Пеностеклянный гранулят относится к минеральным теплоизоляционным материалам насыпного типа. К этой же группе, в настоящее время, следует отнести следующие материалы: керамзитовый гравий (керамзит), вспученный перлит, вспученный вермикулит, гранулированное пеностекло и Poraver® (импортный материал пеносиликатного типа). Рассмотрим свойства этих материалов подробнее.
Керамзитовый гравий
Керамзитовый гравий (керамзит) представляет собой легкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных всучиваться при быстром нагревании их до температуры 1050 – 1300°С в течение 25–45 мин. Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, объемным весом и прочностью. В зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие фракции: 5 – 10, 10 – 20 и 20 – 40 мм, зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. Материал обычно имеет насыпную плотность выше 500 кг/м3 и водопоглощение от 10 до 25%.
В свое время керамзит послужил основой для развития индустриального домостроения, в результате чего были решены задачи: значительного повышения объемов строительства, снижения трудозатрат и сокращения сроков возведения объектов. Была снята острота жилищной проблемы, проведено расселение из коммунальных квартир. За короткое время с 1958 до 1968 года мощность предприятий по производству керамзита увеличилась в 34 раза и достигла 5,294 млн. м3; наибольший объем выпуска относится к 1990г. – 38 млн. м3 на 352 заводах. При этом общий объем произведенных в этом году (абсолютный максимум) пористых заполнителей составил 49 млн. м3, то есть 77%. Основы технологии керамзита изложены в монографии Онацкого С.П. (Онацкий С.П. Производство керамзита. – М., Стройиздат, 1987. – 322 с.)
Высокие энергозатраты производства керамзита (93кг у.т. на 1 м3 заполнителя), ограниченность качественного сырья и большая плотность материала и, соответственно,- невысокие теплоизоляционные свойства привели к резкому сокращению производства керамзита в России в 90-е годы.
Тем не менее, и в настоящее время из существующих в настоящее время на рынке насыпных теплоизоляционных материалов основную долю по прежнему составляет керамзитовый гравий, который по своим теплотехническим характеристикам и относительно высокой плотности малопригоден в качестве эффективной теплоизоляции. Действительно, наиболее широко выпускаемый керамзит имеет насыпную плотность 600 кг/м3 и соответствующую теплопроводность выше 0,2 Вт/(м•К).
По экспертной оценке специалистов НИИКерамзит в 2000 г. в России было произведено около 10 млн. м3 простых засыпных заполнителей, включая керамзит. В настоящее время многие предприятия или прекратили свое существование, или простаивают, или работают с пониженной производительностью. Кроме того, наблюдается тенденция к вытеснению керамзита и замене его другими видами утеплителей при производстве наружных ограждающих конструкций в связи с низкими теплоизоляционными свойствами материала и его невысокой морозостойкостью.
Специалисты сокращение керамзитового производства связывают с повсеместным резким сокращением панельного домостроения – основного потребителя керамзитового гравия и песка. Многие даже относительно «благополучные» предприятия, в зимнее время из-за отсутствия спроса или простаивают, или, работая на пониженной производительности, выгружают свою продукцию на землю, ухудшая и без того невысокое качество керамзита. Сегодня керамзитовый гравий, в основном, расходуется на изготовление всевозможных засыпок: чердачных и межэтажных, при изготовлении пола и стен в дачных домиках. Имеются случаи применения керамзита в качестве засыпки колодцев при колодезной кладке стен из кирпича.
Другими причинами такого положения называют резко изменившиеся отношения в обществе между производством и потреблением, повышением требований к теплофизическим характеристикам ограждающих зданий и сооружений, которым однослойные керамзитобетонные панели не отвечают.
Поэтому в последние годы интенсивно создаются производства более эффективных насыпных материалов, имеющих лучшие, по сравнению с керамзитом, теплоизоляционные свойства и соответственно – значительно меньшую насыпную плотность: ниже 200 кг/м3. Преимущественно это вспученные перлит и вермикулит. Эти материалы изготавливаются из природных материалов – горных пород, содержащих в своем составе химически связанную воду. При резком нагреве материала происходит испарение воды, сопровождающееся разрывом и вспучиванием горной силикатной породы.
Вспученный перлит
Вспученный перлит получают путем обжига перлитов – силикатных горных пород, содержащих воду. Перлитами называют природный материал, породу, представляющую из себя вулканическое стекло, в составе которого 70-75% SiO2 ;12-14% AI2O3; 3-5% Na2O, примерно столько же К2О, до 1% Fe2O3, CaO, МgО. Отличительной особенностью перлитовой породы является содержание в ней от 2 до 5% связанной воды. В силу своей природы, химического состава перлит, как и любое стекло инертен, химически и биологически стоек.
В 30-е годы XX века было открыто одно его уникальное свойство. При резком термоударном нагреве до температур 1100-1150°С частицы этой породы поризуются. Резко увеличивается объем внутренних пор. Легкий пористый песок в насыпанном слое может достигать плотности 50÷600 кг/м3 (по ГОСТ 10832-74).
Мировой объем потребления вспученного перлита составляет не менее 20 млн.м3 в год. Наиболее крупными производителями вспученного перлита в мире являются США (около 7 млн.м3), Германия (около 4 млн.м3), Франция, Италия, Греция, Испания, Израиль, Китай (до 1 млн.м3 каждый).
В России до 1991 года выпускалось около 2,5 млн.м3 этого продукта. Оценить объем производства вспученного перлита в настоящее время достаточно сложно, но по данным ООО «Перлит» (сайт http://www.ooo-perlit.ru ) объем выпуска перлита после спада (1994г. - 80 тыс.м3 в год) в 2000 году достиг 150 тыс.м3 в год и продолжает расти, хотя сдерживается невысокой востребованностью материала в строительстве в связи с его потребительскими свойствами. Так обладая хорошей способностью смачиваться водой вспученный перлитовый песок может впитывать до 400% воды (по массе) и хорошо ее удерживать. Поэтому материал широко используется в агроделе для улучшения свойств почв.
Однако это же свойство – высокая влагоемкость – сдерживает применение материала в строительстве. По этому свойству материал близок к другому минеральному теплоизолятору – вспученному вермикулиту.
Вспученный вермикулит
Вспученный вермикулит (вермикулит) представляет собой сыпучий, пористый материал в виде чешуйчатых частиц серебристого или желтого цвета, получаемых ускоренным обжигом вермикулитового концентрата – гидрослюды, содержащей между элементарными слоями связанную воду. Пар, образующийся из этой воды, действует перпендикулярно плоскостям спайности и раздвигает пластинки слюды, увеличивая первоначальный объем зерен в 6-15 и более раз. После охлаждения вермикулит сохраняет приобретенный им объем с очень тонкими прослойками воздуха между листочками слюды.
Температура термообработки вермикулита составляет, в зависимости от состава, 400-1000°С. Вспученный вермикулит получается в виде гранул – по форме продолговатых червеобразных столбиков и нитей материал, за что и получил название «вермикулит» (в переводе с английского vermiculus- червячок). За рубежом вермикулит называют- минералом урожайности, японцы- лечебным минералом. Выпускается заданный фракционированный гранулированный состав от 0,25 до 10 мм.
Данный материал отличается хорошими тепло и звукоизоляционными свойствами, термической и биологический стойкостью, химической инертностью, способностью к избирательному ионному обмену. Этот комплекс свойств объясняет широкое использование вспученного вермикулита в различных отраслях промышленности, включая строительство, машиностроение, сельское хозяйство, металлургию, химию и т.д. Первое место по запасам и качеству залежей вермикулитового сырья принадлежит ЮАР, второе Ковдорскому месторождению в Мурманской области. Основная масса вермикулитового концентрата за рубежом производится в США и ЮАР. За последние годы выпуск концентрата за рубежом постоянно увеличивается, достигнув в США в 2000 году 760 тыс. тонн в год. Однако, несмотря на развитую вермикулитовую промышленность, можно констатировать, что сырьевая база вермикулита в зарубежных странах территориально ограничена.
В настоящее время вспученный вермикулит за рубежом используется в производстве более 100 наименований продукции. Продолжаются дальнейшие поиски целесообразных областей применения вермикулита. В нашей стране вермикулит стал применяться в промышленных масштабах в 60-ых годах. На территории бывшего СССР открыто более 22 месторождений вермикулита (из них 17 в России) с прогнозным запасом еще 200 млн. тонн, которые расположены по всей стране. В т.ч. на Урале, в Сибири, на севере Европейской части страны и т.п. Россия располагает крупнейшей в мире сырьевой базой вермикулита. В 1976 году введена в эксплуатацию Ковдорская обагатительная фабрика мощностью 56 тыс. тонн концентрата в год. С начала 80-х – работает обагатительная фабрика на Урале (г.Кыштым, Челябинской обл.). Работают несколько временно действующих карьеров по добыче вермикулитовой руды. Все это указывают на широкие перспективы применения вспученного вермикулита в России. Анализ конструктивных изменений структуры вермикулитового рынка в США показывает на увеличение в последние годы объема применения вспученного вермикулита в сельском хозяйстве. Около одной трети всего производимого на Западе вермикулита используется в сельском хозяйстве: овощеводстве, садоводстве, животноводстве, ветеринарии, гидропонике, при дражировании семян и хранении овощей и т.п.
Типичный химический состав вермикулита следующий: SiO2 - 38,0÷49,0%; TiO2–1,5%; MgO - 20,0÷23,5%; Cr2O3 - 0÷0,5%; Al2O3 - 12,0÷17,5%; MnO - 0,1÷0,3%; Fe2O3 - 5,4÷9,3%; Cl– - 0÷0,5%; FeO - 0÷1,2%; CO2 - 0÷0,6%; K2O - 5,2÷7,9%; S - 0÷0,2 %Na2O - 0÷0,8%; H2O - 5,2÷11,5%; CaO - 0,7÷1,5%. Величина кислотности pH около 7,0 (нейтральная). Теплопроводность 0,05 Вт/м.К (зависит от удельного веса). Температура плавления около 1315°С, начало спекания 1260°С. Инертен к органическим растворителям и нерастворим в воде. Не разлагается, не имеет запаха, не поглощает влагу, не имеет раздражающих свойств. Обладает хорошими сорбционными свойствами для газовых и жидкостных сред.
Именно высокие сорбционные свойства и влагоемкость являются причиной упомянутого расширения вермикулита в сельском хозяйстве, но в то же время высокая влагоемкость и крайне низкие прочностные характеристики материала делают весьма ограниченным его использование как заполнителя в строительных растворах.
Вероятно, ограниченность применения материала в строительстве не позволила найти данные об объемах его потребления строительной отраслью, но, вероятно, эта величина значительно меньше потребления описанного выше вспученного перлита.
Взрывной характер удаления воды из керамзита, вермикулита и перлита в процессе термообработки приводит к лабиринтной и открытой пористости получаемых материалов. Как следствие этого, указанные материалы имеют высокую влагоемкость и низкую морозостойкость, кроме того, слоистый или лабиринтный характер пор приводит к высокой дефектности структуры и относительно невысокой прочности. В отличие от этой группы материалов, теплоизоляторы с замкнутыми и сферическими (или гексагональными) порами имеют больше шансов обладать низкой влагоемкостью и высокой прочностью. К насыпным материалам с таким типом структуры пор следует отнести помимо рассматриваемого пеностеклянного гранулята еще гранулированное пеностекло Poraver®. Рассмотрим эти материалы подробнее.
Гранулированное пеностекло
Гранулированное пеностекло представляет собой легкую твердую пену, обычно черного цвета. Изготавливается пеностекло из обычного стекла путем его размола до тонкого порошка, добавления порообразователя (обычно порошка угля или мела) и термообработки полученной смеси при 750÷850°С. При повышенной температуре порошок стекла спекается, становится пластичным, а выделяющиеся из порообразователя газы расширяются и вспенивают материал, который после охлаждения сохраняет полученную форму. Впервые пеностекло было получено советским академиком И.И.Китайгородским в 30-е годы 20-го века. В Советском Союзе до начала 90-х годов работало четыре завода по производству материала, но к настоящему времени из них функционирует только один на территории Беларуссии – в Гомеле (ОАО Гомельстекло). Однако гранулированное пеностекло промышленно в Советском Союзе не выпускалось, хотя на техническую возможность указывал в своих монографиях признанный авторитет в технологии пеностекла Б.К.Демидович (Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника.- 1972.- 304 с.; Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника.- 1975.- 248 с.).
Побочным продуктом производства плитного пеностекла является пеностеклянный щебень. Кроме того, пеностеклянный щебень производят как самостоятельный продукт при резком охлаждении пеностеклянных плит. Наиболее известным производителем пеностеклянного щебня является завод Schaumglas- Schotter в Германии (сайт http://www.sgag.de/mill/tour/tour1.html), где материал производят в значительных количествах преимущественно для утепления грунтов, в том числе и в дорожном строительстве. Однако пеностеклянный щебень вследствие своего происхождения как дробленого материала, имеет часть ячеек открытых, что ухудшает его потребительские свойства как заполнителя бетонов. Кроме того, практически невозможно получить пеностеклянный щебень мелких фракций с закрытыми ячейками и низкой плотностью. Поэтому данный материал не входит в рассматриваемый сегмент рынка.
Poraver®
Наиболее близким по техническим характеристикам к пеностеклянному грануляту является импортный материал – Поравер (Poraver® сайт www.poraver.com).
В Западной Европе, в частности, в Германии этот материал успешно используется уже несколько десятилетий, причем особенно заметный взлет спроса на него отмечается в последние годы, когда проблеме энергосбережения стали уделять самое пристальное внимание.
Сырьем для производства материала Poraver® является полученное из отходов стекло, которое по различным причинам, в первую очередь техническим, нельзя использовать в стекольной промышленности для производства новых стеклянных изделий.
Для получения материала Poraver® очищенные куски стекла перемалываются в мелкий стеклянный порошок. Затем в смесительной установке к порошку из стекла добавляют воду, связующее вещество и порофор. Придание сферической формы частицам полученной смеси из стекла осуществляется в дисковом грануляторе. После этого гранулят вспенивается во вращающейся печи при температуре около 900°C. Процесс вспучивания позволяет получить мелкопористый сферический гранулят кремово-белого цвета, внутри частиц которого заключены мелкие пузырьки воздуха.
Принципиальной отличительной особенностью технологии Poraver® является получение мелких сырцовых гранул при окатывании. Этот эффект достигается за счет строгого контроля фракционного состава порошка стекла и специальных поверхностно-активных добавок в связующую жидкость. Результатом помимо уменьшения размера гранул является существенное усложнение производственной линии и значительное увеличение стоимости продукта.
По завершении процесса охлаждения материал Poraver® просеивают и сортируют по величине гранул, хранят в крупнокамерном бункере и транспортируют клиентам в грузовиках с прицепом-цистерной для транспортировки сыпучих грузов, больших мешках.
Материал Poraver® обладает относительно небольшой массой. Также ему свойственны низкая теплопроводность, что позволяет использовать его в качестве утеплителя, хорошая прочность на сжатие при очень малом весе (легче воды), нейтральный запах, в связи с чем отсутствует необходимость в дорогостоящей герметичной изоляции, нечувствительность к воздействию влаги, хорошая газопроницаемость, высокая химическая стойкость (в том числе и к щелочам), хорошие звукоизоляционные свойства, большая долговечность (даже по прошествии нескольких десятилетий материал сохраняет свои полезные свойства — усталостные явления материала отсутствуют). Кроме этого, следует упомянуть и такой немаловажный момент, что, как и любое стекло, этот материал не горюч и не разрушается под воздействием низких температур.
Отличия потребительских свойств пеностеклянного гранулята от аналогов
Приведенное выше рассмотрение основных потребительских характеристик существующих на рынке насыпных теплоизоляционных материалов, позволяет выделить отличия пеностеклянного гранулята от существующих аналогов. Эти отличия касаются как физических характеристик, так и ценовых параметров.
Основные отличия в физических свойствах всех описанных материалов имеют в основе принципиальные отличия в микроструктуре материалов. Так, если керамзит, вспученные перлит и вермикулит относятся к материалам с открытой лабиринтной пористостью, то пеностекло имеет ячеистую структуру с преимущественно замкнутыми порами.
Взрывной характер удаления воды из вермикулита, перлита и отчасти керамзита, приводит к лабиринтной и открытой пористости получаемых материалов. Поэтому эти материалы легко пропитываются водой, имеют невысокую прочность и, как следствие, не могут быть использованы как наполнители в строительных растворах.
Принципиальное отличие в свойствах материалов с открытой и закрытой пористостью становится очевидно при исследовании устойчивости материалов в воде.
Пеностекло, керамзит, перлит, вермукулит
Пеностекло, керамзит, перлит, вермукулит в воде
Пеностекло, керамзит, перлит, вермукулит в воде через 1 месяц
Очевидно, что единственным материалом, не подверженным воздействию воды, является пеностеклянный гранулят. Таким образом, материалы с замкнуто-ячеистой структурой имеют явные преимущества перед материалами группы открытой пористости в областях использования, где требуется повышенная прочность, влаго- и морозостойкость.
Для сравнения основных потребительских свойств всех материалов среди физических характеристик помимо устойчивости в воде, прочности, плотности и теплопроводности для наполнителей строительных растворов немаловажными являются такие характеристики как размер гранул, цвет.
