CC BY
25УДК 66.045.3
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-68-72
А.Ф. БУРЬЯНОВ1, д-р техн. наук ([email protected]), И.В. МОРОЗОВ1, бакалавр ([email protected]), Н.А. ГАЛЬЦЕВА1, канд. техн. наук ([email protected]),
A.А. ЛОКТИОНОВА1, бакалавр ([email protected]);
B.Н. ШАЛИМОВ2, ведущий технический специалист ([email protected]), Д.А. ИЛЬИН2, технический специалист ([email protected])
1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
2 ООО «ТЕХНОНИКОЛЬ-Строительные Системы» (129110, г. Москва, ул. Гиляровского, 47, стр. 5)
Исследование эффективных способов использования отходов производства теплоизоляционных плит PIR
В работе представлены результаты исследований по поиску рационального применения отходов, образующихся в процессе производства теплоизоляционных плит на основе пенополиизоцианурата (PIR). При переработке получаемых отходов задействован дополнительный сырьевой компонент - гипсовое вяжущее. Проведены испытания по определению теплопроводности и прочности вновь полученного материала, дана оценка его характеристикам, приведен анализ эффективности и потребности конечного продукта на рынке строительных материалов. Установлено, что при совместном использовании гипсового вяжущего и добавки PIR получается материал со значениями теплоизоляции и прочности на приемлемом для вторичного использования уровне. Результаты исследований показали, что при оптимальном составе гипса и добавки новый строительный материал не уступает по ключевым показателям широко распространенным гипсокартону и гипсовой плите. Это является одним из подтверждений будущей востребованности полученного материала в области строительства.
Ключевые слова: пенополиизоцианурат, PIR, гипсовое вяжущее, теплопроводность, отходы.
Для цитирования: Бурьянов А.Ф., Морозов И.В., Гальцева Н.А., Локтионова А.А., Шалимов В.Н., Ильин Д.А. Исследование эффективных способов использования отходов производства теплоизоляционных плит PIR // Строительные материалы. 2019. № 3. С. 68-72. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-68-72
A.F. BURYANOV1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), I.V. MOROZOV1, Bachelor ([email protected]),
N.A. GAL'TSEVA1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.A. LOKTIONOVA1, Bachelor ([email protected]);
V.N. SHALIMOV2, Leading technical specialist ([email protected]), D.A. IL'IN2, Technical specialist ([email protected])
1 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
2 OOO "TECHNONIKOL-Building Systems" (47, bldg. 5, Gilyarovskogo Street, Moscow, 129110, Russian Federation)
The Study of Effective Ways of Use of Waste of Production of Heat-Insulating Plates PIR
The article presents the results of the research in the search of rational use of waste generated in the manufacturing process of heat-insulation boards on the basis of polyisocyanurate foam (PIR). When processing the resulting waste, an additional raw material component is involved - a gypsum binder. Tests to determine the thermal conductivity and strength of the newly obtained material were carried out, its characteristics were evaluated, its efficiency and needs for the final product at the market of building materials were analyzed. It was found that the combined use of gypsum binder and PIR additive, the material with indicators of thermal insulation and strength at an acceptable level for secondary use was obtained. The results of studies have shown that with the optimal composition of gypsum and additives, the new building material is not inferior in key indicators to widespread drywall and gypsum board. This is one of the indicators of the future demand for the obtained material in the field of construction.
Keywords: polyisocyanurate foam, PIR, gypsum binder, heat conductivity, waste.
For citation: Bur'yanov A.F., Morozov I.V., Gal'tseva N.A., Loktionova A.A., Shalimov V.N., Il'in D.A. The study of effective ways of use of waste of production of heat-insulating plates PIR. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 3, pp. 68-72. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-68-72 (In Russian).
В настоящее время большая часть предприятий, входящих в отрасль производства строительных материалов и изделий, сталкиваются с проблемой образования чрезмерно высокого количества отходов. Как правило, их подвергают последующей утилизации либо вторичному использованию [1]. Стоит обратить внимание, что к первому варианту прибегают намного чаще, поскольку вторичное использование предполагает исследование, занимающее порой длительное время, а также проведение испытаний и процедуры сертификации. Распространенным способом утилизации является захоронение отходов, что, как правило, негативным образом влияет на состояние окружающей среды [2]. В условиях современных реалий все более ухудшающейся экологической обста-
новки главная задача ответственных производителей — максимальное вторичное использование материалов наиболее целесообразным способом.
Российская Федерация напрямую заинтересована в таком подходе при рассмотрении вопроса эффективного использования отходов производства строительных материалов. Распоряжение Правительства РФ от 25 января 2018 г. № 84-р во втором разделе отражает состояние и проблемы обращения с отходами, развития промышленности по обработке, утилизации, обезвреживанию отходов на сегодняшний день. Обеспечение экологической безопасности, напрямую зависящей от возможности минимального количества захоронения отходов, и ресурсосбережение — актуальные направления. Превращение отходов для изготовления продук-
68
научно-технический и производственный журнал
март 2019
Оптимальный состав разработанного материала
6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 -0
2613,5
3035,5
_L_
5060,2
6220,6
1995 2005 2015 2017
Рис. 1. Статистика образования отходов производства и потребления
№ п/п Наименование Процентное соотношение (гипс:добавка)
1 1,5 - образец с добавлением мелкой фракции 2-5 мм, взятой в количестве 1,5% 98,5:1,5
2 К - образец с добавлением крупной фракции в количестве 1% 99:1
3 5В - образец с прессованной добавкой в количестве 5% 95:5
4 10К - образец с прессованной добавкой в количестве 10% 90:10
ции во вторичное сырье остается нерешенной задачей на федеральном и региональном уровнях. Федеральная служба государственной статистики приводит следующие данные (рис. 1). В 2005 г. в Российской Федерации зафиксировано образование порядка 3035,5 млн т отходов, в 2015 г. — 5060 млн т, т. е. за 10 лет показатель вырос на 68%. Не вызывает сомнений, что темпы роста количества производственных отходов колоссальные.
Во время исследовательской работы был поставлен вопрос: можно ли найти эффективное применение отходам производства теплоизоляционных плит РЖ с учетом минимизации наносимого окружающей среде вреда? При этом крайне важна оценка востребованности в строительной отрасли нового материала, получаемого при переработке этих отходов, его конкурентоспособность. В ходе выполнения описанной научной работы удалось найти ответы на поставленные вопросы, а также решить ряд других задач, возникших в процессе исследования.
Выбор основных сырьевых компонентов исследования
Основным компонентом нового материала являются отходы производства плит РЖ. Плитный утеплитель РЖ — это теплоизоляционный материал нового поколения, обладающий сочетанием физико-механических характеристик, недостижимым для большинства полимеров: водопоглощение — не более 1% при длительном погружении 28 сут; группа горючести — Г1 (слабогорючий), Г2 (умеренно горючие); теплопроводность — рекордно низкий показатель среди серийно выпускающихся утеплителей — 0,021 Вт/(мК) [3].
Кроме того, плиты обладают уникальной структурой, состоящей из герметично замкнутых полимерных ячеек, заполненных специальным газом. Отличительной особенностью плит является их заводское каширование специальной фольгой (рис. 2), благодаря чему они не подвержены гниению и устойчивы к плесени, грибку.
С химической точки зрения РЖ относится к особому классу полимеров — реактопластам (термореактивным пластмассам). Эти пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химиче-
ской реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала, имеют сложную ароматическую (кольцевую) структуру, пробой связей которой наступает при гораздо более сложных условиях, чем у других полимеров с линейной структурой, например термопластов. Таким образом, для РЖ характерны качества высокой стабильности, и в первую очередь термостойкости, химстойкости и т. д. Крайне ценное для готового продукта качество существенно осложняет процесс переработки отходов его производства, что на сегодняшний день представляет большую нерешенную проблему, стоящую перед заводом-изготовителем, да и перед всей отраслью полиуретанов.
Что касается гипса, он является одним из наиболее распространенных минеральных вяжущих веществ в строительстве. Интересно, что потребление гипсового вяжущего вещества не уступает цементу. Однако количество топлива, затрачиваемого на его производство, в разы меньше [4, 5]. Область применения обусловливают следующие характеристики: повышенная огнестойкость, объясняющаяся затратой большого количества теплоты на испарение кристаллизационной воды и образование пористой структуры гипса, имеющей высокий коэффициент термического сопротивления, а также гигиеничность и относительно невысокая плотность [6].
Характеристики нового продукта
Характеристики каждого описанного выше материала в отдельности объясняют их широкое использование. Однако привлекает внимание их возможная работа в комбинации. Таким образом, речь идет о получении нового материала на основе отходов производства РЖ и гипса, обладающего рядом полезных характеристик. В процессе выполнения исследования был определен его оптимальный состав, имеющий следующие значения (см. таблицу).
Были изготовлены и выдержаны нормативное времяобразцы предлагаемого материала.Изготовлен-ные образцы имели следующие типоразмеры:
— балочки, размерность которых 40x40x160 мм;
— пластины, имеющие размер 100x100x20 мм.
научно-технический и производственный журнал
март 2019 69
Рис. 2. Внешний вид теплоизоляционной плиты Р^ 6
5
4
5 3
о. 2
Вт/мК
Рис. 4. Диаграмма прочности исследуемых материалов в процентных значениях: 1 - гипсокартон (ГОСТ 6266-97); 2 - образец с прессованной добавкой Р^, в количестве 5%; 3 - образец с прессованной добавкой Р^, в количестве 10%; 4 - образец из чистого гипса; 5 - образец с добавлением крупной фракции Р^ в количестве 1%; 6 - пазогребневые плиты ГОСТ 6428-83; 7 - гипсовая плита ГОСТ 32614-2012
1 -
Время, сут
Рис. 3. График зависимости марки по прочности Г от времени ^ 1 - чистый гипс; 2 - гипс с добавкой
Результаты испытаний
Прочность. Серия прочностных испытаний на статическое сжатие выявила следующую тенденцию: образцы с содержанием добавки отхода производства РЖ показали меньшую прочность при механических воздействиях, чем образцы из чистого гипса, что вполне объяснимо инертностью добавки РЖ к компонентам сырьевой смеси. Исходя из этого, а также учитывая марку гипса, был построен примерный график зависимости прочности от времени (рис. 3).
Применение добавки РЖ в гипсовых вяжущих уменьшает прочность состава на два пункта, иными словами, используя марку Г-5, в итоге получаем гипс марки Г-3. При производстве стойкого гипсового изделия необходимо использовать более дорогостоящее гипсовое вяжущее, количество его уменьшится в исходном составе из-за наличия добавки.
В ходе испытаний прочности при изгибе было установлено, что результаты имели одинаковые значения, значения прочности при сжатии варьируются от 3 до 5 МПа. Это, в свою очередь, дает право предполагать наличие небольшой погрешности при выполнении ручной работы; в промышленной области числовые показатели будут точнее.
Разница прочностных показателей для материалов, проходящих испытания на сжатие, приведена на рис. 4.
Теплопроводность (К) — это одна из основных характеристик материала, область применения которого связана с системами ограждающих конструкций. Более того, данный показатель является основополагающим, что объясняется достаточно суровыми кли-
Рис. 5. Гипсовый материал с применением добавки Р^
матическими условиями на территории Российской Федерации [7, 8].
Условия проведения испытания по определению теплопроводности: образцы, подвергавшиеся испытаниям, имели размерность 100x100x20 мм (рис. 5), в процессе исследования помещались в электронный измеритель теплопроводности ИТП-МГ4.
После проведения испытаний по определению теплопроводности была построена диаграмма числовых показателей (рис. 6). Изделия на основе отхода производства РЖ имеют близкие, но несколько отстающие значения К по сравнению с гипсокартоном, но тем не менее лучшие характеристики, чем у пазо-гребневых плит, конкурирующих на рынке за те же области применения.
В ходе выполнения работы было выявлено, что прессованная добавка отхода производства РЖ в основе гипсового изделия обладает положительными свойствами: прочностью, являясь армирующим каркасом; водоотталкивающей способностью; тепло-
научно-технический и производственный журнал "70 март 2019 ййЙЭ^ШШ!*
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
ЧК
1,5
5В
10К
К
5П
5Н
Рис. 6. Диаграмма показателей теплопроводности для различных материалов: ЧК - образец из чистого гипса; 1,5 - образец с добавкой 5% мелкой фракции 2-5 мм, взятой в количестве 1,5%; 5В - образец с прессованной добавкой в количестве 5%; 10К - образец с прессованной добавкой в количестве 10%; К - образец с добавлением крупной фракции, в количестве 1%; 5П - образец с добавкой 5% мелкой фракции 2-5 мм с дополнительным прессованием вручную; 5Н - образец с добавкой 5% мелкой фракции 2-5 мм без дополнительного уплотнения вручную
изоляцией. На основании этого будет продолжена работа по выяснению наилучшего состава, позволяющего добиться высоких тепловых, акустических, механических и физических свойств.
Применение вышеуказанных отходов производства позволяет сократить количество используемого гипсового вяжущего вещества, что приводит к снижению денежных затрат в процессе изготовления материала. В ближайшем будущем такие изделия могут стать серьезными конкурентами гипсовым панелям и стенам, гипсокартону [9]. Конструкции с применением отходов производства при изготовлении теплоизоляционных плит на основе отходов производства PIR обладают большей теплоизоляционной способностью и, вполне вероятно, лучшей звукоизоляцией, имея за счет этого неоспоримое преимущество.
Сопутствующие проблемы переработки PIR-отходов и пути их решения
В процессе создания изделий на основе перемолотых отходов производства PIR приходится сталкиваться с проблемой, возникающей во время разделения самой добавки на фракции. Наблюдается отделение мелких частиц, несущих опасность для здоровья человека, поэтому необходимо предусматривать природоохранные мероприятия по уменьшению загрязненности воздуха путем установки дополнительных фильтров, а также проводить их своевременное обслуживание в связи с их частым забиванием мельчайшими фракциями. Утилизация мелких фракций в настоящий момент не представляется возможной. Крупная фракция должна подвергаться дроблению, а это дополнительные затраты на закупку необходимого оборудования. Исключением в данном случае не является и область электроэнергии. По времени сушка изделий на основе PIR в 2,5 раза дольше, чем у обычного гип-
сового изделия, что ведет к большим затратам времени на производство. Пылевидные частицы в прессованном PIR являются частью самой добавки и не вызывают ранее указанной трудности. Прессованная добавка на производстве нуждается в помоле.
Принципиальные особенности имеет промышленная переработка прессованной добавки, изготовленной из отходов производства PIR. Данный вид отходов производства занимает малый пространственный объем, а следовательно, и площадей складского помещения для него потребуется намного меньше. Лучшие результаты с применением прессованной добавки подтверждают целесообразность ее использования. Наиболее известный недостаток гипсокартона — подверженность разрушению от воздействия влаги. Учитывая, что в процессе выполнения исследовательской работы образцы с использованием крупной фракции имели длительное время высыхания, можно предположить, что в условиях повышенной влажности применение данных материалов уместно. В таком случае это шаг к получению влагостойкого гипсового материала [10—12].
Проблемы промышленной переработки таких отходов производства в перспективе видятся менее существенными, чем вред от прямой их утилизации. А экономический эффект, получаемый в виде дохода от потенциально возможного объема продаж нового продукта, может оправдать затраты не только на закупку оборудования, но и на организацию, функционирование технологического процесса переработки [13].
Заключение и основные выводы
Исследование эффективного использования отходов производства теплоизоляционных плит PIR стало шагом навстречу к решению актуальной глобальной проблемы современности — возможности повторного использования остатков материала от производства в виде вторичного сырья.
1. Установлено, что добавка мелкой фракции PIR 2—5 мм, а также крупных в виде отходов из пенопо-лиизоцианурата является хорошим заполнителем, повышающим отдельные характеристики конечного продукта.
2. Доказана рациональность использования материала в строительстве, потому как получены показатели теплоизоляции лучшие по сравнению с отдельными видами изделий из гипса в аналогичной области применения.
3. Важно, что на протяжении всей исследовательской работы речь шла о вторичном использовании материала, т. е. переработка, требующая дополнительных затрат электрической энергии, фактически отсутствует.
4. Целесообразно продолжение исследования в данном направлении, так как вновь полученный материал вполне может стать конкурентоспособным на рынке строительных материалов. При этом активно рассматриваются способы его модификации, например упрочнения в СВЧ-поле и др.
%
^ научно-технический и производственный журнал
март 2019 71
Список литературы
1. Безденежных М.А., Муниева Э.Ю., Жуков А.Д. Строительные материалы и экология // Перспективы науки. Тамбов. 2017. № 11 (98). С. 39—42. http://moofmk.com/assets/files/joumals/ science-prospects/98/science-prospect-11(98)--main.pdf (дата обращения 05.11.18).
2. Голов В.И., Тимофеева Я.О. Бытовые и промышленные отходы: возможности утилизации и резервы самоочищения почвенного покрова // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. Владивосток. 2008. № 1 (137). С. 91-97. https:// elibrary.ru/download/elibrary_13074080_35290200.pdf (дата обращения 6.11.18).
3. Технический лист № 8.01. Версия от 04.2017. Плиты теплоизоляционные PIR, выпускаемые по СТО 72746455-3.8.1-2014.
4. Пустовгар А.П. Опыт применения гипсовых вяжущих при возведении зданий // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 81-85.
5. Муляр С.Н. Применение экструдированных пе-нополистиролов в сэндвич-панелях // Строительные материалы. 2000. № 11. С. 23.
6. Семенов А.А. Российский рынок гипса: текущее состояние и перспективы развития // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 79-81.
7. Гравит М.В., Кулешин А.С., Беляева С.В. Национальные стандарты для жестких напыляемых PUR и PIR пен // Строительные материалы. 2017. № 10. С. 58-64. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-753-10-58-64
8. Хуммель Х.У. Технологии внутренней изоляции помещений на основе гипсокартонных плит // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 48-55.
9. Бабков А.Ю. Линии и установки по производству пенополиуретановых сэндвич-панелей // Пластические массы. 2007. № 3. С. 20-23. https:// elibrary.ru/download/elibrary_15515832_97748849. pdf (дата обращения 10.11.18)
10. Тучин Д.А., Кабанова Д.В., Мешалкин Р.С., Тоноян А.С., Федукин К.С. Анализ применения гипсокартона при строительстве жилых зданий и сооружений // Экономика и предпринимательство. 2017. № 12-3 (93). С. 1064-1066.
11. Коровяков В.Ф. Перспективы производства и применения в строительстве водостойких гипсовых вяжущих и изделий // Строительные материалы. 2008. № 3. С. 65-67.
12. Панченко А.И., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г., Козлов Н.В., Пашкевич С.А. Комплексная оценка эффективности применения гипсового вяжущего повышенной водостойкости // Строительные материалы. 2014. № 12. С. 72-75. https:// elibrary.ru/download/elibrary_22705746_58323037. pdf (дата обращения 05.11.18).
13. Стефаненко И.В. Эффективный рост высоких технологий в строительной индустрии // Строительство и реконструкция. 2011. № 5 (37). С. 95-98. http://oreluniver.ru/public/file/archive/5-37.pdf (дата обращения 08.09.18).
References
1. Bezdenezhnykh M.A., Muniyeva E.Yu., Zhukov A.D. Building materials and environment. Perspektivy nau-ki. 2017. No. 11 (98), pp. 39-42. http://moofrnk. com/assets/files/journals/science-prospects/98/sci-ence-prospect-11(98)--main.pdf (Date of access 05.11.18). (In Russian).
2. Golov V.I., Timofeyeva Ya.O. Domestic and industrial wastes: possibilities of utilization and reserves of self-purifi cation of soil cover. Vestnik dal'nevostochnogo otdeleniya Rossiyskoy Akademii Nauk. 2008. No. 1 (137), pp. 91-97. https://elibrary.ru/download/elibrary_13074080_35290200. pdf (Date of access 06.11.18). (In Russian).
3. Technical sheet No. 08.01. Version 04.2017. Thermal insulating slabs PIR, produced according to STR 72746455-3.8.1-2014. (In Russian).
4. Pustovgar A.P. Experience in the use of gypsum binders in the construction of buildings. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 3, pp. 81-85. (In Russian).
5. Mulyar S.N. The use of extruded polystyrene in sandwich panels. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials] 2000. No. 11, pp. 23. (In Russian).
6. Semenov A.A. Russian market of gypsum: present-day situation and development perspective. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 2, pp. 79-81. (In Russian).
7. Gravit M.V., Kuleshin A.S., Belyaeva S.V. National standards for rigid spray-on PUR and PIR foams. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 10,pp.58-64.D0I:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-753-10-58-64. (In Russian).
8. Hummel H.W. Technology of internal insulation of premises on the basis of gypsum-cardboard slabs. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 7, pp. 48-55. (In Russian).
9. Babkov A.Yu. Lines and installations for the production of polyurethane foam sandwich panels. Plasticheskiye massy. 2007. No. 3, pp. 20-23. https:// elibrary.ru/download/elibrary_15515832_97748849. pdf (Date of access 10.11.18). (In Russian).
10. Tuchin D.A., Kabanova D.V., Meshalkin R.S., Tonoyan A.S., Fedukin K.S. Analysis of the use of drywall in the construction of residential buildings and structures. Economika i predprinimatelstvo. 2017. No. 12-3 (93), pp. 1064-1066. (In Russian).
11. Korovyakov V.F. Prospects for the production and use in the construction of waterproof gypsum binders and products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 3, pp. 65-67. (In Russian).
12. Panchenko A.I., BuryanovAF., Soloviev V.G., Kozlov N.V., Pashkevich S.A. Complex assessment of efficiency of using gypsum binder of enhanced water resistance. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 12, pp. 72-75. https://elibrary.ru/download/elibrary_22705746_58323037. pdf (Date of access 05.11.18). (In Russian).
13. Stefanenko I.V. Effective development ofhigh the technologies in bulding industry. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2011. No. 5 (37), pp. 95-98. http://oreluniver.ru/public/file/ar-chive/5-37.pdf (Date of access 08.09.18). (In Russian).
72
научно-технический и производственный журнал
март 2019
