CC BY
26УДК 691.618.92
Д.Р. ДАМДИНОВА, д-р техн. наук, В.Е. ПАВЛОВ, канд. техн. наук, Э.М. АЛЕКСЕЕВА, инженер (Erzhena@mail.ru), Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (Улан-Удэ, Республика Бурятия)
Пеностекло как основа
для получения облицовочных материалов
с регулируемой поровой структурой
Удельный вес отделочных работ в строительстве достаточно велик и составляет не менее 12—14%. Среди известных материалов для облицовки немалый интерес представляют облицовочные пеностекла. Применение пеностекол, выполняющих одновременно функции теплоизоляционного и облицовочного материалов, весьма перспективно для строительства в регионах Сибири и Дальнего Востока, где архитектурно-художественная выразительность зданий должна сочетаться с их эффективной теплоизоляцией. К преимуществам облицовки зданий цветными пеностеклами относится также их долговечность.
Пеностекло, являясь гетерогенной системой, состоящей из стекла, кристаллических фаз и газовоздушной смеси, оказывается весьма удобной модельной системой при получении облицовочных материалов с пористой и плотной структурой.
Основной целью исследований являлась разработка составов и технологии получения облицовочных пеностекол на основе местных алюмосиликатных пород и стеклобоя.
В качестве основных сырьевых материалов использованы перлит Мухор-Талинского, базальт Селендум-ского месторождений Республики Бурятия и бой тарных стекол (таблица).
Главная практическая задача заключалась в том, чтобы, варьируя рецептурно-технологическими факторами в рамках технологии производства пеностекла, получать облицовочные материалы с пористо-плотной структурой (далее ОМППС). К этим факторам относятся химический и фазовый составы исходных алюмосиликатных пород (АСП) и стеклобоя, изменения в их структуре в результате механоактивации, состав шихты, режимы обжига и т. д.
Теоретической базой для создания ОМППС, синтезируемых в данной работе, являются научные и практические результаты в области пенообразования в пиропла-стических силикатных системах и вспучивания алюмоси-
Оксиды Перлит (Пр) Базальт (Бз) Стеклобой (Сб)
SiO2 68,3 49,6 71,4
А12О3 12,75 16,9 2,47
Fe2Oз 1,2 2,8 0,4
FeO 0,05 6,78 -
СаО 0,98 6 6,74
МдО 0,48 4,66 3,43
SOз 0,03 0,1 0,2
ТЮ2 0,16 2,07 -
Na2O 3,73 4,67 14,45
^ 4,12 6,22 1,05
ППП 8,58 2,53 -
ликатных расплавов из природного минерального сырья и техногенных отходов, а также исследования в области синтеза облицовочных материалов из глушеных стекол.
Была выдвинута рабочая гипотеза о возможности получения облицовочных пеностекол с регулируемой поровой структурой благодаря изменению характера диффузии в стекле в результате двухщелочного эффекта при применении №ОН и КОН или их смесей.
Двухщелочной эффект в стеклах систем Me2O—SЮ2 (Ме = Li, №, К), содержащих две щелочи, описанный в [1], выражался в изменении характера диффузии и вязкости расплава. В стекле 20% К2О^Ю2 при 415оС скорость диффузии ионов составила DNa = 3,3-10-10, а ионов К+ DK = 6,5-10-1° см2/с. Вопреки соображениям о влиянии радиуса катионов на их подвижность крупный ион К+ движется быстрее иона №+, имеющего меньший радиус. Кажущееся противоречие объясняется тем, что энергия активации Еакт гетеродиффузии всегда выше, чем энергия активации самодиффузии. Так, в стекле состава 20% К2О^Ю2 энергия активации гетеродиффузии ионов составляет Еак1 = 27,5 ккал/моль, тогда как Еакт самодиффузии ионов К+ в стекле этого же состава составляет Еакт ~ 18,5 ккал/моль. А в стекле состава 20% №2О^Ю2 энергия активации самодиффузии ионов составляет Еакт = 17 ккал/моль.
Предварительно были получены регрессионные зависимости свойств пеностекол систем Сб—Пр и Сб—Бз,
Ро, кг/м3
1400 1200 1000 800 600 400 200
а) 50 Сб + 50 Пр б) 70 Сб + 30 Пр в) 55 Сб + 45 Бз г) 75 Сб + 25 Бз
□ 100% ^ □ 50% ^ + 50% NaOH □ 100% NaOH
Рис. 1. Влияние вида щелочной добавки на плотность ОМППС на основе пеностекол
Рис. 2. Электронная микроскопия ОМППС состава 55% Сб и 45% Бз с использованием №ОН (а) и КОН (б): а - Тобж = 875оС; б - Тобж = 860оС
а
научно-технический и производственный журнал ''й'/г^С^Т^У^^Ь]3 ~44 январь 2012 Ы ®
-0,5
0,5
-0,5
0,5
-0,5 _1_
0,5
х2
8<'0/9.6
1 I
х2
Рис. 3. Изолинии показателей плотность/прочность ОМППС систем: (а) стеклобой - перлит; (б) стеклобой - базальт; х1 - содержание стеклобоя, %; х2 - вид щелочного компонента
на основе которых приняты составы шихт для проверки двухщелочного эффекта (рис. 1).
В составах стекол сверх 100% в зависимости от соотношения в шихте стеклобоя и АСП содержится 7—10% щелочного компонента (КОН, №ОН или их смесь). Снижение плотности обжигового материала при переходе от КОН к №ОН (рис. 1) объясняется тем, что №+, двигаясь в родственной ему системе и обладая при этом большей подвижностью в условиях самодиффузии, в большей степени выводит систему из равновесия. В дальнейшем при обжиге это приводит к интенсификации по-ризации и снижению плотности обжигового материала.
Увеличение показателя плотности материала при использовании КОН, вероятно, вызвано гетеродиффу-зией ионов К+ в стекле системы Na2O—CaO—SЮ2, энергия активации которой выше, чем энергия активации самодиффузии ионов №+ в указанной системе. Это также может быть вызвано влиянием радиуса иона калия (0,133 нм), большего, чем у катиона натрия (0,098 нм), и, как следствие, меньшей его подвижностью.
При вспенивании пеностекол системы стеклобой — базальт обжиг пеностекол проводится при более высокой температуре (860—875оС), чем пеностекол с использованием перлита (845—855оС). При использовании КОН при повышенном содержании базальта структура обжигового материала уплотняется, а плотность возрастает (рис. 2).
По данным ИК-спектрометрии, введение в шихту КОН при повышенном содержании стеклобоя способствует активизации процесса образования в стекле щелочных силикатов. Интерес к использованию калиевой щелочи в настоящей работе также обусловлен тем, что введение только №ОН в составы пеностекол часто приводит к бурному вспениванию при обжиге и появлению в системе диссипативных явлений (укрупнение пор и их схлопывание) и тем самым создает проблему в регулировании поровой структуры материала.
В результате оптимизации составов и режимов получены номограммы свойств физико-механических свойств ОМППС систем стеклобой—перлит и стеклобой—базальт в зависимости от химико-технологических факторов (рис. 3). На рис. 3 а, б в числителе указаны значения средней плотности, кг/м3, а в знаменателе — прочности при сжатии, МПа.
В наших экспериментах содержание стеклобоя (мас. %) изменялось от 50 (х1 = —1) до 80 (х1 = +1).
Второй фактор х2 характеризует вид щелочного компонента. На нижнем уровне (х2 = —1) в шихту вводится №ОН, а на верхнем уровне (х2 = +1) находится КОН.
При окрашивании ОМППС установлено, что цветной стеклобой приводит к окрашиванию пеностекол системы Сб—Пр в оттенки цветов исходного стеклобоя практически при любых соотношениях стеклобоя и породы и не окрашивает пеностекла системы Сб—Бз при повышенном содержании базальта. Поэтому целесообразным является декоративные пеностекла ярких цветов получать на стеклах системы Сб—Пр, варьируя содержанием таких веществ, как Сг2О3 (зеленый цвет), ТЮ2 (желтый цвет), Fe2Oз и FeO (желто-коричневый), СиО (синий) и т. д. Цинково-свинцовый концентрат вносит в состав стекол сульфиды металлов — FeS, PbS, ZnS и М^, которые в зависимости от количества ЦСК в составах придают стеклам темные вплоть до черного цвета. Содержание микродобавок оксидных красителей находится на уровне
0.5-1,5 мас. %.
Также установлено, что объемное окрашивание материалов с плотностью более 900-1600 кг/м3 затруднено ввиду высокой вязкости расплава. Это обусловило выбор более эффективного метода нанесения на образец-сырец суспензий из стеклобоя и АСП с микродобавками оксидов и ЦСК, которые при обжиге превращаются в стекловидное покрытие.
При получении ОМППС происходит самоглазурование свободных поверхностей, что вызвано миграцией щелочи на поверхность изделия, которая при обжиге оплавляется, образуя глазурное покрытие. Благодаря высокопористой структуре полученные ОМППС обладают повышенными теплоизоляционными свойствами.
На основании выявленной роли вида щелочной добавки в формировании структуры и свойств пеностекол, микродобавок-красителей в повышении декоративных свойств с использованием белого и цветного стеклобоя в сочетании с механоактивированной алюмосиликат-ной породой (перлит, базальт) в условиях низкотемпературного обжига получены декоративные теплоизоляционные пеностекла с плотностью 300-725 кг/м3 и прочностью при сжатии 1,5-7,5 МПа и облицовочные плиты с плотностью 700-1650 кг/м3 и прочностью при сжатии 7-22 МПа.
Ключевые слова: пеностекло, облицовочный материал, поровая структура, щелочная добавка, микродобавки-красители.
Литература
1. Аппен А.А. Химия стекла. М.: Химия. 1979. 352 с.
б
а
0
х1
0
х1
^ научно-технический и производственный журнал
^ ® январь 2012 45
