ПЕНОСТЕКЛО

Полезная модель относится к неорганическим теплоизоляционным материалам, в частности к пеностеклу, состоящему из газонаполненной замкнутой ячеистой структуры, ограничительные стенки пор которого представляют собой двухфазную систему, состоящую из аморфной (стекло) и микрокристаллической фаз. Пеностекло с двухфазной системой ограничительных стенок пор может быть использовано, также как и классическое пеностекло, в котором стенки пор состоят только из стекла, в строительстве для тепловой изоляции ограждающих конструкций, межкомнатных перегородок и перекрытий, производственного оборудования, трубопроводов, для тепловой изоляции холодильных установок промышленных холодильников, складов с термическим регулированием, и любых других конструкций и установок. Кроме этого, пеностекло с двухфазной системой стенок пор можно приклеивать, штукатурить цементно-песчаным раствором, покрывать отделочными полимерными штукатурками без опасения взаимодействия химически активного аморфного кремнезема со щелочами цементных растворов и отделочных штукатурок, что значительно упрощает теплоизоляцию стен зданий. Гранулированное пеностекло с двухфазной системой стенок пор можно успешно применять в качестве легкого наполнителя, не взаимодействующего со щелочами бетона.
Пеностекла - это легкие газонаполненные материалы ячеистого строения, по структуре представляющие собой затвердевшую пену, замкнутая ячеистая структура в которых ограничена тонкими стеклянными стенками [1. Шилл Ф. Пеностекло. - М., Стройиздат, 1965, с. 307]. Пеностекло получают путем обжига смеси тонкоизмельченного порошка стекла с газообразователями, которые разлагаются при нагревании с выделением в расплавленной массе газообразных продуктов.
+
Пеностекла с однофазным составом перегородок пор, несмотря на высокие теплоизоляционные свойства и ряд других полезных эксплуатационных характеристик, имеет некоторые ограничения по использованию: гранулированное пеностекло - в качестве наполнителя для бетонов, основой которых являются цементные вяжущие, а плитное пеностекло - в строительных конструкциях на основе клеящих цементных и декорирующих цементно-композитных составов. Эти ограничения связаны с возможностью взаимодействия химически активного аморфного кремнезема стекла со щелочами цементного теста. В результате щелочно-кремниевой реакции (в дальнейшем ASR - alkali-silica reaction) на границе контакта наполнителя и цементного камня образуется гель, который состоит из силикатов щелочных металлов. При этом происходит увеличение объема наполнителя, что сопровождается образованием трещин и разрушением строительных конструкций. Щелочная реакция в водосодержащих смесях цемента с пеностеклом может возникнуть не только из-за щелочи цемента, но также из-за вымывания с поверхности стекла ионов Na. Контакт плитного пеностекла с влажными клеящими цементными или декорирующими цементно-композитными составами может привести к образованию трещин и к разрушению строительной конструкции после высушивания в области нанесения цементных составов. В этой связи устранение или значительное уменьшение показателя ASR взаимодействия является важной задачей, расширяющей области применения пеностекла.
2
3
6
16
4
3
9
+
2+
Известно пеностекло, демонстрирующее более высокую устойчивость в отношении ASR взаимодействия. Такое пеностекло изготавливает ООО "Пеноситал" с торговой маркой "Пеноситал" [2. http://www.penosytal.com]. В "пеноситале" стенки пор представляют собой двухфазную систему, состоящую из аморфной (стекло) и кристаллической фаз. Кристаллическая фаза представлена, как правило, трубчатыми кристаллами девитрита состава NaCaSiO или смесью девитрита и октаэдрической фазой - NaCaSiO [3. Казанцева Л.К., Пузанов И.С. Раскристаллизация аморфной фазы в пеностекле как способ уменьшения щелочно-кремниевой реакции // Стекло и керамика. 2016. №3. С. 3-8]. Высокая устойчивость "пеноситала" к ASR взаимодействию обеспечивается частичным связыванием катионов щелочных и щелочноземельных элементов (Naи Ca) и активного аморфного кремнезема в химически устойчивую кристаллическую решетку, что приводит к уменьшению концентрации химически активных компонентов в стекле. Кристаллизация протекает при обжиге шихты в ячеистом расплаве одновременно с порообразованием.
Основными недостатками "пеноситала" являются следующие:
- кристаллическая фаза представлена крупными кристаллами с неравномерным распределением в стеклянных стенках пор (Фиг. 1б). При недостаточно высокой степени раскристаллизованности стекла это может привести к ASR взаимодействию остеклованных участков "пеноситала" с цементными растворами. Крупнокристаллическая морфология кристаллов связана с тем, что кристаллизация осуществляется в однородном ячеистом расплаве шихты, состоящей из предварительно подготовленного, хорошо проваренного стекла. В однородном расплаве кристаллизация осуществляется через зарождение центров кристаллизации низкой концентрации с последующим их ростом до тех пор, пока состав расплава будет содержать соответствующие химические элементы роста;
- степень кристаллизации пеностекла "пеноситал" обуславливается кинетическим фактором, т.е. временем выдержки при высокой температуре. Так, для максимальной кристаллизации "пеноситала" ячеистый расплав необходимо выдерживать при температуре 900°C не менее 1 часа. При 850°C скорость кристаллизации значительно понижается, а при 800°C кристаллизация прекращается.
Кроме указанных основных недостатков, "пеноситал", изготавливаемый по классической технологии из шихты, состоящей из смеси порошка стекла с газообразователем, характеризуется типичными недостатками этого вида продукции:
- высокие энергозатраты при специальной варке стекла, которая осуществляется при 1400-1450°C;
- при использовании в качестве алюмосиликатного сырья техногенных и/или бытовых отходов стекла невозможность увеличения производства из-за ограниченности исходного сырья.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является пеностекло, получаемое вспениванием при обжиге шихты из смеси природного алюмосиликатного сырья, в частности цеолитсодержащего туфа, и плавня [4. Патент РФ №117427, МПК C03C 11/10, опубл. 27.06.2012]. Ячеистая структура пеностекла по известному решению состоит из крупных ячеек, в ограничительных стеклянных стенках которых находится вторая более мелкая система пор, ограниченная также тонкими стеклянными стенками. Такое пеностекло готовится по энергосберегающей технологии без специальной варки стекла вспениванием при обжиге смеси тонкоизмельченного природного минерального сырья с плавнями.
Основным недостатком пеностекла по известному решению является то, что ограничительные стенки пор (вне зависимости от их размера) представляют собой преимущественно однофазную систему, состоящую из аморфного стекла. При небольшой выдержке при максимальной температуре обжига, например, в пределах 10 мин, в составе стенок пор может присутствовать кристаллическая фаза в незначительном количестве (в пределах первых процентов), представленная тугоплавкими компонентами природного сырья (кварц, тридимит, кристобалит, полевые шпаты), не ассимилированные ячеистым расплавом. Такое пеностекло, также как и классическое из стеклопорошка, характеризуется высокой активностью по отношению к ASR взаимодействию. Уменьшить концентрацию химически активных компонентов в аморфном стекле можно только за счет направленной кристаллизации ячеистого расплава.
Задачей полезной модели является создание высокоэффективного, экологически безопасного теплоизоляционного материала с высокой устойчивостью к ASR взаимодействию по энергосберегающей технологии с использованием природного алюмосиликатного сырья без предварительной варки стекла.
Технический результат - создание пеностекла с двухфазной системой ограничительных стенок пор из природного алюмосиликатного сырья. Стенки пор, состоящие из слабо реакционного стекла и химически инертной микрокристаллической фазы, обеспечивают высокую устойчивостью в отношении ASR взаимодействия. Такое пеностекло можно использовать без ограничения в качестве легкого заполнителя в бетоны, а также применять связующие на основе цементов для получения строительных конструкций из плитного пеностекла.
Указанный технический результат достигается тем, что в пеностекле, состоящем из газонаполненной замкнутой ячеистой структуры, ограниченной тонкими стеклянными стенками, выполненной вспениванием при обжиге шихты из природного алюмосиликатного сырья и плавня, стеклянные стенки пор содержат микрокристаллы, образованные кристаллизацией расплава шихты, дополнительно содержащей кристаллобразующие соединения с концентрацией не более 25 мас. %.
Морфологические различия разделительных стенок пор известных типов пеностекла и предложенной модели демонстрируется на фиг.1 а, 6, в, г.
Фиг. 1. Микроснимки пеностекла: а) - общий вид ячеистой структуры пеностекла; б) - стенка поры пеностекла "пеноситал" [3], состоящей из аморфного стекла и крупных трубчатых кристаллов девитрита (изготовлен по классической технологии из смеси порошка стекла и газообразователя); в) - стенка поры известного пеностекла (прототип) [4], в котором поры двух уровней ограничены тонкими стенками, состоящими из одной фазы - аморфного стекла (изготовлен из природного алюмосиликатного сырья и плавня); г) - предложенное пеностекло с двухфазной системой стенок пор, состоящих из аморфного стекла и микрокристаллической фазы (изготавливается по энергосберегающей технологии из шихты, состоящей из природного алюмосиликатного сырья, плавня и кристаллобразующих соединений - кальцита, магнезита, доломита или солей кальция и/или магния и других соединений кальция и/или магния).
Микрокристаллы девитрита в предложенном пеностекле, изготавливаемом по энергосберегающей технологии из шихты на основе природного сырья, морфологически отличаются от кристаллов девитрита в "пеноситале" изготовленном по классической технологии из шихты на основе стеклопорошка. В предложенном пеностекле максимальный размер девитрита по длине составляет не более 10 мкм, а в поперечнике 1 мкм. Размер октаэдрической фазы не превышает 1 мкм (фиг. 1г). В "пеноситале" кристаллы девитрита по длине достигают 50 мкм, в поперечнике - до 20 мкм (фиг. 1б).
Морфологическое различие кристаллической фазы в известном пеностекле "пеноситал" и в предложенном связано с различным механизмом кристаллизации в них. В предложенном пеностекле кристаллизация осуществляется спонтанно при достижении необходимого количества расплава в стенках пор при обжиге. Спонтанный механизм кристаллизации характерен для неоднородных расплавов (растворов), каким является расплав природной шихты. При спонтанном механизме кристаллизация из расплава осуществляется одномоментально в виде равномерного выпадения мелкокристаллической фазы в расплаве стенок пор. Микрокристаллическая фаза, включающая наиболее активные элементы из аморфного стекла и равномерно распределенная в стеклянной матрице, обеспечивает повышенную устойчивость к ASR взаимодействию и высокую устойчивость ячеистого расплава при температуре порообразования.
В качестве природного сырья для изготовления пеностекла с двухфазной системой стенок пор подходят любые алюмосиликатные породы, в том числе преимущественно силикатные, которые обычно применяются в энергосберегающих технологиях для изготовления пеностекла без предварительной варки стекла, такие как опока, трепел, диатомит, маршаллит, цеолитсодержащие породы, перлит и др.
Для кристаллизации ячеистого расплава, при обжиге шихты на основе природного сырья, в состав шихты дополнительно вводят кристаллобразующие соединения, содержащие кальций и/или магний. Обычно применяют широко распространенные природные минеральные соединения, такие как кальцит, мел, магнезит, доломит и другие породы. В качестве кристаллобразующих соединений могут использоваться также соли кальция и/или магния. Концентрация кристаллобразующих соединений в составе шихты не должна превышать 25 мас. %. Ограничение по содержанию кристаллобразующих соединений связано с оптимальностью степени раскристаллизованности тонких стенок пор. При более высокой концентрации кристаллобразующих соединений в составе шихты расплава будет недостаточно для связывания кристаллической компоненты в единое целое в тонких стенках пор. Нижний предел концентрации кристаллобразующих соединений не имеет принципиального значения. Их количество должно быть достаточным для спонтанного формирования микрокристаллической фазы в ячеистом расплаве, концентрация которой определяется условиями использования продукции.
При необходимости для повышения кристаллизационной способности ячеистого расплава состав шихты дополняют специальными катализаторами, в качестве которых могут использоваться любые известные катализаторы, применяемые при изготовлении ситаллов, например, оксиды цинка, серебра, хрома или их соли, фосфорные соединения и др. [5. Бережной Л.И.. Ситаллы и фотоситаллы. - М., Машиностроение, 1981, с. 464].
Пеностекло с двухфазной системой стенок пор, состоящей из микрокристаллической фазы, равномерно распределенной в аморфном стекле изготавливают следующим образом.
В том случае, если природное сырье не содержит в своем составе минеральные компоненты, содержащие CaO, MgO или их смесь, то вместе с породой измельчают также кристаллобразующие соединения, такие как кальцит, мел, магнезит, доломит или любые другие, образующие указанные оксиды в процессе обжига. Если порода содержит указанные компоненты в необходимой концентрации, то измельчается только порода. При необходимости порошок породы механоактивируют. Измельченное сырье смешивают с плавнями, такими как гидроксид натрия, кальцинированная сода, жидкое стекло или их смеси. Плавни смешивают с порошком породы в виде водных растворов до образования пластичной массы, из которой формуют гранулы нужного размера, которые высушивают при температуре до 100°C до воздушно-сухого состояния.
Для получения блочного пеностекла с двухкомпонентной системой разделительных стенок пор высушенную гранулированную шихту засыпают в жаростойкие формы и обжигают в печи при температуре 800-900°C с выдержкой, обеспечивающей спонтанную кристаллизацию ячеистого расплава шихты. Сформированное изделие охлаждают и отжигают по обычным режимам пеностекольных производств.
Гранулированное пеностекло с двухкомпонентной системой стенок пор изготавливают обжигом сухой гранулированной шихты во вращающихся или любых других печах, позволяющих провести вспенивание и кристаллизацию гранулированной шихты без слипания друг с другом.
В таблице приведено сравнение состояния плитного пеностекла по прототипу и предложенной модели после нанесения на поверхность пеностекла цементно-песчаного раствора.
Как видно из таблицы, по устойчивости в отношении ASR взаимодействия предложенное пеностекло с двухфазной системой стенок пор характеризуется устойчивостью в отношении ASR взаимодействия.