Разработка технологии обжигового пеностекла на основе стеклобоя и техногенных добавок: влияние состава шихты на структуру и свойства

Содержание

Введение

Производство строительных материалов - важная стабильно растущая отрасль экономики Казахстана, обеспечивающая 8, 6 % объемов производства обрабатывающей промышленности. Приоритетность данного сектора опреде- ляется с одной стороны - внутренним спросом строительной индустрии, воз- можностями развития и реализации отечественной продукции на рынках стран макрорегиона, с другой стороны - наличием собственной сырьевой базы и потенциалом казахстанских предприятий [1] . В настоящее время интенсивно развиваются направления строительного материаловедения по исследования и созданию композитов с техногенными отходами, это обусловлено экологиче- скими проблемами и необходимостью экономии и сокращении использования топливно-энергетических и природных ресурсов.

Значительный технико-экономический и экологический интерес пред- ставляет переработку и утилизацию боя искусственных стекол, утилизации уделяется достаточно большое внимание во всех развитых странах. Стеклобой

- это неразлагающийся силикатный отход, который засоряет почвенный слой земли, поэтому его необходимо перерабатывать или подвергать соответствую- щему захоронению. Утилизируют отходы стекла главным образом в стекольной промышленности и производстве строительных материалов.

Экологические проблемы, имеющие в настоящее время глобальный ха- рактер, возникают преимущественно вследствие неконтролируемого воздейст- вия человечества на окружающую среду.

Стеклобой имеет широкое применение для изготовления пеностекла, производство которого растет с каждым годом. В последние годы актуально производство легких заполнителей из гранулированного пеностекла, основным сырьем для изготовления которого служит бой тарного, технического и строительного стекол [2] .

Бой стекла, образующийся у потребителей, представлен фрагментами листового стекла, стеклотары. Такой «вторичный» стеклобой зачастую входит в состав твердых бытовых и строительных отходов, составляет 20-30 % общей массы свалки. Около 20 % стеклобоя можно собрать и возвратить на стеколь- ные заводы для переплавки.

На территории Казахстана накопилось 43 млрд. т твердых бытовых отходов, из них 600 млн. т - токсичные. При этом ежегодно объем накапливае- мых ТБО увеличивается на 700 млн. т. Утилизация твердых бытовых отходов в полезное вторичное сырье - перспективное направление, как с точки зрения экономической привлекательности, так и экологической безопасности.

Пеностекло - это вспененная стекломасса. Расплавленные силикатные стекла при температуре 800 - 900 °С и наличии газообразователя вспениваются и при остывании образуют прочную вспененную стекломассу. За счет вспени- вания объем стеклянной массы увеличивается в 15 раз. Для производства пено- стекла используют отходы стекла или спекающиеся горные породы [3] .

Пеностекло - это стеклянная пена - ячеистый неорганический материал, экологически безопасно. Экологическая чистота позволяет использовать пено-

стекло в пищевой и фармацевтической промышленности. Более того, само про- изводство пеностекла имеет экологическую направленность, оно позволяет ис- пользовать любой стеклобой и отходы стекольного производства, само приме- нение пеностекла позволяет отказаться от экологически опасных теплоизоля- ционных материалов, таких как, асбестосодержащие материалы, или пожаро- опасного и экологически вредного пенопласта.

Пеностекольный материал отличается комплексом таких свойств, как низкая теплопроводность 0, 04 - 0, 05 Вт/м· ⁰ С, высокая прочность 0, 7 - 1, 3 МПа, низкое водопоглощение 0 - 5 %, широкий температурный диапазон применения от - 30 до +400 ⁰ С, огнестойкость и долговечность.

Существуют различные виды строительного: теплоизоляционное, декора- тивно-акустическое, гранулированное пеностекло. Применяют пеностекло для тепловой изоляции ограждающих конструкций, холодильников, промышленно- го оборудования, работающего при повышенных температурах, в качестве отделочного материала.

Энергосбережение в жилых и нежилых объектах строительства в связи с

ростом цен на энергоносители встаёт на первый план, потому главным и ре- шающим фактором является сохранение тепла и сокращение его потерь.

Цель дипломной работы - разработка технологии обжиговых щелочеси- ликатных материалов с исследованием влияния состава шихты на формирова- ние структуры и свойства пеностекла.

Основные задачи дипломной работы:

• аналитический обзор научно - технической информации о пеностекле;
• экспериментальные исследования влияния состава шихты на структуру и свойства пеностекла;
• разработка состава шихты для получения пеностекла с техногенными добавками;

-обоснование выбора и описание способа организации производства и технологической схемы изготовления блоков из пеностекла;

-технологические расчеты потребности в сырьевых материалах;

• расчет технико-экономических показателей.

Актуальность темы определяется направленностью на разработку и ис- следование эффективных теплоизоляционных материалов на основе техноген- ного сырья.

1. Аналитический обзор научно-технической литературыПеностекло: свойства и преимущества

Пеностекло это высокоэффективный теплоизоляционный материал неор- ганического происхождения, который отвечает требованиям современного строительства. При выборе теплоизоляционного материала необходимо сочета- ние высоких теплотехнических характеристик и долговечность материала. Этим требованиям соответствует пеностекло, которое обладает пониженной плотностью с достаточной прочностью и качественной структурой. Этот мате- риал обладает низкой теплопроводностью, негорючестью, эти свойства придает структура с замкнутыми ячейками, которые обеспечивают водо- и паронепро- ницаемость, и имеет неограниченный срок службы [5] .

Одним из наиболее качественных видов теплоизоляционного материала является пеностекло. Оно представляет из себя ячеистый материал, сформиро- ванный в результате вспенивания порошка стекла при различной термической режимах. В настоящее время в строительной индустрии ощущается дефицит в различных теплоизоляционных материалах. Свойства пористого теплоизоляци- онного материала представлены на рисунке 1. 1.

Рисунок 1. 1 - Свойства пеностекла [5]

Пеностекло - один из наиболее качественных тепло- и звукоизоляцион- ных материалов. Он обладает рядом преимуществ перед другими теплоизоля- ционными материалами. Пеностекло долговечно, негорюче, влаго- и пароне- проницаемо, устойчиво к воздействию агрессивных сред, обладает достаточно высокими физико-механическими свойствами [6] .

Уникальная совокупность свойств пористого теплоизоляционного мате- риала позволяет применять этот материал достаточно широко.

Основной областью применения может быть его использование в качест- ве универсального теплоизолятора. Этот материал поможет увеличить надеж-

ность конструкций, сэкономить средства, так же этот материал может эффек- тивно применяться в тех случаях, когда применение других теплоизоляцион- ных материалов малоэффективно, затруднено или невозможно.

Использование пеностекла приведено на рисунке 1. 2.

Рисунок 1. 2 - Использование пеностекла

Основным видом применяемых в странах СНГ утеплителей являются ми- нераловатные (волокнистые) изделия, доля которых в общем объеме производ- ства и потребления составляет более 65 % (рисунок 1. 3) . Около 8 % приходится на стекловатные материалы, 20 % - на пенополистирол и другие пенопласты. Доля теплоизоляционных ячеистых бетонов в общем объеме производимых утеплителей не превышает 3 %, вспученного перлита, вермикулита и изделий на их основе 2 - 3 %. Пеностекло - новый продукт на отечественном рынке [8] .

Рисунок 1. 3 - Структура потребления теплоизоляционных материалов [6]

Пеностекло - высокоэффективный и технологичный, хотя и дорогой ма- териал, позволяет не только не повысить начальную цену всего объекта, но и сэкономить значительные средства при последующей его эксплуатации за счет применения в меньших объемах (рисунок 1. 4) .

Рисунок 1. 4 - Зависимость толщины стены от используемого теплоизоляционного материала [8]

В таблице 1. 1 представлена сравнительная характеристика свойств тепло- изоляционных материалов.

В лаборатории теплофизических характеристик и долговечности строи- тельных материалов и изделий Научно-исследовательского института строи- тельной физики было проведено исследование по долговечности фасадной сис- темы с теплоизоляцией из наиболее применяемых плитных утеплителей.

Таблица 1. 1 - Свойства теплоизоляционных материалов

Условный срок службы до капитального ремонта составил с учетом влия- ния натурных факторов для экструзионного пенополистирола - 10 лет; минера-

ловатной плиты на базальтовой основе - 15 лет; блочного пенополистерола - 20 лет; для пеностекла - более 45 лет, т. е. долговечность пеностекла соответствует долговечности зданий и сооружений. Характеристика пеностекла при ведена в таблицах 1. 2, 1. 3.

Таблица 1. 2 - Физико-механические свойства пеностекла

Пеностекло применяется для теплоизоляции в промышленном и граждан- ском строительстве (стены, кровля перекрытия), теплоизоляции трубопроводов и газопроводов, в огнеоградительных конструкциях (температура до 600 °С), для защиты продуктовых складов, зернохранилищ, хозяйственных и жилых помещений; позволяет организовывать сады на кровлях, строить на слабых грунтах, возводить надстройки верхних этажей, изготавливать понтонные и другие плавучие конструкции, сооружать кровли атомных станций.

Таблица 1. 3 - Свойства различных видов пеностекла

Таким образом, использовать в строительстве надо только такие материа- лы, которые являются долговечными и эффективными, жить в окружении кото- рых комфортно и безопасно. Из теплоизоляционных изделий это, в первую оче- редь, пеностекло. Пеностекло - позволяет экономить на затратах по теплоизо- ляции, снижает затраты на монтажные работы, увеличивает полезный объем помещения, снижает нагрузки на фундамент и несущие конструкции, повышает безопасности жилья [9] .

2. Сырье для производства пеностекла

Приоритетными направлениями исследований в области пеностекла все- гда были работы, связанные с изучением и использованием новых сырьевых материалов, разработкой на их основе составов пеностекольных шихт, обеспе- чивающих получение качественной продукции, экономию природных сырье- вых и топливных ресурсов [12] .

Использование отходов в виде различного вторичного стеклобоя не га- рантирует однородности стекла по составу, что соответствующим образом ска- зывается на качестве готового материала. Поэтому условием получения высо- кокачественного пеностекла пониженной плотности с оптимальными характе- ристиками и их воспроизводимостью является варка стекла определенного со- става. При этом необходимо решать вопросы снижения энергозатрат путем уменьшения температуры варки стекла с привлечением подходящего для этих целей активного кремнеземистого сырья [5] .

Наша Республика Казахстан богата неисчерпаемыми запасами высокока- чественными кремнистыми породами, таким как диатомиты, трепелы, опока, которые являются перспективным сырьем для производства пеностекла.

На территории Южно-Казахстанской области зафиксировано более 20 месторождений и проявлений опок и опоковидных глин, приуроченных к су- закскому и ханаватскому ярусам палеогена. Опоковидные породы развиты в районах Кынгракского, Дарбазинского, Жилгинского и других куполооб- разных поднятий палеогена [13] .

В Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова, Шымкент были проведены исследования природных кремнистых пород - опок, содержащих преимущественно аморфный или наноструктурный (криптокри- сталлический) кремнезем, с целью получения легкоплавких силикатных систем, способных к вспучиванию и образованию пеноматериалов.

Теоретической предпосылкой послужило то обстоятельство, что присут- ствие в данной категории горных пород мелких частиц кремнезема на нано- уровне может оказать существенное влияние на технологию получения мате- риалов с применением термической обработки, т. е. возможно ускорение массо- переноса, перемещение компонентов на атомарном уровне, активизация хими- ческого взаимодействия твердых растворов. Так как исследуемая горная порода относится к системе многокомпонентной, в зоне контактных частиц различных минералов действуют не только механическая, но и химические силы, ускоряя взаимодействие нанокристаллических частиц [13] .

Исследования морфологических особенностей показали, что размеры частиц исходной криптокристаллической осадочно-химической породы колеб- лются от 3 мкм до 4, 5 мкм, что составляет 90 % от всей массы пробы, а осталь- ные 10 % составляют оксиды Al, Na, Mg (рисунок 1. 5, 1. 6) .

Химический состав сферической частицы 3, 31 мкм показывает, что доля SiO ₂ в исследуемой кремнистой породе составляет 93, 5 %. Это означает, что исследуемая кремнистая порода, т. е. опоки Кынгракского месторождения прак-

тически полностью состоят из аморфного кремнезема.

По фотоснимкам видно, что частицы рентгеноаморфного кремнезема об- разовывают сферические образования. Анализ энергодисперсионных спектров указывает на присутствие в аморфном кремнеземе кристаллического кварца 8, 72 мкм.

Рисунок 1. 5 - Морфологический характер и размеры частиц аморфного кремнезема [13]

Рисунок 1. 6 - Кристаллический кварц в аморфном кремнеземе [13]

Таким образом, видно, что опоки Кынгракского месторождения содержат преимущественно аморфный или наноструктурный (криптокристаллический) кремнезем. На их основе возможно получение легкоплавких силикатных сис- тем, способных к вспучиванию и образованию пеноматериалов.

В Республике Казахстан имеются огромные запасы стеклосодержащих отходов в виде стеклобоя, а также металлургических, фосфорных гранулиро- ванных шлаков состоящих 90 - 95 % из стеклофазы [12] . Эти материалы явля- ются готовыми силикатными сырьевыми ресурсами для производства тепло- изоляционно - конструкционных материалов на основе стекла. Для этого необ- ходимы теоретические и экспериментальные исследования по их переработке с целью создания отечественной технологии теплоизоляционно- конструкционного материала - пеностекла на основе переработки стеклобоя в композиции со стеклосодержащими отходами Республики Казахстан.

На сегодняшний день перед всем развитым миром стоит проблема утили- зации бытовых и промышленных отходов. Одним из перспективных направле- ний исследований является разработка эффективных технологий по переработ- ке стеклобоя в композиции со стеклосодержащими отходами с целью получе- ния эффективных строительных материалов [14] .

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана, г. Уральск, Казахстан проводил исследования целью исследования явля- ется разработка технологии пеностекла с использованием волластонит содер- жащего шлака в композиции со стеклобоем.

В таблице 1. 4 приведены исследуемые составы композиции для получе- ния пеностекла.

Таблица 1. 4 - Результаты исследования различных добавок на физико- механические свойства пеностекла

Добавка шлака в количестве 1 - 3 %, обеспечи- вает низкую среднюю плотность при сохранении высоких прочностных показа- телей [14] .

Большая работа по изучению сырьевых материалов проводят российские ученые. Например, в диссертационной работе Мешкова А. В. выполнена на ка- федре технологии силикатов и наноматериалов ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехнического университета» в качестве ос- новного сырья использовался диатомит, вспомогательные компоненты - доло- митовая мука, сульфат натрия, кальцинированная и нефелиновая сода, в каче- стве газообразователей опробованы углерод технический марки П 245, антра- цит и карбид кремния.

Поскольку получаемый гранулят имеет более высокую себестоимость, чем стеклобой, всегда стоял вопрос об использовании более дешевых сырьевых материалов при получении гранулята. Одно из путей решения этого вопроса - получение исходного стеклогранулята на основе дешевого природного сырья или отходов промышленности [6] .

Исследования сибирского федерального университета г. Красноярска, на- учным руководителем которого является профессор Бурученко А. Е., показали, что сырьем для производства пеностекла могут быть золы теплоэнергетики и формовочных земель. В основу опытов были заложены сырьевые материалы такие как: зола Красноярской ТЭЦ-1, кварцевый песок, доломит, сода. В ре- зультате получили ячеистую структуру пеностекла путем вспенивания смеси порошкообразного стекла с газообразователем.

Состав шихты приведен в таблице 1. 5.

Таблица 1. 5 - Состав шихты с содержанием золы Красноярской ТЭЦ-1

Сибирский федеральный университет провел аналогичные исследования с золой Красноярской ТЭЦ-2. Состав шихт представлен в таблице 1. 6.

Таблица 1. 6 - Состав шихт с содержанием шлака Краснояской ТЭЦ-2

---

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.

• Информатика
• Банковское дело
• Оценка бизнеса
• Бухгалтерское дело
• Валеология
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Религия
• Общая история
• Журналистика
• Таможенное дело
• История Казахстана
• Финансы
• Законодательство и Право, Криминалистика
• Маркетинг
• Культурология
• Медицина
• Менеджмент
• Нефть, Газ
• Искуство, музыка
• Педагогика
• Психология
• Страхование
• Налоги
• Политология
• Сертификация, стандартизация
• Социология, Демография
• Статистика
• Туризм
• Физика
• Философия
• Химия
• Делопроизводсто
• Экология, Охрана природы, Природопользование
• Экономика
• Литература
• Биология
• Мясо, молочно, вино-водочные продукты
• Земельный кадастр, Недвижимость
• Математика, Геометрия
• Государственное управление
• Архивное дело
• Полиграфия
• Горное дело
• Языковедение, Филология
• Исторические личности
• Автоматизация, Техника
• Экономическая география
• Международные отношения
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда