Производство экологически безопасных строительных материалов на основе торфа и гипса

ВЕСТНИК 1/2012

УДК 666.974

П.П. Гуюмджян, Т.Г. Ветренко, Н.М. Виталова

ФГБОУВПО «ИГАСУ»

ПРОИЗВОДСТВО ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТОРФА И ГИПСА

Проведены исследования по созданию композиционного материала на основе торфа с использованием гипсового вяжущего с улучшенными теплотехническими характеристиками, позволяющими применять его при возведении зданий различного назначения.

Ключевые слова: торф, гипс, композиционный материал, средняя плотность, прочность при сжатии и при изгибе, подбор состава, теплопроводность, тепловая обработка.

К приоритетным направлениям развития новых строительных материалов относится создание теплосберегающих и малоотходных технологий, позволяющих максимально использовать природные сырьевые компоненты, а также местные некондиционные отходы. Многие теплоизоляционные материалы, применяемые в стройиндуст-рии, производятся на основе полимеров, которые обладают рядом недостатков: невысокой долговечностью, плохой адгезионной способностью, выделяют токсические вещества при эксплуатации, а также имеют невысокую прочность при сжатии и при изгибе, а также ряд других отрицательных свойств. Кроме того, при создании строительных материалов мало внимания уделяется их экологической безопасности. Хотя это один из важнейших показателей при строительстве зданий как жилого, так и промышленного назначения.

По мнению авторов, особого внимания при производстве строительных материалов с улучшенными теплофизическими свойствами заслуживает применение торфа, представляющего собой почвенную массу с достаточно высокими теплоизолирующими свойствами. В строительстве торф применяется в основном в качестве теплоизоляционного материала в виде плитного утеплителя с достаточно высокими теплофизическими характеристиками. Уникальные свойства торфа: низкая плотность, малая теплопроводность — обусловливают целесообразность его использования в качестве крупного заполнителя легких бетонов. При определенных составах и технологических режимах может быть достигнуто не только улучшение структуры и снижение коэффициента теплопроводности, но и увеличение звукопоглощающей способности легкого бетона.

При подборе минерального вяжущего приоритет был отдан цементному и гипсовому вяжущим материалам. При взаимодействии с водой данные вяжущие образуют слабокислую среду, которая не вызывает выделения из торфа веществ, отрицательно влияющих на физико-механические характеристики получаемого композита [1—3].

Целью экспериментальных исследований была разработка композиционного материала на основе торфа и гипса, обладающего удовлетворительными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

В качестве сырья фрезерный торф низинного типа (ГОСТ 11306—83), отобранный из штабелей предприятия ЗАО «Южа-торф» (Ивановская область), гипс Р-модификации марки Г-5 Д11 (ГОСТ 125—79) завода «Авангард-Кнауфф» (г. Дзержинск Нижегородской области), бездобавочный портландцемент класса по прочности 42,5 Б быстротвердеющий (ГОСТ 31108—2003) производства ОАО «Мордовцемент».

Физико-механические характеристики композиционных материалов на основе торфа определяются исходя из следующих показателей: предел прочности при сжатии и изгибе; сроки схватывания; теплопроводность, плотность в зависимости от вида заполнителя и вяжущего, влажность и деформативность при возрастании осевой нагрузки. Использовались стандартные методы испытаний.

Подбор состава и задача проектирования композиционного материала на основе торфогипса заключалась в разработке оптимальной технологии получения бетонной смеси, обладающей заданными свойствами. Причем технология должна базироваться на оптимальных производственных расходах сырьевых материалов.

При подборе состава гипсобетона необходимо было получить композиционный материал заданной плотности и прочности, так как основным недостатком изделий на основе торфа являются низкие механические показатели. С учетом этого основополагающим фактором при выборе оптимальных технологических параметров получения строительных композиционных материалов из торфогипсовой смеси является обеспечение относительно высоких механических свойств и минимизации средней плотности изделий.

Технология производства должна также учитывать, что всякое механическое воздействие на сырьевую массу, в т.ч. перемешивание и последующее формование, допустимы только в начальный период затворения. Перемешивание компонентов после начала схватывания уже недопустимо, так как оно приведет к нарушению связи между кристаллами образующегося двухводного гипса и снижению прочности отформованных изделий.

Для определения прочности Я композиционного материала оптимальной структуры можно воспользоваться уравнением [4]

к240Ё

R=-г-ж>

(5 / 5*)2(г / r0)p/f

где k2 — поправочный коэффициент перехода от хрупкого к вязкому разрушению; G — удельная свободная энергия, Дж/м2; Е — модуль упругости; (5/5*)и — отношение толщин пленок среды в вяжущем веществе и вяжущем оптимальной структуры; n — показатель степени, зависящий от характера плотности упаковки микрочастиц вяжущего вещества, n = 2; r/r0 — отношение межмолекулярных расстояний в микроструктуре вяжущего вещества соответственно в момент разрушения и отталкивания; р — показатель пористости структуры, %; /к — суммарная величина дефектов, способствующих концентрации напряжений, определяемая из теории Гриффита.

Из уравнения (1) следует, что для увеличения прочности композиционного материала необходимо повышать прочность вяжущего, а также увеличивать плотность упаковки. С увеличением плотности упаковки частиц композита снижается толщина пленки вяжущего вещества, что также приводит к росту прочности. Таким образом, при проектировании состава и свойств строительных композиционных материалов можно прогнозировать, например, прочность конечного продукта.

В ходе исследования изучали влияние интенсивности перемешивания торфогипсовой композиции на процесс структурообразования. Цель перемешивания — получение однородной смеси, способной хорошо укладываться, а также гомогенно распределять частицы гипсового теста по поверхности частиц торфа. Исследовали варианты перемешивания составляющих торфогипсового композита, приведенные в табл. 1. Из табл. 1 видно, что максимальное значение прочности достигается при последнем варианте перемешивания компонентов.

Табл. 1. Перемешивание составляющих торфогипсовых составляющих

Способ перемешивания Средняя плотность, кг/м3 Влажность, % Прочность, МПА

При изгибе При сжатии

(Торф+вода) + гипс 580 13 0,62 0,90

(Гипс+вода)+торф 610 13 0,52 0,88

(Торф+глина)+вода 590 17,5 0,78 0,98

(Торф+вода)+(гипс+ вода) 620 16,5 0,75 1,32

Количество воды в экспериментах подбиралось из условия естественной влажности торфа — 80 % и водогипсового соотношения В/Г = 0,5. Общее количество воды в

1/2012

опытах корректировалось исходя из условий создания подвижности торфогипсовой смеси. Установлено, что для каждого состава смеси существует своя оптимальная продолжительность перемешивания. Увеличение или уменьшение оптимального времени и интенсивности перемешивания приводит к ухудшению качества композиционной смеси, что в конечном итоге влияет на физико-механические свойства готовых торфогипсовых изделий. Так, например, при увеличении продолжительности перемешивания торфогипсовой смеси слабые частицы заполнителя разрушаются, в результате чего меняется гранулометрический состав исходных компонентов. В композиционном материале появляется достаточно большое количество частиц мелкой фракции, что приводит к повышению жесткости смеси, которая в этом случае плохо укладывается в формы.

При уменьшении времени перемешивания ухудшается качество композиционных материалов из-за снижения гомогенности. Эксперимент показал, что продолжительность перемешивания торфогипсовой смеси должна быть значительно больше, чем обычной бетонной смеси на чистом гипсовом вяжущем.

Существенно снижается качество композиционного материала и при недостатке воды и гипсового вяжущего. Экспериментально установлено наличие некой связи между количеством воды и прочностью торфогипсового композита (рис.).

Поэтому для получения необходимой пластичности торфогипсовой смеси и требуемой прочности затвердевшего композиционного материала следует строго соблюдать технологические параметры процесса производства для получения конечного продукта с заранее заданными свойствами.

На физико-механические свойства торфогипсового композита существенное влияние оказывает вода затворения. Она играет важную роль при структуро-образовании бетона.

Существенное влияние на изменение структурно-механических свойств торфогипсовой композиции оказывает соотношение гипса и торфа. Этот показатель является одним из основных при производстве конечного продукта, поэтому особое внимание при исследованиях уделялось отысканию оптимального соотношения этих материалов (табл. 2). Как видно из табл. 2, с увеличением содержания торфа снижается средняя плотность и прочность торфогипсовых образцов как при изгибе, так и сжатии. Одновременно повышается влажность образцов.

- 3Т I

л" 2-'

§ 1.5" Ъ 1"

о. 0.5   С 0-.

При изгибе -При сжатии

10 20 Количество воды, %

Влияние количества воды затворения на прочность торфогипсового композита

Табл. 2. Физико-механические свойства торфогипсового композита

Содержание торфа / гипса, массовая доля, % Средняя плотность, кг/м3 Влажность после распалубки,% Предел прочности, МПа

При изгибе При сжатии

10/90 1180 27,0 4,10 5,80

20/80 1090 32,0 3,20 4,60

30/70 906 37,5 2,06 3,20

40/60 838 41,2 1,92 2,91

50/50 670 46,2 1,10 1,41

К проектируемому составу предъявлялись следующие требования: минимальная плотность при максимальных теплоизоляционных свойствах; прочность при сжатии и изгибе для обеспечения требуемых эксплуатационных показателей как для теплоизоляционных, так и для конструкционно-теплоизоляционных материалов;

максимальная термостойкость, при которой не возникает пожарная опасность.

Основной трудностью при проектировании состава композиционного материала на основе торфогипса является обеспечение двух первых требований, поэтому была исследована зависимость между прочностью и плотностью торфогипсового композита. Результаты исследования показали, что при плотности 500...800 кг/м3 изменение прочности композита практически не наблюдается, но при дальнейшем увеличении плотности прочность и при изгибе, и при сжатии возрастает практически по линейной зависимости.

Структурную модель торфогипсового композита можно представить как каркасную, в которой каркасообразующим материалом является торф, а связующим элементом — гипсовое вяжущее. Такое структурообразование сопряжено с двумя противоположно направленными процессами. С одной стороны, протекают конструкционные процессы, связанные с твердением гипсового вяжущего, с другой — наблюдаются де-струкционные явления, характеризуемые свойствами низинного торфа. Таким образом, механические свойства торфогипсового композита зависят не только от особенностей гипсового вяжущего, но и от его количества. С увеличение количества гипсового вяжущего композит лучше уплотняется, и, как следствие, возрастают его физико-механические показатели, однако такой композит имеет относительно высокий объемный вес.

Результаты экспериментальных исследований также показали, что для достижения необходимых физико-механических свойств торфогипсового композита следует применять частицы торфа размерами до 5 мм. Увеличение размеров торфозаполнителя больше указанного приводит к резкому снижению прочностных характеристик конечного продукта. Это объясняется перераспределением внутренних усилий в композите, который в значительной мере зависит от соотношения жесткостей и модулей деформации его компонентов. Частицы торфяного заполнителя менее жесткие, чем обволакивающая их гипсовая матрица. Если модуль деформации частиц торфа ниже модуля деформации затвердевшего гипсового камня, то торфогипсовый композит практически не может достичь прочности вяжущего. Следовательно, с увеличением модуля деформации торфяного заполнителя возрастает прочность изготовленного на его основе композиционного материала. Кроме ограничения максимального размера частиц торфяного заполнителя, необходимо, чтобы торф имел оптимальный гранулометрический состав. При этом немаловажное значение имеет пористость торфяного заполнителя и его влажность. Эти два показателя существенно влияют на прочность полученных изделий, а также регламентируют необходимое количество воды затворения торфогип-совой смеси. Экспериментально установлено, что для получения торфогипсовой композиции с высокими физико-механическими показателями следует иметь заполнитель как можно более узкого гранулометрического состава.

Тепловая обработка изделий на основе вяжущих и заполнителя — завершающий этап производства. Гипс по своей природе является относительно термоустойчивым материалом, однако при температуре выше 70 °С может протекать процесс его термического разложения (дегидратации) [5]. С этим процессом связано резкое ухудшение качества торфогипсовой композиции. Но накопленная торфяным заполнителем влага позволяет производить тепловую обработку полученных торфогипсовых изделий при относительно низких температурах. Установлено, что обработка торфогипсовых изделий при температуре 60.70 °С может продолжаться до 3,5 ч без протекания при этом каким-либо деструктивных процессов.

Целью сушки всех гипсобетонных материалов является удаление лишь свободной (химически не связанной) влаги без нарушения химических связей кристаллизационной воды. Поэтому выбор параметров сушки должен быть подчинен удовлетворению только этих требований и недопущению опасного перегрева продукта [6]. В материалах из торфогипсовой композиции режим сушки должен обеспечивать не только требуемую прочность, но и отпускную влажность. Однако тепловая обработка торфогип-

ВЕСТНИК 1/2012

совых материалов сразу после формования приводит к резкому расширению его объема и нарушению структуры бетона за счет расширения воздуха, находящегося в порах. Во избежание этого явления необходимо перед сушкой отформованные изделия выдерживать некоторое время, за которое они набирают распалубочную прочность. Если соблюдать данные рекомендации, то в процессе сушки коробления образцов практически не наблюдается. Отсутствуют также характерные дефекты в виде трещин, которые могут возникнуть при усадке торфогипсового композита.

Для обеспечения оптимальных показателей торфогипсовых изделий необходимо выдерживать все режимы, предусмотренные технологией производства. При этом возможно получение торфогипсовых изделий с наилучшими теплоизоляционными и конструкционно-теплоизоляционными свойствами (табл. 3).

Табл. 3 Оптимальные физико-механические показатели торфогипсовых изделий

Показатели Единицы измерения Назначение изделий

Теплоизоляционные Конструкционно-изоляционные

Средняя плотность кг/м3 350...550 600.900

Предел прочности: МПа

при сжатии 0,25...0,4 1,35.3,2

при изгибе 0,15.0,25 1,05.2,05

Коэффициент теплопроводности Вт/мК 0,10.0,14 0,2...0,4

Отпускная влажность % 15 17

Пористость % 60.75 35.55

Библиографический список

1. Белкин Н.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. М. : Наука, 1968.

2. Суворов В.М. Теплоизоляционные материалы на основе торфа // Тезисы сб. Физикохи-мия торфа и сапропелей. Материалы XII Международной научно-технической конференции. Тверь, 1984.

3. Худовердян В.М. Методы проектирования состава торфобетона. Ереван : Изд-во Арм. ССР, 1950.

4. Справочник по строительным материалам для заводских и простроечных лабораторий / под ред. С.А. Миронова. М. : Госстройиздат, 1961.

5. Романенков И.Г., Зигелъ-Корн В.Н. Огнестойкость строительных конструкций и эффективных материалов. М. : Стройиздат, 1984.

6. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. М. : Недра, 1992.

Поступила в редакцию в декабре 2011 г.

Об авторах: |Гуюмджян Перч Погосович| — доктор технических наук, Ивановский институт государственной противопожарной службы МЧС России;

Виталова Нина Михайловна — старший преподаватель кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», Россия, 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8-(4932)-38-01-48, k_sk@igasu.ru;

Ветренко Татьяна Григорьевна — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО ИГАСУ), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8-(4932)-32-85-40, факс 8-(4932)-30-00-74, Veter_TG@mail.ru.

Для цитирования: Гуюмджян П.П., Ветренко Т.Г., Виталова Н.М. Производство экологически безопасных строительных материалов на основе торфа и гипса // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 94—99.

P.P. Guyumdzhyan, T.G. Vetrenko, N.M. Vitalova

PRODUCTION ECOLOGICALLY OF SAFE BUILD MATERIALS ON BASIS OF PEAT AND GYPSUM

The study on the creation of composite materials based on peat use-cation gypsum binder with improved thermal characteristics which en-rectifying to apply it during the construction of various buildings.

Key words: peat, gypsum, composite material, the average density, compression strength and bending, the selection of the composition, thermal conductivity, thermal processing.

Referense

1. Belkin N.M., Vinogradov G.V., Leonov A.I. Izmerenie vyazkosti i fiziko-mehanicheskih harakte-ristik materialov. Moscow, Nauka, 1968.

2. Suvorov V.M. Teploizolyatsionnye materialy na osnove torfa. Tezisy sb. Fiziko-himiya torfa i sapropeley. Materialy XII Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii. Tver', 1984.

3. Hudoverdyan V.M. Metody proektirovaniya sostava torfobetona. Erevan., Izd-vo Arm. SSR,1950.

4. Spravochnik po stroitel'nym materialam dlya zavodskih i prostroechnyh laboratoriy Moscow, Gosstrojizdat, 1961.

5. Romanenkov I.G., Zigel'-Korn V.N. Ognestoykost' stroitel'nyh konstruktsiy i effektivnyh materialov. Moscow, Strojizdat, 1984.

6. Afanas'ev A.E., Churaev N.V. Optimizacija processov sushki i strukturoobrazovanija v tehnologii torfjanogo proizvodstva. Moscow, Nedra, 1992.

A b o u t a u t h o r s: |Guyumdzhjan Perch Pogosovich| — Doctor of Technical Sciences, Ivanovo Institute of State Fire Fighting Service of Emergency Control Ministry of Russia;

Vitalova Nina Mihajlovna — Senior teacher of Department of Building Constructions, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, 153037, Russia, +7-(4932)-38-01-48, k_sk@igasu.ru;

Vetrenko Tatjana Grigorjevna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Department of Hydraulics, Water supply and Sanitation, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, 153037, Russia, +7-(4932)-32-85-40; fax: +7-(4932)-30-00-74, Veter_TG@mail.ru.

F o r c i t a t i o n: Guyumdzhjan P.P., Vetrenko T.G., Vitalova N.M. [Production ecologically of safe build materials on basis of peat and gypsum]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 94—99.