Основные характеристики пеностекол

Введение

Строительство – это один из самых современных видов деятельности, отвечающих социальным задачам сегодняшнего дня. Строительная отрасль в настоящее время является одной из ведущих отраслей экономики, динамичное развитие которой трудно представить без роста объемов капитального и жилищного строительства, без применения новых эффективных строительных материалов.

Современные тенденции в технологии строительных материалов, отвечающие требованиям повышения их эффективности, связаны с вопросами сбережения природного сырья, снижения энергоемкости продукции, разработки и использования новых методов переработки отходов промышленности. Вовлечение в производство строительных материалов технологий утилизации и переработки различных отходов является актуальной задачей всех развитых стран.

Получение пеностекол с использованием техногенных отходов в качестве основного сырья отвечает требованиям снижения энергоемкости продукции, поскольку предполагает использование накопившегося в большом количестве стекла. При этом решаются важные и актуальные вопросы сбора, переработки и использования этого вида вторичного сырья. Производство пеностекол предполагает сокращение расходов природного минерального сырья и ведет к снижению экологической нагрузки на окружающую среду.

Среди известных теплоизоляционных материалов пеностекло занимает особое место, благодаря хорошему сочетанию теплоизолирующих и конструктивных свойств. Данная проблема особо актуальна для нашего региона с суровыми климатическими условиями.

К сожалению, в настоящее время технология получения пеностекла остается достаточно сложной и энергоемкой по сравнению с технологиями получения других теплоизоляционных материалов, что является причиной того, что пеностекло не получило широкого применения в практике строительства. Вместе с тем, интерес к производству пеностекла сохраняется, ведутся теоретические исследования некоторых аспектов, разрабатываются технические решения, которые со временем могут вывести данную технологию в ряд конкурентно способных. Существует устойчивое мнение о перспективности ведения поисковых работ в области производства пеностекла.

Цель данной курсовой работы – сбор и систематизация литературных данных о физико-химических основах получения пеностекла. В данной курсовой работе рассматриваются физико-химические процессы при получении пеностекол, приводятся характеристики частных случаев системы SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O, к которой можно отнести большинство горных пород и отходов промышленности, используемых в качестве сырья для пеностекол.

 

Общие сведения о пеностекле

История

Пеностекло (вспененное стекло, ячеистое стекло) - теплоизоляционный материал, представляющий собой вспененную стекломассу. Для изготовления пеностекла используется способность силикатных стёкол размягчаться и (в случае наличия газообразователя) пениться при температурах около 1000°С. По мере нарастания вязкости при охлаждении вспененной стекломассы до комнатной температуры получившаяся пена приобретает существенную механическую прочность. Готовая продукция представлена на рисунке 1.1.

а	б
Рисунок 1.1 – Готовая продукция из пеностекол: а) фасонные изделия длиной 600 мм. с внутренним диаметром 22 мм. б) плиты теплоизоляционные размером 600×450×85

Считается, что пеностекло было изобретено в 1930-х годах советским академиком И. И. Китайгородским и в США – в начале 1940-х годов фирмой Corning Glass Work. Вначале предполагалось применять пеностекло в качестве плавающего материала. Но вскоре выяснилось, что оно дополнительно обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, легко подвергается механической обработке и склеиванию. Впервые бетонные плиты с теплоизоляционной прослойкой из пеностекла были применены в 1946 г. при строительстве одного из зданий в Канаде. Этот опыт оказался настолько удачным, что материал сразу же получил всеобщее признание как долговечная изоляция для кровли, перегородок, стен и полов для всех видов построек. Но в СССР широкого распространения оно не получило из-за высокой себестоимости и не отработанной технологии производства этого уникального теплоизоляционного материала.

Так в 1970-х годах пеностекло производилось в СССР на нескольких заводах, но ни на одном из них не выпускалась продукция, способная конкурировать с европейской и американской. Высокая энергоёмкость и большой процент брака неизбежно привели к сворачиванию производства пеностекла на большинстве заводах.

Производство пеностекла

В настоящее время основной технологией производства пеностекла является т. н. «порошковая»: тонкоизмельчённое силикатное стекло (частицы 2 – 10 мкм) смешивается с газообразователем получившаяся однородная механическая смесь (шихта) в формах, либо на конвейерной ленте поступает в специальную туннельную печь. В результате нагрева до 800 – 900°С частицы стекла размягчаются до вязко-жидкого состояния, а углерод окисляется с образованием газообразных CO₂ и CO, которые и вспенивают стекломассу. Механизм реакции газо- и пенообразования достаточно сложен и не ограничивается только реакцией окисления углерода кислородом воздуха, более важную роль играют окислительно-восстановительные процессы взаимодействия углерода с компонентами размягчённого стекла. Применяют с этой целью отходы обычного стекла или легко спекающиеся горные породы с повышенным содержанием щелочей. В качестве газообразователей применяют каменноугольный кокс, антрацит, известняк, мрамор. Углеродсодержащие газообразователи создают в пеностекле замкнутые поры, а карбонаты – сообщающиеся.[1]

Особенности производства

Производство качественного блочного (плитного) пеностекла (а тем более фасонных изделий из него) справедливо считается весьма технически непростой задачей. Причиной тому является сложность физико-химических процессов непосредственно при вспенивании, а также строгие требования к процессам фиксации и охлаждения (отжига) готовой пены. Так, например, фиксация усложняется тем, что стеклу не свойственно резкое твердение при охлаждении (подобно кристаллизации при переходе воды в лёд), а фиксация пеностекла может сопровождаться такими «мешающими» процессами, как экзотермические реакции в стеклянном расплаве, спонтанная кристаллизация (девитрификация) стекломассы, существенная неоднородность температурного поля во вспененном массиве и т. п. Правильно охладить вспененный блок также непросто — материал обладает крайне низким коэффициентом теплопроводности при известной хрупкости тонких стеклянных ячеек пены. В результате отжиг растягивается на 10 – 15 часов и накладывает существенные ограничения на высоту (толщину) отжигаемых блоков (допустимая скорость охлаждения обратно пропорциональна квадрату толщины). Существенно менее сложным является производство гранулированного пеностекла, массовое производство которого менее требовательно к составу стекла и совершенству теплотехнических агрегатов. Гранулированное пеностекло несколько уступает в теплотехнической эффективности блочному, однако, обладая существенно меньшей ценой, пользуется определённым спросом при производстве лёгких бетонов, выполнении теплоизоляционных засыпок и изготовлении геометрически сложных изделий, включая звукоизоляцию.

Сырьевые материалы

Для производства пеностекла используют стекло, сваренное из следующих исходных материалов: кварцевого песка, известняка, соды и сульфата. Можно также использовать отходы стекольного производства; бой оконного или тарного стекла; легкоплавкие горные породы, содержащие щелочи.

Сваренную в ванной печи стекломассу превращают в гранулы, для этого массу сливают на металлический конвейер и обильно орошают водой.

Отходы стекольного производства и бой стекла неоднородны по химическому составу, что затрудняет их переработку. Для снижения стоимости гранулята соду и глинозем можно заменять щелочесодержащими горными породами и отходами производства: нефелины, перлиты, андезиты, вулканические пеплы, легкоплавкие озерные глины, а также золы ТЭС и другие.

Химический состав стекла должен быть: SiO2 – 72-73%, CaO – 6-7%, MgO – 3-4%, Na2O – 14-16%, AL2O3 – 0.8-2%, SO3 – 0.4-0.5%.

В качестве газообразователей применяют вещества, выделяющие при нагревании газы: антрацит (1,5-2,0 % от массы), металлургический кокс 2-3%, ламповую сажу 0.2-0.5%, торфяной полукокс и мраморную крошку 1-1,5% и др. К ним предъявляются требования: температура выделения газа должна быть на 50-70ºС выше температуры размягчения стекольного порошка, равномерное выделение газа, не дефицитность, не токсичность, невысокая стоимость.

Выбор вида газобразователя зависит от температуры спекания и вязкости стекла, от характера пористости и окраски пеностекла.

2.2 Характеристика оксидной системы SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O

Для прогнозирования свойств вспученных алюмосиликатных материалов и получения пеностекол с заданными свойствами необходимо, прежде всего, осуществить выбор химического состава, основанный на знании влияния оксидов кремния, алюминия, кальция, магния, натрия и других оксидов на свойства стекла. Использование тройных диаграмм состояния таких систем как Na₂O-CaO-SiO₂, Na₂O-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂, которые являются частными случаями системы SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O (где R – щелочной металл), представляется при этом целесообразным. Например, на рис. 2.1 и 2.2 приведены представляющие интерес диаграммы тройных систем SiO₂ – CaO – Fe₂O₃ и SiO₂ – Al₂O₃ – CaO.

 

Рисунок 2.1 – Диаграмма состояния системы SiO2 – CaO – Fe2O3

 

Рисунок 2.2 – Диаграмма состояния системы SiO2 – Al2O3 – CaO

На диаграммах состояния принято рассматривать преимущественно равновесия в системах «твердое – жидкость». Эти диаграммы, выражающие зависимость температуры, при которой находятся в равновесии те или иные фазы в системе, от состава, иногда называются фазовыми диаграммами.

Основной закон фазового равновесия Гиббса связывает число степеней свободы равновесной термодинамической системы с числом независимых компонентов системы и количеством равновесных фаз . Для многокомпонентных систем, на которые влияет только один внешний параметр (температура или давление), число степеней свободы определяется по закону Гиббса в виде

(2.1)

Для двухкомпонентных систем уравнение упрощается до вида:

, (2.2)

для трехкомпонентных систем – до вида:

. (2.3)

Если в системе присутствует одна гомогенная фаза (жидкая или твердая), то ; при равновесии двух фаз . Минимальная вариантность системы (инвариантность) возможна при равновесии трех фаз. На диаграмме состояния инвариантна тройная точка, когда в равновесии одновременно находятся три фазы. Сложные многокомпонентные системы принято рассматривать по частям.

Минимальная вариантность двухкомпонентной системы (инвариантность) возможна при равновесии трех фаз. Этот случай реализуется для эвтектической точки, когда расплав при затвердевании рассматривается как отдельная фаза.

Диаграммы состояния являются основой физико-химического анализа – метода исследования равновесия между жидкими и твердой фазами в системах. На оси ординат в таких диаграммах откладывается температура, а в поле диаграммы приводятся зависимости температуры начала и окончания кристаллизации расплавов различного состава. Основные принципы в физико-химическом анализе:

Принцип непрерывности: при непрерывном изменении параметров, определяющих состояние системы, свойства ее изменяются также непрерывно, но при условии, что не возникают новые фазы и не исчезают наличные. В последнем случае изменения происходят скачкообразно.

Принцип соответствия: каждой фазе или комплексу фаз равновесной термодинамической системы на диаграмме соответствует определенный геометрический образ. Например, для однокомпонентой системы область (поле) соответствует состоянию гомогенной, системы линия – равновесию двух фаз и точка – равновесию трех фаз (тройная точка).

Интерес может представлять зачастую не вся диаграмма, а ее часть. Так, отмечают, что сведения об областях стеклообразования и кристаллизации в системе SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O и о влиянии оксидов указанной системы на реологические свойства расплава относятся в основном к технологии получения пеностекол с использованием высокотемпературной варки стекла.В трехкомпонентной системе Na₂O-CaO-SiO₂ отмечается тройная эвтектика с самой низкой температурной кристаллизации 7250 С: 5,2% CaO; 21,3% Na₂O; 73,1% SiO₂ [2]. Участок диаграммы состояния данной системы, представляющий интерес для технологии стекла приведен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Участок диаграммы состояния системы Na2O-CaO-SiO2 по Мюрею и Боуну

Как видно из рисунка, в рассматриваемой части диаграммы состояния имеются три тройных химических соединения: 2Na₂O‧CaO‧3SiO₂; Na₂O‧2CaO‧3SiO₂ и девитрит Na₂O‧3CaO‧6SiO₂.

Наибольший интерес представляет состав в элементарном треугольнике NaSi₂-Si-NaCa₃Si₆ так как рассматриваемая часть весьма легкоплавка.

Заключение

Подводя итоги курсовой работы, можно отметить, что изделия из пеностекла являются сложными многосоставными системами, но в тоже время достаточно актуальны в современных реалиях.

Физико-химические процессы получения пеностекол предопределяются в значительной степени соотношением в шихте стеклобоя и газообразователя, обеспечивающих требуемый химический состав; содержание щелочного компонента; условие подготовки компонентов (удельной поверхностью и продолжительностью механоактивации); температурно-временными режимами вспенивания при обжиге.

Особая актуальность в производстве пеностёкол определяет использование отходов промышленности, такие как стеклобой тарного и листового стекла, зола уноса ТЭЦ, что непосредственно представляет интерес для последующего глубокого изучения эффективного производства пеностекол.

 

Введение

Строительство – это один из самых современных видов деятельности, отвечающих социальным задачам сегодняшнего дня. Строительная отрасль в настоящее время является одной из ведущих отраслей экономики, динамичное развитие которой трудно представить без роста объемов капитального и жилищного строительства, без применения новых эффективных строительных материалов.

Современные тенденции в технологии строительных материалов, отвечающие требованиям повышения их эффективности, связаны с вопросами сбережения природного сырья, снижения энергоемкости продукции, разработки и использования новых методов переработки отходов промышленности. Вовлечение в производство строительных материалов технологий утилизации и переработки различных отходов является актуальной задачей всех развитых стран.

Получение пеностекол с использованием техногенных отходов в качестве основного сырья отвечает требованиям снижения энергоемкости продукции, поскольку предполагает использование накопившегося в большом количестве стекла. При этом решаются важные и актуальные вопросы сбора, переработки и использования этого вида вторичного сырья. Производство пеностекол предполагает сокращение расходов природного минерального сырья и ведет к снижению экологической нагрузки на окружающую среду.

Среди известных теплоизоляционных материалов пеностекло занимает особое место, благодаря хорошему сочетанию теплоизолирующих и конструктивных свойств. Данная проблема особо актуальна для нашего региона с суровыми климатическими условиями.

К сожалению, в настоящее время технология получения пеностекла остается достаточно сложной и энергоемкой по сравнению с технологиями получения других теплоизоляционных материалов, что является причиной того, что пеностекло не получило широкого применения в практике строительства. Вместе с тем, интерес к производству пеностекла сохраняется, ведутся теоретические исследования некоторых аспектов, разрабатываются технические решения, которые со временем могут вывести данную технологию в ряд конкурентно способных. Существует устойчивое мнение о перспективности ведения поисковых работ в области производства пеностекла.

Цель данной курсовой работы – сбор и систематизация литературных данных о физико-химических основах получения пеностекла. В данной курсовой работе рассматриваются физико-химические процессы при получении пеностекол, приводятся характеристики частных случаев системы SiO₂ – Al₂O₃ – CaO – MgO – Fe₂O₃ – FeO – R₂O, к которой можно отнести большинство горных пород и отходов промышленности, используемых в качестве сырья для пеностекол.

 

Общие сведения о пеностекле

История

Пеностекло (вспененное стекло, ячеистое стекло) - теплоизоляционный материал, представляющий собой вспененную стекломассу. Для изготовления пеностекла используется способность силикатных стёкол размягчаться и (в случае наличия газообразователя) пениться при температурах около 1000°С. По мере нарастания вязкости при охлаждении вспененной стекломассы до комнатной температуры получившаяся пена приобретает существенную механическую прочность. Готовая продукция представлена на рисунке 1.1.

а	б
Рисунок 1.1 – Готовая продукция из пеностекол: а) фасонные изделия длиной 600 мм. с внутренним диаметром 22 мм. б) плиты теплоизоляционные размером 600×450×85

Считается, что пеностекло было изобретено в 1930-х годах советским академиком И. И. Китайгородским и в США – в начале 1940-х годов фирмой Corning Glass Work. Вначале предполагалось применять пеностекло в качестве плавающего материала. Но вскоре выяснилось, что оно дополнительно обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, легко подвергается механической обработке и склеиванию. Впервые бетонные плиты с теплоизоляционной прослойкой из пеностекла были применены в 1946 г. при строительстве одного из зданий в Канаде. Этот опыт оказался настолько удачным, что материал сразу же получил всеобщее признание как долговечная изоляция для кровли, перегородок, стен и полов для всех видов построек. Но в СССР широкого распространения оно не получило из-за высокой себестоимости и не отработанной технологии производства этого уникального теплоизоляционного материала.

Так в 1970-х годах пеностекло производилось в СССР на нескольких заводах, но ни на одном из них не выпускалась продукция, способная конкурировать с европейской и американской. Высокая энергоёмкость и большой процент брака неизбежно привели к сворачиванию производства пеностекла на большинстве заводах.

Производство пеностекла

В настоящее время основной технологией производства пеностекла является т. н. «порошковая»: тонкоизмельчённое силикатное стекло (частицы 2 – 10 мкм) смешивается с газообразователем получившаяся однородная механическая смесь (шихта) в формах, либо на конвейерной ленте поступает в специальную туннельную печь. В результате нагрева до 800 – 900°С частицы стекла размягчаются до вязко-жидкого состояния, а углерод окисляется с образованием газообразных CO₂ и CO, которые и вспенивают стекломассу. Механизм реакции газо- и пенообразования достаточно сложен и не ограничивается только реакцией окисления углерода кислородом воздуха, более важную роль играют окислительно-восстановительные процессы взаимодействия углерода с компонентами размягчённого стекла. Применяют с этой целью отходы обычного стекла или легко спекающиеся горные породы с повышенным содержанием щелочей. В качестве газообразователей применяют каменноугольный кокс, антрацит, известняк, мрамор. Углеродсодержащие газообразователи создают в пеностекле замкнутые поры, а карбонаты – сообщающиеся.[1]

Основные характеристики пеностекол

Пеностекло выпускают в форме блоков, плит и гранул. Плотность пеностекла – 110-200 кг/м. куб. Сорбционная влажность пеностекла – 0,2-0,5 %, при ф=97%. Теплопроводность пеностекла – 0,04-0,08 Вт/(м·К) (при +10°С). Паропроницаемость пеностекла – 0-0,005 мг/(м.ч. Па). Предел прочности на сжатие – 0,7-4 МПа. Предел прочности на изгиб – 0,4-0,6 МПа. Температура начала деформации пеностекла – 450°С. Водопоглощение пеностекла 0-5 % от объёма. Шумопоглощение: до 56 Дб. Эффективный диапазон температур: от -260°С до +500°С. Реальный диапазон применения без потери свойств и разрушения пеностекла от -260°С до +230°С

Особенности производства

Производство качественного блочного (плитного) пеностекла (а тем более фасонных изделий из него) справедливо считается весьма технически непростой задачей. Причиной тому является сложность физико-химических процессов непосредственно при вспенивании, а также строгие требования к процессам фиксации и охлаждения (отжига) готовой пены. Так, например, фиксация усложняется тем, что стеклу не свойственно резкое твердение при охлаждении (подобно кристаллизации при переходе воды в лёд), а фиксация пеностекла может сопровождаться такими «мешающими» процессами, как экзотермические реакции в стеклянном расплаве, спонтанная кристаллизация (девитрификация) стекломассы, существенная неоднородность температурного поля во вспененном массиве и т. п. Правильно охладить вспененный блок также непросто — материал обладает крайне низким коэффициентом теплопроводности при известной хрупкости тонких стеклянных ячеек пены. В результате отжиг растягивается на 10 – 15 часов и накладывает существенные ограничения на высоту (толщину) отжигаемых блоков (допустимая скорость охлаждения обратно пропорциональна квадрату толщины). Существенно менее сложным является производство гранулированного пеностекла, массовое производство которого менее требовательно к составу стекла и совершенству теплотехнических агрегатов. Гранулированное пеностекло несколько уступает в теплотехнической эффективности блочному, однако, обладая существенно меньшей ценой, пользуется определённым спросом при производстве лёгких бетонов, выполнении теплоизоляционных засыпок и изготовлении геометрически сложных изделий, включая звукоизоляцию.