Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 9
1.1. Роль декоративного стекла и стекломатериалов в современном строительстве и архитектуре 9
1.2. Ресурсосбережение в различных технологиях декоративных архитектурно-строительных стеклоизделий 13
K 1.3. Технология архитектурно-строительных стеклоизделий и стекломатериалов с применением вторичного сырья 21
1.3.1. Производство декоративно-художественных стекломатериалов и изделий по стекольной технологии 22
1.3.2. Стеклокерамическая технология получения различных декоративно-художественных материалов и изделий 26
1.4.выводы 31
1.5.цели и задачи исследований 32
Глава 2. Методика и методы исследований, сырьевые материалы и их характеристика 33
2.1. Исследования по разработке технологии декоративных архитектурно-строительных стеклоизделий 33
2.2. Сырьевые материалы и их характеристика 33
2.3. Синтез стёкол и стеклосмальт и исследование их свойств различными методами 36
2.4. Разработка технологии и изучение свойств декоративной архитектурно-строительной мозаичной стек-лоплитки 40
Глава 3. Разработка технологии и исследование свойств декоративной стеклоплитки на основе стеклобоя, природного и технического сырья 43
3.1. Разработка составов шихт бесцветных стекол 43
3.1.1. Выбор составов бесцветных стёкол 44
3.1.2. Исследование кристаллизационной способности стёкол в зависимости от состава шихт 46
3.2. Синтез цветных стёкол на основе стеклобоя, природного и технического сырья 52
3.2.1. Разработка составов цветных стёкол 52
3.2.2. Получение бесцветного и цветных стёкол с применением стеклобоя, природного и технического сырья 57
3.3. Исследование свойств синтезированных стёкол 65
3.3.1. Химическая стойкость стёкол 66
3.3.2. Оптические свойств а 69
3.3.3. Строительно-технические свойств а 73
3.4. Выводы 79
Глава 4. Разработка стеклокерамическои технологии строительной декоративной стеклоплитки . 81
4.1. Разработка составов сырьевых смесей и технологических условий синтеза декоративной стеклоплитки на основе стеклобоя 81
4.1.1. Составы сырьевых смесей для бесцветной стеклоплитки 82
4.1.2. Получение декоративной стеклоплитки различных цветов 86
4.2. Исследование строительно-технических свойств архитектурно-строительной стекломозаичной плитки... 93
4.3. Изучение структуры и фазового состава стеклоплитки 100
4.4. Выводы 105
Глава 5. Ресурсосберегающая технология архитек турно-строительной декоративной стекло- мозаичной плитки на основе стеклобоя, природного и технического сырья 106
5.1. Стекольная технология производства архитектурно-строительных стеклоизделий 106
5.2. Разработка технологической схемы производства декоративной стеклоплитки по стеклокерамической технологии 111
5.3. Результаты испытаний архитектурно-строительной декоративной стекломозаичной плитки 113
5.4. Расчёт ожидаемого экономического эффекта производства декоративной стеклоплитки 120
Общие выводы 125
Список литературы
- Роль декоративного стекла и стекломатериалов в современном строительстве и архитектуре
- Исследования по разработке технологии декоративных архитектурно-строительных стеклоизделий
- Исследование кристаллизационной способности стёкол в зависимости от состава шихт
- Разработка составов сырьевых смесей и технологических условий синтеза декоративной стеклоплитки на основе стеклобоя
Введение к работе
В настоящее время в связи с реализацией национального проекта «Доступное жильё» исключительно важной проблемой в строительстве является увеличение выпуска и повышение качества строительных материалов. В строительном материаловедении в условиях рыночной экономики важнейшей научно-технической задачей является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий по получению эффективных строительных материалов с высокими техническими и эстетико-потребительскими свойствами. К числу таких материалов относятся декоративно-отделочные и облицовочные материалы, в частности архитектурно-строительного назначения - стекломозаичная плитка широкого ассортимента как по цвету, так и по размерам. При этом для повышения конкурентоспособности промышленной продукции весьма актуальна и целесообразна разработка ресурсосберегающей технологии производства стекломозаичной плитки на основе стеклобоя, образующегося при получении листового, тарного и других видов стеклоизделий с использованием также природного и технического сырья.
Для производства декоративной стекломозаичной плитки широкой цветовой гаммы наиболее эффективно использование бесцветного стеклобоя - отхода при выпуске бесцветной стеклотары БТ-1 и БТ-2, образующегося на различных стеклотарных предприятиях, в том числе на ОАО «Юг-рос-продукт» в Ставропольском крае.
В связи с этим научная разработка ресурсосберегающей технологии архитектурно-строительных декоративных стеклоизделий на основе стеклобоя, природного и технического сырья и их применения в строительстве является актуальной.
Работа выполнялась по плану фундаментальных НИР научного направления 1.14 Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) - ЮРГТУ (НПИ) «Теоретические основы ресурсосберегающих технологий новых материалов: керамических, стекло- и стеклокристаллических, вяжущих и композиционных».
Роль декоративного стекла и стекломатериалов в современном строительстве и архитектуре
Как известно, стекло в строительстве и архитектуре стали применять более 5 тыс. лет назад [16-20]. В настоящее время в связи с большим прогрессом в науке и практике стеклоделия стекло в строительстве и архитектуре заняло место ведущего конструкционного и декоративно-отделочного материала, позволяющего создавать уникальные здания и сооружения, не имеющие аналогов в многовековой истории архитектуры [12, 21-25]. Это стало возможным благодаря специфическим декоративным свойствам стёкол: способности к окрашиванию в различные цвета; светопреломлению и прозрачности; возможности переходить при определённых условиях от све-топрозрачности до опалесценции, а затем до полной заглущенности, наряду с их долговечностью [16-19]. Замечательные эстетические и удовлетворяющие
современным требованиям прочностные характеристики декоративных стёкол и стекломатериалов обусловили производство широкого ассортимента архитектурно-строительных стеклоизделий, к числу которых относятся: декоративные отделочные и облицовочные материалы и изделия - плитки и листовое стекло для стен, потолков и полов; элементы декоративной отделки зданий - карнизы, доризы, детали колонн, вентиляционные решётки, балясины для перил и балюстрад; витражи; архитектурно-декоративное убранство парадных интерьеров общественных зданий - барельефы, монументальные вазы и светильники - торшеры и др.; монументальная стеклянная скульптура; художественная мозаичная живопись из стекла [4, 16-19].
К числу наиболее востребованных в строительстве и архитектуре в условиях рыночной экономики наряду с листовым стеклом являются прежде всего изделия из облицовочного стекла, а также витражи и художественная мозаичная живопись из стекла [5, 9, 13-14, 23-24].
Как известно, к облицовочным изделиям из стекла относятся: ковро-во-мозаичные плитки, облицовочные плитки (прокатные, прессованные и эмалированные), стекломрамор, марблит, стемалит, стеклокремнезит, пено-декоридр. [9, 13,21].
Эти изделия характеризуются высокой атмосферо-, цвето- и химической стойкостью, водонепроницаемостью, невозгораемостью и большим разнообразием расцветок.
Объёмы производства декоративного облицовочного стекла в мире и применения его в строительстве непрерывно возрастают [1, 2, 4, 5, 9]. Зарубежными фирмами проведены исследования в области применения стекла для наружной облицовки стен, что позволило выявить особенности поведения стекла в конструкциях стен при механических и температурных воздей ствиях и определить наиболее целесообразные способы и области его использования в строительстве и архитектуре [5, 14, 23].
Известно, что стеклянная мозаичная плитка значительно раньше цветного листового стекла стала применяться в отделке зданий, т.к. она отличается сравнительной простотой изготовления и крепления плиток на цементных растворах. В строительстве стеклянная плитка применяется в основном в виде ковриков, состоящих из нескольких десятков плиток, что позволяет значительно ускорить процесс облицовки стен. Ассортимент по цвету и размерам коврово-мозаичных плиток, выпускаемых как за рубежом, так и в нашей стране, весьма велик. Однако в последние годы возрастает потребность в изготовлении стеклянной мозаичной плитки с высокими показателями декоративно-художественных и физико-механических свойств, способной конкурировать с лучшими зарубежными аналогами, например стеклянной мозаичной плиткой итальянской фабрики «Бизацца». Она в настоящее время является признанным лидером в области создания облицовочных материалов.
Вместе с тем плитка фабрики «Бизацца» является одним из самых дорогих облицовочных стеклоизделий, практически недоступных для большинства российских потребителей. Высокая стоимость плитки итальянского производства обусловлена прежде всего большой степенью чистоты сырьевых материалов и непосредственно технологии.
Коврово-мозаичная плитка среди известных облицовочных материалов из стекла имеет наименьшую стоимость [21, 25]. Однако современный рынок сбыта требует разработки технологии более качественной отечественной продукции, в том числе высокохудожественных архитектурно-строительных стеклоизделий из декоративных стёкол и стекломатериалов, производимых по новейшим и ресурсосберегающим технологиям [9, 16-19, 24-32].
Исследования по разработке технологии декоративных архитектурно-строительных стеклоизделий
В соответствии с поставленной целью основной задачей диссертационной работы была разработка технологии цветных стеклоизделий (широкой цветовой гаммы) в виде стекломозаичных плиток малых размеров (20x20, толщина 4-5 мм, ГОСТ 17057-89), а также цветных стеклосмальт в качестве строительных отделочных материалов художественных архитектурно-строительных композиций [67].
Известно, что такие декоративные материалы и изделия могут быть получены как по стекольной, так и по стеклокерамической технологии [9, 61-64, 94].
Применение этих технологий предполагает использование как бесцветного, так и цветного глушеного стекла. Это расширяет возможности использования некондиционного сырья, стеклобоя и различных отходов. Исследования по разработке декоративной стеклоплитки и композиций на ее основе с использованием природного, технического сырья и стеклобоя проводили в соответствии со структурно-логической схемой, представленной на рис. 2.1.
Для приготовления экспериментальных шихт использовали как природное и техническое сырье, применяемое в стеклотарном производстве, так и реактивные материалы марок «чда», «ч» и «хч», а также стеклобой тарного производства Новоалександровского и Красногвардейского стеклотарных заводов ОАО «ЮгРосПродукт» (Ставропольский край). Химические составы песков месторождений Ставропольского края и стеклобоя приведены в табл.2.1.
Разработка оптимального состава стекольной шихты применительно к стекольной технологии производилась, исходя из принципов ресурсосбережения: экономии топлива и электроэнергии, а также применения в шихтах максимально возможного количества стеклобоя и некондиционного природного сырья, в частности песка.
С учетом этих условий, а также требований, предъявляемых к свойствам декоративных архитектурно-строительных стеклоизделий, необходимо было исследовать стеклообразование при варке шихт, выявить зависимость кристаллизационной способности стекломассы от их составов. С этой целью были изучены стеклообразование, синтез стёкол и их свойства в системе Na20-CaO-MgO-B203-Al203-Si02 как без добавок глушителей и красителей, так и при их вводе. Стекольные шихты рассчитанных составов приготовлялись из вышеприведенных материалов, которые отвешивали на технических вестах Т-200 и смешивали в фарфоровых барабанах на валковой лабораторной мельнице.
Кварцевый песок, обогащенный и с повышенным содержанием Fe203, подвергали сухому помолу до полного прохождения через сито №008.
С целью установления оптимальной температуры варки стёкол предварительно определяли температуру полного оплавления шихт. Оценка ва рочной способности проводилась визуально. Синтез стекол проводили в алундовых тиглях в электрических печах с силитовыми нагревателями в интервале температур 1250...1450С с выдержкой от 2,5 до 3-х часов. Расплавы стекол охлаждали в форме из жаростойкой стали.
Для исследования структуры и свойств стекол, смальт и прессованных стеклоплиток были приготовлены их порошки путем помола на вальцах в фарфоровых барабанах до полного прохождения через сито №006 (10000
Исследования фазового состава и структуры стёкол и стеклоплитки изучали микроскопическим, электронномикроскопическим методами и рент-генофазовым анализом (РФА) на установке «ДРОН-3», при следующих режимах работы аппарата: трубка рентгеновская с медным анодом БСВ-27(кВ); фильтр Ni; высокое напряжение на трубке 27 кВ; анодный ток 27 мА; шкала скорости счета 4000-10000 имс/с; постоянная времени 1 с; скорость поворота счетчика 2 град./мин.; скорость протяжения диаграммной ленты 600 мм/ч; интервал штрихов отметчиков 1 град; размер щелевых вертикальных диафрагм, мм: 1-я у рентгеновской трубки 2x10; 2-я у рентгеновской трубки 2x10; 3-я у счетчика 0,5x10.
Значения межплоскостных расстояний, соответствующих максимумам отражений на рентгенограммах для данного вида излучения, определяли по формуле Вульфа-Брэгга [72-74]. Рассчитанные значения межплоскостных расстояний сопоставляли с эталонными и проводили идентификацию фазового состава.
Исследование кристаллизационной способности стёкол в зависимости от состава шихт
Как известно, кристаллизация стёкол подчиняется общим законам физической химии в области фазового равновесия, сформулированных в работах Г.Таммана, В.В.Варгина, Н.М.Бобковой, Н.И.Минько, Р.Я.Ходаковской и др. [10,20,21,28,30].
Как известно, изменения в характере кристаллизации экспериментальных стёкол в процессе варки обусловлены их химическим составом и, прежде всего, различным содержанием оксидов-стеклообразователей АЬОз, В2О3 и S1O2, а также щелочных и щелочноземельных оксидов, по-разному влияющих на образование центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. Известно [93], что при добавлении А1203 в обычные силикатные стёкла, содержащие щёлочи, вязкость всегда резко возрастает при всех температурах. Эффект повышения вязкости резко выражен в области температур варки стекломассы, но в меньшей степени на стадии пластического состоя ния. Борный ангидрид, являясь легкоплавким, снижает температуру варки стекла и склонность силикатных стёкол к кристаллизации.
Шихты бесцветных стёкол составов 1...15 варили при температурах 1250, 1300, 1350, 1400 и 1450 С с изотермической выдержкой при указанных температурах 3 часа.
Как показали результаты визуального и микроскопического анализа, стёкла 1 ...6 (табл. 3.2) характеризуются высокой степенью непровара и оптически неоднородны в интервале температур варки при 1250... 1450 С.
Это убедительно подтверждается электронномикроскопическими исследованиями их структуры (рис. 3.1; а), характеризующейся повышенной пористостью.
Стёкла 12... 15 третьей серии характеризуются высокой степенью закристаллизованное в том же интервале температур варки (табл. 3.2), что подтверждается электронномикроскопическими исследованиями их структуры (рис. 3.1);
Наибольшей однородностью и отсутствием кристаллизации отличаются стёкла второй серии 7...11, однако при их синтезе в интервале температур 1250...1300 С образуется большое количество видимых газовых пузы # рей, что недопустимо для получения качественных изделий. Для полного ос ветления стёкол необходимо было повышение температуры варки до 1350... 1380 С при той же изотермической выдержке т = 3 часа, как и для стёкол серий I и III, что обеспечило получение качественных светопрозрач ных стёкол.
Для подтверждения результатов исследований зависимости кристаллизационной способности стёкол от состава шихты было проведено изучение фазового состава наиболее характерных стёкол II и III серий методом РФА.
Результаты исследований убедительно свидетельствуют о полном за # вершении стеклообразования в стеклошихте 11 при температуре 1350 С (т = 3 часа) и кристаллизации различных фаз в стекле 15 (рис. 3.2).
Как видно из рис. 3.2, на рентгенограмме образца, полученного при варке шихты 11, отсутствуют какие-либо дифракционные максимумы, что свидетельствует о его стеклообразном состоянии.
В образце, полученном на основе стекольной шихты 15, при той же температуре идентифицирована кристаллическая фаза - волластонита: (d =2,959; 3,83; 3,058 нм).
Таким образом, как по отсутствию кристаллизации, так и по пони # женной температуре варки наиболее приемлемыми в качестве основы для де коративной стеклоплитки являются бесцветные стёкла второй серии составов 7-11.
Полученные результаты проведенных экспериментов не вполне согласуются с ранее выдвинутыми предположениями в соответствии с расчётным значением Э, характеризующего варочную способность стёкол (см. табл. 3.1). Стёкла-шихты с наиболее низкими значениями 0, которые должны были хорошо стекловаться при пониженных температурах варки, к сожалению, не являются таковыми.
Эти противоречия можно объяснить, исходя из физико-химической сущности стеклообразования с учётом изменения соотношений между окси-дами-стеклообразователями и оксидами-модификаторами, влияющими на кристаллизационную способность (К), тугоплавкость (Т) и ликвационную способность (L):
Разработка составов сырьевых смесей и технологических условий синтеза декоративной стеклоплитки на основе стеклобоя
В данной главе изложены результаты исследований по получению декоративной стеклоплитки на основе стеклобоя с применением глушителей стекла и керамических красителей по принципиально отличному от вышеизложенного в главе 3 способу - низкотемпературной стеклокерамической технологии.
В основе этой технологии получения декоративной стеклоплитки предусматривается максимальное использование стеклобоя от 90 до 100 мае. % и применения термической обработки сырьевой смеси - спекания в интервале температур 700 - 900 С.
Это обеспечивает высокую эффективность разрабатываемой ресурсосберегающей технологии получения высококачественной цветной стеклоплитки, результаты которой изложены ниже.
При разработке составов сырьевых смесей для получения декоративной стеклоплитки широкой цветовой гаммы способом прессования и последующим спеканием нами были использованы стеклобой марки БТ-1 в порошкообразном состоянии, кварцевый песок и технический глинозём, применяемые на Новоалександровском и Красногвардейском стеклотарных заводах ОАО «ЮгРосПродукт» и керамические красители ОАО «Воронежский керамический завод».
К разрабатываемым составам сырьевых смесей и стеклоплитке предъявлялись следующие требования: - возможность максимального использования стеклобоя; - отсутствие в смесях дефицитных токсичных и летучих сырьевых компонентов; - невысокие температуры обжига - спекания прессованных плиток и отжига стеклоизделий; - интенсивное окрашивание стеклоизделий в процессе обжига при использовании пониженных количеств недорогих красителей; - формирование стеклокристаллической структуры при обжиге стек-лоплитки, обеспечивающей её глушение и необходимые физико-химические, декоративные и строительно-технические эксплуатационные свойства, удовлетворяющие требованиям строительных норм [4, 9, 29, 63, 67, 97].
Как известно, в состав сырьевых смесей для получения декоративной стеклоплитки по стеклокерамической технологии могут входить стеклобой, глушащие наполнители, керамические красители и связующие вещества, обеспечивающие прессование плитки [9, 103, 111, 112].
Нами при разработке составов сырьевых смесей для бесцветной стеклоплитки как основы декоративной плитки различных цветов были использованы: - стеклобой марки БТ-1, имеющий следующий химический состав, % по массе: 72,00 Si02; 2,50 А1203; 6,29 СаО; 4,71 MgO; 14,00 Na20; 0,10 Fe203; - кварцевый песок Благодарненского месторождения; - технический глинозём.
В качестве связующего вещества применяли парафин и воду для увлажнения сырьевой смеси перед прессованием.
С целью оптимизации составов пресс-масс для получения стеклоплитки было запланировано проведение исследований смесей, в которые сырьевые компоненты вводили в следующих количествах, мае. %: стеклобой -85... 100; песок-0... 15; глинозём-0... 10; вода-5...7; парафин-0...5.
Для установления оптимального состава сырьевой смеси и температуры обжига стеклоплитки предусматривалось варьирование соотношения стеклобоя с тугоплавкими наполнителями - глушителями стёкол, а также с пластификатором - связкой парафином.
