Строительные облицовочные материалы с регулируемой поровой структурой на основе алюмосиликатных пород и стеклобоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Строительные облицовочные материалы с регулируемой поровой структурой на основе алюмосиликатных пород и стеклобоя

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Карпов Борис Алексеевич

Улан-Удэ 2009

Работа выполнена на кафедре "Производство строительных материалов и изделий" в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете, г. Улан-Удэ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дамдинова Дарима Ракшаевна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Прокопец Валерий Сергеевич

кандидат технических наук Сиденов Сергей Александрович

Ведущая организация: Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН, г. Улан-Удэ

Защита состоится 26 ноября 2009 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 670013 г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан « 24» октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Л.А. Урханова.

Актуальность. В современном строительстве весьма востребованы эффективные облицовочные материалы, так как объем отделочных работ достаточно велик и составляет около 12-14 % от общего объема СМР. Создание экономичных и малоэнергоемких строительных облицовочных материалов различного функционального назначения является важной научно-технической задачей. Значительный интерес в этом отношении представляют облицовочные материалы на основе стекла. К ним относятся декоративные пеностекла, которые сочетают в себе одновременно изоляционные и декоративные свойства.

Вместе с тем пеностекло представляет собой гетерогенную систему, состоящую из стекловидной фазы и газовоздушной смеси, при минимизации газовой фазы в которой при определенной температуре можно получить облицовочные материалы с плотной структурой. Трансформация в данной работе традиционного взгляда на пеностекло как на материал исключительно для теплоизоляции позволяет на основе единого технологического подхода создавать облицовочные материалы как с высокопористой, так и с плотной структурой.

Решение проблемы создания облицовочных материалов, обладающих улучшенными теплоизоляционными и декоративными свойствами, в настоящей работе связано с комплексным использованием местных алюмосиликатных пород и стеклобоя, разработкой составов шихт и подбором красителей, механоактивацией компонентов шихты и химической модификацией структуры материала.

В качестве рабочей гипотезы в работе выдвинуто предположение о возможности получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой благодаря изменению характера диффузии в стекле в результате двухщелочного эффекта при применении добавок гидроксидов натрия и калия или их смесей.

Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральных целевых программ "Жилище" и "Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья" на 1996-2010 гг., молодежных грантов ВСГТУ (2006 г.) и Республики Бурятия (2008 г.).

Цель работы. Разработка составов и технологии получения строительных облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой на основе механоактивированных алюмосиликатных пород и стеклобоя.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка научного подхода к решению проблемы создания строительных облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой;

- установление закономерностей влияния основных химико-технологических факторов на структуру и свойства пеностекол на основе модельных систем "перлит-стеклобой" и "базальт-стеклобой";

- разработка составов смесей для пеностекол, позволяющих регулировать структуру и свойства облицовочных материалов на основе механоактивированных алюмосиликатных пород и стеклобоя;

- подбор микродобавок-красителей для получения окрашенных облицовочных материалов;

- исследование физико-механических и эксплуатационных свойств облицовочных материалов;

- определение основных технико-экономических показателей при внедрении в производство результатов исследований.

Научная новизна работы состоит в решении проблемы получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой путем химической модификации структуры пеностекол на нанотехнологическом уровне за счет использования двухщелочного эффекта.

Выявлены особенности формирования структуры и свойств пеностекол модельных систем при использовании эффекта двух щелочей и придания этим пеностеклам декоративных свойств с помощью оксидов некоторых металлов и продукта переработки полиметаллических руд.

Установлено, что при двухщелочном эффекте, обнаруживаемом при введении в систему реагирующих веществ гидроксида натрия и калия или их смесей в стеклах системы SiO2-Al2O3-Fe2O3-FeO-CaO-MgO-Na2O-K2O, к которой относятся синтезируемые материалы в зависимости от соотношения стекла и породы, соотношения щелочных компонентов и температуры обжига изменяется характер диффузии щелочных ионов в стекле. В зависимости от того, какой щелочной компонент был введен извне в составы смесей, в стекле возникают условия для само- и гетеродиффузии ионов Na+ и К+, вследствие которых картина поризации расплава существенно меняется.

Также установлено, что обнаруженный эффект двух щелочей может быть усилен или ослаблен в зависимости от изменения содержания в стекле оксидов группы MeO (Ме = Ca, Mg) при варьировании составов шихты. Оксиды данной группы, вносимые в большей степени со стеклобоем, способны понизить активность щелочных ионов Na+ и К+ и повлиять таким образом на поровую структуру синтезируемых материалов.

На основании выявленных закономерностей влияния химического и фазового состава сырья, составов смесей, механоактивации сырьевых материалов, вида и содержания щелочного компонента, микродобавок-красителей, температуры обжига на процессы поризации, уплотнения и окрашивания пеностекол предложены методики выбора основных видов сырья, щелочных компонентов и микродобавок оксидов некоторых металлов и цинково-свинцового концентрата для получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой.

Получены зависимости основных физико-технических свойств синтезированных материалов от химико-технологических факторов, позволяющие создавать строительные облицовочные материалы с заранее заданными свойствами.

Практическая значимость. Разработаны составы и технологические параметры производства облицовочных материалов с пористой и плотной структурой (далее по тексту ОМППС).

На основании выявленной роли эффекта двух щелочей в формировании структуры и свойств облицовочных материалов, проведения окрашивания микродобавками оксидов металлов и цинково-свинцового концентрата и с использованием белого и цветного стеклобоя в составах шихт в условиях низкотемпературного обжига получены строительные облицовочные материалы:

- декоративные теплоизоляционные пеностекла со средней плотностью 300-700 кг/м3 и прочностью 1,5-7,0 МПа в системе "стеклобой - перлит" и со средней плотностью 400-725 кг/м3 и прочностью 3,5-7,5 МПа в системе "стеклобой - базальт";

- облицовочные плиты со средней плотностью 700 - 1200 кг/м3 и прочностью 7,0 - 12,0 МПа с использованием составов шихт в системе "стеклобой - перлит" и со средней плотностью 725 - 1650 кг/м3 и прочностью 7,5 - 22 МПа в системе "стеклобой - базальт".

Внедрение результатов исследований.

Результаты проведенных исследований проверены в производственных условиях ООО "Экодом" (г. Улан-Удэ).

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на Х Академических чтениях РААСН "Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения" (Пенза - Казань, 2006); междунар. науч.-практ. конф. "Строительный комплекс России: наука, образование, практика" (Улан-Удэ, 2006); "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии" (Белгород, 2007); Всерос. науч.-практ. конф. "Строительное материаловедение - теория и практика" (Москва, 2006); "Современные инновационные технологии и оборудование" (Тула, 2007); "Повышение эффективности строительных материалов" (Пенза, 2008) и др.

На защиту выносятся:

- закономерности формирования структуры и свойств строительных облицовочных материалов из механоактивированного алюмосиликатного сырья и стеклобоя в условиях двухщелочного воздействия;

- результаты физико-химических, экспериментальных исследований по разработке составов и технологии получения декоративных пеностекол и материалов с плотной структурой на их основе;

- зависимости физико-механических и декоративных свойств облицовочных материалов от рецептурно-технологических факторов (содержания алюмосиликатных пород и стеклобоя, механоактивации пород, температуры обжига, содержания гидрооксидов натрия и калия, содержания микродобавок ЦСК и оксидов металлов);

- результаты оптимизации параметров технологии строительных облицовочных материалов на основе алюмосиликатных пород и стеклобоя с микродобавками цинково-свинцового концентрата и оксидов металлов Cr2O, TiO2, CuO, Fe2O3, CdS, СdCO3;

- результаты исследований физико-химических и физико-технических свойств разработанных строительных облицовочных материалов от пористой до плотной структур;

- результаты проведения опытно-промышленных испытаний.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность основных положений и выводов работы обусловлены объемом выполненных экспериментов с использованием рентгенографического, ИК-спектроскопического анализов, электронной микроскопии, а также методов математического планирования и статистической обработки.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах по списку ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографии из 134 наименований и приложений. Работа изложена на 151 странице текста, куда входят 45 рисунков, 34 таблицы.

облицовочный пеностекло алюмосиликатный стеклобой

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки строительных облицовочных материалов для теплозащиты и облицовки жилых и промышленных зданий, выдвинута рабочая гипотеза, сформулированы цель и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе дан анализ состояния вопроса по изучаемой проблеме, обобщен отечественный и зарубежный опыт получения облицовочных материалов на основе природного минерального сырья и отходов промышленности.

Синтезируемые в настоящей работе ОМППС - облицовочные материалы с пористой и плотной структурой (пеностекла, облицовочные плиты) являются, по сути, композиционными обжиговыми стеклогломератами, состав которых характеризуется наличием кристаллической, стекловидной и газовой фаз. Очевидно, эти материалы можно получать, используя единое информационное поле в области теории и практики получения стеклокерамики и обжиговых вспученных алюмосиликатных материалов.

Среди облицовочных материалов, полученных спеканием при обжиге, особый интерес вызывает декоративное пеностекло, которое, являясь гетерогенной системой, состоящей из стекла, кристаллических фаз и газовоздушной смеси, оказывается весьма удобной модельной системой при получении облицовочных материалов с пористой и плотной структурой. Так, при минимизации газовой фазы и уплотнении структуры пеностекла можно получить спеченное стекло и облицовочные материалы на их основе, а при возрастании в стекле кристаллических фаз - стеклокристаллические облицовочные материалы. При оптимизации поровой структуры в условиях глушения, которое вполне прогнозируемо ввиду чрезвычайно большой поверхности раздела фаз в пеностекле, наличия остаточных и вновь образованных фаз, а также присутствия в стекле микродобавок красителей можно получить пеностекла с повышенными физико-механическими свойствами.

Указанный подход позволяет в рамках одной технологической цепи с некоторыми изменениями в аппаратурном оформлении создавать облицовочные материалы как с высокопористой, так и с плотной структурой (с оговоркой, что в материале могут быть микро- и наноразмерные поры). На первый взгляд, вопрос получения пористо-плотных декоративных материалов является чисто техническим вопросом, зависящим главным образом от состава шихты, температурных режимов, применения интенсифицирующих добавок и т.д. На самом деле развитию теории и практики получения оптимальных структур в области обжиговых алюмосиликатных материалов способствовали исследования российских и зарубежных научных школ. Благодаря теоретическим исследованиям процесса глушения стекол различных систем создан широкий класс облицовочных материалов на основе стекол. Обширные исследования в области вспучивания природного минерального сырья и техногенных отходов позволили создать технологии пористых заполнителей, керамических теплоизоляционных изделий, пеностекол и т.д.

В реальности облицовочные материалы часто занимают промежуточное положение между соответствующими основными группами, что нашло отражение в названии этих материалов: пеноситалл, порокремнезит, стеклокерамит, стеклокремнезит, пеностекло, ячеистая керамика и т.д.

В свете вышесказанного теоретической базой получения синтезируемых облицовочных материалов с пористой и плотной структурой (ОМППС) являются научные и практические результаты в области пенообразования в пиропластических силикатных системах и вспучивания алюмосиликатных расплавов природного минерального сырья и техногенных отходов, а также научно-технические результаты в области синтеза облицовочных материалов из глушеных стекол.

Вероятно, при получении облицовочных материалов с пористой и плотной структурой априори могут быть использованы методы повышения активности исходных компонентов и интенсификации физико-химических процессов обжига, которые применены ранее при получении стеклокристаллитов, вспученных алюмосиликатных материалов, пеностекол из эффузивных пород и стеклобоя и т.д. На основе обобщения информации в этом вопросе автор предполагает, что физико-механические, декоративные и эксплуатационные свойства синтезируемых ОМППС будут предопределяться поровой структурой материала, структурой и составом фаз, распределением этих фаз по объему, которые в свою очередь будут обусловлены рядом химико-технологических факторов.

К указанным факторам автор относит вещественный и фазовый состав исходных алюмосиликатных пород и стеклобоя, изменения в их структуре в результате механоактивации исходных пород и стеклобоя, изменения характера диффузии в стекле путем химической модификации структуры материала за счет двухщелочного эффекта при введении в составы гидроксидов натрия, калия и их смесей.

По Аппену, щелочные ионы одного вида оказывают резкое тормозящее влияние на движение щелочных ионов другого вида. Благодаря этому свойства стекол, содержащих две щелочи, обнаруживают так называемый двухщелочной эффект.

Согласно данным А.А. Евстропьева, в стекле 20% K2O·SiO2 при 415 °С скорость диффузии DNa = 3,3·10-10, а DK = 6,5·10-10 см2/с. Здесь вопреки соображениям о влиянии радиуса катионов на их подвижность крупный ион К+ движется быстрее иона Na+, имеющего меньший радиус. Кажущееся противоречие объясняется тем, что энергия активации Eакт. гетеродиффузии всегда выше, чем энергия активации самодиффузии. Так, в стекле состава 20%K2O·SiO2 энергия активации гетеродиффузии ионов Na+ составляет Eакт. = 27,5 ккал/моль, что примерно в 1,5 раза больше, чем Eакт. самодиффузии ионов К+ в этом же стекле. А в стекле состава 20%Na2O·SiO2 энергия активации самодиффузии ионов Na+ составляет Eакт. = 17 ккал/моль. Для сравнения Eакт. самодиффузии ионов К+ в стекле состава 20%K2O·SiO2 равна Eакт. ? 18,5 ккал/моль.

Двухщелочной эффект, обнаруженный в стеклах систем Me2O-SiO2 (Me = Li, Na, K), содержащих две щелочи, выражается в изменении характера диффузии и вязкости расплава. Температурный коэффициент вязкости двухщелочных стекол ниже, чем однощелочных, т.е. первые являются более «длинными», что весьма желательно в технологии пеностекол для обеспечения равномерной пористости. Также известна способность оксидов группы МеО (Me = Са, Mg) подавлять активность щелочных оксидов, содержащихся в стекле.

Указанные явления, которые имели место при проектировании силикатных стекол, могут проявить себя и при синтезе пеностекол на основе алюмосиликатных пород и стеклобоя. Это обусловило в данной работе интерес к исследованию вопроса о влиянии эффекта двух щелочей на структуру и свойства синтезируемых материалов. Интерес к этому вопросу также обусловлен тем, что введение только NaOH в составы пеностекол из эффузивных пород и стеклобоя часто приводит к бурному вспениванию при обжиге и появлению в системе диссипативных явлений (укрупнение пор и их схлопывание) и создает проблему в регулировании поровой структуры материала.

Таким образом, вопрос о получении эффективных облицовочных материалов с пористой и плотной структурой может быть сведен к вопросу об интенсификации физико-химических процессов в результате комплексного использования алюмосиликатных пород и стеклобоя, ускорения взаимодействия компонентов исходного сырья при механоактивации, а также изменения характера диффузии в стекле под воздействием щелочной среды, создаваемой двумя разными видами щелочного компонента.

Вторая глава посвящена изучению химико-минералогического состава исходного сырья и характеристике методов исследований. В соответствии с рабочей гипотезой о возможности получения строительных облицовочных материалов с регулируемыми свойствами за счет эффекта двух щелочей в смеси тонкомолотого стеклобоя и механоактивированных алюмосиликатных пород вводится щелочной компонент в виде водного раствора NaOH, KOH или их смесей.

В качестве основного сырья рассмотрены тарный стеклобой различных цветов, гидратированный перлит Мухор-Талинского и базальт Селендумского месторождений Республики Бурятия (табл.1).

Таблица 1 - Химический состав пород

Сырьевой материал	Содержание оксидов, мас. %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3+FeO	CaO	MgO	Na2O	K2O	ппп
Перлит (Пр)	68,30	12,75	1,25	0,98	0,48	3,73	4,12	8,58
Базальт (Бз)	49,60	16,90	9,58	6,00	4,66	4,67	6,22	2,53

По данным химического анализа стеклобоя, оксидный состав стеклобоя с учетом изменения цвета колеблется в пределах (масс.%): SiO2 71,36-2,71; Al2O3 2,0-3,80; Fe2O3 0,1-0,40; CaO 6,0-6,74; MgO 3,43-4,13; Na2O 13,56-15,50; K2O 0-0,8; Cr2O3 0-0,1; SO3 0,2-0,4.

ИК-спектроскопию, РФА и электронную микроскопию проводили в ЦКП ВСГТУ "Прогресс" на ИК-Фурье спектрометре Nicolet-380 (Thermo Electron Corporation, США), рентгеновском дифрактометре ДРОН-7 (НПП «Буревестник», г. Санкт-Петербург) и на растровом электронном микроскопе JSM-6510LV JEOL (Япония) с системой микроанализа INCA Energy 350, Oxford Instruments (Великобритания).

Физико-механические и физико-технические свойства пеностекол определяли по известным методикам на стандартном оборудовании.

Исследования проведены с привлечением методов математического планирования эксперимента и статистической обработки данных.

РФА стеклобоя показал их рентгеноаморфность, а ИК-спектры указывают на присутствие в стекле модификаций кремнезема.

Гидратированные перлиты относятся к вулканическим стеклам с высоким уровнем гидратации. Это приводит к тому, что данная разновидность перлитов при вспучивании интенсивно растрескивается с образованием легкого вспученного песка, и поэтому в производстве вспученного щебня она отнесена к некондиционному сырью. Количество стеклофазы в породе не менее 95%, а кристаллическая фаза представлена монтмориллонитом, кварцем и гематитом.

Приводимая в литературе аналогия между гидратированными вулканическими и кремнеземистыми промышленными стеклами позволяет рассматривать данную разновидность перлитов в качестве сырья для пеностекол, в которых главный "недостаток" перлита, а именно высокое содержание воды здесь рассматривается в качестве интенсифицирующего фактора при вспенивании пеностекол.

ИК-спектры базальта показали присутствие молекулярной воды и воды в виде свободного гидроксила (1634 см-1). Полосы поглощения у частот 695,2 см-1 и 581,8 см-1 свидетельствуют об упорядоченности структуры базальта, а у частот 419 см-1 - о наличии связей Al-O.

Фазовый состав базальта представлен полевыми шпатами, диопсидом, модификациями кремнезема и стеклофазой. По данным ДТА максимальная потеря массы наблюдается в диапазоне температур 80 - 500 С, а общая потеря по массе при температуре 900 С ? 2,51%.

В качестве красителей в работе применялись Cr2O, TiO2, CuO, Fe2O3, CdS, СdCO3 и ЦСК, а в качестве щелочных компонентов - NaOH и KOH в кристаллической форме.

По химическому составу стеклобой и алюмосиликатные породы относятся к системе SiO2 - Al2O3 - Fe2O3 - FeO - CaO - MgO - Na2O -K2O, которая находит широкое применение при получении силикатных стекол. Выбор АСП и стеклобоя обоснован наличием в них стеклофазы и щелочей, позволяющих с использованием механоактивации сырья получать декоративные пеностекла и облицовочные материалы с плотной структурой в условиях низкотемпературного обжига. Большие запасы местных алюмосиликатных пород и значительное накопление стеклобоя в общем объеме твердых отходов создают надежную сырьевую базу для получения облицовочных материалов.

В третьей главе изложены результаты исследований физико-химических процессов получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой на основе АСП и стеклобоя.

Главная практическая задача заключалась в том, чтобы варьируя рецептурно-технологическими факторами в рамках одной технологии, получать облицовочные материалы с пористо-плотной структурой. Для получения ОМППС с улучшенными декоративными свойствами в модельных системах "стеклобой-перлит" и "стеклобой-базальт" разработаны составы с включением в эти системы оксидов Cr2O, TiO2, CuO, Fe2O3, CdS, СdCO3 и ЦСК, обладающих способностью к объемному окрашиванию стекол при обжиге.

При изучении комплексного влияния состава стеклошихты, щелочного компонента и температуры обжига на свойства пеностекол в качестве факторов были выбраны: z1 - температура процесса, ?С; z2 - содержание АСП, мас. %; z3 - содержание щелочного компонента, мас.%. Функциями отклика являются средняя плотность (далее плотность) ?, кг/м3 (у1) и прочность Rсж., МПа (у2) материала (табл. 2, 3).

Таблица 2 - Условия эксперимента

	z1	z2	z3
Для пеностекол системы «перлит-стеклобой»
Основной уровень z0j	830	40	7
Интервал варьирования ? zj:	15	10	1
+1	845	50	8
-1	815	30	6
Для пеностекол систем «базальт-стеклобой»
Основной уровень z0j	845	35	9
Интервал варьирования ? zj:	15	10	1
+1	860	45	10
-1	830	25	8

Таблица 3 - Уравнения регрессий основных свойств пеностекол

Система	Уравнения регрессии плотности уi = f(x1,x2,x3)
“Перлит-стеклобой”	у1 = 632,3 - 46,53 x1 + 36,13 x2 - 73,23 x3 + 12,8 x1 x2 - 7,8 x1 x3 + 175,8 x1 x2 x3
“Базальт- стеклобой”	у2 = 712,25 - 63,63 x1 + 62,13 x2 - 35,1 x3 - 11,6 x1 x2+ 16 x1 x3 - 10,375 x2 x3 + 183,5 x1 x2 x3
	Уравнения регрессии прочности уj = f(x1,x2,x3)
“Перлит-стеклобой”	у1 = 8,13 - 1,30 x1 - 1,20 x3
“Базальт- стеклобой"	у2 = 9,65 - 1,24 x1 + 1,23 x2 - 1,37 x3

Снижение плотности пеностекол при росте факторов температуры и содержания гидроксида натрия (рис. 1) можно объяснить уменьшением энергии активации поризации алюмосиликатного расплава.

а)б)

а - у1/ у2 = f(x1,x2) Содержание перлита, мас. %

б - у1/ у2 = f(x2,x3) Содержание перлита, мас. %

Рисунок 1 - Изолинии плотности и прочности пеностекол системы "стеклобой-перлит" в зависимости от основных факторов

На основе анализа построенных номограмм свойств пеностекол модельных систем "стеклобой-перлит" и "стеклобой-базальт" приняты опытные составы шихт, на которых проверялся двухщелочной эффект путем введения в составы смесей концентрированного водного раствора NaOH и KOH или раствора смесей этих гидроксидов.

Эксперименты проводились на составах шихт в системах «Сб-Пр» и «Сб-Бз» при разных соотношениях в шихте стеклобоя и породы, а также для различных уровней содержания щелочного компонента, введенного сверх массы порошков (рис. 2).

Снижение показателя плотности пеностекол на 30% при переходе от КОН к NaOH при низком содержании стеклобоя в шихте (рис. 2,а) можно объяснить тем, что Na+, двигаясь в родственной ему системе и обладая при этом большей подвижностью, благодаря меньшему радиусу в условиях самодиффузии в большей степени выводит систему из равновесия. В дальнейшем при обжиге это приводит к интенсификации поризации, в результате чего плотность пеностекол понижается. Рост показателя плотности пеностекол при использовании КОН вызван явлением гетеродиффузии ионов К+ в стекле системы Na2O-CaO-SiO2, энергия активации которой выше, чем энергия активации самодиффузии ионов Na+ в указанной системе, а также влиянием радиуса иона калия (0,133 нм), большего, чем у катиона натрия (0,098 нм), и как следствие меньшей его подвижности.

Увеличение интенсивности полосы поглощения у частоты 950 см-1 на ИК-спектрах пеностекол систем "стеклобой-перлит" при пониженном содержании стеклобоя и введении в систему КOH вызвано увеличением содержания в стекле санидина K2O·Al2O3·6SiO2, вносимого с перлитом.

При повышенном содержании в шихте стеклобоя (рис. 2, б), тенденция к снижению плотности пеностекол при замене KOH на NaOH сохраняется, плотность пеностекол при этом уменьшается на 40%. Благодаря увеличению содержания стеклобоя, пеностекла получены при меньшем содержании дополнительно вводимой щелочи (7%) и меньшей температуре (Тобж. = 845 °С).

Вместе с тем, картина формирования микроструктуры синтезируемого материала несколько иная, чем в предыдущем случае. При повышенном содержании в шихте стеклобоя недостаточная активность ионов калия вероятно также вызвана. гетеродиффузией К+ в стекле системы Na2O-CaO-SiO2, которая еще больше повышается вследствие подавляющего воздействия со стороны оксидов группы MeO, которых достаточно много в стеклобое. Поэтому образование в расплаве высокощелочных силикатов в данном случае затруднено ввиду повышенной вязкости стекломассы, в которой массового содержания стеклобоя, а следовательно, суммы CaO и MgO больше, а количества вводимого извне щелочного компонента меньше. На ИК-спектрах пеностекол с добавкой КOH отмечено уменьшение полосы поглощения у частоты 950 см-1 по сравнению с пеностеклами с добавкой NaOH.

На рисунке 3 представлены снимки электронной микроскопии поровой структуры пеностекла системы «стеклобой-перлит» состава 70% Сб и 30% Пр, полученного при Тобж. = 845 °С и содержании 7% NaOH (рис. 3а) и межпоровой перегородки (рис. 3б).

Структура межпоровой перегородки характеризуется наличием кальциево-натриево-силикатного стекла (№ спектров 1, 3, 4, 5, 7,8,10 и 11), щелочных алюмосиликатов (№ спектров 2, 6, 9, 12) при некотором недостатке Al2O3, а также наличием мельчайших пор. Это позволяет заключить, что синтезируемые пеностекла являются гетерогенной системой, состоящей из стекловидной, газовой фаз и новообразований.

а) б)

а) пеностекла (х25); б) межпоровые перегородки пеностекла

Рисунок 3 - Снимки микроструктуры пеностекла системы "стеклобой-перлит"

При исследовании пеностекол системы "стеклобой - базальт" тенденции, обнаруженные при исследовании пеностекол системы "стеклобой - перлит", имеют сходную картину в том случае, когда пеностекла в системе "Сб-Бз" получены при пониженном содержании стеклобоя (55%) (рис. 4а).

Существенное увеличение плотности материала (рис. 4а) вызвано прежде всего низким содержанием стеклобоя и гетеродиффузией ионов К+ в стеклах системы Na2O-CaO-SiO2, энергия активация которой еще сильнее повышается из-за высокой вязкости стекломассы.

Вместе с тем примерно одинаковый уровень содержания в базальте и стеклобое ? МеО (Ме = Ca, Mg) (см. табл. 1) при примерно одинаковом соотношении базальта и стеклобоя в шихте обусловливает нивелирование эффекта подавления активности щелочных ионов калия в стекле со стороны групп МеО. Увеличение содержания в пеностекле К2O, вносимого с базальтом, в некоторой степени способствует развитию процесса, сходного уже с самодиффузией ионов К? в системе К2O-CaO -SiO2. Вероятно, этим и объясняется аналогия на ИК-спектрах структуры пеностекол с добавкой гидроксидов NaOH и KOH.

Отмеченное выше сходство структурных изменений в пеностеклах системы «стеклобой-базальт» состава 55% стеклобоя и 45% базальта, выявленных ИК-спектрометрией, можно объяснить выравниванием энергий активации процессов диффузии ионов Na+ и К+ в алюмосиликатном расплаве. А в отношении скорости как само- так и гетеродиффузии ионов Na+ и К+ в стекле данного состава превалирующим оказывается геометрический фактор, т.е. радиус иона. Благодаря меньшему радиусу и большей подвижности иона натрия, процессы обжига и поризации при введении в состав шихты NaOH интенсифицируются, в результате чего становится возможным получение пеностекол с развитой поровой структурой (рис. 5).

Рисунок 5 - Снимок электронной микроскопии пеностекла системы «стеклобой-базальт» состава 55% Сб и 45% Бз при Тобж. = 875 °С с добавкой 10% NaOH (х25)

Весьма интересной является ситуация, когда в поризуемой системе не срабатывают ни геометрический фактор радиуса иона, ни самодиффузия ионов Na+ в стекле системы Na2O-CaO-SiO2. Так, плотность пеностекол системы "стеклобой - базальт" при повышенном содержании стеклобоя (75%), полученных при Тобж. = 860°С, повышается от 630 до 1375 кг/м3, когда вместо 10% КОН сверх массы сухих компонентов вводили 10% NaOH (рис. 4б).

При повышенном содержании в шихте стеклобоя в пеностекле соответственно увеличивается содержание оксидов CaO и MgO. Указанное обстоятельство, вероятно, способствует снижению активности ионов Na+ в родственной им системе и уплотнению материала. Известно, что коэффициент диффузии DNa+ в стеклах системы Na2O-CaO-SiO2 на несколько порядков меньше, чем в стеклах системы Na2O-SiO2.

Расчет изобарно-изотермического потенциала ?G0Т в интервале температур 1100-1200 К показал, что реакция с участием Na2O·Al2O3·6SiO2 и NaOH является энергетически более выгодной (?G0Т = - 1125 ккал/моль), чем реакция с участием К2O·Al2O3·6SiO2 и NaOH (?G0Т = - 480 ккал/моль). Реакция с участием Na2O·3CaO·6SiO2 и NaOH характеризуется ?G0Т = - 38 ккал/моль.

В условиях пассивности первичных ионов Na+, уже находящихся в составе стекла, благодаря подавляющему их активность эффекту со стороны оксидов СаО и МgO возникает возможность процесса, подобного самодиффузии ионов К+ в системе К2O-CaO-SiO2. Повышение активности ионов К+ при увеличении содержания стеклобоя в пеностеклах системы "Сб-Бз" подтверждена ИК-спектрометрией, которая показала, что при введении в систему 10% КОН процесс образования в стекле щелочных силикатов за счет полимеризации SiO4-тетраэдров протекает более активно, чем при введении в систему 10% NaОН, на что указывает значительная разница в интенсивности полосы поглощения при 950 см-1 (рис. 6).



I - с добавкой 10% NaOH; II - с добавкой 10% КОН

Рисунок 6 - ИК-спектры пеностекол системы "стеклобой-базальт" состава 75% Сб и 25% Бз при Тобж. = 860 °С

В результате при введении KOH в систему реагирующих веществ наблюдаем значительное снижение плотности пеностекол (рис. 4б).

Таким образом, нельзя однозначно утверждать, что один вид щелочного компонента способствует только повышению или понижению плотности пеностекла. В зависимости от реализации процессов само- и гетеродиффузии в стекломассе степень влияния того или другого щелочного компонента на поровую структуру и плотность синтезируемых материалов может усиливаться или ослабляться. Причем на способность того или другого щелочного компонента понижать или повышать плотность пеностекол оказывает влияние ряд факторов (содержание стеклобоя, Тобж. и т.д.), варьируя которыми можно получать облицовочные материалы как с пористой, так и с плотной структурой.

В рамках исследований по пеностеклам на основе местных алюмосиликатных пород (перлиты, базальт, нефелиновый сиенит, глины, кварциты, туфы и др.) и стеклобоя отдельный пласт занимают материалы с плотной структурой и высокими физико-механическими свойствами. Если при получении строительных пеностекол основной целевой установкой являлось обеспечение высокопористой структуры, то в настоящей работе составы для получения материалов с плотной структурой, вероятно, следует рассматривать как крайний ряд, когда в шихте до определенных пределов, обеспечивающих оптимальную температуру обжига, минимизированы содержания стеклобоя и (или) щелочного компонента, а сами материалы с плотной структурой следует рассматривать не как отрицательный результат из-за отсутствия в нем визуально видимых макропор, а как возможность получения в рамках технологии пеностекол прочных, влагонепроницаемых облицовочных материалов, варьируя только составом шихты и внося корректировку в аппаратном оформлении. Очевидно, материалы с плотной структурой можно получить с использованием тех же химико-технологических подходов, которые применены в исследованиях пеностекол на основе местных эффузивных пород и стеклобоя (механоактивация, введение щелочного компонента и микродобавок оксидов металлов и т.д.), а также новых неэнерго-затратных методов активации природного сырья. В связи с этим представляло интерес изучение комплексного влияния двухщелочного эффекта, содержания стеклобоя и температуры обжига на свойства ОМППС с улучшенными декоративными свойствами. Математическое планирование эксперимента проводилось с использованием стеклобоя разных цветов (полубелого, зеленого, желтого и синего). В качестве факторов выбраны: z1 - содержание стеклобоя, %; z2 - вид щелочного компонента; z3 - Тобж., °С, а в качестве параметров оптимизации ?, кг/м3 (у1) и Rсж., МПа (у1) материала. Содержание ROH принято на постоянном уровне, равном 10% от массы сухой шихты.

В целях сравнения влияния структуры исходных алюмосиликатных пород на свойства облицовочных материалов условия эксперимента для обеих систем "Сб-Пр" и "Сб-Бз" приняты одинаковыми (табл. 4).

Таблица 4 - Условия эксперимента

Показатель	z1	z2	z3
Основной уровень z0j	65	-	860
Интервал варьирования ? zj:	15	-	15
+1	80	KOH	875
-1	50	NaOH	845

Уравнения регрессии представлены в таблицах 5, 6.

Таблица 5 - Уравнения регрессий свойств ОМППС системы "Сб-Пр"

Цвет стеклобоя	у1 = f(x1,x2 ,x3) / у2 = f(x1,x2 ,x3)
Полубелый	Y1 = 689,9 - 93,4x1 + 120,6x2 - 145,4x3 - 76,7 x1x2 + 191x1x2x3
	Y2 = 7,1 - 0,9 x1 + 1,3x2 - 1,5x3 - 0,8x1x2 + 1,9 x1x2x3
Зеленый	Y1 = 622,8 - 123,4 x1 + 107,6 x2 - 50,6 x3 - - 80,1x1x2 +155 x1x2x3
	Y2 = 6,3 - 2,1 x1 + 1,5 x2 - 0,7 x3 - 1,3 x1x2 + 1,5 x1x2x3
Синий	Y1 = 576,1 - 127,9x1 + 110,1x2 - 58,6x3 - 71,9 x1x2 + 141 x1x2x3
	Y2 = 5,4 - 1,9 x1 + 1,8 x2 - 0,9x3 - 1,1 x1x2 + 1,3 x1x2x3
Желтый	Y1 = 455,5 - 62,3 x1 + 80,8 x2 - 36,3 x3 - - 51x1x2 + 106 x1x2x3
	Y2 = 3,6 - 1,0 x1 + 1,2x2 - 0,96 x1x2 + 0,7 x1x2x3

Таблица 6 - Уравнения регрессий свойств ОМППС системы "Сб-Бз"

Цвет стеклобоя	у1 = f(x1,x2 ,x3) / у2 = f(x1,x2 ,x3)
Полубелый	Y1 = 1165 - 391x1 + 33x2 - 84x3 - 167x1x2 + 69 x1x3 + 88 x2x3 + 362 x1x2x3
	Y2 = 14,5 - 5,7x1 - 1,9 x3 - 2,9 x1x2 + 1,9 x2x3 + 4,8 x1x2x3
Зеленый	Y1 = 1088 - 394x1 + 97x2 - 104x3 - 104x1x2 + 54 x2 x3 + 304 x1x2x3
	Y2 = 13,6 - 6,3x1 + 1,5x2 - 1,7x3 - 1,6x1x2 + 3,9 x1x2x3
Синий	Y1 = 981 - 333 x1 + 52 x2 - 114x3 - 79x1x2 + 21x2 x3 + 281 x1x2x3
	Y2 = 11,8 - 5,4x1 - 1,8x3 - 1,3x1x2 + 3,6 x1x2x3
Желтый	Y1 = 879 - 315 x1 + 45 x2 - 106 x3 - 145 x1 x2 + 48 x1x3 + + 88x2 x3 + 272 x1x2x3
	Y2 = 10,2 - 5,1x1 + 0,7x2 - 1,6x3 - 2,3 x1x2 + 1,4 x2 x3 + 3,5 x1x2x3

Физико-механические свойства ОМППС возрастают при переходе от системы "Сб-Пр" к системе "Сб-Бз", что вызвано известной обусловленностью прочности от плотности материала, а плотности - от параметров решетки породообразующих кристаллов.

В отношении влияния цвета стеклобоя на свойства ОМППС, то физико-механические свойства ОМППС для обеих систем возрастают в ряду цветов стеклобоя: желтый > синий > зеленый > полубелый. Это обусловлено оксидным составом полубелого и цветного стеклобоя: оксидом железа (III) в желтом стеклобое, соединениями кобальта в синем стеклобое, хрома в зеленом стеклобое и наличием в полубелом стеклобое обесцвечивателей с повышенной молекулярной массой.

Условия проведения механоактивации в экспериментах: для Сб - измельчение в шаровой мельнице, для пород - виброизмельчение в течение 5 минут для перлита и 15 минут для базальта (рис. 7).

а) б) в)

Рисунок 7 - Электронно-микроскопические снимки шлифов базальта (а), перлита (б), стеклобоя (в) после измельчения

Указанные режимы приняты на основе исследований структуры АСП и стеклобоя при механоактивации путем определения энергий активаций растворения пород в дистиллированной воде и поризации при обжиге контрольных образцов без механоактивации и образцов, изготовленных с применением механоактивации.

Установлено, что на снижение плотности ОМППС главным образом влияет стеклобой, который, являясь сильнейшим плавнем, может играть роль универсального растворителя, в котором могут быть реализованы процессы высокотемпературного растворения, обмена и т.д. (рис. 8).



I - Сб 50%, Бз 50%, Тобж.= 845 °С; II - Сб 50%, Бз 50%, Тобж.= 875 °С;

III - Сб 80%, Бз 20%, Тобж.= 845 °С; IV - Сб 80%, Бз 20%, Тобж.= 875 °С

Рисунок 8 - Влияние щелочных добавок на плотность ОМППС системы "стеклобой-базальт": ROH 10%; Т= 845 С (а), Т = 875 С (б)

Уплотнение структуры ОМППС системы "стеклобой-базальт" при высоком содержании в составах стеклобоя (рис. 9б) происходит за счет изменения характера диффузии щелочных ионов в стекле в результате двухщелочного эффекта. Причем эта тенденция усиливается при уменьшении в составах содержания щелочного компонента (рис. 4б) и характерна как для пористого, так и для плотного материала.

На рисунках 9, 10 показаны снимки электронной микроскопии ОМППС, которые подтверждают вышесказанное.

а) б)

а - с добавкой 7% NaОН (? = 660 кг/м3); б - с добавкой 7% КОН (? = 570 кг/м3)

Рисунок 9 - Электронная микроскопия ОМППС состава 75% Сб и 25% Бз (Тобж. = 860 °С)

а) б)

а - 10% NaОН (? = 1200 кг/м3); б - 10% КОН (? = 1690 кг/м3)

Рисунок 10 - Электронная микроскопия ОМППС состава 55% Сб и 45% Бз (Тобж. = 860 °С)

С позиций снижения энергозатрат обжига и получения более пористых материалов предпочтительнее использовать стеклобой желтого цвета, а для упрочнения структуры ОМППС - полубелый, зеленый и синий стеклобой. В силу невостребованности цветного стеклобоя при варке строительных стекол их следует рассматривать как оптимальный вид сырья в составах для ОМППС.

Вместе с тем при проектировании составов ОМППС следует учитывать цвет стеклобоя, а следовательно, его химический состав и термическую историю с тем, чтобы заранее выяснить, какую роль будет данный цветной стеклобой играть - плавня или глушителя.

Далее в результате оптимизации составов и режимов получены номограммы зависимости основных физико-механических свойств стекол систем "стеклобой-перлит" и "стеклобой-базальт" от важнейших химико-технологических факторов, с применением которых можно получать ОМППС с заданными свойствами (рис. 11).

а)б)

х1 = -1 (50% Сб), х1 = +1 (80% Сб), х2 = -1 (NaOH), х2 = +1 (КOH)

Рисунок 11 - Изолинии плотности и прочности ОМППС систем "стеклобой-перлит" (а) "стеклобой-базальт" (б) с применением синего стеклобоя в зависимости от факторов х1 и х2 (Т = 860° C)

Далее были проведены исследованию по окрашиванию ОМППС. Установлено, что использование цветного стеклобоя приводит к окрашиванию пеностекол системы "Сб-Пр" в светлые оттенки цветов исходного стеклобоя практически при любых соотношениях стеклобоя и породы и не окрашивает пеностекла системы "Сб-Бз" при повышенном содержании базальта, содержащего оксид железа (II). Поэтому окрашивание пеностекол системы "Сб-Бз" целесообразнее проводить при повышенном содержании в шихте стеклобоя.

На основе анализа информации по окрашиванию стекол и на основании собственных исследований по подбору оксидов некоторых металлов и продукта переработки полиметаллических руд ЦСК было решено декоративные пеностекла светлых и ярких цветов получать на стеклах системы "Cб-Пр", варьируя содержанием таких веществ, как оксид хрома (зеленый цвет), TiO2 (желтый цвет), Fe2O3 и FeO (желто-коричневый), СuО (синий) и т.д. Цинково-свинцовый концентрат вносит в состав стекол сульфиды металлов, как FeS, PbS, ZnS и MnS, которые в зависимости от количества ЦСК в составах придают стеклам темные тона, вплоть до черного цвета.

Окраска ОМППС производилась путем добавки в стекломассу ионных красителей, образующих в стекле с кремниевой кислотой окрашенные соли или силикаты. Соединение белых и цветных лучей, отраженных глушеным стеклом, которое имеет место при окрашивании материалов, склонных к глушению, обусловливает отличие цвета глушеного и прозрачного стекол, окрашенных тем же красителем. При окрашивании глушеного стекла потребуется больше красителя, чем для прозрачного стекла. Для получения стекол с высоким светопропусканием необходимо максимально снизить в нем содержание железа, и кроме того, остаток железа в стекле должен быть по возможности трехвалентным. Содержание микродобавок в зависимости от степени требуемой интенсивности окраски, а также из экономических соображений установлено на уровне 0,5-1,5 мас. %.

Также установлено, что объемное окрашивание материалов с плотной структурой (? ? 900?1600 кг/м3) затруднено для обеих систем ввиду высокой вязкости расплава. Это обусловило выбор более эффективного метода нанесения на образец-сырец суспензий из стеклобоя, перлита и базальта с микродобавками оксидов и ЦСК, которые при обжиге превращаются в стекловидное покрытие.

При получении ОМППС происходит самоглазурование свободных поверхностей с образованием водонепроницаемой корки, что связано с миграцией щелочи на поверхность изделия, которая при обжиге оплавляется и формирует глазурное покрытие. В отличие от самоглазурующихся керамических плиток самоглазурующиеся ОМППС обладают высокопористой структурой, а следовательно, повышенными теплоизоляционными свойствами. Самопроизвольное самоглазурование синтезируемых изделий позволяет создавать облицовочные материалы с защищенной поверхностью. Причем эта поверхность, благодаря химическому сродству с веществом основного массива, а следовательно, малому отличию коэффициента термического расширения будет способствовать повышению показателей эксплуатационных свойств ОМППС и надежно защищать облицовочный материал от воздействия таких факторов, как перепад температуры, влаги и т.д.

В четвертой главе определены физико-технические свойства ОМППС: средняя плотность, прочность при сжатии, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и химическая устойчивость.

Коэффициент теплопроводности пеностекла определен электронным измерителем теплопроводности ИТП - МГ4 согласно ГОСТ 22024-76.

Основные свойства ОМППС приведены в таблице 7.

Таблица 7

Таблица 7.- Физико-технические свойства ОМППС на основе алюмосиликатных пород и стеклобоя	Цвет стекла	желтый	Сб-бз.	442-1397	3.4-18.3	8 -10	0.11-0.31	Не менее 25
			Сб-пр.	350-684	1.7-7.1	10 - 11	0.10-0.13	Не менее 25
		синий	Сб-бз.	456-1468	3.5-19.6	8 - 9	0.11-0.35	Не менее 25
			Сб-пр.	351-938	1.7-11.2	9 - 11	0.10-0.20	Не менее 25
		зеленый	Сб-бз	573-1667	5.2-22.8	7 - 9	0.11-0.42	Не менее 25
			Сб-пр.	401-967	3.1-11.6	9 - 10	0.11-0.27	Не менее 25
		белый	Сб-бз	663-1774	6.8-24.0	6 - 8	0.13-0.45	Не менее 25
			Сб-пр	419-1162	4.3-12.0	8 - 10	0.12-0.42	Не менее 25
	Составы Свойства	Средняя плотность, кг/м3	Предел прочности при сжатии, МПа	Водопоглощение, мас. %	Коэффициент теплопроводности Вт/м ?С	Морозостойкость, циклы

Водоустойчивость пеностекол определяли методом по ГОСТ [81]. Образцы пеностекол помещали в колбу с дистиллированной водой вместимостью 150 мл, накрывали металлической сеткой во избежание всплывания и кипятили в течение 1 ч с обратным холодильником, затем определяли потери массы. Точность эксперимента составляла 0,3 - 0,4%.

Оставшийся после кипячения раствор подвергали титрованию 1-нормальным раствором HCl и анализировали содержание в нем Na+. По количеству перешедших в раствор ионов Na+ по шкале ГОСТа были определены III, IV классы гидролитической устойчивости пеностекол.

По химическому составу определены значения термостойкости стекол. Наилучшим с позиций повышения термостойкости пеностекол системы "стеклобой-перлит" является сочетание перлита со стеклобоем полубелого цвета (?t = 73 °C). Расчет с помощью парциальных коэффициентов (метод Такахаши) показал, что для пеностекол системы "стеклобой-базальт" КТЛР стекол понижается с увеличением содержания в шихте базальта, что связано с ростом содержания оксида алюминия (III), поставляемого этой породой. Благодаря этому, пеностекла с использованием стеклобоя и базальта отличаются меньшими показателями КТЛР по сравнению с пеностеклами системы "стеклобой-перлит". Водопоглощение материалов осуществляли путем кипячения в течение 2ч в соответствии с ГОСТ 12730.3-78. Показатель водопоглощения связан с открытой пористостью и может служить косвенным методом оценки поровой структуры синтезированных материалов. Полный объем пор в синтезированных ОМППС находится в пределах 70…85% для диапазона плотности 300…700 кг/м3 и 50 - 70% для диапазона плотности 700 - 1650 кг/м3. Далее проводилась оценка условно-замкнутой пористости материалов на водонасыщенных образцах, которая показала, что в синтезированных материалах превалируют замкнутые поры. Вместе с тем наличие стекловидной корки на поверхности образцов не позволяет получить полную картину водонасыщения, и это, несомненно, должно быть учтено при окончательной оценке характера пористости в материале. Для определения морозостойкости увлажненные образцы подвергались многократному замораживанию и оттаиванию по методике для стеновых материалов согласно ГОСТ 70225-78.

Облицовочный материал можно выпускать в виде плит размером от 150х150 до 450х450 мм толщиной до 40 мм при изготовлении облицовочных материалов с пористой структурой. Пористая тыльная поверхность пеноблоков способствует хорошему сцеплению с кладочным раствором.

В пятой главе приведены результаты лабораторных испытаний и рекомендации по аппаратному оформлению технологической линии и организации производства с учетом технико-экономических показателей. На основании проведенных исследований разработана технологическая схема производства облицовочных материалов с пористой и плотной структурой в диапазоне ? = 300-1200 кг/м3 и Rсж. = 1,5-12 МПа на основе композиций из перлитовой породы и стеклобоя и в диапазоне ? = 400-1650 кг/м3 и Rсж. = 3,5-22 МПа на основе композиций из базальтовой породы и стеклобоя.

Результаты исследований опробованы в производственных условиях ООО "Экодом" в г. Улан-Удэ, где была выпущена партия плит размером 250х250х50 мм, которые соответствовали требованиям ТУ.

Технико-экономические расчеты показали, что применение разработанных составов и предлагаемых технических решений позволит создать промышленное производство эффективных облицовочных плит.

Эффективность производства также обусловлена использованием неэнергозатратного способа управления структурой и свойствами синтезируемых материалов. Относительная простота технологии получения, возможность варьирования свойств ОМППС в широком диапазоне, улучшение декоративных свойств материалов позволяют считать полученные материалы перспективными и инвестиционно - привлекательными декоративно-отделочными материалами. Значительный эффект может быть также получен при использовании высокопористых ОМППС в качестве облицовочных теплоизоляционных материалов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ по результатам работы

1. На основе нанотехнологического подхода обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения обжиговых облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой за счет двухщелочного эффекта, возникающего при внедрении в стекла алюмосиликатной системы ионов щелочных металлов различного спектра действия.

2. Экспериментально установлено, что при синтезе пеностекол системы "алюмосиликатная порода - стеклобой", наряду с механоактивацией исходного сырья, на структуру и свойства пеностекол существенное влияние оказывает количество щелочного компонента и соотношение NaOH/KOH. При этом показано, что пеностекло можно использовать как модельную систему для получения в условиях единой технологии облицовочных материалов плотной структуры с высокими физико-механическими свойствами.

3. На пеностеклах модельных систем "стеклобой-перлит" и "стеклобой-базальт" изучены процессы диффузии ионов Na+ и K+ в алюмосиликатном стекле, которые обусловливают поровую структуру и свойства синтезируемых материалов. Установлено, что в стеклах системы "стеклобой-перлит" в области температур обжига возникают условия для самодиффузии ионов Na+ в родственной им системе, что вызвало активизацию поризации и снижение плотности пеностекол на 40% по сравнению с ионами K+, которые находятся в состоянии гетеродиффузии. Повышение плотности пеностекол в случае использования калиевой щелочи вызвано более высокой энергией активации гетеродиффузии ионов K+ по сравнению с энергией активации самодиффузии ионов Na+, а также размером радиуса иона калия, большего, чем у иона натрия, и как следствие меньшей его подвижностью.

4. Также установлено, что в стеклах системы «стеклобой-базальт» в области температур обжига наряду с вышеуказанными процессами при определенных условиях возможно выравнивание энергий активации диффузии ионов Na+ и К+ в алюмосиликатном расплаве. Это подтверждено сходством характеристических полос на ИК-спектрах пеностекол состава 55% стеклобоя и 45% базальта при введении в систему KOH и NaOH. В этих условиях кинетика диффузии ионов Na+ и К+ в стекле предопределяется геометрическим фактором радиуса иона. Поэтому при введении NaOH в систему процессы обжига и поризации интенсифицируются, в результате чего плотность пеностекол составила 635 кг/м3, а плотность невспученного стекла, полученного при введении в систему КОН 1350 кг/м3.

5. Установлено, что на характер диффузии ионов натрия и калия в стекле влияют оксиды СаО и MgO, вносимые с сырьевыми компонентами, главным образом со стеклобоем. С увеличением содержания оксидов СаО и MgO в стекле происходит снижение активности ионов Na+, вследствие чего синтезируемый материал при использовании NaOH уплотняется и приобретает структуру стеклокерамики. Повышенная активность ионов К+ в тех же условиях и значительное снижение плотности поризуемых материалов при ведении в систему KOH вызваны развитием процесса, подобного самодиффузии ионов К+ в родственной им системе.

6. На основании выявленной роли эффекта двух щелочей в формировании структуры и свойств пеностекол, микродобавок-красителей в повышении декоративных свойств с использованием белого и цветного стеклобоя в сочетании их с механоактивированной алюмосиликатной породой (перлит, базальт) в условиях низкотемпературного обжига получены: декоративные теплоизоляционные пеностекла со средней плотностью 300-725 кг/м3 и прочностью при сжатии 1,5-7,5 МПа и облицовочные плиты со средней плотностью 700-1650 кг/м3 и прочностью при сжатии 3,5-22,0 МПа.

...