CC BY
25
4. Бурученко А.Е. Использование отходов промышленности для изготовления стеклокристаллических материалов. //Изд. Вузов. Строительство. 1996. №2. С. 61-66.
5. Верещагин В.И., Кащук И.В. Обоснование целесообразности выполнения работ по решению вопросов комплексного использования сырья Сибирского региона в производстве строительных материалов и изделий. // Сб. науч. тр. Экономика и предпринимательство в строительстве. Вып. 5. - Новосибирск: ИГА- СУ, 1999. С. 20-24.
Bibliograflcheskij sрisok
1. Galperina M.K., Tarantul N.P. Ispolzovanie vtorichnykh resursov v proizvodstve keramicheskikh izdelij. // Promyshlennost stroitelnykh materialov. Ser. 5. Keramicheskaya promyshlennost. vniiesm. M. 1991. S. 90.
2. Ovcherenko G.I. Zoly uglej kateka v stroitelnykh materialakh. Izd-vo Krasnoyarskogo universiteta. Krasnoyarsk. 1991. S. 33-48.
3. Lyasin A.F., Samisov P.D. Novye oblitsovochnye materialy na osnove stekla. М.: Stroiizdat, 1987. S. 193.
4. Buruchenko A.E. Ispolzovanie otkhodov promyshlennosti dlya izgotovleniya steklokristallicheskikh materialov. //Izd. Vuzov. Stroitelstvo. 1996. №2. S. 61-66.
5. Vereschagin V.I., Kaschuk I.V. Obosnovanie tselesoobraznosti vypolneniya rabot po resheniyu voprosov kompleksnogo ispolzovaniya syrya Sibirskogo regiona v proizvodstve stroitelnykh materialov i izdelij. // Sb. nauch. tr. Ekonomika i predprinimatelstvo v stroitelstve. Vyp. 5. - Novosibirsk: NGA- SU, 1999. S. 20-24.
Бурученко Александр Егорович - доктор технических наук, профессор,
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, E-mail:
Buruchenko Al@mail. га
Buruchenko Alexander - doctor of technical sciences, professor Siberian Federal
University, Krasnoyarsk, E-mail: [email protected]
УДК 691+691.261
ОЦЕНКА СОСТАВОВ И КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ
Верещагин В.И.
Томский политехнический университет, Томск
ASSESSMENT OF STRUCTURES AND COMPONENTS FOR PENOSTEKLOKRISTALLICHESKIH MATERIAL BASED ON MATERIAL
ALUMINOSILICATE
Vereshchagin VI.
Tomsk Polytechnic University, Tomsk
Показано влияние химического состава компонентов на температуру расплавления массы при получении пеностеклокристаллических материалов. Выявлено, что
алюмосиликатные массы с низким модулем вязкости позволяют получить пеностеклокристаллические материалы плотностью 250-350 кг/м3 и прочностью до 2 МПа.
Ключевые слова: состав, пеностеклокристаллический материал, температура,
масса.
Shows the influence of the chemical composition of the components on the temperature of the molten mass in obtaining penosteklokristallicheskih materials.Revealed that the aluminosilicate mass with a low modulus of viscosity can get penosteklokristallicheskie material density of 250-350 kg/m3 and durability up to 2 MPa.
Keywords: structure, material, temperature, weight, viscosity.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к перспективным теплоизоляционным материалам, применение которых позволит эффективно решать проблемы тепловой защиты зданий и сооружений. Одним из таких современных теплоизоляционных материалов является пеностекло, обладающее высокими теплоизоляционными характеристиками, а также негорючестью, долговечностью и надежностью. Аналогичными свойствами характеризуются пеностеклокристаллические материалы (ПСКМ), отличающиеся по составу от пеностекла присутствием кристаллической фазы.
В работе [1] приводятся данные о получении ПСКМ на основе цеолитсодержащих пород, известного под маркой Сибирфом. Предложенная авторами технология изготовления Сибирфома - одностадийная, включающая термообработку цеолитов с добавками при температурах 1180-1200 °С и получение материала плотностью около 650 кг/м3. Предварительные исследования показали, что двухстадийная технология получения ПСКМ (введение процесса фриттования цеолита с кальцинированной содой в качестве первой стадии) позволяет снизить технологическую температуру до 850 °С и получить материал с насыпной плотностью гранул 420 кг/м3 [2].
Необходимо подчеркнуть, что качество ПСКМ во многом определяется составом промежуточного продукта (стеклогранулята), на основе которого получается данный материал. 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 ПСКМ.
Цель нашей работы определить составы, пригодные для получения ПСКМ па основе алюмосиликатного сырья по двухстадийной технологии при температурах, не превышающих 900 °С, и установить критерии оценки исходных сырьевых материалов.
Анализ последовательности изменения температуры плавления и выбор составов проводили с использованием диаграммы состояния системы Na20 -А1203 - Si02, учитывая три фактора:
температура образования жидкой фазы (расплава) не должна превышать 900 °С;
количество жидкой фазы должно быть не менее 70 %, что необходимо для обеспечения пиропластического состояния на стадии вспенивания;
жидкая фаза должна иметь оптимальную вязкость (10’ - 10 Па с) в температурном интервале вспенивания.
Концентрационная область составов, имеющих при температурах ниже 900°С не менее 70 % расплава, показана на рис. 1. Как видно, область ограничена по содержанию 8Ю2(57 - 75 %) и А120з (5 - 16 %). В выделенную область попадают наиболее легкоплавкие эвтектики системы:
между дисиликатом, альбитом и нефелином с температурой плавления 732 ± 5 °С (61,5% 8Ю2. 12,5% А12(),. 26,0 % №20);
между дисиликатом, альбитом и кремнеземом с температурой плавления 740 ± 5 °С (73,8 % 8Ю2, 4,7 % А1203, 21,5 % Ма20);
между дисиликатом, нефелином и метасиликатом с температурой плавления 760 °С (57,9 % 8Ю2, 10,1 % А1203, 32,0 % Ма20).
Одним из важнейших параметров, определяющих поведение расплава в процессе вспенивания, является вязкость, которая находится на уровне 10 - 10б Па с в температурном интервале, соответствующем газовыделению.
Я|(К
1723°
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Ма^О-АЬОз-ЗЮ,^] (заштрихована область составов, дающих не менее 70 % расплава, при температурах ниже 900 °С)
Вязкость силикатного расплава сложным образом зависит от состава и температуры. Признано, что в широком температурном диапазоне зависимость вязкости от температуры не может быть аппроксимирована каким-либо уравнением одного вида. Расчетные значения вязкости расплава являются приближенными и не учитывают всех особенностей химического и минерального составов материала.
Для предварительной оценки влияния состава на вязкость использовали модуль вязкости, характеризующий вязкостные свойства расплава с учетом его химического состава. Расчет модуля осуществляется по принципу влияния
компонентов, в числителе - компоненты, повышающие вязкость, а в знаменателе - понижающие. Неодинаковое влияние компонентов состава на вязкость учитывается использованием множителей, связанных с величиной ионного радиуса катиона. Чем выше множитель у компонента, тем сильнее этот компонент влияет на вязкость:
М8Ю2 + 2МА1203
2МРе9СЦ + МСаО + ММёО + 2МК90 + 2М№90
Мв= 2. 5 1 1
О
где т п -количество соответствующих оксидов, %.
Расчет модуля вязкости составов, попадающих в выделенную на диаграмме область, показал достаточно сильное различие вязкостных свойств, значение модуля изменяется от 0,90 до 5,25. Выбрав в качестве примера состав промышленного тарного стекла, применяемого в производстве пеностекла (%): 72 8Ю2, 3 А1203, 7 СаО, 4 Л^О, 14 Ыа20. с модулем вязкости, равным 2, сузили область оптимальных составов условными границами, характеризующимися значениями модуля 2 ± 0,2 (рис. 2). В оптимальную область вязкости (1,8 < Мв< 2,2) попадают составы при содержании А1203 5 % с количеством 8Ю2, меняющимся в пределах от 72 до 75 % (область полей дисиликата и кварца), при содержании 15 % А1203, — соответственно от 60 до 64 % (область нефелина и альбита). Расчетные значения логарифма вязкости выбранных составов в температурном интервале 800-850 °С соответствуют оптимальным. Таким образом, первоначально выделенная на диаграмме системы концентрационная область составов сужается до области, отвечающей выбранным значениям модуля вязкости.
Для реализации выбранных составов в качестве основных компонентов шихты рассмотрено алюмосиликатное сырье, представленное цеолитсодержащей породой Сахаптинского месторождения (Красноярский край) и диабазом Барзасского месторождения (Кемеровская обл.). Результаты химического анализа показывают присутствие в породах различных оксидов, основными из которых являются оксиды кремния, алюминия и щелочно-земельных металлов, а также высокое содержание оксидов железа в диабазе (табл. 1). Повышенное содержание оксида алюминия способствует увеличению вязкости и снижению кристаллизационной активности, в то время как оксиды железа и кальция оказывают разжижающее и флюсующее действие [4].
В качестве примера выбраны два трехкомпонентных состава стекла, отвечающие всем перечисленным требованиям, с относительно низким и высоким содержанием оксида алюминия. Рассчитанный компонентный состав шихт приведен в табл. 2 (ТТЩ-1 и ТТЩ-2 — шихты первого и второго составов на основе цеолита, ШД-1 ШД-2 - соответственно на основе диабаза).
З.К
3.4
С 1,0
5
; :.(> х
-С т *> >1
д і.й
^ 1.4 1.0
Таблица 1
Материал Массовое содержание, %
8Ю2 А1203 БегОз СаО MgO №20 к2о п.п.п.
Диабаз (барзасский) 52,70 16,50 12,70 9,90 4,10 1,76 2,34
Цеолит (сахаптинский) 63,12 13,26 2,38 3,50 1,75 1,04 3,07 11,88
Таблица 2
Шихта Состав шихты, % Состав стекла, % Модуль вязкости
Цеолит сода Маршаллит диабаз 8Ю2 А120з №20
ШЦ-1 38 22 40 - 72 7 21 2,2
ШЦ-2 80 20 - - 62 13 25 1,8
ШД-1 - 20 53 27 73 6 21 2,0
ШД-2 - 10 - 90 53 17 30 1,5
Рецепты шихт для получения стеклогранулята скорректированы по содержанию щелочных оксидов путем дополнительного введения кальцинированной соды. Составы получаемых из данных шихт стекол пересчитаны на трехкомпонентные с учетом молекулярной массы оксидов кальция, магния и железа и их влияния на вязкость. Можно отметить, что в случае относительно низкого содержания А1203 в шихту необходимо вводить кремнеземсодержащий материал, в качестве которого выбран маршаллит как
активный тонкодисперсный материал с высоким содержанием оксида кремния (более 95 %). Для составов с высоким содержанием А1203 рецепт шихты упрощается до двухкопонентного. Однако состав стеклогранулята из шихты на основе диабаза ШД-2 имеет сравнительно низкий модуль вязкости, что не соответствует выбранным требованиям и поэтому далее не рассматривается.
Подготовку исходных материалов осуществляли стандартными методами с полным проходом через сетку частиц размером менее 100 мкм. Полученную шихту предварительно уплотняли методом окатывания на тарельчатом грануляторе, что позволяет, с одной стороны, увеличить ее химическую активность и интенсифицировать процессы силикато- и стеклообразования, с другой, сохранить химическую однородность, достигнутую на стадии перемешивания шихты, с целью организации более полного протекания реакций в каждой отдельно взятой грануле.
Гранулы размером 5-7 мм обрабатывали в диапазоне температур от 750 до 900 °С с одинаковой продолжительностью выдержки при максимальной температуре и определяли количество остаточной кристаллической фазы. Установлено, что термообработка (850 °С) трехкомпонентной шихты с цеолитовой породой позволяет получить стеклогранулят с 5%-ным содержанием кристаллической фазы (рис. 3). В стеклогрануляте двухкомпонентной шихты при этой же температуре остается 15 % кристаллической фазы и соответственно для спека шихты с диабазом — 10 %.
Температура обработки шихты. %
Рис. 3. Зависимость количества кристаллической фазы от температуры обработки шихт ШЦ-1 {1),ЩЦ-1 (2)иШЦ-2 (3)
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 расплавах данных шихт, образующихся при температурах более 900 °С, отмечается кристаллизация в виде альбита Ыа2 А1203- 68Ю2, что подтверждается данными РФА.
Таким образом, минимальное количество кристаллической фазы имеет стеклогранулят, полученный из шихт с маршаллитом. Очевидно, усложнение
*
состава путем дополнительного введения стеклообразователя способствует более полному протеканию реакций силикато- и стеклообразования.
Полученный стеклогранулят измельчался до удельной поверхности не менее 5000 см2/г с добавлением газообразователя и вспенивался. Результаты определения некоторых характеристик ПСКМ приведены в табл. 3. По сравнению со свойствами пеностекла можно отметить повышенные прочностные показатели ПСКМ, что позволяет расширить область применения данных материалов.
Таблица 3
Показатель* ПСКМ на основе Пеностекло на основе стеклобоя
Цеолита Диабаза
Плотность, кг/м3 250 300 100-250
Прочность при сжатии, МПа 1,8 2,0 0,5-1,5
В качестве критериев оценки компонентов и составов стеклогранулята на основе алюмосиликатного сырья выделены 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 более низком количестве 8Ю2 шихту необходимо корректировать путем дополнительного введения высококремнеземистого компонента;
при содержании в исходном материале 8Ю2по отношению к А1203 не менее 4 в состав шихты дополнительно вводится только щелочесодержащий компонент, шихта является двухкомпонентной;
состав стеклогранулята должен иметь модуль вязкости в пределах 2 ± 0,2, при Мв< 1,8 в шихте необходимо увеличить содержание кислотного компонента, а при Мв> 2,2 — щелочного;
при оптимальном составе шихты количество жидкой фазы, образующейся при температурах не более 900 °С, составляет не менее 70 %.
Таким образом, использование алюмосиликатного сырья при выполнении установленных условий позволяет получить пеностеклокристаллический материал плотностью от 250 до 350 кг/м3 и прочностью при сжатии до 2 МПа.
Библиографический список
1. Овчаренко Г.П., Свиридов В.Л., Казанцева Л.К. Цеолиты в строительных материалах. -Барнаул: Из-во АлтГТУ, 2000. 320 с.
2. Верещагин В.И., Соколова С.Н. Формирование пористой структуры гранулированного стеклокристаллического материала из цеолитсодержащих пород с щелочными добавками // Стекло и керамика. - 2006. № 7. С. 17-19.
3. Бобкова Н.М. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов: Учебник. - Минск: Высш. шк., 2007. 301 с.
4. Химическая технология стекла и ситаллов: Уч. для вузов / Под ред. Н.М. Павлушкина. -М.: Стройиздат, 1983. 432 с.
Bibliograficheskij sрisok
1. Ovcharenko G.I., Sviridov V.L., Kazantseva L.K. Tseolity v stroitelnykh materialakh. -Barnaul: Iz-vo AltGTU, 2000. 320 s.
2. Vereschagin V.I., Sokolova S.N. Formirovanie poristoj struktury granulirovannogo steklokristallicheskogo materiala iz tseolitsoderzhaschikh porod s schelochnymi dobavkami // Steklo i keramika. - 2006. № 7. S. 17-19.
3. Bobkova N.M. Fizicheskaya khimiya tugoplavkikh nemetallicheskikh i silikatnykh materialov: Uchebnik. - Minsk: Vyssh. shk., 2007. 301 s.
4. Khimicheskaya tekhnologiya stekla i sitallov: Uch. dlya vuzov / Pod red. N.M. Pavlushkina. -М.: Strojizdat, 1983. 432 s.
Верещагин Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор,
Томский политехнический университет, г. Томск, E-mail: wiki.tpu.ru
Vereshchagin Vladimir - doctor of technical sciences, professorTomsk
Polytechnic University, Tomsk, E-mail: wiki.tpu.ru
УДК 691+691.126:666.9.015.22+691.4(571.52)
ОСОБЕННОСТИ СПЕКАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ТУВЫ
Кара-Сал Б. К.
Тувинский государственный университет, Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, Кызыл
THE FEATURES OF SINTERING CLAY ROCKS OF TUVA
Kara-Sal B.K
Tuvan State University, Tuvan Institute of Exploration of Natural Resources The Russian Academy of Sciences, Kyzyl
Выявлены особенности спекания глинистых пород Тувы в зависимости от минералогической и химической основы. Установлено, что из-за дефектов кристаллической решетки местные монтмориллонитовые глинистые породы имеют ранее начало спекания. В то же время, спекание глин и суглинков гидрослюдистой основы происходит интенсивнее и полнее с образованием большого количества жидкой фазы, что вызывает значительное уплотнение и усадку изделий.
Ключевые слова: Спекание, глинистые породы, минералогический состав, жидкая фаза, уплотнение, усадка.
There have been detected the features of the sintering of clay rocks of Tuva, depending on the mineralogical and chemical basis. Found that due to defects in the crystal lattice of the local montmorillonite clay rocks have earlier onset of sintering. At the same time, the sintering of clay, loam hydromica basis is more intense and wider because of the large quantity ofliquid phase, which causes a significant sealing and shrinkage of products.
Keywords: sintering, clay rocks, mineral composition, liquid phase, sealing, shrinkage.
