CC BY
42К 60-летию Геннадия Ивановича Стороженко
25 сентября исполнилось 60 лет Геннадию Ивановичу Стороженко, доктору технических наук, директору Новосибирского научно-производственного предприятия ООО «Баскей».
Геннадий Иванович Стороженко, еще будучи студентом строительного факультета Сибирского металлургического института, отличался пытливым умом и любознательностью, поэтому по окончании института в 1980 г. был направлен на кафедру архитектуры и строительного производства. Заинтересовавшись керамической наукой, Г.И. Стороженко в 1982 г. поступил в аспирантуру Новосибирского инженерно-строительного института (СИБСТРИН), где его научным руководителем стала Г.И. Книгина. С этой поры трудовая деятельность Геннадия Ивановича связана со строительным материаловедением и производством строительных материалов и изделий. Широкая эрудиция, трудолюбие и неуемная жажда знаний позволили Г.И. Стороженко защитить в 1985 г. кандидатскую диссертацию.
После переезда в Новосибирск Геннадий Иванович с 1989 г. начал работать технологом на научно-производственном предприятии «Сибирь-объединение». В рамках программы «Жилье-2000» он активно занимался строительством кирпичных заводов в Красноярском крае, Новосибирской области, Узбекистане. Принимал участие в разработке технологии и аппаратурного обеспечения заводов полусухого прессования с предварительной механоактивацией тощих закарбонизированных суглинков. В это непростое «перестроечное» время энергичный, открытый и общительный по натуре Г.И. Стороженко приобрел много единомышленников и соратников, накопил огромный практический опыт по строительству и пуску предприятий стройиндустрии.
В 1990-е гг. Геннадий Иванович занимался проблемами регулирования технологических свойств глинистых пород с помощью механохимической активации; результаты научных исследований были обобщены в докторской диссертации, которую он защитил в 2000г. Для реализации своих научных идей Г.И. Стороженко в 1995г. создал и возглавил малое научно-производственное предприятие «Баскей», где разрабатывалась технология и оборудование для сухого обогащения различных видов минерального сырья. Результатом деятельности предприятия стали заводы по сухому обогащению каолинов (Красноярский край, Грузия), песков (Новокузнецк, г. Ржищев (Украина), Казахстан), опал-кристобаллитовых пород (г. Копейск Челябинской области).
В настоящее время Геннадий Иванович Стороженко полон сил и творческих планов, круг его научных интересов очень широк. Он активный автор, рецензент и научный консультант журнала «Строительные материалы»®, постоянный участник конференции КЕРАМТЭКС. Коллеги и друзья знают Геннадия Ивановича как преданного семье и делу человека, неравнодушного к проблемам других людей, надежного товарища.
Редакция и редакционный совет, коллеги сердечно поздравляют Геннадия Ивановича Стороженко с 60-летием и желают крепкого здоровья, неиссякаемой энергии, творческих успехов и реализации самых смелых научных идей.
УДК 624.148
Л.К. КАЗАНЦЕВА, д-р техн. наук, ст. научн. сотр., Институт геологии и минералогии
им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук;
Г.И. СТОРОЖЕНКО, д-р техн. наук, директор ООО «Баскей» (Новосибирск)
Mrs. L.K. KAZANTSEVA, Dr. Tech., Leading Researcher, V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Mr. G.I. STOROZHENKO, Dr. Tech. «Baskey LTD» (Novosibirsk)
Особые свойства пеностекла из природного сырья
Peculiar properties of foamed glass from natural raw material
В настоящее время наиболее долговечным и экологически безопасным теплоизоляционным строительным материалом является пеностекло — гранулированное и блочное. Закрытая пористость и неорганический состав пеностекла обусловливают уникальное сочетание физико-механических и теплофизических свойств: оно не горит, непроницаемо для пара и воды, не подвержено коррозии, усадке и гниению, морозоустойчи-
Today, foamed glass, both granulated and blocked, is the most durable and environmentally friendly thermal insulating building material. Closed porosity and inorganic composition of the foamed glass provides its unique physical, mechanical, and thermo-physical properties: it does not burn, it is steam and water-proof, not vulnerable to corrosion, contraction nor digestion; it is frost-proof, resistant, and can be utilized for hydro-, sound-, and thermal insulation of building and constructions.
34
сентябрь 2013
jVJ ®
во, долговечно и может применяться одновременно для гидро-, звуко- и теплоизоляции конструкций зданий и сооружений.
Пеностекло получают обжигом при температуре плавления смеси в диапазоне 750—850оС тонкоизмель-ченного специально сваренного стекла или боя стекла с газообразователем. Высокие энергетические затраты на варку стекла и ограниченное количество боя стекла как сырьевой базы сдерживают строительство и развитие промышленных предприятий по выпуску пеностекла по традиционной технологии.
В настоящее время активно разрабатываются альтернативные энергосберегающие технологии изготовления пористых строительных материалов из природного сырья без предварительной варки стекла. Наиболее пригодными для изготовления пеностекла являются породы, которые или сами содержат источник порообра-зующего газа, или образуют его при смешивании с технологическими добавками. По этим критериям наиболее подходящим сырьем являются широко распространенные в природе кремнистые (опока, диатомит, трепел) [1, 2] и алюмосиликатные (цеолитизированные туфы) породы [3].
Кремнистые породы не содержат источника пороо-бразующей газовой фазы, но два важных фактора позволяют их использовать в производстве пеноматериа-лов: 1 — основная минеральная фаза в них представлена высокореакционным кремнеземом; 2 — они обладают нано- и микроразмерной транспортной пористостью. За счет высокой реакционной активности аморфный кремнезем во влажной щелочной среде образует гидра-тированные полимерные силикаты щелочного металла ^20^Ю2пН20), которые являются источником по-рообразующего газа — паров воды. Высокая пористость кремнистого сырья позволяет щелочному раствору проникать внутрь измельченных частиц, в результате весь аморфный кремнезем вовлекается в процесс силикатоо-бразования.
Цеолитизированные туфы в отличие от кремнистых пород содержат в своем составе источник прообразующего газа — цеолиты, представляющие собой водосо-держащие кристаллы. Цеолиты относятся к классу каркасных алюмосиликатов, состав которых описывается эмпирической формулой Ме2/„[Л1^ х-2О2х]_уН20, где х>2, п — валентность катиона. Каркасы цеолитов содержат каналы и сообщающиеся между собой полости, в которых находятся катионы и молекулы воды.
The foamed glass is produced by baking at the melting point of finely milled specially melted glass, or broken glass, with a gas-forming agent within the range of 750—850oC. High energy consumptions for glass production and limited-ness of such a raw material source as broken glass restrict the building and development of industrial entities for foamed glass production by the conventional technology.
Now, alternative energy-saving technologies of production of porous building materials from natural raw materials without glass melting are developed extensively. The rocks which either contain the pore-forming gas source, or are able to generate it when mixed with technological admixtures, are the best for the foamed glass production. By these criteria, common silica (gaize, white peat, bergmeal) [1, 2] and alu-mo-silica (zeolitized tuffs) fit the best [3].
Silica rocks do not contain the source of the pore-forming gaseous phase, but two important factors enable to use them in foamed materials production: 1 — the mineral phase in them is presented by high-reactive silica; 2 — they feature nano- and micro-size transport porosity. Due to the high reactive activity, in the humid alkali medium, amorphous silica forms hydrated polymer silicates of an alkali metal (R2OwSiO2nH2O), which are the source of the pore-forming gas, namely water steam. High porosity of the silica raw material permits the alkali dilution to penetrate inside milled particles, which results in the involvement of all amorphous silica into the process of silication.
Opposite to silica rocks, zeolite-containing tuffs do contain the source of the pore-forming gas; these are zeolites which present water-containing crystals. Zeolites belong to the class of carcass alumosilicates, and their structure is presented by the empiric formula Me2/n[Al2Si x-202x]yH2O, where %>2, n is the kation basicity. Zeolite carcasses have channels and cavities connected to each other, in which there are kations and water molecules. Some zeolites are capable for thermally-activated foaming at the temperature of natural melting (1,150—1,200oC). As some fusion agents are added to the compositions based on the zeolite-containing tuffs, pore formation can occur at the temperature typical for foamed glass production from glass powder, namely 750—850oC [4].
Aside for silica rocks and zeolite-containing tuffs, some plutonic rocks or their residuals obtained as waste after gravel breakage, can be utilized to produce foamed materials. These are dense rocks, they do not contain the gas-phase source and do not form it when being mixed with sodium hydroxide. Special pore-forming agents must be introduced into the
Рис. 1. Общий вид блочного и гранулированного пеностекла из природного сырья (а); песок пеностекла, масштабная линейка соответствует 500 мкм (б)
Fig. 1. General view of the block and granulated foamed glass from natural raw materials (a). Sand glass foam, scale bar corresponds to 500 microns (b)
ï-A ®
сентябрь 2013
35
Некоторые цеолиты способны к термоактивированному вспениванию при температуре естественного плавления (1150—1200оС). При добавлении к составам на основе цеолитизированных туфов плавней порообразование в них может протекать при температуре, характерной для производства пеностекла из стеклопорошка, 750-850оС [4].
Кроме кремнистых пород и цеолитизированных туфов для получения пеноматериалов типа пеностекла может применяться также ряд магматических пород или их отсевы (отходы), образующиеся при дроблении на щебень. Это плотные породы, не содержащие в своем составе источника газовой фазы и не образующие ее при смешивании с гидроксидом натрия. Для получения вспенивающихся составов на основе магматических пород в них необходимо вводить специальные газообразо-ватели. Из магматических пород, таких как витрофиры, андезиты, диориты, получено блочное пеностекло с плотностью 200 кг/м3 и гранулированное с насыпной плотностью 120 кг/м3 и выше [5].
Доступность и распространенность в нашей стране кремнистого и алюмосиликатного сырья может стать основой для развития отрасли пеностеклокристалличе-ских строительных материалов. Это позволит организовать производство широкого ассортимента пористой строительной продукции: гранулированной, с фракциями от песка с размером гранул 0,25—0,5 мм до гравия больших размеров, и блочной, от теплоизоляционной с низкой плотностью 100—250 кг/м3 до различных видов теплоизоляционно-конструкционных с более высокой плотностью (рис. 1, а, б).
Кроме того, из природного сырья можно изготавливать специальную пористую продукцию, например радиационно-защитную [6] с повышенными прочностными характеристиками [7], акустическую [8], декоративно-отделочную с теплоизоляционными свойствами и другие специфические виды пеностекла.
Радиационно-защитные (РЗ) свойства пеностекла достигаются при добавлении в состав соединений, содержащих элементы с высоким атомным номером, таких как свинец, барий или висмут. Для ослабления у-излучения Сs в два раза при энергии 1 МэВ толщина свинцовой пластины должна составлять 13 мм, толщина бетона — 129 мм, толщина обычного пеностекла — не менее 300 мм. Использование оксидов указанных элементов или их солей в составах на основе природного сырья позволило значительно уменьшить толщину РЗ
Рис. 2. Пеностекло, армированное металлической сеткой. Две части пеностекла по распилу держатся за счет армирующей сетки Fig. 2. Foam glass, reinforced with a metal grid. Two pieces of foam glass on sawing kept by reinforcing mesh
foaming mixtures based on the plutonic rocks. Plutonic rocks such as vitrophyres, andesines, greenstones are used to produce blocked foamed glass with the density of 200 kg/m3, and granulated foamed glass with the bulk density of 120 kg/m3 and more [5].
Availability and incidence of silica and alumo-silica raw materials in our country can make base to develop the branch of foamed-glass crystal building materials. It will permit to organize the manufacture of a wide range of porous building stores such as granulated products (fraction from sand with a grain size of 0.25—0.5 mm to large gravel) and blocked products (from thermal-insulating material with low density of 100—250 kg/m3 to various thermally-insulating structural materials with higher density). Furthermore, natural raw material can be used to produce special porous products, for example, radiation-protective ones [6], with increased strength features [7], acoustic products [8], decorative-finishing materials with thermal-insulating properties, and other special types of foamed glass (Fig. 1).
Radiation-protective (RP) properties of the foamed glass are reached as the elements with high atomic number, such as
f- //Л
f vi-'ii •■
m'
Ий®»
Рис. 3. Микро- и макротекстура пеностекла, изготовленного из природного сырья: а - цеолит-карбонатная порода; б - цеолит-карбонатная порода с подшихтовкой опокой. Масштабная линейка соответствует 1 мм
Fig. 3. Micro- and macro texture foam glass, manufactured from natural raw materials: a - zeolite-carbonate rock; b - zeolite-carbonate rock with additive flask. Scale bar is 1 mm
научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 36 сентябрь 2013
Рис. 4. Пористая макротекстура пеностекла из природного сырья, масштабная линейка соответствует 2 мм (а); пористая микротекстура стенок пеностекла при обычном измельчении природного сырья (б); пористая микротекстура пеностекла при механоактивации природного сырья (в). Масштабная линейка соответствует 500 мкм
Fig. 4. Porous macro texture foamed glass from natural raw materials, scale bar corresponds to 2 mm (а); рorous micro texture walls of foam glass in normal grinding of natural raw materials (b); рorous micro texture foam glass under mechanoactivation of natural raw materials (c). Сentury Scale bar corresponds to 500 microns
пеностекла для ослабления у-излучения Cs в два раза. Например, при использовании оксида свинца толщина РЗ-пеностекла составляет 80—120 мм [6]. При этом РЗ-пеностекло несет и свою основную функцию теплоизоляционного материала.
Повышение стойкости блочного пеностекла к разрушающим воздействиям не менее чем в два-три раза достигается за счет его армирования металлическими или любыми другими сетками, способными к адгезионному взаимодействию с расплавом стекла. Армирование осуществляется за счет вертикальной установки в форму с шихтой двух или более металлических сеток с расчетным шагом между ними 100—150 мм и выше. После вспенивания сетка прочно связывается с матрицей пеностекла и препятствует воздействию разрушающих нагрузок (рис. 2). Например, при плотности пеностекла 160 кг/м3 предел прочности при сжатии без армирования составляет 0,8 МПа, а при изготовлении из природного сырья с армированием металлической сеткой — 4,5 МПа [7].
Как известно, акустическое пеностекло изготавливают с открытой пористостью, которая образуется при добавлении к обычному стекольному порошку карбоната кальция. Акустическое пеностекло характеризуется пониженным сопротивлением разрушающим нагрузкам. Некоторые месторождения цеолитизированных туфов характеризуются высоким содержанием карбонатов кальция. Это так называемые мергелистые породы. В составах для производства пеноматериалов на основе цеолит-мергелистых туфов при умеренном содержании оксида кальция нарушение сплошности стенок пор происходит в виде точечных разрывов. Такое пеностекло обладает акустическими свойствами с сохранением предела прочности при сжатии, характерных для обычного пеностекла (рис. 3) [8].
Общим для пеностекла любого вида, изготовленного из природного сырья, является высокая однородность пор по размерам (рис. 4, а). Безусловно, это достигается при соблюдении технологических параметров изготовления пеностекла из такого сырья.
Высокая гигроскопичность и пористость кремнистых пород и цеолитсодержащих туфов позволяет направленно изменять характеристики пористой структуры пеностекла. При измельчении сырья в обычных мельницах (шаровые, стержневые и др.) пеностекло на его основе характеризуется двойной системой пор: первая — миллиметрового, вторая — микронного размера (рис. 4, б). Микронные поры распределены в стенках пор первого уровня. После механоактивации сырья толщина стенок пор значительно уменьшается (рис. 4, в). Однако механоактивация пористых пород не приводит
lead, barium, or bismuth are added in the composition. To weaken the y-emission of Cs two times at the energy of 1.0 MeV, the thickness of the lead plate must be 13 mm, concrete thickness must be 129 mm, ordinary foamed glass thickness must be minimum 300 mm. Utilization of oxides of above elements or their salts in the compositions based on the natural raw materials enabled to reduce significantly the RP thickness needed to reduce the y-emission of Cs two times. For example, in the case of lead oxide, the thickness of the RP foamed glass is 80—120 mm [6]. At the same time, the RP foamed glass performs its main function as a thermal-insulating material.
Hardening of the blocked foamed glass in respect to destructive effects (2—3 times at least) is reached by reinforcement with metal or any other meshes capable for adhesion interaction with melted glass. The reinforcement is done due to the vertical installation of two or more meshes in the form with load, with a certain design pitch between them (100— 150 mm and above). After foaming, the mesh is tightly bound with the foamed glass matrix and prevents the action of compressing loadings (Fig. 2). For example, as the foamed glass density is 160 kg/m3, the compressive strength without reinforcement is 0.8 MPa, whereas if it is produced from the zeolite-containing tuff with the metal-mesh reinforcement, this index reaches 4.5 MPa [7].
As is known, the acoustic foamed glass is manufactured with the open porosity which occurs as calcium carbonate is added to the ordinary glass powder. The acoustic foamed glass features low value of the resistance to destructive effects. Some fields of zeolitized tuffs feature high content of calcium carbonates, these are so-called malmstones. In the compositions for the production of the foamed materials based on zeolite-malmstone tuffs, with the moderate content of calcium oxide, pore walls discontinuity occurs as breakpoints (Fig. 3). Such foamed glass has acoustic properties and preserves the value of the compressible strength common for the ordinary foamed glass [8].
High dimensional homogeneity of pores is a common feature of any kind of foamed glass manufactured from natural raw materials (Fig. 4). This is surely reached when technological parameters of foamed glass production processes are respected.
High water-absorption capacity and porosity of silica rocks and zeolite-containing tuffs enables to vary direction-ally the characteristics of the porous structure of foamed glass. When the raw material is milled in ordinary mills (ball, rod, etc.), the foamed glass has a double pore system: the first one is of millimeter, the other is of micron level. Micron pores are distributed over the walls of the first-level pores. After mechanical activation, the pore wall thickness reduces
сентябрь 2013
37
к заметному уменьшению плотности пеностекла, поэтому измельчение таких пород требуется до той степени дисперсности, которая необходима для формования гранул.
Разработанные в Институте геологии и минералогии СО РАН составы и способы получения пеностекла из природного сырья в настоящее время проходят полупромышленные испытания. Результаты опытно-промышленных испытаний, проведенных в ООО «Баскей», показали, что на основе широко распространенных на территории России и СНГ кремнистых пород с использованием отечественного оборудования можно организовать в промышленных масштабах производство гранулированного пеностекла, соответствующего всем нормативным показателям на данный вид продукции [2]. До конца 2013 г. планируется провести опытно-промышленные испытания изготовления блочного армированного пеностекла.
Ключевые слова: кремнистые и цеолитсодержащие породы, пеностекло радиационно-защитное, армированное, акустическое, физические свойства.
Список литературы
1. Кетов А.А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11 / Technology. С. 22—24.
2. Казанцева Л.К., Стороженко Г.И, Никитин А.И., Киселёв Г.А. Теплоизоляционный материал на основе опоки // Строительные материалы. 2013. № 5 / Technology. С. 85-89.
3. Овчаренко Г.И., Свиридов В.Л., Казанцева Л.К. Цеолиты в строительных материалах. Барнаул: Алт. ГТУ, 2000. 320 с.
4. Казанцева Л.К., Железнов Д.В., Серёткин Ю.В., Ращенко С.В. Формирование источника порообразу-ющего газа при увлажнении природных алюмосиликатов раствором NaOH // Стекло и керамика. 2012. № 10. С. 37-42.
5. Казанцева Л.К., Овчаренко Г.И. Сырьевая смесь для получения пеносиликатного материала и способ изготовления пеносиликатного материала. Пат. РФ 2405743 // Опубл.10.12.10. Б.И. № 34.
6. Казанцева Л.К. Шихта для изготовления пеностекла с радиационно-защитными свойствами. Пат. РФ 2443644 // опубл. 27.02.12. Б.И. № 6.
7. Казанцева Л.К. Способ изготовления армированного пеностекла. Пат. РФ 2443645 // Опубл. 27.02.12. Б.И. № 6.
8. Казанцева Л.К., Юсупов Т.С. и др. Пеностекло. Пат. РФ на полезную модель № 124905 // Опубл. 20.02.13. Б.И. № 5.
significantly (Fig. 4). However, mechanical activation of porous rocks does not lead to any essential reduction of the foamed glass density, thus milling of such rocks can be moderate, down to that fineness level which is needed to form granules.
The compositions developed in the laboratory conditions of the Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, as well as the methods of production of foamed glass are at the moment under semi-industrial testing. Early results of pilot tests performed by OOO "Baskey" showed that, using silica rocks common for Russia and CIS and domestic equipment, it is possible to organize the industrial-level production of the granulated foamed glass satisfying all standards for this kind of products [2]. It is planned to perform the pilot tests of the production of blocked reinforced foamed glass within 2013.
Key words: silica and zeolite-containing, acoustic foamed
glass, radiation protective, reinforced, physical properties.
References
1. Ketov Â.Â. Production of building materials from hydrated polysilicates // (2012) Stroitel'nye Materialy [Construction materials], (11) / Technology. Pp. 22—24.
2. Kazantseva L.K., Storozhenko G.I, NikitinÂ.I., Kiselev G.Â. Thermal-insulating material based on gaize // (2013) Stroitel'nye Materialy [Construction materials], (4) / Technology. Pp. 85-89.
3. Ovcharenko G.I., Sviridov V.L, Kazantseva L.K. Zeolites in building materials. Barnaul: Publishing house of Altaj State Technical University, 2000. 320 p.
4. Kazantseva L.K., Zheleznov D. V., Serjotkin Yu. V., Raschenko S.V. Generation of a pore-forming gas source as natural alumosilicates are wetted with NaOH dilution // Glass and Ceramics. 2012. No. 10. Pp. 37-42.
5. Kazantseva L.K., Ovcharenko G.I. Raw-material mixture to produce a foamed silicate material and the method of production of the foamed silicate material. Patent of the Russian Federation 2405743 // Published on 10.12.10 Information bulletin No. 34.
6. Kazantseva L.K. Fusion agent for the production of foamed glass with radiation-protective properties. Patent of the Russian Federation 2443644 // Published on 27.02.12 Information bulletin No. 6.
7. Kazantseva L.K. The method of production of reinforced foamed glass. Patent of the Russian Federation 2443645 // Published on 27.02.12 Information bulletin No. 6.
8. Kazantseva L.K., T.S. Yusupov et al. Foamed glass. Patent of the Russian Federation for the useful model No. 124905 // Published on 20.02.13. Information bulletin No. 5.
ПОДПИСКА НА ЭДЕКТРОННУЮ ВЕРСИЮ ЖУРНАЛА «Строительные материалы»®
http://ejournal.rifsm.ru/
38
сентябрь 2013
jVJ ®
