Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе развития науки эффективным тепло- и звукоизоляционным строительным материалом, способным улучшить экологическую обстановку и снизить вредное воздействие токсических веществ на человека, является приобретающее все большую популярность на рынке строительных материалов – пеностекло - высокопористый материал, состоящий из воздушных ячеистых замкнутых или сообщающихся между собой пор (80 – 95 %), разделенных перегородками из стекловидного вещества. Такая структура придает пеностеклу уникальные свойства: негорючесть, влагонепроницаемость, низкий коэффициент теплопроводности (0,04 – 1,0 Вт/мК), экологическую нейтральность, химическую стойкость, высокую прочность на сжатие (0,5 – 1,5 МПа), долговечность (сохранение потребительских свойств более 100 лет), позволяющие применять его достаточно широко, даже в тех случаях, когда использование других теплоизоляционных материалов невозможно.
Однако уровень потребления теплоизоляционных материалов на душу населения в России фактически в десять раз меньше, чем в Финляндии или Норвегии, или в три раза ниже, чем в европейских странах, где климат мягче. Доля пеностекла среди применяемых теплоизоляционных материалов в нашей стране составляет лишь 10 – 15 %, хотя и постепенно растет. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью производимого пеностекла, обусловленной дефицитностью сырья – стекольного боя. Решением проблемы с сырьем может быть использование золошлаковых отходов ТЭС в качестве основы ячеистого стекла (пеностекла), что станет мощнейшим драйвером в развитии данной отрасли.
Кроме того использование золошлаковых материалов (ЗШМ) ТЭС при производстве ячеистого золошлакового стекла позволит решить важную экологическую задачу по утилизации и рециклингу многотоннажных отходов, создающие неблагоприятную экологическую обстановку во всем мире.
Основной областью применения ячеистого золошлакового стекла может быть его использование в качестве универсального теплоизолятора в промышленном, строительном и жилищно-коммунальном комплексах, а также в сельском хозяйстве, индивидуальном строительстве, теплоэнергетике, химической, нефтехимической, пищевой, сельскохозяйственной, фармацевтической, дорожной и других отраслях промышленности, для устройства теплоизоляции в зданиях и сооружениях с любым влажностным режимом помещений, где важно сочетание его экологической чистоты и теплоизоляционных качеств.
В связи с этим весьма актуальными являются исследования по разработке составов и технологии производства ячеистого золошлакового стекла и строительных теплоизоляционных материалов и изделий на его основе.
Цель работы: разработка научных основ и технологии эффективных теплоизоляционных материалов из ячеистого золошлакового стекла.
Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
исследование возможности применения золы и шлака ТЭС в качестве основы для синтеза ячеистого стекла;
исследование влияния соотношения шлак:стеклобой и зола:стеклобой на способность шихтовой смеси к стеклообразованию;
разработка оптимальных составов шихт для синтеза ячеистого золошлакового стекла;
установление зависимости спекаемости и пористости ячеистого золошлакового стекла от содержания добавок и порообразователя;
разработка температурно-временные режимы синтеза ячеистого стекла;
изучение текстуры, макро- и микроструктуры синтезируемых ячеистых золошлаковых стекол;
исследование физико-механических и теплоизоляционных свойств блоков и гранул из ячеистого золошлакового стекла оптимального состава;
расчет технико-экономических показателей эффективности производства материалов и изделий на основе ячеистого золошлакового стекла.
Научная новизна
-
Выявлены физико-химические зависимости твердофазового и жидкостного процесса спекания ячеистого золошлакового стекла от взаимодействия компонентов и температуры обжига, представляемого как термопластичное. Установлено, что решающую роль в процессе высокотемпературного термопластичного спекания играет вязкость, обеспечивающая интенсификацию диффузионного массопереноса, приводящего к повышению плотности (610,3 – 1555,0 кг/м3) и предела прочности при сжатии (0,29 – 4,20 МПа).
-
Выявлена особенность физико-химического процесса формирования ячеистой структуры золошлакового стекла с требуемыми пористостью и прочностью, заключающаяся в дегидратации кристаллической буры, ее разложении и окислении антрацита с максимальным выделением газов СО2, СО, О2 в интервале температур 900 – 950 С. Диффузия газовой фазы в термопластичной стекломассе с пониженной вязкостью 10 4,0 Пас обеспечивает образование мелкопористой пористой структуры и ее фиксацию при резком охлаждении стекломассы до 600 С с повышением вязкости до 108,2 Пас.
-
Установлена температурная дифференциация интервала спекания стеклошихт систем зола-стеклобой (1100 – 1400 С) и шлак-стеклобой (900 – 1200 С), составляющая 200 – 250 С при содержании золы и шлака 50 – 90 мас. %. Это обусловлено различиями их микроструктур, предопределяющих развитую поверхность контакта системы шлак-стеклобой и увеличение взаимодействия компонентов, в отличие от точечного контакта в системе зола-стеклобой, обусловленного полой сферической формой частиц.
-
Разработаны параметры формирования оптимальной структуры с истинной (68,1 %) и закрытой пористостью (63,1 %) и прочностью (4,2 МПа) за счет термопластичного состояния и образования микрорасплава Na2O – В2О3 – SiO2, обеспечивающих необходимую теплопроводность (0,085 Вт/мК).
Практическая значимость работы
-
Разработаны энергоэффективные ресурсосберегающие технологии блочного и гранулированного ячеистого золошлакового стекла, позволяющие заменить до 60 мас. % стеклобоя в составе шихты золошлаковыми материалами при введении добавок буры и антрацита по
5 мас. % сверх 100 %. -
Определены технико-эксплуатационные показатели гранулированного и блочного теплоизоляционного ячеистого золошлакового стекла: плотность 535,5 кг/м3, предел прочности при сжатии 4,12 МПа, закрытая пористость 63,1 % и коэффициент теплопроводности
0,085 Вт/ мК. -
Предложена аппаратурно-технологическая схема производства теплоизоляционных изделий и материалов из ячеистого золошлакового стекла строительного назначения.
-
В результате технико-экономической оценки результатов исследования установлено, что получена конкурентоспособная продукция с рыночной стоимостью теплоизоляционных изделий – блоков 2967,5 руб/м3 и материалов – гранул 14,84 руб/кг из ячеистого золошлакового стекла строительного назначения.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на международных, всероссийских и региональных конференциях и выставках:
- Ежегодная региональная научно-техническая конференция (конкурс научно-технических работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна – 2009 – 2012», г. Новочеркасск;
- Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА – 2009 – 2012», г. Новочеркасск;
- Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ),
г. Новочеркасск, 2009 – 2012 гг;
- Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech’10,
г. Москва, 2010;
- Международная научно-техническая конференция «Физико-химические проблемы в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов», посвященной 125-летию НТУ «ХПИ» и 100-летию академика НАН Украины А.С. Бережного, г. Харьков, 2010;
- Пятая и шестая международная конференция "СТЕКЛОПРОГРЕСС – ХХI", г. Саратов, 2010, 2012;
- Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "ПЕРСПЕКТИВА – 2010", г. Нальчик, 2010.
По тематике исследований данной диссертационной работы был выполнен государственный контракт № 16.516.11.6042 от 21 апреля 2011г. «Разработка ресурсосберегающей технологии пеношлакостекла для эффективной теплозащиты ограждающих конструкций и аккумуляции тепла и холода в зданиях» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2013 годы» Министерства образования и науки РФ. Государственный контракт № П2388 от 18 ноября 2009 г. «Разработка комплексной технологии переработки золы и шлака твердых топлив ТЭС и синтез на их основе строительных и композиционных материалов» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы».
Основные положения, выносимые на защиту
-
Экспериментально установленное влияние вида и количества золошлаковых материалов в шихте на температуру обжига, вспенивание и формирование структуры ячеистого золошлакового стекла.
-
Полученные результаты комплексного влияния составов стекломатриц и температуры обжига на свойства теплоизоляционных ячеистых золошлаковых стекол строительного назначения.
-
Установленные физико-химические основы процессов спекания и порообразования ячеистых золошлаковых стекол с добавками плавней и порообразователей.
-
Разработанная технология получения теплоизоляционных материалов и изделий (блоков и гранул) из ячеистого золошлакового стекла строительного назначения.
-
Результаты исследования физико-механических свойств теплоизоляционных блоков и гранул из ячеистого золошлакового стекла.
-
Выявленные результаты технико-экономической эффективности производства и применения блочного и гранулированного ячеистого золошлакового стекла.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 22 работы, в том числе 10 статей в рецензируемых журналах по списку ВАК РФ и получен 1 патент РФ № 2448919, а также получено положительное решение на выдачу патента на изобретение № 2011117712/03 (026260) от 03.05.2011 г. Основные из этих работ приведены в автореферате.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического описания литературных источников и приложений. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, включающего 27 таблиц, 33 рисунка, список литературы из 142 наименований, 20 страниц приложений.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору
Зубехину А.П. за научные консультации и практические рекомендации при выполнении работы.
