Из всех применяемых в современном строительстве видов теплоизоляции пеностекло является наиболее универсальным материалом, обладающим высокими теплоизоляционными показателями наряду с негорючестью, жесткостью, экологической безопасностью и практически неограниченным сроком эксплуатации.
Классическая технология производства пеностекла заключается в следующем. Силикатное стекло измельчается до порошка с размером частиц менее 80 мкм, смешивается с пенообразующей добавкой углеродного или карбонатного типа и подвергается термообработке.
При температуре 750–850 °С частицы стекла спекаются, и одновременно в системе происходит выделение газа, вспенивающего композицию, обладающую в этих условиях необходимой вязкостью и пластичностью. Вспененное стекло отжигается, охлаждается, и, при необходимости, обрабатывается до получения изделий требуемой формы (Рис. 1).
Рис. 1. Блочное и гранулированное пеностекло
Несмотря на кажущуюся очевидность и простоту технологии, производство качественного пеностекла справедливо считается дорогой, наукоёмкой и технически сложной задачей. Причиной этого являются высокие требования к качеству подготовки сырья и обеспечению стабильности режимов вспенивания, сложность происходящих при этом процессов, значительная энергоёмкость оборудования.
Отечественная история производства пеностеклянных материалов доказала, что устаревшая научная и технологическая база приводит к упадку предприятий и экономической нецелесообразности выпуска даже востребованных продуктов.
В настоящее время активно ведутся исследования путей возможного совершенствования технологии пеностекла. При этом можно выделить несколько основных направлений, позволяющих улучшить качество получаемого пеностекла и удешевить технологию его получения:
- расширение сырьевой базы за счёт применения различных видов стёкол, стеклобоя и местных горных пород, позволяющее значительно увеличить доступность сырья и, одновременно, снизить его стоимость;
- физическая и химическая модификация шихты различными способами, дающая возможность в широком диапазоне регулировать параметры производства;
- использование различных газообразователей, в значительной степени определяет параметры производства и свойства готового пеностекла;
- оптимизация тепловых режимов вспенивания и отжига, имеющая под собой цель максимально сократить расход тепла, при этом обеспечивая стабильность протекания всех необходимых физико-химических процессов.
Надо понимать, что каждое из вышеперечисленных направлений совершенствования находится в тесной связи со всей технологией и не может применяться без её полного пересмотра.
Анализируя доступные источники и публикации посвященные проблематике пеностеклянных материалов, можно проследить различные подходы авторов к данной теме.
Ряд авторов, таких как С.И. Пузанов, А.С. Россомагина, акцентируют внимание на возможности использования стеклобоя в качестве основного сырья при производстве пеностекла, отмечают положительный экологический эффект, технологическую возможность и экономическую эффективность такого варианта производства. Приводимые ими данные исследований показывают актуальность рассмотрения стеклобоя как отдельного минерального сырья, обладающего комплексом присущих ему физико-химических и иных характеристик, наличие значительных запасов такого сырья, его относительную однородность.
Ниже, в табл. 1 показаны результаты эксперимента А.С. Россомагиной, говорящие о незначительности влияния сорта, или применения несортированного стеклобоя на свойства получаемого пеностекла.
Как видно из таблицы, плотность пеностекла, изготовленного из различных сортов стекла, различается на величину до 15%, что позволяет отказаться от дорогостоящей операции разделения стеклобоя по сортам. К аналогичным выводам приходят и другие авторы. Также, ими приводятся технологические схемы и бизнес-планы производств, основанных на использовании именно несортированного стеклобоя в качестве основного сырья.
Существует и другое направление расширения сырьевой базы для производства пеностекла – применение местных горных пород. Подобная идея не является новой и частично проработана, например, в трудах И.И. Китайгородского, Т.Н. Кешишян. Однако практическая её реализация сопряжена с рядом трудностей и спорных моментов - сложностью управления химическими составами и свойствами шихты, необходимостью предварительного синтеза стекломассы.
Высокотемпературная варка стекла позволяет получать требуемый уровень однородности стекломассы на основе горных пород, но, вместе с тем, удорожает и усложняет технологию пеностекла, делая производство нерентабельным.
В статьях Д.Р. Дамдинова и П.К. Хардаева развивается подход, при котором осуществляется вспенивание шихты, минуя процесс высокотемпературной варки стекломассы. В основе его лежит комплексное использование стеклобоя и природного минерального сырья с аморфной структурой, дифференцированное использование механообработки при активации исходных материалов, применение интенсификаторов спекания, поризации и кристаллизации стекломасс. Рост энергозатрат связанных с механоактивацией прочных эффузивных пород является незначительным. На фоне этого становится целесообразным применение совместно со стеклобоем таких местных горных пород как перлит, нефелиновый сиенит, базальт, цеолитсодержащих пород.
Несколько иное решение проблематики связанной с варкой исходного стеклогранулята, детально представлено в работах О.В. Казьминой. Суть его заключается в разработке метода низкотемпературного синтеза стекломассы без применения стеклоплавильных агрегатов, и позволяет значительно снизить энергоёмкость производства. При этом, в качестве основного сырья могут выступать кремнезёмистые или алюмосиликатные материалы, такие как отсевы кварцевых песков, маршаллит, диатомит и опока, цеолит, перлит и золошлаки ТЭЦ. Автором также разработаны критерии оценки пригодности такого сырья для низкотемпературного синтеза и последующего получения пеностеклянных материалов, исследованы особенности компактирования тонкодисперсних шихт, получена зависимость физико-механических свойств пеностекла от количества и размера присутствующей в нём кристаллической фазы (Рис. 2).
Рис. 2. Зависимость коэффициента вспенивания (1), плотности (2) и прочности (3) образцов от количества, введенного в композицию кварца
Разработанные О.В. Казьминой составы шихт, методики и технологические схемы производства прошли опробование в условиях опытно–промышленной электрической печи типа ПЭК–8 в Сибирском Силикатном центре города Томск.
Одним из негативных факторов традиционной технологии пеностекла является проблема нагревания тонкодисперсного порошка, который не только обладает значительно более низкой теплопроводностью, чем монолитный материал, но еще и подвергается уносу конвективными потоками в процессе нагрева, создавая дополнительные экологические и технологические задачи. Вследствие этого термообработка тонкомолотого материала обычно является более затратной, чем термообработка того же материала в монолитном состоянии. Вместе с тем, классическая технология производства пеностекла предполагает использование металлических форм или непрерывной жаростойкой ленты для перемещения шихты, создающее необходимость нагрева дополнительной массы, что отрицательно отражается на расходе тепла и общей металлоёмкости производства.
Возможность получения блочного, плитного или фигурного пеностекла методом термообработки уплотнённой брикетированной шихты, без форм, известна давно, однако серьёзных исследований промышленного применения подобного метода нет, несмотря на ряд его достоинств, таких как низкая металлоёмкость, сниженное энергопотребление. Некоторый интерес к нему можно проследить из публикаций Н.С. Кулаева и М.С. Гаркави.
Мировой опыт показывает, что не всегда выгодно использовать пеностекло в виде блоков. В ряде случаев для строительства представляет интерес пеностекло в виде гравия или щебня, например как насыпной теплоизоляционный материал или заполнитель бетонов. Производство такого материала значительно проще технологически и дешевле, чем блочного пеностекла. Все современные разработки в области пеностекла, так или иначе, подразумевают возможность выпуска насыпных пеностеклянных материалов, а многие проекты и бизнес-планы ориентированы на выпуск исключительно такой продукции.
Довольно интересны современные исследования влияния на процессы вспенивания стекломассы воды, физически и химически связанной в шихте. Связывание воды гелем кремниевой кислоты и участие её в газообразовании предполагалось ещё И.И. Китайгородским и Т.Н. Кешишяном, однако идее практического применения этих явлений не придавалось большое значение. Своё наибольшее развитие она получила в настоящее время, в трудах А.А. Кетова, в виде технологии ионообменной модификации дисперсного стекла, позволяющей создать на поверхности частиц наноразмерный слой геля кремниевой кислоты. Наличие такого слоя толщиной до 120 нм обуславливает устойчивое равномерное распределение предельно дисперсного газообразователя на зёрнах стекла, рост прочности системы.
При температурах вспенивания, в наноразмерном слое происходит процесс стеклообразования, сопровождающийся высвобождением связанной воды и газообразованием, что на макроуровне наблюдается как увеличение кажущегося объема заготовки и получение пеностеклянного материала. Полученный материал обладает равномерной развитой микропористой структурой, низкой плотностью и высокой прочностью. При этом технология подразумевает использование в качестве основного сырья низкокачественное стекло и несортированный стеклобой.
Теоретическая основа данной технологии доказывается с помощью современных методов изучения, например метода сканирующей электронной микроскопии. Сама технология легла в основу производства на заводе ООО "Пеноситал" в г. Пермь, и её эффективность была доказана экспериментально.
Важной инженерной задачей при производстве пеностекла является выбор оптимального теплового режима вспенивания и отжига изделий. Выбранный режим должен обеспечивать условия для протекания всех физико-химических процессов в стекломассе и, вместе с тем, минимальный расход тепла и времени. Выбор оптимального режима осложняется сложностью получения достоверной информации о температурных полях в печи и непосредственно в стекломассе. Шихта, а, впоследствии, и вспененная стекломасса, обладают низкой теплопроводностью, следовательно, значительной инерционностью при нагреве, неравномерностью прогрева по объёму.
В работах Т.В. Яшуркаева с помощью современных научных методов детально исследуются особенности теплообмена в дисперсных и пористых телах с учётом различных факторов, разрабатываются алгоритмы расчёта и математические модели производственных тепловых процессов, подбираются различные варианты тепловых режимов для тех или иных условий.
Появившееся за последнее десятилетие большое количество публикаций и научных работ, посвященных технологии производства пеностекла говорит о расширении её научной базы. Также можно говорить и о возросшем интересе производителей к возможности выпуска современного перспективного материала. Сейчас, как никогда, актуальной задачей для отечественной науки и строительной индустрии является необходимость наладить собственное производство качественного пеностекла в России, поставить его на поток, максимально расширить и рационализировать, чтобы обеспечить выпуск конкурентоспособной продукции и независимость от зарубежных рынков.
Использованные источники:
Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1953. - 217с.
