Physico-mechanical properties of silica-based foam glass ceramics with high content of CaCO₃

Abstract

The features of obtaining porous glass-ceramic materials based on tripoli with a CaCO₃ content of more than 20% are described. Porous glass-ceramic materials with an average density of 255 to 290 kg/m³ and compressive strength of 3.2 to 5 MPa have been developed. In terms of compressive strength (with equal average density), the developed materials surpassed foam glass.

Full Text

Пористые стеклокерамические материалы благодаря ряду положительных качеств, таких как высокая прочность, низкая теплопроводность, негорючесть, экологичность и др., широко применяются в промышленном и гражданском строительстве. Для производства пористой стеклокерамики используют различные сырьевые компоненты. В промышленном и гражданском строительстве широко применяются пеностеклокерамические материалы из отходов стекла [1–2]. Хорошими физико-механическими и теплофизическими свойствами обладает стеклокерамика на основе отходов производства [3]. Большое количество научных исследований посвящено разработке составов и исследованию свойств пористых стеклокерамических материалов из кремнистых пород (диатомит, трепел, опока) [4–6].

Известно, что залогом получения качественных строительных материалов является выполнение при их производстве рациональных технологических операций, а также постоянство состава сырьевых компонентов. Последнее условие выполнить сложнее всего. Например, кремнистые породы различных месторождений имеют значительные различия в химическом и минералогическом составе. Трепелы зачастую содержат в своем составе большое количество CaCO₃ [7]. В результате нагрева в шихте в большом количестве образуется CaO в результате разложения карбоната, который значительно снижает вязкость расплава, делая невозможным использование трепелов в качестве сырья для производства пористых стеклокерамических материалов.

Цель исследования заключалась в разработке составов и исследовании физико- механических свойств пористых стеклокерамических материалов на основе кремнистых пород с высоким содержанием CaCO₃.

Компоненты шихты для получения образцов пористых стеклокерамических материалов:

• кремнистые породы: два вида трепела, один вид диатомита (влажность ≤ 1%). Минералогический состав пород приведен в таблице 1;
• плавень:термонатрит (химическая формула – Na2CO3H2O). Массовая доля основного вещества не менее 99 %.

Таблица 1

Минералогический состав пород

Порода	Минералогический состав, %
	Кальцит	Гейландит	Мусковит	Кристобалит	Кварц	Тридимит	Аморфная фаза
Трепел №1	21,3	19,6	9,9	19,2	8,5	1,5	20,0
Трепел №2	22,4	19,8	14,3	11,4	11,1	1,0	20,0
Диатомит	0,0	0,0	10,7	0,0	14,3	0,0	75,0

Шихту для изготовления образцов пористых стеклокерамических материалов получали совместным помолом трепела, диатомита и плавня (Na2CO3·H2O). Количество диатомита в составе шихты варьировалось от 34,5 до 45%. Количество плавня принималось равным 21% от массы шихты. Размол осуществлялся в планетарной шаровой мельнице Retsch PM 400 в течение 90 мин при частоте вращения размольных стаканов равной 250 оборотов в минуту.

Полученная шихта засыпалась в металлическую форму, предварительно обработанную каолиновой обмазкой. Форма с шихтой устанавливалась в муфельную печь и нагревалась со скоростью 4,5°С/мин до температуры равной 850°С с выдержкой в течение 60 мин при температуре 600°С и в течение 30 мин при температуре 850°С. После остывания формы с полученным материалом вместе с печью до 40°С, она разбиралась, а образцы извлекались для дальнейших испытаний.

Плотность и прочность при сжатии пеностеклокерамических материалов определяли на сухих кубических образцах с размером грани 90±5 мм. За максимальное разрушающее усилие при определении прочности при сжатии принималось значение, при котором образец разрушался с растрескиванием или сминался в поверхностных слоях на 10% от первоначального значения высоты. За окончательный результат принималось среднеарифметическое значение результатов испытания пяти образцов каждого состава.

Рис. 1. Средняя плотность (а) и прочность при сжатии (б) образцов пористых стеклокерамических материалов.

На рисунке 1 представлены результаты исследования влияния минералогического состава шихты (кремнистая порода + термонатрит) на среднюю плотность и прочность при сжатии образцов пористой стеклокерамики. В ходе эксперимента было испытано 5 составов по пять образцов в каждом.

Из полученных данных (рис. 1, a) следует, что с увеличением количества диатомита в составе шихты средняя плотность образцов пористых стеклокерамических материалов увеличивается по линейной зависимости. Например, плотность образцов выше почти на 15% при увеличении в составе шихты диатомита с 34,5 до 39,5% (образцы получены на основе трепела №1). Вероятно, это можно объяснить тем, что уменьшение средней плотности образцов при замене части трепела на диатомит является следствием уменьшения в составе шихты содержания гейландита (минерал из группы цеолитов). Из литературы известно [7], что минералы из группы цеолитов являются одними из основных источников порообразования при получении стеклокерамических материалов на основе кремнистых пород (за один нагрев шихты). Согласно проведенным исследованиям, наименьшая средняя плотность (≈255 кг/м³) у образцов с содержанием диатомита в количестве 34,5% от массы шихты. Суммарное содержание гейландита в составе кремнистых пород, из которых изготовлены данные образцы, составляет 11%. Результаты, полученные при испытании образцов на основе трепела № 2 с содержанием диатомита в количестве 39,5%, не учитывались, так как они имели неравномерную пористую структуру (см. рис. 2). Наибольшая плотность у образцов состава: 34 % трепела № 2, 45 % диатомита и 21 % термонатрита. В этом случае количество гейландита в составе породы наименьшее (8,5 %).

Рис. 2. Макроструктура поверхности образцов пеностеклокерамики на основе шихты: а – 39,5% трепела №2, 39,5% диатомита и 21% термонатрита; б – 44,5% трепела №1, 34,5% диатомита и 21% термонатрита.

Несмотря на ухудшение некоторых показателей, например, увеличение плотности, введение в состав шихты диатомита в отдельных случаях необходимо. Согласно данным таблицы 1, в составе используемых трепелов содержится большое количество кальцита (>20%). Без добавления в состав шихты диатомита, получить пеностеклокерамические материалы на основе данных пород не удалось. Образцы на основе трепела состава №1 (21,5% CaCO₃) имеют равномерную пористую структуру при замене в составе шихты минимум 45% трепела на диатомит. Из состава с трепелом №2 (22,4% CaCO₃) удалось получить пористые стеклокерамические материалы при содержании в составе шихты не менее 50% диатомита от общей массы кремнистых пород. Согласно данным таблицы 1, используемый в работе диатомит на 75% состоит из аморфной фазы, которая характеризуется высокой реакционной способностью. При введении в состав шихты диатомита увеличивается количество расплава при меньшей температуре, материал имеет однородную структуру [5]. Кроме того, с заменой части трепела на диатомит в составе шихты уменьшается количество кальцита, который, как известно [7], способствует появлению в шихте расплава при более высоких температурах.

В результате проведенных исследований (рис. 1, б) установлено, что прочность при сжатии образцов пористых стеклокерамических материалов находится в линейной зависимости от их средней плотности. Наибольшая прочность при сжатии (≈5 МПа) у образцов следующих составов: 1 – 39,5% трепела №1, 39,5% диатомита и 21% термонатрита; 2 – 34% трепела №2, 45% диатомита и 21% термонатрита. Заметим, что средняя плотность образцов первого состава почти на 10% меньше, чем у второго (290 и 315 кг/м³ соответственно). Снижение прочности при сжатии образцов пеностеклокерамических материалов при увеличении в составе шихты количества диатомита, вероятнее всего, связано с уменьшением количества Al2O3 в составе материала. Снижение прочностных характеристик стеклокерамических материалов от уменьшения в их составе оксида алюминия показано в работах многих авторов [8; 9].

Согласно проведенным исследованиям, установлено, что для получения равномерной пористой структуры стеклокерамических материалов на основе представленных кремнистых пород с высоким содержанием CaCO₃ необходимо, чтобы суммарное количество кристобалита и аморфной фазы было более 55%, а отдельное количество кварца, кальцита и мусковита не превышало 12%. Средняя плотность образцов уменьшается с увеличением в составе шихты гейландита. Прочность при сжатии разработанных пористых стеклокерамических материалов при равной средней плотности больше, чем у пеностекла из отходов стекла и промышленного производства [1–3].