Дома из отходов

Опуликовано в: Строительные материалы
4135
Гранулы пеностекла

Новыми материалами для строительства, в том числе получаемыми из промышленных, а то и бытовых отходов, сегодня трудно кого-либо удивить. Но удивляться есть чему. Сибирские ученые изобрели новый утеплитель, стойкий и к температуре, и к другим факторам внешней среды.

Пеностекло обладает несомненными достоинствами: низкой теплопроводностью, малой средней плотностью, высокой термостойкостью, небольшим аккумулированием теплоты и устойчивостью к тепловым ударам. Но широкому применению этого материала в промышленности препятствуют высокие энергозатраты и технологические сложности. Производство пеностекла принципиально невозможно организовать в полукустарных условиях, как это делается с пенопластом, пенополистиролом и газобетоном. Кроме того, для его производства необходимо сырье, которого в Новосибирской области нет в необходимом количестве. Для качественного пеностекла необходимо разрабатывать рациональный состав шихты (исходной смеси) для каждого вида стеклобоя с соответствующими технологическими и теплотехническими режимами. И вместо материала из отходов получается капризный в производстве продукт с весьма высокой себестоимостью.

Сотрудник Томского института физики прочности и материаловедения СО РАН кандидат технических наук Афанасий Апкарьян рассказывает, что в научном учреждении сначала обратили внимание на отходы деревообрабатывающей промышленности и алюмосиликаты: и того, и другого в Томской области много. Но для получения пеностеклокерамики подходит только стекло, содержащее 60–72,5 % двуокиси кремния (SiO2), а также другие элементы и вещества в определенной пропорции. Самым технологически пригодным оказалось оконное стекло, зеленое бутылочное и ламповое марки СЛ96-1.

Важной составляющей шихты являются глинистые породы. В Томской области они отличаются сложностью минералогического состава и, кроме глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.), содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые и органические примеси. Наиболее пригодными являются монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, с содержанием SiO2 не более 70 %, Al 2O2 – не менее 12 %, до 10 % окислов железа и буквально процент-другой органических примесей. Наилучшие результаты получены при использовании глины Кандинского месторождения, расположенного недалеко от Томска и ведущей к нему из Новосибирска автодороги.

Отличительной особенностью предлагаемого состава шихты для производства пеностеклокерамики, в отличие от традиционных, стал ввод органических добавок. Точнее, древесных опилок. Их добавление позволяет увеличить температуру гранул и газов в период вспенивания; обеспечить равномерное температурное поле по сечению гранулы, увеличить объем газа в период пенообразовния, поднять парциальное давление газа внутри гранулы, получить поры одинакового размера и равномерно распределенные по сечению гранулы.

Правда, опилки, как и стекло, «не все одинаково полезны». В лиственных породах в 2–3 раза больше, чем в хвойных, содержится пентозанов, а эти соединения в присутствии воды и щелочей гидролизуются и превращаются в хорошо растворимые простые сахара, которые, в свою очередь, препятствуют сцеплению частиц шихты с древесиной. Поэтому в композициях «стеклопорошок-глина-кокс-вода» лучше использовать отходы сосны, лиственницы, ели и пихты.

Древесные опилки вводились в смесь на этапе тонкого помола стекла, что обеспечивало их измельчение до муки с получением частиц размером не более 560 мкм. При проведении исследований использовался следующий состав шихты: бой стекла 67–84 массовых процентов, глина – 8–25 %, кокс – 5 % и древесные опилки – 3 %.

Технология

Конечный продукт в форме гранул готовится следующим образом: стеклобой вначале измельчается в дробилке до 1,5–3 мм, а затем – в шаровой мельнице совместно с древесными опилками до удельной поверхности частиц 300–350 м2/кг. В этом же агрегате происходил помол кокса и глины. Все полученные порошки загружаются в стержневую вибрационную мельницу, где перемешивались и дополнительно подвергались совместной механоактивации до удельной поверхности 400 м2/кг. Полученная шихта разбавляется водой (10–15 % от массы шихты) для достижения требуемой пластичности, а затем из нее формируются гранулы размером 5–10 мм. Чтобы они не слипались, их припудривают тонкодисперсными древесными опилками и укладывали на керамический поддон. Адсорбционно связанная влага благоприятно влияет на протекание процесса вспучивания смеси, поэтому нет необходимости полного высушивания: можно начинать обжиг. Он проводится при температуре 830–850 °С в течение 4–6 минут.

Этот отрезок времени, вероятно, можно назвать самым важным. Согласно механизму формирования силикатных пен, максимум замкнутых ячеек образуется при вспенивании гомогенных систем с оптимальной вязкостью расплавов, в которых обеспечивается, с одной стороны, плавное и беспрепятственное пенообразование, с другой – высокая устойчивость сформировавшейся пены за счет ее структурно-механического фактора. Проще говоря, при обжиге происходит вспенивание материала гранул, и, как следствие, они становятся мелкопористыми.

Характеристики

Три самых важных для стройиндустрии параметра – механическая прочность на сжатие, плотность и теплопроводность – зависят от размера и количества пор, от толщины и состава перегородок. И можно сказать, что в научной лаборатории получен не просто новый строительный материал. В потенциале это своеобразный «технологический конструктор», имеющий переменные характеристики, регулирование которых дает разные свойства конечного продукта. Так, если увеличить процентное содержание глины в рациональном составе шихты, то повысится ее плотность и в результате – теплопроводность и механическая прочность гранул. По мере роста температуры снижается вязкость расплава, увеличивается давление газа, развивается сдвигающее действие капиллярных сил.

Но строительство, как и любая технология, зиждется на стандартах. Поэтому уже разработаны технические условия на гранулированный материал ТУ 5914-001-43189350-2004. Он же – пеностеклокерамика: легкие, почти не гигроскопичные гранулы, очень плохо пропускающие тепло и плохо – звук. Пеностеклокерамикой можно изолировать, например, нагревательный котел, хоть в Крыму, хоть на севере Якутии. Использовать для изоляции межэтажных и чердачных перекрытий, ограждающих конструкций, тепловых установок и сетей.

Характеристики

Параметры

Средняя плотность, кг/м3

200–290

Коэффициент теплопроводности, вт/мК

0,06–0,085

Коэффициент звукопоглощения, % при частоте 600–1200 Гц

15–20

Прочность при сжатии, МПа

0,8–2,5

Водопоглощение, объемных %

менее 3,0

Температура эксплуатации, оС

от - 50 до + 600

 

Экономика

Главный мировой производитель пеностекла – компания Рittsburg Corning Europe, которая реализует продукцию 15 типов под торговой маркой Foamglas. На сегодняшний день стоимость этого материала, производимого на заводе в Бельгии, достигает 400$/м³. Поставки его в Москву и по России проводились по цене около 600$/м³. Отечественное пеностекло стоит меньше: в гранулах 2–3,1 тыс. руб. за кубометр, изделия (плиты, блоки и т. п) – 4,3–5,5 тыс. руб.

На первый взгляд, цены на другие российские теплоизолирующие материалы выглядят привлекательнее. «Кубик» керамзитобетона стоит 2,4–2,8 тыс. руб., пенобетонных блоков – 1,7–2,6 тыс. руб., пенополистирол (один из пенопластов) – 1,5–2,4 тыс. руб., минеральная вата – 1–1,2 тыс. руб., а кубический метр насыпного керамзита марки М400 продается за 800–900 руб.

Но кроме цены есть еще и качество, точнее, сравнимые свойства: теплопроводность, термостойкость, механическая прочность, морозостойкость, возможности формования и засыпки, близость производства к потребителям. И по этим показателям пока выигрывает пеностекло. Но только пока.

Благодарим за помощь в подготовке статьи издание СО РАН «Наука в Сибири»

Дата публикации:

Среда, 29 октября 2014

Комментарии (0)

Оставить комментарий

Вы комментируете как Гость.