Разработка составов и исследование свойств блочного и гранулированного пеностекла, изготовленного с использованием шлаковых отходов ТЭС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691 - 405.8

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БЛОЧНОГО И ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА, ИЗГОТОВЛЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС

© 2012 г. Е.А. Яценко, В.А. Смолий, Б.М. Гольцман, А.С. Косарев

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрены проблемы переработки шлаковых отходов ТЭС и синтеза на их основе пеностеколь-ных материалов строительного назначения. Приведены составы пеностекол на основе шлаков ТЭС, исследованы основные физико-механические свойства материалов, сделаны выводы о применимости разработанных составов в строительстве.

Ключевые слова: зола и шлаковые отходы ТЭС; ресурсосберегающая технология; строительные материалы; пеностекло.

Problems of processing of ashes and slag waste of thermal power plants and synthesis on their basis of foamed glass materials of building appointment are considered. Compositions of foam glass on the basis of TPP's slag are given, investigated the basic physic and mechanical properties of materials, and draw conclusions about the applicability of the developed formulations in construction

Keywords: ashes and a slag waste of thermal power plants; resource-saving technology; building materials; foam glass.

В наши дни к строительным материалам предъявляются все более высокие требования. Они должны не только соответствовать требованиям ГОСТа, но и быть как можно более экономичными. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы может служить разработка ресурсосберегающей технологии нового строительного стеклокомпозицион-ного материала - пеношлакостекла на основе техногенного сырья (топливных шлаков ТЭС). Уникальные свойства этого материала (низкая теплопроводность, высокая прочность, огнестойкость, широкий температурный диапазон применения, долговечность, экологическая чистота технологии его изготовления и эксплуатации) позволяет использовать его достаточно широко [1, 2].

Применение этого материала решает целый ряд проблем, основные из которых:

Ресурсосбережение и использование отходов производства. Одно из первых мест по объему выпуска среди промышленных отходов занимают золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива на тепловых электростанциях (ТЭС). Использование зол и шлаков ТЭС в производстве новых строительных материалов является важным направлением ресурсосбережения, так как из них возможно производство широчайшего ассортимента строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых при возведении жилых и промышленных зданий, сельскохозяйственных объектов, дорожных и гидротехнических сооружений и т.п. Также применение этих материалов значительно снижает стоимость конечного продукта. Кроме того, использование зол и шлаков решает особо важные проблемы охраны окружающей среды.

Улучшение энергоэффективности зданий. Наиболее распространенный метод решения данной проблемы - применение современных теплоизоляционных материалов (пенополиуретан, волокнистые неорганические плиты и маты). Однако фактический срок службы данных материалов - 15-20 лет, а жилой дом рассчитан на 70 лет. Следовательно, для применения в строительстве нужен теплоизоляционный материал, не теряющий своих теплоизоляционных свойств в течение всего срока службы, такой как шлакопеностекло [3 - 5].

Области применения пеношлакостекла в зависимости от его свойств приведены в табл. 1 [6].

В связи с вышесказанным была исследована возможность получения теплоизоляционного материала на основе золошлаковых отходов ТЭС. В рамках данной работы в качестве исходных компонентов использовали шлак Новочеркасской ГРЭС (табл. 2), стеклобой, борную кислоту в качестве плавня и порообразо-ватель (мел, графит, антрацит).

Изготовление пеношлакостекла основано на порошковом способе, который предусматривает приготовление тонкодисперсной шихты, состоящей из порошка стекла, шлака ТЭС, борной кислоты и порообра-зователей - мела, графита и антрацита, химический состав которой представлен в табл. 3; брикетирование образцов; спекание шихты с одновременной ее пориза-цией; закрепление пористой структуры и снятие температурных напряжений по традиционной технологии. При нагревании тонко измельченной смеси стекла и газообразователя (шихты) в соотношении, например, 100:5 до температуры 850...950 °С, газы, образующиеся в результате окисления или диссоциации газообразова-теля, вспенивают размягченное стекло. Благодаря быстрому затвердеванию стекла при охлаждении изде-

лия после вспенивания структура пены фиксируется, не претерпевая при этом никаких изменений [8].

Подготовка форм для вспенивания включает очистку и обмазку их внутренней поверхности меловой или каолиновой суспензией для предотвращения прилипания стекла к металлу.

Подготовленную шихту для пеностекла равномерно загружали в формы, занимая 30...50 % их объема, и вручную производили уплотнение смеси пуансоном, стараясь использовать при этом постоянное давление. Затем формы перенесли в разогретую до 600 °С электрическую муфельную печь для вспенивания. В камере печи формы устанавливали в зоне постоянных температур.

Вспенивание проводили по разработанным ранее температурно-временным режимам, приведенным на рис. 1 (а - гранулированного пеношлакостекла, б -блочного) [9].

За периодом вспенивания следует стадия резкого охлаждения для фиксирования структуры материала. Поскольку на этой стадии поверхностные слои могут переохладиться, предусмотрена стадия стабилизации при температуре порядка 600 °С. В случае гранул стадия стабилизации отсутствует, так как из-за малых размеров они быстро и равномерно остывают и стабилизация не нужна. Отжиг материала происходит при самопроизвольном охлаждении электрической муфельной печи до комнатной температуры (4... 5 ч).

Таблица 1

Области применения пеношлакостекла

Свойства Применение

Низкая теплопроводность - теплоизоляция в промышленном (в том числе, и в агрессивных средах), гражданском и индивидуальном строительстве; - использование для термоизоляции трубопроводов и газопроводов

Низкая плотность материала при высокой прочности - строительство на слабых грунтах; - надстройка верхних этажей зданий; - теплоизоляция перекрытий, кровель, полов; - наполнитель для лёгких бетонов; - наполнитель для теплоизоляционной штукатурки и сухих строительных смесей; - изготовление понтонных и иных плавучих конструкций

Низкая паропроницаемость - паро- и гидроизоляция в промышленном и гражданском строительстве

Огнестойкость, негорючесть - теплоизоляция в высотном строительстве; - создание огнепреградительных конструкций; - теплоизоляция трубопроводов и иного оборудования, работающего при температурах до 500 °С

Экологическая безопасность - строительство резервуаров и технологических линий в пищевой и фармацевтической промышленности

Высокая морозоустойчивость - теплоизоляция дорожного полотна

Химическая инертность, высокая коррозионная устойчивость - изготовление многоразовой изоляции; - строительство резервуаров и трубопроводов для кислот и нефтепродуктов; - защита зернохранилищ, хозяйственных и жилых помещений

Таблица 2

Химический состав шлакового отхода Новочеркасской ГРЭС [7]

Вид шлака Химический состав, % по массе

SiO2 AI2O3 Na2O K2O CaO TiO2 MgO Fe2O3 SO3

Новочеркасский 53,00 20,64 1,00 3,70 3,70 0,68 1,63 14,20 1,45

Таблица 3

Таблица 3

Химический состав синтезированных пеношлакостекол с учетом потерь при прокаливании на 100 вес. ч.

№ состава Содержание оксидов, % по массе

SiO2 AlA BA MgO Na2O FeÄ CaO K2O Ti02 SO3 P2O5 C п.п.п. I

1 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 7,6 1,06 0,47 0,03 0,05 - 9,95 100

2 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 4,9 1,06 0,47 0,03 0,05 4,71 7,90 100

3 50,29 9,58 8,06 1,05 5,54 5,76 4,9 1,06 0,47 0,03 0,05 4,71 7,90 100

Т, °С 800

600 400 200 0

1 л

\

\

L

Т, °С 1000 800 600 400 200 0

20 40 60 t, мин

20 40 60 80 100 120 140 160 180 t, мин

Рис. 1. Температурно-временной режим вспенивания: а - гранул; б - блоков

После извлечения блоков пеностекла из форм проводят их опиловку для придания точной формы и размеров. Производят визуальный осмотр пеностекла, характеризуют однородность структуры, размеры и характер распределения пор и др. Фотографии полученных образцов блочного пеностекла размером 100x100x30 мм приведены на рис. 2.

Рис. 2. Образцы составов 1 - 3

Физико-химические свойства материала определяются по общепринятым методикам:

- пористость и водопоглощение образцов пеностекла определяются методом насыщения согласно ГОСТ 2409-95;

- определение предела прочности при сжатии образцов пеностекла выполняется согласно ГОСТ 473.6-81.

Для определения плотности и водопоглощения сухие образцы пеношлакостекла взвешивают с точностью 0,01 г на технических весах. Затем укладывают в специальную ванну, над дном которой на расстоянии 10 - 15 мм помещена металлическая сетка. В ванну наливают столько воды, чтобы она на 1/3 покрывала каждый образец. Через 20 мин после этого в ванну вливают вторую порцию воды так, чтобы образцы оказались покрытыми на 2/3, и, наконец, через 40 мин образцы полностью заливают водой, чтобы уровень ее в ванне был выше испытуемых образцов на 20 - 30 мм. Чтобы определить объем полузакрытых пор, образцы насыщают водой при кипячении. Ванну устанавливают на нагревательный прибор, доводят до кипения и выдерживают образцы в кипящей воде в течение 4 ч. Для того чтобы уровень воды в ванне не понижался, периодически в ванну подливают воду. Через 4 ч после кипячения ванну с образцами закрывают крышкой и оставляют на 24 ч. По истечении указанного времени образцы из ванны вынимают, обтирают влажным полотенцем и тут же взвешивают на технических весах с той точностью, что и сухой образец. Величину водопоглощения В вычисляют по

формуле: В = (Вн - Вс) / Вс • 100 %, где Вн - масса насыщенного водой образца на воздухе, г; Вс - масса сухого образца, г.

Плотность и кажущуюся пористость определяют на тех же образцах пеношлакостекла, на которых определяли водопоглощение. Для этого находят массу образцов в воде. Насыщенный водой образец подвешивают к чашке предварительно уравновешенных гидростатических весов, затем помещают в таком положении в сосуд с водой и взвешивают в воде. Во время взвешивания образцы пеностекла не должны касаться дна и стенок сосуда. Объемную массу рассчитывают по формуле р = Вс рж / (Вн - Вв), где рж - плотность жидкости, г/см3; Вв - масса насыщенного водой образца в воде, г.

Кажущуюся пористость Пк рассчитывают по формуле Пк = (Вн - Вс) / (Вн - Вв) • 100 %.

Для определения предела прочности при сжатии образцы пеношлакостекла опиливают и замеряют штангенциркулем (с точностью 0,1. ..0,2 мм) нижнее и верхнее основания. Затем вычисляют площадь поперечного сечения образца как среднее арифметическое площадей верхней и нижней плоскостей образца, а затем образец испытывают на прессе. Предел прочности при сжатии R рассчитывают по формуле

R = P / 5,

где Р - разрушающая нагрузка, МПа (1кг-с/см2 = = 0,1 МПа); - площадь поперечного сечения образца, м2.

Теплопроводность образцов пеношлакостекла определялась с помощью измерителя теплопроводности ИТП-МГ4. Принцип работы прибора основан на создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца, измерении толщины образца, плотности теплового потока и температуры противоположных лицевых граней. Прибор состоит из блока управления нагревателем и холодильника, выполненных на элементах Пельтье, тепломера, платиновых датчиков температуры, устройства преобразования первичных сигналов датчиков, а также источника питания.

Результаты свойств синтезированных образцов заносим в табл. 4.

Таблица 4

Свойства синтезированных пеношлакостекол

№ состава Температура термообработки, оС Время выдержки, мин Водопоглощение, % Кажущаяся пористость, % Плотность, г/см3 Предел прочности на сжатие, МПа Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)

1 850 30 67,64 54,85 810,8 1,155 0,085

2 950 30 13,95 22,02 1578,4 1,639 0,091

3 900 30 35,67 35,94 1007,3 0,941 0,071

Кажущаяся пористость

Плотность

Водопоглощение

Пк, %

70 60 50 40 30 20 10 0

р-103, кг/м

В, % 60

2

б

Предел прочности на сжатие

R, МПа

16 12 8 4

Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-К)

1,00

0,08 0,06 0,04 0,02 0

Рис. 3. Сравнение свойств синтезированных пеношлакостекол

По результатам исследования свойства синтезированных составов были получены зависимости, представленные на рис. 3 а-д.

Таким образом, исходя из приведенных данных можно сделать следующие выводы:

1. В основе изготовления пеношлакостекла лежит классическая (порошковая) технология производства. Наиболее подходящей является горячая поризация с предварительным полусухим прессованием образцов.

2. По результатам определения температурного и временного интервалов обжига установлены оптимальные параметры термообработки изделия - загрузка образцов пеношлакостекла в печь при температуре 600 °С, доведение температуры в печи: для блоков - до 925 °С, для гранул - до 850 °С - за 40 мин, выдержка при этой температуре 30 мин, охлаждение с печью (отжиг).

3. Свойства пеношлакостекла зависят, главным образом, от плотности материала. Так, чем выше плотность образцов 810,33 - 1578,44 кг/м3, тем выше их прочность 0,89 - 16,98 МПа и меньше их водопо-глощение 67,64 - 13,95 %. В то же время с увеличением плотности повышается коэффициент теплопроводности 0,071-0,091 Вт/(м-К) и снижается значение кажущейся пористости 54,85 - 22,02 %.

4. Среди синтезированных образцов пеношлако-стекол состава № 1-3 с различными показателями основных свойств оптимальным составом для производства гранулированного пеношлакостекла является состав № 1, а для производства блочного пеношлако-стекла - состав № 3. Состав № 2, вследствие большого количества дефектов структуры и больших энергозатрат при его производстве, является непригодным для получения пеношлакостекол.

1

3

1

2

3

1

2

3

а

в

0

1

2

3

1

2

3

д

г

Данная научно-исследовательская работа выполняется в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» Министерства образования и науки РФ.

Литература

1. Коломенский Г.Ю. Проблемы широкомасштабного освоения техногенных месторождений угольного ряда // Проблемы комплексного использования техногенных месторождений угольного ряда : тр. Всерос. науч.-техн. семинара. Ростов н/Д., 2002. С. 6 - 9.

2. Семин М.А., Джумагулов С.Д. Золы и шлаки ТЭС - ценное минеральное сырье для силикатной отрасли // Стекло и керамика. 2003. № 8. С. 22 - 23

3. Ефимов Н.Н., Яценко Е.А., Смолий В.А., Косарев А.С., Копица В.В. Экологические аспекты и проблемы утилизации и рециклинга золошлаковых отходов тепловых электростанций // Экология промышленного производства. 2011. № 2. С. 40.

4. Пучка О.В., Минько Н.И. Основные направления развития технологии производства и применения пеностекла //

Поступила в редакцию

Строительные материалы. 2007. № 5. (Строительные материалы № 9 -Technology). С. 17 - 20.

5. Пучка О.В., Минько Н.И., Бессмертный В.С., Семенен-ко С.В., Крафт В.Б., Мелконян Р.Г. Пеностекло. Научные основы и технология. Воронеж, 2008. 168 с.

6. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д., Феникс, 2007. 368 с.

7. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справочное пособие / под ред. В. А. Мелентьева. Л., 1985. 292 с.

8. Смолий В.А., Гольцман Б.М., Яценко Е.А., Малышева О.А. Исследование физико-химических свойств пеностекла, изготовленного с использованием золошлаковых отходов ТЭС // Сб. работ победителей отборочного тура Всерос. конкурса науч.-исслед. работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011», г. Новочеркасск, окт.- но-яб. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 103 - 107.

9. Гольцман Б.М., Смолий В.А., Яценко Е.А., Косарев А.С. Разработка составов и исследование свойств пеностекла, изготовленного с использованием золошлаковых отходов ТЭС // Сб. работ победителей отборочного тура Всерос. конкурса науч.-исслед. работ студентов по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2012», г. Новочеркасск, май.-июль 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2012. С. 61 - 64.

30 августа 2012 г.

Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-56-24. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Смолий Виктория Александровна - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», ЮжноРоссийский государственный технический университет Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru

Гольцман Борис Михайлович - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-35.

Косарев Андрей Сергеевич - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-56-71. E-mail: smeelov@mail.ru

Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, professor, head of department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-56-24. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Smoliy Victoria Aleksandrovna - post-graduate student, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (NPI). Ph. (8635) 25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru

Golcman Boris Michailovich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-35.

Kosarev Andrey Sergeevich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-71. E-mail: smeelov@mail.ru