30 Май 2016

 

Л.К. КАЗАНЦЕВА, канд. геол.-мин. наук (ИМП СО РАН, Новосибирск),
В.И. ВЕРЕЩАГИН, доктор техн. наук, профессор (Томский политехнический университет),
Г.И. ОВЧАРЕНКО, доктор техн. наук, профессор (Барнаульский технический университет)

 

Одним из важнейших путей экономии топливно-энергетических ресурсов является сокращение тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий. Наряду с минеральной ватой высокоэффективной и надежной теплоизоляцией в строительстве является пеностекло. Пеностекло изготовляется вспениванием тонкоизмельченного порошка с газообразователем в жаростойких формах с последующим отжигом и охлаждением. Температура вспенивания для разных производств составляет 780—900°С.

 

К сожалению, пеностекольное производство не развито в России. В настоящее время линия по производству пеностекла запущена в Томске и планируется в Омске. Реально такие предприятия должны быть в каждом крупном индустриальном городе для обеспечения местного строительства теплоизоляционными материалами такого профиля. Это утверждение обусловлено высокими теплоизоляционными свойствами пеностекла и надежностью при эксплуатации [1, 2].

 

Организация производств блочного пеностекла тормозится зачастую отсутствием дешевого и надежного источника сырья. Специально сваренный стеклогранулят является относительно дорогим сырьем, а технический бой стекла — ненадежный источник с непостоянным химическим составом при разнородных производителях. В связи с этим стоит вопрос о разработке альтернативных технологий изготовления блочных пеноматериалов с частичным или полным замещением стеклопорошка природными алюмосиликатными породами.

 

Практически с первых этапов разработки пеностекла по традиционной технологии из стеклогранулята или боя стекла разрабатывались способы изготовления пеноматериалов из природного сырья без варки из него стекла, т. е. по одностадийному способу производства [2]. Для успешной реализации таких производств сырье должно быть местным, легко добываемым, должно иметь широкую географическую распространенность, что позволит тиражировать производство. В Сибири и на Дальнем Востоке таким условиям отвечают цеолитсодержащие туфы.

блочный сибиформ

Рис. 1. Блочный Сибирфом

 

Цеолитизированные туфы представляют собой полиминеральные горные породы с различными структурными типами цеолитов. Известно более 40 структурных видов природных цеолитов. Туфовые проявления цеолитов в России представлены преимущественно гейландитовым и клиноптилолитовым типами. В производстве теплоизоляционных строительных материалов более рационально использовать туфы со средней и низкой цеолитизацией (цеолита в породе менее 50%) следующего минерального ряда: цеолит + монтмориллонит (и другие минералы смнектитовой группы), полевой шпат + минералы группы кремнезема (кварц, кристобалит), карбонатные минералы (кальцит, доломит и др.).

 

Для образования устойчивого расплава ячеистой структуры при формировании пеноматериалов химический состав цеолитизированных пород должен соответствовать составу, мас. %: 56—71 SiO2; 10—16 AI2O3; 0,5—3,5 Fe2O3; 0,7—5,2 CaO; 0,44-3 MgO; 0,7-5,0 Na3O; 0,8-5 K3O, остальное п.п.п. Оптимальная вязкость расплава (105-107 Па с) для образования устойчивой мелкопористой ячеистой структуры формируется при содержании суммы оксидов щелочных и щелочеземельных металлов в породе в пределах 7,5-10%. Нежелательными примесями в породе являются кальцит и минералы группы кремнезема — кварц и кристобалит. Кальцит приводит к образованию неустойчивых, быстро оседающих пен при температуре вспенивания, а при наличии в сырье высокого содержания кварца формируется высоковязкий невспенивающийся расплав. Оптимальным является отношение SiO2/СаО не менее 12. Содержание кварца не должно превышать 30%. Чем выше закварцованность породы, тем больше должно быть оксидов щелочных и щелочноземельных металлов в породе.

 

На территории СНГ выявлено около 50 крупных месторождений и проявлений цеолитизированных пород с общими прогнозными запасами более 3,5 млрд т. В Сибири и на Дальнем Востоке наиболее крупными и перспективными являются месторождения: Шивыртуйское (Читинская область), Холинское (Бурятия), Хонгуринское (Саха-Якутия), Пегасское (Кузбасс), Сахаптинское и Пашенское (Красноярский край), Середочное и Чугуевское (Приморье), Лютогское (Сахалин) и др.

 

Породы разрабатываются открытым способом. Многие цеолитизированные породы обладают способностью вспучиваться при высоких температурах, поэтому они наряду со вспучивающимися легкоплавкими глинами, перлитом, вермикулитом представляют собой перспективное минеральное сырье для изготовления пеноматериалов. Эти породы характеризуются высокой народнохозяйственной значимостью и возможностью многоцелевого использования в экологии, животноводстве, сельском хозяйстве и других областях. Вовлечение низкоцеолитизированных пород в многотоннажные производства теплоизоляционных строительных материалов, безусловно, повысит рентабельность горнодобывающих предприятий этого природного сырья.

 

Показатели Плотность, кг/м3
200-350 400-650 700-950
Предел прочности при сжатии, МПа

Предел прочности при изгибе, МПа

Водопоглощение, %

Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)

Морозостойкость, циклов

3,5-6,5

1,6-2

3-5,5

0,06-0,07

>100

7,5-14,1

2,2-4,3

1,5-3,5

0,08-0,09

>100

15-17,5

5-5,8

0,5-0,9

0,1-0,208

>100

максроструктура сибиформа

Рис. 2. Макроструктура Сибирфома: а — однородно-пористая; б — брекчиевидная

 

К настоящему времени разработаны технологии изготовления гранулированных и блочных пеноматериалов из составов на основе цеолитизированных пород со следующими температурами изготовления:

  1. 1150— 1200°С (температура естественного плавления породы);
  2. 900—1000°С (вспенивающиеся составы содержат до 60% цеолитизированных пород, остальное — технологические добавки, в том числе бой стекла);
  3. 800—900°С (состав содержит 70—80% модифицированной цеолитизированной породы, остальное — технологические добавки);
  4. Холодное вспучивание на воздухе с последующим термоупрочнением (пенокерамика).

 

Разработанные пенообразующие составы применимы для изготовления как блочного, так и гранулированного пеноматериала. Любая технология позволяет максимально задействовать местные отходы промышленности. Пеноматериалы — блочные и гранулированные, изготовленные на основе цеолитизированных пород, названы Сибирфомом® (рис. 1).

 

Изготовление блочных пеноматериалов из цеолитизированных пород осуществляется по одностадийной схеме без предварительного расплавления породы и получения стеклогранулята.

 

Основные технологические процессы изготовления пеноматериалов из цеолитизированных пород аналогичны процессам при изготовлении пеностекла по традиционной технологии из стеклопорошка. Цеолитизированная порода измельчается, смешивается при необходимости с технологическими добавками, смесь засыпается в жаростойкие формы, вспенивается в печи обжига, затем отжигается для снятия напряжений, охлаждается и разрезается по размерам. Порода, как правило, измельчается до фракции менее 0,25 мм, а в ряде случаев допускается более грубое измельчение. Снижение температуры вспенивания до 800—900°С в предложенных технологических разработках позволяет использовать типовое оборудование пеностекольных заводов. По технологии изготовления пеноматериалов с температурой естественного плавления породы (1150— 1200°С) отработаны методы изготовления блочных пеноматериалов с однородно-пористой и брекчиевидной текстурой [3, 4] (рис. 2).

 

Однородно-пористая макроструктура пенокамня формируется по порошковой технологии, когда пенообразующая смесь состоит из порошка породы, и при необходимости, с технологическими добавками. Изготовление пеноматериала с низкой плотностью (200—300 кг/м3) по такой технологии осуществляется с добавлением высокотемпературного газообразователя. Брекчиевидная макроструктура образуется при добавлении к порошку до 50% гравия вспучивающегося цеоилитизи-рованного туфа. В связи с неоднородностью туфов по составу гравийная часть смеси после вспенивания окрашивается в различные оттенки коричневого цвета. Такой пеноматериал может быть использован для декоративного оформления зданий.

 

Образование ячеистого расплава при формировании блочного пеноматериала с температурой 800—900°С осуществляется за счет молекулярной «цеолитовой» воды, удерживаемой в модифицированных цеолитах до более высокой температуры, чем в исходных. Цвет пеноматериала, изготовленного по низкотемпературной технологии, от светло-коричневого или серого до белого, зависит от состава породы конкретного месторождения. Физико-механические свойства блочных пеноматериалов приведены в таблице.

 

Сибирфом характеризуется закрытой пористостостью, огнестоек, не размокает в воде, экологически безвреден, обрабатывается под любой профиль, имеет оригинальные декоративные качества. Состав Сибирфома представлен стеклом или квазистеклом с недоплавленными тугоплавкими минералами кварца или кристобалита не более 5%. По предварительным расчетам, использование блочного Сибирфома в зданиях позволяет в 4—13 раз уменьшить толщину стен по сравнению с толщиной из обыкновенного керамического кирпича. При строительстве Сибирфом может быть более многофункционален, чем минеральная вата, так как он может быть использован и в качестве декоративного оформления с паро-, звуко- и теплоизоляцией. Сибирфом плотностью выше 300 кг/м3 может быть использован в несущих элементах зданий в связи с высокой механической прочностью таких пеноматериалов.

 

Список литературы

  1. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1975.
  2. Китайгородский И.И., Кешишян П.И. Пеностекло. М.: Промсто-ройиздат, 1953.
  3. Казанцева Л.К., Белицкий И.А., Фурсенко Б.А., Дементьев С.Н. Физико-механические свойства Сибирфома — пористого строительного материала из цеолитсодержащих пород // Стекло и керамика. 1995, № 10.
  4. Казанцева Л.К., Белицкий И.А., Фурсенко Б.А., Дементьев С.Н. Сибирфом с брекчиевидной текстурой // Стекло и керамика. 1995, № 12.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»