СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА ИЗ СТЕКЛОБОЯ
METHOD OF PRODUCING GRANULATED FOAM GLASS FROM BROKEN GLASS

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к производству гранулированного пеностекла. Получаемое гранулированное пеностекло может применяться как засыпной теплоизоляционный материал, а также в качестве легковесного заполнителя в производстве облегченных бетонов.
Существующие способы получения гранулированного пеностекла отличаются видом используемого основного сырья (перлит вулканическое стекло, диатомит, трепел, вулканический пепел, туф, цеолитсодержащую породу, глину, песок, базальт, а также различные отходы промышленности), порообразователем (карбонатные, сульфатные, углеродные и др.), типом используемой связки, различными добавками, способами помола, гранулирования, вспенивания, наличием дополнительных стадий обработки сырья и пр.
Известен способ получения гранулированного пеностекла из несортового стеклобоя, когда молотый стеклобой смешивают с необходимыми химическими добавками, окатывают полученную смесь в грануляторе и направляют сырцовые гранулы на вспенивание во вращающейся проходной печи. Классическими примерами такого способа производства являются патенты DE 4344994 «Producing expanded glass granulate without special requirements to the waste glass used» и RU 2162825 «Способ изготовления гранулированного пеностекла из стеклобоя». В данных способах измельченный стеклобой гранулируют совместно с жидким стеклом, порообразователем. Сырцовые гранулы вспенивают в смеси с разделяющей средой во вращающейся проходной печи.
В связи с тем, что гранулированное пеностекло может использоваться в качестве заполнителя при изготовлении легких бетонов на цементном связующем, необходимо решение проблемы взаимодействия избытка щелочи в цементе с силикатной составляющей заполнителя. Последствием такого взаимодействия является образование геля, дальнейшее взаимодействие которого с водой приводит к его расширению и образованию недопустимых трещин в бетоне.
Согласно Lesage R., Sierra R. (Le Point sur les Reactions Alcalis-Granulats dans les Betons Hydrauliques. Взаимодействие между щелочами и заполнителями в бетонах на гидравлических вяжущих. // Bull. liais. Lab. Ponst et chaussees. - 1977. - №90. - pp.103-105, 123-125, 127, 130) различают три типа указанных реакций, одним из которых является реакция между щелочами и реакционноспособным кремнеземом заполнителя.
Для исключения протекания реакции щелочно-силикатного взаимодействия возможно использовать следующие способы:
1. Использование исходных компонентов, позволяющих получить пеностекло определенного состава. Например, в патенте ЕР 0661240 «Foam glass granulate and method for its manufacture» для поддержания химического состава пеностекла в определенных пределах исключают использование нитратов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, компонентов, содержащих серу, фтор, бор. Суммарное содержание щелочноземельных металлов в пеностекле должно находиться в пределах 8-15%.
2. Добавка соединений циркония к стекольной шихте при производстве щелочностойкого стекла. Например, в патентах US 4978641 «Porous glass and process for its production», JP 2141439 «Porous glass and its production» предлагают получать ячеистое стекло, стойкое к воздействию щелочей. Для этих целей в состав исходного сырья дополнительно вводят не менее 5% масс. циркония и не менее 2% масс. соединений щелочноземельных металлов. Возможно использование полученного стекла в качестве сырья для производства щелочностойкого гранулированного пеностекла.
3. Покрытие гранул пеностекла различными связками, препятствующими прямому контакту пеностекла с цементным камнем. Например, в патенте DE 10334997 «Foam glass composition, useful as filler, e.g. in mix of lightweight mineral aggregate, binder and water for thermally insulating roof or sub-floor leveling plaster, is loose mixture of foam glass grains with pore-sealing binder coating» предлагают покрывать пеностекольные гранулы различными органическими и неорганическими связками. В качестве связок могут выступать силикат натрия, модифицированный фосфат алюминия, полиуретан, эпоксидная смола, полиэфирная смола, силиконовая смола. После нанесения связки гранулы проходят термообработку при температуре 60-800°C.
4. Использование специальных связок с пониженным содержанием щелочи, в том числе низкощелочные цементы. Например, в патенте ЕР 2376400 «Open pore mold and method for producing the same» предложен способ производства композитных изделий с насыпным пеностеклом на органическом полиуретановом связующем.
Все рассмотренные варианты исключения протекания реакции щелочно-силикатного взаимодействия в легких бетонах между пеностеклом и связкой требуют либо значительное усложнение и удорожание самого "процесса производства гранулированного пеностекла за счет использования специальных видов стекол или добавки дорогостоящих компонентов либо усложнение процесса последующего использования гранулированного пеностекла при производстве изделий.
3
Наиболее близким техническим решением по достигаемому результату является уже упомянутый патент ЕР 0661240 (C03C 11/00, C03B 19/08, 18.02.1994, Foam glass granulate and method for its manufacture). Для исключения протекания щелочно-силикатной реакции авторы предлагают готовить пеностекло из стекла определенного химического состава, в котором содержание компонентов находится в определенных интервалах. При этом в исходной шихте для производства пеностекла исключают содержание нитратов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, компонентов, содержащих серу, фтор, бор. Из стекол определенных химических составов получают тонкомолотый стекольный порошок с размером частичек стекла менее 63 мкм. К тонкомолотому стекольному порошку добавляют связующее - жидкое стекло и углеродсодержащий пенообразователь. Компоненты перемешивают с получением пеностекольной смеси. Сырьевая пеностекольная смесь, проходя через вальцы, прессуется под давлением около 150 МПа (гранулируется), с получением сырцовых гранул полуфабриката, которые дополнительно дробятся до требуемого размера. Затем сырцовые гранулы полуфабриката вспенивают в печи при температуре 700-850°C. Получаемое гранулированное пеностекло имеет насыпную плотность 100-250 кг/м и отличается щелочностойкостью в цементной матрице.
Однако данному способу присущи следующие недостатки. Использование исходного сырья определенного состава, предъявляет повышенные требования к подготовке пеностекольной смеси: стекло должно быть разделено по видам, для каждого вида должен быть определен химический состав, необходимо равномерно перемешать стекла разных видов между собой и с дополнительными химическими добавками с целью получения исходного сырья требуемого химического состава. Использование полусухих смесей при получении сырцовых полуфабрикатов методом прессования требует проведение тщательной процедуры смешения порошка стекла с малым количеством жидкости. Применение операции дробления прессованных заготовок с получением сырцовых гранул полуфабриката требуемого фракционного состава приводит к неизбежному образованию пыли и отсеву мелкой фракции полуфабриката.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в расширении сырьевой базы, снижении себестоимости и упрощении способа производства гранулированного пеностекла при сохранении высокой щелочностойкости получаемого гранулированного пеностекла за счет использования несортового стеклобоя и блокировки реакционной активности поверхности частиц стекла при введении в пеностекольную смесь дополнительных добавок.
Высокая щелочностойкость получаемого гранулированного пеностекла, по сравнению с обычным гранулированным пеностеклом снижает протекание щелочно-силикатной реакции в цементной матрице, что делает возможным использование гранулированного пеностекла в качестве легковесного заполнителя при производстве облегченных бетонных изделий.
При решении поставленных задач необходимо обеспечить получение продукта с минимально возможной себестоимостью, исключающей использование дорогостоящих добавок, повышенных температур, сложных технологических операций и т.п.
Технический результат достигается тем, что в способе производства гранулированного пеностекла, включающем получение тонкомолотого стекольного порошка, добавление к тонкомолотому стекольному порошку порообразователя, связующего, их перемешивание с получением пеностекольной смеси, гранулирование пеностекольной смеси с получением сырцовых гранул полуфабриката, вспенивание сырцовых гранул полуфабриката в печи с получением гранулированного пеностекла, согласно изобретению, в качестве исходного сырья для получения тонкомолотого стекольного порошка использован несортовой стеклобой, к тонкомолотому стекольному порошку добавляют крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц не более 80 мкм.
Кроме того, количество крупнопористого силикагеля составляет 0.1-5% от массы стекла.
Кроме того, гранулирование сырцовых гранул полуфабриката осуществляют на тарельчатом грануляторе.
В известном техническом решении увеличение щелочностойкости получаемого гранулированного пеностекла достигается использованием стекол определенных химических составов. В предлагаемом изобретении для получения гранулированного пеностекла в качестве основного исходного сырья используется наиболее распространенный и дешевый источник стекольного сырья - несортовой стеклобой. Однако гранулированное пеностекло, получаемое из несортового стеклобоя, не отличается повышенной щелочностойкостью, что делает невозможным его использование в цементной матрице. Поэтому в ходе поиска различных путей снижения влияния протекающей щелочно-силикатной реакции в цементной матрице проводили исследования по измерению величины расширения бетонов с наполнителем - гранулированным пеностеклом, полученным с использованием различных добавок. Для проведения экспериментов использовали метод определения изменения длины образцов бетонов в результате протекающей щелочно-силикатной реакции - стандарт США ASTM С 1293-01 в модификации с повышенной температурой. При проведении экспериментов стандартные образцы бетонов выдерживали при температуре 60°C и влажности 100% в течение трех месяцев. Через каждые 1-3 недели образцы извлекали из термостата для контроля расширения. После приведения температуры образца к комнатной длину образца бетона замеряли с помощью оптического дилатометра.
В результате экспериментов были проверены легкие бетоны на портландцементе с использованием в качестве легковесного заполнителя пеностекольного гравия, полученного с добавками различных соединений в сырьевую пеностекольную смесь. Было определено, что наибольшая эффективность подавления реакции щелочно-силикатного взаимодействия наблюдается у образцов бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием, полученным с добавкой тонкомолотого порошка силикагеля в исходную сырьевую смесь. При этом использовался крупнопористый силикагель со средним диаметром пор 5-15 нм, измельченный до частичек менее 80 мкм. Установлено, что измельчение силикагеля до частичек менее 80 мкм способствует их равномерному распределению в молотом стекле. Для большинства типов силикагеля характерно резкое падение активности при температурах выше 500°C. Применение крупнопористого силикагеля позволяет сохранять его блокирующую способность при температурах до 800°C, необходимых для процесса производства гранулированного пеностекла.
Сравним полученные экспериментально зависимости расширения (%) образцов бетонов, в которых в качестве наполнителя использовалось: 1 - обычное стекло, 2 - пеностекло, полученное из смеси порошка стекла со связующим и порообразователем, 3 - пеностекло, полученное из смеси порошка стекла со связующим и порообразователем с дополнительной добавкой тонкомолотого порошка крупнопористого силикагеля (см. таблицу 1).
Таблица 1
Зависимость расширения образцов бетонов с различными наполнителями от времени (недели).
Неделя
Расширение (%)
Наполнитель - стекло
Наполнитель - пеностекло
Наполнитель - пеностекло с добавкой силикагеля
0.4
0.00
0.00
0.00
1
0.21
0.06
0.02
2
0.26
0.10
0.03
3
0.36
0.15
0.04
5
0.71
0.20
0.06
8
0.92
0.23
0.07
11
1.06
0.27
0.09
13
1.07
0.30
0.10
15
1.10
0.30
0.10
Очевидно, что в бетонах, полученных с использованием обычного стекла (наполнитель - стекло), происходит щелочно-силикатное взаимодействие между стеклом и цементом, что приводит к значительному расширению бетона, достигающему 1.1% через 15 недель после приготовления бетона.
При использовании пеностекла в качестве наполнителя бетона (наполнитель - пеностекло) вместо обычного стекла резко снижается расширение образцов бетона до значения 0.3% через 15 недель после приготовления бетона, но при этом остается на достаточно высоком уровне. Добавление тонкомолотого силикагеля к исходной пеностекольной смеси для получения гранулированного пеностекла позволяет еще в несколько раз снизить расширение бетона с пеностекольным наполнителем (наполнитель - пеностекло с добавкой силикагеля) до значения 0.1% через 15 недель после приготовления бетона. Как показали эксперименты, образцы, полученные с использованием силикагельсодержащего пеностекла, имеют более чем в 3 раза выше стойкость к щелочно-силикатному взаимодействию по сравнению с обычным пеностеклом. Таким образом, в предлагаемом способе обеспечивается получение гранулированного пеностекла, имеющего повышенную стойкость к щелочно-силикатному взаимодействию.
Исследование содержания измельченного силикагеля в составе исходной пеностекольной смеси показало, что даже при минимальном содержании силикагеля - 0.1% наблюдается уменьшение расширения образцов бетона с 0.30% до 0.27%, что подтверждается таблицей 2.
Таблица 2
Зависимость расширения образцов бетонов и плотности гранулированного пеностекла от содержания крупнопористого силикагеля в составе пеностекольной смеси
Содержание силикагеля, %
0.0
0.1
0.5
1.0
2.0
5.0
10.0
Расширение образцов легких бетонов (%)
0.30
0.27
0.20
0.10
0.09
0.08
0.08
Насыпная плотность гранулированного пеностекла, кг/м<sup>3</sup>
160
165
170
180
190
220
290
3
3
3
3
Повышенное содержание силикагеля более 5% от массы стекла негативно сказывается на плотности гранулированного пеностекла, так как он выступает в роли балласта и не участвует в образовании пористой структуры материала. Так как истинная плотность силикагеля более 2000 кг/м, то каждые 5% способны увеличить истинную плотность пеностекла на 100 кг/м. При этом стойкость к щелочно-силикатному взаимодействию бетонов с гранулированным пеностеклом при увеличении содержания силикагеля остается практически неизменной. Например, увеличение содержания силикагеля в составе пеностекольной смеси с 5 до 10% увеличивает насыпную плотность гранулированного пеностекла с 220 кг/м до 290 кг/м при этом расширение образцов легких бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием - остается неизменным и составляет 0.08%.
Таким образом, добавка 0.1-5% измельченного крупнопористого силикагеля увеличивает щелочностойкость гранулированного пеностекла, полученного из несортового стеклобоя, при минимальном изменении плотности.
По сравнению с прототипом, в котором использованы стекла определенных составов, предлагаемый способ в совокупности с известными операциями позволяет утилизировать дешевый низкосортный несортированный стеклобой, что приводит к значительному расширению сырьевой базы. При этом исключается проверка химического состава стекла и последующая корректировка содержания в стекле различных компонентов, что значительно упрощает технологию.
Для получения насыпного пеностекла шарообразной формы - гранулированного пеностекла - необходимо предварительно получить из смеси исходных компонентов (пеностекольной смеси) шарообразные сырцовые гранулы полуфабриката. С целью упрощения способа производства сырцовые гранулы полуфабриката получали на тарельчатом грануляторе, представляющем наиболее простую и надежную конструкцию для гранулирования. Такая конструкция по сравнению с прессованием в прототипе значительно дешевле, не требует дорогостоящего обслуживания в работе, менее требовательна к технике безопасности при работе.
Новые признаки изобретения:
В предлагаемом изобретении используют несортовой стеклобой, который может представлять собой смесь стекол любого вида. Стеклобой измельчают с получением тонкомолотого стекольного порошка. К тонкомолотому стекольному порошку добавляют порообразователь, крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц не более 80 мкм, и связующее. Порообразователь берут в количестве, например, 0.1-3%, раствор связующего - например, 10-30% от массы стекла. Компоненты перемешивают с получением пеностекольной смеси. Полученную пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката, которые вспенивают в печи. При этом решается задача расширения сырьевой базы, снижения себестоимости и упрощения способа производства за счет использования несортового стеклобоя при одновременном сохранении повышенной щелочностойкости гранулированного пеностекла
Кроме того, при добавке силикагеля в количестве 0.1-5% от массы стекла достигается увеличение щелочностойкости гранулированного пеностекла при минимальном изменении характеристик продукции - плотность и себестоимость.
Кроме того, пеностекольную смесь гранулируют на тарельчатом грануляторе с получением сырцовых гранул полуфабриката, что позволяет упростить технологический процесс производства сырцовых гранул полуфабриката за счет отказа от сложной операции прессования и дробления сырцовых гранул полуфабриката по сравнению с прототипом.
Пример осуществления изобретения.
3
Несортовой стеклобой измельчают с получением тонкомолотого стекольного порошка, например, размером 10-50 мкм, к тонкомолотому стекольному порошку добавляют порообразователь, крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц 30 мкм, и связующее. Компоненты перемешивают с получением пеностекольной смеси. Порообразователь берут в количестве - 1%, связующее - 18%, силикагель, например, - 1% от массы стекла. В качестве порообразователя используют углеродсодержащий компонент, например тонкомолотый уголь. Связующее готовят смешением воды и жидкого стекла. Полученную пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката. Затем сырцовые гранулы полуфабриката вспенивают в печи, например, при температуре 780°C в течение 20 минут. Полученный пеностекольный гравий имеет насыпную плотность 180 кг/м.
С полученным пеностекольным гравием делают образцы бетонов для испытаний по методу определения изменения длины образцов бетонов в результате протекающей щелочно-силикатной реакции ASTM С 1293-01 в модификации с повышенной температурой. При проведении экспериментов образцы бетонов выдерживали при температуре 60°C и влажности 100% в течение трех месяцев. Через каждые 2 недели образцы извлекали из термостата для контроля расширения. В результате испытаний было зафиксировано, что образцы легких бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием, полученным с добавкой силикагеля, имеют расширение 0.1% по сравнению с расширением 0.3% у образцов легких бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием, полученным без добавки силикагеля. Таким образом, полученный пеностекольный гравий отличается повышенной стойкостью к щелочно-силикатному взаимодействию.
Таким образом, наряду с расширением сырьевой базы, снижением себестоимости и упрощением способа производства за счет использования несортового стеклобоя достигается повышенная щелочностойкость получаемого гранулированного пеностекла по сравнению с обычным гранулированным пеностеклом за счет использования добавки измельченного крупнопористого силикагеля.