglass. - Minsk: Science and equipment, 1972. - 304 p.
9. The FOAMGLAS®. - URL: foamglass Site http://www.foamglas.ru/
10. The Site of JSC Gomelsteklo. - URL: www.gomelglass.com/ru/
11. The Site of JSC NPO Transpolimer. - URL: http://npo-transpolimer.neobroker.ru/
12. The Site of the Company of Diyelnio. - URL: www.dlnio.ru/
