Ю.С. Кузнецов, С.Ю. Новокрещенова, Л.Н.Голикова, В.В.Белоусов

 

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

 

ВЫСОКОПОРИСТЫЕ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ

 

В последние годы самыми распространенными материалами для утепления несущих конструкции стали поропласты, долговечность которых в несколько раз меньше основного стенового материала. Если бетонные конструкции могут в благоприятных условиях служить несколько сотен лет, а кирпичные свыше-тысячи лет, то полимерный утеплитель подвергается окислительной или радиационной деструкции за два-три десятилетия. В этой связи конструктивные решения зданий должны предусматривать сроки службы пенопластов не менее основных стеновых конструкций, иначе необходима многократная замена слоя утеплителя в процессе эксплуатации сооружения. Вторым недостатком многих полимерных материалов без добавок антипиренов  является их горючесть и выделение высокотоксичных газов в процессе горения или они плавятся и теряют форму, а вместе с тем и функциональное назначение.

Наиболее перспективными являются минеральные теплоизоляционные мате­риалы, долговечность которых сопоставима с долговечностью материала несущих конструкций. Минеральные теплоизоляционные композиты как пра­вило полифункциональны, они одновременно могут быть звукоизоляционными, радиационно-защитными, отделочными, непроницаемыми для электромагнитных полей и т.д.

В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства на протяжении ряда лет ведутся систематические исследования в области, тех­нологии производства высокопористых стеклокерамических композитов. Такие материалы сочетают в себе технологические приемы получения пено­стекла, пористой керамики и жидкостекольных вспученных материалов. Общеизвестно, что не существует резкой грани между физико-химическими основами производства керамики, стекла и ситаллов, тем более, когда речь идет о так называемой оксидной керамике. Общность сырьевых материалов, технологических переделов, возможность регулирования процес­са структурообразования в зависимости от рецептурных факторов и режимов термообработки предопределяют широкие возможности получения стеклокера-мических композитов .полифункционального назначения.

Большинство регионов России, в том числе и Пензенская область, имеют необходимое техногенное сырье для производства таких материалов. Это стеклобой, металлургические шлаки, золы от сжигания органического топ­лива, высоко дисперсные отходы от дробления  карбонатных пород, отрабо­танные формовочные смеси литейных цехов и многие другие побочные продукты различных производств как минеральной так и органической природы. Как правило организация производства теплоизоляционных материалов на основе стеклокерамических композитов не требует значительных капитальных затрат, так как может базироваться  на традиционном существующем оборудовании заводов грубой строительной керамики и стекла.

Отличительной особенностью ячеистого теплоизоляционного стеклокера-мического композита  является сочетание в нем высокой механической проч­ности с малой объемной массой. Средняя плотность таких материалов как правило находится  в пределах 150 - 350 кг/м3 с пределом прочности при сжатии 0,69 - 4,41 МПа;  теплопроводность  0,058 - 0,106 Вт/м × К, коэффи­циент звукопоглощения 0,4 - 0,65 в диапазоне частот 600 - 4000 Гц.

Спецификой Пензенского региона является наличие широкой гаммы отходов стекольного производства от тяжелых флинтов оптических стекол, с содержа­нием оксида свинца до 70,93 % и плотностью 5100 кг/м3 до обычных сили­катных стекол, представленных в основном стеклобоем тарного и оконного стекла. Это дает возможность отказаться от расширенной технологии произ­водства высокопористых композитов, включающей в себя предварительное получение стеклогранулята в стекловаренных печах. Легкоплавкую шихту можно получить за счет малых добавок свинцовосодержащих стекол на ста­дии дробления и тонкого измельчения стеклобоя тарного и оконного стекла, что приводит к резкому снижению себестоимости готового продукта.

Ячеистую структуру стеклокерамического композита можно получить в основном двумя способами:

l) спеканием смеси исходной стеклокерамической шихты с газообразователем, в процессе которого стекло размягчается, вспучивается газообразователем с образованием ячеистой структуры и изделиям придается заданная форма - так называемый «порошковый»способ;

2) спеканием изделий, предварительно отформованных из пеномассы, приго­товляемой из порошкообразной шихты и устойчивой пены- так называемый "холодный" способ, поскольку формование и придание им ячеистой структуры происходит при обычных температурах.

Свойствами газообразователя обладают такие компоненты стеклокерамической шихты, как низкосортные кирпичные глины, высокодисперсные отходы дробления карбонатных пород, сажа, отходы углеобогащения и др. В отличие от производства традиционного пеностекла не требуется использования таких чистых газообразователей, как пиролюзит, карбиды кальция и кремния.

Одним из важнейших факторов энергосбережения в процессе производства высокопористых стеклокерамических композитов представляется возможность сокращения длительности процесса отжига изделий, а в ряде случаев и полный отказ от него. Традиционный длительный отжиг стекольных изделий вызван необходимостью снятия внутренних напряжений в процессе медленной кристал­лизации стеклофазы. Однако, одним из способов направленной кристаллизации стеклофазы является введение в состав стеклокерамической массы катализаторов кристаллизации в виде дисперсных кристаллов, параметры решеток которых близки к параметрам решеток будущих кристаллов основной фазы стеклокерамической композиции, либо стимулирующих образование микронеоднородностей в исходном стекле, то есть обуславливающих путь образования зародышей кристаллизации.

Исходя из химического и минералогического состава, функцию гетероген­ного катализатора могут выполнять гальваношламы и отработанные формовочные смеси литейного производства.

В тех случаях, когда от теплоизоляции не требуется высоких прочностных показателей, можно полностью отказаться от процесса отжига, продолжающего­ся часто 16 часов и более. Для получения плотной монолитной структуры стеклокерамического композита обжиг необходим, так как внутренние напряжения могут вызвать появление сетки трещин или даже непрерывной трещины по всему объему изделия и его разрушение. В производстве пеностекла эта операция скорее всего чисто традиционна, чем крайне необходима. В ячеистой макроструктуре изделия внутренние напряжения возникают только в межпоровых перегородках и микротрещины обрываются на границах между отдельными макропорами, что сохраняет сплошность структуры и полностью исключает самопроизвольное разрушение изделия.

Малая теплоемкость высокопористого композита и низкий коэффициент теплопроводности позволяют ему выдерживать резкие перепады температур при охлаждении, что дает возможность сразу же после изотермической выдержки при температуре вспенивания (600 - 800°С) извлекать изделия из печи.

Безусловно, поризация стеклокерамических композитов пенообразованием предпочтительнее по энергозатратам по сравнению с порошковой технологий. Основным фактором в этом случае является наличие устойчивого пенообразователя. Пены получаются путем пропускания пузырьков воздуха через раствор пенообразователя или путем интенсивного механического перемешивания раст­вора пенообразователя с воздухом. Пузырьки газа в жидкости окружаются адсорбционным слоем пенообразователя, всплывают к поверхности, встречают имеющийся на ней адсорбционный слой, растягивают его и таким образом обра­зуют двухсторонние пленки.

В процессе вспенивания стеклокерамической массы повышению устойчивости пены спо­собствуют флотационные процессы. При всплывании пузырьки пены собирают на своей поверхности те частицы шихты, на которых вода образует больший краевой угол и частицы, селективные к ПАВ, адсорбируются на поверхности пузырьков и минерализуют пену. Обычно разность в гидрофобности поверхности частиц стеклокерамических композиций сравнительно невелика. Поэтому для повышения  эффективности флотации почти всегда применяют так называемые коллекторы или собиратели. Это органические вещества с дифильной молекулой, способные адсорбироваться на поверхности минеральных частиц таким образом, что полярная часть молекулы обращена к адсорбенту, а углеводородный радикал - наружу.

При вспенивании стеклокерамического композита холодным способом благодаря перечисленным факторам стабилизации пены, ячеистая масса в процессе сушки и термической обработки в печи спекания при температуре 650 - 700°С не дает усадки. Это облегчает получение изделий сложной формы не требующих дополнительной механической обработки. Полученные этим способом изделия имеют мелкопористую структуру, замкнутые поры и повышенную прочность. При использовании бесщелочного стеклобоя в составе шихты можно получать изделия для высокотемпературной изоляции в условиях длительной эксплуатации при более высоких температурах.

Организовать выпуск изделий на основе высокопористых стеклокерами­ческих композитов возможно в условиях любого кирпичного завода, исполь­зуя туннельную печь для непрерывного процесса сушки, спекания и отжига. Для этой цели достаточно изменить температурный режим вдоль туннельной печи и увеличить скорость движения вагонеток.

При использовании стеклокерамических теплоизоляционных композитов в строительстве отпадает необходимость в поиске соответствующих клеевых составов. Химическое и минералогическое сродство к традиционным кладочным и штукатурным растворам на основе минеральных вяжущих гидратационного твердения обеспечит надежный и прочный адгезионно-когезионный контакт теплоизоляцион­ного слоя как к бетонным несущим конструкциям, так и к керамическому и силикатному кирпичу. Не вызывает проблем и покрытие теплоизоляционного слоя традиционными декоративными штукатурными растворами на основе сухих смесей с порошкообразными полимерными модификаторами.