Синтез пеностекла нового поколения на основе наноструктурированных кремнеземистых осадочно-химических пород Южно-Казахстанской области

Основные направления Государственной программы по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан на 2010-2014 годы предусматривают развитие производства конкурентоспособных,   энергосберегающих   строительных материалов, изделий и конструкций, а также расширение минерально-сырьевой базы их производства.

В свете поставленных задач одним из таких материалов, на наш взгляд, является пеностекло - инновационный теплоизоляционный материал на основе обогащенных кремнеземом осадочно-химических пород.

В настоящее время во всех развитых странах пеностекло весьма популярный строительно-технический материал, спрос на который растет вместе с увеличением объемов строительно-монтажных работ не только в гражданском строительстве, но и во всех отраслях промышленного строительства. Оно является востребованным и универсальным теплоизоляционным материалом, обладающим целым рядом преимуществ, такими как огнестойкость, негорючесть, устойчивость к воздействию воды, устойчивость в химической и биологически активной среде, надежность и долговечность эксплуатаци, прочность и устойчивость к деформации, экологическая чистота и санитарная безопасность, надежная и эффективная эксплуатация в дымоходах и вентканалах, а также в качестве теплоизоляционного материала при обустройстве теплозащиты на объектах пищевой промышленности, оптимальный материал для обустройства конструкций зданий АЭС [1].

США (Pittsburg Corning) - крупнейший изготовитель пеностекла в мире, имеющий мощности по его производству и переработке в Северной Америке, Бельгии, Германии и Чехии. В настоящее время существует еще три крупных производителя пеностекла в Японии, Китае и Беларуси. В России опытные производства пеностекла существуют только в г. Томск, Воронеж и Белгород [1].

В Республике Казахстан производство пеностекла практически отсутствует.

Пеностекло, как известно, своеобразный материал из замкнутых стеклянных ячеек, имеющих сферическую форму. Водопоглощение его при полном погружении в жидкость не превышает 5% от общего объема материала и обусловлено лишь накоплением влаги в поверхностном слое. Гидроизолирующие и пароизолирующие свойства пеностекла работают с высокой надежностью. При его эксплуатации не происходит изменения теплопроводности, прочности, стойкости и формы. Пеностекло не дает усадки и не изменяет геометрические размеры с течением времени под действием веса строительных конструкций. При этом его прочность на сжатие в несколько раз выше, чем у волокнистых материалов и пенопласта [2].

В данное время производство основной массы пеностекла связано с применением отходов заводов по выпуску строительного и тарного стекла. Нередко в качестве сырья используются специальные стекольные грануляты, составы которых характеризуются содержанием (в масс %) SiO2 70-72, СaO 7-8, MgO 3-4, Na2O 15-16, AbO₃ 0-2. Для удовлетворения данных соотношений химического состава, как правило, разрабатывают шихтовые смеси из кварцевых песков, известняков, доломитов, соды и сульфата. Как видно, состав шихты не простой. Если учесть все требования по стандартам к компонентам, то можно представить всю сложность и трудоемкость формирования шихт. А также немаловажно учесть, что производство пеностекла по такой схеме технологически сложно и весьма энергоемко.

Это обстоятельство натолкнуло нас на исследования технологических возможностей прямого применения кремнеземистых осадочно-химических горных пород с добавками дешевых и недефицитных газообразователей, что исключает из традиционной схемы весьма затратное производство стекольных гранулятов.

Республика Казахстан располагает практически неисчерпаемыми запасами высококачественных кремнеземистых осадочно-химических пород, распространенных практически во всех областях страны.

Как показали наши исследования, опоки являются весьма перспективными видами кремнеземистого сырья для производства вспученных теплоизоляционных материалов. Они представляют собой легкие, плотные тонкодисперсные кремнеземистые осадочные горные породы. Состоят они до 97% из мельчайших криптокристаллических изометричных и неправильных частиц аморфного кремнезема. В виде примеси в них обычно присутствуют глины, мел, глауконит, реликты акцессорных минералов материнских пород. Цвет породы светло-серый, желтоватый. Опоки и опоковидные глины широко развиты среди морских отложений верхнего мела и палеогена.

На территории Южно-Казахстанской области зафиксировано более 20 месторождений и проявлений опок и опоковидных глин, приуроченных к сузакскому и ханаватскому ярусам палеогена. Опоковидные породы развиты в районах Кынгракского, Дарбазинского, Жилгинского и других куполообразных поднятий палеогена.

Химический состав опок из месторождений Кынгракское и Дарбазинское Южно-Казахстанской области, выбранных нами для экспериментальных исследований, очень близки между собой и характеризуются нижеследующими пределами содержаний компонентов, % по массе: SiO2 - 69,97-78,63; AbO₃ - 6,11-10,38; Fe2O₃ - 2,37-3,44; ТЮ2 -0,25-0,45; CaO - 0,3-2,19; MgO - 0,98-1,82; - 0,55-1,07; K2O - 0,69­1,12; SO3 - 0,76-3,75; Н2О - 3,34-4,36; ппп - 3,97-6,53 [3].

Судя по данным рентгенограмм, исследуемая порода практически полностью состоит из аморфного кремнезема преимущественно в виде опала SiO₂-HH₂O (d=4,133; 2,51 А), а также незначительного количества вторичного кристаллического кварца SiO₂ (d=3,35; 4,281 А).

На термограмме опоки наблюдаются два эндоэффекта. Первый фиксируется при температуре 99,5 ⁰С, который сопровождается потерей массы и выделением физически связанной воды, а второй при температуре 510,5 ⁰С соответствует выделению химически связанной воды, находящейся в структуре опала и глинистых минералов.

Были выполнены электронно-микроскопические исследования и рентгеновский микроанализ на растровом электронном микроскопе РЭМ JSM - 6490LV пробы криптокристаллической осадочно-химической породы на полированном шлифе.

Исследования морфологических особенностей показали, что размеры частиц исходной криптокристаллической осадочно-химической породы колеблются от 3 мкм до 4,5 мкм, что составляет 90% от всей массы пробы, а остальные 10% составляют оксиды Al, Na, Mg (рисунок 1). Элементный состав, %: Na - 1,2; Mg - 0,3; Al - 1,9; Si - 43,7; оксидный состав, %: Na2O - 1,62; MgO - 0,5; AbCb - 3,6; SiO2 - 93,5.

Химический состав сферической частицы 3,31 мкм показывает, что доля SiO2 в исследуемой кремнистой породе составляет 93,5%. Это означает, что исследуемая кремнистая порода, т.е. опоки Кынгракского месторождения практически полностью состоят из аморфного кремнезема.

По фотоснимкам видно, что частицы рентгеноаморфного кремнезема образовывают сферические образования.

Исследования микроструктуры сферических образований при больших увеличениях (х15000) позволяют сделать вывод, что на частицах аморфного кремнезема видны центры кристаллизации в виде игл, которые колеблются от 2 до 3 мкм (рисунок 2).

Анализ энергодисперсионных спектров указывает на присутствие в аморфном кремнеземе кристаллического кварца 8,72 мкм (рисунок 3).

Нами проведены исследования природных кремнеземистых пород -опок, содержащих преимущественно аморфный или наноструктурный (криптокристаллический) кремнезем, с целью получения легкоплавких силикатных систем, способных к вспучиванию и образованию пеноматериалов.

Теоретической предпосылкой технологическим исследованиям послужило то обстоятельство, что присутствие в данной категории горных пород мелких частиц кремнезема на наноуровне может оказать существенное влияние на технологию получения материалов с применением термической обработки, т.е. возможно ускорение массопереноса, перемещение компонентов на атомарном уровне, активизация химического взаимодействия твердых растворов. Так как исследуемая горная порода относится к системе многокомпонентной, в зоне контактных частиц различных минералов действуют не только механическая, но и химические силы, ускоряя взаимодействие нанокристаллических частиц.

Технология пеностекла заключается в получении материала, равномерно пронизанного порами одинакового диаметра.

Для осуществления данной технологии в качестве основного сырья применялся тонкоизмельченный в фарфоровой ступке порошок исследуемой породы. Тонкоизмельченный порошок в количестве 10 г помещали в стеклянную емкость, добавляли 10 мл заранее приготовленного 20% щелочного раствора. Компоненты тщательно перемешивались в течение 10-20 минут до образования пастообразной смеси и закрывались крышкой на 10 минут для образования и полного прохождения реакции силикатообразования. Затем исходная смесь помещалась в фарфоровые тигли, которые направлялись в предварительно нагретую до 600⁰С муфельную печь, где поверхность смеси выдерживалась при этой температуре в течение 10-15 минут.

В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что на основе исследуемых кремнеземистых пород можно синтезировать пеностекло с различными параметрами пор. Опыты показали возможность получения форм различной конфигурации, в том числе в виде куба, параллелепипеда, брусков, труб, шара и др. По прочности полученные материалы не уступают керамическим кирпичам марки 50-75.

Предполагается возможность широкого использования кускового пеностекла в качестве насыпного теплоизоляционного материала как альтернативного традиционному керамзитовому.

Основными задачами при разработке технологии получения пеностекла было расширение минерально-сырьевой базы кремнеземсодержащими аморфными кремнистыми породами и отказ от применения серных соединений в технологии. По этой технологии классический стеклобой можно полностью заменить кремнеземсодержащими аморфными кремнистыми породами, а в качестве газообразователя использовать щелочной компонент.

Для удовлетворения растущей потребности населения в основных строительных материалах предлагается производство низкотемпературных пеностекольных стеновых блоков на основе кремнеземистых горных пород на территориях Сарыагашского и Туркестанского районов с использованием сырьевых материалов Кынгракского, Дарбазинского и Туркестанского месторождений. Данное производство будет высокотехнологичным, малоэнергоемким, а продукция экологически благоприятной и механически прочной.

Таким образом, использование дешевого природного кремнеземистого сырья в качестве компонентов для получения пеностекла является основополагающим фактором в производстве экологически безопасного пеностекла. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Сосунов Е. Зарубежный опыт применения пеностекла [электронный ресурс] / Режим доступа: penosteklo.narod.ru
2. Сосунов Е. Пеностекло - эффективный теплоизоляционный материал / Режим доступа:  gomelglass.com
3. Бишимбаев В.К., Есимов Б.О., Адырбаева Т.А., Руснак В.В., Егоров Ю.В. Минерально-сырьевая и технологическая база Южно­Казахстанского кластера строительных и силикатных материалов. Монография. - Алматы, 2009. - 266 с.