Шихта для изготовления пеностекла

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано в строительной индустрии как легкий строительный и акустическо-декоративный материал. Техническим результатом является повышение звукопоглощающих свойств, снижение водонасыщения и объемной массы изделий из пеностекла. Шихта для изготовления пеностекла, включающая стекло и карбонатный газообразователь, дополнительно содержит карбонатную крупку с размером частиц 0,5-2,5 мм и оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбонатный газообразователь 0,5-5,0, карбонатная крупка 1,0-10,0, оксид железа 0,5-7,0, стекло остальное. 1 табл.

 

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано в строительной индустрии как легкий строительный и акустическо-декоративный материал.

Известны шихты для получения пеностекла, содержащие, мас.%: азотнокислый натрий 3,0...5,0; стекло - остальное, позволяющие получать пеностекла с сообщающимися порами [1].

Наиболее близкой к предлагаемой является шихта для изготовления пеностекла, содержащая, мас.%: карбонатный газообразователь - 0,5...1,0, стекло - остальное.

В качестве карбонатного компонента используют материалы, содержащие карбонаты кальция, известняк, мрамор.

В качестве стекольного компонента используют, в частности, отходы стекольного производства, бой тарного и листового стекла, грануляты и др. Этот компонент состоит из оксидов SiO₂, Fe₂О₃, CaO, MgO и др. в стеклообразном связанном состоянии [2].

Получается пеностекло белого цвета с сообщающимися порами. Тонкая диспергация шихты (удельная поверхность 400...500 м²/кг) обеспечивает однородность и мелкую пористость структуры.

Недостатком этих шихт является недостаточно высокие звукопоглощающие свойства, повышенные водонасыщение и объемная масса изделий, полученных на их основе.

Техническим результатом изобретения является: повышение звукопоглощающих свойств, снижение водонасыщения и объемной массы изделий из пеностекла.

Это достигается тем, что шихта для изготовления пеностекла, включающая стекло и карбонатный газообразователь, дополнительно содержит карбонатную крупку с размером частиц 0,5...2,5 мм и оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбонатный газообразователь	0,5...5,0
карбонатная крупка	1,0...10,0
оксид железа	0,5...7,0
стекло	остальное.

Повышение звукопоглощающих свойств, снижение водонасыщения и объемной массы пеностекла, изготовленного из сырьевой шихты с дополнительным введением карбонатной крупки с размером частиц 0,5...2,5 мм и оксида железа, основано на особенностях процессов физического и физико-химического характера, происходящих при помоле и нагреве шихты.

В процессе приготовления сырьевой шихты в результате совместного помола стекла и карбонатного газообразователя происходит существенное увеличение поверхностей контакта между реагирующими материалами.

При нагреве шихты происходит сначала размягчение частиц стекла (600...620°С), затем спекание частиц - образование стекломассы и образование дополнительных контактирующих поверхностей. При 620°С и выше активируются окислы стекла, в частности окись кремния вступает в реакцию замещения с карбонатным компонентом шихты (СаСО₃+SiO₂→CaO SiO₂+СО₂↑), т.е. наблюдается выделение газа, при этом формируются наиболее мелкие поры пеностекла, т.к. здесь реакция идет между наиболее тонкодисперсными компонентами.

Далее при повышении температуры начинаются реакции разложения более крупных карбонатных частиц (СаСО₃→CaO+СО₂↑), которые, в основном, и формируют внутреннюю структуру массива получаемого пеностекла.

Пеностекло, полученное из шихты, описанной в прототипе, состоит из мелких одинаковых пор, при этом звукопоглощающая способность плит из такого пеностекла невысока, большая степень отражения звуковых волн, что существенно ухудшает акустический режим защищаемых от звука помещений.

Дополнительное введение в состав готовой шихты карбонатной крупки с размером частиц 0,5...2,5 мм в количестве 1,0...10,0 мас.% позволяет создать в массиве пеностекла дополнительную систему пор эллипсной формы с стеклованными стенками, причем часть эллипсных пор будет открыта. Система эллипсных пор создает внутренние резонансные поверхности и экраны, способствующие изменению направления прохождения звуковых волн, изменению их частоты и более эффективному поглощению звука.

Улучшение звукопоглощающих характеристик также объясняется тем, что звукопоглощение в получаемых пеностеклах происходит и за счет увеличения поверхности звукопоглощения, т.к. часть эллипсных пор открыта в сторону источника звука. Поэтому получаемые пеностекла, обработанные в виде плитки, рекомендуется располагать на поверхности звукоизолируемых помещений таким образом, чтобы звуковые волны проходили параллельно большей оси эллипсообразных пор. При этом поглощение звуковых волн будет происходить наиболее эффективно за счет увеличенной поверхности звукопоглощения и существенного уменьшения отраженного звука.

Введение в шихту карбонатной крупки с размером частиц 0,5...2,5 мм в количестве 1,0...10,0 мас.% резко повышают реакционную способность сырьевых шихт, углекислый газ выделяется из крупки во время, когда стекло имеет оптимальную вязкость (3-10³ Па·с), поверхностное натяжение близко к 3,5·10^-3 Н/ м, появляется возможность получения пеностекол с пониженной объемной массой.

Возможность получения пор эллипсообразной формы с остеклованными стенками из опубликованной на сегодняшний день научно-технической литературы спрогнозировать было невозможно, авторами это было выявлено экспериментально.

В качестве карбонатной крупки можно использовать мел, доломит, мрамор, известняк, т.е. те же газообразователи, что использованы при приготовлении основной пеностекольной шихты.

Размер крупки 0,5...2,5 мм ограничивается в связи с тем, что при использовании более мелкой фракции нельзя добиться желаемого эффекта, т.к. образующиеся поры имеют малые размеры и сферическую форму - это существенно снижает эффект звукопоглощения (шихта 4). Использовать крупку размером более 2,5 мм также нецелесообразно, т.к. поры имеют слишком большую длину, что также отрицательно сказывается на звукоизолирующих свойствах (шихта 5).

Получение высокоактивных сырьевых шихт с карбонатной крупкой путем загрубленного помола материала при их совместном помоле не дает положительного результата, т.к. приводит к недостаточно равномерному распределению газообразователя со стеклом, что вызывает резкое снижение реакционной способности, увеличение объемной массы пеностекла и не позволяет получить материал с заданными свойствами.

В процессе декарбонизации карбонатной составляющей шихты пеностекла и карбонатной крупки в пеностекле остаются свободные оксиды кальция и магния. Для связывания этих продуктов реакций в легкоплавкие соединения сырьевая шихта дополнительно содержит оксид железа (Fe₂O₃) в свободном состоянии в количестве 0,5...7,0 мас.%. По результатам рентгенофазового анализа этот компонент эффективно связывает образующиеся оксиды кальция и магния при температурах вспенивания пеностекла в соединения типа СаО·Fe₂О₃, 2CaO·Fe₂O₃ и др. При этом полученные пеностекла отличаются стеклованными стенками пор, что свидетельствует о повышенном содержании стеклофазы; в результате этого водонасыщение таких образцов в 6...7 раз ниже (шихта 1).

Практика, подтвержденная стехиометрическими расчетами, показывает, что содержание оксида железа в свободном состоянии должно быть на 30...50 мас.% меньше, чем карбонатной крупки, которая добавляется в сырьевую шихту для формирования особой пористой структуры. Использовать шихты с содержанием карбонатной крупки более 10 мас.%, карбонатного газообразователя более 5 мас.% и оксида железа более 7 мас.% нецелесообразно, т.к. при этом уменьшается доля стекла в шихте, а выделяющаяся большая масса газов нарушает герметичность пор, что отрицательно сказывается на звукопоглощающих свойствах и увеличивает водонасыщение получаемого материала (шихта 2). Использовать шихты с содержанием карбонатной крупки менее 1 мас.%, карбонатного газообразователя менее 0,5 мас.% и оксида железа менее 0,5 мас.% также нецелесообразно, т.к. при этом увеличивается объемная масса пеностекла и ухудшаются звукоизолирующие показатели (шихта 3).

Хорошо вспененное пеностекло обладает высокими эксплуатационными характеристиками, при этом, в зависимости от содержания в шихте оксидов железа, цвет можно варьировать от светло-розового до красновато-коричневого и вишневого. При использовании шихты с оптимальным составом компонентов (шихта 1) получено пеностекло с прочностью на сжатие 6,2 МПа, хорошими теплоизоляционными характеристиками.

Для оценки звукоизолирующих свойств получаемых пеностекол использована стандартная установка, состоящая из генератора звуковых волн и звукоприемника. Индекс изоляции воздушного шума оценивался по СниП 11-12-77 путем измерения степени поглощения звуковых волн нормативных частот (63,125, 250, 500, 1000, 2000,4000 и 8000 Гц).

Пример получения пеностекла.

Сырьевой базой для получения пеностекла являются отходы стекольной промышленности, бой тарного и листового стекла, бой ампульного и кинескопного стекла и др.

Стеклобой и карбонатный газообразователь (в нашем случае - мел Шебекинского месторождения) после щековой дробилки известным способом (см. [2], стр.153-155) дозируют, смешивают с оксидом железа, загружают в мельницу и мелят до удельной поверхности 400...450 м³/кг. Молотую шихту выгружают из мельницы и смешивают в смесителе с отсеянной крупкой мела до равномерного распределения компонентов. Крупку получают путем отсева фракции размером 0,5...2,5 мм на ситах дробленого мела. Полученную смесь загружают в металлические формы и обжигают при температуре вспенивания 780...840°С. Скорость нагрева до температуры вспенивания составляет 400...450°С/ч. Выдержка при конечной температуре 0,35...0,40 ч. Вспененный материал охлаждают 12...14 ч.

В таблице приведены конкретные составы пеностекла и его свойства. Как видно из таблицы, изготовление пеностекла с дополнительным использованием карбонатной крупки и оксида железа позволяет получать облегченный материал с высокими звукопоглощающими свойствами и пониженным водонасыщением. Кроме того, полученные образцы обладают значительно улучшенными декоративными характеристиками. Это позволяет расширить область применения такого пеностекла в строительстве за счет использования его как легкого строительного и акустическо-декоративного материала для внешней и внутренней облицовки зданий.

Используемая литература

1. Китайцев В.А. Технология теплоизоляционных материалов. - М.: Стройиздат, 1964, с.148-154.

2. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1989, с.171-174.

Шихта для изготовления пеностекла, включающая стекло и карбонатный газообразователь, отличающаяся тем, что, с целью повышения звукопоглощающих свойств, снижения водонасыщения и объемной массы, она дополнительно содержит карбонатную крупку с размером частиц 0,5...2,5 мм и оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбонатный газообразователь	0,5 - 5,0
Карбонатная крупка	1,0 - 10,0
Оксид железа	0,5 - 7,0
Стекло	Остальное