Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследовании.
1.1. Литературный анализ отечественного и зарубежного опыта использования горных пород и отходов промышленности при производстве вспененных алюмосиликатных материалов 10
1.2. Физико-химические предпосылки и технологические подходы, к получению пеностекол с повышенной прочностью на основе эффузивных пород и стеклобоя 32
ГЛАВА 2. Методика исследований и характеристики сырьевых материалов
2.1. Обоснование выбора сырьевых материалов 57
2.1.1. Химико-минералогическая характеристика сырьевых материалов 59
2.2. Методика исследований 71
2.2.1. Методика физико-механических испытаний 71
2.2.2. Методика физико-химических исследований при получении пеностекол
2.3.3. Методика статистической обработки результатов эксперимента 76
2.3.4. Методика математического планирования эксперимента 77
ГЛАВА 3. Химические процессы получения пеностекол на основе эффузивных пород и стеклобоя
3.1. Определение факторов, влияющих на синтез пеностекол с заданными свойствами
3.1.1. Изучение влияния структуры исходных материалов и температурно-временных режимов вспенивания на основные свойства пеностекол в системе "стеклобой+перлит+базальт" 82
3.1.2. Исследование влияния реологических свойств расплава на условия вспенивания, структуру и свойства пеностекол в системе "стеклобой+перлит+базальт"
3.1.3. Оптимизация составов и температурных режимов вспенивания пеностекол в системе "стеклобой+перлит+базальт"
3.2. Изучение влияния механо- и щелочной активации и температурно-временных режимов вспенивания на структуру и свойства пеностекол с повышенным содержанием стеклобоя
3.3. Исследования по изучению влияния химических и технологических факторов на основные свойства пеностекол в системе "стеклобой+базальт" 103
3.3.1. Изучение влияния структуры исходных материалов, их щелочной активации и температурно-временных режимов вспенивания на свойства пеностекол 103
3.4. Изучение влияния предварительной термической обработки на основные свойства пеностекол 111
ГЛАВА 4. Исследование физико-технических свойств пеностекол
4.1. Определение водопоглощения пеностекол 112
4.2. Определение физико-механических свойств пеностекол 113
4.3. Определение теплопроводности пеностекол 114
4.4. Определение морозостойкости пеностекол 114
4.5. Определение гидролитической устойчивости пеностекол 115
4.6. Определение статистической модуля упругости пеностекол 116
4.7. Определение прочности сцепления пеностекол с кладочным раствором 121
ГЛАВА 5. Технологическая схема производства пеностекол, технико-экономическое обоснование эффективности их производства и применения
5.1. Технологическая схема производства изделий из пеностекол на основе эффузивных пород и стеклобоя 127
5.2. Опытно-промышленное опробование технологии изделий из пеностекол
5.3. Технико-экономическое обоснование эффективности производства и применения изделий из пеностекол на основе эффузивных пород и стеклобоя 128
Основные выводы 142
Литература 145
Приложения 161
- Литературный анализ отечественного и зарубежного опыта использования горных пород и отходов промышленности при производстве вспененных алюмосиликатных материалов
- Химико-минералогическая характеристика сырьевых материалов
- Изучение влияния структуры исходных материалов и температурно-временных режимов вспенивания на основные свойства пеностекол в системе "стеклобой+перлит+базальт"
- Определение статистической модуля упругости пеностекол
Введение к работе
С введением в действие энергосберегающих нормативов по теплозащите зданий в соответствии со СНиП 23-02-2003 весьма актуальной стала проблема обеспечения энергоэффективности вновь возводимых и реконструируемых зданий и сооружений. Одним из направлений решения данной проблемы является разработка и производство эффективных теплоизоляционных материалов - пеностекол на основе местного минерального сырья и стеклобоя.
Преимущества пеностекла - высокопористого материала неорганического состава, заключающиеся в уникальном сочетании теплоизоляционных и конструктивных свойств, безусадочности, пожаробезопасности и биостойкости ставят его в разряд долговечных строительных теплоизоляционных материалов. Причинами того, что данный пеноматериал до сих пор недооценен и не получил достаточно широкого применения в практике строительства являются не эксплуатационные его характеристики, а технологические особенности получения пеностекла. Технология пеностекла всегда была и остается достаточно сложной и энергоемкой по сравнению с другими теплоизоляционными материалами.
В связи с этим, первоочередного решения требуют проблемы по совершенствованию технологии получения пеностекол с использованием оптимальных составов и технологических приемов. С учетом того, что существующие технологии пеностекла были направлены, прежде всего, на получение теплоизоляционных материалов обширные исследования проведены в отношении пеностекол с низким коэффициентом теплопроводности. Недостаточно изученными являются вопросы о возможности повышения конструктивных свойств пеностекол, полученных путем непосредственного вспенивания алюмосиликатных расплавов.
Весьма важным при этом является обеспечение условий создания оптимальной поровой структуры пеностекла, обусловливающей качество синтезируемого материала. Актуальность выполняемой работы определяется
необходимостью совершенствования технологии пеностекла с позиций повышения его конструктивных свойств.
Распространенность эффузивных пород, к которым относятся базальты и вулканические водосодержащие стекла - перлиты на территории Востока России (Забайкалье, Дальний Восток) и достаточно интенсивное образование стекольных отходов предполагают комплексное их использование для получения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами по энергосберегающей технологии. Предпосылкой к этому служит склонность к уплотнению структуры пеностекла при непосредственном вспенивании алюмосиликатных расплавов на основе эффузивных пород и боя тарного стекла.
Работа выполнялась в рамках Федеральных целевых программ "Жилище" и "Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья" на 1996 - 2010 г.г. и Региональной научно-технической программы "Бурятия, Наука, Технологии и инновации" на 2003 - 2006 г.г, и Республиканского молодежного гранта 2006 года по направлению: "Получение эффективных теплоизоляционно-конструкционных материалов на основе эффузивных пород и отходов промышленности".
Научная новизна работы.
Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования композиций, представляющих собой рационально подобранные смеси из стеклобоя и эффузивных пород (перлитов и базальтов) для получения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами.
Установлено, что при вспенивании в присутствии щелочного компонента смесей из стеклобоя и высокодисперсных эффузивных пород в зависимости от соотношения в шихте перлитовой и базальтовой породы при одинаковом уровне содержания стеклобоя в диапазоне (70-90%) возможно получение как теплоизоляционных, так и теплоизоляционно-конструкционных пеностекол.
Выявлены основные закономерности протекания физико-химических процессов при получении пеностекол повышенной прочности с использованием предварительной термической обработки пенообразующих смесей на основе разработанных составов.
Исследования структуры пеностекол показали, что предварительная термическая выдержка прессованных образцов пенообразующих смесей приводит к повышению физико-механических свойств пеностекла, благодаря формированию мелкопористой макроструктуры вследствие развития процессов кристаллизации в микроструктуре межпоровых перегородок.
Получены многофакторные математические модели температурно-временных режимов вспенивания с использованием составов в системе «стеклобой+перлит+базальт», необходимые для оптимизации технологии пеностекол с повышенными конструктивными свойствами;
Установлены зависимости физико-технических характеристик
пеностекол и изделий на их основе от технологических параметров
производства (содержания компонентов, продолжительности
механоактивации пород, температурных режимов нагревания и вспенивания, свойств алюмосиликатного расплава и т.д.).
Практическая значимость работы.
Разработаны составы для получения теплоизоляционных пеностекол со средней плотностью 450-550 кг/м и прочностью при сжатии 3,5-4,8 МПа и теплоизоляционно-конструкционных изделий со средней плотностью 600-750 кг/м3 и прочностью при сжатии 6,5-9,0 МПа.
Предложен способ повышения прочности пеностекол, заключающийся в предварительной термической обработке пенообразующих смесей с использованием разработанных составов (заявка на изобретение).
Проведена промышленная апробация разработанных предложений по получению теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных изделий из пеностекол.
Изучены технико-эксплуатационные показатели пеностекол.
Реализация результатов исследований.
На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по производству теплоизоляционных плит и мелкоштучных изделий на основе эффузивных пород и стеклобоя и проведено их опробование в производственных условиях ОАО "Улан-Удэстекло".
Результаты расчета экономической эффективности от применения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами на основе эффузивных пород и стеклобоя показали следующее. Экономия от применения однослойных конструкций из пеностекольных блоков по сравнению с ограждающей конструкцией из керамического кирпича с минераловатным утеплителем составит ок. 1000 руб на 1 м стены.
Апробация работы.
Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на:
- научных конференциях преподавателей, научных работников и
аспирантов ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2003 - 2006 г.г.);
III международной научно-технической конференции "Энергосберегающие и природоохранные технологии (Встреча на Байкале)" (г. Улан-Удэ, 2005 г.);
международной научно-практической конференции "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (г. Белгород, 2005 г.);
международной конференции "International Conference on Rational Utilization of Natural Mineral" (Ulaanbaatar, Mongolia, 2005);
10-х Академических чтениях PAACH "Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения" (г. Казань, 2006 г.).
Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 9 статей и подана заявка на изобретение по способу получения пеностекол на основе эффузивных пород и стеклобоя.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 170 наименований и приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков, 23 таблицы.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование возможности получения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами на основе эффузивных пород и стеклобоя по энергосберегающей технологии;
экспериментальные данные по оптимизации составов и способа получения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами на основе разработанных композиций в системе "стеклобой+перлит+базальт";
результаты изучения влияния условий подготовки стеклошихты, температурных режимов нагревания и вспенивания пенообразующеи смеси на основные свойства пеностекол;
результаты исследований физико-технических свойств пеностекол на основе эффузивных пород и стеклобоя;
технико-экономическое обоснование эффективности производства и применения изделий из пеностекол;
результаты внедрения.
Литературный анализ отечественного и зарубежного опыта использования горных пород и отходов промышленности при производстве вспененных алюмосиликатных материалов
Промышленность строительных материалов выпускает значительное количество теплоизоляционных материалов, которые можно разделить на три группы: материалы с жесткой структурой, ячеистой структурой, материалы с зернистой, несвязанной структурой и материалы с волокнистой структурой. Выбор материалов для проведения теплоизоляционных работ предопределяется, прежде всего, характером объекта тепловой защиты, целесообразностью способа его защиты, наличием материалов и удобством их использования при проведении работ. В настоящее время рынок строительных теплоизоляционных материалов представлен практически тремя типами теплоизоляционных изделий, как минеральная вата, пенопласты и ячеистый бетон. Из них на долю минераловатных утеплителей в общем объеме производства и потребления приходится более 65%, стекловатных - около 8%, пенополистирола и других пенопластов - 20%. Доля теплоизоляционных ячеистых бетонов в общем объеме утеплителей не превышает 3%, вспученного перлита, вермикулита и изделий на их основе не более 2-3%. Структура объемов выпуска утеплителей в России близка к структуре, сложившейся в передовых странах мира, где волокнистые утеплители также занимают 60-80%) от общего выпуска теплоизоляционных материалов [81].
Пенопласт, используемого в трехслойных конструкциях, по мнению ряда исследователей и проектировщиков, нельзя использовать в строительстве как теплотехнический материал, рассчитанный на длительный срок эксплуатации. Аналогично обстоит дело с минераловатными изделиями. Уже через несколько лет они рассыпаются в пыль, весьма экологически небезопасную. По данным немецких исследователей [116], полная потеря теплотехнических свойств пенополистирола и пенополиуретана происходит через 10 лет, а стекловолокнистых материалов уже через 7 лет. Следовательно, использование пенопласта и минераловатных изделий в строительстве приведет к тому, что через 7-Ю лет ограждающие конструкции не будут обеспечивать требуемого термического сопротивления стен.
Большое внимание строителей и проектировщиков уделяется в настоящее время ячеистым бетонам, как газо- и пенобетон. Ячеистые бетоны в зависимости от физико-технических свойств находят применение в качестве тепловой изоляции трубопроводов и оборудования, для наружных и внутренних стен жилых и промышленных зданий, а также для покрытий и перекрытий зданий. Несмотря на явные преимущества ячеистого бетона по сравнению с легкими бетонами на пористых заполнителях, и ему присущи существенные недостатки. Высокие показатели водопоглощения приводят к низкой влаго- и морозостойкости. Водопоглощение газобетона и пенобетона в зависимости от плотности колеблется в пределах 30-55%. Высокая гидрофобность поверхности снижает адгезию к поверхности и затрудняет штукатурные работы и прочность конструкций. Несмотря на то, что за тридцать с лишним лет технология его производства ушла вперед, значительно улучшилось качество, прочностные характеристики газобетона остаются на низком уровне. Например, прочность газобетона плотностью 300 кг/м составляет всего 0,8 МПа, плотностью 500 кг/м - 2,5-3,0 МПа и плотностью 600 кг/м - 3,5 МПа соответственно. Усадка для ячеистых бетонов автоклавного твердения составляет в среднем 0,5-0,65 мм/м, а для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения - 1,5-2,5 мм/м [114].
Анализ технологий получения теплоизоляционных материалов с зернистой структурой показывает, что обширные исследования проведены в отношении высокопористых материалов, полученных путем вспучивания природного минерального сырья и техногенных отходов. Данный принцип используется в производстве ячеистых бетонов, вспученных перлитов, изделий из ячеистого стекла, керамических и огнеупорных теплоизоляционных изделий и т.д. Наиболее широкое применение получил способ газообразования, сущность которого заключается в выделении газообразных продуктов во всем объеме поризуемого материала, находящегося в пластично-вязком (в том числе и пиропластическом) состоянии. В исследованиях И.Б. Удачкина [139] получены легкие и сверхлегкие заполнители с использованием перлитового сырья и золошлаковых отходов ТЭЦ и др. Получению керамзита на основе легкоплавких глин посвящены работы Б.Н. Виноградова, М.П. Элинзона, СП. Онацкого, В.Г. Довжика и др. [34, 54, 102, 154]. В отношении высокопрочного керамзитового гравия, несмотря на полученные результаты по упрочнению структуры этого вида заполнителя путем направленной кристаллизации расплава стекловидной фазы керамзита, данный метод не нашел широкого применения в керамзитовой промышленности, ввиду его относительной сложности и недостаточной проработки применительно к технологии керамзита [54].
В силу того, что вспученный перлит, керамзитовый гравий, аглопорит, шлаковая пемза, пенополистирол и другие виды заполнителей являются материалами с зернистой структурой, использование их в изделиях требует дополнительных технологических операций, как увлажнение и перемешивание с вяжущими веществами, формование и т.д. Известны также проблемы достижения равномерного распределения пористого заполнителя в формовочной смеси, переизмельчения их в процессе перемешивания, удаления избыточной влаги после термообработки и т.д.
Вспученный перлит в перлитобетонах играет роль основного компонента - высокопористого заполнителя. Объем замкнутых пор у вспученного перлитового песка, характеризующегося общей пористостью, равной 90-98%, составляет не более 25%, вследствие чего водопоглощение и гигроскопичность вспученного перлита являются высокими [43]. Поэтому в условиях эксплуатации теплоизоляция из вспученного перлита требует надежной защиты от увлажнения, поскольку средняя плотность и количественное содержание этого заполнителя в формовочной смеси определяют пористость изделий, их среднюю плотность и теплопроводность.
Выход из данного положения один - применение высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Одним из таких материалов является пеностекло. Вопросу синтеза пеностекла посвящены работы И.И. Китайгородского, Т.М. Кешишяна, Б.К. Демидовича, Л.М. Бутта, Ф. Шилла, С.С. Акулича и др. Известны работы сотрудников Минского НИИСМа, НПО "Камень и силикаты" (Армения), МГСУ (Москва) и др. по получению пеностекол на основе природных сырьевых материалов и отходов промышленности. В монографиях Б.К. Демидовича и Ф. Шилла [51, 151] дан широкий обзор технологий производства пеностекла в нашей стране и за рубежом с использованием минеральных сырьевых компонентов и отходов производства.
Химико-минералогическая характеристика сырьевых материалов
При постановке и проведении исследований использовались сырьевые материалы со следующими характеристиками.
Бой тарного стекла. Бой тарного стекла в составе шихты используется как основной компонент, при плавлении которого в нем растворяются стекловидные составляющие других компонентов, как перлит и базальт. Стеклобою отводится роль готового стекла, увеличение содержания которого в шихте позволяет значительно снизить температуру вспенивания пеностекла. Благодаря высокому содержанию щелочных компонентов (до 16%), введение его в шихту способствует ускорению процессов спекания и вспенивания стекломассы при пониженном содержании дополнительно вводимого щелочного компонента.
В настоящей работе рассмотрен стеклобой тарных стекол полубелого, интенсивно желтого и зеленого цветов. По мнению В. А. Слижис [51], темное, окрашенное железом бутылочное стекло более пригодно для получения пеностекла, чем листовое оконное стекло, так как оксиды железа сообщают стеклу ряд ценных свойств. По Винтер-Кляйну, оксиды железа значительно снижают вязкость, что является желательным для варки стекла и его выработки. Оксид хрома окрашивает тарные стекла в изумрудно-зеленый цвет. Являясь поверхностно активным веществом, оксид хрома понижает поверхностное натяжение стекломассы. Кроме того, оксид хрома повышает химическую устойчивость стекол.
Основными источниками поставки стеклобоя является ОАО "Улан-Удэнский стекольный завод", специально организованные приемно-заготовительные пункты стеклотары.
Перлиты Мухор-Талинского месторождения. Мухор-Талинское месторождение перлитов находится в Заиграевском районе Республики Бурятия в 90 км от г. Улан - Удэ, в 12 км к северу от станции Новоильинск ВСЖД. Перлиты слагают самостоятельные залежи, являясь нижней стекловатой зоной липаритовых потоков. На Мухор-Талинском участке перлиты полностью обнажены и слагают самостоятельную залежь. Запасы по категориям Ві + Сі + Сг составляют 45664 тыс.т. [88].
Базальты Селендумского месторождения. Селендумское месторождение базальтов находится в Селенгинском районе Республики Бурятия, в 5 км от г. Гусиноозерск ив 150 км от г. Улан-Удэ. Базальты слагают самостоятельную залежь. Общая площадь их распространения составляет около 6 км2.
По данным химического анализа стеклобоя полубелого, интенсивно-желтого и зеленого цветов можно сделать заключение о том, что оксидный состав (табл. 2.1) стеклобоя в зависимости от цвета колеблется в пределах Si02 71,36...72,71; А1203 2,00...3,80; Fe203 0,10...0,40; СаО 6,00...6,74; MgO 3,43...4,13; Na20 13,56...15,50; К20 0...0,8; S03 0,20...0,4. Химический состав перлитовых пород в зависимости разновидности перлитов колеблется в пределах Si02 68,30...69,40; А1203 12,75...13,75; Fe203 0,50...1,20; СаО 0,50...0,98; MgO 0,30...0,48; Na20 3,37...3,73; К20 3,13...3,91; S03 0,03...0,10 и п.п.п. 5,97...8,58. Химический состав базальта характеризуется следующим содержанием оксидов (масс. %): 49,6Si02; 16,9А1203; 2,8Fe203; 6,0СаО; 4,66MgO; 4,67Na20; 3,13К20; 0,1 S03 и 2,53 п.п.п. Щелочные оксиды в эффузивных породах представлены оксидами натрия и калия при примерно равном их соотношении в породе. В связи с этим, при использовании эффузивных пород может быть достигнут полищелочной эффект, способствующий интенсификации температурных процессов вспенивания.
На кривой ДТА тарного стекла отмечен небольшой пик при 460 С, который авторы [22] связывают с образованием центров кристаллизации. При повышении температуры соответственно до 780 С площадь этого пика увеличивается, что характеризует рост кристаллов выделяющейся фазы. По характеру пиков в интервале температур 700-900 С можно судить о кристаллизации не менее двух фаз. Рентгенограмма стеклобоя показала наличие рефлексов 1,38; 1,41; 1,54; 1,82; 3,34; 4,25 А, относимые к а-кварцу и рефлексы 1,87; 1,93; 2,52; 3,19; 4,11 А, которые могут быть отнесены к рефлексам альбита Na20-Al203-6Si02.
Подразделение перлитовых пород на стекловидную и гидратированную разновидность в настоящей работе сделано на основании классификации перлита Мухор-Талинского месторождения, данной В.В. Наседкиным и Н.И. Сергеевым [90,124-126]. По данной классификации, стекловидный перлит, как неизмененный перлит без микролитов и кристаллитов отнесен к разновидности 5, в которую включены лучшие сорта перлитового сырья, имеющие максимальную вспучиваемость. Объемная масса массивной породы составляет 2,2-2,3 г/см3, содержание гигроскопической воды 0,3-1,0 %, п.п.п. 5,5-6,5 %. Количество стекловидной фазы не менее 98%. Объемная масса вспученного материала 0,25-0,5 кг/м , водопоглощение 120-50%, открытая пористость 60-40%.
Гидратированные перлиты отнесены к петрографической разновидности 6, в которую выделены стекла с высоким уровнем гидратации, но не содержащие заметного количества вторичных минералов. При вспучивании гидратированные перлиты интенсивно растрескиваются с образованием легкого вспученного перлитового песка, для производства вспученного щебня они не пригодны. Объемная масса массивной породы составляет 1,9-2,1 г/см , содержание гигроскопической воды 0,3-3,2%, п.п.п. 6,5-11,0%. Количество стекловидной фазы не менее 95%. Объемная масса вспученного материала 0,5-0,8 кг/м3, водопоглощение 60-32%, открытая пористость 40-26%.
При визуальном осмотре стекловидного перлита месторождения Мухор-Тала отмечается стекловатая масса, обладающая сетью тонких концентрированных трещинок, являющихся зонами девитрификации стекла. Текстура флюидально-перлитовая, излом полураковистый, цвет породы от светло-зеленого до темно-зеленого. Наряду с наиболее распространенными зелеными перлитами встречаются перлиты буровато-коричневого цвета. Окраска, по данным В.В. Наседкина и Н.С. Мануйловой [90], обусловлена окислением магнетита и появлением трехвалентного железа.
На рисунке 2.1 показаны кривые ДТА стекловидного и гидратированного перлитов [148]. На кривых ДТА стекловидного перлита отмечен эндоэффект дегидратации стекла при 260 - 625 С с максимумом 320 С, а на кривых ДТА гидратированного перлита отмечен подобный эндоэффект при 150 - 625 С с максимумом 315 С.
Изучение влияния структуры исходных материалов и температурно-временных режимов вспенивания на основные свойства пеностекол в системе "стеклобой+перлит+базальт"
Главной практической задачей исследований являлось получение долговечных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов на основе пеностекол с использованием стеклобоя и эффузивных пород с повышенным содержанием стеклофазы. Синтезируемый материал - пеностекло представляет собой высокопористый материал, в стенках пор которого в стекловидной фазе равномерно распределены неизмененные мелкокристаллические фазы из исходного сырья и новообразования, возникшие в результате создания центров кристаллизации в период термической обработки пенообразующей смеси.
К стеклам относятся все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, не зависимо от их химического состава и температурной области застывания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости свойствами механически твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратным. Поскольку стекла обладают метастабильной структурой, которая может привести к нерегулируемой спонтанной кристаллизации, сопровождаемой изменением первоначальных свойств пеностекла, представляет интерес изучение вопроса синтеза пеностекол с частично закристаллизованной структурой.
Основным критерием комплексного использования стеклобоя и эффузивных пород в технологии пеностекла является требуемый химический состав, способствующий в присутствии щелочного компонента (NaOH) формированию оптимальной структуры пеностекол при одновременной интенсификации процессов спекания, стекло- и фазообразования при вспенивании рационально подобранных смесей из стеклобоя и эффузивных пород, подвергнутых механоактивации. Основное требование, предъявляемое к составам шихт на основе стеклобоя и эффузивных пород для получения пеностекол - обеспечение повышенных показателей физико-механических свойств синтезируемого пеноматериала, что обеспечивается созданием равномерной мелкопористой макроструктуры пеностекла в результате предварительной термической обработки в период, предшествующий вспениванию и обжигу. Для формирования преимущественно закрытой пористости пеностекла при оптимальной толщине межпоровых перегородок является важным обеспечение повышенной вязкости алюмосиликатного расплава при пониженном его поверхностном натяжении и низкой кристаллизационной способности в интервале температур вспенивания.
Пеностекла с использованием вышеназванных материалов представляют собой высокопористые искусственные материалы, полученные в результате вспенивания алюмосиликатного расплава из рационально подобранных сформованных смесей из стеклобоя и эффузивных пород, подвергнутых механоактивации. В качестве технологической связки - жидкости затворения использован водный раствор гидроксида натрия. Гидроксиду натрия отведена роль интенсификатора процессов плавления шихты и газообразователя.
При комплексном использовании стеклобоя и эффузивных пород процесс формирования свойств пеностекла, как материала, получаемого вспучиванием алюмосиликатного расплава при высоких температурах, предопределяется рядом химико-технологических факторов. К этим факторам относятся структура исходных пород и готового материала, их химический и фазовый состав, дисперсность и активность исходных компонентов, а также температурно-временные режимы нагревания-вспенивания и обжига, реологические характеристики алюмосиликатного расплава, объем образованной газовой фазы и т.д. Следовательно, для обеспечения оптимальной поровой структуры пеностекла необходим комплексный подход при изучении влияния вышеуказанных факторов на свойства пеностекла на протяжении всей его технологической истории.
С позиций склонности к вспениванию и созданию при этом оптимальной поровой структуры пеностекла при энергетически выгодных температурных режимах вспенивания рассматривались двух- и трехкомпонентные пенообразующие смеси на основе стеклобоя и механоактивированных эффузивных пород в системах "стеклобой + перлит + базальт" и "стеклобой + базальт". Влияние структуры исходных пород и стеклобоя на свойства пеностекла представляется удобным изучать путем изменения соотношения в шихте основных компонентов, а именно - стеклобоя, перлита и базальта. При изучении влияния структуры исходных материалов и температурно-временных режимов вспенивания на физико-механические свойства пеностекла с использованием трехкомпонентнои шихты в системе "стеклобой + перлит + базальт" применено математическое планирование эксперимента.
На начальном этапе исследований был использован ПФЭ типа 2 , согласно которому эксперименты проводились на двух уровнях для пяти превалирующих факторов. В качестве факторов, влияющих на получение оптимальной структуры пеностекла, выбраны: Ъ\ - содержание базальта, %; Z2 - содержание перлита, %; z3 - содержание воды, %; z4 -продолжительность вспенивания, мин; z5 - температура вспенивания, С. (табл. 3.1). На постоянном уровне находились продолжительность механоактивации (10 мин) и содержание щелочного компонента NaOH (10% сверх массы сухой шихты), вводимого в шихту в виде водного раствора.
Определение статистической модуля упругости пеностекол
Технологическая линия по производству изделий из пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя включает линии подготовки стеклобоя и пород, в которых предусмотрено приготовление тонкодисперсных порошков из стеклобоя и пород. В шихтосмесительном отделении рационально подобранные смеси стекла и породы затворяются водным раствором гидроксида натрия и подвергаются тщательному перемешиванию. Затем производится формование, нагрев отпрессованных блоков и выдержка их в печи перед вспениванием, а затем спекание с одновременной поризацией. Для закрепления полученной пористой структуры предусмотрено резкое охлаждение, а для снятия температурных напряжений, возникающих в массиве изделия при изменении температуры изделия, подвергают отжигу.
Сырье: перлитовые породы (гидратированной и стекловидной разновидности) в виде мелкой фракции поступают на завод авто- и железнодорожным транспортом, хранятся в защищенном от влаги складе раздельно в отсеках, исключающих загрязнение посторонними примесями (глина, песок, металл). Минимальный запас сырья должен обеспечить бесперебойную работу предприятия в течение одного месяца.
Вторичная стеклотара, идущая на утилизацию, поступает или непосредственно на завод, или на специально организованные пункты приема стеклотары, откуда автотранспортом перевозится на завод. Стеклобой подготавливают на серийном оборудовании в следующей последовательности: дробление в щековой дробилке — мойка в боемойке — сушка в сушильном барабане — измельчение в молотковой дробилке — транспортирование в бункер хранения. Далее измельченное стекло по загрузочной течке направляют в приемное устройство шаровой двухкамерной мельницы. Перечень основного технологического оборудования приведен в таблице 5.1.
Тарное стекло после дробления в щековой дробилке среднего дробления, по желобу направляется на промывку в боемойку с электромагнитным приспособлением для отбора металлических предметов. Бумага отлавливается специальными щетками, а глинистые загрязнения удаляются вместе с водой.
Дробленое и промытое сырье направляется на сушку в сушильный барабан. При сушке стеклобоя происходит удаление влаги с поверхности материала. Температура сушильного агента 200-250 С. Из сушильного барабана стеклобой направляется в дробилку роторного типа. Мелкая фракция, полученная в результате дробления, посредством элеватора направляется в загрузочное устройство шаровой двухкамерной мельницы непрерывного действия. Тонкомолотый продукт отбирается и направляется шнековым конвейером или пневмотранспортом в соответствующие бункеры промежуточного хранения. Из бункеров посредством пневмотранспорта или шнекового конвейера подается в шихто - подготовительное отделение.
Эффузивные породы: перлит и базальт поступают от предприятий-поставщиков в виде продукта мелкой фракции (средний размер частиц до 10 мм). На заводе породы поступают на измельчение поочередно в вибрационную мельницу непрерывного действия, работающего в комплексе с проходным сепаратором. Механическая обработка в вибромельнице выполняет две задачи: измельчение пород до требуемого уровня удельной поверхности и механоактивацию пород. При этом перлит и базальт подвергают измельчению в вибрационной мельнице по отдельности, так как для каждой из пород требуется различное время нахождения в механоактиваторе. Часть материала, не достигшая требуемой тонины, возвращается обратно в мельницу. Готовые порошки из пород посредством пневмотранспорта или шнекового питателя направляются в расходные бункера шихто - подготовительного отделения.
После приготовления порошков исходных компонентов, их подвергают перемешиванию в роторном смесителе чашевого типа.
Сырье дозируется дозаторами в соотношениях, которые предусмотрены рецептурой. Затем компоненты сырьевая шихта подаются в смеситель принудительного действия, где сырьевая шихта увлажняется водным раствором гидроксида натрия и тщательно перемешивается до получения однородной гомогенизированной смеси. Содержание стеклобоя варьируется от 70 до 90%, в зависимости от требуемого уровня физико-механических свойств пеностекла. Соотношение эффузивных пород при постоянном уровне стеклобоя варьируется также в зависимости от требуемого уровня физико-механических свойств пеностекла.
Пенообразующая смесь в определенных порциях поступает в приемный бункер формующего устройства (в случае выпуска теплоизоляционных плит) или в приемное устройство пресса (в случае выпуска мелкоштучных блоков). Формование в случае получения мелкоштучных блоков осуществляют на гидравлическом прессе, а для получения теплоизоляционных плит осуществляют подпрессовку перед загрузкой в печь путем специального прижимного конвейера.
Технологические операции нагрева, вспучивания стекломассы и отжиг (охлаждение) изделий производят двухстадийным способом - в раздельных печах вспучивания (вспенивания) стекломассы и печи отжига. Печь вспучивания представляет собой печь непрерывного действия на газовом топливе. В печи вспучивания, отформованные блоки проходят стадию предварительного нагрева и выдержки при температурах термических эффектов в стекломассе с целью зарождения центров кристаллизации. Рабочая температура в зоне предварительной термической обработки: + 600 ... 670 С. Затем блоки поступают в зону температур, обеспечивающих получение пористой структуры стекломассы. Температура в зоне обжига до +850 С. На выходе из зоны обжига предусмотрено резкое охлаждение пеномассы на 100-150 С с целью повышения вязкости стекломассы и фиксации полученной пористой структуры. Это - зона стабилизации.
