![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Разработка составов и технологии пеностеклокристаллических материалов на основе стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС с применением комплексной порообразующей смеси
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………. 5
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СИЛИКАТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ …………………………………………………………………………………………….. 12
1.1 Современное состояние в области технологий теплоизоляционных
силикатных материалов …………………………………………………………………………………. 12
1.2 Влияние компонентов пеностекольной шихты на формирование
структуры пеностекла ……………………………………………………………………………………. 19
1.2.1 Основные тенденции в области составов и технологии
пеностекольных материалов на основе нетрадиционного сырья …………………….. 21
1.2.2 Особенности процессов образования пористой структуры
пеностекольных материалов в зависимости от вида порообразователя …………… 23
1.3 Изделия на основе пеностекольных материалов ………………………………. 27
1.4 Направления исследований в области разработки технологий
пеностекольных материалов ………………………………………………………………………….. 28
1.5 Выводы по главе 1…………………………………………………………………………… 31
1.6 Постановка цели и задач исследования ……………………………………………. 32
ГЛАВА 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ,
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………………… 34
2.1 Характеристика исходных материалов …………………………………………….. 34
2.2 Методы и методики исследований …………………………………………………… 35
2.3 Методология проведения исследований ………………………………………….. 38
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ
ПЕНОСТЕКЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСНОЙ
ПОРООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ …………………………………………………………………….. 39
3.1 Выбор компонентов и определение их оптимального
соотношения в порообразующей смеси для получения пеностекла ………………… 39
3.2 Исследование поведения жидкого стекла и глицерина
при получении пеностекла …………………………………………………………………………….. 46
3.3 Исследование влияния воды на процесс вспенивания ………………………. 52
3.4 Исследование физико-химических процессов вспенивания
при использовании комплексного порообразователя ……………………………………… 56
3.5 Выводы по главе 3…………………………………………………………………………… 60
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ И СОСТАВА ШИХТЫ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ
МИКРО- И МАКРОСТРУКТУРЫ ПЕНОСТЕКЛА ………………………………………… 62
4.1 Влияние температуры и времени вспенивания…………………………………. 62
4.2 Влияние гранулометрического состава шихты ………………………………… 65
4.3 Влияние вида и состава боя стекла ………………………………………………….. 66
4.4 Влияние шлаковых отходов ТЭС …………………………………………………….. 67
4.5 Оптимизация составов и режимов производства
пеностеклокристаллического материала ………………………………………………………… 71
4.6 Выводы по главе 4…………………………………………………………………………… 77
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
И АНАЛИЗ ИХ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ………………………………………….. 80
5.1 Разработка температурно-временных режимов производства
изделий из пеностеклокристаллического материала ……………………………………….. 80
5.1.1 Разработка режима производства плит ………………………………………….. 80
5.1.2 Разработка режима производства гранул ………………………………………. 82
5.2 Разработка технологической схемы производства
пеностеклокристаллических изделий …………………………………………………………….. 83
5.3 Аппаратурно-технологическая схема производства
пеностеклокристаллических изделий …………………………………………………………….. 84
5.4 Физико-механические свойства пеностеклокристаллических
изделий …………………………………………………………………………………………………………. 86
5.4.1 Свойства гранул на основе пеностеклокристаллического
материала………………………………………………………………………………………………………. 86
5.4.2 Свойства плит на основе пеностеклокристаллического материала … 90
5.4.3 Результаты исследований свойств пеностеклокристаллических
изделий …………………………………………………………………………………………………………. 94
5.5 Экономические показатели производства и оценка
конкурентоспособности пеностеклокристаллических изделий ……………………….. 96
5.6 Выводы по главе 5…………………………………………………………………………… 99
ВЫВОДЫ …………………………………………………………………………………………… 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………….. 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………… 105
ПРИЛОЖЕНИЕ А ………………………………………………………………………………. 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ……………………………………………………………………………….. 127
Актуальность темы исследования. В связи с растущими темпами строи-
тельства, а также повышением требований к строительным материалам и кон-
струкциям, особенно в области энергоэффективности, экологической и пожарной
безопасности, актуальной становится разработка негорючих долговечных эффек-
тивных теплоизоляционных материалов, с широким диапазоном применения. К
такому типу материалов, отвечающему перечисленным требованиям, относится
пеностекло, обладающее как низкой теплопроводностью, так и высокими эксплу-
атационными характеристиками, в том числе стойкостью к подавляющему боль-
шинству химических и биологических воздействий, высоким и низким темпера-
турам, а также длительным сроком службы.
Главная причина, сдерживающая широкое применение пеностекла – его
сравнительно высокая стоимость, которая, в свою очередь, связана с дефицитно-
стью основного сырьевого материала, в качестве которого используется стеколь-
ный бой. Перспективным путем устранения данного недостатка является приме-
нение в качестве сырьевых компонентов более дешевых материалов, в частности,
вторичного техногенного сырья. За счет этого достигается уменьшение стоимости
получаемой продукции, а также снижение экологической нагрузки за счет вовле-
чения промышленных отходов в производственный цикл. При этом особенно ак-
туальна переработка материалов, практически не подверженных разложению, та-
ких, как шлаковые отходы от сжигания угля на ТЭС. Применимость этих матери-
алов для производства пеностекла объясняется их рентгеноаморфной структурой
и химическим составом.
Актуальным является исследование физико-химических процессов вспени-
вания, формирования микро- и макроструктуры пеностекла из композиций стек-
лопорошка со шлаком ТЭС с использованием комплексных порообразующих
смесей.
Степень разработанности темы исследования. Исследования в области
получения пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов проводятся
научными группами: Национального исследовательского Томского политехниче-
ского университета (В.И. Верещагин, О.В. Казьмина) – синтез по двухстадийной
технологии; Белгородского государственного технологического университета им.
В.Г. Шухова (Н.И. Минько, В.С. Бессмертный, О.В. Пучка) – синтез пеностекол с
защитно-декоративными покрытиями; Восточно-Сибирского государственного
университета технологий и управления (Д.Р. Дамдинова) – синтез по технологии
геополимеров; Южно-Российского государственного политехнического универ-
ситета (НПИ) имени М.И. Платова (Е.А. Яценко) – синтез на основе спектра при-
родного и техногенного сырья и другие коллективы. Исследований в области
производства пеностекла с использованием комплексных порообразователей и
вторичного сырья, включая шлаковые отходы ТЭС, для создания теплоизоляци-
онных изделий ранее не проводилось.
Цель работы: разработка научных положений технологии пеностекольных
и пеностеклокристаллических материалов на основе стеклобоя и шлаковых отхо-
дов ТЭС c использованием комплексной порообразующей смеси для изготовле-
ния теплоизоляционных изделий.
Задачи:
– исследование физико-химических процессов, происходящих при термиче-
ской обработке комплексного порообразователя и пенообразования при получе-
нии пеностекла;
– исследование физико-химических процессов формирования микро и мак-
роструктуры поностекольных и пеностеклокристаллических материалов;
– разработка составов и технологии пеностекольных материалов на основе
стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС;
– разработка технологии изделий на основе пеностеклокристаллических ма-
териалов (плит, гранул), исследование их физико-механических свойств;
– анализ физико-механических характеристик разработанного пеностекло-
кристаллического материала и изделий на его основе в сравнении с современны-
ми аналогами.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что при использовании жидкофазной смеси органических
(глицерин) и неорганических (жидкое стекло, вода) веществ формирование рав-
номерной пористой структуры пеностекла с размером пор в пределах (600-
800) мкм происходит за счет реакций взаимодействия компонентов смеси и стек-
лопорошка, а именно: разложение глицерина при температуре самовоспламене-
ния 393 °С, капсуляция продуктов разложения и остаточного углерода внутри
спёка за счет жидкого стекла, окислительно-востановительные реакции взаимо-
действия углерода с силикатным каркасом при температурах 700-900 °С. Уста-
новлено, что роль воды в составе порообразующей смеси заключается в снижении
вязкости порообразуюшей смеси и формировании дополнительного объема газо-
вой фазы.
2. Установлены закономерности термической обработки пеностекольных
шихт, заключающиеся в интенсивном разложении порообразователя, его капсу-
ляции и формировании микропор при 600-720 °С; объединении микропор и пере-
распределении давления в порах при вязкости 107-106 Па·с (период резкого вспе-
нивания, 720-775 °С); вспенивании при снижении вязкости силикатной массы до
106-104 Па·с (период постепенного вспенивания, 775-850 °С); коалесценции пор и
оседании пены при вязкости ниже 104 Па·с (температура выше 850 °С). Показано,
что процесс коалесценции также интенсифицируется за счет увеличения времени
изотермической выдержки более 10 минут.
3. Установлено, что замена 25 мас. % стеклобоя на шлаковый отход ТЭС
обеспечивает повышение прочности пеностеклокристаллического материала без
повышения плотности за счет формирования кристаллов α-кварца размером 550-
700 нм в количестве 12±2 %. Выявлены основные параметры пористой структуры,
ведущие к повышению прочности, а именно: макроструктура – поры размером
1,0-1,4 мм, тип закрытый; микроструктура – межпоровые перегородки толщиной
30-60 мкм с микропорами размером 15-30 мкм.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых дан-
ных о физико-химических процессах, происходящих при вспенивании пеностекла
при использовании комплексной порообразующей смеси «глицерин – жидкое
стекло – вода» и процессах формирования микро- и макроструктуры пеностекло-
кристаллического материала при введении в исходную композицию до 25% шла-
ка ТЭС, а также установлении влияния температурно-временного режима, вида и
соотношения сырьевых компонентов (компоненты порообразующей смеси стек-
лобой различных марок, шлаковый отход) на структуру и свойства пеностеколь-
ных и пеностеклокристаллических материалов.
Практическая значимость работы:
– разработан состав порообразующей смеси и шихты для производства пе-
ностеклокристаллических материалов, мас. %: шлаковый отход ТЭС – 22 стекло-
бой БТ-1 – 34; стеклобой М4 – 34; порообразующая смесь – 10 (в том числе: жид-
кое стекло – 4; глицерин – 3; вода – 3), для получения материала с плотностью
210 кг/м3 при температуре вспенивания 840 °С;
– разработаны режимы изготовления изделий (гранул и плит) на основе пе-
ностеклокристаллических материалов, экспериментально определены основные
физико-механические свойства, в том числе: для гранул – насыпная плотность
199 кг/м3; водопоглощение 3,7 мас. %; предел прочности при сдавливании в ци-
линдре 1,7 МПа; коэффициент теплопроводности 0,06 Вт/(м·К); для плит – плот-
ность 225 кг/м3; предел прочности при сжатии 2,99 МПа; коэффициент теплопро-
водности 0,063 Вт/(м·К); водопоглощение 2,3 об. %;
– разработаны основные этапы технологии и аппаратурно-технологическая
схема производства пеностеклокристаллических изделий, проведена оценка эко-
номической эффективности технологии, подтвердившая окупаемость и конкурен-
тоспособность продукции.
Методология исследования. Методологической основой исследования яв-
ляется теория высокотемпературной поризации пластичных силикатных масс,
описывающая последовательность физико-химических процессов при нагревании
смесей, включающих силикатное сырье и порообразователь.
Методы исследования. Исследование процессов спекания, плавления и
вспенивания пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов, а также
изменения в их фазовом составе, макро-, микроструктуре и свойствах проводили с
применением современных методов, в том числе: дифференциальная сканирую-
щая калориметрия (установка STA 449 Jupiter фирмы NETZSCH), сканирующая
электронная микроскопия (сканирующий ионно-электронный микроскоп
Quanta 200 3D фирмы FEI Company), рентгенофазовый анализ (дифрактометр
ARL X’TRA фирмы ThermoScientific»), а также испытания согласно соответству-
ющим государственным стандартам.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о функциях компонентов комплексного порообразователя, за-
ключающихся в формировании за счет глицерина порообразующих газов, повы-
шении за счет жидкого стекла интенсивности их капсуляции и спекания шихты,
повышении за счет воды равномерности распределения порообразователя и одно-
родности пористой структуры с размером пор в пределах (600-800) мкм.
2. Положение о закономерностях влияния температурно-временного режима
на вязкостные характеристики при вспенивании силикатных масс, заключающих-
ся в выявлении этапа резкого вспенивания (резкое увеличение количества заро-
дышей пор при вязкости 107-106 Па·с и температура 730-775 °С) и этапа посте-
пенного вспенивания 800 °С (раздувания пор из зародышей при вязкости 106-
104 Па·с и температуре 775-850 °С).
3. Положение о граничном содержании шлакового отхода ТЭС в пеностек-
локристаллическом материале не более 25 мас. %, обеспечивающем при темпера-
туре 825 °С кристаллизацию наночастиц α-кварца с размерами 550-700 нм в коли-
честве 12±2 %, повышающими прочность материала. Пористая структура являет-
ся закрытой, поры размером 1-1,4 мм разделены перегородками толщиной 30-
60 мкм.
Личный вклад автора заключается в участии в формулировании цели и
задач исследования, планировании хода работы, в получении и анализе экспери-
ментальных данных, изложение результатов, формулирование выводов и написа-
ние диссертации, подготовка материалов для публикации. Все эксперименталь-
ные данные получены автором лично.
Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов,
представленных в диссертационной работе, подтверждается воспроизводимостью
результатов экспериментов, а также комплексом современных физико-
химических методов исследования и стандартных методик, регламентированных
соответствующими государственными стандартами. Все результаты, представ-
ленные в диссертационной работе, получены при непосредственном участии ав-
тора.
Апробация результатов исследования. Результаты научной работы пред-
ставлены на ряде международных, всероссийских и региональных конференций:
Международная конференция «Стеклопрогресс-XXI», г. Саратов, 2014 г., 2018 г.;
Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и
инновации (XXII научные чтения)», г. Белгород, 2016 г.; Международная научно-
практическая конференция «Проблемы и перспективы развития науки в России и
мире», г. Уфа, 2016 г.; Международная научная конференция «Стекло: наука и
практика» (GlasSP-2017), г. Санкт-Петербург, 2017 г.; региональная научно-
техническая конференция (конкурс научно-технических работ) студентов, аспи-
рантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная вес-
на», г. Новочеркасск, 2017 г.; Международная научно-техническая конференция
«Строительство, архитектура и техносферная безопасность», г. Челябинск, 2017
г.; XXII Международная научно-практическая конференция «Современные про-
блемы экологии» г. Тула 2019 г.
По тематике исследований диссертационной работы выполнено Соглаше-
ние № 14.574.21.0124 от 27 ноября 2014 г. «Разработка ресурсосберегающей тех-
нологии многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных
материалов для строительства энергоэффективных зданий», в рамках ФЦП «Ис-
следования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технического комплекса России на 2014-2020 годы» Министерства образования и
науки РФ.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ЮРГПУ(НПИ) при
чтении курсов «Технологии современных силикатных материалов», «Теоретиче-
ские основы моделирования новых материалов», «Специальные материалы буду-
щего». Проведена опытно-промышленная апробация разработанной технологии
пеностеклокристаллических гранул в условиях ООО ИТЦ «ДонЭнергоМаш».
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 14 работах, в
том числе в 5 публикациях в журналах из списка, рекомендованного ВАК, вклю-
чая 2 публикации в журналах, индексируемых в базах Scopus, WoS.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из вве-
дения, пяти глав, заключения, библиографического описания литературных ис-
точников и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного тек-
ста, включающего 44 таблицы, 26 рисунков, список литературы из 155 наимено-
ваний и 2 приложения.
В работе рассмотрены методы получения пеностеклокристаллических мате-
риалов плотностью менее 300 кг/м3. В качестве порообразователя исследовано
влияние комплексной смеси, состоящей из органических (глицерин) и неоргани-
ческих (жидкое стекло, вода) веществ, находящихся в жидкой фазе. Вспенивание
шихты при использовании данной смеси позволяет получить материал с размером
пор 600-800 мкм и плотностью 150 кг/м3. При этом протекает комплекс химиче-
ских реакций между компонентами смеси (реакция водяного газа, разложение
глицерина), а также компонентов смеси со стеклопорошком (окислительно-
восстановительные реакции углерода глицерина с сульфат-ионами стекла).
В качестве технологически доступного метода получения пеностекла пред-
ложен порошковый метод. Интенсивное спекание шихты в зоне высоких темпера-
тур ведет к капсуляции порообразующих газов. Вспенивание протекает в два пе-
риода – резкое вспенивание в интервале вязкости 107-106 Па·с, и постепенное
вспенивание в интервале 106-104 Па·с. При температурах выше 850 °С структура
образца становится менее упорядоченной за счет процессов коалесценции.
Для расширения сырьевой базы и удешевления технологии было предложе-
но применение шлаковых отходов ТЭС и стеклобоя в качестве основных сырье-
вых материалов. Введение в состав шлаковых отходов в количестве 25 мас. %
позволяет при оптимальном температурно-временном режиме получить пено-
стеклокристаллический материал с плотностью 210 кг/м3 и преобладанием рент-
геноаморфной структуры.
Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к внедре-
нию в промышленности теплоизоляционных материалов, а также использованы в
учебном процессе Исследование целесообразно продолжить в направлении изу-
чения: возможности использования природного и техногенного алюмосиликатное
сырье; анализа газового состава пор и моделирования процессов взаимодействия
компонентов порообразующей смеси при вспенивании.
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!