РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СИТАЛЛИЗИРОВАННОГО СТЕКЛОМАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПОЗИТА

Главными тенденциями современного строительства являются энергетическая эффективность, экологичность и эстетичность возводимого здания. Для реализации этих тенденций разработано множество вариантов многослойных конструкций (композиционных материалов, композитов), в которых внутренний теплоизоляционный слой находится между наружными декоративными слоями, выполняющими также функцию защиты внутреннего слоя. Чаще всего в качестве декоративных слоев применяются листы металла различной формы либо керамическая плитка.

Целью исследования было разработать вариант декоративного слоя, который бы не уступал аналогам по уровню свойств и обладал сравнительно низкой ценой. В качестве такого аналога были выбраны ситаллы на основе золошлаковых отходов ТЭС.

Ситаллы – это стеклокристаллические материалы, полученные объѐмной кристаллизацией стекол, и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределѐнных в стекловидной фазе. Ситаллы обладают высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твердостью, жаропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими ценными свойствами, за счет чего являются перспективными строительными и конструкционными материалами.

Синтез ситаллов (как и прочих стекломатериалов [1, с. 3]) может осуществляться на основе как стекол, так и других силикатных материалов, например, золошлаковых смесей, образующихся при сжигании твердого топлива на тепловых станциях. Данные исследования проводились на золошлаковых отходах Новочеркасской ГРЭС. Для синтеза ситаллизированного компонента были применены золошлаковые смеси следующих составов (Табл.1).

   Таблица 1

Шихтовые составы стекол для синтеза ситаллов

Как известно [2, с. 391], получение ситаллов включает в себя две стадии:

-   получение стекла при температуре плавления 1500 °С;

-      ситаллизация стекла, т.е. двухступенчатая тепловая обработка при установленных температурах кристаллизации фаз.

Тепловую обработку проводили в интервале температур от 700°С до 1000°С с шагом 100°С с общей выдержкой 2 часа. Кристаллизационную способность синтезированных стекол исследовали в муфельной печи. Оценка способности к кристаллизации стекол оценивалась визуально по 6-ти балльной шкале. Результаты представлены в Табл.2.

Свойства ситалла предопределяются фазовым составом и микроструктурой составляющих его компонентов. В ситалле роль стеклофазы  заключается в связке кристаллических фаз, формируя ситалл  как плотный конгломерат. Кроме того, свойства ситалла определяющим образом зависят от микроструктуры как самого ситалла, так и отдельных его фаз.

Как видно из Табл.2, степень кристаллизации в значительной степени зависит от температуры тепловой обработки и от вида и количества кристаллических фаз и стеклофазы. Минералогический (фазовый) состав определяли методом рентгенофазового анализа (РФА).

В образце СМ-3 были обнаружены следующие кристаллические фазы: авгит; диопсид; γ–тридимит; в образце СМ-4 – геденбергит; авгит; однокальциевый диалюминат. Присутствующие кристаллические фазы определяют прочность ситаллов.

Свойства ситаллов в значительной степени зависят от соотношения «кристаллическая фаза : стеклофаза» (К:С) и микроструктуры. Были проведены исследования структуры образцов СМ-3 и СМ-4 методом электронно- микроскопического анализа (ЭМА) с увеличением в диапазоне от 5000 до 27000.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к различным ситаллам, они формируются направленной кристаллизацией с размером кристаллов около 1 мкм. Не допускается крупнокристаллическая микроструктура. Полученные ситаллы полностью отвечают этому требованию, что убедительно доказывают результаты их исследований методом электронной микроскопии при различном увеличении.

Таким образом, как по кристаллизационной способности, так и по соотношению кристаллических фаз, определенных РФА, полученные образцы на основе золошлаковых отходов СМ-3 и СМ-4 полностью отвечают по микроструктуре и составу фаз ситаллам.

Полученные ситаллы, как и прочие строительные материалы, характеризуются совокупностью свойств: пределом прочности на сжатие, на изгиб; морозостойкостью; теплопроводностью, стойкостью к агрессивным средам.

Безусловно, важнейшим  свойством  ситаллов конструкционного  типа  являются пределы прочности на сжатие и изгиб, которые зависят от соотношения К:С, а также от плотности, определенной согласно ГОСТ 9553-74.      Полученные значения плотности явились достаточными для обеспечения прочности. Испытания по определению пределов прочности при сжатии и изгибе образцов СМ-3 и СМ-4 проводились согласно ГОСТ 8462- 85.

Морозостойкость ситалла как компонента композита строительного назначения играет важную роль и зависит от структуры синтезированного материала, наличия или отсутствия сообщающихся и открытых пор.

После проведения 100 циклов попеременного замораживания/оттаивания, согласно ГОСТ Р ЕН 12091-2010, видимых разрушений и дефектов у образцов СМ-3 и СМ-4 не наблюдалось.

Ситалл как компонент композита, находящийся с его внешней стороны предназначен для защиты от внешних воздействий, в том числе от возможных реакций с агрессивными средами, поэтому значения щелочестойкости и кислотостойкости также являются важными параметрами. Щелочестойкость образцов СМ-3 и СМ-4 определялась в 35%-ной NaOH, кислотостойкость – в 96%-ной H2SO4.

Таким образом, синтезированные ситаллы составов СМ-3 и СМ-4 соответствуют вышеуказанным требованиям свойств и имеют следующие значения, обеспечивающие необходимые физико-технические свойства теплоизоляционному композиту (Табл.3).

Таблица 3 

Физико-технические свойства образцов СМ-3 и СМ-4

Из Табл.3 видно, что полученные материалы по совокупности свойств превосходят аналоги, например, керамическую плитку. Кроме того, за счет замены 85-90% основного сырья золошлаковыми отходами, цена данного материала также значительно ниже аналогов.

Таким образом, разработанная технология синтеза ситаллизированных стекломатериалов на основе золошлаковых отходов для применения в строительной промышленности является весьма перспективной. Полученные материалы обладают высокими показателями физико-механических свойств и низкой стоимостью за счет замены исходных сырьевых материалов на отходы.

Работа выполнена в ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Соглашение №14.574.21.0124 (RFMEFI57414X0124).

Список литературы

1.     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. - Т. 70. - № 1-2. - С. 3-6.

2.     Павлушкин Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов. – М.: Стройиздат, 1983. - 432 с.