Пеностекло по комплексу свойств является не имеющим аналогов универсальным теплоизоляционным материалом. Оно обладает присущими только ему уникальными теплофизическими и эксплуатационными свойствами. В работе [1] показано, что рынок теплоизоляционных материалов практически ограничен всего тремя типами теплоизоляционных изделий: пенопластами (главным образом пенополистиролом), газобетонами и минеральными ватами. Пенопласты и минераловатные изделия имеют ограниченный срок службы, так как через 7–10 лет эксплуатации не обеспечивают требуемого термического сопротивления. Наиболее безопасен и долговечен газобетон, но и ему присущи такие недостатки, как низкая влаго и морозостойкость.
Пеностекло отличается от вышеперечисленных утеплителей спектром преимуществ: широким температурным диапазоном применения, абсолютной непроницаемостью для воды, негорючестью, стабильностью размеров, стойкостью к агрессивным средам, высокими прочностными показателями. Технические характеристики (плотность 120–200 кг/м3; теплопроводность 0,04–0,09 Вт/м·К; предел прочности при сжатии 0,7–2 МПа) подтверждают его уникальность как универсального теплоизоляционного материала для применения в различных отраслях промышленности и строительстве.
Пеностекло незаменимо в индивидуальном домостроении. Сочетание его экологической чистоты и теплоизоляционных качеств с малой плотностью, прочностью, удобством обработки и монтажа позволяет быстро и самостоятельно утеплить любой объект личного хозяйства. Пеностекло легко и прочно клеится мастиками, хорошо штукатурится, совмещается с цементными и известковоцементными растворами. Использование его в строительстве позволяет создавать энергосберегающие строения, проводить реконструкцию существующих зданий.
Для производства пеностекла оптимальными считаются составы, близкие к составам тарных стекол, в том числе и бой бутылочного стекла. Требуемое содержание оксидов в них находится в пределах (мас. %): SiO2 67–72; Al2O3 1–6; CaO 7–11; MgO 1–4; Na2O 14–15. Изготавливается пеностекло из тех же материалов, что и обычное: кварцевого песка, мела, соды кальцинированной, полевого шпата, а также стеклобоя. Экспериментально установлено, что наиболее перспективным сырьем является бой темнозеленой бутылки, а наименее технологичным – бой листового флоатстекла.
Однако возможности обеспечения производства пеностекла стеклобоем постоянного состава ограничены. Поэтому при значительных объемах его выпуска более предпочтительным является предварительный синтез стеклогранулята из шихтных материалов. Большой интерес представляет использование дешевого и доступного природного сырья, что обеспечивает значительное снижение стоимости сырьевых материалов при синтезе стеклогранулята. В настоящее время подтверждена возможность применения для этих целей горных пород с повышенным содержанием щелочных компонентов – трахита, сиенита, трепела, нефелина, а также техногенных продуктов, хвостов, шламов [2–4].
Анализ отечественного минерального сырья показал, что наиболее доступным и дешевым природным сырьем для изготовления пеностекла могут служить так называемые гранитные отсевы – отходы дробления гранитного щебня на Микашевичском РУПП “Гранит”. На сегодняшний день это крупнейшее в Европе предприятие по производству нерудных материалов. Его продукцией являются щебень различных фракций – важнейший строительный материал, используемый в качестве заполнителей для монолитных бетонов, сборных бетонных и железобетонных конструкций, а также для всех видов дорожностроительных работ, и песок для строительных работ из отсевов дробления горных пород.
Мощность предприятия составляет около 7 млн м3 в год щебня и 2 млн м3 в год песка, что естественно связано с образованием большого количества отходов камнедробления – гранитных отсевов, представляющих смесь гранитоидных пород. Микашевичский комплекс объединяет ряд пород от диоритов до лейкогранитов, тесно связанных пространственно и обладающих общностью минеральных, структурных и химических особенностей. Кроме того, при камнедроблении образуется большое количество пыли, которая улавливается циклонами и также может быть использована аналогично отсевам, поскольку имеет одинаковый химический состав.
Одно из преимуществ гранитных отсевов в том, что их химический оксидный состав колеблется в небольших пределах благодаря существенному усреднению вследствие неоднократного промежуточного дробления, что позволило предположить возможность их использования в качестве основного сырьевого компонента стекольной шихты для синтеза стеклогранулята и получения пеностекла на его основе. Согласно [5], пределы колебаний в усредненных составах различных проб гранотсевов составляют (мас. %): SiO2 60,3–63,4; Al2O3 15,2–15,25; CaO 4,0–4,3; MgO 2,75–3,0; Na2O 2,45–2,4; K2O 3,4–4,4; (Fe2O3+FeO) 5,8–8,6; MnO 0,19; TiO2 0,9.
Сравнительный анализ содержания основных компонентов в отходах дробления гранитного щебня и составах тарного стекла показал, что необходимый для пеностекла состав исходного стекла для стеклогранулята может быть обеспечен незначительной подшихтовкой гранитных отсевов кварцевым песком, мелом и кальцинированной содой. Поэтому для изучения и были выбраны сырьевые композиции в системе “гранитные отсевы–кварцевый песок–мел–кальцинированная сода” с учетом введения в состав стекла до 70 мас. % гранитоидов.
Стекла синтезировались в газовой печи при температурах варки 1420–1450 °С с выдержкой 1 ч. В данных условиях все стекла легко провариваются и обладают хорошей текучестью.
При исследовании кристаллизационной способности опытных стекол установлено, что они обладают высокой устойчивостью к кристаллизации в интервале температур 600–1000 °С. Лишь на стеклах с низким суммарным содержанием Na2O (7–10 мас. %) проявляется слабовыраженная поверхностная кристаллизация в виде пленки.
Согласно данным дифференциальнотермического анализа, опытные стекла характеризуются температурами начала размягчения в интервале 570–650 °С. Некоторые из них проявляют на кривых ДТА слабовыраженный экзоэффект в интервале температур 880–900 °С, обусловленный процессами кристаллизации. Значение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) исходных стекол изменяется в пределах (75–110)107 К1, плотности – от 2430 до 2620 кг/м3.
Для процессов вспенивания при получении пеностекла особое значение имеют вязкостные характеристики, или температурный интервал пиропластического состояния. Поэтому для синтезированных стекол по их химическому составу были рассчитаны температурные кривые вязкости.
Расчет вязкости проводился по методу М.В. Охотина, разработанному для стекол системы Na2O–MgO–CaO–Al2O3–SiO2, но с поправками на содержание Fe2O3 по методу Гельгофа и Томаса. Расчетное значение вязкости при 830 °С для тарного стекла составляет 104 Па·с (lgh = 4). Поэтому в качестве исходных стекол для получения пеностекла были выбраны составы стекол, имеющих при 830 °С рассчитанные значения логарифма вязкости 3,5; 4,0; 4,2 и 4,6.
Для выбора перспективных составов опытных стекол предварительно изучалась их вспенивающая способность. Коэффициент вспенивания определялся по величине отношения высоты вспененного слоя при 830 °С к первоначальной высоте уплотненной пенообразующей смеси, которая приготавливалась путем совместного помола стеклогранулята с газообразователем (уголь) до достижения удельной поверхности порошка 5500–6000 см2/г.
Значения коэффициента вспенивания, равные 4,0–4,5, обеспечивающие равномерную пористую структуру, получены на стеклах, содержащих в шихте 50–60 мас. % гранитных отсевов и имеющих расчетные значения логарифма вязкости при 830 °С в пределах 3,6–4,2.
Для изучения свойств пеностекла, полученного на основе перспективных опытных стекол, подготовленная шихтная смесь засыпалась в формы и помещалась в предварительно нагретую до 400 °С печь. Затем температура в печи поднималась до 820–830 °С для проведения процесса вспенивания. После выдержки вспененной массы при максимальной температуре в течение 25 мин. форма охлаждалась по режиму, предусматривающему стабилизацию структуры и отжиг. Из полученной вспененной стекломассы вырезались образцы для изучения свойств пеностекла.
Результаты исследования свойств образцов пеностекла из опытных составов приведены в таблице.
Как видно, результаты подтверждают принципиальную возможность получения пеностекла на основе гранитных отсевов. На рисунке представлена фотография лабораторных образцов. Пеностекло имеет благородный серозеленый цвет, однородную пористую структуру, которая может регулироваться технологическими (температурновременными) параметрами вспенивания.
Исследована также возможность ввода в состав шихты вместо дорогостоящей кальцинированной соды более дешевого щелочесодержащего сырья – содового плава, являющегося отходом производства капролактама. Особых различий в способности к вспениванию стекол, полученных при замене кальцинированной соды на содовый плав, не отмечается.
По сравнению с традиционными сырьевыми материалами применение в качестве основного сырья гранитных отсевов, а также содового плава обеспечивает как минимум два существенных преимущества. С одной стороны, снижение стоимости сырьевых материалов для получения исходной шихты для стеклогранулята и расширение минеральносырьевой базы стекольной промышленности. С другой – улучшение экологической обстановки за счет использования отходов промышленности, занимающих значительные территории вокруг РУПП “Гранит”.
Литература
1. Пеностекло / Нагибин Г.Е., Кирко В.И., Колосова М.М. и др. // Стекло мира. 2004. № 4. С. 89–92.
2. Вспененный теплоизоляционный материал из техногенных продуктов / Суворов О.В., Макаров Д.В., Кулько Н.М., Кожина И.С. // Вестник БГТУ. Белгород, 2005. № 10. С. 280–283.
3. Кутолин В.А., Широких В.А. Комплексное использование отвальных хвостов и шламов горнообоготительных комбинатов для производства нового теплоизоляционного материала типа пеностекло. Ресурсовоспроизводящие малоотходные природоохранные технологии освоения недр. М.: РУДН, 2002. С. 148–150.
4. Лазарев Е.В., Черемис О.Г., Христофоров А.Н. Влияние состава композиции и параметров вспенивания на структуру трепельного алюмосиликата. Производственные технологии и качество продукции. Владимир: Новые технологии, 2003. С. 104–107.
5. Химические анализы горных пород кристаллического фундамента Белоруссии. Справочник / Пап А.М., Аксаментова Н.В., Архипова А.А., Найденков И.В. Мн.: Наука и техника, 1988. 243 с.