Современные материалы энергосбережения
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для магистрантов специальностей 6М072900 – «Строительство»
и 6М073000 – «Производства строительных материалов,
изделий и конструкций»
Шымкент 2015
УДК 629.064.5(075.8)
ББК 31.23 я7
У74
Рецензенты:
Кудерин М. К.– д.т.н., проф. ПГУ им. С. Торайгырова
Сагындыков А.А. – д.т.н., проф. ТарГУ им. Х.Дулати
Айменов Ж.Т. – д.т.н., проф. ЮКГУ им. М. Ауэзова
Усенкулов Ж.А., Калшабекова Э.Н.
У74 Современные материалы энергосбережения. Учебное пособие - Шымкент: Әлем, 2015г, 166 стр.
ISBN 978-9965-677-90-8
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Современные материалы энергосбережения» и включает все необходимые сведения для освоения магистрантами видов и свойств современных энергосберегающих строительных материалов, основ технологии их производства и особенностей применения.
Учебное пособие предназначено для магистрантов и студентов специальности «Строительство» и «Электроэнергетика», а также для широких кругов специалистов занимающихся решением практических вопросов современные материалы энергосбережения.
Учебное пособие /рекомендовано/ к изданию учебно-методическим советом ЮКГУ им. М. Ауэзова, протокол №_2_ от «13»112015г. и Ассамблей Международного проекта ТЕМПУС (2015г. Казань), Номер: 530793-TEMPUS-1-2012-1-SE-TEMPUS-JPCR. НАЗВАНИЕ: Магистерские программы по возобновляемым источникам энергии и энергоэффективности в строительстве в Центральной Азии и России (Master programmes on Renewable Energy and Energy Efficiencyin Building sin Central Asia and Russia). Координатор проекта: Университет Лунд (LundUniversity), Швеция.
УДК 629.064.5(075.8)
ББК 31.23 я7
ISBN 978-9965-677-90-8
© Усенкулов Ж.А.,Калшабекова Э.Н. 2015
© Әлем, 2015
Содержание
| Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1. Современные представления о теплопередаче . . ………… | |
| 2. Классификация энергосберегающих материалов……… | |
| 3. Основные свойства энергосберегающих материалов…… | |
| 4. Способы производства высокопористых материалов и изделий……………………………………………………………… | |
| 5. Минеральная вата и изделия на ее основе. . 6. Энергосберегающие материалы и изделия на основе стекла. . | |
| 6.1 Стеклянная вата и изделия на ее основе. . . . . . . . . . . . | |
| 6.2 Ячеистое стекло. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Энергосберегающие стекла | |
| 7. Вспученный перлит и изделия на его основе. . . . . . . . . . | |
| 8. Вспученный вермикулит и изделия на его основе | |
| 9. Ячеистые бетоны . . . 10. Энергосберегающие материалы на основе гипса … | |
| 11. Энергосберегающие материалы на основе древесины. 11.1 Древесноволокнистые плиты 11.2 Древесностружечные плиты 11.3 Фибролит | |
| 12. Полимерные теплоизоляционные материалы… 12.1 Пенопласты 12.2 Поропласты… 12.3 Сотопласты 12.4 Поликарбонат………… | |
| 13.Теплоизоляционные материалы из местного сырья и отходов производства……………………………………… | |
| 14. Огнеупорные теплоизоляционные материалы ……………... 15. Керамические теплоизоляционные материалы……………… | |
| 16. Инновационные теплоизоляционные материалы… 17. Энергосберегающие конструкции и изделия… Заключение | |
| Список использованной литературы. . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . |
Введение
В Казахстане широко развернуто жилищное строительство. Определяющими требованиями к качеству жилья являются комфортные условия проживания в любое время года: тепло, прохлада, сухость, тишина. Кроме того, одним из критериев современного жилья являются невысокие затраты на отопление зданий, и строители всего мира ищут пути снижения объемов потребления энергоносителей, направленных на строительство энергосберегающих зданий или домов не требующих отопления, так называемых пассивных домов (passive house). По этому пути в настоящее время идет большинство стран, в том числе и те, в которых благоприятные климатические условия. В Казахстане на основе Закона Республики Казахстан № 541-IV «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» от 13.01.2012 г. проводится государственная политика энергосбережения. Внедрены такие новые понятия как энергосберегающие материалы (материалы, позволяющие повысить эффективность использования энергетических ресурсов), термомодернизация (мероприятия по улучшению теплотехнических характеристик здания, приводящие к снижению в них потерь тепловой энергии), класс энергоэффективности здании (уровень экономичности энергопотребления зданий, характеризующий его энергоэффективность на стадии эксплуатации) и др. Ужесточение норм по теплозащите и приведение их в соответствие с принятыми в других странах практически исключило возможность использования однослойных стен при строительстве жилых зданий.
Строительство энергосберегающего дома зависит от всех стадий, начиная от выбора площадки строительства, проектирования здания и инженерных сетей и заканчивая выбором строительных материалов.
При проектировании зданий и сооружений применяют следующие правила, способствующие защите зданий от действия ветровых и холодных воздушных потоков: подбор оптимальных форм зданий; отсутствие ломаных фасадов и разноуровневых частей здания; уменьшение отношения площади поверхности здания к строительному объему; уменьшение количества выступов, эркеров, углублений, способствующих созданию зон повышенного ветрового давления и уменьшающих влияние солнечной радиации в холодный период года; создание компактных зданий; оптимальное расположение окон и дверей в помещениях; устройство живых изгородей или посадка деревьев; выбор рациональных схем застройки микрорайонов и тд. Но, наряду с этими путями снижения энергозатрат при эксплуатации дома, важным является также правильный выбор строительных материалов.
Для успешного осуществления поставленных задач по энергосбережению требуется большой объем строительных материалов, различных по своему назначению и свойствам
При выборе строительных материалов большое значение уделяется теплоизоляционным материалам, структура, состав и свойства которых позволяет значительно снизить энергозатраты на содержание и эксплуатацию зданий и сооружений.
Применением современных теплоизоляционных материалов в строительстве можно повысить степень индустриализации работ, поскольку они обеспечивают возможность изготовления крупноразмерных сборных конструкций и деталей, сократить номенклатуру конструкций, уменьшить потребность в строительных материалах, существенно сократить расходы на отопление. Затраты на тепловую изоляцию окупаются сбережением тепла в течение 1 – 1,5 лет эксплуатации. Применение их в строительстве позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкции (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчить конструкции и снизить их стоимость, уменьшить расход топлива в эксплуатационный период, снизить уровень шума в помещениях.
В технологическом и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый температурный режим, снижает удельный расход топлива на единицу продукции, оздоровляет условия труда.
Особенностью дисциплины «Современные материалы энергосбережения» является многообразие изучаемых в ней материалов, обладающих разными свойствами, получаемых из различных видов сырья по принципиально отличающимся технологическим схемам производства и имеющим далеко не одинаковые области применения в народном хозяйстве.
Но, несмотря на разнообразие применяемого сырья и способов его переработки, в производствах всех энергосберегающих материалов имеется главная технологическая задача - получение материалов высокопористого строения. Применяя разные технологические способы и приемы производства можно регулировать пористость, тем самым придавая этим материалам нужные качества, а грамотно выбрав их при строительстве зданий и сооружений можно намного понизить затраты на отопление в зимнее время и охлаждение в летнее, то есть сэкономить энергию.
В строительстве огромна потребность в современных, качественных и недорогих материалах энергосбережения. Совершенствуется технология их изготовления, улучшается качество, появляются инновационные материалы, отличающиеся не только структурой и свойствами, но и методами применения в строительстве. Все это требует углубления знаний специалистов, работающих в области производства строительных материалов и в области строительства.
Многие теплоизоляционные строительные материалы имеют многовековую историю своего развития и являются традиционными, другие появились в результате научных исследований и относятся к прогрессивным новым материалам. Но идет дальнейшее непрерывное совершенствование технологии производства всех строительных материалов, повышение их качества и расширение ассортимента.
Современные специалисты в области строительства и производства строительных материалов должны знать все виды энергосберегающих материалов, свойства, технологию производства, уметь грамотно их выбирать и применять в строительстве. Разработанное учебное пособие позволит магистрантам специальности «Строительство» и других строительных и архитектурных специальностей глубже освоить вопросы, связанные с производством и применением современных строительных материалов энергосбережения.
Технология минеральной ваты
Производство минеральной ваты включает следующие процессы: подготовку сырья; плавление сырья и получение силикатного расплава; переработку расплава в волокно; формирование минераловатного ковра; рулонирование минераловатного ковра.
Силикатные расплавы для производства минеральной ваты получают путем плавления сырья в печах следующих типов: шахтных (вагранках), ванных электродуговых, циклонных и конверторных печах.
Могут быть также использованы огненно-жидкие шлаки металлургических печей. Для подогрева жидких шлаков применяют специальные печи – шлакоприемники.
Использование печи того или иного типа зависит в основном от вида сырья и наличия топливных или энергетических ресурсов.
Переработка расплава в волокно осуществляется двумя способами: дутьевым и центробежным. Сущность дутьевого способа заключается в том, что на струю жидкого расплава, вытекающего из печи, воздействует струя водяного пара или сжатого газа. Центробежный способ основан на использовании центробежной силы для превращения струи расплава в тончайшие минеральные волокна. Полученные волокна осаждаются в камере волокноосаждения на движущуюся ленту транспортера.
Минеральная вата хрупка, и при ее укладке образуется много пыли, поэтому вату гранулируют, то есть превращают в рыхлые комочки – гранулы. Эффективность использования минеральной ваты особенно возрастает при выпуске ее и применении в виде готовых изделий. Сама минеральная вата является как бы полуфабрикатом, из которого выполняют разнообразные минераловатные изделия: войлок, маты, полужесткие и жесткие плиты, скорлупы, сегменты и др. Формирование минераловатных изделий производится путем нанесения различных связующих на волокна и последующего уплотнения. В качестве связующего используются в основном органические вещества (синтетические смолы и олигомеры, битумы, крахмал) и их композиции. Для высокотемпературной изоляции применяют минеральные вяжущие вещества ( цементы, глины, жидкое стекло, фосфатные связующие) и их композиции с добавками органического происхождения. Смешивание минеральной ваты со связующими веществами осуществляется следующими способами:
1. Диспергированием связующих в виде растворов, эмульсий, суспензий или порошков в камере волокноосаждения через паровые или воздушные сопла;
2. Подачей связующего под давлением в трубопровод энергоносителя или перед струей силикатного расплава в процессе его раздува;
3. Пропиткой минераловатного ковра жидкотекущим связующим за камерой волокноосаждения методами окунания или полива с последующим отжимом и вакуумированием;
4. Пульверизацией связующего на тонкие слои ваты, которые затем набираются до заданной толщины;
5. Приготовлением гидромасс в смесителях в присутствие большого количества воды;
6. Пропусканием паров связующего через минераловатный ковер в специальных камерах.
Применяя способы 1,2,4 и 6 получают рулонные материалы, а способами 3 и 5 изготавливают жесткие и твердые изделия.
Применение минеральной ваты
Минеральная вата прочно занимает ведущее положение среди теплоизоляционных материалов из неорганического сырья. Это обусловлено неограниченностью сырьевых запасов, простотой производства, высокой морозостойкостью, малой гигроскопичностью и небольшой стоимостью; ее можно применять для изготовления теплоизоляционных изделий и теплоизоляции при температуре изолируемых поверхностей от -200 до +600°С. (рис.4 и 5). На строительном рынке представлены различные марки минеральной ваты и изделий на их основе (PAROC, ROCKWOOL, IZOTEK, IZOVOL, ТЕРМОСТЕК, АКСИ и т.д.), отличающиеся происхождением сырьевых материалов и свойствами готовых материалов.
Мягкие плиты и маты, как правило, применяются в каркасных конструкциях. Жесткие и полужесткие плиты из минеральной ваты предназначены для применения на объектах, где изоляция подвергается механическим нагрузкам, либо в процессе выполнения монтажных работ, либо при эксплуатации. Прочность на сжатие жестких изделий напрямую зависит от плотности теплоизоляционного материала и содержания связующего.
Минераловатные теплоизоляционные изделия имеют следующие области применения в строительстве.
- в фасадных системах наружного утепления «мокрого» типа;
- в качестве теплоизоляционного слоя в навесных вентилируемых фасадах;
- в наружных стенах с утеплителем с внутренней стороны стен;
- в наружных стенах с утеплением внутри стен (слоистая кладка, трехслойные бетонные или железобетонные панели, трехслойные «сэндвич-панели с металлическими обшивками);
- в качестве основания под рулонные и мастичные кровли;
- в конструкциях скатных кровель;
- в конструкциях перекрытий и полов, в частности, полов по грунту и сопряжений наружных стен и перекрытий.
Широкая область применения определяет широкую номенклатуру минераловатных изделий, выпускаемых ведущими производителями, которая включает в себя:
- плиты для тепловой изоляции металлических, кирпичных и бетонных частей здания. Как правило, их запрессовывают между соответствующими элементами конструкций;
- маты для утепления стропильных и подпольных конструкций. Данные изделия должны быть защищены от увлажнения путем установки пароизоляции с «теплой» стороны;
- Специальные ветрозащитные плиты,которые рекомендуется применять как ветрозащиту над мягкими плитами в стеновых и строительных конструкциях. Специально для «вентилируемых» фасадов разработаны готовые двухизоляционные плиты со слоями разной плотности. Их устанавливают таким образом, чтобы более плотная часть находилась снаружи, а менее плотная примыкала к стене;
- полужесткие плиты, выдерживающие механические нагрузкидо 5 кН/м2. Такие плиты применяют, например, в железобетонных трехслойных панелях;
- жесткие плиты, выдерживающие нагрузку до 12 кН/м2.
- плиты повышенной жесткости, предназначенные для изоляции плоской кровли и являющиеся основанием под рулонную и мастичную кровли. Разработаны специальные плиты, которые при использовании их в качестве верхнего слоя придают кровле необходимый уклон.
Базальтовое волокно
В современном строительстве применяются базальтовые волокна,технологии производства которых достаточно новы и имеют ряд принципиальных особенностей, связанных с исходным сырьем – базальтом. Базальтовые породы (базальты, андезитобазальты, базаниты, диабазы, габро, долериты, амфиболиты, андезитовые порфириты и другие породы) относятся к основным породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость.Базальты представляют собой черную плотную застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном состоянии, с зернистым строением и стекловидной массой. Она заполняет промежутки между зернами различных размеров. Базальты являются твердыми и одновременно хрупкими трудно обрабатываемыми породами, их прочность варьируется в широких пределах - от 110 до 500 МПа - и в связи с большим содержанием стекла может резко падать; плотность и средняя плотность очень близки и составляют 3000...3300 кг/м³. Базальты являются хорошими кислотоупорными и электроизоляционными материалами и высоко ценятся как сырье для каменного литья. Литой камень базальтин используют для получения отделочных изделий, химической аппаратуры, отличающихся кислотоупорностью, высокой прочностью (до 800 МПа) и долговечностью.
Диабаз (в переводе с французского - дважды базальт) отличается высокой твердостью, вязкостью, долговечностью
Базальтовые породы – однокомпонентное сырье обогащение, плавление и гомогенизация которых произведены в результате древней вулканической деятельности. Особенностями базальтов является то, что основные энергозатраты по их подготовке к производству волокон выполнены природой.
Основные технологические процессы в производстве базальтовых волокон подобны процессам, проходящим при производстве минеральных волокон из карбонатных горных пород и стекловаты, но, хотя и происходят при более высоких температурах 1400 – 1600о С, не требуют операций присущих варке стекла (осветление, остужение, гомогенизации) благодаря химическому составу и структуре базальтового сырья.
Теплоизоляционные материалы из базальтового волокна по всем показателям превосходят изделия из обычного минерального волокна и стекловаты, а именно по влагопоглощению, химической стойкости, вибростойкости и предельным температурам применения. Плотность базальтового волокна – 45 -55 кг/м3, температурный диапазон применения- от -259 оС до + 900 оС, теплопроводность – 0,039 -0,043 Вт/мК, водопоглошение по массе не более 1,5% за 72 часа.
Базальтовое волокно в виде холста, прошивных матов и мягких плит применяются в качестве тепловой изоляции промышленно-энергетического оборудования, строительных конструкций, зданий, сооружений в жилищно-гражданском и промышленном строительстве, звукоизоляции и изоляции трубопроводов.
Основные свойства
Пеностекло обладает комплексом ценных свойств, выгодно отличающих его от многих других теплоизоляционных материалов. Высокая прочность, водостойкость, несгораемость, хорошее звукопоглощение, способность легко обрабатываться режущим инструментом, возможность получения материала с различной окраской являются главными достоинствами пеностекла.
Пористость пеностекла для различных видов его колеблется от 80 до 95%. Помимо пор, разобщенных между собой стекловидными стенками, в материале самих стенок содержатся мельчайшие микропоры.
Таким образом, пеностекло обладает двоякой пористостью, обеспечивающей его высокую теплоизоляционную способность.
Изменяя технологические параметры процесса порообразования, можно получать замкнутые или открытые, сообщающиеся между собой поры. Замкнутые мелкие поры предпочтительнее иметь в пеностекле, применяемом для теплоизоляции, а сообщающиеся губчатого вида поры наиболее желательны в пеностекле, используемом для звукопоглощения.
Размеры отдельных пор в пеностекле заводского производства колеблются от 0,1 до 2-3 мм.
Возможность регулирования пористости, а следовательно, и других свойств пеностекла является одним из важных факторов технологии его производства.
Средняя пористость пеностекла может находиться в пределах от 100 до 700 кг/м 3
Коэффициент теплопроводности пеностекла средней плотности 100-200 кг/м3 составляет 0,09-0,1 Вт/м∙К при температуре + 25° С.
Теплопроводность пеностекла возрастает с повышением температуры. Прочность пеностекла характеризуется пределом прочности при сжатии. Отличительным свойством пеностекла от других теплоизоляционных материалов является высокая прочность при одинаковых значениях средней плотности по сравнению с другими ячеистыми материалами.
Практические значения предела прочности пеностекла при сжатии при разной средней плотности его представлены ниже:
Средняя плотность в кг/м3 100 200 300 400
Прочность в кГ/см2 5 10-20 30 45-50
Прочность при сжатии автоклавных ячеистых бетонов марок 300, 500 и 600 равна соответственно 10, 25 и 35 кГ/см2. Особенно наглядно видно преимущество пеностекла, если для оценки прочности использовать коэффициент конструктивного качества. Так, у ячеистого стекла и ячеистого бетона, например марки 300, коэффициенты конструктивного качества соответственно будут равны 10 и 3,3, т. е. при одной и той же средней плотности ячеистое стекло в 3 раза прочнее ячеистого бетона.
Высокую прочность пеностекла следует объяснять главным образом прочностью его стекловидной фазы.
Водостойкость у пеностекла выше, чем у других теплоизоляционных материалов. Оно почти не подвергается разрушающему действию воды; гигроскопичность его незначительна. Водопоглощение пеностекла зависит от содержания в нем сообщающихся пор: с увеличением их количества водопоглощение повышается. Так, водопоглощение теплоизоляционного пеностекла с преимущественно закрытой пористостью колеблется в зависимости от режима спекания от 3 до 20% (по объему), а водопоглощение акустического пеностекла с преобладанием сообщающихся пор – 60-75% (по объему).
Пеностекло с замкнутыми порами адсорбирует влагу только на поверхности, такое пеностекло не тонет в воде и называется «плавающим» пеностеклом.
Температуростойкость пеностекла определяется началом размягчения исходного стекла и зависит от его химического состава. Для стекол обычного состава температуростойкость составляет 300-400°С, для бесщелочного стекла - 800-1000° С. Однако, с повышением температуры прочность пеностекла снижается; так, при 300°С пеностекло выдерживает нагрузку всего лишь 3 кПсм. Пеностекло обладает и достаточной термостойкостью при нагревании и последующем резком охлаждении.
Морозостойкость пеностекла с некоторым количеством открытых пор, как материала прочного и водостойкого, значительна; оно выдерживает в насыщенном водой состоянии 50 циклов попеременного замораживания (до - 30°С) и оттаивания (при +15, +20° С) со снижением первоначальной прочности на 20-25%.
Коэффициент звукопоглощения пеностекла с сообщающимися порами при частоте колебаний звука в пределах от 600 до 1200 гц равен примерно 0,5-0,6, т. е. превышает минимальный коэффициент звукопоглощения (0,4).
Декоративные свойства пеностекла обусловлены возможностью получения этого материала разной окраски. Достигается это применением в качестве сырья для изготовления такого пеностекла исходного цветного стекла, а также подбором соответствующих газообразователей или добавлением специальных красителей
Обрабатываемость пеностекла. Пеностекло легко поддается механической обработке ручным и механическим инструментом: его можно пилить, сверлить, вбивать в него гвозди, но гвоздей оно не держит, т. е. не обладает гвоздимостью.
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 и эксплутационных нагрузок. Все это имеет очень существенное значение, как для всей строительной конструкции в целом, так и для сохранения эксплутационных свойств теплоизоляционного слоя. Фактор стабильности геометрических размеров блоков из пеностекла позволяет осуществлять монтаж теплоизоляционного слоя с плотным прилеганием блоков и отсутствием зазоров, что, в свою очередь, позволяет исключить образование «мостиков холода» в теплоизоляции. Данный фактор имеет очень существенное значение т.к. материалы размеры, которых не стабильны из-за теплового расширения-сжатия или усадки во время эксплуатации могут вызывать повреждение гидроизоляционного и отделочного слоев, образовывать «мостики холода» из-за усадки, провисания или сжатия при охлаждении.
Пеностекло сделано 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.
Тот факт, что блоки из пеностекла не коробятся и сохраняют свою форму, позволяет создавать уникальные по своей надежности и долговечности системы теплоизоляции зданий и сооружений эффективные во время эксплуатации, экономичные по капиталовложениям при обустройстве и не требующие значительного ухода с минимальным уровнем материальных и трудовых затрат на ремонт.
Уникальные свойства пеностекла в значительной степени обусловлены, как химическим составом конечного продукта (на 100% совпадающем с составом обычного посудного, бутылочного или оконного стекла), так и термическим процессом вспенивания и отжига при котором образуются сферические и гексагональные ячейки границами которых служат стеклянные стенки и составляющие твердую матрицу такого материала как пеностекло (рис.10).
Рис.10 Фотографии
среза образцов пеностекла с аморфной
и частично окристаллизованной структурой
Ячеистое строение может быть придано стеклу разными способами:
а) добавкой к сырьевой шихте веществ, вызывающих обильное бурление – пенообразование при варке стекла;
б) вдуванием в расплавленную стекломассу воздушной или газовой струи;
в) вспениванием размягченного стекла под вакуумом;
г) добавкой к тонкоизмельченному стеклу без расплавления его пенообразующих веществ (мыльный корень 1-2%) и закреплением полученной ячеистой структуры стабилизаторами ее, например растворимым стеклом (3-4%); этот способ называется холодным способом получения пеностекла;
д) спеканием при нагревании до 750-850°С стекольного порошка с газообразователями (0,5-3%) и закреплением ячеистой структуры отжигом полученных изделий. Такой способ называется порошковым, только его и применяют в настоящее время для промышленного производства пеностекла во всех странах.
Сырьевые материалы
Сырьем для получения пеностекла являются те же исходные материалы, что и для производства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, доломит, сода и сульфат. Пеностекло можно вырабатывать из отходов стекольной промышленности – стекольного боя.
Для получения однородного по структуре пеностекла наиболее целесообразно применять специально приготовленный гранулят.
Химический состав отходов оконного стекла, используемых в производстве пеностекла, следующий в %: SiО2 70-72, СаО 7-8, MgO 3-4, Na2О 15-16, А12О3 до 2, такой же примерно состав должен иметь и стекольный гранулят.
В качестве сырья для получения пеностекла могут быть также использованы некоторые горные породы вулканического происхождения, содержащие щелочи; трахиты, сиениты, нефелины, обсидианы и др. Однако, из горных пород вследствие больших колебаний их химического состава, труднее получить однородное по своему строению и свойствам пеностекло, чем из стекольного боя, или специально приготовленного гранулята.
Газообразователи. В качестве газообразователей используют вещества, выделяющие при нагревании газы. Основные условия, предъявляемые к таким веществам: равномерное выделение газа в большом количестве в определенных температурных границах, доступность получения и невысокая стоимость. Этим условиям отвечают вещества, выделяющие при нагревании углекислый газ:
а) высококарбонизированные виды твердого топлива: антрацит, каменноугольный кокс, торфяной полукокс;
б) природные кальциты: известняк, мел, мрамор.
Кроме этих газообразователей в производстве пеностекла используют соединения марганца, например пиролюзит (Мп02), выделяющий при высоких температурах кислород.
Количество газообразующих добавок к основному виду сырья колеблется от 0,5 до 3 (в % по весу). Выбор вида газообразователя зависит от ряда условий: температуры спекания стекольного порошка, интервала вязкости стекломассы в пределах температуры вспучивания; необходимой пористости пеностекла замкнутой или сообщающейся, требуемой окраски пеностекла, доступности и стоимости газообразователя.
К газообразователям, разлагающимся при наиболее высоких температурах, относятся антрацит, кокс, графит.
Известняк применяют при менее высоких температурах спекания стекольного порошка. При еще более низких температурах спекания в качестве газообразователя используют пиролюзит и натриевую селитру.
Вид газообразователя влияет на образование замкнутых или сообщающихся пор: кальциты (известняк, мрамор) создают преимущественно сообщающиеся поры, а кокс и графит - замкнутые поры.
При выборе газообразователей учитывают также окраску, которую должно иметь пеностекло; для получения пеностекла белого цвета служит известняк или мрамор, черное пеностекло получают с использованием антрацита или сажи, фиолетовое – с применением пиролюзита. Для окраски пеностекла в другие цвета к шихте добавляют специальные красители: синий цвет пеностеклу придают соединения кобальта, красный цвет – закись меди (Си 2О).
В последние годы предложен ряд новых теплоизоляционных материалов, родственных пеностеклу по видам исходного сырья и способу получения высокопористого строения. К таким материалам относят пенокералит, пенокварц и пеносил.
Сырьем для получения пенокералита служат некоторые виды кирпичных глин с добавками плавней (например, болотной руды, содержащей около 50% Fe203) и газообразователей. Пенокварц получают из тонкоизмельченного чистого кварцевого песка с добавкой угля в качестве газообразователя.
Пеностекло, получаемое из бесщелочного сырья, обладает температуростойкостью до 1000°С.
Технология пеностекла
Порошковый способ, применяемый для производства пеностекла, заключается в нагревании измельченного в порошок стекла с добавкой газообразователя. Выделяющийся при высокой температуре газ вспучивает размягченную стекломассу и придает ей ячеистое строение, закрепляемое путем отжига в процессе охлаждения.
Технологические схемы производства пеностекла на отдельных заводах отличаются друг от друга главным образом подготовкой сырья и режимом спекания («вспенивания») стекольных шихт.
В зависимости от вида применяемого сырья пеностекло можно вырабатывать по двум основным технологическим схемам:
а) расширенной схеме производства, по которой сначала получают стекольный гранулят, а затем из него уже – пеностекло:
б) сокращенной схеме производства, по которой пеностекло вырабатывают непосредственно из стекольного боя.
Подготовка стекольного боя сводится к измельчению и смешиванию его с газообразователем. Обычно оба эти процесса осуществляются совместно в шаровых мельницах: тонкость помола стеклянного порошка и газообразователя должна быть одинаковой. Тонкость помола стеклянного порошка влияет на процесс спекания и свойства пеностекла: чем тоньше частицы стеклянного порошка, тем однороднее величина и форма пор, равномернее распределены поры в материале и прочнее материал. Тонкость помола зависит от вида измельчаемого стекла: бой стекла и заводские отходы его размалывают до 3000 см г, стекольный гранулят подвергают более тонкому измельчению 4000-4500см /г.
Сырьевыми материалами при изготовлении пеностекла из гранулята являются те же виды сырья, которые применяют и для выработки обычного стекла, например оконного: кварцевый песок, известняк, доломит, сода и сульфат.
Кварцевый песок сушат в сушильном барабане и затем просеивают. Известняк и доломит дробят в щековой или молотковой дробилке, сушат в сушильном барабане, измельчают в молотковой мельнице или в дезинтеграторе и просеивают.
Соду и сульфат тоже разрыхляют и просеивают в дезинтеграторе. Приготовленные таким образом компоненты стекольной шихты смешиваются в тарельчатых и других смесителях. Состав шихты может быть таким же, как и для оконного стекла.
Расплавление шихты и варку стекломассы осуществляют в ванных печах, почти не отличающихся по своей конструкции от стекловаренных ванных печей для других видов варки стекла. Такие печи имеют поперечное или подковообразное направление пламени. Струя жидкой стекломассы, вытекая из печи через отверстие в выработочной части, попадает в расположенный внизу печи небольшой водный бассейн для мокрой грануляции стекла, где и превращается в гранулят.
Экологический аспект производства и применения пеностекла также имеет немаловажное значение. Пеностекло это единственный эффективный теплоизоляционный материал, производимый на 100% из рециркулируемых утилизируемых стекольных отходов (стеклобоя). После эксплуатации блоки из пеностекла могут быть использованы вновь (пройдя стадию дробления) в качестве засыпного теплоизоляционного материала или добавки в легкие бетоны. Пеностекло отличается от всех эффективных теплоизоляционных материалов минимальным выбросом в атмосферу во время производства оксидов серы, азота, а также полностью исключает выброс летучих органических компонентов, формальдегидов, хлорфторуглеродов и т.п. соединений.
У пеностекла самый экономичный и эффективный коэффициент отношения срока эксплуатации материала к расходам энергии на его производство.
Энергосберегающие стекла
Ассортимент производимого стекла очень широк и для правильного выбора необходимо четко представлять, в каких условиях будет эксплуатироваться то или иное стекло. Так, например, не рекомендуется использовать тонированное стекло, с коэффициентом пропускания меньше 50%, в качестве облицовочного фасадного остекления, поскольку в жаркий солнечный день панели из него могут нагреваться до температуры 80-90 0С и выше. Это создает большие температурные напряжения, которые могут привести к разрушению панели со всеми вытекающими отсюда последствиями. В этом случае необходимо применение специальных закаленных, армированных или ламинированных стекол.
Выбор стекла должен определяться не только эстетическими соображениями, но и оптико-энергетическими характеристиками остекления и его биологическим воздействием. Чтобы грамотно использовать современные виды строительного стекла, необходимо знать, что такое солнечное излучение. Рассмотрим основные составляющие солнечного излучения:
- ультрафиолетовые лучи (длина волны 280-380 нм);
- видимый свет (длина волны 380-780 нм);
- короткие волны (длина волны 780-2480 нм);
- длинные волны (длина волны 2480 нм и более);
Световые лучи частично отражаются стеклом, частично поглощаются и частично проходят сквозь стекло, попадая внутр