Реферат: Влияние механоактивации на процессы стеклообразования при получении пеностеклокристаллических материалов

ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ НА ПРОЦЕССЫ СТЕКЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ

ПОЛУЧЕНИИ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

О.В. Казьмина, В.И. Верещагин, А.В. Мухортова, Ю.В. Поплетнева
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск

Тhe use of mechanical activation of raw material makes it possible to synthesize glass granulate which is a raw material for foamglass at temperatures below 900 oC. The joint mechanical activation of crystalline silica with soda ash permits achieving both the uniform distribution of charge components by size and mechanical introduction of a low-melt substance into pre-surface layers of the refractory. This leads to the partial surface amorphization. Charge preparation, including mechanism in action and effects of mix mechanical activation, promotes a decrease in quantity of the residual crystalline phase in the glass granulate when obtained by low-temperature method.


Получение при относительно невысоких температурах стекловидного материала, использующегося в качестве полуфабриката с последующей переработкой, например, в производстве пеностекла, имеет практическое значение. Низкотемпературный синтез (≤ 900 С) стекловидного материала (далее стеклогранулята) является экономически целесообразным, благодаря отсутствию таких энергоемких операций стекловарения, как осветление и гомогенизация стекломассы. В Томском политехническом университете разработан двухстадийный способ получения пеностекла через промежуточный продукт (стеклогранулят), синтезируемый термообработкой шихты определенного состава. Этот продукт выступает исходным материалом для последующего вспенивания и получения пеностеклокристаллических изделий с заданными характеристиками.

По фазовому составу стеклогранулят представляет собой стекловидный продукт с присутствующими в нем остаточными кристаллами, количество и размер которых определяют плотность и прочность готовых изделий. Основным критерием качества стеклогранулята является наличие в нем не более 30 % остаточной кристаллической фазы. Поэтому одно из условий получения качественного стеклогранулята при низкотемпературной обработке – повышение реакционной способности шихты на стадиях протекания реакций силикато- и стеклообразования.

Цель данной работы – установить влияние предварительной механоактивации (МА) исходной шихты на процессы стеклообразования при получении стеклогранулята при температурах ≤ 900 С.

Кремнеземсодержащий материал является основным и самым тугоплавким компонентом шихты, химическая активность которого во многом определяется его составом и дисперсностью. В качестве кремнеземистого компонента шихты выбран кварцевый песок, представляющий собой побочный продукт обогащения циркон-ильменитовых россыпей Туганского месторождения.

По результатам химического анализа усредненной пробы первичного обогащения содержание оксида кремния в песке составляет 98,15 %; оксида алюминия 0,67; оксида железа 0,009 % масс. По данным рентгенофазового анализа, минеральный состав исследуемого песка представлен преимущественно β-кварцем. Результаты электронно-микроскопических исследований показали, что туганский песок в основном представлен зернами, имеющими остроугольную, осколочную форму, шероховатую поверхность с дефектами в виде микротрещин и раковин, что отличает его от природного кварцевого песка и свидетельствует об относительно высокой химической активности. По данным седиментационного анализа (седиментометр ВС-3), гранулометрический состав песка характеризуется относительно высокой дисперсностью, что имеет решающее значение для начальной стадии твердофазового химического процесса, лежащего в основе низкотемпературного синтеза стеклогранулята.

Реакционную способность твердых веществ можно существенно повысить механической обработкой. Многие механохимические реакции идут при существенно пониженной температуре с такими же скоростями, как и при тепловой активации, требующей высокой температуры. В ряде случаев, помимо ускорения процесса, проведение реакции при пониженной температуре позволяет повысить конечный выход продукта благодаря благоприятному сдвигу положения равновесия.

Из известных способов МА нами были опробованы варианты предварительной активации исходного песка и совместная активация смеси песка с кальцинированной содой. Механоактивацию исследуемых материалов проводили в вибромельнице 2014/В. Продолжительность измельчения, подобранная опытным путем, составляла 4 ч.

Процессы изменения структуры поверхности частиц, происходящие в материале при его активации, исследовали методами рентгенофазового и ИК-спектрального анализов. Результаты ИК-спектров (ИК-Фурье Nicolet 5700), полученных в инфракрасной области 4000...400 см–1, образцов исходного и виброизмельченного кремнезема сравнивали со спектрами безводной кремниевой кислоты (аморфный кремнезем).

Установлено, что контур длинноволновых полос поглощения (4000...3400 см–1) в основном сохраняется, при этом на спектре образца виброизмельченного кремнезема появляется новая полоса поглощения – 3879,4 см–1, которая также присутствует на кривых аморфного SiO2.

Основное отличие наблюдается в области 3400...2000 см–1, в которой все пять полос поглощения, имеющиеся на спектрограмме исходного кремнезема, отсутствуют на кривой виброизмельченного кремнезема, что, вероятно, связано с его поверхностной аморфизацией. Появившаяся полоса 3407,5 см–1 аналогична полосе поглощения аморфного SiO2, что также свидетельствует об их совпадении.

Особого внимания заслуживает область 1250...800 см–1, являющаяся характерной для группы SiO4–.Основное отличие в этой области связано с появлением в образцах виброизмельченного кремнезема двух новых полос поглощения достаточно высокой интенсивности – 1114,4 и 781,7 см–1, абсолютная степень отличия которых не превышает 10 для аморфного кремнезема, имеющего соответственно полосы поглощения 1105,3 и 800,6 см–1. Данный факт указывает на наличие в виброизмельченном кремнеземе связей, характерных для аморфного SiO2.

На спектрах образцов совместно измельченных кремнезема с содой наблюдаются практически те же полосы поглощения, что и на ИК-спектрах отдельного кремнезема и соды, за исключением полос поглощения с максимумами при 3407,5; 2116,2; 1273,8 см–1, которые отсутствуют на спектре смеси. Контур кривых практически идентичен, однако полосы поглощения, характерные для связей карбонат-иона (СО3)2–, становятся более широкими и размытыми, в отличие от узких и интенсивных соответствующих полос, наблюдаемых на образце чистой соды. Очевидно, что различие приведенных спектров связано с внедрением соды в поверхностный слой кремнезема.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что наименьшее содержание кристаллической фазы имеет стеклогранулят из шихты на основе совместно измельченных песка и соды, в то время как наибольшее – шихты с применением неактивированных материалов. С увеличением температуры обработки шихты количество кристаллической фазы уменьшается, причем наиболее активно процесс стеклообразования протекает в шихте на основе совместно измельченных материалов (см. таблицу).

^ Характеристика стеклогранулята

Шихта

Количество кристаллической фазы стеклогранулята, %,

полученного при температурах, С

800

850

900

Без МА

32

31

30

МА отдельных компонентов

30

29

26

Совместная МА компонентов

23

19

14

Сопоставление ИК-спектров и дифрактограмм исходного, аморфного и активированного песка свидетельствует о частичной поверхностной аморфизации кристаллического кремнезема. При этом оптимальной является совместная МА соды и песка, позволяющая получать стеклогранулят с содержанием кристаллической фазы до 15 % при температурах, не превышающих 900 С.

Установлено, что шихты, приготовленные на основе совместно измельченных песка и соды, обладают повышенной химической активностью. Содержание кристаллической фазы в стеклогрануляте, полученном при температурах 850...900 С, в 1,5 – 2 раза ниже по сравнению с шихтами без активации.

Механическая обработка материала в промышленных масштабах – одна из наиболее энергоемких стадий в переработке сырья. Однако экспериментально подтверждается, что дополнительные затраты энергии на МА компенсируются другими технологическими преимуществами, в частности:

использование МА сырья позволяет синтезировать стеклокристаллический материал, являющийся сырьем для пеностекла, при температурах не более 900 С;

совместная МА кристаллического кремнезема с кальцинированной содой дает возможность достичь как равномерного распределения компонентов шихты в объеме, так и механического внедрения легкоплавкого вещества в приповерхностные слои тугоплавкого, что приводит к частичной поверхностной аморфизации;

подготовка шихты, включающая в действие механизмы и эффекты МА смеси, способствует уменьшению количества остаточной кристаллической фазы в стеклогрануляте при получении его по низкотемпературному способу.

Таким образом, установлено влияние МА на процессы стеклообразования при использовании кварцевого песка для получения стеклогранулята, заменяющего стеклобой в производстве пеностекла, по низкотемпературной технологии. Оптимальной является предварительная совместная МА соды и песка, что позволяет получить стеклогранулят с содержанием кристаллической фазы не более 15 % при температурах, не превышающих 900 С.


^ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОСТОЙКОСТИ ПЕНОСИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.С. Левашов 1, А.В. Пачуев 1, Т.Б. Касаткина 1, Р.В. Горохов 1, Н.Н. Буков 1

В.В. Ревенко 2

1 ГОУ ВПО Кубанский государственный университет, г. Краснодар

2 ЗАО «Базальтопластик», г. Москва


There was researched the effect of various factors on the formation and physicomechanical properties of inorganic heat-insulating foamed silicates. There was studied the problem of water absorption of the mentioned materials. There was researched the effect of a number of manufactured hydrophobic silicone fluids: potassium methylsiliconate, methyl hydrogen silicone polymer, ethyl hydrogen silicone polymer, polyethylsiloxane, and amino functional siloxane polymer in water. There was carried out an analysis of the effect of hydrophobic agents (their amounts) on material waterproofing. The results of our research became the basis to create a heat-insulating foamed silicate with the following features: durability 5 МPa, heat conductivity 0.05–0.06 W/mК, and water absorption 2 %.


Неорганические теплоизоляционные материалы, сочетающие низкую теплопроводность с термостойкостью и негорючестью, являются альтернативой для замены органополимерных утеплителей. Среди последних весьма перспективны щелочно-силикатные пеноматериалы [1], получаемые термическим или холодным вспениванием водных растворов силикатов щелочных металлов или твердых щелочно-силикатных гидрогелей.

Однако широкое практическое применение всех пеносиликатных материалов сдерживает их высокое водопоглощение, приводящее к потере теплоизоляционных свойств и постепенному разрушению самого материала [2]. Для устранения этого недостатка используют несколько подходов: увеличение модуля жидкого стекла, введение водоупрочняющих добавок либо гидрофобизаторов.

В продолжение исследования теплоизоляционных композитных материалов на основе силикатов [3] нами изучено влияние различных водоупрочняющих и гидрофобизирующих добавок на эксплуатационные характеристики пеносиликатов. Жидкостекольную композицию готовили на основе жидкого стекла и микрокремнезема, вводя 3...5 % базальтовой чешуи в качестве эффективного армирующего наполнителя. Полученную смесь гранулировали, сушили и вспенивали в замкнутых формах при температурах 300...450 С.

В качестве гидрофобизаторов опробованы промышленно выпускаемые кремнийорганические жидкости: метилсиликонат калия (ГКЖ-11К), полиэтилгидридсилоксан (ГКЖ-94), полиметилгидридсилоксан (TSF-484), полиэтилсилоксан (ПЭС-5) и водная гидрофобизирующая эмульсия TWR-359. Выбор перечисленных выше жидкостей обусловлен их нетоксичностью и неспособностью выделять при термическом разложении вредные для организма человека вещества. Низкое содержание доли органических веществ в гидрофобизаторах и отсутствие органических растворителей также играет положительную роль. Гидрофобизирующие добавки вводили в количестве 1% от массы композитной смеси пеносиликата. Образцом для сравнения (стандарта) служил пеносиликат, не содержащий гидрофобизирующих добавок. Массовое водопоглощение определяли методами полного и частичного погружения образца в воду (рисунок 1).





а

б

Рисунок 1  Зависимость водопоглощения пеносиликатов от времени при частичном (а) и полном (б) погружении в воду: 1 – 1 % ГКЖ-11К; 2 – без добавок; 3 – 1 % TWR-359; 4 – 1 % ГКЖ-94; 5 – 1 % TSF-484; 6 – 0,5 % ГКЖ-94 + 0,5 % ПЭС; 7 – 1 % ПЭС


Использование метилсиликоната калия к положительным результатам не привело. Образцы, приготовленные на его основе, в течение первых 15 мин погружения в воду имеют несколько меньшее водопоглощение по сравнению со стандартным образцом, однако через один час их значения сравниваются и далее происходит интенсивное водонасыщение. Кроме того, введение ГКЖ-11К способствует ускоренному разрушению образца под действием воды (в семь раз быстрее стандартного), что связано, по нашему мнению, с высокой щелочностью данного гидрофобизирующего агента, приводящей к снижению модуля силикатной композиции.

TWR-359 представляет собой водную эмульсию аминофункционального силоксана и рекомендуется для обработки бетонов, силикатных кирпичей и т.д. Наши исследования показали, что ее использование при изготовлении пеносиликатов к существенному снижению водопоглощения не приводит.

Применение полиалкилгидридсилоксанов (TSF-484 и ГКЖ-94) позволяет получать материалы с пришитым гидрофобизатором. Это возможно благодаря реакции активных гидридсилоксановых групп с полисиликат-анионами пеносиликата. Как видно из приведенных на рисунке 1 данных, полиалкилгидридсилоксаны дают возможность значи-

тельно снизить водопоглощение. При краткосрочном воздействии воды (до 25 ч) полиметилгидридсилоксан оказывает лучший гидрофобизирующий эффект, чем полиэтилгидридсилоксан, однако при длительном воздействии воды образцы, модифицированные полиметилгидридсилоксаном, разрушаются быстрее.

Как было установлено, при полном погружении образца на величину его водопоглощения существенно влияют размер и распределение пор, чего не наблюдается при частичном погружении. Этим обусловлена разница между двумя видами данных (см. рисунок 1, а, б).

Хорошо видно, что при полном погружении водопоглощение возрастает, однако, учитывая, что данные материалы априори не предполагается использовать в условиях полного и длительного погружения в воду, можно считать, что полиалкилсилоксановые жидкости оказывают полезное и вполне приемлемое гидрофобизирующее действие.

Дополнительно была исследована зависимость водопоглощения пеносиликатов от концентрации ГКЖ-94. Установлено, что при краткосрочном воздействии воды (до 50 ч) наблюдается закономерное снижение водопоглощения при увеличении концентрации гидрофобизирующего агента. Однако длительное воздействие приводит к обратным результатам. Образцы, содержащие 10% полиэтилгидридсилоксана, разрушаются под действием воды через 360 ч, в то время как образцы с 1% полиэтилгидридсилоксана устойчивы в течение 800 ч. Прочность образцов пеносиликата варьируется в среднем от 3 до 5 МПа и зависит как от плотности, так и от равномерности поризации структуры (рисунок 2).




_________________________________

Рисунок 2  Прочность образцов пеносиликата плотностью 0,26 г/см3 (); 0,31 г/см3 () и 0,33 г/см3 ()

____________________________________


Во всех случаях при достижении предельных нагрузок наблюдается хрупкая деформация материала. Теплопроводность получаемых данным методом пеносиликатов составляет 0,05...0,06 Вт/(мК).

Список литературы


1. Малявский Н.И. Щелочно-силикатные утеплители. Свойства и химические основы производства // Российский химический журнал.– 2003.– № 4. – С. 39–45.

2. Лотов В.А. Перспективные теплоизоляционные материалы с жесткой структурой// Строительные материалы.– 2004.– №11.– С. 8–9.

3. Буков Н.Н., Левашов А.С., Горохов Р.В. и др. Перспективы использования базальтовой чешуи при разработке жестких теплоизоляционных плит // Сб. докладов VIII Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (2123 мая 2008 г., г. Белокуриха). – Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008. – С. 19–21.


^ ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ГРАНУЛИРОВАННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

В.А. Лотов, В.А. Кутугин, Н.А. Митина

^ Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск


In the article, the results of theoretical and experimental research into the influence of a mineral filler on structurization and properties of granulated heat-insulating material are presented. In the work, the mineral substances raising the silicate module of a composition and the mineral substances decaying with allocation of gases at heating are used. It is established that processing water-glass compositions with silica clay in an autoclave allows obtaining the granulated material with effective porosity, high durability, and water resistance. Using brucite to 20 mass. % allows producing granules with good porosity and mechanical resistance.


В широкий диапазон задач, касающихся повышения эффективности строительных технологий, входит снижение энергетических затрат и материалоемкости при получении высокоэффективных строительных материалов и конструкций. Высокоэффективными считаются материалы, обладающие низкой теплопроводностью, пониженной плотностью, высокой прочностью и водостойкостью. К ним в полной мере можно отнести легкие бетоны на неорганическом пористом заполнителе, в качестве которого в настоящее время используют природные и искусственные материалы – керамзитовый гравий и песок, вспученные горные породы, пенополистирол. Однако большинство из них имеют слабую контактную зону с цементным камнем вследствие отсутствия или слабого взаимодействия вещества заполнителя с продуктами гидратации цемента, что снижает эксплуатационные характеристики легких бетонов [1].

Кроме этого, важнейшей характеристикой легкого заполнителя является равномерная пористость, определяющая его теплофизические и механические свойства, такие как теплопроводность, плотность и прочность. Для обеспечения оптимальных значений теплопроводности и прочности пористого заполнителя необходимо, чтобы плотность получаемых гранул не превышала 250 кг/м3. Водопоглощение гранулированного заполнителя зависит от характера пористой структуры, а водостойкость – от природы вещества гранул.

Проведенные ранее исследования показали возможность получения гранулированного заполнителя на основе минерального наполнителя и гидросиликата натрия.

Цель настоящей работы – установление механизма влияния различных минеральных наполнителей на формирование прочной пористой структуры гранулированного заполнителя и повышение его водостойкости.

В ходе исследования использовали наполнители двух групп:

минеральные вещества, позволяющие увеличить силикатный модуль композиции, что способствует повышению водостойкости материалов;

минеральные вещества, разлагающиеся с выделением газов при нагревании в определенном температурном интервале.

Основная идея первого направления работ заключается в модифицировании жидкого стекла кремнеземсодержащими добавками и получении жидкостекольной композиции, способной при вспучивании и термической обработке давать легкий материал с равномерной пористой структурой и высокой водостойкостью.

В качестве объектов исследования использовали природный тонкомолотый кремнеземсодержащий материал – опоку с содержанием SiO2 85 %, с удельной поверхностью 1500...2000 см2/г и жидкое стекло с модулем 3 и плотностью 1450 кг/м3.

Жидкостекольную композицию с минеральным наполнителем готовили тремя способами.

^ Смешение опоки с жидким стеклом при нормальных условиях. При этом оптимальное количество вводимого минерального наполнителя составило 10 % масс. Химическое обменное взаимодействие на этапе формирования жидкостекольной композиции минимально. Смесь гранулировали жидкостным способом, полученные жидкостекольные гранулы дополнительно подсушивали до остаточной влажности 35...38 % при температуре до 90 С и затем подвергали двухстадийной термической обработке, включающей в себя: предварительную поризацию – вспучивание при температуре 450 С, при которой получали гранулы размером 8...10 мм с рыхлой непрочной структурой, и вспучивание гранул при температуре 600 С с выдержкой в течение 5...20 мин.

Полученные таким образом гранулы имели достаточно равномерную структуру и низкую плотность, но отличались низкой водостойкостью – разрушались в воде на 5-е сутки.

^ Введение минерального наполнителя в предварительно подогретое до температуры 80...90 С жидкое стекло. На стадии формирования жидкостекольной композиции часть наполнителя вступает в химическое взаимодействие с жидким стеклом, что приводит к некоторому увеличению модуля жидкого стекла и вызывает частичную гидратацию силикатной и глинистой составляющей минерального наполнителя. Получение гранулированного материала с равномерной высокопористой структурой возможно при введении наполнителя в количестве до 20 % масс., при этом средняя прочность гранул при сдавливании в цилиндре (ГОСТ–9758) составляет до 1,5 МПа при насыпной плотности 168 кг/м3. Такое количество наполнителя позволяет применять механическую грануляцию остывшей до 30...40 С жидкостекольной композиции.

Третий способ предусматривает автоклавную обработку жидкостекольной композиции перед термической поризацией. В этом случае компоненты смеси более активно взаимодействуют, за счет чего повышается её модульность и формируется новая высокополимерная система, способная вспучиваться. Оптимальное содержание наполнителя достигает 25 % масс. Материал становится практически нерастворимым в воде.

Таким образом установлено, что из композиции, содержащей жидкое стекло и опоку и обработанной в автоклаве при давлении 6 атм в течение 2 ч, можно получать гранулированный легкий заполнитель с насыпной плотностью 150...200 кг/м3 и прочностью при сжатии 1,4...2,5 МПа. За счет глубокой модификации исходного жидкого стекла с модулем 3 в автоклаве формируется нанодисперсная структура, исходные компоненты равномерно распределяются и химический состав стекла после термической обработки (600...700 С) приближается к составу нерастворимых стекол.

Второе направление работы посвящено изучению влияния минеральных веществ, разлагающихся при нагревании с выделением газов, на свойства гранулированного материала.

В качестве объекта исследования использовалась тонкоизмельченная бруситовая порода – Mg(OH)2 с содержанием MgO 65...75 % масс. Предварительно было установлено, что оптимальное количество брусита, позволяющее получать гранулы с достаточно высокой прочностью и равномерной пористостью, в жидкостекольной композиции составляет 15...20 % (см. таблицу).

^ Свойства гранулированного заполнителя с содержанием брусита 20 %

Время

термообработки, мин

Средний

размер гранул, мм

Насыпная плотность, кг/м3

Плотность единичных гранул, кг/м3

Пористость гранул, %

Прочность при сжатии, МПа

Водо-поглощение,

% масс.

5

6,72

130

195

91

0,75

58

10

6,72

160

198

91

0,80

66

15

6,22

180

234

86

1,00

63

20

5,88

200

271

85

1,03

60

Гранулы пористого заполнителя получали жидкостной грануляцией жидкостекольных композиций с последующей их поризацией и прокаливанием. Преимуществом данного метода является сохранение силиката натрия в гидратированном состоянии внутри гранул жидкостекольной смеси, прочность которых повышается за счет гелеобразования в их поверхностном слое в результате обменных реакций между силикатом натрия и раствором хлорида кальция, по следующей схеме:

Na2O·3SiO2·nH2O+CaCl2 = CaO·SiO2·mH2O+2Si(OН)4+2NaCl.

Образующиеся в результате этого взаимодействия в поверхностном слое гидросиликаты кальция и гель кремниевой кислоты создают водонепроницаемую, упрочняющуюся во времени оболочку, которая надежно блокирует дальнейшее взаимодействие жидкого стекла с хлоридом кальция. Полученные гранулы жидкостекольной композиции вспучивались при температуре 450 С и затем подвергались термообработке при температуре 600 С с выдержкой 5...20 мин.

Обладая малой растворимостью и находясь в составе жидкостекольной смеси, брусит не разрушает структуру жидкого стекла. Дегидратация брусита происходит при температуре 350...450 С. При температуре 450 С объем водяного пара, выделяемого 1 г брусита, составляет 1 л. Пары воды способствуют более длительному пребыванию смеси в пиропластичном состоянии, интенсифицируют процесс ее поризации и таким образом положительно влияют на формирование равномерной пористой структуры гранул с преобладающим размером пор менее 1 мм и более низкой плотностью.

Однако результаты рентгенофазового анализа предварительно вспученных при температуре 400...450 С в течение 5...7 мин гранул (см. рисунок, а) показывают наличие брусита Mg(OH)2 как основной кристаллической фазы. Это объясняется тем, что силикат натрия в гидратированном состоянии обволакивает (капсулирует) частицы брусита. При резком нагревании до температуры 450 С жидкое стекло вспучивается за счет удаления воды, образующаяся твердая пена действует как термозащита, поэтому частицы брусита не успевают прогреваться до температуры разложения.

При термообработке вспученных гранул при 600 С в течение 20 мин происходит постепенная дегидратация брусита, что позволяет получить равномерную пористую структуру. Гранулы уменьшаются в размере и упрочняются. Вместе с этим в результате выделения водяных паров образуется равномерная закрытая пористость гранул, чем объясняется их высокое водопоглощение и хорошая адгезия с цементной матрицей при получении легкого бетона. Рентгенограмма (см. рисунок, б) прокаленных при температуре 600 С гранул показывает наличие основной кристаллической фазы MgO.




^ Рентгенограммы предварительно вспученных при температуре 450 С гранул (а)

и прокаленных при температуре 600 °С гранул (б)

Таким образом, рациональный научно-обоснованный выбор минерального наполнителя жидкостекольных композиций позволяет получать гранулированный легковесный теплоизоляционный материал с необходимым набором свойств. Установлено, что вещество оболочки гранулы взаимодействует с продуктами гидратации цемента, в результате чего образуются нерастворимые соединения, что способствует упрочнению контактной зоны гранула – цементная матрица для легких бетонов.

Список литературы

1. ^ Строкова В.В., Соловьева Л.Н., Мосьпан В.И. и др. Конструкционные легкие бетоны на основе активных гранулированных заполнителей//Строительные материалы. – № 10 – 2009. – С. 23–25.

2. Лотов В.А., Митина Н.А., Кутугин В.А. Легкие бетоны на неорганическом пористом заполнителе//Сборник докладов IX Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (17–19 июня 2009 г., г. Бийск). – Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009. – С.109–111.


^ ПОЛУЧЕНИЕ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ НАГРЕВА

А.В. Луценко, Н.К. Скрипникова

^ Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск


The possibility of producing glass-crystalline materials under high-temperature conditions with the use of plasma on the basis of natural minerals and waste products was investigated. With the use of the given ways, due to the action of heats there is an intensification of the process of melt production to allow obtaining glass-crystalline materials on the basis of waste products and natural minerals with a considerable reduction in production time and power consumption, which is not possible for conventional technologies.


Стеклокристаллические материалы хорошо зарекомендовали себя в строительной индустрии благодаря таким специфическим свойствам, как твердость и износостойкость; стойкость к химическим воздействиям, к деформациям под нагрузкой, высоким температурам, колебаниям температур; диэлектрическим свойствам; эстетичному внешнему виду.

Традиционно для получения стеклокристаллических материалов используют металлургический шлак. Использование золошлаковых отходов (ЗШО) в качестве основного сырья является сложной научно-технической задачей, так как существующие традиционные технологии не позволяют переработать огромное количество зол и шлаков, следовательно, необходимо внедрение новых, нетрадиционных технологий переработки техногенных отходов [1].

В настоящей работе предлагается обоснование технологической цепочки получения стеклокристаллических материалов на основе ЗШО, состоящей из последовательных этапов синтеза наноразмерных кристаллических включений с дальнейшей изотермической выдержкой, в целях увеличения их количества и образования зерен размером не более (800 ± 50) нм [2].

При высоких скоростях нагрева и температурах, значительно превышающих температуру плавления, легкоплавкие компоненты сырья практически моментально испаряются или образуют расплав, далее происходит дегазация и гомогенизация расплава.

Для решения поставленной задачи были составлены сырьевые смеси на основе ЗШО, отличающиеся количеством корректирующих добавок (глинозема и известняка) (таблица 1).

^ Таблица 1 Химический состав сырьевых смесей

Компонент

Состав шихты, % масс.

1

2

3

4

5

ЗШО

100

95

95

90

90

Глинозем

0

5

0

2,5

5

Известняк

0

0

5

7,5

5


При микроскопическом исследовании в золе в больших количествах просматривается стеклофаза переменного состава, о чем свидетельствует окраска капель стекла и разные показатели преломления, и небольшое количество частиц несгоревшего угля. Наблюдаются частицы неправильной формы, представляющие собой нерасплавившиеся зерна кварца.

Расплав получали нагревом шихты до температуры 1200...1400 С со скоростью 10...150 С/с с использованием высокотемпературного источника нагрева (плазменного генератора), конструкция которого разработана на кафедре ПМиМ ТГАСУ.

В процессе плавления отбирали пробы расплава в виде остывшего стекловидного материала для дальнейшего проведения рентгенофазового анализа (РФА) и кристаллизации. На рентгенограмме полученного образца (см. рисунок, б) наблюдается отсутствие рефлексов кристаллических фаз. Спектр состоит из широкой одиночной компоненты (гало), соответствующей аморфному состоянию образца.

При получении стеклокристаллического материала в качестве оптимального температурного режима была выбрана трехступенчатая термообработка образцов, обеспечивающая формирование объемной тонкокристаллической структуры.

Для кристаллизации основных фаз образцы помещали в муфельную печь и нагревали до температур 900...1200 С с изотермической выдержкой. Для стабилизации полиморфных превращений кварца процесс кристаллизации заканчивали выдержкой образцов при температурах 580...300 С. Оценку степени закристаллизованности образца и определение основных кристаллических фаз проводили с помощью РФА.

Полученные рентгенограммы (см. рисунок, в) свидетельствуют о возникновении следующих фаз: волластонит (d=0,297 CaOSiO2), анортит (d=0,297 CaOAl2O32SiO2), геленит (d=0,285 2CaOAl2O3SiO2), муллит (d=0,220 3Al2O32SiO2).

Известно, что отдельные свойства одного и того же материала достигают оптимальных значений при разных режимах термообработки. В качестве основных свойств нами были выбраны плотность, прочность при сжатии и изгибе, термостойкость, химическая устойчивость, декоративность (таблица 2).



а



б



в

Рентгенограммы исходной сырьевой смеси (а), отобранной

пробы стекловидного материала (б) и полученного

стеклокристаллического материала (в)

^ Таблица 2  Физико-химические свойства стеклокристаллических материалов

Основные свойства

Опытные образцы смесей

1

2

3

4

5

Плотность, кг/м3

1900

1920

1970

2100

2200

Предел прочности, МПа
















при изгибе

18,5

21,4

21,5

21,5

22,5

при сжатии

450

450

500

530

390

ТКЛР107 ,1/град

6,12

4,8

9,3

3,76

15,5

Химическая устойчивость, %
















к H2S04 (98%-й)

96,3

98,5

96,6

99,7

96,5

к Н2О

99,8

99,9

99,9

99,9

99,9

Термостойкость, С

190

200

180

210

170

Образцы № 1, 2, 3, 5, кристаллизовавшиеся при температуре 1100 С, частично деформировались при термообработке. Их кислотостойкость ниже, чем у образца № 4, для стеклокристаллических материалов это является недостатком.

Образец № 4 отличается повышенными физико-механическими свойствами, так как при температуре 1100 С произошло объемное развитие кристаллической фазы. Все полученные образцы имели светло-зеленый оттенок.

Повышенное содержание СаO (см. состав № 4) в сырьевой смеси обеспечивает появление таких кристаллических фаз, как муллит, анортит, волластонит, обусловливающих повышенную термостойкость и прочность образцов. Высокая (более 60 %) степень кристаллизации повышает физико-механические характеристики и дает возможность получать изделия светлых тонов [2].

Таким образом, технология получения силикатного расплава из золы с использованием энергии плазмы позволяет получать стеклокристаллические материалы с высокой степенью закристаллизованности.

Список литературы

1. Плазменные технологии в строительстве/ Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, А.М. Шиляев, В.В. Петроченко. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 1997. – 290 с.

2. Пат. № 2015124 (RU), МПК С03С10/06; Опубл. 30.06.1994 г.


^ ЯЧЕИСТЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Т.К. Углова1, С.Н. Новоселова1, В.В. Ревенко2

1 Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН, г. Бийск Алтайского края

2 ЗАО «Базальтопластик», г. Москва


Process techniques of manufacturing environmentally friendly heat-insulating materials – foamed silicates based on liquid sodium glass and mineral fillers have been discussed.


В настоящее время в производстве теплоизоляции достигнуты значительные успехи, но, несмотря на это, выпускаемые материалы не универсальны и каждый имеет какой-либо недостаток, ограничивающий сферу его применения.

Вспененные органические полимерные изделия, обладающие уникальными теплоизоляционными свойствами и высокой технологичностью при ведении строительно-монтажных работ, являются токсичными и пожароопасными. В минераловатных рулонных материалах эти недостатки отсутствуют, однако при монтаже возникают проблемы их крепления на изолируемой поверхности. Минеральные плиты в основном изготавливаются на экологически небезопасном органическом связующем. Предлагаемые на рынке изделия из пено- и газобетона имеют высокие плотность и коэффициент теплопроводности.

Низкой теплопроводностью, нетоксичностью, негорючестью при механической прочности на уровне ненесущих конструкций характеризуются неорганические материалы с жесткой ячеистой структурой, в частности, пеностекло и пеносиликаты. Пеностекло, несмотря на высокие эксплуатационные характеристики, не находит широкого применения вследствие высокой энерго- и трудоемкой технологии изготовления и высокой стоимости. Поэтому пеносиликаты с жесткой ячеистой структурой могут стать широко востребованными на рынке теплоизоляции.

Исходя их этого нами исследована возможность создания теплоизоляционного материала с жесткой ячеистой структурой – пеносиликата на основе натриевого жидкого стекла и минеральных наполнителей

В соответствии с теоретическими основами порообразования свойства ячеистых материалов определяются размером пористости, степенью равномерности ее распределения, зависящей от однородности исходной массы и температурного поля по объему материала на стадии поризации (образование «контактных дыр»), величины «пристенного