Исследование общих закономерностей синтеза пористых материалов на основе природного и техногенного силикатного сырья

Повышение энергетической эффективности жилищного строительства за счет минимизации тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений – один из важнейших путей экономии топливно-энергетических ресурсов. Одна из мер снижения энергоемкости – повышение энергетической эффективности гражданского и промышленного строительства, за счет разработки и применения в ограждающих конструкциях новых типов конструкционно-теплоизоляционных материалов. Главное направление снижения тепловых потерь – увеличение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций за счет применения эффективных современных теплоизоляционных материалов. Российский рынок теплоизоляционных материалов в настоящее время находится в парадоксальной ситуации – высокий спрос уже несколько лет наталкивается на устойчивый дефицит, но при этом темпы роста рынка никак не могут выйти за рамки умеренных. Основная причина – интенсивность строительства и неспособность отечественных предприятий удовлетворять растущие потребности строительной отрасли вследствие устаревания производственной базы, а также ужесточения строительных норм к теплоизоляции зданий и требований пожарной и экологической безопасности к теплоизоляционным материалам. В то же время рынок теплоизоляционных материалов представлен, в основном, горючими и небезопасными пенопластами и недолговечными, боящимися влаги волокнистыми материалами. Но самое главное, нормативный срок службы и тех, и других составляет в среднем 20 – 30 лет, что значительно ниже срока эксплуатации зданий. Едва ли не единственным материалом, удовлетворяющим современным требованиям, является пеностекло – это инновационный строительный теплоизоляционный материал, получение которого основано на способности силикатных стекол при нагревании снижать вязкость постепенно, без резкого расплавления. За счет своей структуры и состава, пеностекло обладает уникальной совокупностью характеристик: высокая химическая и биологическая стойкость, низкая теплопроводность, стойкость к высоким и низким температурам и к их резким перепадам, большой срок службы, пожарная и экологическая безопасность и многие другие. Пеностекольные материалы и изделия находят широкое применение практически во всех областях строительства: гражданское и промышленное строительство (утепление подвалов, стен, перекрытий, кровли), защита трубопроводов и инженерных сетей, ландшафтные работы, а также дорожное строительство. Поэтому разработка и модернизация технологии пеностекла в настоящее время является активно развивающейся областью химической технологии. Основным недостатком пеностекла является его сравнительно высокая стоимость, что обусловлено дефицитностью основного сырья, в качестве которого используют два вида стекла: 1) специально сваренное стекло; 2) бой стекла (как правило, определённого сорта). Каждое из описанных стекол обладает существенными недостатками. В связи с этим, все большую популярность набирают исследования по замене стекла на природное и техногенное силикатное сырьё. Диапазон используемого природного сырья достаточно велик и включает, в частности, цеолиты, нефелины, диатомиты, вулканическое стекло и многие другие. Наиболее распространенным видом техногенного сырья являются, очевидно, различные стеклоотходы, наиболее популярны в последнее время исследования по использованию отходов электронно-лучевых трубок. Помимо этого, рассматривается использование других алюмосиликатных отходов: золошлаковые отходы ТЭС, отходы от сжигания ТБО, различные виды шлаков, и даже осадки водохранилищ. При этом в подавляющем большинстве работ не рассматривается влияние порообразователя на формирование структуры материала и даже не обосновывается выбор конкретного вещества-порообразователя, хотя известно, что и вид порообразователя, и конкретное вещество, оказывает ключевое воздействие на тип пористости (закрытая, открытая) и ее количественные характеристики (размер пор). Также из-за различий описанного сырья по химическому, фазовому составу оно различается по плавкостным свойствам, что требует каждый раз разрабатывать новый состав шихты и режим вспенивания для каждой композиции. Для синтеза пеностекольных материалов напрямую из сырья вспенивание в рассмотренных работах обеспечивается повышением температуры обжига до температуры расплавления шихты. Еще одним важным требованием к современным технологиям является их ресурсо- и энергоэффективность, которая достигается, в данном случае, снижением температуры и длительности термической обработки шихты. Для силикатных материалов условной границей высокотемпературных процессов, является температура 900 °С. Поэтому разрабатываемая технология должна быть направлена и на исследование способов снижения тугоплавкости сырья путем модификации состава сырьевой смеси.Таким образом, одной из наиболее актуальных задач технологии пеностекла является разработка энергоэффективной обобщенной одностадийной технологии вспенивания различных сырьевых силикатных материалов природного и техногенного происхождения, а также изучение физико-химических закономерностей формирования пористой структуры. Данная задача стала достижимой благодаря разработанной авторской методике интенсификации плавления сырьевой смеси за счет введения добавок-плавней при использовании современного высокоэффективного комплексного порообразователя.Актуальность разработки обобщенной технологии вспенивания дополнительно подтверждается тем, что силикатные материалы составляют 75 % земной коры. Состав большинства крупнотоннажных промышленных отходов (отходы добычи и обогащения, отходы от сжигания угля на ТЭС, отходы от сжигания ТБО) также представлен силикатными компонентами. Поэтому, зная общие закономерности их вспенивания, станет возможным получение высокоэффективных теплоизоляционных материалов без привязки к конкретному типу сырья при незначительной корректировке состав сырьевой смеси и режима обжига. Также при использовании в качестве сырья промышленных отходов решается проблема экологической разгрузки окружающей среды путем переработки отходов в строительные материалы.