CC BY
52УДК 691.618.93
ОБОСНОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (ПЕНОСТЕКЛА) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНЫХ РЕСУРСОВ
Грушко И.С, Скибин Г., Дружинина Е.
1 Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, grushkois@gmail.com
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы направленной кристаллизации теплоизоляционного материала - пеностекла.
Предмет исследования: Целью работы является проектирование шихтовых составов для синтеза пеностекла с ипользованием вторичных ресурсов, обеспечивающих наличие в каркасе материала кристаллической составляющей.
Материалы и методы: Материалом исследования является золошлаковая смесь, представляющая собой продукт сжигания угля на тепловой электростанции. Золошлаковый отход может рассматриваться как вторичное сырье ввиду разнообразного химического состава и использоваться в качестве составляющей шихты для синтеза пеностекла.
При помощи растрового электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG с применением энергодисперсионного спектрометра рентгеновского излучения фирмы EDAX, установленного в микроскопе, был определён химический состав образца золошлакового отхода. Методом рентгеновской дифракции на дифрактометре Rigaku Ultima IV исследован его фазовый состав, в том числе размеры кристаллитов и количественное соотношение известных фаз в смеси. Порошковые рентгеновские дифрактограммы уточняли методом Ритвельда, расчет массовой доли фаз проводили методом корундовых чисел, расчет размера кристаллитов (ОКР) методом Гальдера - Вагнера (Haider-Wagner methods).
Результаты и Выводы: Установлено, что одним из основных факторов, определяющих физические свойства пеностекла, является особенности строения его макро- и микроструктуры, которые регулируются изменением температурно-временного режима и модификацией состава путем введения добавок. Использование вторичных ресурсов (золошлаковой смеси представленного состава) позволяет реализовать формирование заданной микроструктуры двумя способами: целенаправленным введением катализатора кристаллизации и использовании уже существующих кристаллических фаз в исходном материале. Результаты физико-химического исследования золошлаковой смеси и ранее проведенных работ по проектированию состава и технологии получения теплоизоляционного материала пеностекла позволили создать серию шихтовых составов для синтеза пеностекла с различным процентным содержанием катализатора кристаллизации.
Ключевые слова: теплоизоляционный материал, пеностекло, кристаллическая фаза, микроструктура, золошлаковая смесь, вторичное сырье.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальным является как создание новых теплоизоляционных материалов с необходимым набором эксплуатационных характеристик, так и совершенствование, оптимизация отдельных свойств существующих материалов, их грамотное применение и использование при проектировании и строительстве новых, а также при реконструкции существующих зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения.
Пеностекло (вспененное стекло, ячеистое стекло) - теплоизоляционный материал, представляющий собой вспененную стекломассу, обладающую низкой теплопроводностью, высокой прочностью, морозостойкостью, низкой плотностью. Так же материал экологически безопасен, не воспламеняется и не горит, не подвержен поражению бактериями и грибами, не
привлекает в качестве пищи грызунов ввиду полностью неорганического состава. Совокупность вышеуказанных свойств обеспечивает возможность его использования во многих отраслях народного хозяйства.
Одним из факторов, препятствующих широкому использованию пеностекла, является его высокая стоимость в пересчете на 1 м3 по сравнению с теплоизоляционными материалами других видов. Подавляющее большинство исследователей ставят своей целью максимальное снижение себестоимости конечного материала за счет использования в качестве сырьевой базы отходов промышленного производства различной природы [1-7]. Применение подобных отходов, расположенных в регионе предполагаемого производства строительных материалов представляется экономически обоснованным в части затрат на транспортировку сырья.
В Ростовской области расположена электрическая станция НчГРЭС, в результате работы которой ежегодно при сжигания угля образуется более 1 млн. т отходов, и в отвалах электростанции в настоящее время расположено свыше 50 млн. т золошлаковой смеси (ЗШС). Для повторного вовлечения в хозяйственный оборот отходов подобного состава необходимо понимание их исходных характеристик и возможности протекания физико-химических процессов взаимодействия с технологическими добавками, термодинамику возможных реакций и величину воздействия на систему для получения конечного продукта с заданным комплексом свойств.
Несмотря на достаточно большое количество публикаций, посвященных пеностекольному материалу [7], его применению [8], свойствам [9], особенностям производства [10], недостаточно изучены вопросы его строения.
Физические свойства пеностекла зависят, в том числе, и от его макро- и микроструктуры, которые регулируются изменением температурного режима синтеза и модификацией состава путем введения добавок. Основу микроструктуры межпоровой перегородки пеностекла составляет стеклофаза, которая может быть модифицирована различными добавками, и образовывать стеклокристаллическую форму. Известно, что кристаллическая фаза неоднозначно влияет на синтез пеностекла: при вспенивании затормаживает рост ячеек, при стабилизации увеличивает структурно -механическую прочность образовавшейся пены в пиропластичном состоянии. Однако, отсутствует информация о прямой зависимости между физико-химическими параметрами стекла и наличием в нем кристаллической фазы. На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что вопросы кинетики процесса вспенивания пеностекольных материалов, шихтовые составы которых по-разному предрасположены к кристаллизации, а также создание пеностекла с ипользованием вторичных ресурсов (на примере ЗШС ТЭС) с заданными свойствами в зависимости от условий его синтеза, мало изучены [11, 12].
Целью настоящей работы является проектирование шихтовых составов для синтеза пеностекла с ипользованием вторичных ресурсов, обеспечивающих наличие в каркасе материала кристаллической составляющей.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
С целью выявления основных направлений развития науки в области формирования направленной кристаллизации пеностекла выполнен обзор различных баз данных научно-технической литератры (Web of Science, Scopus, ScienceDirect, Elibrary.ru, rsl.ru и т.д.) за период с 2009 г. по н.в.
В работе [13] показано, что образование в расплаве мелкокристаллической структуры во время вспенивания позволяет получить
пеностекольный материал с равномерным распределением мелких и замкнутых пор к матрице материала. Есть сведения о том, что кристаллизация стекла, на основе которого будет синтезирован пеностекольный материал, рассматривается как негативное явление, отрицательным образом влияющее на его свойства и затрудняющее равномерное вспенивание. Как причина высокого водопоглощения пеностекольного материала указана, в том числе, кристаллизация исходного стекла.
Кристаллизация меняет величины вязкости и поверхностного натяжения, являющихся основными факторами при вспенивании [14]. Крупные неравномерные кристаллы затрудняют вспенивание вследствие повышения
поверхностного натяжения и вязкости или препятствуют получению пеностекольного материала. В связи с этим кристаллизацию исходного стекла исключают посредством снижения температуры вспенивания или введением антикристаллизационных добавок в стекло (например, до 6 % (по массе) пиролюзита, 3 - 5 % оксида магния или алюминия). Очевидно, что введение дополнительных компонентов усложняет процесс, в связи с чем более рациональным и при этом эффективным и интенсивным по воздействию является снижение температуры вспенивания до значений ниже 850 °С [14].
Считается, что наличие кристаллов крупных размеров в стекле способствует разрушению межпоровых перегородок, увеличению значения показателя водопоглощения и, как следствие, снижению долговечности и морозостойкости. Повышенная кристаллизационная способность стекол затрудняет процессы вспенивания и препятствуют ему [15].
Пеностекольный материал с наличием кристаллических включений в матрице имеет более высокие значения плотности и прочности по сравнению с пеностекольным материалом с полностью аморфной структурой. Так, его средняя плотность с наличием кристаллических включений составляет 250 кг/м3, с полностью аморфной структурой - 220 кг/м3, прочность при сжатии - 3,5 и 2,3 МПа соответственно [16]. Получение таких частиц в стекле возможно путем частичной кристаллизации или при микроликвационном расслоении.
Авторами работы [17] разработан двухстадийный способ получения пеностекольного материала через промежуточный продукт (стеклогранулят), синтезируемый путем низкотемпературной термообработки шихты; пеностекольный материал представляет собой аморфный пористый материал, содержащий наноразмерные структурные элементы в виде кристаллических включений, который обладает повышенными прочностными характеристиками по сравнению с традиционным пеностекольным материалом, получаемым на основе стеклобоя. Стеклогранулят выступает исходным сырьем для
последующего вспенивания и получения изделий с заданными характеристиками. По фазовому составу стеклогранулят является стекловидным материалом с присутствующими в нем остаточными кристаллами кварца. Свойства пеностекольного материала зависят от состава и структуры присутствующих фаз стеклогранулята, от размера и взаимного расположения структурных элементов на наноуровне. Пеностекольный материал характеризуется наличием гетерогенной структуры, связанной с присутствием в объеме стекловидной матрицы межпоровой перегородки структурных элементов размером 50 - 100 нм. Пространственная неоднородность стеклофазы вызвана процессом растворения остаточного кварца стеклогранулята в процессе вторичной обработки на стадии вспенивания [16]. Временное сопротивление образцов пеностекольного материала при сжатии имеет значение 3 МПа (образцы с размерами структурных элементов 60 - 80 нм), а материала с аморфнокристаллической структурой - не более 1,5 МПа. Такие значения авторы работы объясняют малым значением структурных элементов и упрочнением матрицы межпоровой перегородки за счет нанокластеров.
При получении стеклогранулята из механоактивированных стекольных шихт по низкотемпературной технологии (850 - 950 °С) сохраняется кристаллическая фаза в виде кварца, которая полностью или частично растворяется в процессе вторичной термообработки смеси на стадии вспенивания, что увеличивает прочностные характеристики материала.
Имеются сведения о положительном влиянии кристаллизационных процессов на механические свойства пеностекольного материала. Установлено, что появление новой кристаллической фазы в межпоровой перегородке увеличивает
механическую прочность материала до 2 МПа [18]. Рост прочности сопровождается увеличением плотности материала и ухудшением его теплофизических характеристик. Поэтому важно, чтобы процесс кристаллизации материала был контролируемым и направленным, а не самопроизвольным.
Научной группой под руководством О. В. Казьминой (ТПУ) в работе [19] проведено исследование микроструктуры аморфной перегородки пеноматериала, а также механизма формирования его прочной аморфной матрицы. Упрочнение материала авторы объясняют скоплением основного кремнийсодержащего структурного элемента у границ перегородок матрицы. Рассмотрены причины и механизмы образования глобулярной структуры (глобулы -наноразмерные гранулы сферической формы, разделенные порами микронного размера). Изменение в структуре упрочненного пеноматериала определяется не только структурой и наличием остаточной кристаллической фазы, но и структурой аморфной матрицы. В ходе научного исследования выявлено образование новых
структурных элементов в пеностекольном материале - наноглобул со сложной многоуровневой структурой, наличие которых повышает прочность готового материала.
В работе [20] определены составы для получения пеностекольных материалов, отличающихся по составу от традиционного пеноматериала присутствием кристаллической фазы, а также рекомендации по их технологии получения. Качество пеностекольного материала определяется составом промежуточного продукта
(стеклогранулята), на основе которого получается конечный продукт. По фазовому составу стеклогранулят является аморфно-кристаллическим с преобладающим содержанием стеклофазы. При этом существует общая закономерность - с уменьшением количества кристаллической фазы в стеклогрануляте в целом улучшаются условия перехода смеси в пиропластическое состояние на стадии вспенивания и уменьшается плотность пеностекольного материала. Также наблюдается общая закономерность снижения количества кристаллической фазы с ростом температуры, при последующем повышении которой до 900 °С происходит стабилизация, а при более высоких температурах и кристаллизация расплава. В качестве критериев получения пеностекольного материала авторы указывают следующие факторы: исходный материал при получении стеклогранулята должен иметь размер не более 100 мкм, содержание стеклообразующего оксида кремния в исходном материале должно быть не менее 60 % (при содержании в исходном материале SiO2 по отношению А1^3 не менее 4). С повышением температуры обработки шихты содержание кристаллической фазы уменьшается, а количество стеклофазы стеклогранулята увеличивается с ростом доли аморфной составляющей в кремнеземистом компоненте шихты [21].
В работе [22] авторы анализировали микро- и мезоструктуры аморфной матрицы межпоровой перегородки пеностекла, модифицированного наноразмерным диоксидом циркония в количестве 0,3 % (максимальная температура вспенивания смеси 850 °С с изотермической выдержкой 20 мин). Условием повышенной прочности пористой системы является наличие кристаллитов, упорядоченно располагающихся в
рентгеноаморфной матрице, и правильная с точки зрения симметрии упаковка пор. Также было определено, что механическая прочность аморфной фазы повышается в присутствии микро- и наноразмерных частиц кристаллической фазы, которая не будет концентратором напряжений на границе раздела фаз, приводящих к разрушению.
В публикации [23] представлено исследование кристаллизационных процессов, протекающих при термообработке низкотемпературного
стеклогранулята, в целях установления возможности управления данными процессами путем введения катализаторов кристаллизации и получения высокоэффективных пеностекольных
материалов. В качестве инициаторов кристаллизации исследованы оксид кремния, титана и ильменитовый концентрат. Оксид кремния в виде кварца присутствует как остаточная кристаллическая фаза и может инициировать кристаллизацию при вторичной термической обработке гранулята, которая происходит на стадии вспенивания. Совместное присутствие оксидов титана и железа благоприятно влияет на формирование мелкокристаллической структуры силикатных стекол. Для кристаллизации в шихту добавляли катализатор в количестве 5, 8 и 10 % (по массе). Кристаллизация в межпоровой перегородке материала нитевидного девитрита субмикронных размеров увеличивает прочность готового пеноматериала до 4,5 МПа по сравнению с прочностью 2,6 МПа пеностекольного материала, не кристаллизующегося при температуре вспенивания. Способностью к кристаллизации обладают низкощелочные составы (№20 16 % по массе) стеклогранулята на основе маршалита и опоки. Катализатором кристаллизационных процессов выступает остаточный кварц, количество которого после термообработки уменьшается с 11 до 6 % (по объему) для состава маршалита и с 16 до 10 % (по объему) для состава из опоки. Основной кристаллизующейся фазой является девитрит, содержание которого растет с увеличением времени выдержки с 30 до 90 мин при температуре вспенивания.
Учеными научной группы БГТУ им. В. Г. Шухова под руководством О. В. Пучка установлено, что при увеличении температуры вспенивания эксплуатационные характеристики пеноматериала ухудшаются, что связано с изменениями реологических свойств пенообразующей смеси в процессе вспенивания. Стеклокомпозит, синтезированный при 800 - 820 °С, обладает прочностью при сжатии до 3,9 МПа. Он содержит кристаллы вытянутой формы а^Ю2 и р-воллостанита (полевой шпат), представляющие собой армирующую сетку, которая, по мнению авторов работы, является причиной увеличения прочности материала. При повышении температуры вспенивания на 50 °С содержание (по массе) кристаллической фазы возрастает с 3,1 до 9,4 %, в результате увеличивается плотность распределения кристаллов, однако прочность образца снижается (до 2,3 МПа). Снижение прочности вызвано разрушением межпоровых перегородок и объединением пор в более крупные неравномерные образования с большим количеством дефектов [24].
В работе [25] авторы определяли степень влияния кристаллизации на процесс получения пеностекла и зависимость вспенивания от выделившихся кристаллических фаз. Вспенивание гранул проводили в муфельной печи при 900 °С и времени вспенивания 20 - 40 мин. Проведен рентгенофазовый анализ материалов, прошедших тепловую обработку. Приведены качественные и количественные характеристики представленных кристаллических фаз. Следует отметить, что
результаты подобного анализа для шихты отсутствуют, что не позволяет сделать вывод об их структурных изменениях в результате термообработки. Авторами установлено, что во вспененных составах кристаллической фазы выделилось до 44 % (по массе), в не вспененных 53,78 % (по массе) и более. Интенсивное выделение кристаллических фаз влечет за собой полную остановку процесса образования пористого материала. Это происходит в результате изменения химического состава стеклофазы, что приводит к изменению ее реологических свойств.
В работе [26] при создании композита на основе теоретических знаний о геонике, в качестве каркаса выбран пеностекольный материал и подвергнут модификации для управления его структурой на нано-, микро- и макроуровнях. Авторами разработаны специальные наномодифицирующие добавки, повышающие прочностные
характеристики пеностекла на микроуровне за счет армирования стекольной матрицы
кристаллическими включениями (выделяются кристаллические фазы размером 0,6 - 7,0 мкм), создавая аморфно-кристаллический каркас. Также это позволяет сохранить на макроуровне мелкопористую структуру (100 - 500 мкм), которая не снижает теплофизических и акустических характеристик созданного композиционного материала. Таким образом, введение в состав пеностекла мелкодисперсных добавок на основе кристаллического кварцевого сырья различного происхождения предоставляет возможность создания материала конструкционного назначения с повышенной прочностью за счет армирования каркаса. Допустимой величиной инородных включений, в том числе кристаллов стекла, которые не вызывают нарушений в развитии структуры пеностекла, а также не снижают его структурно-механическую прочность, является размер, не превышающий половины толщины межпоровой стенки в наиболее узком месте, т.е. около 35 - 50 нм. Кристаллы больших размеров, возникающие на стадии спекания пенообразующей смеси, вызывают заторможенное развитие элементов ячеек и, как следствие, неравномерность развития всей структуры пеностекла [27].
В отдельных работах ученых, посвященных пеностеклу, имеется информация о наличии кристаллических фаз в аморфном каркасе материала. В работе [28] в пеностекле обнаружено присутствие кристаллической фазы триклинного волластонита при нагревании до 950 °С с различным временем выдержки, при этом пористость материала составляет 56,6 %, прочность при сжатии 11,7 МПа. В исследованиях [29] представлен пеностекольный материал, полученный с использованием нитрида алюминия и стеклянных промышеленных отходов, показано наличие многочисленных возможных фаз, включая главным образом волластонит и SiO2.
В работе [30] в качестве вспенивающего агента использован графит. Близкие значения температуры
размягчения стекла и температуры окисления порообразователя предоставляют возможность формирования качественного пеноматериала. Основной кристаллической фазой после термообработки является волластонит (при температурах 750, 850, 1000 и 1050 °С). Рост кристаллов в каркасе пеностекла придает материалу дополнительную прочность, вызванную
кристаллизацией. Образец пеностекла с оптимальными параметрами в рассматриваемой работе (порообразователь 1 %, температура синтеза 1000 С) имеет плотность 0,86 г/см3 и прочность при сжатии 12,4 МПа. Авторами [31] показана тенденция изменения степени кристаллизации пеностекольного материала в зависимости от температуры (800, 850 и 900 °С). При 800 °С обнаруживаются незначительные кристаллические образования, свидетельствующие о ранней стадии кристаллизации. С увеличением температуры можно наблюдать рост а-кварца и следы кристобалита. При дальнейшем увеличении температуры до 850 °С интенсивность пиков кристобалита возрастает. При 900 °С наблюдается снижение пиков а-кварца вследствие его перехода в кристобалит и появление волластонита. Морфологические исследования пеностекла показали наличие кристаллов размером 1 - 2 мкм, при 900 °С - однородное распределение удлиненных кристаллов волластонита и кристаллов кристобалита, расположенных на внутренней поверхности пор, что свидетельствует об объемной кристаллизации.
Анализ представленного материала позволяет сделать следующие выводы о направлении исследований в мировой науке.
1. Степень влияния кристаллической фазы на формирование и развитие структуры пеностекольного материала (пеностекла) и его свойства трактуется учеными неоднозначно. Выявлено, что причиной отрицательного влияния кристаллической фазы в каркасе пеностекольного материала являются крупные кристаллы, наличие которых затрудняет вспенивание за счет повышения поверхностного натяжения и вязкости. К положительным эффектам следует отнести возможность регулирования количества кристаллической фазы, ее состава и размера частиц, что позволяет управлять свойствами материала и синтезировать продукт с заданными характеристиками, такими как механическая прочность (отдельные технологии обеспечивают получение значение прочности при сжатии до 12,4 МПа), плотность (от 100 до 300 кг/м3), пористость, водопоглощение и др.
2. Для обеспечения прочности пеностекольного материала необходим аморфно-кристаллический каркас (до 20 % (по массе)), в котором армирующую роль будут выполнять кристаллические включения определенного размера (кристаллическая фаза должна быть микро- и наноразмеров и не вызывать концентрацию напряжений на границе раздела фаз, в диапазоне 35 - 65 нм), равномерно
распределенные во всем объеме материала, в том числе у границ перегородок каркаса и внутренней поверхности пор по матрице пеноматериала в упорядоченном виде.
3. Возникновение кристаллической фазы (а-кварц, волластонит, геленит, геопсид, кристобалит, девитрит и т.д.) в каркасе пеностекольного материала возможно при наличии кристаллов в исходной шихте при одностадийном способе получения (а также в стеклогрануляте в случае двухстадийного способа получения) или при введении в состав шихты химических соединений, инициирующих процесс кристаллизации. В последнем случае это может быть достигнуто путем введения в состав композита компонентов, которые при температурной обработке (вспенивании) инициируют образование кристаллические фазы в аморфной матрице либо введением в состав аморфной матрицы кристаллического наполнителя.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Одним из основных компонентов проектируемого шихтового состава пеностекла является золошлаковая смесь, использование которой позволит снизить стоимость готового продукта. Ее применение возможно за счет близкого химического состава к шихте из природного сырья, традиционно использующейся для производства пеностекла [32]. Для разработки серии составов для синтеза пеностекла необходимо полное представление о химическом и фазовом составе основного ее компонента - золошлакового отхода. В связи с этим проведено его комплексное исследование, включающее определение химического состава, определение состава (идентификация) кристаллических фаз (в том числе степень кристалличности, размеры кристаллитов), количественное определение известных фаз в смеси.
Обоснование используемых методов исследования. Энергодисперсионный спектрометр (ЭДС) на данный момент является самой распространенной приставкой к электронным микроскопам. Он легко устанавливается на колонну любого электронного микроскопа (растрового или просвечивающего) и позволяет решать примерно 90% всех задач микроанализа.
Энергодисперсионный анализ позволяет исследовать состав материалов по отдельным химическим элементам. На основе результатов элементного анализа для определения фазового состава кристаллических материалов проводится рентгеноструктурный анализ. Принцип работы ЭДС заключается в следующем: пучок электронов падает на поверхность образца и взаимодействует с материалом, в результате чего возникает, в том числе, характеристическое рентгеновское излучение, которое регистрируется
полупроводниковым детектором ЭДС. Система обработки сигнала затем разделяет рентгеновские фотоны по энергиям и, таким образом получается
полный спектр, по которому можно судить об элементном составе образца.
Рештенофазовый анализ (РФА) - это метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного рентгеновского излучения на кристаллической решётке анализируемого объекта. Данная методика реализуется при помощи рентгеновского дифрактометра. В результате такого исследования можно получить различную информацию по структуре исследуемого образца, в том числе идентифицировать фазы и провести количественный фазовый анализ.
Указанные выше методы энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгенофазового анализа применены исполнителями для определения химического состава предоставленных образцов.
Образец золошлаковай смеси представлены в виде крупного порошка. Методом квадратирования отбирали среднюю пробу образца массой ~ 10 г которую затем истирали в агатовой ступке до состояния пудры. Образцы фиксировались на углеродный скотч на специальных столиках и помещались в растровый электронный микроскоп FEI Quanta 600 FEG (2007, FEI, Нидерланды).
Для определения элементного состава визуально выбиралась область с наибольшей толщиной слоя исследуемого порошка для минимизации вклада углеродного скотча, на который крепится образец, в результаты по составу. Спектры снимались с помощью энергодисперсионного спектрометра рентгеновского излучения фирмы EDAX, установленного в микроскопе. Разрешение по энергии данного метода составляет 120 эВ, а по концентрации до 0.1 % для Ar и более тяжелых элементов, порядка 0.5 % для C, N и О. Для получения наибольшей статистики площадь съемки представляла собой прямоугольник со сторонами в интервале 0,5 - 1 мм, а ускоряющее напряжение составляло 30 кВ. Расчет содержания элементов в исследуемом материале проводился с помощью программы EDAX Genesis, прилагаемой вместе с растровым электронным микроскопом.
Для проведения рентгенофазового анализа, образцы засыпались в специальный стеклянный
держатель, распределялись ровным слоем и помещались в рентгеновский дифрактометр Rigaku Ultima IV (2008, Rigaku, Япония).
Исследование фазового состава проводились методом рентгеновской дифракции в излучении Cu-Ka (длина волны X = 0.154178 нм) с использованием щелей Соллера. Съемку дифракционного спектра для фазового анализа проводилась по схеме 0 - 20 сканирования с фокусировкой по Брегу-Брентано в интервале углов 15...70 град. 2 0. Съемка осуществлялась в поточечном режиме с шагом сканирования Д(20) = 0,02 град, скоростью 2 град/мин, рабочее напряжение 40 кВ, ток 40 мА.
Для уточнения профиля экспериментальных рентгенограмм использовался программный пакет PDXL RIGAKU. Вычитание фона производилось методом Сонневельда - Виссера, сглаживание экспериментального профиля методом Савицкого -Голая, разделение компонент ka1 и ka2 методом Рачингера. Для описания дифракционных максимумов использовали суперпозицию функции Гаусса и функции Лоренца. Порошковые рентгеновские дифрактограммы уточняли методом Ритвельда, расчет массовой доли фаз проводили методом корундовых чисел, расчет размера кристаллитов (ОКР) методом Гальдера - Вагнера (Halder-Wagner methods).
Аппроксимация каждого из рефлексов на дифрактограммах исследуемых образцов функцией псевдо - Войгта позволяет точно определить положение рефлексов с учетом смещения, вызванного перекрытием рефлексов, на половине максимума интенсивности (FWHM) и интенсивность. Фазовый состав покрытий определялся с помощью БД ICCD PDF-2 (2008г).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
С использованием методов (р. «Материалы и методы») получены и приведены результаты исследования золошлаковой смеси.
На рисунке 1 представлены
энергодисперсионные спектры исследуемой золошлаковой смеси с отмеченным на них содержанием элементов
Рис. 1. Энергодисперсионный спектр золошлаковой смеси Fig. 1. Energy dispersive spectrum of ash@slag mixture
Для удобства дальнейшей работы на основании данных энергодисперсионных спектров осуществлен расчет оксидного состава золошлаковой смеси и приведен к 100 % (таблица 1) [33].
Таблица 1. Химический состав золошлаковой смеси, приведенный к 100 % Table 1. The chemical composition of the ash@slag mixture, reduced to 100 %
Наименование Содержание, мас. %
SiO2 AkO3 Fe2O3 CaO K2O MgO Na2O TiO2 SO3 S
Золошлаковая смесь (ЗШС) 54,52 21,21 12,65 3,47 3,34 2,12 0,87 1,07 0,75 100,00
По содержанию компонентов исследуемую ЗШС можно отнести к сверхкислым. Наличие стеклообразующих оксидов свидетельствует о возможности стеклования материала. Значительное содержание Al2Oз (свыше 20 %) указывает на достаточно высокую температуру плавления, легоплавкие оксиды (Fe2Oз, K2O, Na2O) способны нивелировать это значение несущественно.
С целью установления исходных параметров шихты проведен рентгенофазовый анализ (РФА) золошлаковой смеси, который показал ее аморфно-кристаллический характер структуры (рисунок 2), из которых следует, что исследуемый материал представлен в основном аморфной фазой, также обнаружены следующие кристаллические фазы:
кварц - SiO2, оксид железа (II, III) - Fe3O4 и оксид алюминия калия - A16KO95).
Рис. 2. Порошковая рентгеновская дифрактограмма золошлаковой смеси Fig. 2. X-ray powder diffraction pattern of ash@slag mixture
Также установлены параметры обнаруженных кристаллических фаз: результаты расчета массовой доли кристаллических фаз и расчета размера кристаллитов (размера ОКР) (таблица 2, точность
определения количественного фазового состава составляет ± 5 % масс). Установлено, что размеры выявленных кристаллических фаз находятся в требуемом диапазоне (35-65 нм).
Таблица 2. Параметры кристаллических фаз Table 2. Parameters of crystalline phases
Кристаллическая фаза ю, масс. % Размер ОКР, нм
SiO2 74.0 64,6
Fe3O4 10.1 16,0
Al6KO9.5 15.9 74,2
Наличие кристаллической фазы в исходных материалах позволяет создать теоретические составы по двум описанным ранее направлениям: целенаправленным введением катализоторов кристаллизации и получением кристаллической фазы в материале за счет ее наличия в исходном сырье.
Для обоснования выбора кристаллизации и исходя из результатов обзора рассмотрим требования к катализаторам кристаллизации в стеклах.
Катализатор должен иметь неограниченную растворимость в стекле при высоких температурах (температуры варки и выработки) и ограниченную растворимость при низких температурах (вблизи температур размягчения и ниже). Катализатор должен обладать низкой энергией активации при образовании центров кристаллизации из расплава в области пониженных температур. Ионы или атомы катализатора должны иметь повышенную скорость диффузии при низких температурах по сравнению с основными компонентами стекла. Граница
зародыша кристалл-стекло должна иметь низкую поверхностную энергию, чтобы обеспечивать смачивание кристалла стеклом. Параметры кристаллической решетки катализатора и выделяющейся кристаллической фазы должны быть близки и не отличаться более, чем на 10-15 %. Большинство исследователей считает, что наиболее важным фактором в определении эффективности гетерогенного образования зародышей (центров кристаллизации) является тесная корреляция между параметрами кристаллической решетки
катализатора и выделяющейся кристаллической фазы.
Для шлаковых стекол рекомендованы катализаторы S2-, Сг203, F-. Применительно к имеющемуся составу ЗШС в качестве катализатора будет использован Сг203. Сг203 относится к группе неметаллических катализаторов. Сг203
рекомендуют использовать в сочетании с другими катализаторами, поскольку при использовании лишь только Сг203 предполагается частичная кристаллизация аморфной фазы. На основании вышеизложенного, в теоретическом составе шихты пеностекла в качестве модификатора будет использован Сг203 без дополнительных катализаторов. Катализатор способствует ликвации стекол на две фазы и это обусловливает появление центров кристаллизации и облегчает рост кристаллических зерен. Причиной резкого
увеличения скорости зародышеобразования вследствие ликвации может быть развитие поверхности между стеклообразными фазами и приближение химического состава микрофаз к составу будущих кристаллов, повышающее скорость их кристаллизации.
Количество катализатора варьируется от долей процента до 10 %. Рекомендованное содержание СГ2О3 более 2 %, чтобы расслоение наблюдалось уже в расплаве ввиду относительно низкой растворимости СГ2О3 [34].
На основании проведенных ранее работ по проектированию состава и технологии получения теплоизоляционного материала пеностекла [32, 3537], а также проведенного обзора и анализа влияния кристаллической фазы в матрице пеностекла на его эксплуатационные свойства [38], спроектированы составы пористых стекол с различным содержанием кристаллической фазы (Таблица 3).
Теоретический состав шихты для пеностекла является условно приближенным, т.к. влияние вида катализаторана кристаллизацию точно
устанавливается при синтезе материала и производится корректировка. После синтеза образцов для подтверждения информации об образовавшихся кристаллических фазах, температурах их образования и т.д. проводят ДТА и РФА образцов материала.
Таблица 3. Составы пористых стекол с различным содержанием кристаллической фазы Table 3. The composition of porous glasses with different contents of the crystalline phase
№ состава Содержание компонентов, мас. %
Золошлаковый отход Стеклобой Бура* Антрацит* Катализатор кристаллизации
ПС-3-7-К2 30 70 5 5,0 2,0
ПС-3-7-К2,5 30 70 5 5,0 2,5
ПС-3-7-К3 30 70 5 5,0 3,0
ПС-3-7-К3,5 30 70 5 5,0 3,5
ПС-3-7-К0 30 70 5 5,0 -
ВЫВОДЫ
По результатам выполненных работ и в соответствии с поставленной целью сделаны следующие выводы.
1. Установлено, что одним из основных факторов, определяющих физические свойства пеностекла, являются особенности строения его макро- и микроструктуры, которые регулируются изменением температурно-временного режима и модификацией состава путем введения добавок. Микроструктура межпоровой перегородки пеностекла представляет собой аморфную фазу, которая может быть модифицирована на этапе
синтеза материала различными катализаторами и образовывать частично кристаллическую форму.
Определено, что степень влияния кристаллической фазы на формирование и развитие структуры пеностекольного материала (пеностекла) и его свойства неоднозначно. Выявлено, что причиной отрицательного влияния
кристаллической фазы в каркасе пеностекольного материала являются крупные кристаллы, наличие которых затрудняет вспенивание за счет повышения поверхностного натяжения и вязкости. К положительным эффектам присутствия
кристаллической фазы относится возможность регулирования ее количества, состава и размера
кристаллитов, что позволяет управлять свойствами материала на макроуровне и синтезировать продукт с заданными эксплуатационными характеристиками строительного материала, такими как механическая прочность (отдельные технологии обеспечивают получение значение прочности при сжатии до 12,4 МПа), плотность (от 100 до 300 кг/м3), пористость, водопоглощение и др.
2. Возникновение кристаллической фазы (а-кварц, волластонит, геленит, геопсид, кристобалит, девитрит и т.д.) в каркасе пеностекольного материала возможно при наличии кристаллов в исходной шихте при одностадийном способе получения (а также в стеклогрануляте в случае двухстадийного способа получения) или при введении в состав шихты химических соединений, инициирующих процесс кристаллизации. В последнем случае это может быть достигнуто путем введения в состав композита компонентов, которые при температурной обработке (вспенивании) инициируют образование кристаллические фазы в аморфной матрице либо введением в состав аморфной матрицы кристаллического наполнителя.
Таким образом, использование вторичных ресурсов (золошлаковой смеси представленного состава) позволяет реализовать формирование заданной микроструктуры двумя способами: целенаправленным введением катализатора кристаллизации и использовании уже существующих кристаллических фаз в исходном материале.
3. Результаты физико-химического исследования золошлаковой смеси и ранее проведенных работ по проектированию состава и технологии получения теплоизоляционного материала пеностекла позволили создать серию шихтовых составов для синтеза пеностекла с различным процентным содержанием катализатора кристаллизации.
При дальнейших исследованиях будут синтезированы спроектированные составы, подобран температурно-временной режим. Полученные образцы будут подвергнуты дифференциальному термическому и
рентгенофазовому анализам, что позволит получить достаточные сведения о влиянии исходных материалов на микроструктуру пеностекла, в том числе идентификации кристаллических фаз и температур их образования. При теоретическом расчете режима получения будет проведен анализ данных диаграммы состояния стекла соответствующей системы. Теоретические составы будут подвержены корректировке в соответствии с результатами синтеза и параметрами температурно-временного режима.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Казьмина О.В., Кузнецова Н.А. Получение высокоэффективного теплоизоляционного
строительного материала на основе золошлаковых
отходов тепловых электростанций // Огнеупоры и техническая керамика. 2012. № 1-2. С. 78 - 82.
2. Смолий В.А., Косарев А.С., Яценко Е.А. Ячеистые теплоизоляционные строительные стекломатериалы на основе отходов тепловых электростанций и черной металлургии // Стекло и керамика. 2017. № 2. С. 20 - 22.
3. Дамдинова Д.Р., Хардаев П.К., Павлов В.Е., Дружинин Д.К., Вторушин Н.С., Баторова И.Ю. Золошлаковые отходы теплоэнергетики как сырье для получения пеностекол // Вестник ВСГУТУ. 2016. № 2 (59). С. 9 - 14.
4. Дамдинова Д. Р., Павлов В. Е., Хардаев П. К., Дружинин Д.К., Вторушин Н. С., Баторова И. Ю. Влияние состава на структуру и свойства пеностекол с использованием золошлаковых отходов ТЭЦ // Научное обозрение. 2016. № 10. С. 47 - 55.
5. Lázár, M., Hnatko, M., Sedlácek, J., Carnogurská, M., Brestovic, T. Upgrading the glassy slag from waste disposal by thermal plasma treatment // Waste Management. 2018. Vol. 78. pp. 173 - 182.
6. Li, J., Zhuang, X., Querol, X., Font, O., Moreno, N. A review on the applications of coal combustion products in China // International Geology Review. 2018. Vol. 60, Issue 5-6. pp. 671 - 716.
7. Rawlings, R.D., Wu, J.P., Boccaccini, A.R. Glass-ceramics: Their production from wastes-A Review // Journal of Materials Science. 2006. Vol. 41, Issue 3. pp. 733 - 761.
8. Колекова А.В., Рачинская М.П. Пеностекло и его применение в России // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 5 (13). С. 18.
9. Минько Н.И., Пучка О.В., Евтушенко Е.И., Нарцев В.М., Сергеев С.В. Пеностекло -современный эффективный неорганический теплоизоляционный материал // Фундаментальные исследования. 2013. № 64. С. 849 - 854.
10. Федосов С.В., Баканов М.О., Никишов С.Н. Основные принципы технологии получения теплоизоляционного пеностекла, подходы к моделированию // Сборник «Эффективные строительные композиты» Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук Баженова Юрия Михайловича. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2015. С. 690 - 699.
11. Китайгородский И. И., Кешишян Т. Н. Пеностекло М.: Промстройиздат. 1953. 78 с.
12. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника. 1975. 248 с.
13. Разработка эффективных строительных конструкций, материалов и изделий в условиях сейсмики и сурового климата Республики Бурятия [Текст]: отчет о НИР (промежуточ.) // ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»; рук. Дамдинова Д.Р.; исполн.: Павлов В.Е. [и др.]. -Улан-Удэ, 2014. - 85 с. - № ГР 01201254455. - Инв. № 215011450004.
14. Сопегин Г. В., Семейных Н. С. Подготовка исходных компонентов шихты в производстве гранулированного пеностекла // Masters Journal. 2016. № 2. pp. 44 - 54.
15. Саркисов П. Д., Семин М. А., Егорова Л. С. Стеклообразование и кристаллизация стекол системы SiO2-Al2O3-Fe2O3 (FeO)-CaO-MgO-R2O // Стекло и керамика. 1995. № 11. С. 6 - 7.
16. Сусляев В. И., Казьмина О. В., Семухин Б. С. и др. Исследование электромагнитных характеристик стеклокристаллического пеноматериала // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 9/2. С. 312 - 314.
17. Казьмина О. В., Верещагин В. И., Семухин Б. С. Структура и прочность пеностеклокристаллических материалов из низкотемпературного стеклогранулята // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 4. С. 501 - 509.
18. Дадминова Д. Р., Хардаев П. К., Карпов Б. А. и др. Технологические подходы к получению пеностекол с регулируемой поровой структурой // Строительные материалы. 2007. № 3. С. 68 - 70.
19. Казьмина О. В., Семухин Б. С., Иванов Ю. Ф., Казьмин В. П. Особенности образования наноструктуры пеностеклокристаллических материалов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 43 - 46.
20. Казьмина О. В., Верещагин В. И. Абияка А. Н. Оценка составов и компонентов для получения пеностеклокристаллических материалов на основе алюмосиликатного сырья // Стекло и керамика. 2009. № 3. С. 6 - 8.
21. Казьмина О. В., Верещагин В. И., Абияка А. Н. Перспективы использования тонкодисперсных кварцевых песков в производстве пеностеклокристаллических материалов // Стекло и керамика. 2008. № 9. С. 28 - 30.
22. Семухин Б. С., Казьмина О. В., Волкова А. Ю., Сусляев В. И. Физические свойства пеностекла, модифицированного диоксидом циркония // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59. № 12. С. 133 - 138.
23. Елистратова А. В., Казьмина О. В. Исследование кристаллизационных процессов, протекающих в стеклогрануляте при получении пеностекольного материала // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 9/3. С. 34 - 37.
24. Пучка О. В., Вайсера С. С., Лесовик В. С., Сергеев С. В. Управление процессом структурообразования как фактор формирования стеклокомпозитов функционального назначения // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2017. № 9. С. 6 -14.
25. Пучка О. В., Сергеев С. В., Вайсера С. С., Калашников Н. В. Высокоэффективные теплоизоляционные материалы на основе техногенного сырья // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2013. № 2. С. 51 - 55.
26. Пучка О. В., Лесовик В. С., Вайсера С. С. Использование стеклокомпозитов для строительства в условиях Арктики //
Интеллектуальные строительные композиты для зеленого строительства: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф., посв. 70-летию В. С. Лесовика: в 3 ч. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород& 2016. С. 29 - 36.
27. Пучка О. В., Вайсера С. С. К вопросу о повышении прочности пористых материалов // Наукоемкие технологии и инновации: сб. докл. междунар. науч. -практ. конф. в 3 ч. / Белгородский государственный технологический университет им.
B.Г. Шухова. Белгород. 2016. С. 332 - 337.
28. Francis A. A., Abdel Rahman M. K. Structure Characterization and Optimization of Process Parameters on Compressive Properties of Glass-Based Foam Composites // Environmental Progress and Sustainable Energy. 2014. Vol. 33. Issue 3. pp. 800 -807.
29. Lebullenger R., Chenu S., Rocherulle J. et al. Glass foams for environmental applications (Conference Paper) // Journal of Non-Crystalline Solids. 2010. Vol. 356. Issue 44 - 49. pp. 2562 - 2568.
30. Xu B., Liang K. M., Cao J. W., Li Y. H. Preparation of foam glass ceramics from phosphorus slag (Conference Paper) // Advanced Materials Research. 6th China International Conference on HighPerformance Ceramics, CICC-6; Harbin; China. 2009. Vol. 105 - 106. Issue 1. 2010. pp. 600 - 603.
31. Taurino R., Lancellotti I., Barbieri L., Leonelli
C. Glass-ceramic foams from borosilicate glass waste // International Journal of Applied Glass Science. 2014. Vol. 5. Issue 2. pp. 136 - 145.
32. Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Дзюба Е.Б., Грушко И.С., Гольцман Б.М. Физико-химические свойства и структура пеношлакостекла на основе отходов ТЭС // Стекло и керамика. 2013. № 1. С. 3-6.
33. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. Изд. 2-е. М.: МГУ. 1970. 488 с.
34. Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. М.: Машиностроение. 1966. 348 с.
35. Грушко И.С., Яценко Е.А., Зубехин А.П., Пузин В.С. Оптимальные параметры температурно-временного режима синтеза шлакопеностекла с применением математического моделирования // Стекло и керамика. 2014. № 12. С. 12-14.
36. Яценко Е.А., Зубехин А.П., Смолий В.А., Грушко И.С., Косарев А.С., Гольцман Б.М. Ресурсосберегающая технология теплоизоляционно-декоративного стеклокомпозиционного материала на основе золошлаковых отходов // Стекло и керамика. 2015. № 6. С. 34-38.
37. Грушко И.С. Зависимость параметров пеношлакостекла от шихты и технологических добавок // Научное обозрение. 2015. № 6. С. 98-101.
38. Грушко И.С., Маслаков М.П. Формирование кристаллической фазы в матрице пеностекла и ее влияние на эксплуатационные свойства материала // Стекло и керамика. 2018. № 12. С. 10-16.
REFERENCES
1. Kazmina O.V., Kuznetsova N.A. Obtaining a highly efficient heat-insulating building material based on ash and slag waste of thermal power plants // Ogneupory i tehnicheskaja keramika. 2012. N 1-2. pp. 78 - 82. (In Russian)
2. Smoly V.A., Kosarev A.S., Yatsenko E.A. Cellular heat-insulating building glass materials based on waste from thermal power plants and ferrous metallurgy // Stelo i keramika. 2017. N 2. pp. 20 - 22. (In Russian)
3. Damdinova D.R., Khardaev P.K., Pavlov V.E., Druzhinin D.K., Vtorushin N.S., Batorova I.Yu. Ash and slag waste of the power system as a raw material for foam glass production // Vestnik VSGUTU. 2016. N 2 (59). pp. 9 - 14. (In Russian)
4. Damdinova D.R., Pavlov V.E., Khardaev P.K., Druzhinin D.K., Vtorushin N.S., Batorova I. Yu. Composition influence on the structure and properties of foam glass using ash and slag waste from thermal power plants // Nauchnoe obozrenie. 2016. N 10. pp. 47 - 55. (In Russian)
5. Lázár, M., Hnatko, M., Sedlácek, J., Carnogurská, M., Brestovic, T. Upgrading the glassy slag from waste disposal by thermal plasma treatment // Waste Management. 2018. Vol. 78. pp. 173 - 182.
6. Li, J., Zhuang, X., Querol, X., Font, O., Moreno, N. A review on the applications of coal combustion products in China // International Geology Review. 2018. Vol. 60, Issue 5-6. pp. 671 - 716.
7. Rawlings, R.D., Wu, J.P., Boccaccini, A.R. Glass-ceramics: Their production from wastes-A Review // Journal of Materials Science. 2006. Vol. 41, Issue 3. pp. 733 - 761.
8. Kolekova A.V., Rachinskaya M.P. Foam glass and its use in Russia // Sovremennie nauchnie issledovanija i innovacii. 2012. N 5 (13). pp. 18. (In Russian)
9. Minko N.I., Puchka O.V., Evtushenko E.I., Nartsev V.M., Sergeev S.V. Foam glass - a modern effective inorganic thermal insulation material // Fundamental'nie issledovanija. 2013. N 64. pp. 849 - 854. (In Russian)
10. Fedosov S.V., Bakanov M.O., Nikishov S.N. The main principles of the technology for producing heat-insulating foam glass, modeling approaches // Effectivnie stroitelnie kompoziti. Belgorodskij gosudarstvennij tehnologicheskij universitet im. V.G. Shuhova. Belgorod. 2015. pp. 690 - 699. (In Russian)
11. Kitaygorodsky I.I., Keshishyan T.N. Penosteklo [Foamglass]. Moscow: Promstrojizdat. 1953. 78 p.
12. Demidovich B.K. Пеностекло. Penosteklo [Foamglass]. Minsk: Nauka i tehnika. 1975. 248 p.
13. Development of effective building structures, materials and products in seismic conditions and harsh climate of the Republic of Buryatia [Text] : report on research (intermediate) // FSBEI HPE "East Siberian State University of Technology and Management"; managed Damdinova D.R .; performer: Pavlov V.E. [and etc.]. - Ulan-Ude, 2014 .- 85 p. - No. GR 01201254455. - Inv. N. 215011450004. (In Russian)
14. Sopegin GV, Semeykh N. S. Preparation of the initial components of the charge in the production of granulated foam glass // Master's Journal. 2016. N 2. pp. 44 - 54.
15. Sarkisov P. D., Semin M. A., Egorova L. S. Glass formation and crystallization of system glasses SiO2-Al2O3-Fe2O3 (FeO)-CaO-MgO-R2O // Stelo i keramika. 1995. N 11. pp. 6 - 7. (In Russian)
16. Suslyaev V. I., Kazmina O. V., Semukhin B. S. et al. Study of the electromagnetic characteristics of glass-crystal foam // Izvestija visshih uchebnih zavedenij. Fizika. 2012. T. 55. N 9/2. pp. 312 - 314. (In Russian)
17. Kazmina O. V., Vereshchagin V. I., Semukhin B. S. Structure and strength of foam glass materials from low-temperature glass granulate // Fizika i himija stekla. 2011. T. 37. N 4. pp. 501 - 509. (In Russian)
18. Dadminova D. R., Khardaev P. K., Karpov B. A. et al. Technological approaches to the production of foam glass with an adjustable pore structure // Stroitelnie materiali. 2007. N 3. pp. 68 - 70. (In Russian)
19. Kazmina O. V., Semukhin B. S., Ivanov Yu. F., Kazmin V. P. Features of the formation of the nanostructure of foam glass materials // Izvestija visshih uchebnih zavedenij. Chernaja metallurgija. 2013. N 12. pp. 43 - 46. (In Russian)
20. Kazmina O. V., Vereshchagin V. I. Abiyaka A. N. Evaluation of compositions and components for the production of foam glass materials based on aluminosilicate raw materials // Stelo i keramika. 2009. N 3. pp. 6 - 8. (In Russian)
21. Kazmina O. V., Vereshchagin V. I., Abiyaka A. N. Prospects for the use of finely dispersed quartz sand in the production of foam glass materials // Stelo i keramika. 2008. N 9. pp. 28 - 30. (In Russian)
22. Semukhin B. S., Kazmina O. V., Volkova A. Yu., Suslyaev V. I. Physical properties of foam glass modified with zirconium dioxide // Izvestija visshih uchebnih zavedenij. Fizika. 2016. T. 59. N 12. pp. 133 - 138. (In Russian)
23. Elistratova A.V., Kazmina OV. Investigation of crystallization processes occurring in glass granulate upon receipt of foam glass material // Izvestija visshih uchebnih zavedenij. Fizika. 2014. T. 57. N 9/3. pp. 34 -37. (In Russian)
24. Puchka O. V., Vayser S. S., Lesovik V. S., Sergeev S. V. Control of the process of structure formation as a factor in the formation of functional glass composites // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2017. N 9. pp. 6 - 14. (In Russian)
25. Puchka O. V., Sergeev S. V., Weisser S. S., Kalashnikov N. V. Highly efficient heat-insulating materials based on technogenic raw materials // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2013. N 2. pp. 51 - 55. (In Russian)
26. Puchka O. V., Lesovik V. S., Weisser S. S. Use of glass composites for construction in the Arctic // Intellektual'nie stroitelnie kompoziti dlia zelenogo stroitelstva. Belgorodskij gosudarstvennij tehnologicheskij universitet im. V.G. Shuhova. Belgorod. 2016. pp. 29 - 36. (In Russian)
27. Puchka O. V., Weisser S. S. On the issue of increasing the strength of porous materials // Naukoemkie tehnologii i innovacii, Belgorodskij gosudarstvennij tehnologicheskij universitet im. V.G. Shuhova. Belgorod. 2016. pp. 332 - 337. (In Russian)
28. Francis A. A., Abdel Rahman M. K. Structure Characterization and Optimization of Process Parameters on Compressive Properties of Glass-Based Foam Composites // Environmental Progress and Sustainable Energy. 2014. Vol. 33. Issue 3. pp. 800 -807.
29. Lebullenger R., Chenu S., Rocherulle J. et al. Glass foams for environmental applications (Conference Paper) // Journal of Non-Crystalline Solids. 2010. Vol. 356. Issue 44 - 49. pp. 2562 - 2568.
30. Xu B., Liang K. M., Cao J. W., Li Y. H. Preparation of foam glass ceramics from phosphorus slag (Conference Paper) // Advanced Materials Research. 6th China International Conference on HighPerformance Ceramics, CICC-6; Harbin; China. 2009. Vol. 105 - 106. Issue 1. 2010. pp. 600 - 603.
31. Taurino R., Lancellotti I., Barbieri L., Leonelli C. Glass-ceramic foams from borosilicate glass waste // International Journal of Applied Glass Science. 2014. Vol. 5. Issue 2. pp. 136 - 145.
32. Yatsenko E.A., Smoliy V.A., Kosarev A.S., Dzyuba E.B., Grushko I.S., Goltsman B.M. Physico-
chemical properties and structure of foam slag glass based on waste TPP // Stelo i keramika. 2013. N 1. pp. 3-6. (In Russian)
33. Arinushkina E.V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv [Chemical Soil Analysis Guide]. Moscow: MGU. 1970. 488 p.
34. Berezhnoy A.I. Sitalli i fotositalli [Sitalls and photoalls]. Moscow: Mashinostroenie. 1966. 348 p.
35. Grushko I.S., Yatsenko E.A., Zubekhin A.P., Puzin V.S. Optimal parameters of the temperature-time regime for the synthesis of slag glass using mathematical modeling // Stelo i keramika. 2014. N 12. pp. 12-14. (In Russian)
36. Yatsenko E.A., Zubekhin A.P., Smoliy V.A., Grushko I.S., Kosarev A.S., Goltsman B.M. Resource-saving technology of heat-insulating and decorative glass composite material based on ash and slag waste // Stelo i keramika. 2015. N 6. pp. 34-38. (In Russian)
37. Grushko I.S. Dependence of foam slag glass parameters on charge and technological additives // Nauchnoe Obozrenie. 2015. N 6. pp. 98-101. (In Russian)
38. Grushko I.S., Maslakov M.P. The formation of the crystalline phase in the foam glass matrix and its effect on the operational properties of the material // Stelo i keramika. 2018. N 12. pp. 10-16. (In Russian)
SUBSTANTIATION AND DESIGN OF COMPOSITIONS OF HEAT-INSULATING MATERIAL (FOAM GLASS) USING RECYCLABLE RESOURCES
Grushko I., Skibin G., Druzhinina E.
1 Platov South-Russian State Polytechnic University,
346428, Rostov reg., c. Novocherkassk, st. Prosvjaschenija, 132, grushkois@gmail.com
Summary: The article addresses the issues of directional crystallization of a heat-insulating material - foam glass.
Subject: The aim of the work is the design of charge compositions for the synthesis of foam glass using recyclable resources to ensure the presence of a crystalline component in the frame of the material.
Materials and methods: The research material is the ash and slag mixture, which is a product of coal burning at a thermal power plant. Ash and slag waste can be considered as secondary raw materials due to the diverse chemical composition and used as a component of the charge for the synthesis of foam glass.
Using the FEI Quanta 600 FEG scanning electron microscope using an EDAX energy dispersive X-ray spectrometer installed in the microscope, the chemical composition of the ash and slag waste sample was determined. Using the X-ray diffraction method on a Rigaku Ultima IV diffractometer, its phase composition was studied, including crystallite sizes and the quantitative ratio of known phases in the mixture. X-ray powder diffraction patterns were refined by the Rietveld method, the mass fraction of phases was calculated by the corundum number method, and the crystallite size (CSR) was calculated by the Halder - Wagner method.
Results and Conclusions: It is established that one of the main factors determining the physical properties of foam glass is the structural features of its macro- and microstructure, which are regulated by changing the temperature-time regime and modifying the composition by introducing additives. The use of secondary resources (ash-slag mixture of the present composition) allows the formation of a given microstructure to be realized in two ways: by targeted introduction of a crystallization catalyst and the use of existing crystalline phases in the starting material. The results of a physicochemical study of the ash and slag mixture and previously carried out work on the design of the composition and technology for the production of heat-insulating foam glass material made it possible to create a series of charge compositions for the synthesis of foam glass with various percent crystallization catalysts.
Key words: Heat-insulating material, foam glass, crystalline phase, microstructure, ash and slag mixture, recyclable raw materials.
