Высокоэффективный теплоизоляционный негорючий материал

Высокоэффективный теплоизоляционный негорючий материал многоцелевого назначения
Строительство является отраслью, требующей постоянной модернизации как с точки зрения используемых технологий, так и с позиций повышения
эффективности материалов, используемых при возведении и эксплуатации зданий. Анализ современной рыночной ситуации показывает, что развитие
экономики России все в большей степени идет по законам, сходным с общемировыми.
Первые результаты такого развития видны уже сейчас: многие отечественные предприятия не в состоянии конкурировать с западными по причине
несовершенства применяемых технологий и общей неэффективности производства. В первую очередь это относится к ресурсосбережению.
Ставшее, к сожалению, традиционным, низкое качество отечественных материалов и изделий привело к тому, что стабильно высоким спросом на внутреннем и
мировом рынке пользуются только те товары, производство которых требует большого расхода недорогой российской энергии. Движение в сторону
интеграции с мировой экономикой неизбежно вызовет повышение цен на энергоносители на внутреннем рынке России до уровня, формируемого
международным рынком, что уже сейчас заставляет российские предприятия применять технологии, позволяющие снизить себестоимость и, соответственно,
цену продукции.
Одним из способов существенно сократить энергозатраты является комплексное использование эффективной теплоизоляции. В наших климатических
условиях необходимо отапливать строения практически всех видов, причем теплоизолировать нужно и ограждающие конструкции самого здания, и
трубопроводы, подающие энергоноситель, и, наконец, установки для получения тепла. Для каждого из этих объектов обычно используется свой вид
теплоизоляции, который выбирается, исходя из предъявляемых для данных условий требований [1].
Очевидно, что оптимальным не является ни один из существующих теплоизоляционных материалов. Органическая теплоизоляция на основе пенопластов
пожароопасна, недолговечна и химически нестабильна. Минераловатные изделия обладают очень высоким влагопоглощением, а использование органического
связующего резко снижает максимальную температуру их применения. К немаловажному недостатку таких материалов относится саморазрушение их волокон,
что небезопасно для здоровья человека, и ведет к потере теплоизолирующей способности. Легкие бетоны обладают низкой прочностью при достаточно
большой плотности.
Материалом, в наибольшей степени способным удовлетворить требованиям безопасности, долговечности и эффективности является пеностекло - легкий
ячеистый формованный материал из стекла, представляющий собой затвердевшую стеклянную пену [2, З]. Пеностекло с момента его появления считается
чрезвычайно перспективным теплоизоляционным материалом, однако производится и применяется в очень малых масштабах, что связано с его сравнительно
высокой стоимостью.
Высокая цена изделий из пеностекла связана с особенностями его производства, где расход энергии никак нельзя назвать рациональным. Сваренное при
температуре 1500 – 1560 °С стекло резко охлаждается до температуры около 20°С, в результате чего куски затвердевшей стекломассы саморазрушаются. Это
облегчает дальнейший помол, но, в то же время, приводит к совершенно бесполезному расходованию тепловой энергии, так как для последующего
вспенивания то же самое стекло в смеси с газообразователем приходится нагревать еще раз до температуры 780 - 930-С [З].
Замена специально навариваемого стекла на стеклобой (брак стекольного производства) ситуацию не улучшает. Стекольные производства, где образование
избыточного количество стеклобоя является технологической нормой (производство листового стекла методом вертикального вытягивания), обычно продают
излишки боя другим стеклозаводам по достаточно высоким ценам, тем более что спрос на него весьма велик. Нередко продажа некондиционного стеклобоя
становится более выгодным бизнесом, чем реализация качественных изделий. Предприятия, утилизирующие отходы со свалок, продают сортированное битое
стекло по ценам, вплотную приближающимся к ценам заводского стеклобоя.
Целью нашей работы являлся синтез теплоизоляционного материала с использованием недефицитного природного сырья - трепела. Главным направлением
исследования было изучение возможности максимального замещения в шихте синтетических материалов природными, что позволило бы уменьшить
энергозатраты при промышленном производстве за счет исключения стадии стекловарения.
На сегодняшний момент этому способу энергосбережения практически не уделяется внимания. В тех редких случаях, когда природные материалы пробуют
применять при производстве пеностекла, их используют либо в небольшом количестве в качестве наполнителя в традиционной пеностекольной шихте, либо в
качестве компонента шихты при варке стеклогранулята. И в том и другом случае они ухудшают свойства конечного продукта, а полученное таким образом
пеностекло не в состоянии конкурировать с традиционными промышленными аналогами даже по низкой цене: выигрыш по энергозатратам чрезвычайно низок.
В результате укоренилось мнение, что экономия на сырьевых материалах не является эффективным способом снижения себестоимости пеностекла и
предпочтение следует отдавать специально сваренному стеклу, которое, несмотря на крайне нерациональное расходование тепла при его производстве,
способно обеспечить достаточно высокий процент выпуска товарной продукции [З].
Таким образом, важно не только максимально использовать дешевое природное сырье, но и добиться высокого качества готовых изделий. В связи с этим в
синтезируемых нами композициях трепел являлся не основой вспененного материала, а активным наполнителем. Стабильность физико-химических и
технологических свойств при этом обеспечивалась специально навариваемым стеклом - силикат-глыбой, выступающей в роли межструктурного
модификатора.
Повышенное содержание щелочей, с одной стороны, снижает температуру варки стекла, а с другой - делает его химически активным при сравнительно низких
температурах, что позволяет полностью растворить компоненты трепела в силикатном расплаве уже в ходе вспенивания. В результате, синтез силикатного
расплава с заданными свойствами и его вспенивание происходит одновременно, без промежуточных стадий, сопровождаемых большими теплопотерями.
В ходе исследования изучались композиции с различным соотношением трепела и растворимого стекла. Они оценивались по способности образовывать
закрытопористую ячеистую структуру, обладающую наименьшей плотностью. В силу того, что увеличение доли трепела существенно повышает вязкость
силикатного расплава, при выборе типа газообразователей руководствовались возможностью сочетания температурных интервалов оптимальной для
вспенивания вязкости расплава и наибольшего прироста парциального давления газообразных продуктов взаимодействия газообразователя со стекломассой.
Полученные образцы исследовались в соответствии с требованиями, предъявляемыми к теплоизоляционным строительным материалам. Т.к. в качестве
основного структурообразующего компонента было использовано растворимое в воде стекло, образцы трепельного пеносиликата были исследованы на
способность противостоять разрушающему действию воды за счет модификации состава компонентами трепела [4].
Минимально необходимое количество трепела, при котором расплав насыщается его компонентами до концентрации, обеспечивающей нерастворимость
охлажденной силикатной матрицы, соответствует процентному содержанию трепела в исходной шихте, равному 25% (рис. 1). Модуль получающегося натрийкалиевого силиката также превышает максимально допустимый для растворимых силикатов [5].
Дальнейшее повышение доли трепела в композиции приводит к росту вязкости силикатного расплава и, соответственно, температурного интервала
вспенивания. При содержании трепела на уровне 50% температура вспенивания достигает величины t = 890 °С. Это делает невозможным использование
традиционных углеродных газообразователей, обеспечивающих получение качественного пеностекла, и существенно усложняет технологический процесс.
В соответствии с оптимальным температурным интервалом вспенивания выбирались газообразователи, обеспечивающие максимальный прирост парциального
давления газовой фазы при благоприятном для вспенивания значении вязкости расплава. Для композиций с содержанием трепела до 40% допустимо
применение карбонатных и более низкотемпературных газообразователей. Применение углеродных газообразователей рационально при содержании трепела в
композициях от 35%.
В соответствии с типом применяемого газообразователя были выбраны температурные диапазоны вспенивания:
до 700 °С с использованием в качестве газообразователя органических порообразователей;
до 770 °С с использованием карбонатных порообразователей и до 870 °С с использованием технического углерода.
Результаты испытаний полученных образцов позволили сделать следующие выводы:
1. Вспенивание композиций на основе трепела позволяет получать пористые структуры с кажущейся плотностью от 160 до 500 кг/м3, при прочности на сжатие
не ниже, чем у промышленного пеностекла с аналогичным значением кажущейся плотности.
2. Пеноалюмосиликат, как и пеностекло, обладает преимущественно закрытыми порами при использовании углеродистых газообразователей. В случае
использования карбонатных газообразователей образуется открытопористая структура.
3. Химическая устойчивость пеноалюмоси-ликата определяется степенью завершенности высокотемпературных процессов силикатообразования и, в первую
очередь зависит от температуры и времени выдержки при вспенивании. При использовании углеродсодержащих композиций высокая температура
вспенивания позволяет получить химически стойкие изделия без выдержки, тогда как при температуре вспенивания около 700...720 °С требуется выдержка не
менее 1 часа.
Таким образом, в результате испытаний был получен новый материал - пеноалюмосиликат на основе трепела, по основным эксплуатационным свойствам не
уступающий пеностеклу. Высокое содержание в исходной шихте природных материалов позволяет существенно сократить использование специально
навариваемого стекла при стабильно высоком качестве готовых изделий. Пеноалюмосиликат обладает всеми положительными свойствами пеностекла (низкая
плотность и теплопроводность, высокая прочность, температурная и химическая устойчивость, водонепроницаемость).
Это в сочетании с более низкой ценой дает возможность использовать его для тепловой изоляции как стен и перекрытий, так и трубопроводов систем
теплоснабжения, что позволяет существенно упростить технологию получения силикатных пеноматериалов с одновременным снижением себестоимости
готовых изделий.
Библиографический список:
1. СНиП 11-3-79. Строительная теплотехника/Госстрой России. -М.: ГУПЦПП, 1998. 29 с.
2. Петухова Р.В. Пеностекло - универсальный теплоизоляционный материал // Стекло мира, № 3. 2002.
3. Демидович Б.К. Пеностекло. - Минск: Наука и техника, 1975. 248 с.
4. ГОСТ 10134.1 - 82 «Стекло неорганическое и стеклокристаллические материалы. Методы определения водостойкости при 98 °С».
5. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла: Жидкое стекло. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд. 1991. 176 с.
Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века »
А.И. ХРИСТОФОРОВ, доктор техн. наук, профессор; Е.В. ЛАЗАРЕВ, аспирант (Владимирский государственный университет)