сотрудник
Россия
УДК 691.3 Искусственные камни. Бетоны. Искусственные строительные материалы различного состава
Повышение прочности пеностекла до значений, достаточных для использования его не только как теплоизоляционного, но и конструкционного материала, позволит значимо расширить область его применения и снизить материалоемкость строительства. Решение возможно за счет формирования управляемой и прогнозируемой гетерогенной аморфно-кристаллической структуры. Влияние кристаллической фазы на структуру и прочность пеностекла противоречиво и требует значимого внимания. Одновременно необходимо учитывать уже полученные результаты исследований по снижению стоимости материала за счет использования отходов. Однако, состав отходов различных захоронений варьируется, поэтому необходима универсальная методология разработки материалов. Предложена единая методология, позволяющая решать задачу проектирования новых материалов при использовании отходов различного состава, особенное внимание в которой уделено задаче синтеза состава исходной шихты и температурно-временного режима синтеза пеностекла. Для подтверждения предложенной методологии выполнена разработка материала на примере золошлаковой смеси ТЭС в г. Новочеркасске. Полученные образцы пеностекла и результаты исследования использованы для установления особенностей процессов формирования микроструктуры пеностекла методом регрессионного анализа.
пеностекло, кристаллическая фаза, физико-химическое моделирование, инициатор кристаллизации, модификатор
Введение. Пеностекло характеризуется низкими значениями коэффициента теплопроводности, а также высокими звукоизолирующими характеристиками. Стабильность геометрических форм изделия позволяет использовать пеностекло для изоляции различных объектов строительства, а также промышленного оборудования, исключая плановые ремонты. Можно рассматривать в качестве примера монтаж пеностекла в составе теплоизоляционных конструкций: стены с отделкой тяжелой облицовкой, традиционной штукатуркой, из металлического профилированного листа, с отделочным слоем из облицовочного кирпича, а также рулонная кровля по железобетонному основанию, по профилированному листу, эксплуатируемая кровля, металлическая кровля по профилированному листу [1, 2].
Поскольку пеностекло не воспламеняется и не горит, а также инертно в агрессивных средах, его использование при теплоизоляции трубопроводов, использующихся для транспортировки нефти и газа, показало высокую эффективность [3].
Увеличение значений прочностных характеристик пеностекла дает возможность расширения возможностей его применения в том числе как теплоизоляционно-конструкционного.
Прочностные характеристики определяются структурой пеностекла. Твердая фаза пеностекла традиционно представлена стеклом. Влияние процесса кристаллизации на формирование структуры пеностекла и его эксплуатационные характеристики изучено не в достаточной степени. Наличие кристаллов определенных параметров в процессе термообработки шихты не создает препятствий формированию структуры с равномерной закрытой пористостью. В то же время кристаллизация стекла рассматривается и как отрицательное явление, тормозящее плавное и равномерное вспенивание. Совокупность факторов кристаллизации в пеностекле представлена на рисунке 1.
Если рассматривать межпоровую перегородку пеностекла, содержащую аморфную и кристаллическую фазы, то с физической точки зрения граница раздела этих фаз может быть источником напряжения, который при оказании воздействия приведет к разрушению материала. Однако, если величина кристаллических фаз будет находиться в допустимых пределах, то кристаллические включения армируют межпоровую перегородку и значения прочностных свойств пеностекла возрастают.
Учет микроструктуры, несомненно, является важной задачей в проектировании пеностекла повышенной прочности, однако, одновременно необходимо соблюдать существующие тенденции к снижению стоимости продукта. Многочисленными исследованиями доказано, что снижение стоимости пеностекла возможно за счет использования вторичного минерального сырья [4, 5]. Одновременно это решает важную проблему утилизации промышленных отходов. Важной научной проблемой при этом является не сама по себе разработка нового материала, а обобщение и определение методологии разработки таковых. Разрешение данной проблемы позволит решать задачу проектирования новых материалов при использовании отходов различного состава.
Рис. 1. Факторы процесса кристаллизации
По результатам проведенного обзора по проблеме исследований [6, 7] сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что применение золошлаковых отходов в качестве основного компонента шихты (65–70 %) для производства пеностекла снижает себестоимость на 25–30 % благодаря снижению затрат на сырье и эффективной утилизации отходов. Это обусловлено низкой стоимостью золошлаковых отходов, что позволяет сократить финансовые издержки. Использование данных отходов соответствует требованиям устойчивого развития, уменьшает экологический след и снижает нагрузку на полигоны с отходами.
2. Выявлено, что оптимальное соотношение аморфной и кристаллической фаз в пеностекле, равное 60:40, является наиболее эффективным для достижения требуемых эксплуатационных характеристик материала. Данное соотношение обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства с коэффициентом теплопроводности 0,06–0,08 Вт/м·К, что позволяет эффективно поддерживать температурный режим. Увеличенное содержание аморфной фазы способствует формированию однородной структуры, что в свою очередь повышает механическую прочность, достигающую 1,8–2,2 МПа.
3. Установлено, что введение 2–3 % наноразмерных добавок, таких как SiO2 или Al2O3, в шихту приводит к увеличению механической прочности на 15–20 % при минимальном воздействии на теплоизоляционные свойства. Данная закономерность обоснована эффектом тонкослойного покрытия наноразмерных частиц, что способствует улучшению адгезионной связи между кристаллическими включениями основного компонента. Наночастицы, обладая значительной энергией границы раздела и проявляя эффективные взаимодействия с матрицей, формируют дополнительные межфазные границы, что, в свою очередь, увеличивает прочностные характеристики и препятствует образованию дефектов. Сохранение теплоизоляционных свойств при введении наноразмерных добавок связано с отсутствием значительных изменений в микроструктуре, что позволяет сохранить низкие коэффициенты теплопроводности.
4. Установлено, что формирование кристаллической фазы в виде игольчатых кристаллов диопсида размером 5–10 мкм играет ключевую роль в повышении механической прочности пеностекла. Данные кристаллы обеспечивают высокую степень армирования межпоровых перегородок благодаря удлиненной форме и прочности. Их размеры оптимальны для эффективного заполнения пор, что усиливает сцепление между зернами и улучшает распределение нагрузки. Это приводит к увеличению прочности на 15–20 %, так как повышается жесткость материала и снижается вероятность трещинообразования под механическими воздействиями. Наличие игольчатых структур создает структурную связь, препятствуя смещению частиц и повышая устойчивость к внешним нагрузкам.
5. Выявлено, что оптимальный температурный режим вспенивания и кристаллизации, находящийся в диапазоне 850–900 °C с выдержкой 15–20 минут, обусловлен термодинамическими и кинетическими процессами, протекающими в шихте. При данной температуре происходит интенсивное термическое разложение компонентов шихты, что способствует активации диффузии газов и образованию структурно изоморфной матрицы. В этом диапазоне температур достигается высокая степень метастабильного состояния системы и однородное распределение компонентов в объеме формы, позволяющее формироваться пористой структуре с размерами пор 0,5–2,0 мм. Данные размеры обеспечивают оптимальное соотношение между механической прочностью и малой плотностью материала.
6. Установлено, что пеностекло, полученное из техногенного сырья, характеризуется высокой морозостойкостью (F100) и низким водопоглощением (не более 2 % по массе). Высокая морозостойкость является следствием его ячеистой структуры, что обеспечивает равномерное распределение механических напряжений и минимизирует риск формирования трещин в условиях циклического замораживания и оттаивания. Низкое водопоглощение достигается благодаря замкнутой пористой структуре, формируемой в процессе вспенивания. Данная структура препятствует проникновению влаги, что предотвращает ее расширение при замерзании внутри материала.
На основании анализа современного состояния теории и практики в области структурообразования пеностекла выдвинута следующая научная гипотеза: управление прочностными свойствами пеностекла возможно путем создания гетерогенной структуры, включающей кристаллические фазы определенных параметров.
Целью работы является комплексное решение крупной научной проблемы по разработке методологии прогнозирования эксплуатационных свойств пеностекла на основе вторичных сырьевых материалов – продуктов сжигания угля.
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:
1. Изучение физико-химических закономерностей получения пеностекла для корректировки и прогнозирования процессов, активизирующихся при формировании их структуры с учетом использования техногенных сырьевых материалов, таких как золошлаковые отходы.
2. Определение оптимального состава сырьевой смеси и режимов термообработки для установления наиболее эффективных условий получения пеностекла с требуемыми эксплуатационными свойствами.
3. Изучение влияния химического состава и дисперсности компонентов сырьевой смеси для определения зависимостей их влияния на пористую структуру и процессы кристаллизации в пеностекле.
4. Разработка математической модели процесса получения пеностекла для прогнозирования его свойств, в качестве входных параметров которой, в том числе, выступают химический состав сырьевых компонентов и данные температурно-временного режима синтеза.
5. Исследование механизма формирования кристаллической фазы в пеностекле и его влияние на физико-механические свойства готовой продукции.
6. Разработка технологии получения пеностекла при использовании техногенного сырья и одностадийного режима термообработки.
7. Разработка комплексной методологии исследования, включающей физико-химическое моделирование и методы исследования структуры, неразрушающий и разрушающий контроль, с целью комплексного исследования процессов структурообразования.
8. Изучение влияния технологических добавок на структуру и эксплуатационные свойства пеностекла в процессе температурной обработки.
9. Разработка научно обоснованных рекомендаций по оптимизации технологических параметров производства, которые обеспечат снижение энергозатрат и себестоимости производства.
Материалы и методы. Методология представлена в виде схемы на рисунке 2. Часть из указанных выше задач эффективно решается хорошо зарекомендовавшими себя методами. Структурно-методологическая схема исследований представлена на рисунке 3.
Основополагающей является задача получения исходных данных о вторичном минеральном сырье, так как ее результаты используются для установления оптимальных условий использования для синтеза пеностекла с использованием современных методов анализа. Для реализации данной задачи необходима полная информация о свойствах золошлаковых отходов ТЭС. Методология комплексного исследования золошлаковой смеси ТЭС должна включать в себя следующее. Для определения активности естественных радионуклидов золошлаковой смеси требуется санитарно-эпидемиологическая экспертиза в соответствии с Едиными санитарно-эпидемиологическими и гигиеническими требованиями к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю). Определение основных элементов золошлаковой смеси проводится методом рентгено-флуоресцентного анализа, фазово-минералогический анализ выполнен методом рентгеновской дифракции [8, 9]. Термические свойства золошлаковой смеси исследуются методом синхронного термического анализа (СТА) в инертной атмосфере (Ar) с одновременной регистрацией кривых термогравиметрии (ТГ) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) [10].
Рис. 2. Методология комплексного исследования
Для определения качественного и количественного фазового состава образцов пеностекла следует использовать метод рентгенофазового анализа. Исследование микроструктуры и элементного состава образцов рекомендуется выполнять с помощью растровой электронной микроскопии. Параметры микроструктуры пеностекла, такие как общая и закрытая пористость, гистограммы распределения объёма пор по количеству, визуализация картины распределения вещества, наиболее плотных включений и пор в объеме, должны быть получены по результатам микротомографического сканирования [11, 12]. Термические свойства пеностекла рекомендуется исследовать методом синхронного термического анализа (СТА) с одновременной регистрацией кривых термогравиметрии (ТГ) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК).
Испытания свойств, получаемых образцов пеностекла (теплопроводность, плотность, прочность при сжатии, прочность на растяжение при изгибе, прочность при растяжении перпендикулярно лицевым поверхностям, прочность при действии сосредоточенной нагрузки) должны включать проверку соответствия требованиям ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме», ГОСТ EN 1602-2011 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения кажущейся плотности», ГОСТ 33949-2016 «Изделия из пеностекла теплоизоляционные для зданий и сооружений (Приложение А)», ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний», ГОСТ EN 1607-2011 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при растяжении перпендикулярно к лицевым поверхностям», ГОСТ EN 12430-2011 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве. Метод определения прочности при действии сосредоточенной нагрузки».
Рис. 3. Структурно-методологическая схема исследований
Исследования закономерности влияния микроструктуры пеностекла на его свойства (теплопроводность, плотность, прочность при сжатии, прочность на растяжение при изгибе, прочность при растяжении перпендикулярно лицевым поверхностям, прочность при действии сосредоточенной нагрузки) могут быть выполнены различными статистическими методами или методами теории машинного обучения. Выбор конкретного метода следует основывать, в первую очередь, на количестве изготовленных образцов. Более сложные методы требуют большего объема исходных данных, большего числа уровней варьирования параметров; в ином случае высока вероятность т.н. «переобучения», при котором модели будут демонстрировать высокую точность в ходе разработки и низкую – в реальных условиях. На практике изготовление большого числа образцов позволит разработать модель неоправданно повышенной нелинейности и зачастую наиболее целесообразным является использование методов моделирования с применением регрессионного и корреляционного анализов.
Важной является разработка состава исходной шихты и температурно-временного режима синтеза пеностекла. Данную задачу следует решать итерационно – методом последовательного приближения в следующем виде:
1. Поиск и анализ литературных источников, в которых для производства пеностекла используются аналогичные в части основного исходного состава шихты. Результатом данного этапа должен стать выбор температурно-временного режима «нулевого приближения».
2. Анализ литературных источников и определение модификаторов в качестве дополнительных элементов исходного состава шихты «нулевого приближения».
3. Выполнение моделирования процессов термообработки.
4. Анализ результатов; корректировка температурно-временного режима и переход на этапы 1, 2 или 3 в случае необходимости.
Выбор метода моделирования процессов термообработки является нетривиальной задачей [13, 14]. Термическая обработка является наиболее значимым, энергоемким и недостаточно исследованным этапом производства пеностекла. Она включает в себя этапы нагрева сырьевой смеси, вспенивания размягченной стекломассы и отжига пеностекла. На этот этап влияют факторы, связанные с теплообменными процессами, происходящими во время нагрева и вспенивания сырьевой смеси пеностекла, с образованием расплава в процессе вспенивания, и факторы, зависящие от условий стабилизации ячеистой структуры и отжига пеностекла. Выбор метода моделирования процессов термообработки представлен на рисунке 4.
Стадия термической обработки (ТО) является приоритетной, поскольку именно на этой стадии формируются основные свойства и эксплуатационные характеристики пеностекла. Уровень проработки изучения данной стадии определяет возможность контроля и управления процессом ТО, а, следовательно, и эксплуатационными свойствами будущего материала. Сложность учета всех вышеперечисленных факторов вызывает необходимость создания упрощенных (приближенных) математических моделей. Широко применяемым подходом является замена решения задачи сопряженного переноса теплоты внутри твердого тела и в пограничном слое, обтекающем его теплоносителем, решением краевой задачи взаимосвязанного переноса в материале. Влияние теплоносителя учитывается в граничных условиях с использованием величин, определенных в соответствии с законами теплоотдачи. Однако, наиболее распространенные математические модели и методы [15, 16] позволяют моделировать макрофизические параметры процессов высокотемпературной обработки пеностекла. В работе [17] был представлен альтернативный подход, в котором оценка напряженно-деформированного состояния пеностекла осуществлялась численным методом на основе температурных кривых отжига. Ценность решений краевых задач теплопереноса в высокой степени определяется экспериментальными данными, особенно, зависимостями коэффициентов переноса, в частности теплопроводности, от потенциалов переноса [18]. В отечественной науке исторически существуют и развиваются два основных направления: «зональный» метод, разрабатываемый профессором С.П. Рудобаштой и его научной школой [19], и метод «микропроцессов», разрабатываемый академиком РААСН С.В. Федосовым [20]. «Зональный» метод и метод «микропроцессов» имеют схожую сущность, но различаются в ряде аспектов. В «зональном» методе весь диапазон влагосодержаний разбивается на концентрационные зоны, и значения теплофизических характеристик материала выбираются на основе среднего влагосодержания в каждой зоне. В методе «микропроцессов» используются интервалы времени, поэтому для каждой концентрационной зоны необходимо сначала рассчитать конечное влагосодержание, затем определить среднее влагосодержание и на его основе определить значения теплофизических характеристик и так далее. Оба метода были разработаны для учета изменений тепло- и массопереноса в материале. Изменения зависят от влагосодержания и температуры материала. Методы могут быть использованы для эффективного решения задачи моделирования.
Рис. 4. Выбор метода моделирования процессов термообработки
При этом, с точки зрения необходимости учета процессов на уровне микроструктуры, следует расширить спектр используемых методов подходами на базе теории термодинамики. Для применения вторичного минерального сырья в технологическом процессе получения пеностекла, подразумевающем нагревание, необходимо понимание его поведения, в частности, вероятные фазовые переходы и преобразования. Следовательно, необходимо определение вероятных фаз и компонентов золошлаковой смеси, образующихся в процессе ее плавления. Для этого целесообразно рассмотрение с позиций термодинамики процесса структурно-вещественного преобразования кремнийсодержащих отходов. Такие имитационные модели позволят установить закономерности протекания физических процессов и химических реакций, определить оптимальную температуру плавления, состав расплавов и исходной шихты.
Шихтовые составы для получения пеностекла включают стеклобой, как основной стеклообразующий компонент, золошлаковую смесь (ЗШС), как частичную замену стеклобоя, антрацит как порообразователь, MgO как модификатор, натрий тетраборнокислый 10-водный Na2B4O7·10H2O ‒ для снижения температуры плавления, Cr2O3 и ZrO2, как катализаторы кристаллизации, мел технический в качестве дополнительного источника кальция для формирования кристаллических фаз.
Основная часть. В работе предлагается методология разработки и производства пеностекла, которая представляет собой многоступенчатый процесс, начинающийся с детального анализа свойств и влияния различных компонентов сырьевой шихты на структуру и свойства конечного продукта. Этот анализ позволяет определить оптимальные соотношения и типы компонентов сырьевой шихты для достижения требуемых характеристик пеностекла. Следующим этапом является оптимизация состава сырьевой шихты и режимов термообработки, что включает в себя выбор температурных режимов и времени обработки для формирования структуры пеностекла с заданными эксплуатационными свойствами. Для поддержки этого процесса используется математическая модель, которая позволяет прогнозировать свойства пеностекла на основе входных параметров, таких как химический состав сырьевых компонентов и данные температурно-временного режима получения пеностекла. Применение современных методов анализа, включая рентгенофазовый анализ для изучения фазового состава, микротомографическое сканирование для визуализации структуры и термический анализ для определения тепловых свойств, обеспечивает глубокое понимание структуры и свойств пеностекла. Далее, с помощью статистического анализа и машинного обучения анализируются собранные данные для выявления закономерностей между составом сырьевой смеси, условиями получения пеностекла и его свойствами, что позволяет уточнить технологические параметры и повысить качество пеностекла. На заключительном этапе формулируются рекомендации по оптимизации технологических параметров, направленные на снижение затрат при сохранении или даже улучшении эксплуатационных характеристик пеностекла. Таким образом, предложенная методология обеспечивает комплексный подход к управлению процессом производства пеностекла, направленный на достижение высоких эксплуатационных характеристик при снижении затрат.
Для подтверждения предложенной методологии выполнена разработка материала на примере золошлаковой смеси ТЭС (Ростовская область, г. Новочеркасск). Химический состав золошлаковой смеси представлен кремнием, алюминием, железом, калием, кальцием (табл. 1). Параметры кристаллических фаз, содержащихся в золошлаковой смеси, представлены в таблице 2. Степень кристалличности исследуемого образца золошлаковой смеси равна 59,6 %. Результаты исследования иных характеристик представлены в [21].
Таблица 1
Химический состав золошлаковой смеси
|
Оксид |
SiO2 |
TiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MnO |
MgO |
CaO |
Na2O |
K2O |
|
Значение |
57,13 |
0,88 |
21,46 |
10,55 |
0,12 |
1,73 |
2,90 |
1,11 |
3,28 |
|
Оксид |
P2O5 |
BaO |
SO3 |
V2O5 |
Cr2O3 |
NiO |
LOI |
SUM |
|
|
Значение |
0,13 |
0,14 |
0,07 |
0,03 |
0,02 |
0,01 |
0,43 |
99,99 |
|
Таблица 2
Параметры обнаруженных кристаллических фаз в золошлаковой смеси
|
Кристаллическая фаза |
Химическая формула |
Массовая доля, мас. % |
Размер, нм |
|
Кварц |
SiO2 |
74,0 |
64,6 |
|
оксид железа (II, III) |
Fe3O4 |
10,1 |
16,0 |
|
оксид алюминия калия |
Al9KO9.5 |
15,9 |
74,2 |
С учетом полученных результатов и анализа научно-технической литературы [22–25] и ранее выполненных исследований [6, 7] определен температурно-временной режим синтеза (рис. 5), спроектированы составы шихт для получения пеностекла с различной долей содержания кристаллической фазы в аморфной структуре (табл. 3).
Рис. 5. Температурный режим синтеза
Таблица 3
Шихтовые составы для получения пеностекла
|
Состав |
Компоненты, масс. % |
||||||||
|
ЗШС |
Стеклобой |
Na2B4O7·10H2O |
Антрацит |
Мел |
ZrO2 |
MgO |
Cr2O3 |
|
|
|
0 |
26 |
60 |
8 |
6 |
– |
– |
– |
– |
|
|
1 |
26 |
60 |
8 |
6 |
– |
– |
– |
0,7 |
|
|
2 |
26 |
60 |
8 |
6 |
– |
– |
– |
0,9 |
|
|
3 |
26 |
60 |
8 |
6 |
1,7 |
0,3 |
- |
– |
|
|
4 |
26 |
60 |
8 |
6 |
4,3 |
0,3 |
- |
– |
|
|
5 |
26 |
60 |
8 |
6 |
1,7 |
– |
0,3 |
– |
|
|
6 |
26 |
60 |
8 |
6 |
4,3 |
– |
0,3 |
– |
|
|
7 |
26 |
60 |
8 |
6 |
1,7 |
– |
– |
0,3 |
|
|
8 |
26 |
60 |
8 |
6 |
4,3 |
– |
– |
0,3 |
|
Составы шихт для пеностекла разработаны таким образом, чтобы установить зависимость факторов, оказывающих влияние на кристаллизацию межпоровых перегородок. Введение инициаторов кристаллизации и модификаторов в шихтовые составы дает возможность оценки их влияния на параметры кристаллической фазы в аморфной структуре материала.
Исследования пространственной макро- и микроструктуры пеностекла выполнены с использованием микротомографического анализа. В качестве примера на рисунке 6 представлены результаты для нулевого состава пеностекла.
По результатам микротомографического исследования для образцов пеностекла проведен анализ распределения пор в пространстве, а также соотношения количества пор от их размера. Результаты наглядно демонстрируют равномерное распределение кристаллической фазы в каркасе материала.
Задача имитационного моделирования решена с использованием метода минимизации изобарно-изотермического потенциала Гиббса в программном комплексе «Селектор-С». Адекватность модели проверена расчетом трех точек на трехкомпонентной диаграмме, которая демонстрирует состояние Fe2O3-Al2O3-SiO2 в используемом программном комплексе «Селектор-C». Расчеты проведены при температуре 850 °С. Результаты расчета достаточно согласуются с экспериментальными данными известных диаграмм состояния. Получены численные значения количества вероятных фаз и компонентов, образующихся в процессе синтеза образцов пеностекла. Техника формирования модели и проведение численных экспериментов – определение начальных условий и ограничений, задание
p,T-сценариев процессов и анализ результатов имитации, подробно описаны в [26]. Кроме того, для каждого состава шихты пеностекла определены закономерности протекания физических процессов и химических реакций в процессе создания пеностекла, в частности, последовательность образования кристаллических фаз посредством применения физико-химического моделирования, реализованного в программном комплексе «Селектор-С». Исследованы температурные условия процесса и химический состав исходного сырья, как наиболее значимые составляющие технологического процесса. Для повышения эффективности автоматического управления технологическими этапами необходимы инструменты контроля, основанные на методе физико-химического моделирования. Термодинамическое моделирование взаимодействия компонентов исходной шихты выполнено для температур: 360 °С, 400 °С,
600 °С, 700 °С, 800 °С, 860 °С и разработанных составов, отличающихся технологическими добавками [27]. Анализ полученных результатов показал отсутствие необходимости корректировки температурно-временного режима и оптимальность подобранных модификаторов для экспериментальной проверки возможности управления кристаллической фазы в аморфной структуре.
а) б)
в) г)
Рис. 6. Микроструктура нулевого образца:
а) визуализация распределения частиц с высокой плотностью (выделено красным) в объеме образца,
б) визуализация распределения пор в образце (в 2D срезах), размер образца 10 мм,
в) визуализация распределения пор в объеме образца, цветом кодируется размер пор от черного (наименьшие)
к синему (наибольшие) (цветовая шкала снизу справа),
г) гистограммы распределения объёма пор по количеству (частота встречаемости)
Изучение закономерности влияния микроструктуры пеностекла на его эксплуатационные свойства выполнено с применением регрессионного и корреляционного анализов. В качестве примера приведена регрессионная модель зависимости количества кристаллической фазы от содержания оксидов в исходной шихте, характеризующая значимость компонентов и оказываемое на нее влияние. Положительный знак коэффициента перед переменной означает, что повышение количества оксида приведет к увеличению содержания кристаллической фазы в каркасе пеностекла.
(1)
Выводы. Выдвинута следующая научная гипотеза: управление прочностными свойствами пеностекла возможно путем создания гетерогенной структуры, включающей кристаллические фазы определенных параметров. С практической точки зрения одновременно необходимо соблюдать существующие тенденции к снижению стоимости продукта. Многочисленными исследованиями доказано, что применение вторичного минерального сырья в качестве замены компонентов природного происхождения ожидаемо приведет к снижению стоимости пеностекла.
Установлены адекватные методы исследования вторичного минерального сырья, изучения их микро-, макроструктуры и эксплуатационных свойств образцов, исследования влияния микроструктуры пеностекла (количество кристаллической фазы, размер кристаллов и др.) на его эксплуатационные. Сформирована единая методология, позволяющая решать задачу проектирования новых материалов при использовании отходов различного состава, особенное внимание в которой уделено задаче разработки состава исходной шихты и температурно-временного режима синтеза пеностекла.
Данную задачу следует решать итерационно – методом последовательного приближения путем анализа литературных источников для выбора температурно-временного режима и дополнительных элементов (модификаторов) исходного состава шихты «нулевого приближения», моделирования процессов термообработки, анализа результатов и корректировки температурно-временного режима с последующим переходом к предыдущим этапам в случае необходимости.
Проанализированы существующие методы моделирования на макроуровне. Определено, что с точки зрения необходимости учета процессов на уровне микроструктуры, следует расширить спектр используемых методов подходами на базе теории термодинамики.
Для подтверждения предложенной методологии выполнена разработка материала на примере золошлаковой смеси ТЭС в г. Новочеркасске. Задача имитационного моделирования решена с использованием метода минимизации изобарно-изотермического потенциала Гиббса. Анализ полученных результатов показал отсутствие необходимости корректировки температурно-временного режима и оптимальность подобранных модификаторов для экспериментальной проверки возможности управления кристаллической фазы в аморфной структуре.
Результаты экспериментальных исследований позволили установить особенности процессов формирования микроструктуры пеностекла.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность за научные консультации, оказанные при проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также при обсуждении результатов работы научному консультанту, академику РААСН, доктору технических наук, профессору Федосову Сергею Викторовичу и советнику РААСН, доктору технических наук, доценту Баканову Максиму Олеговичу.
1. Цопа Н.В., Шаленный В.Т., Степанцова В.В. Оценка сравнительной эффективности утепления и отделки стен пеностеклом или пенополистиролом на примере многоэтажного дома в г. Феодосии // Экономика строительства и природопользования. 2023. № 3(88). С. 55–64.
2. Шаленный В.Т., Степанцова В.В., Халилов А.Э. Усовершенствованная конструктивно-технологическая система утепления и отделки наружных стен изделиями из пеностекла и её окупаемость // Строительство и техногенная безопасность. 2023. № 28(80). С. 29–36.
3. Трифонов Е.Г., Шухардин А.А. Анализ теплоизоляционных материалов для резервуаров сжиженного природного газа // Вестник молодого ученого УГНТУ. 2022. № 2(18). С. 17–27.
4. Tokach Y.E., Evtushenko E.I., Vyrodov O.S. Features of Structural Formation and Properties of Technogenic Raw Materials in Construction Material Production // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 459. Pp. 022013. DOIhttps://doi.org/10.1088/1755-1315/459/2/022013.
5. Онищук В.И., Лазарова Ю.С., Евтушенко Е.И. Оценка возможности использования золы Рефтинской ГРЭС в производстве непрерывного стекловолокна // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2021. № 5. С. 71–81. DOIhttps://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-6-5-71-81.
6. Марков А.Ю., Строкова В.В., Маркова И.Ю. Оценка свойств топливных зол как компонентов композиционных материалов // Строительные материалы. 2019. № 4. С. 77. DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-769-4-77-83.
7. Марков А.Ю., Строкова В.В., Безродных А.А., Степаненко М.А. Свойства топливных зол различных типов как компонентов битумной эмульсии // Строительство и реконструкция. 2020. № 2(88). С. 67–76. DOI:https://doi.org/10.33979/2073-7416-2020-88-2-67-76.
8. Красновских М.П., Паршуков А.М., Лебедева Д.А., Вараксин К.М., Мокрушин И.Г. Опыт получения стеновой керамики с добавлением карбонатсодержащих отходов // Экология и промышленность России. 2023. Т. 27, № 9. С. 40–45. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2023-9-40-45.
9. Рахимов Р.В., Абдуллаев Б.А., Жумабеков Б.Ш., Эргашева В.В., Рузметов М.К. Сравнение рентгеновской компьютерной томографии и металлографии для определения размера пор // Металлург. 2023. № 6. С. 94–100. DOI:https://doi.org/10.52351/00260827_2023_06_94.
10. Шаванов Н.Д., Панков П.П., Бесполитов Д.В., Коновалова Н.А., Евсюков С.А., Авсеенко Н.Д., Фаткулин А.А., Лушпей В.П. Утилизация паровозных шлаков в составах композиционных материалов для усиления земляного полотна железнодорожного пути // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2024. № 1(91). С. 63–73. DOI:https://doi.org/10.17277/voprosy.2024.01.pp.063-073.
11. Баканов М.О. Моделирование высокотемпературных процессов в технологии пеностекла. Часть 1: Формирование динамики циклических нестационарных двумерных температурных полей // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. № 2(18). С. 87–102.
12. Баканов М.О. Моделирование высокотемпературных процессов в технологии пеностекла. Часть 2: Формирование пористой структуры на стадии вспенивания // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. № 3(19). С. 89–102.
13. Логачев К.И., Зиганшин А.М., Тирон О.В., Аверкова О.А., Попов Е.Н., Уваров В.А., Гольцов А.Б. Численное определение границ вихревых зон на входе в круглые отсосы-раструбы над плоскостью // Строительство и техногенная безопасность. 2022. № S1. С. 251–260.
14. Кущев Л.А., Уваров В.А., Рамазанов Р.С., Саввин Н.Ю. Моделирование процесса подсоса первичного воздуха в бытовой газовой горелке на биогазовом топливе // Научный журнал строительства и архитектуры. 2022. № 2(66). С. 49–56. DOI:https://doi.org/10.36622/VSTU.2022.66.2.004.
15. Грушко И.С. Исследование напряжений пеностекла с учетом тепловых нагрузок при отжиге // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2018. №. 2(198). С. 90–95.
16. Федосов С.В., Баканов М.О. Моделирование процессов теплопроводности и диффузии в телах канонической формы с применением метода «микропроцессов» для области малых значений числа Фурье // Изв. вузов. Химия и хим. Технология. 2021. Т. 64. Вып. 10. С. 78–83.
17. Рудобашта С.П., Карташов Э.М. Диффузия в химико-технологических процессах. М.: КолосС, 2013. 478 с.
18. Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии. Иваново: ИПК «ПресСто», 2010. 363 с.
19. Грушко И.С. Теоретическое и практическое изучение золошлаковой смеси ТЭС Ростовской области как сырьевого материала для производства пеностекла // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2020. № 4(81). С. 168–186.
20. Сопегин Г.В., Рустамова Д.Ч., Федосеев С.М. Анализ существующих технологических решений производства пеностекла // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 12. С. 1584–1609. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2019.12.1584-1609.
21. Пат. 2485058 Российская Федерация, МПК C03B 19/08, C03C 11/00. Способ получения теплоизоляционного облицовочного материала на основе пеностекла / Пучка О.В., Бессмертный В.С., Степанова М.Н., Калмыкова Е.В., Сергеев С.В.; заявитель и патентообладатель Белгородский гос. технологический ун-т им. В.Г. Шухова. № 2011145010/03; заявл. 07.11.2011; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.
22. Пат. 2503647 Российская Федерация, МПК C04B 38/08. Способ получения строительного материала / Дамдинова Д.Р., Давлетбаев М.А., Павлов В.Е., Алексеева Э.М.; заявитель и патентообладатель Восточно-Сибирский гос. ун-т технологий и управления. № 2012133577/03; заявл. 06.08.2012; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1.
23. Пат. 2697981 Российская Федерация, МПК C03B 19/08, C03C 11/00. Способ получения пеностекла / Онищук В.И., Гливук А.С., Гливук Е.А., Дороганов В.А., Коробанова Е.В., Мишин Д.А.; заявитель и патентооб-ладатель Белгородский гос. технолог. ун-т им. В.Г. Шухова. - № 2018143212; заявл. 05.12.2018; опубл. 21.08.2019, Бюл. № 24.
24. Грушко И.С., Маслаков М.П. Формирование кристаллической фазы в матрице пеностекла и ее влияние на эксплуатационные свойства материала // Стекло и керамика. 2018. № 12. С. 10–16.
25. Грушко И.С. Пути формирования и особенности развития кристаллической фазы в аморфном материале // Физика и химия стекла. 2020. Т. 46. № 6. С. 585–604. DOI:https://doi.org/10.31857/S0132665120060104.
26. Grushko I.S., Bychinskii V.A., Chudnenko K.V. Physicochemical Simulation of the Melting Process of Silicon-Containing Waste from the Energy Complex // Journal of the Minerals Metals & Materials Society. 2021. Vol. 73. No 10. Pp. 3000–3009. DOI:https://doi.org/10.1007/s11837-021-04820-w.
27. Федосов С.В., Баканов М.О., Грушко И.С., Бычинский В.А. Моделирование физико-химических процессов при синтезе пеностекла различных модификаций: фазовый анализ и прогнозирование свойств // Construction and Geotechnics. 2023. Т. 14. № 4. С. 19–33. DOI:https://doi.org/10.15593/2224-9826/2023.4.02.
