Исследования вяжущих свойств низинных торфов при производстве теплоизоляционных материалов

210

Вестник ТГАСУ №1, 2007

УДК 674.817-41

Н.О. КОПАНИЦА, к.т.н., доцент,

М.А. КАЛАШНИКОВА, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЯЖУЩИХ СВОЙСТВ НИЗИННЫХ ТОРФОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В статье приводятся сведения о возможности получения теплоизоляционных материалов на основе местного сырья. С этой целью исследуются способы регулирования процессов структурообразования в композиционных материалах на основе торфовяжущего с целью обеспечения требуемых физико-технических свойств.

Одним из важных направлений, способствующих развитию строительства в Томской области, является расширение ассортимента строительных материалов, изготовляемых с максимальным использованием местного органоминерального сырья. Большое значение для развития производства в сельскохозяйственных районах имеет изготовление эффективных теплоизоляционных стеновых материалов.

Особенностью сырьевой базы Сибири является наличие значительного количества природного сырья и отходов производства, пригодных для изготовления из них эффективных материалов для ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве. Таким сырьем, в частности, может быть торф и отходы деревообработки. Сибирский федеральный округ по запасам торфа находится на втором месте в России (34,4 млрд т или 21,8 % прогнозных ресурсов России). Торф - это возобновляемые запасы углеводородного сырья, ориентировочная цифра возможного отчуждения торфа в Западной Сибири для производственных целей без ущерба для природы составляет 1,2 млн т в год.

Среди большого многообразия природных ресурсов, требующих комплексного и экологически сбалансированного подхода к освоению и переработке, торф занимает особое место по сложности состава и свойствам, наличию различных органических и минеральных веществ, представляющих большое значение для различных направлений хозяйственной деятельности человека: топливно-энергетический и агропромышленный комплексы, металлургия, медицина, производство строительных материалов, химическая промышленность и т.д.

Торф является уникальным природным образованием, состоящим из сложных органоминеральных комплексов. Малоизученным является направление по использованию в строительстве низинных торфов, имеющих значительное содержание минеральной части и высокую степень разложения. Минеральная часть низинных торфов представлена в основном катионами: Са2+, Mg2+, Бе3+, А13+, К+, №+ и анионами: НСО3", N0^, 804", солями и комплексными органоминеральными соединениями. Основные минералы в торфе - 8Ю2 и СаО.

Низинные высокозольные (до 60 %) торфа, по сравнению с верховыми, характеризуются меньшей влажностью, большей однородностью гранулометрического состава, значительно меньшей кислотностью (рН = 6-8), но по

© Н.О. Копаница, М.А. Калашникова, 2007

клеящим свойствам низинный торф уступают верховому. Низинные торфа использовались в основном как наполнитель в композициях с минеральными или органическими вяжущими веществами (цемент, гипс, известь, битум, полимеры) [1]. Значительные запасы в природе низинных торфов, наличие в их составе активных функциональных групп, обеспечивающих потенциальные возможности физико-химического модифицирования, позволяют отнести низинный торф к перспективным местным природным сырьевым материалам, пригодным, например, для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий.

На кафедре строительных материалов ТГАСУ совместно с НИИ строительных материалов на протяжении ряда лет проводятся исследования по созданию конкурентоспособных и эффективных материалов для строительных целей на основе торфа, в том числе теплоизоляционные и конструкционнотеплоизоляционные изделия. Разработаны эффективные материалы с плотностью 180-400 кг/м3 и теплопроводностью 0,06-0,08 Вт/мС. Большое внимание в исследованиях, связанных с использованием торфа как структурообразующего компонента, было уделено проблемам интенсификации процессов активации в торфодревесных композициях, что позволило решить комплексные научно-технические проблемы, связанные с формированием микро-и макроструктуры строительных материалов на основе торфа. Это, в первую очередь, различные физические воздействия, позволяющие в значительной степени интенсифицировать химико-технологические процессы структурооб-разования твердеющих композиций и, в большинстве случаев, получать результаты, не достигаемые при традиционных технологиях. Исследования выявили способность формирования в низинном торфе-сырце, подвергнутом механохимической активации, более интенсивное формирование структур твердения органоминеральной части торфа [2], что позволило использовать его в качестве связующего компонента в композиционном материале. При разработке эффективных теплоизоляционных материалов на основе торфа за основу может была принята двухкомпонентная модель композита: прочный и пористый каркасообразующий компонент и торфосодержащий клей. В качестве каркасообразующего компонента использовались органические легкие материалы (опилки, стружка, дробленка, костра и т.д.). Высокое сродство природы исходных компонентов, низкая плотность позволили создать эффективный теплоизоляционный материал. Использование современных добавок-модификаторов обеспечивает стабилизацию и улучшение заданных параметров качества (рис. 1).

Эффективность воздействия механохимического способа активации низинного торфа на его структурно-реологические характеристики оценивалась по прочности торфовяжущего на изгиб и сжатие, а также по величине адгезии его к древесному заполнителю.

Исследования проводились на низинном и переходном торфе месторождений Челбак-2 и Пивоваровское (их характеристики представлены в табл. 1).

Рис. 1. Модель теплоизоляционного материала на основе торфа

Таблица 1

Характеристики торфа

Месторожде- ние Вид торфа Зольность, % Степень разложения, % Насыпная плотность, кг/м3 Влаж- ность, % рН

Челбак-2 Низинный 18-25 20-25 500-650 79,6 6,0-6,7

Пивоваровское Переходный 6-10 30-35 450-550 81,2 6,2-7,1

Для приготовления торфяного вяжущего торф естественной влажности измельчался в водной среде в шаровой мельнице в течение 0,5, 1, 2, 4 и 6 часов при водотвердом отношении, равном 2,6-3,0. В приготовленную суспензию пропорционально добавляли в соответствии с заданным водотвердым отношением фракционированные опилки. Смесь перемешивалась в течение 10 мин. Затем смесь послойно укладывалась в формы-балочки размером 4x4x16 см и уплотнялась пригрузочным щитом под давлением 0,02 МПа.

Образцы сушились при температуре 75-85 °С в течение 24 часов. После распалубки образцы досушивались в естественных условиях в течение 2-4 суток до приобретения равновесной влажности, после чего определялась прочность при изгибе и сжатии по стандартной методике. Результаты испытаний представлены на рис. 2.

- прочность при сжатии

- прочность при изгибе

30 60 90 120 150 180 210

Время активации торфа, мин

Рис. 2. Влияние времени активации на прочность торфовяжущего

1,6 03 С 1,4 2 у М О 3 0 Л Ю 0,8 О £ 0,6 о § 0,4 |°,2

-1 1

Из рис. 2 видно, что максимальные прочностные показатели торфодревесных образцов достигаются при времени измельчения торфяного вяжущего в течение 1 часа. В этом интервале происходит рост его удельной поверхности, при увеличении времени помола торфа в интервале от 1 до 3 часов прочность образцов снижается, что можно объяснить интенсивной агрегацией частиц торфа.

На оценку эффективности предложенного способа активации, а также установления его оптимальных режимов влияет величина адгезии торфяного вяжущего к древесному заполнителю (рис. 3). Основными факторами, влияющими на прочность сцепления торфовящущего с древесным заполнителем, являются водосодержание торфяной пасты и время ее измельчения. Максимальная адгезия торфяного вяжущего к древесному заполнителю наблюдается при водосодержании 280 %, что связано с необходимым количеством воды для насыщения нарушенных при измельчении торфа его структурных связей. При увеличении времени измельчения величина адгезии торфяного вяжущего растет, стабилизируясь в интервале 2-2,5 ч.

11 0 го о го Т ю

- - - 1 ч а о

А 2 часа

1 1 часа

Н 6 часов

Водосодержание, %

Рис. 3. Влияние водотвердого отношения и времени измельчения торфовяжущего на величину адгезии к древесному заполнителю

При механической активации низинного торфа в водной среде разрываются структурообразующие слабые связи, диспергируются агрегаты, что приводит к ускорению химических процессов. При механическом мокром измельчении торфа в шаровой мельнице в 1,5 раза увеличивается количество редуцирующих веществ [4]. Установлено незначительное увеличение водорастворимых и гуминовых кислот. Наиболее заметно (до 10 %) это фиксируется при размоле торфа во влажной среде в течение 1-2 ч. Подтверждением повышения гидравлической активности зольной части низинного торфа в процессе измельчения в водной среде является изменение показателя рН во времени (рис. 4).

рН

•водопроводная вода торф свежего помола торф, выдержанный в течение 1 суток • естественный торф

Рис. 4. Изменение рН водной вытяжки из торфа во времени

Для оценки особенностей структурообразования твердеющего торфовяжущего был проведен спектральный анализ активированного торфа в 1 сут и в 7, 14, 28 сут. На ИК-спектрограммах (рис. 5) отмечаются схожие функциональные группы в интервале частот 1000-1600 см-1 активированного торфа в первые сутки твердения и в более поздние, но с нарастающей интенсивностью, что свидетельствует о проходящих во времени процессах структурирования в торфовяжущем.

Полосы поглощения в области от 3300 до 3800 см-1 обусловлены валентными колебаниями ОН-групп воды связанной с твердой фазой торфа, и воды глинистых минералов, участвующих во внутримолекулярных водородных связях. Наиболее глубокие пики наблюдаются у свежеизмельченного торфа, в то же время к 7 сут твердения на спектрограммах появляются и к 28 сут усиливаются в области 800 до 1000 см-1 полосы поглощения ОН, зависящие от длины и прочности связи металл-гидроксил (Н_ОЛЬ или Н-ОБе3) и обусловленные деформационными колебаниями. С течением времени в процессе формирования структуры торфовяжущего увеличивается интенсивность полос в области 3200 см-1, что может свидетельствовать о переходе свободной влаги в связанную форму, что ведет к упрощению процесса сушки изделий на основе активированного торфа. В силу высокой зольности исследуемых торфов полосы поглощения функциональных групп органического вещества перекрываются линиями атомных групп минералов.

Рис. 5. ИК- спектрограммы активированного торфовяжущего:

1 - торф-сырец 2-1 сут твердения; 3 - 7 сут твердения; 4 - 14 сут твердения; 5 -28 сут твердения

Значительное содержание карбонатов кальция, магния подтверждаются

1 2 пиками 1380, 1660, 1450, 860 см- - поглощение групп СО3 , НСО3 . В полосе

поглощения 1200-979 см-1 идентифицируется пик поглощения кварца с максимумом 1100 см-1. Интенсивность одноименных пиков возрастает у образцов с увеличением срока твердения. Такие данные могут свидетельствовать об активации в процессе тонкого измельчения не только органической (за счет экстрагирования водорастворимых веществ), но и минеральной части торфа. При этом рвутся химические связи, образуются новые функциональные группы, возникают дополнительные центры адсорбции, на поверхности которых формируются органоминеральные комплексы, ускоряющие процессы струк-турообразования и способствующие увеличению прочности изделий.

Таким образом, установленные закономерности процессов структуро-образования в торфовяжущем позволяют целенаправленно влиять на процессы формирования микро- и макроструктуры эффективного торфодревесного композиционного материала, обеспечивая ему требуемые эксплуатационные характеристики.

21б

Вестник ТГАСУ Ml, 2007

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Современное состояние и перспективные пути повышения эффективности торфяной промышленности // Обзорная информация ЦБНТИП Мин. тон. нром. РСФСР. - 1987. -51 с.

2. Торфяные модифицированные композиты для эффективных стеновых конструкций / А.И. Кудяков, Н.О. Копаница, Т.Ф. Романюк [и др.] // Вестник ТГАСУ. - № 1. - 2000. -С. 178-185.

3. Эффективные строительные материалы на основе модифицированных торфов / А.И. Кудяков, Н.О. Копаница, Ю.С. Саркисов [и др.] // Строительные материалы. - М., 2002. - № 7. - С. 12-14.

4. Лиштван, И.И. Физико-химические предпосылки управления свойствами торфа. Физико-химическая механика дисперсных структур / И.И. Лиштван. - М. : Наука, 19бб. -С. 35б-3б0.

N.O. KOPANITSA, МЛ. KALASHNIKOVA

INVESTIGATION OF CEMENTING PROPERTICS OF VALLEY PEATS USED IN HEAT-INSULATING MATERIAL PRODUCTION

The paper contains information about a possibility of producing of heat-insulation materials based on the local raw material. The ways of regulating the processes of structure formation in a peat cementing agent used in composite materials to provide the necessary physicochemical properties are investigated.

УДК 624.074:[624.012.4+624.014.2]

С.А. ЩЕРБИН, канд. техн. наук, доцент,

А.И. САВЕНКОВ, канд. техн. наук, доцент,

Е.А. ЧИРКИНА, канд. хим. наук, доцент,

П. С. ГОРБА Ч, аспирант,

АнГТА, Ангарск

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

В работе предлагается новый подход к определению оптимального количества пенообразователя в водных растворах посредством измерения критической концентрации мицеллообразования.

Одним из основных факторов, влияющих на строительно-технические свойства пенобетона, является качество пенообразователя и его содержание в растворе. Так, при недостаточном содержании пенообразователя невозможно обеспечить заданную плотность бетона, а при повышенной концентрации происходит существенное замедление процессов схватывания и твердения цементной системы.

© С. А. Щербин, А.И. Савенков, Е.А. Чиркина, П.С. Горбач, 2007