Управление процессом структурообразования как фактор формирования стеклокомпозитов функционального назначения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

DOI: 10.12737/article_59a93b0800bbc7.91485565

Пучка О.В., канд. техн. наук, проф., Вайсера С.С., магистрант, ЛесовикВ.С., член- корр. РААСНд-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Сергеев С.В., канд. техн. наук ОАО «Дорожное эксплуатационное предприятие №96» обл. Белгородская, с Стрелецкое

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ СТЕКЛОКОМПОЗИТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

vaisera_sergei@mail.ru

Свойства стеклокомпозитов на основе пеностекла во многом зависят от его макро- и микроструктуры, изменять которую можно путем введения модифицирующих добавок в состав пенооб-разующей смеси, а также на стадии подготовки стеклогранулята. Актуальность исследования управления процессом формирования структуры материала с заданными свойствами обусловлена новыми возможностями получения многофункционального стеклокомпозита, сочетающего тепло-и звукоизоляционные свойства с высокими прочностными характеристиками, либо эффективное поглощение акустических волн на средних и высоких частотах.

Ключевые слова: пеностекло, пористость, стеклокомпозит, прочность, звукопоглощение, комплексный газообразователь._

Введение. В настоящее время наблюдается интерес к материалам многофункционального назначения, которые за счет своей структуры используются как тепло и звукоизоляционные. Также материалы должны быть экологичными, пожаробезопасными и простыми при монтаже.

Одним из наиболее подходящих материалов, способный удовлетворить указанные требования, является пеностекло. Этот материал отличается низкой теплопроводностью, сравнительно большой прочностью (по отношению к его плотности) и неорганическим составом. Все вышеперечисленные характеристики обусловлены равномерным распределением закрытых мелких пор

в объеме материала. За счет этого теплоизоляционное пеностекло обладает высоким коэффициентом отражения звука р. Пеностекло материал двойного назначения: его используют как для теплоизоляции, так и для изоляции от воздушного шума при наружной отделке ограждающей конструкции [1-4]. Однако, для отделки внутренних помещений, как правило, высокая отражающая способность материала вредна, так как отраженные звуковые волны будут усиливать шум в помещении, создавая зоны стоячих волн. В данном случае необходимо, чтобы структура материала поглощала большую часть энергии, падающей на него звуковой волны.

Таблица 1

Эксплуатационные характеристики пеностекла различных производителей и современные

акустические материалы

Наименование продукции Плотность, рср, кг/м3 Прочность, МПа Теплопроводность, Вт/м°С

НеопормСтэс 110 0,8 0,055

Неотим Китай 120 0,7 0,048

Foamglas 160 1,6 0,042

НеопормСтэс 180 2,5 0,65

Гомель 200 1,9 0,06

Пеноситал 200 1 0,068

Звукопоглощающее пеностекло и различные акустические материалы

Наименование продукции Плотность, рср, кг/м3 Коэффициент звукопоглощения (а) при 1000 Гц

Звукопоглощающее пеностекло 250-350 0,3-0,5

Акустические минераловатные плиты 75-150 0,7-0,9

Акустический фибролит 300-400 0,45-0,50

Гипсовые перфорированные листы 650-730 0,4-0,9

По сравнению с минераловатными или гипсовыми материалами использование пеностекла с открытой пористостью не представляется целесообразным по причине довольно низких значений коэффициента звукопоглощения (табл. 1).

Методология. В БГТУ им. В.Г. Шухова создана теоретическая база проектирования и создания стеклокомпозитов (СК) нового поколения за счет использования результатов, полученных при исследовании объектов неорганического мира. Основой разработки новых высокоэффективных материалов являются теоретические положения геоники (геомиметики) как нового перспективного трансдисциплинарного направления. Это позволяет проектировать новые строительные материалы с заданной структурой и необходимыми техническими характеристиками [5-6].

Результаты, полученные при исследовании горных пород (пемзы и туфа) - природных аналогов пеностекла - позволили спроектировать поризованные конструкционно-теплоизоляционные композиты с высокой способностью поглощения звуковой волны.

* 4,5

§ 4

В 3,5

¡и з

в 3

I сП5

р2

£ 1,5

В качестве сырьевых компонентов для производства стеклокомпозитов тепло- и звукоизоляционного (СКЗИ) назначения был использован стеклопорошок, сваренный по ранее разработанному рецепту [6]. В роли газообразователя использовали технический углерод, марки П-24. При подборе составов СКЗИ учитывался имеющийся опыт ряда исследований [7-10].

Основная часть. Согласно проведенным исследованиям было определено оптимальное количество технического углерода в смеси, которое составляло - 0,7мас. % сверх 100. Температурный интервал, в котором наиболее целесообразно использовать углеродсодержащий газооб-разователь составлял 750-900 °С, поэтому нами были проведены эксперименты при температуре вспенивания 750 °С, с шагом 50 °С. Интервал варьирования удельной поверхности стеклопо-рошка 750-1150 м2/кг.

Параметрами для подбора оптимального состава СКЗИ были следующие показатели: средняя плотность (рср, кг/м3), коэффициент вспенивания (Квсп), предел прочности при сжатии (Исж, МПа) и объемное водопоглощение %).

Э 0,5 а

и 0

750

950

1150

Удельная поверхность стеклопорошка, м2/кг

■ 750 °С ■ 800 °С ■ 850 °С ■ 900 °С

750 950 1150

Удельная поверхность стеклопорошка, м2/кг

■ 750 °С ■ 800 °С ■ 850 °С ■ 900 °С

8

750 950 1150

Удельная поверхность стеклопорошка, м2/кг

1750 °С 800 °С 850 °С

900 °С

Рис. 1. Зависимости выходных параметров материалов от удельной поверхности стеклопорошка при различных

температурах вспенивания

При различных температурах наблюдался ратуре 750 °С получение материалов с удовле-нелинейный характер изменения эксплуатацион- творительными эксплуатационными характери-ных характеристик образцов (рис. 1). При темпе- стиками возможно только при условии максимальной удельной поверхности стеклопорошка

4

3

2

1

0

(1150 м2/кг).

Следует отметить, что уже при 800 °С, смесь вспенивается при различных значениях удельной поверхности стеклопорошка, что связано со снижением вязкости в температурном интервале вспенивания. При этом прочность при сжатии СКЗИ увеличивается до 3,9 МПа. Для установления причин роста прочности в дальнейшем были

Технологические данные

проведены исследования микроструктуры образцов. Однако при увеличении температуры, эксплуатационные характеристики ухудшаются, что связано предположительно с изменениями в реологических свойствах пенообразующей смеси в процессе вспенивания.

С помощью рентгенофазового анализа были исследованы полученные СКЗИ (рис. 2 и табл.2).

Таблица 2

вспенивания пеностекла

S№, м2/кг Т вспенивания, °C Ra*, МПа Рср, кг/м3 К^сп. W, %

1150 800-820 3,9 160 4,8 <5

1150 850--870 2,3 255 2,7 8-10

- alow кварц (SiO2) ^^ - волластонит в CaOSiO2

Рис.2. Рентгенофазовый анализ полученных СКЗИ 1 - температура вспенивания 800-820 °C, 2 - температура вспенивания 850-870 °C,

Образец, вспененный при температуре 850870 °С, отличается от образца, полученного при 800-820 °С, повышенным содержанием кристаллической фазы, представленной оксидом кремния а^Ю2 ^/п, А: 4,25; 3,35; 2,45; 1,8; 1,62) и полевыми шпатами в виде в волластонита CaO

SiO2(d/n, А: 3,31; 2,95; 2,46; 1,81). Интенсивность пиков кристаллов кварца (24000 против 19000 имп/сек на рис. 2).

Данные составы также были исследованы методом РЭМ (рис. 3-4).

Рис. 3. Образец полученные при температуре вспенивания 800-820 °С, Количество кристаллической фазы 3,1 %

Рис. 4. Образец полученные при температуре вспенивания 850-870 °С, Количество кристаллической фазы 9,4 %

Образец полученный при 800-820 °С содержит кристаллы вытянутой формы, которые представляют собой армирующую сетку, что, предположительно, и является причиной увеличения прочности пеностекла (рис. 3, 4). При повышении температуры вспенивания до 850-870 °С процент кристаллической фазы увеличивается с 3,1 до 9,4 % в результате чего растет плотность распределения кристаллов, однако прочность образца снижается несмотря на увеличение плотности (рис. 4). Снижение прочности очевидно связано с разрушением межпоровых перегородок и объединением пор в более крупные неравномерные образования с большим количеством дефектов.

Результаты данного исследования позволили определить, значения технологических параметров, необходимых для получения стекло-композитов с заданным комплексом свойств.

Экспериментальная работа по повышению звукопоглощения стеклокомпозита. Для получения пеностекла с открытой (сообщающейся) пористостью, используют газообразователи из группы «карбонатных» газообразователей, что неотъемлемо связано с рядом недостатков. Образцы, получаемые «карбонатным» способом, имеют недостаточно высокие звукопоглощающие характеристики, повышенное водопоглоще-ние и плотность изделий. Изменять характер пористой структуры пеностекла можно путем введения в пенообразующую смесь модифицирую-щихдобавок различного рода. Так, в работах авторов [11] изучали влияние добавки в виде нано-структурного диоксида циркония на акустические свойства, размеры пор и макроструктуру готового пеностекла. Шутовым А.И. и др. [12] для увеличения звукопоглощения предложен способ применения газообразователя неоднородного гранулометрического состава, что в итоге способствовало созданию в массиве пеностекла дополнительной системы эллипсных пор.

Для решения данной задачи на первом этапе исследований было изучено влияние использования колеманита на физико-механические свойства стеклокомпозита (табл.3). В качестве компонентов использовали ранее сваренный и измельченный стеклопорошок с удельной поверхностью 1150 м2/кг и различное количество колема-нита, выступающего в роли газообразователя. Вспенивание осуществлялось при температуре 750±10°С.

Благодаря экспериментальным исследованиям установлено, что при введении колеманита 1-2 % в смесь образцы не вспениваются. При увеличении вводимого колеманита (3-3,5 %) полученные образцы имеют коэффициент вспенивая

равным 3,5 при средней плотности 400 кг/м3. Образец с равномерным распределением пор был получен при содержании колеманита в пенообра-зующей смеси в интервале 4-5 %. При таком содержании средняя плотность стеклокомпозита составила 310 кг/м3, водопоглощение - до 25 %.

Таблица 3

Условия эксперимента и эксплуатационные свойства полученных материалов

Газо-образо-ватель (коле-манит,%)

1

2

3,5

4,5

Кв.

Р^

кг/м3

ш, %

Фотография

Образец не вспенился

3,2

3,5

3,7

3,9

3,9

3,9

3,9

Образец не вспенился

420

360

330

310

305

280

265

14

18

20

23

38

60

75

у .'»'♦

т.

сшЬ

♦ :

т

ш

Л*-'"

При введении колеманита в смесь в количестве более 5 % в образцах стеклокомпозита наблюдалась неравномерная крупнопористая структура, что связано с разрывом межпоровых перегородок за счет излишнего увеличения давления газовой фазы и водяных паров при относительно высокой вязкости стекла.

3

4

5

6

7

Образцы, составы которых приведены в табл. 3, были исследованы методом РЭМ (рис. 5).

3 % 4 % 5 % 6 % 7 %

Рис. 5. Микрофотография образцов, полученных с использованием колеманита

Образец, полученный на основе 3 % газооб-разователя (колеманита), характеризуется плотной структурой и низким коэффициентом вспенивания, что объясняется недостаточным для полноценного процесса порообразования количеством газообразователя. Увеличение количества, вводимого газообразователя до 4-5 % позволяет получать образцы с равномерным распределением пор в объеме материала, плотность при этом уменьшилась, а водопоглощение увеличилось. При дальнейшем возрастании количества

газообразователя образуются крупные поры, за счет избыточного давления мелкие поры схлопы-ваются неравномерно, образуя каналы в объеме материала, что способствует значительному увеличению водопоглощения образцов (рис. 5 и табл. 3).

Экспериментальным методом с помощью акустического интерферометра определили звукопоглощение образцов с различным процентным соотношением газообразователя (рис. 6).

а и

о

5

о

ч -

о в о

■л »

Г) О

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

125 250 500 1000 2000 4000

Частота, Гц

>-3% -Ф— 3,5% -А-4% -#-4,5% —5% ->«-6% —I— 7%

Рис.6. Звукопоглощение образцов, полученных с использованием колеманита

Наиболее выраженным коэффициентом звукопоглощения обладают образцы, полученные при введении колеманита в пенообразующую смесь в интервале от 4 до 5 % (рис. 6). В дальнейших экспериментах нами был использован образец, полученный при содержании колеманита 4,5 мас.%.

Исследования на комплексном газообразова-теле. Как уже отмечалось ранее для создания материала с полимодальной открытой пористостью, необходимо использовать несколько видов

газообразователей одновременно. Поэтому следующий этап исследования заключался в исследовании возможности использования, комбинированного (комплексного) газообразователя. К установленному ранее оптимальному количеству вводимого колеманита (4,5 мас. %) в смесь добавляли технический углерод марки П-24. Вспенивание осуществлялось при температуре 800± 10 °С.

В результате использования комплексного газообразователя (разное соотношение колема-нит // технический углерод) можно сделать следующие выводы (табл.4). При введении 0,1 % технического углерода поры образца уменьшаются, по сравнению с образцом, полученным только на колеманите. При добавлении от 0,1 до 0,3 % водопоглощение образцов изменяется линейно, а свыше 0,3 % наблюдается скачкообразное его увеличение. Наилучшие значения были получены при соотношении, % - колеманит: 4,5 // 0,25 технический углерод. Данный стеклоком-позит обладает более равномерной структурой со средней плотностью 230 кг/м3 при объемном во-допоглощении до 30 %. Значительное увеличение водопоглощения при повышении в смеси технического углерода (с 0,3 до 0,4 %).

Было выявлено, что добавление технического углерода в пенообразующую смесь с колемани-том, способствовало созданию более равномерной структуры в объеме материала, при этом наблюдается наличие различных пор по размерам (макропоры), пронизанных порами меньшего размера (микропоры).

Экспериментальным методом с помощью акустического интерферометра определили звукопоглощение образцов, приведенных в табл.4. (рис.

7).

Наиболее выраженным коэффициентом звукопоглощения обладают звукопоглощающие стеклокомпозиты СКЗП (2,5) и (3), полученные при соотношении комплексного газообразова-теля, % - колеманит: 4,5 // 0,25 и 0,3 технический углерод.

Полученные звукопоглощающие стеклоком-позиты (СКЗП) были исследованы методом РЭМ (рис. 8).

Таблица 4 Условия эксперимента и основные эксплуатационные свойства СКЗП

№ образца

СКЗП 1

СКЗП 2

СКЗП 2,5

СКЗП 3

СКЗП 3,5

СКЗП 4

Кв

3,7

4,0

4,2

4,7

4,7

4,9

Р«^

кг/м3

285

255

230

205

180

160

Ш, %

24

27

28-30

35

45

75

Фотография

щ

5

о

ч -

о

в

о

■л »

Г)

о

И

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

125

250

500 1000

Частота, Гц

2000

4000

СКЗП (1)

СКЗП (2)

СКЗП (2,5)^— СКЗП (3)

СКЗП (3,5)

СКЗП (4)

0

Рис. 7. Звукопоглощение образов, полученных на основе комплексного газообразователя

Рис. 8. Микрофотография СКЗП, полученных на комплексном газообразователе (колеманит // технический углерод, %: 4,5 // 0,25) (колеманит // технический углерод, %: 4,5 // 0,3)

Был проведен сравнительный анализ характеристик разработанного стеклокомпозита с акустическими материалами, представленными на российском рынке (рис. 9).

Анализ звукопоглощающих характеристик подтвердил конкурентоспособность разработан-в1

н 0,9 | 0,8

IГ 0,6 0,5 0,4

0?3

0,2 0,1 0

ного стеклокомпозита по части обеспечения акустического комфорта в помещении, а его неорганический состав, долговечность и стабильность свойств делает его наиболее предпочтительным при выборе акустических материалов.

г> о

и

125

250

2000

4000

500 1000

Частота, Гц

■— СКЗП —•— Isover Rockwool —♦— Knauf (1) -*-Knauf (2) Рис. 9. Сравнительный анализ звукопоглощающих характеристик

Итоговая таблица результатов исследования

Таблица 5

Наименование продукции Плотность, рср, кг/м3 Прочность, МПа Теплопроводность, Вт/м°С

НеопормСтэс 110 0,8 0,055

Неотим Китай 120 0,7 0,048

Разработанный звукоизоляционный стеклокомпозит (СКЗИ) 160 3,9 0,058

Foamglas 160 1,6 0,042

Неотим Китай 160 2 0,062

НеопормСтэс 180 2,5 0,065

Гомель 200 1,9 0,06

Пеноситал 200 1 0,068

Пеноситал 300 1,5 -

Звукопоглощающее пеностекло и различные акустические материалы

Наименование продукции Плотность, рср, кг/м3 Коэффициент звукопоглощения (а) при 1000 Гц

Звукопоглощающее пеностекло 250-350 0,3-0,5

Акустические минераловатные плиты 75-150 0,7-0,9

Акустический фибролит 300-400 0,45-0,50

Гипсовые перфорированные листы 650-730 0,4-0,9

Разработанный звукопоглощающий стеклокомпозит (СКЗП) 250-280 0,65-0,70

Выводы. Таким образом, с учетом теоретических положений нового трансдисциплинарного направления геоники (геомиметики) разработаны новые теплоизоляционно-конструкционные и эффективные в широком диапазоне звуковых частот звукопоглощающие стеклокомпозиты на основе пеностекла с измененной макро- и микроструктурой (см. табл. 5).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Комкова А.В., Рачинская М.П. Пеностекло и его применение в России // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/05/12937 (дата обращения: 02.06.2017).

2. Осипов А.Н. Энергоэффективный, пожаробезопасный теплоизоляционный материал - пеностекло // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. №2. С. 17-18.

3. Радоуцкий В.Ю., Шульженко В.Н., Степанова М.Н. Современные звукопоглощающие материалы и конструкции // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 6. С. 76-79.

4. Сапачева Л.В., Горегляд С.Ю. Пеностекло для экологичного строительства в России // Строительные материалы. 2015. №1. С. 30-31.

5. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении. Белгород: Изд-во БГТУ. 2016. 287 с.

6. Минько Н И., Пучка О.В., Степанова М.Н., Вайсера С.С. Неорганические теплоизоляционные материалы. Пеностекло. Белгород: Изд-во БГТУ. 2016. 263 с.

7. «Шихта для изготовления стеклогранулята для получения пеностекла» Авторы: Лесовик ВС., Пучка О.В., Вайсера С.С., Орхан Йыльмаз, Хлыстов С П. Заявка № 2014153456/03(085464) Решение о выдаче патента на изобретение от 14.01.2016

8. Лесовик В.С., Пучка О.В., Вайсера С.С., Елистраткин М.Ю. Новое поколение строительных композитов на основе пеностекла // Журнал Строительство и реконструкция, «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (УНПК). Орел. 2015. С. 146-154.

9. Вайсера С.С., Пучка О.В., Лесовик В.С., Бессонов И.В., Сергеев С.В. Эффективные акустические стеклокомпозиты // Строительные материалы. 2016. № 6. С. 28-31.

10.Радоуцкий В.Ю., Ветрова Ю.В. Теоретические и экспериментальные исследования звукоизолирующей способности теплоизоляционных плит на основе пеностекла // Вестник БГТУ им.

B.Г. Шухова. 2015. № 5. С. 45-49.

11. Семухин Б.С., Вотинов А.В., Казьмина О.В., Ковалев Г.И. Влияние малых добавок диоксида циркония на акустические свойства пено-стекольных материалов // Вестник ТГАСУ. 2014. № 6 (47). С. 123-131.

12. Патент РФ 2266874 Шихта для изготовления пеностекла / Балясников В.И., Кириченко

C.Э., Шутов А.И., Мосьпан В.И., Воля П.А. За-явл. 30.04.2002.Опубл. 10.11.2003 Бюл.№2.

Puchka O.V., Vajsera S.S., Lesovik V.S., Sergeev S.V.

MANAGING THE PROCESS OF STRUCTURAL FORMATION AS THE FACTOR OF FORMATION OF GLASS COMPOSITE OF FUNCTIONAL DESTINATION

Properties of glass composite on the basis of a foam glass largely depend on its macro- and microstructure, which can be changed by introducing modifying additives into the composition of the foaming mixture, and also at the stage of preparation of the glass granulate. The relevance of a research of process control of structure formation of material with the desired properties is caused by new opportunities multifunctional glass composite, combining heat and sound insulation properties with high strength characteristics, or effective absorption of acoustic waves at medium and high frequencies.

Keywords: foam glass, porosity, glass composite, strength, sound absorption, integrated gas-forming agent.

Пучка Олег Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры стандартизации и управления качеством.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 E-mail: oleg8a@mail.ru

Вайсера Сергей Сергеевич, магистрант кафедры энергетики теплотехнологии. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: vaisera_sergei@mail.ru

Лесовик Валерий Станиславович, член-корр. РААСН, доктор технических наук, зав. кафедрой строительного материаловедения, изделий и конструкций.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46. E-mail: naukavs@mail.ru

Сергеев Сергей Викторович, начальник лаборатории.

ОАО «Дорожное эксплуатационное предприятие №96» Шебекинского района г. Белгорода, Адрес: Россия, 308511, Белгородская обл, Белгородский р -н, Стрелецкое с, Строительная, 17.