CC BY
16СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / CONSTRUCTION MATERIALS
DOI: 10.18454/mca.2016.03.3 Мирюк О.А.
Доктор технически наук, Рудненский индустриальный институт Работа выполнена при поддержке гранта МОН РК № 2112. ГФ4
ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА СЫРЬЕВОЙ МАССЫ НА СТРУКТУРУ
ПЕНОСТЕКЛОМАТЕРИАЛА
Аннотация
Статья посвящена исследованию поризации композиций на основе техногенного стекла. Объект исследования — пеностекломатериалы, полученные методом пиропластического синтеза на основе стеклобоя. Рабочая гипотеза: направленное изменение вещественного состава сырьевой смеси обеспечит формирование заданной структуры силикатных материалов. Выявлен характер влияния кремнеземсодержащих добавок на поризацию стекольной массы. Отмечено снижение температуры пиропластического синтеза материалов из стекла и повышение пористости структуры.
Ключевые слова: техногенное стекло, жидкое стекло, структура.
Miryuk O.A.
PhD in Engineering, Roundy Industrial Institute
THE INFLUENCE MATERIAL COMPOSITION OF THE RAW MASS ON THE STRUCTURE OF THE
FOAMED GLASS MATERIAL
Abstract
This article is devoted to the formations of cellular of compositions on the base of glass battle. The object of study — foamed glass material, received of method of pyroplastic synthesis on the base of glass battle. Working hypothesis: the directional change of the material composition of the raw mix will generate a given structure of silicate materials. The character of the influence of silica-containing additives to the formation of a cell glass mass is revealed. Decrease temperature synthesis pyroplastic glass materials and increasing the of cells of the structure.
Keywords: technogenic glass, liquid glass, structure.
Пеностекло - высокопористый материал ячеистой структуры, которая насыщена пузырьками сферической или гексагональной формы со средни размером 0,5 - 1,5 мм. Равномерность распределения и величина пор, характер пористости определяются видом сырьевых материалов и технологией получения пеностекла [1, 2]. Пеностекло лидирует по эксплуатационнымхарактеристикам в ряду эффективных теплоизоляционных материалов благодаря комплексу преимуществ: низкая теплопроводность, высокая прочность, широкий температурный диапазон применения, низкое водопоглощение, огнестойкость, долговечность, экологическая безопасность.
Широкому распространению производства пеностекла препятствует дефицит сырьевых материалов, необходимых для изготовления полуфабриката - гранулята; энергоемкость технологических процессов. Предпочтительна ресурсосберегающая технология получения пеностекла на основе бытовых и промышленных отходов силикатных стекол [2, 3]. Для усреднения состава разнородного стеклобоя используют жидкое стекло. При химическом взаимодействии жидкого стекла и стеклобоя на поверхности последнего образуются силикаты, которые содержат связанную воду, способствующую газообразованию [3].
Наряду с традиционным пеностеклом получают развитие технологии пеностекольных материалов с армированием межпоровых перегородок за счет кристаллической фазы. Кристаллическая фаза может являться как остаточной, так и вновь синтезируемой. Для направленного изменения фазового состава и пористости в порошковый стеклобой вводят корректирующие добавки [1 - 10].
Цель работы - исследование влияния состава сырьевой смеси на порообразование пеностекломатериала.
Объектом исследования послужили поризованные стекломатериалы, полученные методом пиропластического синтеза на основе порошкового стеклобоя, полученного при измельчении смеси тарного и листового стекла.
В качестве порообразующего компонента использовано жидкое стекло.
Для регулирования процессов формирования пористости в стекломассу вводили добавки различного состава. Кремнеземсодержащие материалы (металлургический шлак, отходы обогащения магнетитовых руд, горючие сланцы, алюмосиликатная микросфера) добавляли в количестве 10 - 40%.
Шлак металлургический - доменный гранулированный шлак состоит в основном из кальциево-магниевых силикатов; имеет химический состав, мас.%: Si02 38 - 45; А12О3 8 - 12; FeO 0,5 - 0,7; СаО 23 - 29 , MgO 7 - 12.
Минеральную основу отходов обогащения магнетитовых руд образуют кальциевые силикаты и алюмосиликаты, в отходах присутствует пирит. Химический состав отходов обогащения магнетитовых руд представлен, мас.%: SiO2 -41; Al2O3 - 13; Fe2O3 - 25; CaO - 12; MgO - 6; SO3 - 12; R2O3 - 3; прочие - 2; п.п.п. - 3.
Минеральная часть горючих сланцев содержит кальцит, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит. Органическая часть составляет 10 - 30%.
Алюмосиликатная микросфера энергетических зол - полые стеклокристаллические частицы размером в среднем от 20 - 50 мкм до 400 - 500 мкм. Алюмосиликатная микросфера образуется в составе летучей золы при
высокотемпературном факельном сжигании угля.
Сырьевые материалы подвергали помолу в мельнице - активаторе «Етах». Удельную поверхность оценивали на фотоседиментометре. Образцы стекольной шихты формовали в виде таблеток диаметром 3 см, высотой 1 см. После сушки образцы обжигали при температуре 800 - 900"С и скорости нагрева 25"С/мин.
Для характеристики исследуемых материалов определяли среднюю плотность и водопоглогцение образцов; рассчитывали коэффициент вспучивания Квс - отношение объемов поризованного и исходного образцов; визуально оценивали структуру ячеистого стекла. Тонкое строение поризованных материалов исследовали методом электронной микроскопии.
Сравнительная оценка строения пеностекломатериалов с использованием порообразователей (газообразователей) различного происхождения позволила отдать предпочтение жидкому стеклу (табл.1). Углеродсодержагций газообразователь - кокс формирует крупные ячейки. Карбонатный газообразователь - мел обеспечивает образование открытых ячеек, повышающих водопоглощение материала. Пеноматериал на основе жидкостекольной композиции отличается повышенной пористостью и пониженной плотностью. Жидкофазный газообразователь не только обеспечивает вспенивание, но и является одновременно связующим при формировании сырца. Использование жидкого стекла положительно влияет на процесс спекания частиц, расширяя температурно-временной интервал, в котором протекает формирование структуры поризованного стекла (рис. 1). Присутствие в смеси продуктов реакций гидратации и гидролиза положительно отражается на вспучивании стекла, обусловленном более ранним спеканием смеси и выделением при нагревании дополнительных объемов газа.
Для приготовления сырьевых масс обоснован выбор плотности жидкого стекла, равной 1350 кг/м3 (табл. 2). По мере увеличения содержания жидкого стекла в смеси повышается коэффициент вспучивания, укрупняются поры (рис. 2). Увеличение содержания жидкого газообразователя свыше 25% нецелесообразно из-за уменьшения эффекта вспучивания и чрезмерного роста размера пор. Изменение количества жидкого стекла существенно не влияет на водопоглощение материала.
Таблица 1-Влияние вида газообразователя на свойства стекломатериалов
Вид газообразователя Свойства пеностекломатериалов
плотность, кг/м3 водопоглощение, % коэффициент вспучивания
Жидкое стекло 460 3,5 2,9
Кокс 925 4,8 1,7
Мел 695 13,6 2,0
уV % €
Ч 'С|'
1
20кУ Х500 50ит 10 61 ЗОРа 20 кУ Х500 50ит 10 61 ЗОРа
Рис. 1-Влияние жидкого стекла на микроструктуру обожженного материала
Таблица 2 - Влияние плотности жидкого стекла на поризацию стекломассы
Плотность жидкого стекла, кг/м3 (содержание в смеси, %) Свойства пеностекломатериалов
плотность, кг/м3 водопоглощение, % Квс особенности структуры
1150 (35) 880 6,3 1,7 Структура неоднородная. Поры замкнутые, распределены неравномерно.
1250 (35) 700 7,1 2,3
Окончание табл. 2 - Влияние плотности жидкого стекла на поризацию стекломассы
1350 (15) 740 1,6 1,6 Структура однородна. Поры замкнутые.
1350 (25) 530 4,2 2,8
1350 (35) 500 4,0 3,0
Рис. 2 - Влияние количества жидкого стекла на микроструктуру обожженного материала
Исследовано влияние минеральных добавок на пористость стекломатериала после обжига. Введение минеральных добавок в стеклошихту снижает температуру размягчения массы, изменяет характер пористой структуры.
Влияние металлургического шлака определяется долей добавки в стекольной смеси (рис. 3). Обожженные образцы имеют гладкую поверхность. Объем и размер пор меняются в зависимости от содержания шлака в смеси, которое следует ограничить 20% (рис. 4).
1000
и
ЬЙ
л н
о о х н о Ч С
800
: боо
400
200
0%
10% 20%
Содержание добавки
30%
40%
Рис. 3 - Влияние вида и количества кремнеземистых добавок на плотность пеностекломатериала
Влияние отходов обогащения магнетитовых руд проявляется в укрупнении пор, изменении плотности обожженной массы (рис. 3). Оптимальное количество отходов 10 - 20 % обеспечивает наименьшую плотность материала с закрытыми порами и равномерной ячеистой структурой (рис. 4).
Влияние горючих сланцев проявляется в увеличении внутренней пустотности образцов пеностекла, образовании открытых пор на поверхности, что повышает водопоглогцение материала (рис. 4). После обжига наблюдается значительное снижение массы образцов за счет сгорания угля, присутствующего в горючих сланцах. Внутренняя поверхность образцов оплавлена. Оптимальное количество добавки сланцев 10 - 30 % (рис. 3).
Рис. 4 - Влияние вида кремнеземистых добавок (20%) на структуру пеностекломатериала
Стекломатериал с добавкой металлургического шлака отличается наибольшей пористостью, наименьшим водопоглощением.
При обжиге стекольных масс, содержащих отходы обогащения магнетитовых руд и горючие сланцы, формируются поры различного очертания и размера, что обусловлено наличием в добавках веществ, образующих газовую фазу при обжиге.
Это подтверждают результаты исследования поризованных стекломатериалов на основе порошкастеклобоя с добавкой пирита, содержащегося в отходах обогащения магнетитовых руд. Введение 5 - 15% пирита снижает температуру пиропластического синтеза пеностекломатериалов на 100"С, способствует изменению размера и формы ячеек (рис. 5).
Рис. 5 - Влияние пирита на поризацию стекломассы
Для обоснования изменений структуры поризованных стекломатериалов, полученных с добавкой горючих сланцев, исследовано влияние угля на поризацию стекломассы (рис. 6).
Рис. 6 - Влияние углеродсодержащей добавки на поризацию стекломассы
Выявлено, что введенная в состав стекольной смеси алюмосиликатная микросфера способствует формированию более равномерной и прочной структуры пеностекломатериала. Поры замкнутые, равномерно распределены по объему материала. Размер пор менее 0,5 мм. Форма образцов стабильна, во время обжига не деформируется. Однако с повышением концентрации микросферы увеличивается плотность материала, уменьшается размер пор (табл. 3). Предельное содержание микросферы - 20%, при введении большего количества поризация стекломассы затрудняется (рис. 7).
Таблица 3 - Влияние микросферы на свойства пеностекломатериала
Содержание микросферы, % Свойства пеностекломатериалов
плотность, кг/м3 водопоглощение, % коэффициент вспучивания
0 520 5,3 2,3
10 560 10,3 1,9
20 650 9,2 1,6
30 700 15,7 1,3
Рис. 7 - Влияние микросферы на микроструктуру обожженного материала
Следовательно, термическое вспенивание стекольной массы чувствительно к изменению химического и минерального состава компонентов.
Выводы
Определены предпочтительные условия формирования пористой структуры пеностекломатериала с использованием жидкого стекла.
Выявлена зависимость поризации стекольной массы от состава кремнеземистой добавки. Введение добавок снижает температуру пиропластического синтеза пеностекломатериалов на 25 - 75°С. Наличие в составе добавок газообразующих составляющих обусловливает образование дополнительного количества пор. Обоснованы рациональные концентрационные пределы кремнеземистых добавок для формирования высокопористых структур.
Литература
1. Казанцева, Л.К. Особые свойства пеностекла из природного сырья / Л.К.Казанцева, Г.И. Стороженко // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 34 - 38.
2. Лотов, В. А. Получение пеностекла на основе природных и техногенных алюмосиликатов / В. А. Лотов // Стекло и керамика. 2011. № 9. С. 34 - 37.
3. Казьмина, О.В. Пеностеклокристаллические материалы на основе природного и техногенного сырья /О. В. Казьмина и [др.]. Томск: Изд-во ТПУ, 2014. 246 с.
4. Минько, Н.И. Стеклокристаллическое пеностекло из шлаков / Н.И. Минько, А.И. Кузьменко // Стекло мира. 2011. № 3. С. 78 - 79.
5. Никитин, А.И. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе трепелов Потанинского месторождения / А.И. Никитин и [др.] // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 34 - 38.
6. Самойленко, В.В. Роль рецептурно-технологических факторов в формировании пеностекла / В.В. Самойленко, О.С Татаринцева // Стекло и керамика. 2013. №6. С. 3 - 5
7. Kazantseva, L.K. Chemical Processis During Energy-Saving Preparation Lightweight Ceramics / L.K. Kazantseva, S.V. Rashchenko // J. Am. Ceram. Soc. 2014. Vol. 97. P.1743 - 1749.
8. Chen, L. The influence of carbon nanotube aspect ratio on the foam morphology of MWNT/PMMA nanocomposite foams / L. Chen and [others] // Polymer. 2010. Vol. 51. P. 2368 - 2375.
9. Kourti, I. Properties and microstructure of lightweight aggregate produced from lignite coal fly ash and recycled glass / I. Kourti, C. R. Cheeseman // Resources, Conservation and Recycling. 2010. Vol. 54. Р. 769 -775.
10. Chen, B. Preparation of sintered foam glass with high fly ash content / B. Chen and [others] // Materials Letters. 2011. Vol. 65. Р. 3555 - 3558.
References
1. Kazanceva, L.K. Osobye svojstva penostekla iz prirodnogo syrja [The special properties of foam glass from natural raw materials] / L.K.Kazanceva, G.I. Storozhenko // Stroitel'nye materialy [Building materials]. 2013. № 9. Р. 34 - 38.
2. Lotov, V. A. Poluchenie penostekla na osnove prirodnyh i tehnogennyh aljumosilikatov [Production of foam glass from the natural and technogenic aluminum silicates] / V. A. Lotov // Steklo i keramika [Glass and ceramic]. 2011. № 9. Р. 34 - 37.
3. Kaz'mina, O.V. Penosteklokristallicheskie materialy na osnove prirodnogo i tehnogennogo syr'ja [Foam glass crystalline materials based on the natural and technogenic materials] /O. V. Kaz'mina and [others]. Tomsk: Publishing house of TPU, 2014. 246 р.
4. Min'ko, N.I. Steklokristallicheskoe penosteklo iz shlakov[Crystal glass foam glass from slags] / N.I. Min'ko, A.I. Kuz'menko // Steklo mira [Glass of the world]. 2011. № 3. P. 78 - 79.
5. Nikitin, A.I. Teploizoljacionnye materialy i izdelija na osnove trepelov Potaninskogo mestorozhdenija [Thermal insulating materials and products on the basis of tripoli Potanin the field] / A.I. Nikitin and [others] // Stroitel'nye materialy [Building materials] 2014. № 8. P. 34 - 38.
6. Samojlenko, V.V. Rol' recepturno-tehnologicheskih faktorov v formirovanii penostekla [The role of retseptur and technological factors in the formation of the foam glass] / V.V. Samojlenko, O.S Tatarinceva // Steklo i keramika [Glass and ceramic]. 2013. №6. P. 3 - 5
7. Kazantseva, L.K. Chemical Processis During Energy-Saving Preparation Lightweight Ceramics / L.K. Kazantseva, S.V. Rashchenko // J. Am. Ceram. Soc. 2014.Vol. 97. P.1743 - 1749.
8. Chen, L. The influence of carbon nanotube aspect ratio on the foam morphology of MWNT/PMMA nanocomposite foams / L. Chen and [others] // Polymer. 2010. Vol. 51. P. 2368 - 2375.
9. Kourti, I. Properties and microstructure of lightweight aggregate produced from lignite coal fly ash and recycled glass / I. Kourti, C. R. Cheeseman // Resources, Conservation and Recycling. 2010. Vol. 54. P. 769 -775.
10. Chen, B. Preparation of sintered foam glass with high fly ash content / B. Chen and [others] // Materials Letters. 2011. Vol. 65. P. 3555 - 3558.
