Применение техногенного сырья в процессе синтеза пеностекла с гетерогенной микроструктурой

Введение. Теплоизоляционные материалы, включая пеностекло, применяются для снижения теплопотерь в зданиях. Пеностекло обладает низкой теплопроводностью, высокой прочностью и экологической безопасностью. Исследования ученых, в том числе И.И. Китайгородского и Б.К. Демидовича, направлены на контроль процесса синтеза пеностекла и регулирование процесса кристаллизации. Снижение стоимости пеностекла возможно путем использования отходов промышленного производства. На примере золошлаковых отходов электрической станции в Ростовской области исследована возможность их повторного применения при получении пеностекла.

Материалы и методы. Изучение состава шихты пеностекла включает подготовку сырья, формовку и обжиг. Исследования структуры проводились с помощью автоматического дифрактометра, микротомографа и растрового электронного микроскопа. Проведены испытания свойств образцов пеностекла, таких как теплопроводность, прочность, плотность и воздействие нагрузки.

Результаты. Состав сырьевых материалов для пеностекла: стеклобой, золошлаковая смесь и Na2B4O7·10H2O. Синтез пеностекла осуществлялся с использованием антрацита, диоксида циркония, оксида хрома и оксида магния. Исследования показали образование кристаллических фаз в аморфном каркасе пеностекла. Подтверждено наличие кварца, пироксена, кристобалита, эсколаита и волластонита в составе пеностекла.

Выводы. Разработаны составы шихты и технологический режим синтеза, получены 9 модификаций пеностекла с равномерной пористой структурой и различным содержанием кристаллических фаз. Кристаллические включения расположены равномерно. В роли центров кристаллизации выступают присутствующие в сырьевых компонентах кристаллические фазы (в составе золошлаковой смеси) и дополнительные инициаторы кристаллизации (оксид хрома, диоксид циркония и оксид магния). Показано соответствие свойств пеностекла требованиям стандарта.

1. Китайгородский И.И., Кешишян Т.Н. Пеностекло. М. : Промстройиздат, 1953. 80 с.

2. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск : Наука и техника, 1972. 301 с.

3. Manevich V.E., Subbotin K.Yu. Foam glass and problems of energy conservation // Glass and Ceramics. 2008. Vol. 65. Issue 3–4. Pp. 105–108. DOI: 10.1007/s10717-008-9026-1

4. Кетов A.A., Конев A.B., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Тенденции развития технологии пеностекла // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 28–31. EDN IBEQAZ.

5. Минько Н.И., Пучка О.В. Основные направления развития технологии производства и применения пеностекла // Строительные материалы. 2007. № 5. С. 97–100. EDN HZZITZ.

6. Spiridonov Y.A., Orlova L.A. Problems of foam glass production // Glass and Ceramics. 2003. Vol. 60. Issue 9/10. Pp. 313–314. DOI: 10.1023/B:GLAC.0000008234.79970.2c

7. Кетов A.A. Нанотехнологии при производстве пеностеклянных материалов нового поколения // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2009. Т. 1. № 3. С. 15–23. EDN KYVQAD.

8. Дамдинова Д.Р., Хардаев П.К., Карпов Б.А., Зонхиев М.М. Технологические подходы к получению пеностекол с регулируемой поровой структурой // Строительные материалы. 2007. № 3. С. 68–70. EDN HZITJV.

9. Шелковникова Т.И., Баранов Е.В. Исследование влияния теплотехнических факторов на процесс формирования структуры пеностекла // Огнеупоры и техническая керамика. 2006. № 10. С. 21–24. EDN NUXDCN.

10. Kaz’mina O.V., Vereshchagin V.I., Abiyaka A.N., Mukhortova A.V., Popletneva Yu.V. Temperature regimes for obtaining granular material for foamed crystal glass materials as a function of the batch composition // Glass and Ceramics. 2009. Vol. 66. Issue 5–6. Pp. 179–182. DOI: 10.1007/s10717-009-9160-4

11. Kaz’mina O.V., Vereshchagin V.I., Abiyaka A.N. Assessment of the compositions and components for obtaining foam-glass-crystalline materials from aluminosilicate initial materials // Glass and Ceramics. 2009. Vol. 66. Issue 3–4. Pp. 82–85. DOI: 10.1007/s10717-009-9133-7

12. Shutov A.I., Yashurkaeva L.I., Alekseev S.V., Yashurkaev T.V. Study of the structure of foam glass with different characteristics // Glass and Ceramics. 2007. Vol. 64. Issue 9–10. Pp. 297–299. DOI: 10.1007/s10717-007-0074-8

13. Федосов С.В., Баканов М.О. Совершенствование технологии получения пеностекла на основе методов сетевого моделирования // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 11. С. 1551–1563. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.11.1551-1563. EDN LSLSDF.

14. Федосов С.В., Баканов М.О. Пеностекло: особенности производства, моделирование процессов теплопереноса и газообразования // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 108–113. EDN TLLYXB.

15. Sha B., Xiong H., Zheng H., Yuan K., Wen M., Zhang Y. Analysis of the temperature field and deformation characteristics of foam glass thermal insulating decorative integrated board system // Case Studies in Thermal Engineering. 2022. Vol. 38. P. 102299. DOI: 10.1016/j.csite.2022.102299

16. Méar F.O., Podor R., Lautru J., Genty S., Lebullenger R. Effect of the process atmosphere on glass foam synthesis: A high-temperature environmental scanning electron microscopy (HT-ESEM) study // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Issue 18. Pp. 26042–26049. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.06.010

17. König J., Petersen R.R., Iversen N., Yue Y. Application of foaming agent–oxidizing agent couples to foamed-glass formation // Journal of Non-Crystalline Solids. 2021. Vol. 553. P. 120469. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2020.120469

18. Song H., Chai C., Zhao Z., Wei L., Wu H., Cheng F. Experimental study on foam glass prepared by hydrothermal hot pressing-calcination technique using waste glass and fly ash // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Issue 20. Pp. 28603–28613. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.07.019

19. König J., Lopez-Gil A., Cimavilla-Roman P., Rodriguez-Perez M.A., Petersen R.R., Østergaard M.B. et al. Synthesis and properties of open- and closed-porous foamed glass with a low density // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 247. P. 118574. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118574

20. König J., Nemanič V., Žumer M., Petersen R.R., Østergaard M.B., Yue Y. et al. Evaluation of the contributions to the effective thermal conductivity of an open-porous-type foamed glass // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 214. Pp. 337–343. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.109

21. Couto da Silva R., Neves Puglieri F., Maria de Genaro Chiroli D., Antonio Bartmeyer G., Toniolo Kubaski E., Mazurek Tebcherani S. Recycling of glass waste into foam glass boards: A comparison of cradle-to-gate life cycles of boards with different foaming agents // Science of the Total Environment. 2021. Vol. 771. P. 145276. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.145276

22. Li J., Zhuang X., Monfort E., Querol X., Llaudis A.S., Font O. et al. Utilization of coal fly ash from a Chinese power plant for manufacturing highly insulating foam glass: Implications of physical, mechanical properties and environmental features // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 175. Pp. 64–76. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.04.158

23. König J., Petersen R.R., Iversen N., Yue Y. Suppressing the effect of cullet composition on the formation and properties of foamed glass // Ceramics International. 2018. Vol. 44. Issue 10. Pp. 11143–11150. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.03.130

24. Østergaard M.B., Cai B., Petersen R.R., König J., Lee P.D., Yue Y. Impact of pore structure on the thermal conductivity of glass foams // Materials Letters. 2019. Vol. 250. Pp. 72–74. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.04.106

25. Østergaard M.B., Petersen R.R., König J., Bockowski M., Yue Y. Impact of gas composition on thermal conductivity of glass foams prepared via high-pressure sintering // Journal of Non-Crystalline Solids: X. 2019. Vol. 1. P. 100014. DOI: 10.1016/j.nocx.2019.100014

26. Østergaard M.B., Zhang M., Shen X., Peter-sen R.R., König J., Lee P.D. et al. High-speed synchrotron X-ray imaging of glass foaming and thermal conductivity simulation // Acta Materialia. 2020. Vol. 189. Pp. 85–92. DOI: 10.1016/j.actamat.2020.02.060

27. Ewais E.M.M., Attia M.A.A., El-Amir A.A.M., Elshenway A.M.H., Fend T. Optimal conditions and significant factors for fabrication of soda lime glass foam from industrial waste using nano AlN // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 747. Pp. 408–415. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.03.039

28. Fang X., Li Q., Yang T., Li Z., Zhu Y. Preparation and characterization of glass foams for artificial floating island from waste glass and Li2CO3 // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 134. Pp. 358–363. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.048

29. Petersen R.R., König J., Iversen N., Østergaard M.B., Yue Y. The foaming mechanism of glass foams prepared from the mixture of Mn3O4, carbon and CRT panel glass // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Issue 2. Pp. 2839–2847. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.09.138

30. Souza M.T., Maia B.G.O., Teixeira L.B., de Oliveira K.G., Teixeira A.H.B., Novaes de Oliveira A.P. Glass foams produced from glass bottles and eggshell wastes // Process Safety and Environmental Protection. 2017. Vol. 111. Pp. 60–64. DOI: 10.1016/j.psep.2017.06.011

31. Taurino R., Lancellotti I., Barbieri L., Leonelli C. Glass-ceramic foams from borosilicate glass waste // International Journal of Applied Glass Science. 2014. Vol. 5. Issue 2. Pp. 136–145. DOI: 10.1111/ijag.12069

32. Грушко И.С. Влияние технологических добавок на структуру пеностекла // Строительные материалы. 2022. № 4. С. 44–49. DOI: 10.31659/0585-430X-2022-801-4-44-48. EDN MDHJFU.