Алгоритм технологического процесса изготовления пеностекла

Стеклянный гранулят и стеклянный бой размалывают, используя шаровые мельницы в смеси с газообразователем, в тонкий порошок, загружают в формы из жароупорной стали с каолиновой обмазкой. Формы на вагонетках и по роликовому конвейеру подают в муфельную, туннельную или шахтную печь. Под действием высокой температуры происходит размягчение частиц стеклянного порошка и его спекание. Газы, выделяющиеся при сгорании и разложении газообразователя, вспучивают вязкую стекломассу. При охлаждении образуется материал с ячеистой структурой. Медленное охлаждение (отжиг) способствует равномерному остыванию изделий по объему, поэтому в них не возникают внутренние напряжения и не образуется трещин. Охлажденные изделия распиливают, оправляют на опиловочном оборудовании и упаковывают.

В результате данных этапов производства и получается пеностекло. Его химический состав на 100% совпадает с химическим составом классического стекла и включает в себя оксиды кремния, кальция, натрия, магния, алюминия. Газовая среда полностью замкнутых стеклянных ячеек не взаимодействует с атмосферой и представляет собой, в основном, оксиды и соединения углерода. Давление газовой среды в ячейках на порядок ниже атмосферного давления, т.к. процесс вспенивания происходит за счет выделения газов коксом, антрацитом и сажей при температуре порядка 1000°С. Благодаря газообразованию и вспениванию объем стекла увеличивается в 15 раз.

Пеностекло имеет сотовую структуру, где стенки и узлы ячеек состоят из такого прочного материала, как стекло, что обусловило его уникальную прочность и способность противостоять механическим нагрузкам. Матрица узлов и связей структуры представляет собой наиболее оптимальную пространственно-объемную конфигурацию, способную при минимальной плотности выдерживать максимальные нагрузки. Основные параметры ячейки такого стекла характеризуются следующими показателями: при среднем диаметре ячейки 2 000 мкм толщина стенок ячеек варьируется в интервале от 20 до 100 мкм.

Технология пеностекла, как известно, всегда была и остается достаточно сложной и энергоемкой по сравнению с другими теплоизоляционными материалами. В связи с этим первоочередного решения требуют проблемы совершенствования технологии получения пеностекол. Поскольку существующие технологии пеностекла были направлены, прежде всего, на получение теплоизоляционных материалов, обширные исследования проведены в отношении пеностекол с низким пока­зателем средней плотности. Недостаточно изученным является вопросо повышении конструктивных свойств пеностекол, что и обусловило направление проведенных исследований по совершенствованию технологии пеностекла с позиций повышения его конструктивных свойств. Предпосылкой к этому послужила склонность уплотнению структуры пеностекла при непосредственном вспенивании алюмосиликатных расплавов на основе эффузивных пород и боя тарного стекла. Весьма важным при этом являлось обеспечение условий создания оптимальной поровой структуры пеностекла, обусловливающей качество синтезируемого материала.

В данной работе показана целесообразность использования композиций из стеклобоя с подшихтовкой природными щелочнымиалюмосиликатами для получения пеностекла при энергетически выгодных температурных режимах. Основанием к этому служит исходная энергонасыщенность эффузивных пород и стеклобоя, обус­ловленная повышенным содержанием в них стеклофазы и окси­дов щелочных металлов. В качестве сырьевых компонентов рассматривались перлиты Мухор-Талинского, базальты Селендумского месторож­дений Республики Бурятия и бой тарных стекол. При использовании вышеуказанных пород и стеклобоя количество до­полнительно вводимого щелочного компонента (NaОН) удалось понизить до 3-5%.

Представляло интерес изучение влияния способа измельче­ния на структуру исходных пород и свойств пеностекла. Сухой по­мол эффузивных пород в вибрационной мельнице применялся для повышения реакционной способности этих пород путем разруше­ния их структуры, а также развития в них процессов выщелачива­ния. О преимуществе сухой механоактивации, заключающейся в образовании дефектов кристаллической решетки, тогда как при мокрой механоактивации наблюдается простое диспергирование.

При одинаковом содержании стеклобоя в пеностекольной шихте в диапазоне 70-90%, в зависимости от соотношения в шихте пер­лита и базальта, получены пеностекла с регулируемыми свойства­ми. Оптимальные температуры обжига пеностекла для разрабо­танных составов находятся в пределах 825-850°С. Путем измене­ния соотношения перлита и базальта при содержании в шихте 70% стеклобоя получены пеностекла со средней плотностью ρ_ср = 631,8-681,2 кг/м³ и пределом прочности при сжатии R= 4,6-5,6 МПа; при содержании в шихте 80% стеклобоя получены пеностекла со средней плотностью 598,5-645,2 кг/м³ и пределом прочности при сжатии 3,4-4,7 МПа, а при содержании в шихте 90% стеклобоя средняя плотность и предел прочности при сжатии составили ρ_с =576,6-603,1 кг/м³ и R= 3,3-3,6 МПа.

Таким образом, можно сделать вывод о возможности повышения эффективности использования минерального сырья при применении композиций из стеклобоя и природного алюмосиликатного сырья, что способ­ствует интенсификации температурных процессов при получении пеностекол и экономии природных ресурсов. Применение механо- и щелочной активации исходных компонентов позволяет по­лучить пеностекло с улучшенными физико-механическими свой­ствами при энергетически выгодных температурных режимах вспе­нивания, без предварительной энергоемкой варки стекла.

Свойства пеностекла

1) Долговечность эксплуатации

Гарантированный срок эксплуатации блоков из этого материала с сохранением значений физических характеристик материала равен сроку эксплуатации здания и превышает 100 лет.

Экспериментальные исследования объектов, утепленных таким стеклом, более 50 лет назад показали отсутствие существенных изменений в его структуре. Фактор сохранения теплозащитных свойств на протяжении всего существования здания особенно важен ввиду недоступности теплоизоляционного материала после завершения работ. Пеностекло не подвержено старению по ряду причин, т.к. его уникальные свойства противостоят активным факторам, проявляющим себя с течением времени:

● Окисление. Активный кислород, содержащийся в атмосфере, не оказывает воздействия на этот материал по причине того, что он состоит исключительно из высших оксидов кремния, кальция, натрия, магния, алюминия;

● Температурные перепады. Оно имеет очень низкий коэффициент линейного температурного расширения, что позволяет без ущерба для структуры материала переносить суточные и годовые колебания температуры;

● Эрозия. Поскольку пеностекло не имеет растворимых компонентов в своей структуре, не происходит растворения и размыва материала водой;

● Замерзание воды. При замерзании вода расширяется и может разрушать, затекая в трещины, даже такие прочные минералы, как базальт и гранит. Поверхность пеностекла состоит из полусфер, сам материал представляет собой замкнутые ячейки, вовсе исключающие попадание воды внутрь, поэтому расширение воды при замерзании не разрушает его;

● Деформация. Материал совершенно не деформируемый и очень прочный для своей плотности, что полностью исключает возможность его усадки, провисания, съеживания и т.п., последствий длительного воздействия силы тяжести и механического воздействия;

● Активность биологических форм. Пеностекло не является питательной средой для грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями деревьев, поэтому активность биологических форм не наносит вреда структуре материала в течение времени.

2) Прочность

Это самый прочный из всех эффективных теплоизоляционных материалов. Прочность на сжатие в несколько раз выше, чем у волокнистых материалов и пенопласта. Чем выше прочность на сжатие, тем менее сжимается материал, подвергшийся внешнему воздействию. В то же время сжатие теплоизоляционного материала приводит к увеличению его теплопроводности и снижению теплозащитных свойств конструкции. Этот материал уникален тем, что является абсолютно не сжимаемым. Более прочный теплоизоляционный материал может нести часть нагрузки за счет собственных физических свойств, позволяя в некоторых случаях и вовсе не применять дополнительных металлических креплений, уменьшающих сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя.

3) Стабильность размеров блоков

Благодаря тому, что пеностекло состоит исключительно из стеклянных ячеек, этот материал не дает усадки и не изменяет геометрические размеры с течением времени под действием веса строительных конструкций эксплутационных нагрузок. Все это имеет очень существенное значение как для всей строительной конструкции в целом, так и для сохранения эксплуатационных свойств теплоизоляционного слоя.

Наличие данного фактора весьма важно, т.к. материалы, размеры которых не стабильны из-за теплового расширения/сжатия или усадки во время эксплуатации могут вызывать повреждение гидроизоляционного и отделочного слоев. Пеностекло изготовлено из стекла и имеет коэффициент температурного линейного расширения, сопоставимый с коэффициентом температурного линейного расширения материалов, из которых состоят классические несущие конструкции: бетон, сталь, кладка из керамического или силикатного кирпича. Эта близость значений гарантирует стабильность размеров пеностекла, уложенного или смонтированного на стальную или бетонную конструкцию.

4) Устойчивость физических параметров

Этот материал состоит из герметично замкнутых гексагональных и сферических ячеек. Такая структура материала исключает взаимодействие газовой среды ячеек с атмосферой и обуславливает неизменность во времени характеристик материала. То есть, во время эксплуатации не происходит изменения таких параметров блоков из данного материала, как теплопроводность, прочность, стойкость, форма и т.д.

5) Устойчивость к химическому и биологическому воздействию

Стекло, из которого на 100% состоит пеностекло, не разрушается химическими реагентами (за исключением плавиковой кислоты), не является питательной средой для грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями растений, абсолютно «непроходимо» для насекомых и грызунов и представляет собой идеальный барьер для подобных вредителей.

Стойкость материала к гниению и отсутствие питательной среды для распространения плесени и грибков особенно важно при использовании в замкнутом, невентилируемом пространстве кровли, стен, цоколя и фундамента. Отсутствие органики позволяет гарантированно избежать ситуаций, связанных с разрушением и деструкцией теплоизоляционного материала под влиянием биологически активной среды.

Пеностекло, помимо всего прочего,- очень хороший абразивный материал. В то же время природа еще не создала ни одной биологической формы, способной точить абразивы без быстрой потери естественных приспособлений. Эту его особенность активно используют при теплозащите зернохранилищ, промышленных пищевых холодильников, складов, т.к. при использовании этого материала, помимо теплозащитного слоя, удается создать надежный барьер на пути вредителей.

6) Негорючесть и огнестойкость

Это полностью негорючий материал, не содержащий окисляющихся или органических компонентов. Технология производства его такова, что готовое изделие получается в результате изготовления в печах при температуре, близкой к 1000°С, поэтому при нагревании до высоких температур пеностекло лишь плавится как обычное стекло без выделения газов или паров. Этот фактор важен для противопожарных свойств конструкции.

Основные критерии пожарной безопасности – негорючесть материала и отсутствие поглощающей способности. Оно не является горючим и абсорбирующим материалом и, следовательно, способно обеспечить наилучшую противопожарную защиту изолируемых объектов.

7) Влагонепроницаемость, водостойкость и негигроскопичность

Вода не оказывает на пеностекло никакого воздействия по двум причинам: оно состоит из герметично замкнутых ячеек, материал стенок которых – обычное силикатное стекло. Оно не впитывает влагу и не пропускает ее, при использовании в ограждающей конструкции создает дополнительный гидробарьер. При повреждении гидроизоляции не допускает распространения воды, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

Водостойкость позволяет ему в течение длительного времени предотвращать образование льда, обеспечивать полную защиту от коррозии и отличную терморегуляцию. Оно устойчиво к воздействию как пресной, так и соленой воды.

8) Экологическая чистота и санитарная безопасность

Экологическая и санитарная безопасность материала позволяет осуществлять утепление ограждающих конструкций не только для помещений, в которых необходима повышенная чистота воздуха (здания образовательного и медицинского назначения, спортивные сооружения; музеи; высокотехнологичные производства и т.п.), но и для зданий со специальными санитарно-гигиеническими требованиями (пищевая и фармакологическая промышленность; бани и сауны; бассейны; кафе, рестораны, столовые и т.п.).

9) Простота обработки

Пеностекло легко обрабатывается столярным инструментом под любые необходимые размеры и форму. Связывается и склеивается любым типом строительной смеси, битума или клея. Все это позволяет осуществлять монтаж с использованием различных вариантов крепления. Обусловлено это тем, что прилипание происходит не столько за счет адгезии, а за счет чрезвычайно развитой поверхности материала и механического сцепления поверхностей при помощи затвердевающего состава.