Введение к работе
Актуальность. В современном строительстве весьма востребованы эффективные облицовочные материалы, так как объем отделочных работ достаточно велик и составляет около 12-14 % от общего объема СМР. Создание экономичных и малоэнергоемких строительных облицовочных материалов различного функционального назначения является важной научно-технической задачей. Значительный интерес в этом отношении представляют облицовочные материалы на основе стекла. К ним относятся декоративные пеностекла, которые сочетают в себе одновременно изоляционные и декоративные свойства.
Вместе с тем пеностекло представляет собой гетерогенную систему, состоящую из стекловидной фазы и газовоздушной смеси, при минимизации газовой фазы в которой при определенной температуре можно получить облицовочные материалы с плотной структурой. Трансформация в данной работе традиционного взгляда на пеностекло как на материал исключительно для теплоизоляции позволяет на основе единого технологического подхода создавать облицовочные материалы как с высокопористой, так и с плотной структурой.
Решение проблемы создания облицовочных материалов, обладающих улучшенными теплоизоляционными и декоративными свойствами, в настоящей работе связано с комплексным использованием местных алюмосиликатных пород и стеклобоя, разработкой составов шихт и подбором красителей, механоактивацией компонентов шихты и химической модификацией структуры материала.
В качестве рабочей гипотезы в работе выдвинуто предположение о возможности получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой благодаря изменению характера диффузии в стекле в результате двухщелочного эффекта при применении добавок гидроксидов натрия и калия или их смесей.
Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральных целевых программ "Жилище" и "Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья" на 1996-2010 гг., молодежных грантов ВСГТУ (2006 г.) и Республики Бурятия (2008 г.).
Цель работы. Разработка составов и технологии получения строительных облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой на основе механоактивированных алюмосиликатных пород и стеклобоя.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка научного подхода к решению проблемы создания строительных облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой;
- установление закономерностей влияния основных химико-технологических факторов на структуру и свойства пеностекол на основе модельных систем "перлит-стеклобой" и "базальт-стеклобой";
- разработка составов смесей для пеностекол, позволяющих регулировать структуру и свойства облицовочных материалов на основе механоактивированных алюмосиликатных пород и стеклобоя;
- подбор микродобавок-красителей для получения окрашенных облицовочных материалов;
- исследование физико-механических и эксплуатационных свойств облицовочных материалов;
- определение основных технико-экономических показателей при внедрении в производство результатов исследований.
Научная новизна работы состоит в решении проблемы получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой путем химической модификации структуры пеностекол на нанотехнологическом уровне за счет использования двухщелочного эффекта.
Выявлены особенности формирования структуры и свойств пеностекол модельных систем при использовании эффекта двух щелочей и придания этим пеностеклам декоративных свойств с помощью оксидов некоторых металлов и продукта переработки полиметаллических руд.
Установлено, что при двухщелочном эффекте, обнаруживаемом при введении в систему реагирующих веществ гидроксида натрия и калия или их смесей в стеклах системы SiO2-Al2O3-Fe2O3-FeO-CaO-MgO-Na2O-K2O, к которой относятся синтезируемые материалы в зависимости от соотношения стекла и породы, соотношения щелочных компонентов и температуры обжига изменяется характер диффузии щелочных ионов в стекле. В зависимости от того, какой щелочной компонент был введен извне в составы смесей, в стекле возникают условия для само- и гетеродиффузии ионов Na+ и К+, вследствие которых картина поризации расплава существенно меняется.
Также установлено, что обнаруженный эффект двух щелочей может быть усилен или ослаблен в зависимости от изменения содержания в стекле оксидов группы MeO (Ме = Ca, Mg) при варьировании составов шихты. Оксиды данной группы, вносимые в большей степени со стеклобоем, способны понизить активность щелочных ионов Na+ и К+ и повлиять таким образом на поровую структуру синтезируемых материалов.
На основании выявленных закономерностей влияния химического и фазового состава сырья, составов смесей, механоактивации сырьевых материалов, вида и содержания щелочного компонента, микродобавок-красителей, температуры обжига на процессы поризации, уплотнения и окрашивания пеностекол предложены методики выбора основных видов сырья, щелочных компонентов и микродобавок оксидов некоторых металлов и цинково-свинцового концентрата для получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой.
Получены зависимости основных физико-технических свойств синтезированных материалов от химико-технологических факторов, позволяющие создавать строительные облицовочные материалы с заранее заданными свойствами.
Практическая значимость. Разработаны составы и технологические параметры производства облицовочных материалов с пористой и плотной структурой (далее по тексту ОМППС).
На основании выявленной роли эффекта двух щелочей в формировании структуры и свойств облицовочных материалов, проведения окрашивания микродобавками оксидов металлов и цинково-свинцового концентрата и с использованием белого и цветного стеклобоя в составах шихт в условиях низкотемпературного обжига получены строительные облицовочные материалы:
- декоративные теплоизоляционные пеностекла со средней плотностью 300-700 кг/м3 и прочностью 1,5-7,0 МПа в системе "стеклобой - перлит" и со средней плотностью 400-725 кг/м3 и прочностью 3,5-7,5 МПа в системе "стеклобой - базальт";
- облицовочные плиты со средней плотностью 700 - 1200 кг/м3 и прочностью 7,0 – 12,0 МПа с использованием составов шихт в системе "стеклобой - перлит" и со средней плотностью 725 - 1650 кг/м3 и прочностью 7,5 - 22 МПа в системе "стеклобой - базальт".
Внедрение результатов исследований.
Результаты проведенных исследований проверены в производственных условиях ООО "Экодом" (г. Улан-Удэ).
Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на Х Академических чтениях РААСН "Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения" (Пенза - Казань, 2006); междунар. науч.-практ. конф. "Строительный комплекс России: наука, образование, практика" (Улан-Удэ, 2006); "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии" (Белгород, 2007); Всерос. науч.-практ. конф. "Строительное материаловедение – теория и практика" (Москва, 2006); "Современные инновационные технологии и оборудование" (Тула, 2007); "Повышение эффективности строительных материалов" (Пенза, 2008) и др.
На защиту выносятся:
- закономерности формирования структуры и свойств строительных облицовочных материалов из механоактивированного алюмосиликатного сырья и стеклобоя в условиях двухщелочного воздействия;
- результаты физико-химических, экспериментальных исследований по разработке составов и технологии получения декоративных пеностекол и материалов с плотной структурой на их основе;
- зависимости физико-механических и декоративных свойств облицовочных материалов от рецептурно-технологических факторов (содержания алюмосиликатных пород и стеклобоя, механоактивации пород, температуры обжига, содержания гидрооксидов натрия и калия, содержания микродобавок ЦСК и оксидов металлов);
- результаты оптимизации параметров технологии строительных облицовочных материалов на основе алюмосиликатных пород и стеклобоя с микродобавками цинково-свинцового концентрата и оксидов металлов Cr2O, TiO2, CuO, Fe2O3, CdS, СdCO3;
- результаты исследований физико-химических и физико-технических свойств разработанных строительных облицовочных материалов от пористой до плотной структур;
- результаты проведения опытно-промышленных испытаний.
Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность основных положений и выводов работы обусловлены объемом выполненных экспериментов с использованием рентгенографического, ИК-спектроскопического анализов, электронной микроскопии, а также методов математического планирования и статистической обработки.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах по списку ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографии из 134 наименований и приложений. Работа изложена на 151 странице текста, куда входят 45 рисунков, 34 таблицы.
