CC BY
32УДК 691.618.93
Д.Р. ДАМДИНОВА1, д-р техн. наук (damdinova@mail.ru), Н.Н. АНЧИЛОЕВ1, инженер; В.Е. ПАВЛОВ2, канд. техн. наук
1 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B)
2 Автономное учреждение «Государственная экспертиза Республики Бурятия» (670034, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Красноармейская, 35)
Пеностекла системы стеклобой - глина - гидроксид натрия: составы, структура и свойства
Рассматривается новый подход к проектированию составов многокомпонентных алюмосиликатных шихт для получения пеностекол с повышенными прочностными характеристиками. Прогнозирование структуры и свойств пеностекол на основе стеклобоя, глин, щелочного компонента и газообразователей осуществлено с применением физико-химических методов исследований: рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, а также с привлечением метода математического планирования эксперимента. Были проведены исследования фазового состава исходного глинистого сырья и пеностекла. Установлено, что в пеностеклах системы стеклобой - глина - гидроксид натрия введение в шихту 2-3% (сверх массы сухой шихты) карбонатного и углеродистого газообразователей приводит к повышению средней плотности пеностекла и, как следствие, его прочности. В случае использования известняка повышение физико-механических свойств пеностекла может быть объяснено кристаллизацией омфацита. При использовании антрацита прирост плотности и прочности пеностекол обусловлен главным образом улучшением поровой структуры материала. Полученные результаты способствуют расширению сферы применимости пеностекла, например в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала.
Ключевые слова: пеностекло, известняк, антрацит, омфацит, рентгенофазовый анализ.
D.R. DAMDINOVA1, Doctor of Sciences (Engineering) (damdinova@mail.ru), N.N. ANCHILOEV1, Engineer; V.E. PAVLOV2, Candidate of Sciences (Engineering)
1 East Siberia State University of Technology and Management (40V, Klyuchevskaya Street, Ulan-Ude, 670013, Republic of Buryatia, Russian Federation)
2 Autonomous institution «State Examination of the Republic of Buryatia» (35, Krasnoarmeiskaya Street, Ulan-Ude, 670034, Republic of Buryatia, Russian Federation)
Foam Glasses of Cullet - Clay - Sodium Hydroxide System: Compositions, Structures and Properties
A new approach to the design of compositions of multi-component aluminoo-silicate batch for producing the foam glass with improved strength characteristics is considered. Prediction of structure and properties of foam glasses on the basis of cullet, clays, alkali component and gas-forming agents is made with the use of physical-chemical methods of study: X-ray phase analysis, electronic microscopy as well as with the involvement of the method of mathematical planning of experiment. Study of the phase composition of the original clay raw materials and foam glass has been conducted. It is established that in case of foam glasses of the cullet - clay - sodium hydroxide system the incorporation of 2-3% of carbonate and carbon gas-forming agents into the batch (over the dry batch mass) leads to the increase of average density of foam glass and, as a consequence, its strength. When using limestone improving the physical-mechanical properties of foam glass can be explained by crystallization of omphacite. When using anthracite the growth of density and strength of foam glasses is mainly due to the improvement of porous structure of the material. The results obtained contribute to the expansion of the sphere of foam glass application, as a structural-heat insulating material, for example. Keywords: foam glass, limestone, anthracite, omphacite, X-ray phase analysis.
Научно-технические результаты в области теории и практики пеностекол указывают на то, что в России еще не до конца решена проблема, касающаяся промышленного производства и масштабного применения в индустриальном строительстве пеностекла — одного из самых долговечных и надежных, но вместе с тем и дорогостоящих теплоизоляционных материалов. Для решения указанной проблемы целесообразным представляется усовершенствование технологических решений, способствующих получению пеностекол с высокой конкурентоспособностью на рынке строительных материалов.
Основываясь на ранее разработанных технологических подходах в рамках научных исследований по пеностеклу и подобным ему материалам, получаемым при обжиге вспучивающихся алюмосиликатных шихт [1—4], в настоящей статье рассматривается комплексное использование стеклобоя и местного минерального сырья в виде глин как одно из перспективных направлений в производстве пеностекла. В отличие от ранее изученных для получения пеностекла перлитов, цеолитов, витро-кластического туфа и др. глина — это порода с выраженной кристалличностью составляющих фаз.
Основной целью являлась разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии пеностекла на основе стекольных отходов и местных глин. Главными условиями для создания такой технологии в работе являются получение пеностекла по сокращенной схеме без варки стекла и снижение расхода дорогостоящих компонентов.
Исследования проводились с помощью запатентованных методов, к которым относятся механоактивация, введение в состав шихты технологических добавок, предварительная термическая подготовка и т. д. [5].
С помощью метода математического планирования установлено, что на плотность обжигового материала системы стеклобой — глина — гидроксид натрия главным образом влияют соотношение в шихте глины и стеклобоя, количество вводимого щелочного компонента и температура обжига, о чем свидетельствует уравнение регрессии (в кодированных переменных):
у1=1300-77х1-92х2+194х3-93х1х2+180х2х3.
В принятом диапазоне факторного пространства снижению плотности пеностекла способствовало увеличение содержания стеклобоя (х1) и гидроксида натрия (х2), что легко объяснимо с позиций роли этих факторов как интенсификаторов плавления.
В отношении влияния фактора температуры (х3) на плотность имеет место кажущееся противоречие, заключающееся согласно уравнению в повышении плотности при росте температуры. Это вызвано тем, что максимальная температура обжига в диапазоне варьирования была высокой (Тмакс=1000оС), вследствие чего во вспениваемой при обжиге стекломассе наблюдаются диссипации внешнего воздействия, когда при превышении некоторого оптимального значения температуры из-за снижения вязкости стекломассы зарождаю-
38
научно-технический и производственный журнал
август 2014
ÍÁ ®
Foam Glass: science and practice
Влияние состава и условий помола на свойства пеностекла (Т=975оС)
№ Обозначение Плотность образца, кг/м3 Предел прочности, МПа
состава шихты*, % состава глины**
1 50 Гл : 50 Сб (контрольный) а 808 8
б 787 10
2 (50 Гл : 50 Сб) + 2% известняк а 976 16
б 1008 22
3 (50 Гл : 50 Сб) + 2% антрацит а 843 11
б 848 12
Примечания: * Гл - глина; Сб - стеклобой (в опытных составах шихт содержание гидроксида натрия принято на уровне 4-6%); ** - пояснения в тексте.
Электронная микроскопия пеностекол: а -в - с добавкой антрацита
контрольный образец; б - с добавкой известняка;
щиеся поры укрупняются и схлопываются, удаляясь из расплава.
Эффекты взаимодействия в уравнении регрессии указывают на то, что для снижения плотности пеностекла целесообразно увеличивать содержание в шихте стеклобоя и гидроксида натрия, а при повышенном содержания щелочного компонента нет необходимости в повышении температуры обжига.
С учетом вышеизложенного была осуществлена корректировка составов, условий помола и режимов обжига, в результате чего получено пеностекло с развитой по-ровой структурой. В опытные составы вводились известняк и антрацитовый уголь в количестве 2—3% сверх массы сухой шихты. Надо отметить, что эти вещества апробированы ранее в качестве газообразователя при получении пеностекол [6, 7]. В данной работе исследовалась возможность применимости известняка и угля в пеностеклах системы стеклобой — глина — гидроксид натрия. Установлено, что пеностекла контрольного состава без введения известняка и угля вопреки ожиданиям, обладают меньшей плотностью по сравнению с пеностеклами с добавками этих веществ (табл. 1).
Рентгенофазовым анализом установлено, что в исходной глине, находящейся в составе № 1, а, содержатся кварц ^/п=0,334; 0,182; 0,154; 0,137 нм); альбит ^/п=0,32; 0,29 нм); микроклин ^/п=0,323; 0,216; 0,180 нм); алюноген ^/п=0,446; 0,367; 0,246 нм); фил-липсит ^/п=0,638; 0,425; 0,403 нм). В результате тонкого измельчения в барабанной мельнице глины и последующего обжига фазовый состав пеностекла № 1, а характеризуется наличием альбита ^/п=0,384; 0,376 0,319; 0,256 нм); кварца ^/п=0,334; 0,228; 0,182; 0,171 0,154 нм); диопсида ^/п=0,298; 0,289; 0,252 нм) кальцита^/п=0,302; 0,208; 0,191; 0,187 нм). При этом интенсивность пиков, соответствующих исходному кварцу, на РФА пеностекол уменьшается на 85—89%, что указывает на аморфизацию структуры кварца при обжиге пеностекла. Уменьшение до 95—98% интенсивности пиков, относимых к фазам микроклина, алюноге-на и филлипсита в исходной глине, а также появление новых фаз в виде диопсида и кальцита позволяют заключить, что процессы растворения некоторых фаз, аморфизации кварца и кристаллизации новых фаз при обжиге пеностекла идут параллельно.
В исходной глине, находящейся в составе № 1, б, были идентифицированы альфа-кварц, альбит, микроклин, мусковит, алюноген, лизардит и каолинит, которые в результате помола глины в вибрационной мельнице, а затем обжига пеностекла также претерпевали изменения. Так, в структуре межпоровой перегородки пеностекла с использованием состава шихты № 1, б кроме стеклофазы содержатся остаточные фазы альбита и кварца и вновь образованные фазы ди-опсида и кальцита. Причем интенсивность пиков, соответствующих остаточным фазам на РФА пеностекол, уменьшается на 8—45%. Это указывает на аморфизацию структуры фаз еще на уровне механообработки, в результате чего наблюдается снижение плотности пеностекла состава № 1, б по сравнению с пеностеклом состава № 1, а.
Введение карбонатной породы — известняка способствует увеличению плотности пеностекла обоих составов — № 2, а и № 2, б. РФА структуры пеностекла состава № 2, а с добавкой известняка показал наличие в структуре пеностекла таких фаз, как альбит, омфацит (Са0 6^0 3 МgQ 6-А10 зFe2+Q ^206), лабрадорит, кальцит и кварц. Омфацит, как' известно, кристаллизуется в условиях высокого давления [8].
Предположим, что вследствие активного выделения газовой фазы, выход которой затруднен из-за формирования плотной поверхности пеностекла, для материала межпоровых перегородок (твердого каркаса синтезируемого пеноматериала) создаются благоприятные условия для выкристаллизации омфацита. Вероятно, именно вследствие этого плотность пеностекла возросла от 808 до 976 кг/м3 в случае обжига пеностекла состава № 1, а и от 787 до 1008 кг/м3 в случае обжига пеностекла состава № 1, б. Следует также отметить, что омфацит в ряду обсуждаемых в данной работе фаз имеет наибольшую плотность (3400 кг/м3).
Косвенным подтверждением предположения служат результаты, полученные для пеностекол составов 1 и 3 (табл. 1), в которых при одинаковых условиях по составу шихт, их подготовки и обжигу в фазовом составе пеностекол контрольного образца без газообразователя (состав № 1) и с добавкой антрацита (состав № 3) омфа-цит не был идентифицирован.
Пеностекло с добавкой тонкоизмельченного угля характеризуется более упорядоченной поровой структурой (см. рисунок), что подтвердило роль углерода как стабилизатора процесса пенообразования в силикатных системах, на что указано еще в работах Б.К. Демидовича.
Рентгенофазовый анализ структуры межпоро-вой перегородки пеностекла состава № 3 с добавкой угля показал новообразования в виде андезина 7-0 5Са0 з-С| 5А113-1 7-2 508 и диопсида CaMg(Si2O6). Сравнение интенсивностей пиков соответствующих фаз в структуре межпоровых перегородок пеностекла позволяет заключить, что процессы амор-физации кварца и кристаллизации новых фаз идут также практически параллельно.
На основании вышеизложенного можно заключить, что при получении пеностекол системы стеклобой — глина — гидроксид натрия наряду с фазовым составом исходной глины важную роль в формировании структуры и свойств обжигового материала играет вид газообразователя.
При этом возможны следующие сценарии формирования структуры и свойств синтезируемого материала:
fj научно-технический и производственный журнал
® август 2014 39~
1. При введении в состав исходной шихты карбонатного газообразователя показатели физико-механических свойств обжигового материала возрастают главным образом благодаря кристаллизации омфа-цита.
2. При введении в состав исходной шихты антрацита при незначительном росте показателя средней плотно-
Список литературы
1. Береговой В.А., Королев Е.В., Прошина Н.А., Береговой А.М. Методика подбора и обоснование компонентного состава сырьевых смесей для изготовления теплоизоляционных пенокерамобетонов // Строительные материалы. 2011. № 6. С. 66—69.
2. Кетов А.А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 22—24.
3. Вавренюк С.И., Абрамов В.Е. Вулканические стекла Приморского края — сырье для получения пеностекла // Вестник ВСГУТУ. 2012. № 2 (37). С. 198-200.
4. Казанцева Л.К., Стороженко Г.И., Никитин А.И., Киселев Г.А. Теплоизоляционный материал на основе опокового сырья // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 85-88.
5. Патент РФ № 2503647. Способ получения строительного материала / Д.Р. Дамдинова, В.Е. Павлов, М.А. Давлетбаев, Э.М. Алексеева. Заявл. 06.08.2012. Опубл. 10.01.2014. Бюл. № 1.
6. Стаховская Н.Э., Червоный А.И. Пеностекло из несортированных отходов стекла // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 24-28.
7. Tatsuki Tsu-Mory. Omphacite-diopside vein in an omphacitite block from the Osayama serpentinite melange, Sangun-Renge metamorphic belt, southwestern Japan // Mineralogical Magazine. 1997. Vol. 61. pp. 845-852.
сти значимо возрастает прочность пеностекла за счет улучшения его поровой структуры.
Указанные возможности при формировании структуры и свойств пеностекла создают благоприятные условия для упрочнения структуры обжигового материала и расширения сферы его применимости, например в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала.
References
1. Beregovoy V.A., Korolev E.V., Proshina N.A., Beregovoy AM. Methods of selection and substantiation of component composition of raw mixes for production of heat insulation foam claydite-concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 6, pp. 66-59. (In Russian).
2. Ketov A.A. Preparation of construction materials from hydrated polysilicates. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 11, pp. 22-24. (In Russian).
3. Vavrenyuk S.I., Abramov V.E. Volcanic glass of Primorskiy Krai — the raw material for producing foamed glass. Vestnic VSGUTU. 2012. No. 2 (37), pp. 198—200. (In Russian).
4. Kazantseva L.K., Storozhenko G.I., Nikitin A.I., Kiselev G.A. Heat insulators based on silica clay raw materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 5. pp. 85—88. (In Russian).
5. Patent RF 2503647. Sposobpolucheniya stroitel'nogo ma-teriala [A method for producing a building material]. Damdinova D.R., Pavlov V.E., Davletbaev M.A., Alekseeva E.M. Declared 06.08.2012. Published 10.01.2014. Bulletin No. 1. (In Russian).
6. Stakhovskaya N.E., Chervonyi A.I. Foam glass from un-sorted scrap glass. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 11, pp. 24—28. (In Russian).
7. Tatsuki Tsu-Mory. Omphacite-diopside vein in an omphacitite block from the Osayama serpentinite melange, Sangun-Renge metamorphic belt, southwestern Japan. Mineralogical Magazine. 1997. Vol. 61, pp. 845—852.
Активатор
Планетарные мельницы «Активатор» для заводских и исследовательских лабораторий
Мельница «A(crnBarop-2SL» «Ашватор-23» «Активаторам»
Количество(обьем) барабанов 2 (по 250мл) 2 (по 250мг) 4(по 1000мл]
Скорость вращения барабанов 0-1500 об/мин 0-2800 об/мин 0-1650 об/мин
Потреблявная мощность 2.2 кВт/ч 2 по 2.2 кВт/ч 18 кВт/ч
Применение Пробоподготовка Меха ко химические исследования Наработка материала
Размеры частиц кварцевого песка, помолотого в течение 5 мин на лабораторных планетарных мельницах «Активатор»
«Активатор-25Ь 30 % < 1 (I 60 % < 2 ц 92 % < 5 ц
«Активатор^» 40 % < 1 ц 77 % < 2 ц 96 % < 5 ц
«Активатор-4М» 26 % < 1 и 60 % < 2 ц 86 % < 5 и
www.activator.ru
Машиностроительный Завод «Активатор» Новосибирская обл., р.п. Дорогино, 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: +7 (36345) 710-61 Тел.: +7(913)942 94 61 e-mail: belyaev@activator.ru
40
научно-технический и производственный журнал
август 2014
iA ®
