Пеностекло: производство, теплотехнические и механические свойства

Что такое пеностекло

Пеностекло, или ячеистое стекло, является неорганическим теплоизоляционным материалом, состоящим из вспененной стекломассы с закрытопористой структурой. Материал получают из тонкоизмельченного стекольного порошка с добавлением углеродсодержащего газообразователя путем термической обработки при высоких температурах.

В качестве сырья используют вторичное стекло, стеклобой или легкоплавкие горные породы с повышенным содержанием щелочей. Газообразующими агентами служат каменноугольный кокс, антрацит, техническая сажа, реже известняк или мраморная крошка. Углеродсодержащие газообразователи создают замкнутые поры, карбонатные приводят к образованию частично открытых ячеек.

Технология производства пеностекла

Этапы производственного процесса

Производство пеностекла включает несколько последовательных технологических операций. Стекольное сырье подвергают тонкому помолу в шаровых мельницах до достижения частиц размером 2-10 мкм. Измельченное стекло смешивают с газообразователем в строго определенных пропорциях, получая однородную шихту.

Подготовленную шихту загружают в металлические формы из легированной стали или размещают на конвейерной ленте. Формы направляют в туннельные печи для термообработки. Процесс вспенивания протекает при температурах от 750 до 900°C в зависимости от технологии и типа продукции. При нагреве стекольные частицы переходят в вязко-жидкое состояние, углеродсодержащий газообразователь окисляется с образованием углекислого газа и монооксида углерода, вспенивающих стекломассу.

Температурные режимы по видам продукции

Блочное пеностекло получают при температуре 830-900°C методом дискретного вспенивания в отдельных формах. Для гранулированного пеностекла применяют вращающиеся печи с температурным режимом 780-820°C. Некоторые технологии с использованием специальных газообразователей позволяют снизить температуру вспенивания до 720-780°C.

После вспенивания следует критически важный этап контролируемого охлаждения для снятия внутренних напряжений. Процесс отжига длится 10-20 часов при постепенном понижении температуры на 0,5-1°C на каждом участке туннельной печи. Быстрое охлаждение приводит к образованию внутренних напряжений и повышенной хрупкости материала. Готовые блоки извлекают из форм при температуре 500-600°C и направляют на механическую обработку.

Виды и формы выпуска

Блочное пеностекло

Блочное пеностекло производят вспениванием шихты в металлических формах дискретным методом. Материал характеризуется плотностью от 100 до 200 кг/м³ для теплоизоляционных марок и 250-350 кг/м³ для изоляционно-строительных марок. Прочность на сжатие составляет от 0,4 до 4,0 МПа в зависимости от плотности. Блоки распиливают на плиты требуемой толщины для применения в ограждающих конструкциях.

Гранулированное пеностекло

Гранулированный материал получают вспениванием предварительно окатанных гранул-полуфабрикатов во вращающихся проходных печах с добавлением кварцевого песка для предотвращения спекания частиц. Гранулы имеют сферическую или близкую к сферической форму размером от 5 до 40 мм. Материал применяют как сыпучий утеплитель, заполнитель легких бетонов, теплоизоляционную засыпку.

Пеностекольный щебень

Щебень изготавливают дроблением блочного пеностекла на фракции 5-7 мм, 7-20 мм, 20-40 мм. Материал используют для утепления горизонтальных конструкций, формирования уклонообразующих слоев на плоских кровлях, теплоизоляции дорожных оснований в районах вечной мерзлоты. Насыпная плотность щебня составляет 150-250 кг/м³.

Теплотехнические свойства пеностекла

Коэффициент теплопроводности пеностекла находится в диапазоне 0,04-0,065 Вт/(м·К) согласно ГОСТ 33949-2016. Теплоизоляционные свойства обусловлены наличием закрытых газонаполненных ячеек, препятствующих конвективному переносу тепла. Показатель теплопроводности зависит от плотности: легкие марки плотностью 100-130 кг/м³ демонстрируют значения около 0,04-0,045 Вт/(м·К), материал плотностью 200-250 кг/м³ характеризуется теплопроводностью 0,055-0,065 Вт/(м·К).

Структура замкнутых стеклянных ячеек обеспечивает минимальное водопоглощение при кратковременном полном погружении - не более 5% по объему. Влага впитывается только поверхностными открытыми порами, внутренний объем материала остается сухим. Паропроницаемость составляет 0,001-0,005 мг/(м·ч·Па), что позволяет материалу выполнять функцию паробарьера в многослойных ограждающих конструкциях.

Механические характеристики

Прочность на сжатие

Прочность пеностекла на сжатие варьируется от 0,4 до 4,0 МПа в зависимости от плотности материала. Теплоизоляционные марки плотностью 120-150 кг/м³ обеспечивают прочность 0,4-0,7 МПа, что достаточно для ненагруженных конструкций. Изоляционно-строительные марки плотностью 250-350 кг/м³ выдерживают напряжения до 4,0 МПа, применяются для самонесущих элементов ограждений.

Материал практически несжимаем под действием длительных нагрузок благодаря жесткому стеклянному каркасу. Деформация не превышает 2-10% при давлениях, соответствующих многоэтажной застройке. Сохранение геометрических размеров исключает образование мостиков холода в теплоизоляционном контуре.

Температурная стабильность

Коэффициент линейного температурного расширения пеностекла составляет 8-9×10⁻⁶ 1/°C, что близко к показателям бетона и кирпичной кладки. Низкое термическое расширение обеспечивает стабильность материала при суточных и сезонных температурных колебаниях. Пеностекло применяют в диапазоне температур от минус 200°C до плюс 400°C без изменения физико-механических свойств.

Применение пеностекла в строительстве

Преимущества и недостатки пеностекла

Преимущества материала

Абсолютная негорючесть - пеностекло без каширующего слоя относится к группе НГ по ГОСТ 30244 и не поддерживает горение. При воздействии высоких температур материал плавится без выделения токсичных газов, что критично для объектов с повышенными требованиями пожарной безопасности: атомных электростанций, химических производств, подземных сооружений.

Долговечность превышает 100 лет при сохранении первоначальных характеристик. Неорганический состав - высшие оксиды кремния, кальция, натрия, алюминия, магния - исключает биологическое разрушение, окисление, гидролиз. Материал устойчив к циклическому замораживанию-оттаиванию, не разрушается под действием кислот и щелочей за исключением плавиковой кислоты.

Стабильность размеров обеспечивается структурой замкнутых стеклянных ячеек. Материал не дает усадки, не изменяет геометрические параметры под действием нагрузок и температурных воздействий. Сохранение толщины теплоизоляционного слоя гарантирует неизменность теплозащитных свойств на протяжении всего срока эксплуатации.

Ограничения применения

Хрупкость - материал не выдерживает ударных нагрузок, требует аккуратного обращения при транспортировке и монтаже. Механическую обработку выполняют алмазным инструментом для предотвращения образования трещин. При падении блоков с высоты возможно разрушение материала.

Относительно высокая стоимость обусловлена энергоемкостью производства. Полный технологический цикл изготовления одного блока занимает 24 часа, включая длительный отжиг. Себестоимость пеностекла превышает стоимость полимерных утеплителей в 2-4 раза, что ограничивает применение в малоэтажном строительстве.

Нормативная база

Производство и применение пеностекла регламентируется следующими национальными стандартами:

Стандарты устанавливают требования к сырью, технологическим режимам, методам контроля качества, правилам приемки и хранения продукции. ГОСТ 33949-2016 не распространяется на изделия с теплопроводностью более 0,065 Вт/(м·К) и материалы, получаемые вспучиванием водорастворимых силикатов при температурах менее 650°C.