Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по синтезу пеностекол и внедрение их результатов в производство

Осуществление мероприятий по повышению энергоэффективности существующих и вновь возводимых объектов строительства требует применения для их теплоизоляции конкурентоспособных теплоизоляционных материалов. Данная проблема особенно актуальна в холодных и влажных регионах, где эффективная теплоизоляция может дать значительный экономический эффект.

Цель исследования

Одним из направлений решения данной проблемы являются проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) и внедрение их результатов в производство высокоэффективного теплоизоляционного материала ‒ пеностекла, применение которого в объектах строительства, в том числе автодорожного, в условиях вечной мерзлоты рассчитано на неограниченно длительный срок службы. Пеностекло превосходит по долговечности все используемые в настоящее время теплоизоляционные материалы.

Актуальность исследований вызвана потребностью строительной индустрии в эффективных теплоизоляторах. Основное преимущество разработанной в ходе проведения исследований ученых Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления (ВСГУТУ) технологии – это возможность использования широкого спектра местных сырьевых материалов, например эффузивных пород (перлитов, нефелиновых сиенитов и базальтов), запасы которых в Бурятии достаточны для освоения производства пеностекла в промышленных объемах.

Материал и методы

Вопросами синтеза пеностекол занимаются специалисты ведущих вузов и научных учреждений России, таких как МГСУ (Москва), ИХС РАН (Санкт-Петербург), БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород), ВГАСУ (Воронеж), АлтГТУ (Барнаул) и др. [ 1, 2, 3, 4, 5 ] .

Технология получения пеностекол по сокращенной схеме, без энергоемкого стекловарения разработана в ВСГУТУ, где созданы пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя. В исследованиях А.Д. Цыремпилова, Д.Р. Дамдиновой и др. повышению эффективности пеностекол способствовала механо-химическая активация сырья, а для регулирования их поровой структуры и свойств применялись добавки-катализаторы и специальные технологические приемы термообработки [6].

Использование энергонасыщенных эффузивных горных пород при получении из них пеностекол по сокращенной технологии, как правило, требует подшихтовки стеклобоем и (или) добавки щелочного компонента, а также тонкого измельчения и механоактивации компонентов шихты. Удельная поверхность, являясь кинетическим фактором, снижает энергозатраты при обжиге пеностекол. В особенности это важно для получения качественных пеностекол при непосредственном вспенивании размягченной стекломассы, поскольку в этом случае трудно добиться степени однородности расплава, которая достигается при высокотемпературной варке. Несомненна также роль химического и фазового составов исходного сырья, которые также предопределяют энергозатраты производства пеностекла.

В последующих работах были получены и исследованы пеностекла на основе стеклобоя (СБ) и цеолитизированных горных пород ‒ витрокластического туфа (ВТ) и цеолитсо-держащей породы (ЦСП). Результаты исследований изложены в кандидатской диссертации М.М. Зонхиева «Пеностекла на основе стеклобоя и горных пород с повышенным содержанием кристаллических фаз» [7], защищенной в 2009 г.

Цеолитовые минералы характеризуются сообщающимися между собой окнами, каналами и полостями на уровне кристаллической решетки, которые обусловливают уникальные свойства цеолитов, такие как ситовой эффект, высокие ионообменные, сорбционные и каталитические способности. Указанные особенности этих минералов, содержащихся в исходных породах, проявляются при предварительной обработке прессовок-сырцов перед обжигом и влияют на структуру и свойства синтезируемых пеностекол.

Свойства полученных пеностекол зависят от их поровой структуры, содержания кри-сталлофаз и распределения их по объему, которые, в свою очередь, обусловлены рядом химико-технологических факторов, к которым относятся структура исходных горных пород и стеклобоя, уникальные способности цеолитовых минералов, содержащихся в изучаемых породах, изменения в их структуре при механохимической активации и предварительной подготовке сырцовых прессовок перед обжигом.

Известно, что для увеличения скорости химических реакций необходима энергетическая активация реагирующей системы, которая направлена на перевод компонентов и всей системы в термодинамически нестабильное состояние [2, 3, 4, 5].

Активация может быть вызвана воздействием различных видов обработки шихты – механической, тепловой и химической. Очевидно, что меньшие энергозатраты на активацию потребуются тем системам, которые уже имеют высокий исходный энергетический уровень, и наоборот. В этом отношении рассматриваемые модельные системы СБ-ВТ и СБ-

ЦСП различаются уровнем исходного энергетического состояния, что отражается на процессе поризации алюмосиликатного расплава. ВТ и ЦСП, несмотря на близость химического состава, различаются минералогическим составом и содержанием стеклофаз.

При синтезе пеностекол механизм воздействия механоактивации на структуру алюмосиликатных пород и стеклобоя заключается, главным образом, в разрыве Si-O-Si- связей и превращении в присутствии воды силоксановых связей в силанольные по известной схеме 1:

= Si-O-Si = ^= Si ⁺ + = Si^- H ² O > 2 = Si-OH (1) и, как следствие, снижении энергии активации процессов фазо, и порообразования в стекле на стадии обжига.

Активация вызывается также химическим воздействием, т.е. молекулы приобретают нужную энергию в процессе химической реакции. При введении в систему щелочного компонента в виде гидроксида натрия флюсующее воздействие щелочных ионов на структуру пород и стеклобоя выражается в разрыве мостиков Si-O-Si по схеме 2:

= Si-O-Si = + Na₂ O ^ 2( = Si -O^- Na ⁺ ) (2) и образованием водородных связей ^- О-Н…О^-.

Полученные в ходе работы пеностекла ‒ это обжиговый стеклоконгломерат, в котором вяжущая часть представлена затвердевшим алюмосиликатным стеклорасплавом, а поры являются специфической разновидностью теплоизоляционного заполнителя. Микроструктура пеностекла представлена стеклофазой, состоящей из легкоплавких компонентов, не успевших выкристаллизоваться ввиду большой скорости остывания расплава. Вспучиванию вследствие поризации в процессе обжига подвергается стеклофаза, находящаяся в пиропластическом состоянии.

В технологии производства пеностекол по сокращенной схеме особая роль в формировании структуры и свойств материала принадлежит подготовительным операциям. На этом этапе раскрываются потенциальные свойства сырьевых материалов и достигается повышение их активности различными способами, интенсифицирующими физико-химические процессы на основной технологической операции – вспенивании при обжиге.

Представляло интерес изучение влияния предварительной подготовки формованных сырцовых прессовок в виде длительной выдержки в нормальных условиях или пропаривания перед обжигом на структуру и свойства пеностекол.

Применение различной интенсивности предварительной гидротермической обработки сырцов пенообразующих смесей показало механизм активации, заключающийся в том, что при предварительной выдержке и пропаривании происходит интенсификация проникновения ионов натрия в структуру (окна, каналы и полости) кристаллической решетки цеолитового минерала, которая вызывает трансформацию Si-O-Si-связей в Si-O-Na-связи и образование водородных –О-Н…О‒-связей.

Повышенное количество цеолитового минерала в исследуемых породах рассматривается как фактор, интенсифицирующий физико-химические процессы при получении пеностекол, и обусловливает интерес к применению механо-химической активации пород и предварительной подготовки отпрессованных сырцов для создания пеностекол с заданными свойствами.

Главная практическая задача исследований состояла в том, чтобы, варьируя рецептурно-технологические факторы (химико-минералогический состав исходных сырьевых материалов, содержание щелочного компонента в составе шихты, режимы механоактивации компонентов и предварительной подготовки сырцов перед обжигом и температура обжига) в условиях низкотемпературного обжига, получить пеностекла с заданными свойствами.

В монографии Б.К. Демидовича [8] исследовано положительное влияние предварительной гидротермальной обработки стекла на снижение температуры начала вспенивания и расширение его интервала и установлено, что кипячение проб пенообразующей смеси сократило время их термической обработки.

В ходе работы были изучены физико-механические и эксплуатационные свойства полученных пеностекол: средняя плотность, прочность при сжатии, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и химическая устойчивость в соответствии со стандартами, регламентирующими методы испытаний пеностекол и стеновых материалов.

Физико-технические свойства, выявленные в ходе исследования, отражены в таблице 1, из которой видно влияние предварительной гидротермической обработки на их среднюю плотность, а следовательно, на теплоизолирующие свойства.

Обоснованность и достоверность основных положений и выводов работы обусловлены объемом исследований с применением рентгенографического, ИК-спектроскопиче-ского анализов и электронной микроскопии, проведенных в Центре коллективного пользования (ЦКП) «Прогресс» ВСГУТУ, а также методов математического планирования и статистической обработки результатов.

Таблица 1

Физико-технические свойства полученных пеностекол

Свойства	Ед. изм.	Показатели свойств
		СБК
		ВТ	ЦСП
Пеностекла без обработки (обжиг сразу после формования)
Средняя плотность	кг/м3	951	510
Прочность при сжатии	мПа	12,1	3,4
Водопоглощение	мас. %	13	12
Пеностекла с выдержкой в течение 12 ч в нормальных условиях
Средняя плотность	кг/м3	599	419
Прочность при сжатии	мПа	8,3	2,4
Водопоглощение	масс. %	14	15
Пеностекла с п	ропариванием в течение 0,5 ч при Т=100°С
Средняя плотность	кг/м3	289	343
Прочность при сжатии	мПа	1,9	2,3
Водопоглощение	мас. %	14	12

В ходе проведения лабораторных исследований получены опытные образцы инновационного продукта – пеностекла, продолжены работы по коммерциализации разработки и созданию промышленной технологии пеностекол. Была подана заявка на регистрацию изобретения, которая в настоящее время находится в проработке Федерального института промышленной собственности (ФИПС).

При продвижении на рынок инновационной продукции на первых этапах ее жизненного цикла были проведены маркетинговые исследования и анализ рынка теплоизоляционных материалов Бурятии, бизнес-планирование, проектирование технологии и ее аппаратного обеспечения.

Маркетинговые исследования показали, что в исследуемом регионе для теплоизоляции преимущественно используются завозные минераловатные и минералоплитные изделия и вспененные синтетические материалы, такие как пенопласты, пеноизол и др., как местного производства, так и завезенные из соседних регионов или импортные. Эти недорогие материалы и изделия отличаются хорошими теплоизолирующими свойствами и низ- кой плотностью, но являются недолговечными и опасными в пожарном отношении, особенно при использовании для утепления деревянных построек или при применении в вентилируемых фасадах.

В ходе маркетинговых исследований был проведен поиск предложений пеностекольной продукции в России и в мире. Было выяснено, что пеностекольная продукция и разработки на сегодня предлагаются следующими зарубежными и отечественными производителями и исследователями:

• 1.    ОАО «Гомельстекло» [ 9 ] - пеностекло по СТБ 1322-2002. Поставщик в Россию -ООО «Экострой-Сити». Средняя цена пеностекла ‒ 10500 руб./м³, пенокрошки ‒

  3100 руб./м³.

• 2.    Пеностекло FOAMGLASS [ 10 ] . Поставщик в Россию - ООО «СеверСпецКом-плект». Цена 16000 руб./м³.

• 3.    ЗАО «Пеноситал» разработало пеностекло по ТУ № 5914-001-73893595-2005.

• 4.    ООО НПО «Трансполимер» [ 11 ] . НИОКР по технологии пеностекла по ТУ № 5712010-75645238-2008 марки «Стеклозит».

• 5.    Пеностекло китайской фирмы «ДиелНио» [ 12 ] марки «Нео Тим». Цена - от 7700 руб./м³.

В ходе маркетинговых исследований была исследована сырьевая база проектируемого производства. Исследования выявили следующее:

• 1)    перлиты, витротуфы и липариты Мухор-Талинского месторождения. Ориентировочные запасы по категориям А+В+С 1 – 15764 тыс. т, по категории С 2 – 55 тыс. т, забалансовые запасы – 8754 тыс. т;

• 2)    известняки, сиениты Челутайского месторождения и карьера «Татарский ключ». Балансовые запасы по категориям А+Б+С 1 – 4214 тыс. т;

• 3)    карбонатные породы (известняки и доломиты) Грязнухинского проявления известняков. Балансовые запасы по категориям А+Б+С 1 – 114402 тыс. т;

• 4)    сиениты Новобрянского месторождения. Балансовые запасы по категориям А+Б+С 1 – 17090 тыс. т;

• 5)    базальты Саган-Нурского месторождения. Балансовые запасы по категориям А+Б+С 1 – 617,6 тыс. т.

Месторождения этих пород активно разрабатываются в Заиграевском районе Республики Бурятия, имеющем развитую транспортную инфраструктуру. С администрацией района заключено соглашение о намерении поддержки проекта через выделение земельного участка для размещения завода.

В продолжение работ была разработана промышленная технология, подобрано оборудование, составлены инвестиционный проект и бизнес-план производства пеностекла по способу, разработанному и испытанному в ходе проведения НИОКР. Реализация проекта была разбита на несколько этапов с нарастанием объемов производства и ассортимента выпускаемой продукции. В начале предполагается создание недорогого пилотного мини-производства, которое со временем будет масштабироваться и совершенствоваться.

Состав технологической линии пеностекол:

• 1)    дробильно-размольный участок (ДРУ), осуществляющий предварительное измельчение, размол и получение тонкодисперсных порошков;

• 2)    смесительно-формовочное отделение ‒ сухое смешивание порошков, затворение сырьевой смеси щелочным раствором и формование сырцов;

• 3)    термическое отделение – гидротермическая обработка сырцов, обжиг, остужение изделий;

• 4)    участок калибрования, классификации, сортировки и упаковки готовой продукции.

Выводы

Сегодня в Бурятии сложились все условия для организации производства пеностекол. Республика обладает запасами минерального сырья, достаточными для производства пеностекла в промышленных объемах, а также квалифицированными научными и производственными кадрами из числа выпускников кафедры ПСМИ, аспирантов и молодых ученых.

Реализация проекта позволит достичь следующих результатов:

• ‒    производство конкурентоспособной импортозамещающей продукции для обеспечения теплозащиты зданий, сооружений и конструкций в соответствии с современными требованиями по энергосбережению;

• ‒    выпуск экологически чистой продукции, превосходящей по долговечности, био- и огнестойкости применяемые сейчас материалы;

• ‒    утилизация стеклоотходов, в том числе демеркуризированного стеклобоя, и улучшение экологической ситуации через снижение объема накопленных ТБО;

• ‒    cоздание новые рабочих мест и обеспечение занятости выпускников высших и средних профессиональных учебных заведений;

• ‒    увеличение доходной части бюджетов всех уровней.

Расчетная себестоимость пеностекол по бизнес-плану составит 1930,42 руб./м3 в мини-производстве и 1370,74 руб./м3 при полноформатном производстве. Цена продажи – 3500 руб./м3.

Кроме того, для производства подобрано универсальное оборудование отрасли строительных материалов отечественного производства, которое способно производить широкий ассортимент сопутствующей продукции: сухие строительные смеси (ССС), вспученные минеральные заполнители, негашеная известь и др., что является одним из условий жизнеспособности предприятия, организуемого в рамках реализации инвестиционного проекта.

В перспективе развития направления предполагается проведение исследований и разработок в области утилизации широкого спектра техногенных отходов Бурятии и их внедрение в производство теплоизоляционных пеностекол.