автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности

На правах рукописи

Дамдинова Дарима Ракшаевна

ПЕНОСТЕКЛО НА ОСНОВЕ ЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСЙЛИКАТНЫХ ПОРОД И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и

изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан - Удэ, 1998

Работа выполнена в Восточно - Сибирском государственном технологическом университете.

Научные руководители - заслуженный деятель науки

Республики Бурятия, доктор технических наук, профессор Цыремпилов А.Д., кандидат химических наук Константинова К.К.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор КозловВ.В., кандидат технических наук Гончикова Е.В.

Ведущая организация - ОАО "Загорск", республика Бурятия.

Защита состоится "у 0 " Я'' 1998 г. в /^час.

на заседании диссертащгонного * Совета К. 064.68.02 Восточно - Сибирского государственного технологического университета по адресу: 670013 г. Улан - Удэ, ул. Ключевская, 40.а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 1998г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук,

доцент /УК Заяханов М.Е.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной строительной индустрии стали чрезвычайно актуальны проблемы, связанные с энерго-, ресурсосберегающими и экологически безопасными технологиями производства строительных материалов и изделий. Введение в действие энергосберегающих норм по тепловому сопротивлению ограждающих конструкций, согласно изменений СНиП II -3 - 79, сделало использование традиционных стеновых материалов технически и экономически

нецелесообразными. В связи с этим возникла потребность в эффективных теплоизоляционных материалах.

Одним из перспективных видов строительных теплоизоляционных материалов является пеностекло -высокопористый неорганический материал, обладающий рядом достоинств перед другими изоляционными материалами: достаточно высокой прочностью при низких значениях объемной массы, негорючестью и биостойкостью. Но несмотря на явные преимущества пеностекла, применение его в строительной индустрии не получило достаточно широкого развития из - за повышенных энергозатрат при производстве. Так, в производстве пеностекла по известным технологиям, описанным Китайгородским И.И., Кешишяном Т.Н., Демидовичем Б.К., Шиллом Ф., используются минеральные сырьевые компоненты, требующие высокотемпературного процесса варки стекла при температуре порядка 1450°С, грануляции и обжига (вспенивания) пеностекла по порошковому способу (т.н. 2- стадийный процесс). При варке стекла обычно использовалось кондиционное сырье стекольной промышленности: песок, щелочной компонент и для вспенивания - специальные газообразователи.

В работах ученых, работавших в области синтеза пеностекла (Китайгородского И.И., Жукова А.В., Ришиной В.А.) было предсказано и впоследствии получено Саакяном Э.Р., Ованесовой И.Э. пеностекло по одностадийному способу, без энергоемкой стадии варки основного стекла. Анализ работ, выполненных в этом направлении, позволил автору сделать вывод о том, что при производстве пеностекла в качестве сырьевых компонентов могут быть использованы как природные горные породы, так и материалы искусственного происхождения (техногенные отходы, стеклобой и.т.д.).

Стеклообразующая способность шихты определяется оксидным составом, позволяющим предопределять физико - химические и физико -механические свойства пеностекла. Соответственно для получения стеклоизделий приоритетным фактором является химический состав шихты. Однако фазовый состав компонентов шихты, определяемый генетикой или термодинамической характеристикой (тепловым прошлым) минерального компонента играет не последнюю роль в получении стеклоизделий. В связи с этим автор находит чрезвычайно важным исследование вопроса получения пеностекла в зависимости от состава оксидов и фазового состава компонентов шихты.

Потребность в строительных теплоизоляционных материалах и обеспечение снижения их стоимости решается путем расширения материально - сырьевой базы за счет использования местных природных ресурсов и замены дорогостоящих компонентов менее дорогим сырьем (техногенными отходами).

Работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований НИЛСТРОМ ВСГТУ совместно с Бурятским институтом природопользования СО РАН по направлению "Комплексное использование минерального сырья и

отходов промышленности Бурятии для получения эффективных строительных материалов".

Дели и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось получение теплоизоляционного материала - пеностекла на основе многокомпонентной шихты с использованием щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности, исследование влияния состава исходных компонентов и условий подготовки сырьевых компонентов на процесс вспенивания, подбор оптимальных составов и температурных режимов вспенивания.

Научная гипотеза использования перлита, сиенитовых пород (нефелина, сыннырита), стеклобоя и свинцово - железистых отходов горно - обогатительного комбината основана на предположении взаимного активного участия основных оксидных компонентов в процессе стеклообразования и вспенивания при получении пеностекла.

Научная новизна работы:

* впервые предложена в качестве шихты многокомпонентная система, состоящая из эффузивной породы (перлита), стеклобоя, щелочных активаторов (алюмосиликатов - нефелиновых сиенитов, сынныритов) и свинцово - железистых отходов горно - обогатительного комбината;

* установлены оптимальные составы шихты, режимы и условия получения пеностекла;

* выявлено влияние различных способов измельчения на дисперсность шихты, структуру и физико - механические свойства пеностекла;

* разработаны и предложены составы пеностекла с добавкой свинцово-железистых отходов горно обогатительного комбината в качестве плавня;

* изучены физико - химические процессы стекло- и фазообразования в зависимости от состава оксидов;

На основе теоретических положений по созданию и развитию производства пеностекла на основе алюмосиликатных пород и отходов промышленности проведены работы по следующим направлениям:

1. Исследование основных процессов, происходящих при стеклообразовании и вспенивании композиции в системе "перлит - стеклобой - сиенитовая порода" с добавкой свинцово - железистых отходов горно - обогатительного комбината.

2. Установление рациональных соотношений компонентов шихты для получения пеностекла с требуемыми свойствами.

3. Определение рациональных температурных режимов вспенивания пеностекла.

4. Оптимизация составов шихт и температурных режимов вспенивания пеностекла методами математического планирования.

Автор защищает;

* результаты теоретических и экспериментальных исследований выбора многокомпонентного состава шихты для производства пеностекла на основе перлита, стеклобоя, сиенитовых пород(нефелинового сиенита, сыннырита) и свинцово - железистых отходов ГОКа;

* составы многокомпонентной шихты в системах "перлит - стеклобой - сиенитовая порода" и "перлит -стеклобой - сиенитовая порода - отходы ГОКа";

* результаты изучения влияния температурных режимов на свойства пеностекла;

* результаты исследования влияния введения свинцово - железистых отходов в состав шихты на снижение температуры вспенивания пеностекла;

* результаты исследования влияния механоактивации на свойства пеностекла;

* рекомендации по технологии изготовления изделий из пеностекла на основе многокомпонентной шихты;

* результаты физико - химических методов исследований пеностекла.

Практическое значение работы:

* получены составы шихты для пеностекла, позволяющие снизить температуру вспенивания до 750 -800°С и получить равномерно пористую структуру пеностекла с преимущественно закрытыми порами;

* предложена композиция для изготовления изделий из пеностекла (подана заявка на изобретение).

* получены изделия из пеностекла на основе шихты из перлита, стеклобоя, сиенитовых пород с добавкой отходов ГОКа;

* выполненная работа координируется задачами комплексной программы по проблеме " Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности Бурятии для получения эффективных строительных материалов".

Реализация работы. Результаты исследований приняты и учтены лабораторией кирпичного завода ОАО "Загорск". Расчетный годовой экономический эффект от внедрения пеностекла в производство составит 1862 тыс. руб. в год при производительности 50 тыс. м3 в год.

Проведены испытания опытных образцов пеностекла в лаборатории завода с составлением акта об их выпуске.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно -практических конференциях ВСГТУ г. Улан-Удэ (1995 -1998 г.г.); на научной конференции БИЕН СО РАН г. Улан-Удэ (январь, 1997г.); на VII международной конференции

по высокотемпературной химии силикатов в г. Санкт -Петербурге (апрель, 1998 г.);

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 статей и подана заявка на изобретение по составу сырьевой шихты.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературных источников из 130 наименований и содержит 450 страниц машинописного текста, включая /а рисунков, ¿0 таблиц, 1 приложение на 2 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросу синтеза высокопористого материала -пеностекла посвящены работы Китайгородского И.И., Кешишяна Т.Н.', Демидовича Б.К., Бутта Л.М., Шилла Ф. Известны работы сотрудников Минского НИИСМа, НПО "Камень и силикаты" (Армения), МГСУ (Москва) по получению пеностекла на основе природных сырьевых материалов и отходов промышленности. По своему химическому составу пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности аналогично составам стекол системы "ЫагО - СаО - 8102", в которой разрабатывались составы шихт для получения пеностекла на основе кондиционного сырья стекольной промышленности, природных вулканических стекол, осадочных кремнеземистых пород и стеклобоя.

В первой главе диссертации рассмотрены теоретические и методологические основы постановки и проведения исследований, сформулированы цели и задачи исследования. Дана обширная характеристика составов шихт, используемых в производстве изделий из пеностекла.

Рассмотрены теоретические основы формирования оптимальной ячеистой структуры пеностекла на основе стекловидных материалов и пород с кристаллической структурой. На основе теоретических предпосылок принята рабочая гипотеза, предполагающая возможность получения пеностекла на основе многокомпонентной шихты, состоящей из перлита, стеклобоя и сиенитовых пород (нефелинового сиенита, сыннырита) с добавкой свинцово - железистых отходов горно - обогатительного комбината. Анализ литературных данных показал, что усложнение состава шихты при синтезе пеностекла способствует снижению температуры вспенивания за счет образования легкоплавких эвтектик и тормозит процесс кристаллизации, что является благоприятным для формирования равномерной пористости структуры пеностекла при низкотемпературном вспенивании. На основании работ Китайгородского И.И., Кешишяна Т.Н.,' Демидовича Б.К., Акулича С.С. Горлова Ю.П. и других исследователей выявлено, что формирование ячеистой структуры пеностекла протекает в гетерогенной среде в присутствии трех фаз - жидкой, газообразной и твердой, и определяется общими закономерностями пенообразования в пиропластических силикатных системах. Максимальный эффект вспенивания возможен при достижении соответствия между температурами перехода стекла в пиропластическое состояние и начала активного газообразования. Устойчивость стекла к кристаллизации в температурном интервале вспенивания необходима для получения пеностекла с замкнутой и однородной структурой. Также выявлено, что на процесс вспенивания (поризации) силикатных расплавов большое влияние оказывают оксидный состав расплавов, условия подготовки шихты и правильность выбора температурных режимов вспенивания.

Вторая глава посвящена изучению химико минералогического состава исходных компонентов и методам исследований. В соответствии с выдвинутой гипотезой о возможности синтеза пеностекла на основе природных щелочных алюмосиликатных пород и стеклобоя , а

также свинцово - железистых отходов горно обогатительного комбината в качестве основных компонентов рассмотрены перлит стекловидный Мухор -Талинского месторождения Республики Бурятия и стеклобой тарного стекла. Интенсифицирующим фактором при использовании данных материалов является то, что они содержат готовую стеклофазу, наличие которой значительно упрощает процессы расплавления стекломассы и вспенивания пеностекла. В качестве щелочных алюмосиликатных компонентов предложены местные сиенитовые породы - нефелиновый сиенит Мухальского месторождения и сыннырит Сыннырского массива Республики Бурятия. Опыт использования нефелиновых сиенитов в производстве тарного стекла с целью введения в состав стекла оксида алюминия и экономии щелочных компонентов за счет введения в состав шихты данной щелочной породы позволил автору сделать вывод о том, что введение сиенитовых пород в пеностекольную шихту может способствовать улучшению качества пеностекла -повышению его прочности и росту химической устойчивости, а также экономии чистой щелочи, вводимой в шихту при низкотемпературном вспенивании.

Главным отличием предлагаемых составов шихты от ранее разработанных является то, что многокомпонентная шихта включает в себя как стекловидные, так и вещества с кристаллической структурой, которые отличаются повышенным содержанием щелочей.

Введение в состав шихты евин цо в о - железистых отходов ГОКа было продиктовано их флюсующим и модифицирующим действием на алюмосиликатную систему, приводящим к удлинению интервала вязкости и, как следствие, к снижению температуры вспенивания, что является одним из составляющих новизны проектируемого состава пеностекла.

В системах, изученных ранее Китайгородским И.И., Кешишяном Т.Н., Буттом Л.М., при синтезе пеностекла использовалась шихта из чистых мономинеральных сырьевых материалов с использованием газообразователей. Известно, что карбонатные газообразователи, традиционно используемые для вспенивания пеностекла, приводят к так называемому "крутому вспениванию" и, как следствие, к формированию структуры пеностекла с сообщающимися порами, что отрицательно сказывается на показателе водопоглощения пеностекла. Вопрос стабилизации пены при вспенивании пеностекла решался с помощью углеродистых газообразователей. О положительном влиянии использования таких газообразователей указано также в работах Демидовича Б.К., Л кулич С.С., Саакян Э.Р. Однако использование углеродистых газообразователей требует повышенных температур вспенивания (850 - 1100 °С).

Химический состав рассматриваемых сырьевых материалов приведен в таблице 1. Наличие воды в структуре стекловидного перлита, на наш взгляд, позволит вспенить стекломассу без введения в шихту специальных газообразователей.

Важнейшей характеристикой типа структуры кристаллических и стеклообразных силикатов является отношение числа атомов кремния к числу атомов кислорода: fs¡ = Si/O, так как величина fs¡ отражает степень связности кремнекислородного каркаса. Именно наличие

Таблица 1

Химический состав сырьевых материалов

Наимен. пород и материале в Содержание оксидов на сухое вещество, масс.% Модули

БЮг АЬО 3 ¥е20 3 РеО СаО ЩО Ыа20 к2о тю2 РЬО Мп О 7.пО БОз п.п.п Мя о Мяо

Перлит-стекло 71,7 4 13,6 0 1,17 1,46 0,72 0,35 6,50 - - - - - - 6,16 1,39 16,46 0,41 9

Стеклобой тарного стекла 72,5 0 2,00 6,00 3,50 15,5 0,5 21,6 107,9 0,41 1

Нефелин, сиенит 45,3 2 22,3 2 3,70 - 10,3 1 - 13,1 - 0,5 - - - - 5,50 1,37 5,87 0,29 0

Сыннырит 54,5 0 22,1 0 0,78 - 0,74 - 0,52 18,9 - - - - - - 1,06 7,11 0,33 5

Отходы ГОКа 5,85 - 23,6 2 - 3,30 8,37 - - - 24,1 8 17,4 6 17,1 5 - - - - 0,07 0

каркаса в структуре кристаллических силикатов, по мнению A.A. Аппена, обуславливает их высокую вязкость в расплавленном состоянии и способность легко переходить в стеклообразное состояние. Так, у силикатов способность к стеклообразованию увеличивается по мере увеличения соотношения Si/O от 1/4 до 1/2.

. В связи с этим проводился расчет степени связности кремнекислородного каркаса в структуре рассматриваемых сырьевых материалов. Близкие по значению fs¡ у стекловидного перлита и стеклобоя(табл.1)указываютна то, что природные и искусственные стекла являются структурно - эквивалентными. Степень связности fs¡ у нефелинового сиенита и сыннырита составляет соответственно 0,29 и 0,335. По сравнению со стекловидными материалами они характеризуются меньшей склонностью к стеклообразованию. Несмотря на отсутствие склонности к стеклообразованию у отходов ГОКа (fs¡ -0,07), наличие в их составе таких плавней, как PbO, Fe203» может способствовать снижению температуры вспенивания пеностекла.

Изучение структуры исходных материалов и синтезируемого пеностекла осуществлялось комплексным методом, включающим в себя химический, дифференциально - термический, рентгеноструктурный анализы и метод инфракрасной спектрометрии. Исследуемые материалы переводили в тонкомолотое состояние механическим измельчением в шаровой мельнице типа МБЛ и стержневой вибрационной мельнице типа 75Т-ДрМ. Дисперсность полученных порошков оценивали по удельной поверхности, определенной на приборе ПСХ - 2 по воздухонепроницаемости слоя порошка. Дифференциально -термический анализ проводился на. дериватографе фирмы "Paulik-Erdei" в интервале температур от 20°С до 1000 °С со скоростью подъема 10 °С в минуту. Рентгено -структурный

анализ проводился на дифрактометре ДРОН - 2 с использованием Си кХ. - излучения с никелевым фильтром со скоростью угломера 2° в минуту в интервале от 2° до 50°С. Съемка ИК - спектров произведена на приборе 1Ж -20 в области 400 - 4000 см"1.

Стеклошихта для получения пеностекла подготавливалась следующим образом: куски стеклобоя, перлита и сиенитовой породы после предварительного дробления до размера не более 2 мм дозировались по массе в соответствующих пропорциях и измельчались в шаровой

мельнице типа МБ Л до удельной поверхности 350 - 400 м2/кг. Подготовленная таким образом шихта подвергалась механоактивации в стержневой

вибрационной мельнице типа 75Т-ДрМ в течение 15-25 мин. Приготовленная шихта тщательно перемешивалась и затворялась водным раствором щелочи. Образцы пеностекла готовили прессованием при определенных содержаниях водного раствора гидроксида натрия Изготовленные образцы подвергали вспениванию в лабораторной муфельной печи с температурой максимального подъема до 1100°С.

Физико - механические свойства пеностекла определяли по известным методикам на стандартном оборудовании.

В третьей главе изложены результаты исследований физико - химических процессов получения пеностекла. На основании литературных данных о химическом составе пеностекол и анализа диаграмм состояния стекол в системах "№20 - СаО - БЮг" , "На20 - А1203 - БЮг" были выбраны модельные составы шихт, с разным соотношением

стеклообразных компонентов и породы с кристаллической структурой [табл.2].

Таблица 2

Составы модельных шихт__

№ состава Содержание компонентов шихты , масс.%

Перлит (АО Стеклобой (А2) Нефелин, сиенит (А3)

1 27,0 53,0 20,0

2 31,0 56,0 13,0

'1 >> 30,0 62,0 8,0

При расчетах принималось, что в состав пеностекла в процессе его вспенивания из сырьевых материалов переходят оксиды, практически малолетучие при температуре обжига с учетом удаления газообразных соединений и влаги при температуре обработки [табл.3].

Таблица 3

Матрица к расчету содержания оксидов в пеностекле

Компоненты шихты Содержание оксидов, масс. %

бю2 а1203 Ре203 РеО СаО мйо ка20 воз

а) 76,16 13,38 1,24 1,55 0,76 0,37 6,90 -

а2 72,50 2,00 - - 6,00 3,50 15,50 0,5 0

аз 47,80 23,60 3,70 - 11,0 - 13,80 -

Химический состав пеностекол составов 1-3 рассчитан с учетом введенных (сверх 100% к массе шихты) 3% СаС03 в качестве газообразователя и 10% ШОН в качестве плавня [табл.4].

Таблица 4

Химический состав пеностекол

Состав шихты Содержание оксидов, масс. %

8Ю; АЬОз Ре203 РеО СаО МкО №20 БОз

1 62,64 8,55 0,98 0,37 6,65 1,79 18,74 0,24

2 64,46 7,54 0,76 0,44 6,09 1,89 18,59 0,25

3 65,55 6,54 0,59 0,42 5,89 2,05 18,69 0,27

Теоретические составы пеностекла, полученные на основе расчета, не отражают всей картины, происходящей со стеклошихтой в процессе ее подготовки, спекания, расплавления и вспенивания. В связи с этим представляло интерес исследование влияния соотношения компонентов шихты, условий ее предварительной подготовки и температурных режимов вспенивания на технологические свойства стекломассы, физико - механические, термические свойства и гидролитическую устойчивость пеностекла.

При синтезе различных силикатных материалов происходит расщепление силоксановой группировки, которое в щелочной среде сопровождается образованием силанолятной группы:

= в! - О - 81 ^ + МеОН ^ = - О - Ме + ОН - 8« г,

где Ме - щелочной металл.

С этих позиций изучалось влияние содержания вводимого в систему "перлит - стеклобой - нефелиновый сиенит" гидроксида натрия. Вспенивание образцов пеностекла модельных составов (см. табл.2) проводилось в муфельной печи по режиму (2 + 0,4 + 8ч) при температуре обжига 800°С. Анализ полученных зависимостей плотности пеностекла от содержания ИаОН показывает, что наиболее эффективной для всех модельных составов оказалась

добавка ИаОН в количестве 10%. Увеличение содержания КаС)Н до 15% (по массе) приводит к расплавлению стекломассы и потере формы образцов пеностекла, что нежелательно при вспенивании пеностекла без форм. Кроме того, такое увеличение не способствует значительному уменьшению плотности пеностекла и является экономически не выгодным ввиду дороговизны и дефицитности щелочного компонента. При избытке №ОН в пеностекле появляются полосы поглощения у частот 2800 - 3000 см'1, соответствующие колебаниям гидроксильных групп. Отсутствие гидроксида натрия в составе шихты приводит к образованию материала керамического типа. При практически равных условиях получения пеностекло состава 3 (табл.2) с наименьшим количеством содержания нефелинового сиенита имеет наименьшую плотность. Это объясняется тем, что пеностекло состава 3 по сравнению с пеностеклами составов 1 и 2 содержит меньшее количество тугоплавкого оксида алюминия, внесенного с кристаллической породой.

Одновременно изучалось влияние способа подготовки шихты. Каждый из модельных составов подвергался двум разным способам измельчения: измельчению медленным ударом с истиранием в шаровой мельнице и измельчению в шаровой мельнице с последующей механоактивацией в стержневой мельнице с ударно - сдвиговым характером нагружения. Механоактивация изучалась с позиций влияния ее на разрушение структуры исходных пород и материалов, инициирование процессов выщелачивания и структуру синтезируемого пеностекла.

В процессе измельчения силикатных материалов до высокой степени дисперсности связь 81-0 рвется по ионному механизму:

н2о

3 & - О - 3 -> = вг + 3 вг--> 2 =81-ОН

Было установлено, что механоактивация шихты в водном растворе гидроксида натрия приводит к повышению плотности пеностекла, что связано с тем, что при мокрой активации происходит в основном увеличение удельной поверхности с образованием сверхтонких фракций, способствующих кристаллизации. Данное явление согласовывается с выводами Болдырева В.В. о том, что при мокрой активации происходит простое диспергирование, а при сухой активации - нарушение структуры пород с образованием дефектов кристаллической решетки. Плотность пеностекла, полученного на основе шихты состава 3 с использованием сухой активации составила 250 кг/м3, а с использованием мокрой активации - 345 кг/м3. На рентгенограмме пеностекла при мокрой активации обнаружены рефлексы, соответствующие минералу уссингиту. Образование этого минерала автор связывает с забором углекислоты воздуха щелочным компонентом и потерей активности самого щелочного компонента, приводящим к росту плотности пеностекла. При сухой активации шихт модельных составов выявлено снижение плотности пеностекла на основе этих составов. Так, для пеностекол составов 1, 2 и 3 плотность понизилась соответственно от 601 до 411 кг/ м3, от 500 до 369,5 кг/ м3 и от 411 до 250 кг/ м3. За счет равномерной мелкой пористости пеностекла, достигнутой в результате механоактивации, повысилась прочность при сжатии (R^, МПа): от 2,13 до 2,93, от 1,08 до 1,80 и от 1,78 до 2,43. При увеличении продолжительности активации в стержневой , мельнице с 15 до 25 мин. происходит снижение энергии активации синтеза новообразований, что подтверждается появлением на рентгенограммах пеностекла рефлексов с

о о о

d/n 4,04А, 2,52А, 2,10А, чего не наблюдали при измельчении шихты в шаровой мельнице. Чрезмерная

аморфизация структуры пород не желательна, т.к. она приводит к спонтанной кристаллизации. Данное обстоятельство вызвало необходимость ограничения времен]! активации. С другой стороны, такое ограничение вызвано соображениями снижения энергозатрат при активации, т.к. сам процесс активации в стержневой вибрационной мельнице является достаточно энергоемким процессом.

Установлено, что при введении карбонатного газообразователя (СаСОз) в состав шихты плотность пеностекла возрастает, что свидетельствует о модифицирующей роли оксида кальция. Рост плотности пеностекла, вопреки ожидаемому снижению, связанному с увеличением газовой фазы в пеностекле, на наш взгляд, объясняется тем, что углекислый газ, образующийся в больших количествах в процессе синтеза, увлекает за собой газы, выделяющиеся из других компонентов шихты. При исключении данного компонента из состава шихты модельных составов 1, 2 и 3 плотность составила соответственно : 397, 373, 352 кг/м?, тогда как при введении в шихту 3 % СаСОз этот показатель для модельных составов возрос до 601, 500 и 411 кг/м^. Данный эффект согласуется с мнением Ф. Шилла и Б.К. Демидовича о том, что карбонатные газообразователи приводят к "крутому вспениванию", т.е. укорочению безопасного интервала вязкости, приводящим к росту плотности модельных составов. При механоактивации шихты в стержневой мельнице плотность пеностекла модельных составов, не содержащих газообразователи,снижается до 321, 302 и 297 кг/м3. На рентгенограмме шихта, не подвергнутая механоактивации, отличается от механоактивированной наличием рефлексов с

с1/п = 2,60А, 3,02Л, 4,88Л, что косвенно подтверждает наше предположение о нарушении структуры пород при механоактивации.

Свойство перлитов вспучиваться при высоких температурах за счет удаления воды позволило прогнозировать получение пеностекла с использованием данных пород, без введения специальных

газообразователей. Кроме того, источником газообразования, по мнению автора, может быть гидроксид натрия, вводимый в шихту в виде водного раствора при формовании. Для выяснения роли воды в процессе вспенивания были проведены эксперименты: при постоянной концентрации щелочи в водном растворе варьировалось количество вводимой в шихту жидкой фазы. Было установлено, что увеличение содержания воды в системе "перлит + стеклобой + нефелиновый сиенит + водный раствор щелочи" от 12 до 24 % при температуре вспенивания 800°С в течение 15 минут приводит к снижению плотности получаемого материала от 861 до 324 кг/м3. При таких же условиях для системы "перлит + стеклобой + нефелиновый сиенит + отходы ГОКа" плотность пеностекла снижается от 1199 до 468 кг/м3. Флюсующее действие воды объясняется механизмом, связанным с разрывом мостиков БИЭ-Б!:

= вм - О - = + Н20 -> 2 ( - ОН)

либо

2 - О - Б! =) + N320 + Н20 (= 81 - О - Н...О - Б« =)

с образованием водородной связи О - Н -...О". Повышенное содержание водного раствора гидроксида натрия в шихте приводит к деполимеризации

кремнекислородного каркаса по вышеприведенной схеме, в результате которой происходит снижение вязкости силикатного расплава. А это создает благоприятные условия для кристаллизации, т.к., по утверждению A.A. Аппена, вода не только снижает вязкость расплавов, но и обладает минерализующим действием. Было выявлено, что содержание жидкости затворения (водного раствора гидроксида натрия) выше 20-21% для

механоактивированной и выше 17-18% для неактивированной шихты приводит к увеличению диаметров пор в пеностекле до 3-4мм, что может способствовать увеличению теплопроводности материала путем конвекции. Содержание жидкой фазы ниже указанных пределов затрудняет условия формуемости смеси, плотность пеностекла при этом достаточно высока.

Введение в состав шихты свинцово - железистых отходов ГОКа изучалось с позиций влияния их на температуру вспенивания и на свойства пеностекла. Было исследовано влияние содержания этой добавки в систему "перлит + стеклобой + нефелиновый сиенит" и "перлит + стеклобой + сыннырит". Увеличение плотности пеностекла в результате введения этой добавки было характерно для всех модельных составов. Так, при введении отходов в количестве 5% в систему "перлит + стеклобой + нефелиновый сиенит" для составов 1, 2 и 3 при Твсп = 750°С) плотность пеностекла возросла от 601 до 858 кг/м3, от 500 до 578 кг/ м3, от 411 до 567 кг/ м3, что объясняется природой оксида свинца, плотность которого составляет 10,Зх103 кг/ м3. При использовании механоактивации плотность снизилась соответственно до 607, 371, 348 кг/ м3. Полученные результаты показывают, что при добавлении в шихту до 5% свинцово - железистых отходов с использованием механоактивации шихты можно добиться значений объемной массы,достигнутых без данной добавки,

но при этом температура вспенивания оказалась ниже на 25-50°С. При изучении влияния температуры на свойства пеностекла было выяснено, что шихта, включающая (масс.%) перлита - 30, стеклобоя - 62, нефелинового сиенита 8, достаточно хорошо вспенивается при температурах 775 -800°С без применения механоактивации, но пеностекло отличается неравномерностью распределения пор. Механоактивация шихты позволила получить пеностекло плотностью 300-3 50кг/м3 с хорошей структурой при температурах 750 - 775 °С. Добавка в шихту 3-5% отходов ГОКа и механоактивация шихты позволили вспенить пеностекло при температурах 700 - 750 °С. При этом была достигнута равномерная мелкая пористость структуры пеностекла с диаметром пор менее 1 мм.

ИК-спектры образцов шихты и пеностекла отвечают характерным спектрам алюмосиликатных материалов. Добавка в шихту отходов ГОКа проявляется в дополнительной полосе у частоты 1430 см"1, связанной с карбонат-ионами, внесенными с этой добавкой. В пеностекле при обжиге эта полоса исчезает. Также можно сказать, что влияние добавки повышает степень полимерности кремнекислородного каркаса,, и полоса от 1045 см'1 смещается к ближней области. На рентгенограмме трехкомпонентной шихты отмечены рефлексы, соответствующие минералам исходных пород и материалов.

о о

Рефлексы с d/n 2,94 А, 3,21 А отнесены к минералу альбиту

Na[AISi308], с d/n 2,79А, 3,24А, 3,86А - микроклину K[AlSi308]. Были идентифицированы минералы группы

о 0 0

санидина с d/n 3,78А, нефелина с d/n 3,02А, 3,86А, 4,19 А. Добавка отходов ГОКа вызвала появление

о о

рефлексов с d/n 2,08 А, 2,97А, отнесенных к соединениям

свинца. При термообработке интенсивность указанных рефлексов ослабевает, а с использованием механоактивации шихты нарушается кристаллическая структура минералов,

что приводит к изменениям физико - механических свойств пеностекла.

Для установления оптимального состава и температурного режима вспенивания использован метод математического планирования, в частности полный факторный эксперимент (ПФЭ) по методу Бокса-Хантера. Устанавливали функциональную связь между оптимизируемым свойством - плотностью пеностекла(У) и входными параметрами- содержанием в шихте: перлита(Х1), стеклобоя (Х2), нефелинового сиенита (Х3), продолжительностью (Х4) и температурой вспенивания пеностекла (Х5). Для определения уравнения регрессии использован ротатабельный план второго порядка с проведением ПФЭ типа 25. Полученное уравнение имеет вид:

У = 661,37 -28,39Хх- 46,66 Х2+ 113,46 Х3- 12,21 Х4 -156,91 Х5 + 59,31 Х,Х2 - 25,06 Х1Хз + 29,43 X1X4 + 27,68 Х[Х5-33,43 Х2 Хз + 23,31 Х2 Хд + 3,81 Х2 Х5 + 26,18 Х3 Х4 - 77,56 Хз Х5 + 116.68 Х4 Х5 + 11,45 Х,Х, + 20,68 Х2Х2 + 13,57 Хз Хз - 29,48 Х4Х4 + 88,95 Х5 Х5.

Анализ оксидного состава полученных пеностекол позволил получить характер зависимости плотности пеностекла (У) от разности оксида кремния и оксида алюминия(Х). Полученное уравнение имеет вид:

У = 5332 - 138Х + 100Х2.

С целью выяснения влияния содержания отходов ГОКа и гидроксида натрия, количество которого в предыдущем плане был постоянным( 10%), проводился ПФЭ типа 25. Входными параметрами при оптимизации плотности пеностекла явились: содержание КаОЩХО, содержание отходов ГОКа (Х2), продолжительность

активации (Хз), продолжительность обжига (Х4) и температура обжига (Х5). Температурный диапазон по сравнению с предыдущим планом был сдвинут на 25°С в меньшую сторону. Уравнение регрессии имеет вид:

У = 604,89-256,28X1 -68,13 Х2+9,75 Хз- 82,56 X4 -70,89 Х5 - 6,37 X! Х2 + 24,12 X! Х3 + 92,87 X, Х4 + 38,25 Х1 Х5 - 74,37 Х2 Х3 - 38,80 Х2 Х4 + 14,50 Х2 Х5 - 57,87 Х3 X, - 66,50 Х3Х5 + 129,25 X4 X5 + 95,48X1X1 - 6,85 Х2 УС2 + 0,13ХзХз-26,19Х4Х4. /

Определение основных свойств пеностекла проводилось согласно РТУ БССР 1555-68.

Гидролитическая устойчивость пеностекла определялась по ГОСТ 101340 - 82 "Стекло неорганическое и стеклокристаллические материалы. Методы определения химической стойкости". Коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) пеностекла определен с помощью кварцевого дилатометра конструкции Института химии силикатов (Санкт-Петербург). В процессе измерения определялась разность между удлинениями образца и кварцевых деталей дилатометра в интервале температур от 25 до 800°С. Для определения морозостойкости образцы пеностекла подвергались многократному замораживанию и оттаиванию по методике для стеновых материалов, согласно ГОСТ 70225 - 78. Коэффициент теплопроводности пеностекла определен методом цилиндрического линейного источника тепла согласно ГОСТ 22024 - 76 на установке конструкции ВСГТУ.

Влияние состава и условий подготовки шихты на основные свойства пеностекла приведены в таблице 5.

Таблица 5

№ Условное Без механоактивации С

состава обозначение механоактивациеи

состава

Плот- Прочность Плот- Прочность

ность, на сжатие, ность, на сжатие,

кг/м3 МПа кг/м3 МПа

1 А 547 1,82 413 2,93

Б 397 1,37 321 0,90

В 858 4,94 607 6,70

2 А 411 1,75 369 0,70

Б 373 1,07 302 2,60

В 578 2,13 371 3,05

3 А 500 1,20 297 2,83

Б 352 1,17 250 2,43

В 567 2,23 348 3,00

В таблице 5 условные обозначения состава А означают, что в шихте модельного состава содержится (сверх 100% к сумме по сухим составляющим) 3% СаСОз и 10% NaOH; состава Б - то же без включения СаСОз; состава В - то же, что и Б, но с добавкой 5% отходов ГОКа.

В результате исследований были определены:

- состав'шихты I для получения пеностекла(масс. %): перлит -30%, стеклобой - 60%, нефелиновый сиенит - 10%;

- состав шихты II для получения пеностекла с добавкой свинцово - железистых отходов ГОКа(% по массе): перлит -28%, стеклобой - 58%, нефелиновый сиенит - 9% и отходы ГОКа - 5%. Содержание жидкой фазы в этих составах 1921% сверх массы по сухим составляющим;

замена в многокомпонентной шихте нефелинового сиенита сынныритом не ухудшает свойства пеностекла(состав III).

При проведении экспериментов для оценки результатов испытаний проведена статистическая обработка экспериментальных данных. В работе был использован так называемый - тест.

Основные физико - механические свойства пеностекол на основе разработанных составов приведены в таблице 6.

Таблица 6

Физико - механические свойства пеностекол

Свойств Единица Показатели свойств пеностекол

а измерения

Состава I Состава II Состава III

Средняя Кг/м3 250 -300 350 -370 280 -350

плотность

Проч- МПа 2,4 -2,8 2,45-3,10 1,0-1,6

ность на

сжатие

Водопо- Масс, % 2-3 1,7-2,1 2,3 -4,7

глощение

Теплопро Вт/м°С 0,07 0,077 0,080

-водность

Морозо- циклы Более 30 Более 30 Более 30

стойкость

Класс - IV IV IV

гидроли-

тическом

устойчи-

вости

КТЛР аЮб° С"1 10,5 9,30 9,40

Обобщая результаты проведенных исследований, можно сделать заключение, что пеностекла на основе щелочных алюмосиликатов, стеклобоя и свинцово -железистых отходов горно - обогатительного комбината являются долговечными строительными

теплоизоляционными материалами, которые целесообразно

использовать в виде плит, блоков, скорлуп для тепловой изоляции строительных конструкций, тепловых установок, а также для самонесущих элементов ограждений.

В четвертой главе приведены результаты лабораторных испытаний и рекомендации по аппаратному оформлению технологической линии и организации производства с учетом технико - экономических соображений. На основании проведенных исследований была разработана технологическая схема производства изделий из пеностекла по одностадийному способу с исключением предварительного энергоемкого процесса варки стекломассы и без применения жаростойких стальных форм, что сокращает затраты на производство.

Положительные результаты экспериментальных исследований позволили провести опытно промышленное опробование разработанной технологии изделий из пеностекла в производственных условиях кирпичного завода ОАО "Загорск" г. Улан - Удэ. На основе разработанных составов была выпущена партия плит размером 400 х 400 х 100 мм, соответствующих по своим физико - механическим характеристикам требованиям ГОСТа.

Расчетный ожидаемый экономический эффект в ценах 1998 г. составляет 1862 тыс. рублей при производительности завода 50 тыс.м3 в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ:

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения пеностекла с использованием алюмосиликатных пород и отходов промышленности;

2. В качестве сырьевых материалов предложена композиция, состоящая из стекловидных пород и материалов (перлита и стеклобоя), пород с кристаллической структурой (нефелин - сиенита и сыннырита) и свинцово - железистых отходов ГОКа.

3. Для активации компонентов шихты и получения равномерной пористости пеностекла показана рациональность использования механоактивации, приводящей к активации поверхности и нарушению кристаллической решетки. При этом установлено, что мокрая активация шихты тормозит процесс вспенивания из

- за поглощения углекислого газа воздуха щелочным компонентом и образования на поверхности силикатов соединения типа уссингит.

4. Установлено, что использование карбонатного газообразователя в количестве 0-3% (сверх 100 к шихте) повышает плотность пеностекла, что позволяет исключить этот компонент из состава шихты.

5. Получено пеностекло средней плотностью 250 -300 кг/м3 на основе шихты из перлита, стеклобоя и нефелинового сиенита с содержанием перлита - 30%, стеклобоя - 60%, нефелинового сиенита - 10%; шихта подвергнута тонкому измельчению в шаровой мельнице до Syfl 3500 - 4000 см2/г и механоактивации в стержневой вибрационной мельнице в течение 15 мин. Отношение Ж/Т

- 0,2. Режим температурной обработки 2 + 0,4 + 8 ч при температуре вспенивания 775°С.

6. Получена зависимость средней плотности пеностекла (Y) от оксидного состава компонентов в виде уравнения: Y = 5332 - 138Х + 100Х2, где Х(мол.%) -разность (Si02 - А120з).

7. Получено пеностекло средней плотностью 300 -350 кг/м3 на основе шихты из п.6 с добавкой свинцово -железистых отходов при содержании компонентов:

перлита - 28%, стеклобоя - 58%, нефелинового сиенита - 9%, отходов 5%; условия подготовки шихты, Ж/Т отношение аналогично п.6. Режим температурной обработки 2 + 0,4 + 8 ч. при температуре вспенивания 750°С.

8. Определены основные физико - механические свойства пеностекол на основе разработанных составов: средняя плотность 250...370 кг/м3, прочность при сжатии -2...3 МПа, водопоглощение - 1,7...4,7% по массе, теплопроводность - 0,07...0,08 Вт/м°С, морозостойкость -более 30 циклов.

9. Разработана технологическая схема производства изделий из пеностекла по сокращенной схеме с исключением высокотемпературного процесса варки стекломассы. Результаты экспериментальных исследований прошли апробацию в условиях кирпичного завода ОАО "Загорск" г. Улан - Удэ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Цыремпилов А.Д., Дамдинова Д.Р., Базарова Ж.Г., Арсентьев А.В. Пеностекло на основе минерального сырья и отходов промышленности Бурятии // б-й Российско-польский научный семинар "Теоретические основы строительства": Тез. докл. - Варшава, 1997,-С. 282 - 284.

2. Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Алексеев Ю.С., Лайдабон Ч.С. Пути энергосбережения при производстве теплоизоляционных материалов // Сб. тр. ВСГТУ, Тех. науки. Вып. 4 - Улан - Удэ, 1997 - С. 76 - 82.

3. Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Константинова К.К. Изучение влияния содержания щелочьсодержащих пород на свойства пеностекла // Сб. тр. ВСГТУ, Тех. науки. Вып. 5 -Улан-Удэ, 1998,-С. 28-31.

4. Цыремгшлов А.Д., Дамдинова ДР., Константинова К.К. Снижение энергозатрат при производстве пеностекла // Строит, материалы,- 1998,- N 3,- С. 20-21.

5. Цыремпилов А.Д., Дамдинова ДР., Константинова К.К., Арсентьев А.В. Влияние механоактивации на структуру и свойства пеностекла // 7-й Польско-российский научный семинар "Теоретические основы строительства": Тез. докл. - Москва, 1998. - С. 241 - 242.

6. Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Константинова К.К., Базарова Ж.Г. Физико - химические основы получения теплоизоляционного материала // Международный симпозиум "Принципы и процессы соз дания неорганических материалов"(Первые самсоновские чтения):

Тез. докл. - Хабаровск, 1998. - С. 161 - 162.

7. Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Константинова К.К. Синтез теплоизоляционного материала // УИ-й международный симпозиум по высокотемпературной химии силикатов: Тез. докл. - Санкт-Петербург, 1998. - С. 286.

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Дамдинова Дарима Ракшаевна

ПЕНОСТЕКЛО НА ОСНОВЕ ЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ПОРОД И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Цыремпилов А.Д., кандидат химических наук Константинова К.К.

УЛАН-УДЭ -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Введение...................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................10

1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта использования минерально-сырьевых ресурсов и отходов промышленности при производстве пеностекол...................................................................................................10

1.2. Использование щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности в производстве пеностекла................................................35

1.3. Теоретические основы получения пеностекла на основе природных алюмосиликатов и отходов промышленности........................................48

1.3.1. Физико-химические основы получения пористых материалов из вулканических стекол...........................................................................................48

1.3.2. Физико-химические основы порошкового способа производства пеностекла............................................................................................................51

1.3.3. Прогнозирование свойств пеностекла с применением диаграмм состояния стекол систем "Ш20 - СаО - 8Ю2" и "Ш20 - А1203 - БЮг"..........55

1.3.4. Влияние механоактивации на изменение структуры алюмосиликатов.64

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................72

2.1. Сырьевые материалы..................................................................................73

2.1.1. Химико-минералогическая характеристика алюмосиликатных пород и

отходов промышленности..........................................................................76

2.2. Общая методика исследований..................................................................84

2.2.1. Методика физико-химических исследований..........................................84

2.2.2. Методика исследований физико-механических

и термических свойств пеностекла............................................................85

2.2.3. Методика математического планирования...............................................86

2.2.4.Методика статистической обработки результатов эксперимента...........88

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА НА ОСНОВЕ ЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ПОРОД, СТЕКЛОБОЯ И ОТХОДОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА........................................................................................................90

3.1. Оптимизация технологических факторов, влияющих на синтез

пеностекла.....................................................................................................90

3.1.1. Влияние структуры исходных материалов на свойства пеностекла......94

3.1.2. Влияние содержания NaOH на свойства пеностекла..............................96

3.1.3. Влияние механоактивации на свойства пеностекла..............................102

3.1.4. Влияние содержания СаСОз на свойства пеностекла............................111

3.1.5. Влияние содержания свинцово-железистых отходов горно-обогатительного комбината на температуру вспенивания и свойства пеностекла..................................................................................114

3.1.6. Влияние содержания воды на свойства пеностекла...............................121

3.2.1. Подбор составов и температурных режимов обжига пеностекла

на основе стеклобоя, перлита и сиенитовых пород..............................124

3.2.2. Подбор составов и температурных режимов обжига пеностекла

на основе многокомпонентной шихты с добавкой отходов ГОКа......129

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОСТЕКЛА. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ...................134

4.1. Технологическая схема производства изделий из пеностекла на основе щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленно-

сти...............................................................................................................134

4.2. Опытно-промышленное опробование технологии изделий из пеностекла.................................................................................................................137

4.3. Технико-экономическое обоснование эффективности и применения изделий из пеностекла на основе щелочных алюмосиликатов и отходов промышленности.......................................................................................139

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................141

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В современной строительной индустрии стали чрезвычайно актуальны проблемы, связанные с энерго-, ресурсосберегающими и экологически безопасными технологиями производства строительных материалов и изделий. Введение в действие энергосберегающих норм по тепловому сопротивлению ограждающих конструкций, согласно изменений СНиП 11 - 3 - 79, сделало использование традиционных стеновых материалов технически и экономически нецелесообразными. В связи с этим, возникла потребность в эффективных теплоизоляционных материалах.

Одним из перспективных видов строительных теплоизоляционных материалов является пеностекло - высокопористый неорганический материал, обладающий рядом достоинств перед другими изоляционными материалами: достаточно высокой прочностью при низких значениях объемной массы, негорючестью и биостойкостью. Но несмотря на явные преимущества пеностекла, применение его в строительной индустрии не получило достаточно широкого развития из - за повышенных энергозатрат при производстве. Так, в производстве пеностекла по известным технологиям, описанным Китайгородским И.И., Кешишяном Т.Н., Демидовичем Б.К., Шиллом Ф. используются минеральные сырьевые компоненты, требующие высокотемпературного процесса варки стекла при температуре порядка 1450°С, грануляции и обжига (вспенивания) пеностекла по порошковому способу (т.н. 2-х стадийный процесс). При варке стекла обычно использовалось кондиционное сырье стекольной промышленности: песок, щелочной компонент и для вспенивания - специальные газообразователи.

В работах ученых, работавших в области синтеза пеностекла (Китайгородского И.И., Жукова A.B., Ришиной В.А.) было предсказано и впоследствии получено Саакяном Э.Р., Ованесовой И.Э. пеностекло по одностадийному способу, без энергоемкой стадии варки основного стекла. Анализ работ,

выполненных в этом направлении позволил автору сделать вывод о том, что при производстве пеностекла в качестве сырьевых компонентов могут быть использованы как природные горные породы, так и материалы искусственного происхождения (техногенные отходы, стеклобой и т.д.).

Стеклообразующая способность шихты определяется оксидным составом, позволяющим предопределять физико-химические и физико -механические свойства пеностекла. Соответственно для получения стекло-изделий приоритетным фактором является химический состав шихты. Однако фазовый состав компонентов шихты, определяемый генетикой или термодинамической характеристикой (тепловым прошлым) минерального компонента играет не последнюю роль в получении стеклоизделий. В связи с этим автор находит чрезвычайно важным исследование вопроса получения пеностекла в зависимости от состава оксидов и фазового состава компонентов шихты.

Потребность в строительных теплоизоляционных материалах и обеспечение снижения их стоимости решается путем расширения материально -сырьевой базы за счет использования местных природных ресурсов и замены дорогостоящих компонентов менее дорогим сырьем (техногенными отходами).

Работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований НИЛСТРОМ ВСГТУ совместно с Бурятским институтом природопользования СО РАН по направлению "Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности Бурятии для получения эффективных строительных материалов".

Дели и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось получение теплоизоляционного материала - пеностекла на основе многокомпонентной шихты с использованием щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности, исследование влияния состава исходных компонентов и условий подготовки сырьевых компонентов на процесс вспенивания,

подбор оптимальных составов и температурных режимов вспенивания. Научная гипотеза использования перлита, сиенитовых пород (нефелина, сыннырита), стеклобоя и свинцово - железистых отходов горнообогатительного комбината основана на предположении взаимного активного участия основных оксидных компонентов в процессе стеклообразования и вспенивания при получении пеностекла.

Научная новизна работы: Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность получения пеностекла на основе многокомпонентной шихты, состоящая из эффузивной породы (перлита), стеклобоя, щелочных активаторов (алюмосиликатов нефелиновых сиенитов, сынныри-тов) и свинцово - железистых отходов горно -обогатительного комбината; установлены оптимальные составы шихты, режимы и условия получения пеностекла; выявлено влияние различных способов измельчения на дисперсность шихты, структуру и физико - механические свойства пеностекла; разработаны и предложены составы пеностекла с добавкой свинцово-железистых отходов горно - обогатительного комбината в качестве плавня; изучены физико - химические процессы стекло- и фазообразования в зависимости от состава оксидов.

Практическое значение работы: Получены составы шихты для пеностекла, позволяющие снизить температуру вспенивания до 750 - 800°С и получить равномерно пористую структуру пеностекла с преимущественно закрытыми порами.

Предложена композиция для изготовления изделий из пеностекла (подана заявка на изобретение «Состав для получения пеностекла» в Федеральный институт промышленной собственности).

Получены изделия из пеностекла на основе шихты из перлита, стеклобоя, сиенитовых пород с добавкой отходов ГОКа.

Разработана эффективная технология, позволяющая изготавливать изделия различного назначения из пеностекла в виде плит и блоков для тепло-

вой изоляции строительных конструкций, тепловых установок, а также для самонесущих элементов ограждений.

Технико-экономические расчеты показывают, что ожидаемый экономический эффект при производстве пеностекла на основе предлагаемой многокомпонентной шихты составляет в ценах 1998 г. 1862 тыс. руб. при произ-

л

водительности завода 50 тыс. м в год.

Выполненная работа координируется с задачами комплексной программы по проблеме " Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности Бурятии для получения эффективных строительных материалов".

Реализация результатов исследования. Разработанная технология изделий из пеностекла прошла апробацию в производственных условиях кирпичного завода ОАО «Загорск» г. Улан-Удэ, где выпущена опытная плит пеностекла размером 400x400x100 мм, соответствующая по своим физико-механическим характеристикам требованиям ГОСТа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практической конференциях ВСГТУ (Улан-Удэ, 1995, 1996 г.г.), VI-м Российском-польском научном семинаре «Теоретические основы строительства» (Улан-Удэ, 1997 г.), VII-м Польско-российском научном семинаре «Теоретические основы строительства» (Варшава, 1998 г.), VII - м международном симпозиуме по высокотемпературным химии силикатов (Санкт-Петербург, 1998 г.). Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов». Первые самсоновские чтения, (Хабаровск, 1998 г.).

Автор защищает:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований выбора многокомпонентного состава шихты для производства пеностекла на основе перлита, стеклобоя, сиенитовых пород(нефелинового сиенита, сыннырита) и свинцово - железистых отходов ГОКа;

- составы многокомпонентной шихты в системах "перлит - стеклобой -сиенитовая порода" и "перлит - стеклобой - сиенитовая порода - отходы ГОКа";

- результаты изучения влияния температурных режимов на свойства пеностекла;

- результаты исследования влияния введения свинцово - железистых отходов в состав шихты на снижение температуры вспенивания пеностекла;

- результаты исследования влияния механоактивации на свойства пеностекла;

- рекомендации по технологии изготовления изделий из пеностекла на основе многокомпонентной шихты;

- результаты физико - химических методов исследований пеностекла.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта использования минерально-сырьевых ресурсов и отходов промышленности при производстве пеностекла.

Вопросу синтеза высокопористого материала - пеностекла посвящено достаточно большое количество научных разработок, технологий и публикаций, как в России, так и за рубежом. Исследования в области синтеза пеностекла на основе различных сырьевых материалов проводились под руководством И. И. Китайгородского, Т. Н. Кешишяна, Б. К. Демидовича, Л. М. Бутта, Ф. Шилла (14,29,30,58,112). Существуют также авторские разработки по составам сырьевой шихты и технологии получения пеностекла сотрудников Минского НИИСМа, НПО "Камень и силикаты" (Армения), МГСУ (Москва), НПО "Автостекло" (5, 89-93,106).

Несмотря на то, что родиной этого материала является Россия, его производство в нашей стране до сих пор не нашло достаточно широкого развития. В настоящее время пеностекло в России не производится, а ввозится из-за рубежа, в частности из Белоруссии. Такая ситуация возникла возможно из-за свертывания производства пеностекла в промышленном масштабе на таких заводах, как Лихоборский завод теплоизоляционных материалов, Саратовский завод "Техстекло" и Кучинский комбинат керамических облицовочных материалов. Причиной такого свертывания является не только сложная экономическая ситуация в стране, вызвавшая рост цен на ресурсы и энергоносители, но и то, что само производство пеностекла является достаточно энергоемким, высокотемпературным процессом.

С другой стороны, преимущества пеностекла перед большинством изоляционных материалов широко известны. Сочетание таких свойств, как

малая плотность низкие водопоглощения и теплопроводность, высокая устойчивость против агрессивных сред и огнестойкость, позволяют широко использовать его как эффективный теплоизоляционный материал в строительстве и других отраслях промышленности.

Если к началу 50-х годов выпуск пеностекла был налажен только в СССР, ЧССР, ПНР и США, то в настоящее время оно производится в большинстве стран мира, многие из которых вырабатывают пеностекло не только для собственных нужд, но и в больших количествах его экспортируют. Дальнейшее развитие производства пеностекла потребовало улучшения качества продукции и совершенствования технологии при одновременном снижении себестоимости его производства.

Анализ затрат в производстве пеностекла показывает, что расходы на сырье, топливо и содержание оборудования являются наиболее высокими. Поэтому работы ученых были направлены в первую очередь на снижение себестоимости пеностекла за счет удешевления сырья. Изучение составов сырьевой шихты при производстве пеностекла показало, что в качестве сырья могут быть использованы как минеральное природное, так и техногенное сырье в виде отходов промышленности.

Высококачественное пеностекло получают из гранулята специально сваренного стекла, однако при этом требуются дорогостоящие и дефицитные материалы и высокая температура варки основного стекла порядка 1450"С и выше. Проблему снижения стоимости гранулята исследователи пытались решить заменой кальцинированной соды и глинозема щелочесодержащими горными породами и отходами производства. В специальной литературе, и в том числе патентной, приведены составы шихт для производства пеностекла на основе легкоплавких глин, вулканических водосодержащих стекол, осадочных пород, содержащих аморфный кремнезем (диатомиты, трепелы, опоки и др.), цеолитсодержащих пород, вулканических туфов и шлаков, зол и шлаков ТЭЦ.

Так, например, изучалась возможность получения пеностекла из легкоплавких глин Белоруссии с добавкой 25-35% мела и 5-10% песка. Сваренные из этих шихт стекла имели узкий интервал вспенивания, т. е. были " короткими", а температура начала вспенивания смесей с добавками 3% кокса повысилась до 950 - 1050°С. Предложенные составы из-за высокой температуры вспенивания не были приняты для промышленного производства(29).

Использование легкоплавких глин Украины с высоким содержание СаО (до 30%) и Ре2 Оз (до 5%) обеспечило низкую температуру получения из них расплава. Полученные в вагранке стекла гранулировали в проточной холодной воде, после чего гранулят с добавкой 1 -2% кокса или мела измельчался в шаровой мельнице. Пенообразующая смесь вспенивалась в формах при температуре 1100 - 1150°С. Однако, как отмечает авт�