ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОГРАНУЛЯТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА

Рост объемов производства бетона и железобетонных изделий требует значительного увеличения и количества выпускаемых заполнителей с различными физико-химическими свойствами. Особенно это касается производства легкого бетона, для изготовления которого необходимо использовать заполнители с более низкой по отношению к гравию и керамзиту плотностью. Этим условиям удовлетворяют только пеностеклянный гравий и гранулированное пеностекло, плотность которых составляет всего 100-180 кг/м³. Пеностеклянный гравий - это продукт дробления отходов, полученных при обрезке блоков и плит, а также резки и ломки непрерывно вырабатываемой ленты пеностекла. Гранулированное пеностекло является продуктом вспенивания гранул исходной шихты, которые производятся в тарельчатых и барабанных грануляторах.

Для изготовления блоков, плит, гравия и гранул из пеностекла традиционно используется стеклобой, чаще поставляемый из разных источников и имеющий соответственно разный химический состав. Естественно, что изготовленное из разнородного стеклобоя пеностекло также имеет нестабильные физико-химические характеристики. Этот факт имеет особое значение при использовании пеностекла в производстве легких бетонов, так как разные физико-химические параметры гранулированного пеностекла могут существенным образом влиять на механические характеристики изделий из бетона. Поэтому для повышения качества производимых пеностеклянных гранул, используемых в качестве наполнителей легких бетонов, целесообразно в качестве исходного сырья использовать стекло, сваренное в ванных стекловаренных печах из специально приготовленной шихты.

Еще одним немаловажным свойством наряду со стабильными физико-химическими характеристиками должны обладать пеностеклянные гранулы, применяемые в производстве бетона. Пеностеклянные гранулы должны иметь повышенную химическую стойкость по отношению к щелочам. До настоящего времени не удавалось использовать пеностекло в качестве наполнителей для бетонов из-за проблем, связанных с протеканием щелочно-силикатной реакции (ЩСР), поскольку эта реакция на поверхности стекла из-за содержания на ней положительных ионов Na⁺ происходит наиболее интенсивно. При взаимодействии с водой эти ионы способны создавать щелочные соединения NaOH, приводящие к изменению объема заполнителей, возникновению трещин и разрушению бетона. Поэтому основным требованием к стеклу для производства бетонных заполнителей является устойчивость к агрессивному воздействию со стороны цементного камня.

Этим требованиям отвечает стекло для производства цементностойкого стекловолокна, применяемого для армирования бетонов [1]. Шихта для варки подобного щелочестойкого стекла состоит, как правило, из семи-восьми компонентов и имеет сложный химический состав, включающий кроме кварцевого песка, мела, соды и глинозема соединения бора, лития, калия и циркона. Подобный состав связан с получением необходимых выработочных и эксплуатационных свойств стекла, предназначенного для производства цементностойкого стекловолокна. Приготовление шихты для варки цементностойкого стекловолокна связано не только с использованием таких высококачественных компонентов как кварцевый песок, сода, известняк (мел) и др., но и требует большего количества оборудования для разгрузки, обработки и дозирования сырьевых компонентов. Плавление этой шихты и варка из нее стекла производится при достаточно высоких температурах 1350-1580°C и характеризуется большими энергетическими затратами. Учитывая также то, что себестоимость производства пеностекла из подобного стекла является более высокой, чем производство других наполнителей бетона, использовать подобное стекло в качестве исходного сырья для изготовления гранулированного пеностекла не целесообразно.

Наиболее близким к предполагаемому решению по технической сущности является состав шихты для изготовления стеклогранулята для пеностекла [2], содержащий кальцинированную соду, доломит и кремнеземосодержащую породу с содержанием оксида кремния не менее 83 мас.% и размером фракции менее 0,1 мм. Причем в качестве кремнеземосодержащего сырья используется кварцевый песок, маршалит, диатомит или опока.

Данная шихта имеет более низкую себестоимость за счет использования такого сырья, как диатомит или опока и может плавиться при более низких температурах, чем шихта на основе кварцевого песка. Но стекло, сваренное из этой шихты, не очень хорошо вспенивается из-за отсутствия в составе смеси сульфата. Кроме того, полученное пеностекло имеет низкую щелочестойкость и не может использоваться в качестве наполнителей для легких бетонов.

Решаемая задача - снижение себестоимости шихты за счет использования более дешевого сырья и уменьшения расхода энергоресурсов на варку стекла, а также повышение химостойкости стекла, используемого для производства гранулированного пеностекла.

Этот технический результат достигается тем, что шихта для изготовления стеклогранулята для производства гранулированного пеностекла, включающая диатомит, кальцинированную соду и доломит, отличается тем, что дополнительно содержит сульфат и циркон при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Преимуществом предлагаемого состава шихты является наличие циркона, который повышает химостойкость и щелочестойкость стекла и увеличивает насыпную плотность полученной шихты. Повышение химостойкости резко снижает воздействие щелочной среды в цементной композиции бетона на пеностеклянные гранулы наполнителя. А увеличение насыпной плотности шихты по сравнению с легкой шихтой, приготовленной только на основе диатомита, улучшает процессы хранения, транспортирования и загрузки шихты в стекловаренную печь.

Другим преимуществом данного состава шихты по сравнению с прототипом является наличие в нем сульфата, при диссоциации которого в процессе варки стекла образуется большое количество микропузырей (мошки) из газа SO₂, играющего важную роль при вспенивании стекла. Поскольку парциальное давление газа SO₂ внутри закрытых пор пеностекла значительно выше парциального давления газа СO₂, который образуется при использовании традиционных вспенивателей на основе углеводородного сырья, то процесс вспенивания стекла, сваренного из шихты с повышенным содержанием сульфата, происходит более эффективно.

Шихту готовят смешением материалов в указанных соотношениях с последующим компактированием на валковом прессе. При этом частичная замена мелкодисперсного диатомита с размером фракции менее 0,1 мм на циркон, в составе которого находится примерно 67-68% ZrO₂ и 32-33% SiO₂, позволяет при размере фракции циркона от 0,5 до 0,8 мм получать более плотную структуру шихты за счет сочетания мелких и относительно крупных частиц ее компонентов. Во время компактирования сосредоточенная внутри пористых частиц диатомита остаточная влага, а также золи и гели, образовавшиеся в результате гидратации кремнезема, выдавливаются на поверхность диатомей (окаменевшие скелеты водорослей, состоящие из аморфного кремнезема) и прочно связывают между собой частицы компактированной шихты, активизируя одновременно ее химическую активность. В дальнейшем приготовленная шихта загружается в ванную стекловаренную печь, в которой варится стекло. На выработке стекло сливается в гранулятор, в котором формируется стеклогранулят, являющийся сырьем для последующей переработки и производства гранулированного пеностекла.

Сущность изобретения поясняется примерами, в которых приведены некоторые свойства шихты и показаны результаты варки стекла из шихты с разным процентным содержанием сульфата и циркона. При этом в качестве сульфата могут использоваться сульфаты щелочных металлов (натрий, калий, литий) и щелочноземельных металлов (кальций).

В стекольной промышленности для производства большинства видов алюмосиликатных стекол (оконное и тарное стекло), бой которых может использоваться для производства пеностекла, чаще применяется сульфат натрия Na₂SO₄, являющийся осветлителем стекломассы. Эффект осветления стекломассы достигается за счет выделения большого количества микропузырьков газа, образующегося при термической диссоциации сульфата натрия в процессе варки стекла. Аналогичный эффект достигается и при использовании сульфата калия K₂SO₄. Одновременно при варке натриевого стекла на основе кальцинированной соды Na₂CO₃ и сульфата калия проявляется эффект взаимодействия двух щелочей натрия и калия [3], который позволяет получить стекло с повышенной кислотостойкостью. Однако, поскольку сульфат натрия чаще получают как побочный продукт различных химических производств, он значительно дешевле сульфата калия и еще более дешевле сульфата лития, соединения которого используются для придания стеклу специальных выработочных свойств. Поэтому для снижения себестоимости шихты, если не требуется придания пеностеклу повышенных характеристик кислотостойкости или других специальных свойств, целесообразно использовать сульфат натрия. Что же касается сульфата кальция, то он, как правило, входит в состав шихты лишь в виде небольших примесей, содержащихся в карбонатном сырье (доломит, известняк), и при расчете рецепта шихты не учитывается.

В связи с этим рассмотрим примеры состава шихты с сульфатом натрия.

Пример 1

Диатомит загружают в смеситель и тщательно перемешивают с содой, доломитом, сульфатом натрия и цирконом в заданном процентном соотношении 60, 14, 13, 1, 12. Шихта получается сыпучей (остаточная влажность, сосредоточенная внутри пор диатомей, позволяет дополнительно не увлажнять шихту) и имеет удельную плотность около 0,7 г/см³. После уплотнения в валковом прессе ее плотность увеличивается до 0,9-1,0 г/см³.

При варке стекла из этой шихты температура варки снижается на 100°C по отношению к варке стекла из шихты, приготовленной на основе кварцевого стекла (например, шихта для оконного стекла, из которого чаще всего производят пеностекло). Наличие циркона в шихте незначительно на 10-20°С (по отношению к шихте без циркона) повышает температуру варки, но увеличивает щелочестойкость стекла, что необходимо для производства пеностеклянных наполнителей легких бетонов. Щелочестойкость определяют по ГОСТ 19810-85. В соответствии с этим стандартом щелочестойкость, измеряемая в мг/дм², показывает на сколько уменьшилась масса образца, обрабатываемого щелочью, по отношению к площади поверхности образца.

Полученное при данном соотношении компонентов шихты значение щелочестойкости сваренного стекла находится в пределах 80-100 мг/дм², что соответствует 2-му классу щелочестойкости.

При снижении содержания циркона (менее 12%) в шихте стекло становится менее химостойким и относится к 3-му классу щелочестойкости, что не удовлетворяет требованиям к щелочестойкости наполнителей бетонов.

Наличие в шихте 1% сульфата натрия позволяет получить стекло, насыщенное микропузырьками с газом SO₂, что способствует хорошему вспениванию стекла при последующем производстве пеностекла.

При количестве сульфата натрия менее 0,5% в стекле практически отсутствуют микропузырьки с газом SO₂. Это связано с улетучиванием сульфата при загрузке шихты и варке стекла на начальных фазах стекловарения.

Пример 2

Диатомит, соду, доломит, сульфат натрия и циркон загружают в смеситель в заданном процентном соотношении 54, 15, 14, 1,5, 15,5 и тщательно перемешивают. Шихта получается сыпучей и имеет удельную плотность около 0,75 г/см³. После уплотнения в валковом прессе ее плотность увеличивается до 1,1 г/см³, что более благоприятно сказывается на режим загрузки шихты в печь (она меньше пылит и улетучивается). Поскольку уменьшено количество диатомита, снижающего температуру варки стекла, а количество более тугоплавкого материала циркона увеличено, общее снижение температуры варки стекла меньше, чем в 1-м примере, и составляет примерно 90°C, что также приводит к экономии энергоресурсов. Снижение содержания диатомита ниже 51% приводит к росту температуры варки стекла и недопустимому снижению SiO₂ в составе стекла.

Полученное при этом соотношении компонентов шихты значение щелочестойкости сваренного стекла составляет 60-70 мг/дм³ и соответствует 1-му классу щелочестойкости. Дальнейшее увеличение содержания циркона незначительно повышает щелочестойкость стекла и приводит к росту температуры варки стекла и его себестоимости.

Увеличение содержания сульфата натрия до 1,5% максимально насыщает стекло микропузырьками с газом SO₂, но дальнейший рост процентного содержания сульфата натрия в шихте нецелесообразен из-за образования большого количества пены при варке стекла.

Таким образом, варьируя соотношение диатомита, снижающего температуру варки стекла, с сульфатом натрия и цирконом, можно добиться таких положительных свойств стекла, как его химостойкость и насыщенность микропузырьками с газом SO₂. Аналогичные показатели щелочестойкости стекла достигаются при аналогичном процентном содержании сульфата калия, но, как уже отмечалось, шихта на основе сульфата калия получается значительно дороже.

Изготовленное гранулированное пеностекло из подобного стекла, сваренного из шихты предложенного состава, можно использовать в качестве наполнителя в производстве легких бетонов и снизить до минимума влияние ЩСР на физические характеристики как наполнителя, так и самого бетона.

Источники информации:

1. Технология стекла. Справочные материалы под ред. П.Д.Саркисова. - М. ГУП «ИПК «Чувашия». 2012 г. с.629.

2. Патент РФ на изобретение №2361829, кл. С03С 11/00, опубл. 20.07.2009 г.

3. Химическая технология стекла и ситаллов. Учебник для ВУЗов под ред. Н.М.Павлушкина. Стройиздат, Москва, 1983 г., с.432.