СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРМИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА
METHOD FOR MANUFACTURING OF REINFORCED FOAM GLASS

Изобретение относится к производству пеностекла - теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного пеноматериала неорганического состава с повышенными механическими свойствами - и может быть использовано в качестве теплоизоляционного материала или монтажного в несущих элементах зданий и любых других сооружений в сейсмоопасных регионах и любых других областях с повышенным риском возможного разрушения, в том числе на атомных электростанциях, атомных морских и воздушных судах и любых других теплоэнергоустановках, с целью повышения надежности сооружений.
Во время землятресений и других природных и техногенных катастроф большой ущерб наносится за счет разрушения зданий и сооружений. В сейсмически опасных регионах современные здания и сооружения строятся с учетом максимально возможной нейтрализации избыточных разрушительных нагрузок. Строительный материал в таких регионах необходимо использовать также с повышенными механическими свойствами. В идеале это должен быть неразрушающийся строительный материал.
Известен армированный пеноматериал и способ его получения (варианты) [заявка РФ №2007129952/03 от 07.08.07, МПК Е04С 1/00, 2006]. Целью армирования известного пеноматериала является повышение стойкости при разрушающем воздействии. Недостатками известного пеноматериала являются следующие:
- пеноматериал экологически небезопасен, так как изготовлен на органической основе, в качестве которой применяют термовспенивающуюся композицию на основе бисерного полистирола, пенополиуретана или фенолоформальдегидного пенопласта (компонент Б). Неорганическая часть (компонент А) включает натриевую щелочь и жидкое натриевое стекло, которые после обжига при 380-500°С не теряют способности к растворению;
3
- пеноматериал нельзя применять в качестве несущих элементов зданий и сооружений в связи с органической основой и в связи с очень низкой плотностью материала - 8,0-60,0 кг/м;
- узкая область использования армированного пеноматериала только в сооружениях, удаленных от источников высокой температуры, в связи с высокой горючестью его органической основы.
Известно получение высококачественного теплоизолирующего негорючего материала неорганического состава - пеностекла с высокой механической прочностью из состава шихты, основным компонентом которой является природное алюмосиликатное сырье - цеолитсодержащий туф, при следующем содержании компонентов, мас.%: цеолитсодержащий туф - 99,85-99,75; карбид кремния - 0,15-0,25 [патент РФ №1708784, кл. С03С 11/00, 1989].
3
Такое пеностекло характеризуется высокой механической прочностью от 9,5 до 11,6 МПа при плотности от 420 до 560 кг/м, что определяет возможность его использования в несущих элементах зданий и сооружений в качестве теплоизоляционно-конструкционного материала. Недостатками пеностекла, полученного из известного состава, являются:
- высокая температура вспенивания шихты, которая составляет 1160-1180°С, что может быть препятствием для его производства при дефиците энергоресурсов;
3
- ограниченный диапазон плотности пеностекла по его нижнему значению. Плотность пеностекла, полученного из известного состава шихты, составляет 420-560 кг/м, а его коэффициент теплопроводности - 0,08-1,2 Вт/мК. Такой материал не реализует в полной мере теплоизолирующие возможности, присущие пеностеклу с меньшей плотностью. Чем меньше плотность пористого материала, тем меньше коэффициент теплопроводности и, следовательно, лучше теплоизолирующий эффект;
- пеностекло разрушается при обычных нагрузках, соответствующих нагрузкам для традиционного строительного материала - красного строительного кирпича и других традиционно используемых строительных материалов. Поэтому такое пеностекло нельзя назвать строительным материалом с повышенным сопротивлением к разрушающим нагрузкам.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является состав шихты для получения пеностекла, содержащий, мас.%: цеолитсодержащий туф - 55-78,5; газообразователь - 0,5-3,0; бой стекла - 15-30; кальцинированная сода - 6-12 [патент РФ №2051869, кл. С03С 11/00, 1996]. Пеностекло получают путем смешивания измельченных компонентов сырьевой смеси, загрузки смеси в металлические формы, обжига при температуре вспенивания 900-1000°С, выдержки при конечной температуре 0,5-1,0 ч и охлаждения в течение 16-20 ч.
3
3
3
По известному решению можно получить пеностекло при более низкой температуре 900-1000°С с более широким диапазоном плотности 310-750 кг/м, что позволяет получать пеностекло с более высокими теплоизолирующими свойствами, так как нижняя граница плотности составляет 310 кг/м. Основным недостатком такого пеностекла является то, что оно, так же как и предыдущее, не может относиться к строительным материалам с повышенным сопротивление к разрушающим нагрузкам. Кроме этого, использование в качестве флюсующей добавки боя стекла и кальцинированной соды позволяет снизить нижнюю границу температуры вспенивания только до 900°С. Из известного состава сырьевой смеси можно изготавливать пеностекло с нижней границей плотности 310 кг/м, при которой не полностью реализуется возможность пеностекла как неорганического теплоизолирующего строительного материала.
Задачей изобретения является получение пеностекла с повышенными механическими свойствами.
3
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение стойкости пеностекла к разрушающим воздействиям не менее чем в два-три раза. Техническим результатом является также снижение температуры вспенивания до 750°С и снижение нижней границы плотности пеностекла до 150 кг/м.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ изготовления армированного пеностекла путем смешивания измельченных компонентов сырьевой смеси, состоящей из цеолитсодержащего туфа, газообразователя и флюсующей добавки, загрузки смеси в металлические формы, обжига при температуре вспенивания и охлаждения, при этом в форму вертикально и на расстоянии 20-50 мм от ее боковых стенок устанавливают не менее двух металлических армирующих сеток по ширине формы с шагом между ними 100-150 мм, а в качестве флюсующей добавки применяют соединение или смесь соединений, содержащих в своем составе натрий, концентрация которого в составе сырьевой смеси составляет 4-12 мас.%.
Поставленная задача дополнительно решается тем, что толщина армирующей сетки составляет 1,0-1,5 мм, а ее длина и высота на 10-20 мм меньше длины и высоты внутренних размеров формы.
3
При использовании в составах сырьевой смеси флюсующих добавок с более высоким флюсующим действием, например, таких как гидроксид натрия, или других соединений, близких к нему по флюсующим возможностям, можно изготавливать пеностекло из цеолитсодержащих туфов со снижением температуры вспенивания до 750°С и плотности пеностекла до 150 кг/м.
Ограничение по расстоянию, на котором устанавливаются армирующие сетки по обе стороны от боковых стенок формы, - 20-50 мм, а также расстояние между сетками в пористой матрице блока пеностекла, составляющее 100-150 мм, связаны с оптимальными параметрами функционирования армирующей сетки в теле пеностекла. Указанное расположение сеток позволяет равномерно распределить армирующее действие металлической сетки по всему блоку пеностекла. Конкретное расстояние, на котором устанавливаются армирующие сетки, и их количество выбираются в зависимости от размера выпускаемых блоков.
Ограничение металлической сетки по толщине связано с технической целесообразностью. При толщине сетки менее 1 мм она не обладает собственной достаточной механической устойчивостью и выполняет слабую армирующую способность. При толщине сетки более 1,5 мм масса пеностекла будет повышаться и его значение, как облегченного строительного материала, снижаться. Кроме того, большая толщина сетки будет определять неоправданный расход металла и удорожание продукции.
Ограничение по длине и высоте армирующей сетки, которая должна быть на 10-20 мм меньше длины и высоты внутренних размеров формы, в которой вспенивается сырьевая смесь и размерам которой будет соответствовать вспененный блок пеностекла, связано с тем, что после охлаждения блок пеностекла обрезают для придания ему точной геометрической формы. При размерах армирующей сетки больше, чем указано в ограничительных параметрах, она может мешать обрезанию поверхностей. При меньших размерах сетки не будет выполняться в полной мере армирующее действие сетки.
При вспенивании сырьевой смеси пористая масса заполняет все пустоты металлической сетки, в результате чего после окончания вспенивания сетка оказывается впаянной в пористую матрицу пеностекла. Сжимающие или изгибающие нагрузки в таком армированном пеностекле воздействуют не на пористую матрицу пеностекла, а на закрепленные в ее теле упорные металлические элементы. За счет этого пористая матрица пеностекла длительное время сохраняется без разрушения под воздействием нагрузок, значительно превышающих разрушительные нагрузки для пеностекла без армирования.
Масса пеностекла с армирующей металлической сеткой увеличивается на массу сетки. При необходимости для снижения этого фактора сетку перед установкой можно растягивать. В качестве армирующей металлической сетки может быть использована сетка "рабица" или любая другая аналогичная ей, выпускаемая отечественной или зарубежной промышленностью, или изготавливаться специально для получения армированного пеностекла.
Ограничение концентрации натрия в составе флюсующей добавки связано с оптимальной вязкостью расплава в температурном диапазоне вспенивания 750-1000°С.
3
3
Предложенный состав сырьевой смеси позволяет получать армированное пеностекло с широким диапазоном плотности 150-750 кг/м в температурном диапазоне вспенивания 750-1000°С. Пеностекло с низкими значениями плотности более эффективно использовать в качестве жаростойкого, негорючего теплоизолирующего материала с повышенными прочностными свойствами. Пеностекло с более высоким значением плотности, как правило, это продукция с плотностью выше 400 кг/м, может применяться в несущих элементах зданий и сооружений в качестве теплоизоляционно-конструкционного строительного материала с высоким сопротивлением к разрушению.
В качестве газообразователя может применяться любое соединение, используемое при изготовлении традиционного пеностекла из стеклопорошка и газообразователя [Демидович Б.К. Пеностекло. - Минск: Наука и техника, 1975, 248 с.], которое способно образовывать газовую фазу при температуре вспенивания в диапазоне 750-1000°С, например карбид кремния, измельченный силицированный графит, длиннопламенные угли, графит, кокс, сажа и любые другие газообразующие вещества.
Ниже приведен пример получения армированного пеностекла с повышенным сопротивлением к разрушающим нагрузкам.
Пример. Цеолитсодержащую породу дробят в бегунах или дробилках, измельчают в шаровой мельнице. Измельченный туф перемешивают с тонкоизмельченными газообразователем и флюсующими добавками. Смесь загружают в жаростойкие металлические формы, после этого в сырьевую смесь вставляют подготовленные в соответствии с высотой и длиной внутренних размеров формы металлические сетки. Подготовленную форму с сырьевой смесью и металлическими сетками нагревают до температуры вспенивания 750-1000°С. Выдержка при конечной температуре составляет 15-60 минут. Вспененный материал охлаждают и отжигают по общепринятому режиму в производстве пеностекла. Резкое охлаждение до 600°С за 1,5-2 ч и отжиг за ≥8 ч.
В таблице приведено сравнение данных по плотности и пределу прочности на сжатие пеностекла согласно изобретению с литературным данным.
Показатели
Пеностекло на основе стеклопорошка
Вспененные стеклокерамические материалы из природного сырья (цеолитсодержащих туфов)
Изобретение
1
2
3
4
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
160-250
170
120-160
200-350
400-650
700-950
150
420
750
Предел прочности на сжатие, МПа
0,8-2,0
1,1
0,5-2,0
3,5-6,5
7,5-14,1
15-17,5
4,5
28,5
44
Как видно из таблицы, армированное пеностекло значительно превосходит известные пеноматериалы по совокупности свойств: плотность/предел прочности на сжатие.
Источники информации
1. Павлушкин Н.М. Справочник "Стекло", М.: Стройиздат, 1973 (стр.166).
2. http//www.penosteklo.
3. http//www.dlnio.ru.
4. Казанцева Л.К., Верещагин В.И., Овчаренко Г.И. Вспененные стеклокерамические теплоизоляционные материалы из природного сырья // Строительные материалы. №4, 2001, стр.33-34.