сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
, Россия
сотрудник
, Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
сотрудник
Украина
студент
, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Разработана эффективная энергосберегающая технология получения композиционных стеклокристаллических облицовочных материалов на основе фракционированного боя листовых и тарных стекол, боя фарфора и натриевого жидкого стекла. Обосновано использование в составах композиционных стеклокристаллических облицовочных материалов тонкодисперсного порошка фарфора в количестве до 10 мас. % и жидкого натриевого стекла до 5 мас. %. Показано, что оптимальный фракционный состав гранулированного смешанного стеклобоя составляет 35 мас. % фракции 0,63–0,80 мм; 35 мас. % – фракции 0,80–1,25 мм и 30 мас. % фракции 1,25–3,15 мм. Рассчитаны политермы вязкости бесцветного, зеленого и коричневого тарных стекол, а также листового стекла, на основе полученных зависимостей показана возможность использования смешенного стеклобоя для получения композиционных стеклокристаллических облицовочных материалов. С использованием рентгенофлуоресцентного метода анализа исследован химический состав листовых и тарных стекол и фарфора. Разработаны оптимальные составы шихт, позволяющие получить стеклокристаллические материалы с прочностью на сжатие до 79 МПа.
: смешанный стеклобой, бой фарфора, натриевое жидкое стекло, спекание, политермы вязкости, прочность на сжатие.
Введение. В настоящее время строительная индустрия РФ требует эффективных, конкурентоспособных стеновых и облицовочных материалов [1]. Однако, использование дефицитных сырьевых материалов значительно удорожает себестоимость материалов, а в конечном итоге и стоимость 1 м2 жилья [2]. Основными направлениями получение конкурентоспособной продукции являются снижение энергозатрат, частичная или полная замена дефицитных материалов местными источниками сырья и различными отходами промышленности [3–5].
Достаточно высокоэффективным сырьевым материалом может служить бой стеклянных бытовых отходов и бой различных керамических производств [6–8]. Однако, проблема сбора и переработки стеклянных бытовых отходов в РФ до настоящего времени не решена и связана с принятием в 2012 году Технического регламента Таможенного Союза, запрещающего вторичное использование различных видов тары, в том числе и стеклотары [9–11].
Тенденции сбора, переработки, использования и утилизации различных видов стеклянных отходов подробно освящены в многочисленных работах отечественных и зарубежных авторов [12–14]. Основным направлением переработки и утилизации стеклобоя является их использование в технологиях по производству стеновых, облицовочных, отделочных, теплоизоляционных материалов [15–17].
Различные виды цветных тарных стекол могут с успехом использоваться для получения защитно-декоративных покрытий на композиционных материалах, бетонах, силикатных материалах автоклавного твердения, керамике и стеклах [18–20]. Однако до настоящего времени в РФ не решена проблема использования смешанного стеклобоя, а также боя различных видов керамики для получения эффективных композиционных стеклокристаллических материалов.
Материалы и методы. В качестве исходных материалов использовали бой стеклянных бытовых отходов, который был представлен зелёным, коричневым, бесцветным тарными листовым стеклами. В качестве упрочняющей добавки использовали бой твёрдого фарфора. В качестве добавки, снижающей температуру обжига, использовали натриевое жидкое стекло.
Химический состав используемых в работе стёкол и твердого фарфора исследовали рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре APL9900 «Thermoscientific».
Обоснование выбора боя твёрдого фарфора в качестве компонента в стеклокристаллическом облицовочном материале заключается в следующем. Во-первых, бой твёрдого фарфора предложено вводить в состав в качестве упрочняющего компонента, способного образовать в проектируемом стеклокристаллическом материале достаточно прочный пространственный каркас. Во-вторых, муллит в твёрдом фарфоре обеспечивает высокую прочность на сжатие и изгиб, повышенную микротвёрдость и химическую устойчивость композиционного облицовочного материала. В-третьих, бой твёрдого фарфора существенно повысит термические свойства композиционного облицовочного материала.
Повышение эксплуатационных характеристик связано с тем, что сам твёрдый фарфор имеет относительную высокую плотность (2,4–2,5 г/см3), высокую прочность на сжатие (350–370 МПа), изгиб (60–140 МПа) и растяжение (15–60 МПа). Его термический коэффициент линейного расширения лежит в пределах (3,8–6,7)·10-6 К-1, а удельная теплоёмкость составляет 0,2–0,3 Дж/(кг·К). В твердом фарфоре содержится в среднем 55 % стеклофазы, а кристаллическая фаза представлена муллитом, кварцем и кристобалитом.
Бой цветного стекла тары и листовых стёкол подвергали измельчению в лабораторной щековой дробилке. После дробления измельченное стекло с использованием стандартного набора сит фракционировали. Крупные частицы стеклобоя размером более 3,15 мм подвергали повторному измельчению и последующему рассеву. Для получения композиционного стеклокристаллического облицовочного материала использовали фракции размером 0,63–0,80 мм, 0,80–1,25 мм, 1,25–3,15 мм.
Бой фарфоровых изделий на первом этапе также подвергали грубому измельчению в лабораторной щековой дробилке, а затем тонкому помолу в лабораторной шаровой мельнице объёмом 10 л. В качестве мелющих тел в шаровой мельнице использовали уралитовые шары. Помол производили в течение двух часов.
После подготовки фракционированного стеклобоя и тонкоизмельчённого фарфора компоненты взвешивали на лабораторных технических весах и усредняли лопастным смесителем. В состав композиционного стеклокристаллического материала с целью снижения температуры спекания вводилось натриевое жидкое стекло.
Как показали предварительные эксперименты, ввод жидкого стекла в подготовленную смесь способствовал образованию крупных отдельных комков, что не позволило усреднить жидкое натриевое стекло по всему объёму. Для равномерного его распределения в механическую смесь фракционированного стеклобоя и тонкоизмельченного фарфора вводили термообработанное и дегидратированное жидкое стекло. Термообработку жидкого стекла производили в сушильном шкафу при температуре 105 °С в течение одного часа. Затем высушенное жидкое стекло подвергали тонкому помолу в шаровой фарфоровой мельнице объёмом 6 л в течение 30 мин. Тонкоизмельченное жидкое стекло добавляли в смесь боя стекла и фарфора и смешивали в лабораторном лопастном смесителе в течение 15 мин. Полученную смесь укладывали в металлические формы размером 50×50 мм и уплотняли. Заполненные металлические формы помещали в муфельную печь для спекания при температурах 675–750 °С. Для исследования показателей качества края плиток обрезались алмазной пилой.
В процессе исследований была разработана типовая номенклатура потребительских свойств разработанного облицовочного материала. Номенклатура показателей качества и свойств композиционного стеклокристаллического облицовочного материала представлена в таблице 1.
Разработанная номенклатура является основой для оценки конкурентоспособности композиционного стеклокристаллического облицовочного материала.
Основная часть. Для обоснования выбора смешанного стеклобоя из наиболее распространённых в РФ видов стеклянных бытовых отходов были рассчитаны по известным методикам политермы вязкости в интервале температур 600–900 °С (рис. 1).
Анализ полученных зависимостей позволяет заключить, что политермы вязкости lgη = f(T) используемых в работе стекол практически совпадают. Это в свою очередь позволило прогнозировать образование прочного пространственного каркаса при спекании гранул смешанного стеклобоя.
Как показали исследования, содержание оксидов в тарных и листовых стеклах удовлетворило ГОСТ 111–2014 (табл. 2).
С целью снижения температуры спекания в исследовании использовалось натриевое жидкое стекло плотностью 1,45 г/см3 и силикатным модулем 2,7.
Таблица 1
Номенклатура показателей качества и свойств композиционного стеклокристаллического
облицовочного материала
|
Объект исследования |
Размерность показателя качества |
Показатели качества |
|
Композиционный стеклокристаллический облицовочный материал |
МПа |
Прочность на сжатие |
|
МПа |
Прочность на изгиб |
|
|
МПа |
Микротвёрдость |
|
|
ΔТ, °С |
Термостойкость |
|
|
Гидролитический класс |
Водостойкость |
|
|
г/см3 |
Плотность |
|
|
% |
Кислотостойкость |
|
|
% |
Щелочестойкость |
|
|
% |
Водопоглощение |
|
|
% |
Пористость |
|
|
циклы |
Морозостойкость |
Рис.1. Политермы вязкости стекол смешанного стеклобоя:
1 – листовое стекло; 2 – тарное зеленое стекло; 3 – тарное коричневое стекло;
4 – тарное бесцветное стекло
Таблица 2
Химический состав стекол и твердого фарфора
|
№ п/п |
Наименование |
Химический состав, мас. % |
|||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Fe2O3 |
SO3 |
Na2O |
K2O |
||
|
1 |
Листовое стекло |
75,5 |
1,7 |
8,6 |
3,3 |
0,1 |
0,3 |
13,6 |
– |
|
2 |
Тарное зеленоестекло |
71,0 |
2,5 |
7,4 |
3,2 |
1,5 |
0,4 |
14,6 |
– |
|
3 |
Тарное коричневое стекло |
71,4 |
2,3 |
8,9 |
3,0 |
0,5 |
0,3 |
14,2 |
– |
|
4 |
Тарное бесцветное стекло |
72,0 |
2,5 |
7,3 |
3,6 |
0,1 |
0,3 |
14,0 |
– |
|
5 |
Твердый фарфор |
68,1 |
25,9 |
– |
– |
0,02 |
– |
0,2 |
5,8 |
Для прогнозирования составов смешанные стекла и твердый фарфор измельчали и рассевали на ситах. После рассева на фракции разработанные составы после взвешивания на аналитических весах усредняли в лабораторном смесителе, увлажняли жидким стеклом и спекали в муфельной печи.
Состав фракций гранулированного стекла и их соотношение в исходных шихтах представлен в таблице 3.
Разработанные составы помещали в муфельную печь и обжигали при температурах 675 °С, 700 °С, 715 °С, 725 °С, 735 °С и 750 °С. Наилучшие результаты были получены при температуре 725 °С.
После термообработки исследовали эксплуатационные характеристики облицовочных стеклокристаллических материалов (табл. 4).
Таблица 3
Фракционный состав гранулированного стекла
|
Шифр состава |
Содержание фракций в составе, мас. % |
Насыпная масса, кг/м3 |
||
|
0,63–0,8 мм |
0,8–1,25 мм |
1,25–3,15 мм |
||
|
1 |
40 |
40 |
20 |
1438 |
|
2 |
35 |
45 |
20 |
1421 |
|
3 |
30 |
50 |
20 |
1381 |
|
4 |
30 |
40 |
30 |
1356 |
|
5 |
35 |
35 |
30 |
1419 |
|
6 |
40 |
30 |
30 |
1426 |
|
7 |
25 |
35 |
40 |
1433 |
|
8 |
30 |
30 |
40 |
1345 |
|
9 |
35 |
25 |
40 |
1365 |
Таблица 4
Разработанные составы стеклокристаллического облицовочного материала
и их свойства при температуре обжига 725 °С
|
Шифр состав |
Содержание порошка фарфора, мас. % |
Содержание жидкого стекла, мас. % |
Прочность на сжатие, МПа |
Пористость, % |
|
1 |
5 |
2,5 |
20 |
28,1 |
|
1 |
10 |
5,0 |
32 |
27,0 |
|
2 |
5 |
2,5 |
24 |
27,3 |
|
2 |
10 |
5,0 |
46 |
25,8 |
|
3 |
5 |
2,5 |
28 |
26,5 |
|
3 |
10 |
5,0 |
62 |
20,3 |
|
4 |
5 |
2,5 |
38 |
26,9 |
|
4 |
10 |
5,0 |
58 |
21,9 |
|
5 |
5 |
2,5 |
42 |
26,3 |
|
5* |
10* |
5,0* |
79* |
16,9* |
|
6 |
5 |
2,5 |
62 |
19,3 |
|
6 |
10 |
5,0 |
68 |
18,7 |
|
7 |
5 |
2,5 |
53 |
23,8 |
|
7 |
10 |
5,0 |
63 |
19,1 |
|
8 |
5 |
2,5 |
48 |
25,1 |
|
8 |
10 |
5,0 |
65 |
18,9 |
|
9 |
5 |
2,5 |
36 |
19,0 |
|
9 |
10 |
5,0 |
56 |
22,7 |
|
* – оптимальный состав |
||||
Анализ полученных результатов позволяет сделать заключение, что оптимальные составы включают до 10 % тонкодисперсного твёрдого фарфора и до 5 % натриевого жидкого стекла.
Разработанная технология получения композиционного стеклокристаллического облицовочного материала представлена на рисунке 2.
Выводы. Разработана энергосберегающая технология получения стеклокристаллического облицовочного материала на основе боя листового и тарного стекол, боя фарфора и натриевого жидкого стекла. Показано, что оптимальный фракционный состав смешанного боя листового стекла, бесцветной, зеленой и коричневой стеклотары составляет 35 мас. % фракции 0,63–0,8 мм; 35 мас. % фракции 0,8–1,25 мм и 30 мас. % фракции 1,25–3,15 мм. Установлено, что композит с оптимальным фракционным составом смешанного стеклобоя, включающий тонкодисперсный фарфор 10 мас. % и жидкое натриевое стекло–5 мас. %, позволяет снизить температуру обжига с 750 до 725 °С. Разработанный стеклокристаллический облицовочный материал оптимального состава обладал высокими эксплуатационными свойствами, в частности, прочностью на сжатие 79 МПа.
Рис. 2. Технология получения композиционного стеклокристаллического облицовочного материала
1. Бондаренко Д.О., Строкова В.В., Тимошенко Т.И., Роздольская И.В. Плазмохимическое модифицирование облицовочного композиционного материала на основе полых стеклянных микросфер с защитно-декоративным покрытием // Перспективные материалы. 2018. № 8. С. 72–80.
2. Онищук В.И., Жерновая Н.Ф., Дороганов Е.А. Мозаичная смальта для строительства // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 13–15.
3. Яценко Е.А., Смолий В.А., Гольцман Б.М., Косарев А.С. Исследование макро- и микроструктуры пеностекол на основе шлаковых отходов ТЭС // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2012. № 6. С. 127–130.
4. Смолий В.А., Яценко Е.А., Косарев А.С., Гольцман Б.М. Разработка составов и технологический параметров синтеза ячеистых теплоизоляционных строительных стекломатериалов с заданной плотностью // Стекло и керамика. 2016. № 6. С. 22–25.
5. Bondarenko D.O., Strokova V.V. Operating properties of the coating, depending on the composition during plasma-chemical modification// IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 341. Articlenumber 012141.
6. Павлушкина Т.К., Кисиленко Н.Г. Использование стекольного боя в производстве строительных материалов // Стекло и керамика. 2011. № 5. С. 27–34.
7. Lesovik V.S., Bessonov I.V., Bulgakov B.I., Larsen O.A., Puchka O.V., Vaysera S.S. Approach on improving the performance of thermal insulating and acoustic glass composites // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 463. Articlenumber 042030.
8. Dorokhova E.S., Zhernovaya N.F., Bessmertnyi V.S., Zhernovoi F.E., Tarasova E.E. Control of the structure of porous glass-ceramic material // Glass and Ceramics. 2017. Vol. 74. Issue 3–4. Pp. 95–98.
9. Dorokhova E.S., Zhernovoi F.E., Izotova I.A., Bessmertnyi V.S., Zhernovaya N.F., Tarasova E.E.Shrink-free face material based on cullet and colemanite // Glass and Ceramics. 2016. Vol. 73. Issue 3–4. P. 103–106.
10. Yatsenko E.A., Smolii V.A., Kosarev A.S., Dzyuba E.B., Grushko I.S., Gol'Tsman B.M. Physical-chemical properties and structure of foamed slag glass based on thermal power plant wastes // Glass and Ceramics. 2013. Vol. 70. Issue 1–2. Pp. 3–6.
11. Yatsenko E.A., Zubekhin A.P., Smolii V.A., Grushko I.S., Kosarev A.S., Gol'tsman B.M. Resource-conserving technology of heat-insulation-decorative glass-composite material based on ash-slag wastes // Glass and Ceramics. 2015. Vol. 72. Issue 5–6. Pp. 216–219.
12. Болотин В.Н., Минько Н.И. Стеклобой. Вторая жизнь // Стекло мира. 1997. №4. С. 57–62.
13. Минько Н.И., Добринская О.А.Технологические особенности использования стеклобоя в производстве стекломатериалов // Техника и технология силикатов. 2019. Т. 26. № 1. С. 9–14.
14. Min'ko N.I., Dobrinskaya O.A., Bulgakov A.S.Technological features of using secondary products in the production of silicate materials // Glass Physics and Chemistry. 2018. Vol. 44. Issue 3. Pp. 238–243.
15. Лесовик В.С., Пучка О.В., Вайсера С.С., Елистраткин М.Ю. Новое поколение строительных композитов на основе пеностекла // Строительство и реконструкция. 2015. № 3 (59). С. 146–154.
16. Пучка О.В., Сергеев С.В., Вайсера С.С., Калашников Н.В. Высокоэффективные теплоизоляционные материалы на основе техногенного сырья // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 51–55.
17. Минько Н.И., Губарев А.В., Губарева О.А. Окрашенные формы шлаков силикомарганцевого производства для изготовления стеклокристаллических материалов // Стекло и керамика. 2000. №7. С.8–10.
18. Bondarenko D.O., Bondarenko N.I., Bessmertnyi V.S., Strokova V.V. Plasma-chemical modification of concrete // Advances in Engineering Research. 2018. Vol. 157. Pp. 105–110.
19. Volokitin O., Volokitin G., Skripnikova N., Shekhovtsov V. Plasma technology for creation of protective and decorative coatings for building materials // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1698. Articlenumber 070022.
20. Пучка О.В., Минько Н.И., Степанова М.Н. Композиционный теплоизоляционный материал на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием по лицевой поверхности // Стекло и керамика. 2009. № 2. С. 3–5.
