Том 337 № 4 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/4/5191
Получение алюмосиликатных пен и сэндвич-панелей на их основе методом микроволнового вспенивания
Актуальность. Обусловлена необходимостью получения огнестойких теплоизоляционных геополимерных пен и многослойных конструкций на их основе для применения в производстве строительных объектов и машиностроительной области. Перспективным методом получения геополимерных пен является микроволновой метод вспенивания благодаря высокой скорости процесса, доступности и высокой энергоэффективности. Цель. Разработка состава и режимов вспенивая огнестойких алюмосиликатных пен и получение сэндвич-панелей с сердечником из алюмосиликатной пены. Объекты. Метакаолин, азодикарбонамид, ксантановая камедь, щелочной раствор силиката натрия. Методы. Определение кажущейся плотности, коэффициента измельчения, прочности на сжатие, огнестойкости, теплоизоляционных свойств, термогравиметрический анализ, цифровая микроскопия, расчетные методы. Результаты. Показано, что метод микроволнового вспенивания позволяет получать алюмосиликатные пены с равномерной мелкопористой структурой. Полученные алюмосиликатные пены характеризуется широким спектром прочности на сжатие от 0,9 до 2,8 МПа, и плотностью от 160 до 380 до кг/м3. Добавление азодикарбонамида приводит к значительному увеличению кратности вспенивания, при этом наиболее эффективной концентрацией вспенивающего агента является концентрация до 1,5–2 мас. %. Разработанная алюмосиликатная пена демонстрирует повышенную термическую стабильность (до 600 °С) и огнестойкость и может быть предложена в качестве материала-заполнителя многослойных конструкций типа сэндвич-панели. Предложена технология изготовления сэндвич-панелей с сердечником из алюмосиликатного пеноматериала и облицовкой из слюдопласта. Показано, что сэндвич-панели характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами и огнестойкостью, что позволяет использовать их для создания строительных объектов с повышенной пожаробезопасностью.
Для цитирования: Получение алюмосиликатных пен и сэндвич-панелей на их основе методом микроволнового вспенивания. А. Куомалибиекэ, Д.И. Хусаинов, М.В. Бикетов, К.А. Андрианова, Л.М. Амирова. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 4, С. 34-44.
Ключевые слова:
микроволновое вспенивание, геополимеры, пеноматериал, алюмосиликаты, ксантановая камедь, сэндвич-панель
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Foamed geopolymer insulation materials: Research progress on insulation performance and durability. Y. Song, C. Xue, W. Guo, Y. Bai, Y. Shi, Q. Zhao. Journal of Cleaner Production, 2024, Vol. 444, Article no. 140991. DOI: 10.1016/j.jclepro.2024.140991.
2. Geopolymer foams: an overview of recent advancements. R. M. Novais, R. C. Pullar, J. A. Labrincha. Progress in Materials Science, 2020, Vol. 109, Article no. 100621. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.100621.
3. Insulating phosphoric acid-based geopolymer foams with water and high temperature resistance. J. Jouin, J. N. Fekoua, L. Ouamara, E. Piolet, A. Gharzouni, S. Rossignol. Construction and Building Materials, 2023, Vol. 398, Article no. 132406. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132406.
4. Bai C., Conte A., Colombo P. Open-cell phosphate-based geopolymer foams by frothing. Materials Letters, 2017, Vol. 188, P. 379–382. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.11.103.
5. Development of porous fly ash-based geopolymer with low thermal conductivity. J. Feng, R. Zhang, L. Gong, Y. Li, W. Cao, X. Cheng. Materials & Design (1980–2015), 2015, Vol. 65, P. 529–533. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.09.024.
6. Rapid fabrication of coal gangue-based alkali activated foams and application as pH regulators. X. Li, J. Zheng, K. Zheng, F. Su, Z Zhao, C. Bai, P. Colombo. Materials Letters, 2023, Vol. 338, Article no. 134020. DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134020.
7. Rapid fabrication of porous metakaolin-based geopolymer via microwave foaming. J. Zheng, X. Li, C. Bai, K. Zheng, X. Wang, G. Sun, P. Colombo. Applied Clay Science, 2024, Vol. 249, Article no. 107238. DOI: 10.1016/j.clay.2023.107238.
8. Microwave assisted cold consolidation of alkali activated suspension of glass waste powder. G. Tameni, F. Carollo, A. M. Cavazzini, M. Forzan, E. Bernardo. Materials Letters, 2025, Vol. 289, Article no. 138354. DOI: 10.1016/j.matlet.2025.138354.
9. Effect of calcination temperature on the activity of basalt tailings for the lightweight geopolymer from microwave curing. S. Lei, H. Gao, R. Feng, H. Dai, E. Bernardo, H. Zhang, L. Wang. Materials Chemistry and Physics, 2024, Vol. 328, Article no. 129991. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2024.129991.
10. Study on the Curing and Foaming of Surfactant-Modified Geopolymer Gels Based on Ash and Slag Waste from Coal Combustion. E.A. Yatsenko, S.V. Trofimov, B.M. Goltsman, W. Li, V.A. Smoliy, A.V. Ryabova, A.I. Izvarin. Gels, 2023, Vol. 10, № 1, Article no. 19. DOI: 0.3390/gels10010019.
11. Influence of alkaline activator and precursor on the foam characterization and alkali-activated foamed concrete properties. J. Dang, X. Tang, J. Xiao, A. Han. Cement and Concrete Composites, 2024, Vol. 145, Article no. 105341. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2023.105341.
12. Evaluation of the surfactant effect on the mechanical and pore properties of porous geopolymers. X. Yue, C. Cheng, A. Fan, J. Wang, K. Du M. Jiang. Green Materials, 2024, P. 1–13. DOI: 10.1680/jgrma.24.00186.
13. Лотов В.А., Сударев Е.А. Влияние хлористого натрия и углекислого кальция на реологические характеристики синтетических пенообразователей в производстве пенобетона. Известия Томского политехнического университета, 2012, Т. 320, № 3, С. 50–52.
14. Foamed geopolymer: the relationship between rheological properties of geopolymer paste and pore-formation mechanism. G. Gu, F. Xu, X. Huang, S. Ruan, C. Peng, J. Lin. Journal of Cleaner Production, 2020, Vol. 277, Article no. 123238. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.123238.
15. Rheology dependent pore structure optimization of high-performance foam concrete. D. Fan, C. Zhang, J. X. Lu, L. Peng, R. Yu, C. S. Poon. Cement and Concrete Research, 2025, Vol. 188, Article no. 107737. DOI: 10.1016/j.cemconres.2024.107737.
16. Effect of raw material fineness on the properties of inorganic foam materials from solid waste. Y. Gao, Q. Zhao, W. Guo, Z. He T. Wang. Construction and Building Materials, 2024, Vol. 447, Article no. 138074. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138074.
17. Experimental study on mechanical and thermal insulation properties of a geopolymer‐based fireproof sandwich panel. R. Pei, L. Hua, H. Zhao, X. Wang, S. Li, Z. Wu. International Journal of Applied Ceramic Technology, 2024, Article no. e14966. DOI: 10.1111/ijac.14966.
18. Structural behavior and vibration characteristics of geopolymer composite lightweight sandwich panels for prefabricated buildings. Y. Cui, H. Hao, J. Li, W. Chen, X. Zhang. Journal of Building Engineering, 2022, Vol. 57, Article no. 104872. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104872.
19. Experimental and theoretical investigation on the dynamic response of foam-geopolymer sandwich cylindrical structure under long-duration plane load. H. Zhou, Z. Wang, H. Chen, W. Wang, D. Yan, K. Zhao, Y. He. Engineering Structures, Vol. 336, Article no.120407. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.120407.
20. Flame-retardant and thermally-insulating tannin and soybean protein isolate (SPI) based foams for potential applications in building materials. X. Chen, J. Li, H. Essawy, A. Pizzi, E. Fredon, C. Gerardin, X. Zhou. Construction and Building Materials, 2021, Vol. 315, Article no. 125711. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125711.
21. Fast microwave syntheses of fly ash based porous geopolymers in the presence of high alkali concentration. S. Onutai, S. Jiemsirilers, P. Thavorniti T. Kobayashi. Ceramics International, 2016, Vol. 42, № 8, P. 9866–9874. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.086.
22. Evaluation of porosity, mechanical and thermal properties of self-ignition coal gangue-based foams via fast microwave foaming. X. Li, J. Zheng, J. Shao, M. Loutou, C. Bai, Y. Qiao, P. Colombo. Journal of Building Engineering, 2023, Vol. 68, Article no. 106062. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.106062
23. Gibson I.J., Ashby M.F. The mechanics of three-dimensional cellular materials. Proceedings of the royal society of London. A. Mathematical and physical sciences, 1982, Vol. 382, № 1782, P. 43–59. DOI: 10.1098/rspa.1982.0088.
24. Ashby M.F. The properties of foams and lattices. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2006, Vol. 364, № 1838, P. 15–30. DOI: 10.1098/rsta.2005.1678.
REFERENCES
1. Song Y., Xue C., Guo W., Bai Y., Shi Y., Zhao Q. Foamed geopolymer insulation materials: Research progress on insulation performance and durability. Journal of Cleaner Production, 2024, vol. 444, article no. 140991. DOI: 10.1016/j.jclepro.2024.140991.
2. Novais R.M., Pullar R.C., Labrincha J.A. Geopolymer foams: an overview of recent advancements. Progress in Materials Science, 2020, vol. 109, article no. 100621. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.100621.
3. Jouin J., Fekoua J. N., Ouamara L., Piolet E., Gharzouni A., Rossignol S. Insulating phosphoric acid-based geopolymer foams with water and high temperature resistance. Construction and Building Materials, 2023, vol. 398, article no. 132406. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132406.
4. Bai C., Conte A., Colombo P. Open-cell phosphate-based geopolymer foams by frothing. Materials Letters, 2017, vol. 188, pp. 379–382. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.11.10.
5. Feng J., Zhang R., Gong L., Li Y., Cao W., Cheng X. Development of porous fly ash-based geopolymer with low thermal conductivity. Materials & Design (1980–2015), 2015, vol. 65, pp. 529–533. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.09.024.
6. Li X., Zheng J., Zheng K., Su F., Zhao Z., Bai C. Colombo P. Rapid fabrication of coal gangue-based alkali activated foams and application as pH regulators. Materials Letters, 2023, vol. 338, article no. 134020. DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134020.
7. Zheng J., Li X., Bai C., Zheng K., Wang X., Sun G., Colombo P. Rapid fabrication of porous metakaolin-based geopolymer via microwave foaming. Applied Clay Science, 2024, vol. 249, article no. 107238. DOI: doi.org/10.1016/j.clay.2023.107238.
8. Tameni G., Carollo F., Cavazzini A. M., Forzan M., Bernardo E. Microwave assisted cold consolidation of alkali activated suspension of glass waste powder. Materials Letters, 2025, vol. 289, article no. 138354. DOI: 10.1016/j.matlet.2025.138354.
9. Lei S., Gao H., Feng R., Dai H., Bernardo E., Zhang, H., Wang L. Effect of calcination temperature on the activity of basalt tailings for the lightweight geopolymer from microwave curing. Materials Chemistry and Physics, 2024, vol. 328, article no. 129991. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2024.12999.
10. Yatsenko E.A., Trofimov S.V., Goltsman B.M., Li W., Smoliy V.A., Ryabova A.V., Izvarin A.I. Study on the curing and foaming of surfactant-modified geopolymer gels based on ash and slag waste from coal combustion. Gels, 2023, vol. 10, no. 1, article no. 19. DOI: 10.3390/gels10010019.
11. Dang J., Tang X., Xiao J., Han A. Influence of alkaline activator and precursor on the foam characterization and alkali-activated foamed concrete properties. Cement and Concrete Composites, 2024, vol. 145, article no. 105341. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2023.105341.
12. Yue X., Cheng C., Fan A., Wang J., Du K., Jiang M. Evaluation of the surfactant effect on the mechanical and pore properties of porous geopolymers. Green Materials, 2024, pp. 1–13. DOI: 10.1680/jgrma.24.00186.
13. Lotov V.A., Sudarev E.A. The influence of sodium chloride and calcium carbonate on the rheological characteristics of synthetic foaming agents in the production of foam concrete. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2012, vol. 320, no. 4, pp. 50–52.
14. Gu G., Xu F., Huang X., Ruan S., Peng, C., Lin J. Foamed geopolymer: The relationship between rheological properties of geopolymer paste and pore-formation mechanism. Journal of Cleaner Production, 2020, vol. 277, article no. 123238. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.123238.
15. Fan D., Zhang C., Lu J. X., Peng L., Yu R., Poon C. S. Rheology dependent pore structure optimization of high-performance foam concrete. Cement and Concrete Research, 2025, vol. 188, article no. 107737. DOI: 10.1016/j.cemconres.2024.107737.
16. Gao Y., Zhao Q., Guo W., He Z., Wang T. Effect of raw material fineness on the properties of inorganic foam materials from solid waste. Construction and Building Materials, 2024, vol. 447, article no. 138074. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.138074.
17. Pei R., Hua L., Zhao H., Wang X., Li, S., Wu Z. Experimental study on mechanical and thermal insulation properties of a geopolymer‐based fireproof sandwich panel. International Journal of Applied Ceramic Technology, 2024, article no. e14966. DOI: 10.1111/ijac.14966.
18. Cui Y., Hao H., Li J., Chen W., Zhang X. Structural behavior and vibration characteristics of geopolymer composite lightweight sandwich panels for prefabricated buildings. Journal of Building Engineering, 2022, vol. 57, article no. 104872. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104872.
19. Zhou H., Wang Z., Chen H., Wang W., Yan D., Zhao K., He Y. Experimental and theoretical investigation on the dynamic response of foam-geopolymer sandwich cylindrical structure under long-duration plane load. Engineering Structures, 202, vol. 336, article no.120407. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.120407.
20. Chen X., Li J., Essawy H., Pizzi A., Fredon E., Gerardin C., Zhou X. Flame-retardant and thermally-insulating tannin and soybean protein isolate (SPI) based foams for potential applications in building materials. Construction and Building Materials, 202, vol. 315, article no. 125711. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125711.
21. Onutai S., Jiemsirilers S., Thavorniti P., Kobayashi T. Fast microwave syntheses of fly ash based porous geopolymers in the presence of high alkali concentration. Ceramics International, 2016, vol. 42, no. 8, pp. 9866–9874. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.086.
22. Li X., Zheng J., Shao J., Loutou M., Bai C., Qiao Y. Colombo P. Evaluation of porosity, mechanical and thermal properties of self-ignition coal gangue-based foams via fast microwave foaming. Journal of Building Engineering, 2023, vol. 68, article no. 106062. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.106062
23. Gibson I.J., Ashby M.F. The mechanics of three-dimensional cellular materials. Proceedings of the royal society of London. A. Mathematical and physical sciences, 1982, vol. 382, no. 1782, pp. 43–59. DOI: 10.1098/rspa.1982.0088.
24. Ashby M.F. The properties of foams and lattices. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2006, vol. 364, no. 1838, pp. 15–30. DOI: 10.1098/rsta.2005.1678.
