Ячеистое стекло

Министерство  образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Реферат на тему:

Ячеистое стекло

Выполнили: ст. гр.

Проверил: ассистент

Пермь 2011

Предлагаем вашему вниманию высококачественное ячеистое стекло. Оно представляет собой жесткий теплоизоляционный и звукоизоляционный материал (плиты, блоки, полуцилиндры) Состоит этот вид продукции из застывшей стекломассы, с равномерно распределенными в ней пузырьками воздуха. Ее отличительной особенностью является сочетание высокой механической прочности с малой объемной массой.

Уникальную структуру  ячеистого стекла можно получить одним из следующих способов:

1) спеканием смеси  из стекольного порошка с газообразователем, в процессе которого стекло размягчается, вспучивается газообразователем с образованием необычной структуры и изделиям придается заданная форма (так называемый «порошковый способ»);

2) спеканием изделий,  предварительно отформованных из  пеномассы, приготовляемой из стекольного порошка и устойчивой пены (так называемый «холодный» способ, поскольку формование и придание им ячеистой структуры происходит при обычных температурах);

3) вспениванием  стекломассы в стекловаренной  печи или в специальном аппарате  введением в шихту газообразователя или путем продувки стекломассы воздухом или каким-либо другим газом;

4) вспениванием  стекломассы под вакуумом за  счет выделения растворенных  в ней газов.

В промышленности для изготовления плит и блоков применяют  в основном первый способ.В зависимости от требований порошковым способом можно вырабатывать ячеистое стекло теплоизоляционное, звукоизоляционное и со специальными свойствами (более высокие механические радиопрозрачность, высокая термостойкость и др.). Для производства полуцилиндров и других видов изделий сложной конфигурации более применим «холодный» способ. В качестве исходных материалов для изготовления этой продукции используют однородные по химическому составу и не загрязненные примесями бой оконного или бутылочного стекла, отходы производства или специально навариваемое сырье. Можно также применять легкоплавкие горные породы.

В зависимости от наличия или отсутствия отходов  стекольного производства или боя  различают две схемы производства ячеистого стекла: сокращенную - при  использовании боя и расширенную, включающую варку специальной массы  и получения гранулята. Применение в качестве исходного материала отходов производства и боя сокращает количество операций в технологической схеме изготовления продукции и в ряде случаев удешевляет стоимость. Однако при этом следует учитывать, что бой, а также отходы заводов, выпускающих одновременно различные изделия, не обладают постоянством химического состава. Из такого сырья можно получить продукцию неупорядоченной структуры с объемной массой более 180 кг/м3 и водопоглощением более 5%.

При выборе рационального  состава для выработки из него ячеистого стекла к нему предъявляют  специфические требования, вызванные  особенностями существующей технологии (порошковый способ). К числу важнейших  из них относятся:

1) температура размягчения  продукции должна быть достаточно  низкой, а снижение вязкости с  повышением температуры - достаточно  медленным;

2) порошкообразное  вещество данного вида не должно  кристаллизоваться до полного  завершения вспенивания;

3) в продукции  должно достаточно содержаться  окислительного компонента, который  при реакции с восстановительным газообразователем выделяет в требуемом температурном интервале, необходимые для образования ячеистой структуры;

4) сырье должно  быть достаточно дешевым, чтобы  производство было экономически  целесообразным.

Этим условиям в  большей или меньшей степени  удовлетворяют малощелочное, бесщелочное, силикатное, алюмосиликатное, боросиликатное виды. В зависимости от физико-механических свойств и назначения различают несколько разновидностей данной продукции. Ячеистое стекло бывает  строительное (теплоизоляционное, влагозащитное или монтажное, декоративное, звукопоглощающее) и специального назначения (бесщелочное, высококремнеземистое). Также, современные предприятия выпускают изделия в виде плит следующих размеров (мм): длина - 1000, 900, 500 и 400 (475 и 200), ширина - 500 и 400 (475 и 200), толщина - 100, 120 и 140.

Было обнаружено, что путем  изготовления стекла и его последующего разбивания и спекания стеклянной пыли (с использованием некоторых добавок), можно получать своего рода “каравай”  из ячеистого стекла.

Прелесть такого «каравая»  заключалась в том, что это  было стопроцентное стекло с изолирующими и флотационными свойствами. Рецептура  стекла делала его влагостойким, тепло- и огнестойким. А ячеистая структура  стекла обеспечила изолирующие и  флотационные свойства. Так начался  поиск новых конечных применений.

Одним из таких конечных применений стало производство балластных блоков для сеток  подводных лодок в портах США в годы Второй мировой войны. В те времена была нехватка пробки, и было обнаружено, что ячеистое стекло остается на плаву и продолжает держать сетки даже после того, как  в него попадают пули и осколки, которые образовывались из-за огня надводного вооружения подводной лодки.

В то время пробку также  использовали для изоляции в установках холодильного хранения. Благодаря влагостойкости ячеистого стекла оно самым естественным образом подходило для использования  при холодильном хранении или  низкотемпературных работах, поскольку  приток воздуха из окружающего воздуха  к холодной поверхности создает  большой потенциал для насыщения  изоляции. Все это не создавало  проблем при использовании ячеистого  стекла, которое устойчиво к воздействию  такого притока пара. Таким образом, за период с пятидесятых по семидесятые  годы использование ячеистого стекла в установках холодильного хранения стало обычным делом. В тот  же период изоляция из ячеистого стекла начинает использоваться также на рынке  трубопроводов и оборудования для  температур ниже температуры окружающей среды.

Самым естественным образом  при расширении применения ячеистого  стекла в устройствах для холодильного хранения оно начинает использоваться в качестве изоляционного материала  при создании коммерческих кровельных покрытий. Именно ячеистое стекло стало  первым видом изоляции, которая была произведена в виде заостренной  к концу загнутой кровельной изоляции, что позволило перейти от изготовления плоских крыш к созданию крыш с  небольшой крутизной.

Наличие у ячеистого стекла размерных и прочностных свойств  обусловило использование этого  материала в применениях, несущих  большую нагрузку. Были разработаны  марки изоляции из ячеистого стекла с более высокой плотностью, и, в результате, на сегодняшний день более 90 процентов баков для хранения сжиженного природного газа (LNG) по всему  миру изготавливается с использованием изоляции из ячеистого стекла.

Со временем, по мере того, как все больше и больше систем вспомогательного обслуживания монтировалось  под землей (проложенные в земле, в траншеях или же в туннелях), устойчивость к воздействию грунтовых  вод стала основным фактором для  систем изоляции, позволяя сохранить  их исходные тепловые свойства. Было установлено, что в этих условиях ячеистое стекло ведет себя наилучшим образом благодаря своей влагостойкости. После этого были разработаны обшивки и поверхностные покрытия для того, чтобы обеспечить невозможность физического повреждения ячеистого стекла во время обратной засыпки грунта.

С годами появились и другие конечные применения, для которых  требовались высокоэффективные  системы изоляции с использованием ячеистого стекла. Так, например, системы, которые имеют циклы от очень  низких температур до очень высоких  температур, создают предпосылки  для размерной нестабильности изоляции. Ячеистое стекло способно быть устойчивым к таким циклическим изменениям температуры без всякого ущерба для размерной стабильности продукта. 

Продолжали создаваться  новые применения для изоляции из ячеистого стекла. Одной из таких  ниш для новых применений стало  растущее количество предприятий, которым  приходится работать с воспламеняющимися  жидкостями при реализации своих  технологий. Было установлено, что изоляция может служить своего рода “фитилем”  для горючих веществ, таких как  масло и другие химикаты, и может  спровоцировать возгорание или стать  источником топлива при возникновении  пожара. Поскольку изоляция из ячеистого  стекла огнестойка и практически  стопроцентно состоит из закрытых ячеек, такая изоляция стала стандартным  продуктом для таких применений.

Технология  производства

Для производства ячеистого  стекла необходимо сначала изготовить само стекло. Затем материал извлекают  из расплавителя при очень высокой температуре и охлаждают. Охлажденное стекло измельчается до получения тонкоизмельченного порошка, затем добавляются вспенивающие вещества. Полученный перемолотый сыпучий материал отмеривается в котлы, которые пропускаются через печи для вспенивания стекла при температуре примерно 1,000°C, здесь материал начинает вспениваться.

Получаемые “караваи”  извлекают из печей для вспенивания  стекла и помещают в печи для отжига на несколько часов, прежде чем окончательно переместить их на этап окончательной  отделки. Осуществляется целый ряд  этапов в области обеспечения  качества для того, чтобы обеспечить отсутствие дефектов в блоках. После  проверки продукт размещают на поддонах, запаковывают в усадочную упаковку и транспортируют.

Повсеместно большая часть  изоляции из ячеистого стекла используется в виде блоков. Тем не менее, для  промышленных применений из блоков изоляции из ячеистого стекла создают изоляцию для труб, покрытия соединений, а  также прочих специальных форм по потребности дистрибьютора или  сборщика. ASTM C1639 является руководящим  документом для создания изоляции из ячеистого стекла.

В число свойств продуктов из ячеистого стекла входят следующие (сертификаты испытаний можно получить у производителей):

• Влагостойкость;  
• Проницаемость: 0 перм дюйм;  
• Не становится фитилем для горючих жидкостей;  
• Устойчивые параметры изоляции (никакого старения);  
• 100-процентное стекло/никаких связывающих веществ или наполнителей;    
• Распространение пламени 0/дымообразование 0;  
• Высокий предел прочности при сжатии;  
• Широкий диапазон рабочих температур;  
• Размерная стабильность.  
• Невоспламеняемость.

Изоляцию из ячеистого  стекла для механических изоляционных применений следует производить  в соответствии со Спецификацией стандарта для теплоизоляции из ячеистого стекла Американского общества по испытанию и материалам (ASTM) C 552.

Наиболее распространенными  применениями для ячеистого стекла являются:

• Трубы и оборудование для охлажденной воды;  
• Линии подачи горячей воды из нержавеющей стали;  
• Трубы и оборудование для горячего масла; 
• Трубопроводы для сжиженного природного газа;  
• Изоляция для зеленых крыш;  
• Подземное парораспределение;  
• Трубы и оборудование для низкотемпературных работ;  
• Основы баков для сжиженного природного газа; 
• Трубы и оборудование для этиленовых установок;  
• Огнеупорные строительные панели.

Пеностекло (ячеистое стекло, вспененное стекло) – это высокопористый ячеистый неорганический теплоизоляционный материал, получаемый спеканием тонкоизмельченного стекла и газообразователя, напоминающий по своей структуре твердую мыльную пену.

Общие характеристики

Ячейки имеют сферическую  или гексагональную форму, их размер может быть от долей миллиметров  до сантиметра. Цвет материала от светло-кремового до черного, обычно зеленовато-серый. В зависимости от состава стекла и примесей, пеностекло может приобретать практически любой цвет.

При среднем диаметре ячейки 2 мкм толщина стенок ячеек варьируется  в интервале от 20 до 100 мкм.

В качестве сырья при производстве пеностекла используют стекломассу, которая  может быть сварена из следующих  исходных материалов: кварцевого песка, известняка, соды и сульфата натрия. Можно также использовать отходы стекольного производства — стекольный бой, таким образом параллельно решается вопрос утилизации стеклотары и битого стекла.

В качестве газообразователей используют (% от массы стекла): антрацит - 1,5...2%; кокс - 2...3%; торфяной полукокс; известняк или мраморная крошка — 1...1,5%; ламповая сажа - 0,2...0,5%, доломит. Температура разложения газообразователя должна быть на 50 - 70°С выше температуры размягчения стеклянного порошка.

Пористость различных  видов пеностекла колеблется от 80 до 95%.

Выделяют следующие виды пеностекла:

• гранулированное пеностекло: 
  - гравий; 
  - щебень; 
  - песок;
• блочное пеностекло: 
  - блоки;  
  - плиты; 
  - фасонные изделия из пеностекла (скорлупы). 
   
   

Основные преимущества

Долговечность. Гарантийный срок эксплуатации блоков из пеностекла с сохранением значений физических характеристик материала равен сроку эксплуатации здания и превышает 100 лет.

Пеностекло не подвержено старению, так как его уникальные свойства противостоят активным факторам, проявляющим себя с течением времени:

• окисление - активный кислород, содержащийся в атмосфере, не оказывает воздействия на пеностекло по причине того, что этот материал состоит из высших оксидов кремния, кальция, натрия, магния, алюминия; 
• эрозия - поскольку пеностекло не имеет растворимых компонентов в своей структуре, не происходит растворения и размыва материала водой;
• температурные перепады - пеностекло имеет очень низкий коэффициент линейного температурного расширения, что позволяет без ущерба для структуры материала переносить суточные и годовые колебания температуры;
• замерзание воды - высокая водостойкость пеностекла позволяет ему в течение длительного времени предотвращать образование льда, обеспечивать полную защиту от коррозии и отличную терморегуляцию;
• деформация - пеностекло недеформируемый и очень прочный для своей плотности материал, что исключает возможность его усадки, провисания, съеживания и других последствий длительного воздействия силы тяжести и механического воздействия;
• активность биологических форм - пеностекло обладает высокой степенью устойчивости к воздействию биологических форм, вследствие чего, оно не наносит вреда структуре материала.

Экспериментальные исследования объектов, утепленных пеностеклом, более 50 лет назад показали отсутствие существенных изменений в структуре  пеностекла.  
 
Прочность. Пеностекло является достаточно прочным теплоизоляционным материалом. Прочность пеностекла на сжатие в несколько раз выше, чем у волокнистых материалов и пенопласта. Для строительства это весьма важное свойство, так как чем выше прочность на сжатие, тем менее сжимается материал, подвергшийся внешнему воздействию. В то же время сжатие теплоизоляционного материала приводит к увеличению его теплопроводности и снижению теплозащитных свойств конструкции.

Пеностекло уникально  тем, что является абсолютно несжимаемым  материалом. Более того, менее прочный, чем пеностекло, теплоизоляционный  материал требует анкерного и штыревого крепления к несущей конструкции сооружения тем самым увеличивая количество инородных высокотеплопроводных включений, создающих дополнительные "мостики холода". Пеностекло может нести часть нагрузки за счет собственных физических свойств, позволяя в некоторых случаях не применять дополнительных металлических креплений, уменьшающих сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя.  
 
Стабильность размеров блоков.  Пеностекло состоит исключительно из стеклянных ячеек и поэтому не дает усадки и не изменяет с течением времени геометрические размеры строительных конструкций под действием веса эксплутационных нагрузок. Это позволяет сохраненить эксплуатационные свойства теплоизоляционного слоя.

Наличие данного фактора  важно, так как материалы, размеры  которых нестабильны из-за теплового  расширения/сжатия или усадки во время  эксплуатации могут вызывать повреждение  гидроизоляционного и отделочного  слоев, образовывать "мостики холода" из-за усадки, провисания или сжатия при охлаждении.

Пеностекло имеет коэффициент  температурного линейного расширения, сопоставимый с коэффициентом температурного линейного расширения материалов, из которых состоят классические несущие  конструкции: бетон, сталь, кладка из керамического  или силикатного кирпича. Эта  близость значений гарантирует стабильность размеров пеностекла, уложенного или  смонтированного на стальную или  бетонную конструкцию.  
 
Устойчивость физических параметров.  Пеностекло представляет собой материал, состоящий из замкнутых гексагональных и сферических, имеющих небольшие (меньше микрона) отверстия в стенках, ячеек. Поэтому во время эксплуатации не происходит изменения таких параметров блоков из пеностекла, как теплопроводность, прочность, стойкость, форма и т.д.  
Фактор сохранения свойств теплоизоляционного материала с течением времени особенно важен при эксплуатации зданий и сооружений ввиду недоступности материала после завершения работ.  
Актуальность сохранения первоначальных значений параметров утеплителя во время эксплуатации здания имеет в современном строительстве первостепенное значение как по причине повышенных требований, предъявляемых к эксплутационным качествам здания, так и по причине архитектурного усложнения конструкций здания, где затраты на капитальный ремонт и замену утратившего свои свойства утеплителя сопоставимы с затратами на возведение и постройку.  
 
Устойчивость к химическому и биологическому воздействию.  Стекло, из которого состоит пеностекло, не разрушается химическими реагентами (за исключением плавиковой кислоты), не является питательной средой для грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями растений.

Стойкость к химическому  и биологическому воздействию особенно важна при использовании пеностекла в замкнутом, невентилируемом пространстве кровли, стен, цоколя и фундамента. Отсутствие органики позволяет гарантированно избежать ситуаций, связанных с разрушением  и деструкцией теплоизоляционного материала под влиянием биологически активной среды.

Пеностекло, кроме всего  прочего, очень хороший абразивный материал. В то же время природа  еще не создала ни одной биологической  формы, способной точить абразивы без  быстрой потери естественных приспособлений. Эту особенность пеностекла активно  используют при теплозащите зернохранилищ, промышленных пищевых холодильников, складов, так как при использовании  пеностекла, помимо теплозащитного слоя, удается создать надежный барьер на пути вредителей.  
 
Негорючесть и огнестойкость.  Пеностекло является негорючим материалом, не содержащим окисляющихся компонентов. Технология производства пеностекла такова, что готовое изделие получается в результате изготовления в печах при температуре, близкой к 1000°С, поэтому при нагревании пеностекла до высоких температур оно лишь плавится как обычное стекло, без выделения токсичных газов или паров. Этот фактор важен для противопожарных свойств конструкции.  
 
Влагонепроницаемость, водостойкость и негигроскопичность.  Так как пеностекло состоит из замкнутых (не герметично) ячеек, оно практически не впитывает влагу и не пропускает влагу, и, следовательно, создает дополнительный гидробарьер. При повреждении гидроизоляции не допускает распространения воды, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.  
 
Экологическая чистота и санитарная безопасность.  Экологическая и санитарная безопасность пеностекла позволяет осуществлять утепление ограждающих конструкций не только для помещений, в которых необходима повышенная чистота воздуха (здания образовательного и медицинского назначения, спортивные сооружения, музеи, высокотехнологичные производства и т.п.), но и для зданий со специальными санитарно-гигиеническими требованиями (пищевая и фармакологическая промышленность, бани и сауны, бассейны, кафе, рестораны, столовые и т.п.). Кроме того, из-за наличия микроотверстий в стенках пузырей, изготовленные из него строительные конструкции имеют не только хорошую теплоизоляцию, но также и способность “дышать”. Это особенно важно для создания комфортабельного микроклимата в жилых помещениях. 

Основные недостатки

Недостатками пеностекла являются:

• дорогостоящее производство;
• больший вес по сравнению с другими видами теплоизоляционных материалов (ввиду высокой плотности пеностекла);
• нестойкость к ударным воздействиям - так как пеностекло состоит из стекла, то всегда существует опасность разбить его;
• для изготовления скорлуп или блоков требуется дополнительное оборудование, что ведет к увеличению стоимости блочного пеностекла;
• нецелесообразность использования пеностекла в малоэтажном строительстве, так как, в среднем, через 50 лет требуется реконструкция здания и часто уместнее применять более дешевые и удобные в монтаже традиционные материалы. 

До недавнего времени  к недостаткам можно было отнести  и запах сероводорода (запах "тухлых яиц") - его использовали при вспенивании. Сейчас производители в большинстве  своем отказались от "классической" технологии, поэтому проблем, связанных  с неприятным запахом пеностекла не возникает.

Применение

Свойства пеностекла позволяют  применять этот материал достаточно широко.

Основная сфера использования  пеностекла – создание тепло- и звукоизоляции. В качестве теплоизолятора оно может использоваться в промышленном, строительном и жилищно-коммунальном комплексах, а также в сельском хозяйстве и индивидуальном строительстве (где помимо теплоизолирующих немаловажную роль играет и его экологическая чистота).

Существуют области, в  которых применение пеностекла эффективнее  использования других теплоизоляционных  материалов:

• высотное строительство (по причине высокой прочности и огнестойкости материала);
• теплоизоляция больших по площади, а также эксплуатируемых и имеющих сложную геометрическую форму кровель;
• создание теплоизоляционных конструкций в зданиях эксплуатируемых в сложном температуро-водном режиме (портовые сооружения, бассейны, аквапарки, бани и т.п.); 
  реставрация старинных зданий;
• теплоизоляция подземных конструкций и сооружений; 
• устройство теплозащиты в промышленности, особенно пищевой и фармакологической (по причине санитарной безопасности и чистоты пеностекла);
• теплоизоляция трубопроводов и тепловых агрегатов (по причине широкого температурного режима применения); 
• химическое и нефтехимическое производство (по причине стойкости к кислотно-щелочному воздействию, а также воздействию активных углеводородных жидкостей и газов);
• пеностекло практически безальтернативно в атомной промышленности, так как имеет самый высокий класс пожаробезопасности и огнестойкости среди всех классических строительных теплоизоляционных материалов.

Каждый вид пеностекла имеет свои приоритетные области  применения. Блочное пеностекло используется для утепления и звукоизоляции  наружных стен зданий, внутренних перекрытий, утепления фундаментов, теплоизоляции  печей и трубопроводов. Гранулированное  пеностекло используется преимущественно  для утепления кровли и чердачных  перекрытий, а также в качестве засыпного материала для стен. Кроме того, низкая плотность в  сочетании с высокими теплоизолирующими  свойствами, позволяет использовать гранилированное пеностекло как наполнитель для легковесных панелей, легких бетонов, сухих строительных смесей и теплоизоляционной штукатурки, а благодаря высокой морозоустойчивости, – как теплоизолоизолирующий слой дорожного полотна. Применение пеностекла в конструкциях дорожной одежды снижает деформацию пучения при промерзании конструкции, и исключает возможность просадки полотна при оттаивании его основания. Данная технология широко применяется при строительстве дорог в Норвегии, Германии и США.

Существующие технологии позволяют выпускать пеностекло различной фактуры и цвета, что  позволяет использовать его и  в качестве облицовочного материала.