способ производства гранулированного пеностекла из стеклобоя

Формула изобретения

1. Способ производства гранулированного пеностекла включает получение тонкомолотого стекольного порошка, добавление к тонкомолотому стекольному порошку порообразователя, связующего, их перемешивание с получением пеностекольной смеси, гранулирование пеностекольной смеси с получением сырцовых гранул полуфабриката, вспенивание сырцовых гранул полуфабриката в печи с получением гранулированного пеностекла, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья для получения тонкомолотого стекольного порошка использован несортовой стеклобой, к тонкомолотому стекольному порошку добавляют крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц не более 80 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество крупнопористого силикагеля составляет 0.1-5% от массы стекла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулирование сырцовых гранул полуфабриката осуществляют на тарельчатом грануляторе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к производству гранулированного пеностекла. Получаемое гранулированное пеностекло может применяться как засыпной теплоизоляционный материал, а также в качестве легковесного заполнителя в производстве облегченных бетонов.

Существующие способы получения гранулированного пеностекла отличаются видом используемого основного сырья (перлит вулканическое стекло, диатомит, трепел, вулканический пепел, туф, цеолитсодержащую породу, глину, песок, базальт, а также различные отходы промышленности), порообразователем (карбонатные, сульфатные, углеродные и др.), типом используемой связки, различными добавками, способами помола, гранулирования, вспенивания, наличием дополнительных стадий обработки сырья и пр.

Известен способ получения гранулированного пеностекла из несортового стеклобоя, когда молотый стеклобой смешивают с необходимыми химическими добавками, окатывают полученную смесь в грануляторе и направляют сырцовые гранулы на вспенивание во вращающейся проходной печи. Классическими примерами такого способа производства являются патенты DE 4344994 «Producing expanded glass granulate without special requirements to the waste glass used» и RU 2162825 «Способ изготовления гранулированного пеностекла из стеклобоя». В данных способах измельченный стеклобой гранулируют совместно с жидким стеклом, порообразователем. Сырцовые гранулы вспенивают в смеси с разделяющей средой во вращающейся проходной печи.

В связи с тем, что гранулированное пеностекло может использоваться в качестве заполнителя при изготовлении легких бетонов на цементном связующем, необходимо решение проблемы взаимодействия избытка щелочи в цементе с силикатной составляющей заполнителя. Последствием такого взаимодействия является образование геля, дальнейшее взаимодействие которого с водой приводит к его расширению и образованию недопустимых трещин в бетоне.

Согласно Lesage R., Sierra R. (Le Point sur les Reactions Alcalis-Granulats dans les Betons Hydrauliques. Взаимодействие между щелочами и заполнителями в бетонах на гидравлических вяжущих. // Bull. liais. Lab. Ponst et chaussees. - 1977. - № 90. - pp.103-105, 123-125, 127, 130) различают три типа указанных реакций, одним из которых является реакция между щелочами и реакционноспособным кремнеземом заполнителя.

Для исключения протекания реакции щелочно-силикатного взаимодействия возможно использовать следующие способы:

1. Использование исходных компонентов, позволяющих получить пеностекло определенного состава. Например, в патенте ЕР 0661240 «Foam glass granulate and method for its manufacture» для поддержания химического состава пеностекла в определенных пределах исключают использование нитратов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, компонентов, содержащих серу, фтор, бор. Суммарное содержание щелочноземельных металлов в пеностекле должно находиться в пределах 8-15%.

2. Добавка соединений циркония к стекольной шихте при производстве щелочностойкого стекла. Например, в патентах US 4978641 «Porous glass and process for its production», JP 2141439 «Porous glass and its production» предлагают получать ячеистое стекло, стойкое к воздействию щелочей. Для этих целей в состав исходного сырья дополнительно вводят не менее 5% масс. циркония и не менее 2% масс. соединений щелочноземельных металлов. Возможно использование полученного стекла в качестве сырья для производства щелочностойкого гранулированного пеностекла.

3. Покрытие гранул пеностекла различными связками, препятствующими прямому контакту пеностекла с цементным камнем. Например, в патенте DE 10334997 «Foam glass composition, useful as filler, e.g. in mix of lightweight mineral aggregate, binder and water for thermally insulating roof or sub-floor leveling plaster, is loose mixture of foam glass grains with pore-sealing binder coating» предлагают покрывать пеностекольные гранулы различными органическими и неорганическими связками. В качестве связок могут выступать силикат натрия, модифицированный фосфат алюминия, полиуретан, эпоксидная смола, полиэфирная смола, силиконовая смола. После нанесения связки гранулы проходят термообработку при температуре 60-800°C.

4. Использование специальных связок с пониженным содержанием щелочи, в том числе низкощелочные цементы. Например, в патенте ЕР 2376400 «Open pore mold and method for producing the same» предложен способ производства композитных изделий с насыпным пеностеклом на органическом полиуретановом связующем.

Все рассмотренные варианты исключения протекания реакции щелочно-силикатного взаимодействия в легких бетонах между пеностеклом и связкой требуют либо значительное усложнение и удорожание самого "процесса производства гранулированного пеностекла за счет использования специальных видов стекол или добавки дорогостоящих компонентов либо усложнение процесса последующего использования гранулированного пеностекла при производстве изделий.

Наиболее близким техническим решением по достигаемому результату является уже упомянутый патент ЕР 0661240 (C03C 11/00, C03B 19/08, 18.02.1994, Foam glass granulate and method for its manufacture). Для исключения протекания щелочно-силикатной реакции авторы предлагают готовить пеностекло из стекла определенного химического состава, в котором содержание компонентов находится в определенных интервалах. При этом в исходной шихте для производства пеностекла исключают содержание нитратов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, компонентов, содержащих серу, фтор, бор. Из стекол определенных химических составов получают тонкомолотый стекольный порошок с размером частичек стекла менее 63 мкм. К тонкомолотому стекольному порошку добавляют связующее - жидкое стекло и углеродсодержащий пенообразователь. Компоненты перемешивают с получением пеностекольной смеси. Сырьевая пеностекольная смесь, проходя через вальцы, прессуется под давлением около 150 МПа (гранулируется), с получением сырцовых гранул полуфабриката, которые дополнительно дробятся до требуемого размера. Затем сырцовые гранулы полуфабриката вспенивают в печи при температуре 700-850°C. Получаемое гранулированное пеностекло имеет насыпную плотность 100-250 кг/м³ и отличается щелочностойкостью в цементной матрице.

Однако данному способу присущи следующие недостатки. Использование исходного сырья определенного состава, предъявляет повышенные требования к подготовке пеностекольной смеси: стекло должно быть разделено по видам, для каждого вида должен быть определен химический состав, необходимо равномерно перемешать стекла разных видов между собой и с дополнительными химическими добавками с целью получения исходного сырья требуемого химического состава. Использование полусухих смесей при получении сырцовых полуфабрикатов методом прессования требует проведение тщательной процедуры смешения порошка стекла с малым количеством жидкости. Применение операции дробления прессованных заготовок с получением сырцовых гранул полуфабриката требуемого фракционного состава приводит к неизбежному образованию пыли и отсеву мелкой фракции полуфабриката.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в расширении сырьевой базы, снижении себестоимости и упрощении способа производства гранулированного пеностекла при сохранении высокой щелочностойкости получаемого гранулированного пеностекла за счет использования несортового стеклобоя и блокировки реакционной активности поверхности частиц стекла при введении в пеностекольную смесь дополнительных добавок.

Высокая щелочностойкость получаемого гранулированного пеностекла, по сравнению с обычным гранулированным пеностеклом снижает протекание щелочно-силикатной реакции в цементной матрице, что делает возможным использование гранулированного пеностекла в качестве легковесного заполнителя при производстве облегченных бетонных изделий.

При решении поставленных задач необходимо обеспечить получение продукта с минимально возможной себестоимостью, исключающей использование дорогостоящих добавок, повышенных температур, сложных технологических операций и т.п.

Технический результат достигается тем, что в способе производства гранулированного пеностекла, включающем получение тонкомолотого стекольного порошка, добавление к тонкомолотому стекольному порошку порообразователя, связующего, их перемешивание с получением пеностекольной смеси, гранулирование пеностекольной смеси с получением сырцовых гранул полуфабриката, вспенивание сырцовых гранул полуфабриката в печи с получением гранулированного пеностекла, согласно изобретению, в качестве исходного сырья для получения тонкомолотого стекольного порошка использован несортовой стеклобой, к тонкомолотому стекольному порошку добавляют крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц не более 80 мкм.

Кроме того, количество крупнопористого силикагеля составляет 0.1-5% от массы стекла.

Кроме того, гранулирование сырцовых гранул полуфабриката осуществляют на тарельчатом грануляторе.

В известном техническом решении увеличение щелочностойкости получаемого гранулированного пеностекла достигается использованием стекол определенных химических составов. В предлагаемом изобретении для получения гранулированного пеностекла в качестве основного исходного сырья используется наиболее распространенный и дешевый источник стекольного сырья - несортовой стеклобой. Однако гранулированное пеностекло, получаемое из несортового стеклобоя, не отличается повышенной щелочностойкостью, что делает невозможным его использование в цементной матрице. Поэтому в ходе поиска различных путей снижения влияния протекающей щелочно-силикатной реакции в цементной матрице проводили исследования по измерению величины расширения бетонов с наполнителем - гранулированным пеностеклом, полученным с использованием различных добавок. Для проведения экспериментов использовали метод определения изменения длины образцов бетонов в результате протекающей щелочно-силикатной реакции - стандарт США ASTM С 1293-01 в модификации с повышенной температурой. При проведении экспериментов стандартные образцы бетонов выдерживали при температуре 60°C и влажности 100% в течение трех месяцев. Через каждые 1-3 недели образцы извлекали из термостата для контроля расширения. После приведения температуры образца к комнатной длину образца бетона замеряли с помощью оптического дилатометра.

В результате экспериментов были проверены легкие бетоны на портландцементе с использованием в качестве легковесного заполнителя пеностекольного гравия, полученного с добавками различных соединений в сырьевую пеностекольную смесь. Было определено, что наибольшая эффективность подавления реакции щелочно-силикатного взаимодействия наблюдается у образцов бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием, полученным с добавкой тонкомолотого порошка силикагеля в исходную сырьевую смесь. При этом использовался крупнопористый силикагель со средним диаметром пор 5-15 нм, измельченный до частичек менее 80 мкм. Установлено, что измельчение силикагеля до частичек менее 80 мкм способствует их равномерному распределению в молотом стекле. Для большинства типов силикагеля характерно резкое падение активности при температурах выше 500°C. Применение крупнопористого силикагеля позволяет сохранять его блокирующую способность при температурах до 800°C, необходимых для процесса производства гранулированного пеностекла.

Сравним полученные экспериментально зависимости расширения (%) образцов бетонов, в которых в качестве наполнителя использовалось: 1 - обычное стекло, 2 - пеностекло, полученное из смеси порошка стекла со связующим и порообразователем, 3 - пеностекло, полученное из смеси порошка стекла со связующим и порообразователем с дополнительной добавкой тонкомолотого порошка крупнопористого силикагеля (см. таблицу 1).

Таблица 1
Зависимость расширения образцов бетонов с различными наполнителями от времени (недели).
Неделя	Расширение (%)
	Наполнитель - стекло	Наполнитель - пеностекло	Наполнитель - пеностекло с добавкой силикагеля
0.4	0.00	0.00	0.00
1	0.21	0.06	0.02
2	0.26	0.10	0.03
3	0.36	0.15	0.04
5	0.71	0.20	0.06
8	0.92	0.23	0.07
11	1.06	0.27	0.09
13	1.07	0.30	0.10
15	1.10	0.30	0.10

Очевидно, что в бетонах, полученных с использованием обычного стекла (наполнитель - стекло), происходит щелочно-силикатное взаимодействие между стеклом и цементом, что приводит к значительному расширению бетона, достигающему 1.1% через 15 недель после приготовления бетона.

При использовании пеностекла в качестве наполнителя бетона (наполнитель - пеностекло) вместо обычного стекла резко снижается расширение образцов бетона до значения 0.3% через 15 недель после приготовления бетона, но при этом остается на достаточно высоком уровне. Добавление тонкомолотого силикагеля к исходной пеностекольной смеси для получения гранулированного пеностекла позволяет еще в несколько раз снизить расширение бетона с пеностекольным наполнителем (наполнитель - пеностекло с добавкой силикагеля) до значения 0.1% через 15 недель после приготовления бетона. Как показали эксперименты, образцы, полученные с использованием силикагельсодержащего пеностекла, имеют более чем в 3 раза выше стойкость к щелочно-силикатному взаимодействию по сравнению с обычным пеностеклом. Таким образом, в предлагаемом способе обеспечивается получение гранулированного пеностекла, имеющего повышенную стойкость к щелочно-силикатному взаимодействию.

Исследование содержания измельченного силикагеля в составе исходной пеностекольной смеси показало, что даже при минимальном содержании силикагеля - 0.1% наблюдается уменьшение расширения образцов бетона с 0.30% до 0.27%, что подтверждается таблицей 2.

Таблица 2
Зависимость расширения образцов бетонов и плотности гранулированного пеностекла от содержания крупнопористого силикагеля в составе пеностекольной смеси
Содержание силикагеля, %	0.0	0.1	0.5	1.0	2.0	5.0	10.0
Расширение образцов легких бетонов (%)	0.30	0.27	0.20	0.10	0.09	0.08	0.08
Насыпная плотность гранулированного пеностекла, кг/м3	160	165	170	180	190	220	290

Повышенное содержание силикагеля более 5% от массы стекла негативно сказывается на плотности гранулированного пеностекла, так как он выступает в роли балласта и не участвует в образовании пористой структуры материала. Так как истинная плотность силикагеля более 2000 кг/м³, то каждые 5% способны увеличить истинную плотность пеностекла на 100 кг/м ³. При этом стойкость к щелочно-силикатному взаимодействию бетонов с гранулированным пеностеклом при увеличении содержания силикагеля остается практически неизменной. Например, увеличение содержания силикагеля в составе пеностекольной смеси с 5 до 10% увеличивает насыпную плотность гранулированного пеностекла с 220 кг/м³ до 290 кг/м³ при этом расширение образцов легких бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием - остается неизменным и составляет 0.08%.

Таким образом, добавка 0.1-5% измельченного крупнопористого силикагеля увеличивает щелочностойкость гранулированного пеностекла, полученного из несортового стеклобоя, при минимальном изменении плотности.

По сравнению с прототипом, в котором использованы стекла определенных составов, предлагаемый способ в совокупности с известными операциями позволяет утилизировать дешевый низкосортный несортированный стеклобой, что приводит к значительному расширению сырьевой базы. При этом исключается проверка химического состава стекла и последующая корректировка содержания в стекле различных компонентов, что значительно упрощает технологию.

Для получения насыпного пеностекла шарообразной формы - гранулированного пеностекла - необходимо предварительно получить из смеси исходных компонентов (пеностекольной смеси) шарообразные сырцовые гранулы полуфабриката. С целью упрощения способа производства сырцовые гранулы полуфабриката получали на тарельчатом грануляторе, представляющем наиболее простую и надежную конструкцию для гранулирования. Такая конструкция по сравнению с прессованием в прототипе значительно дешевле, не требует дорогостоящего обслуживания в работе, менее требовательна к технике безопасности при работе.

Новые признаки изобретения:

В предлагаемом изобретении используют несортовой стеклобой, который может представлять собой смесь стекол любого вида. Стеклобой измельчают с получением тонкомолотого стекольного порошка. К тонкомолотому стекольному порошку добавляют порообразователь, крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц не более 80 мкм, и связующее. Порообразователь берут в количестве, например, 0.1-3%, раствор связующего - например, 10-30% от массы стекла. Компоненты перемешивают с получением пеностекольной смеси. Полученную пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката, которые вспенивают в печи. При этом решается задача расширения сырьевой базы, снижения себестоимости и упрощения способа производства за счет использования несортового стеклобоя при одновременном сохранении повышенной щелочностойкости гранулированного пеностекла

Кроме того, при добавке силикагеля в количестве 0.1-5% от массы стекла достигается увеличение щелочностойкости гранулированного пеностекла при минимальном изменении характеристик продукции - плотность и себестоимость.

Кроме того, пеностекольную смесь гранулируют на тарельчатом грануляторе с получением сырцовых гранул полуфабриката, что позволяет упростить технологический процесс производства сырцовых гранул полуфабриката за счет отказа от сложной операции прессования и дробления сырцовых гранул полуфабриката по сравнению с прототипом.

Пример осуществления изобретения.

Несортовой стеклобой измельчают с получением тонкомолотого стекольного порошка, например, размером 10-50 мкм, к тонкомолотому стекольному порошку добавляют порообразователь, крупнопористый силикагель, измельченный до размера частиц 30 мкм, и связующее. Компоненты перемешивают с получением пеностекольной смеси. Порообразователь берут в количестве - 1%, связующее - 18%, силикагель, например, - 1% от массы стекла. В качестве порообразователя используют углеродсодержащий компонент, например тонкомолотый уголь. Связующее готовят смешением воды и жидкого стекла. Полученную пеностекольную смесь гранулируют с получением сырцовых гранул полуфабриката. Затем сырцовые гранулы полуфабриката вспенивают в печи, например, при температуре 780°C в течение 20 минут. Полученный пеностекольный гравий имеет насыпную плотность 180 кг/м³.

С полученным пеностекольным гравием делают образцы бетонов для испытаний по методу определения изменения длины образцов бетонов в результате протекающей щелочно-силикатной реакции ASTM С 1293-01 в модификации с повышенной температурой. При проведении экспериментов образцы бетонов выдерживали при температуре 60°C и влажности 100% в течение трех месяцев. Через каждые 2 недели образцы извлекали из термостата для контроля расширения. В результате испытаний было зафиксировано, что образцы легких бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием, полученным с добавкой силикагеля, имеют расширение 0.1% по сравнению с расширением 0.3% у образцов легких бетонов с наполнителем - пеностекольным гравием, полученным без добавки силикагеля. Таким образом, полученный пеностекольный гравий отличается повышенной стойкостью к щелочно-силикатному взаимодействию.

Таким образом, наряду с расширением сырьевой базы, снижением себестоимости и упрощением способа производства за счет использования несортового стеклобоя достигается повышенная щелочностойкость получаемого гранулированного пеностекла по сравнению с обычным гранулированным пеностеклом за счет использования добавки измельченного крупнопористого силикагеля.