Исследование вяжущих свойств низинных торфов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 662.67, 662.73

КОПАНИЦА НАТАЛЬЯ ОЛЕГОВНА, докт. техн. наук, доцент, ЫрапШа@таИ ги

КОВАЛЕВА МАРГАРИТА АЛЕКСЕЕВНА, канд. техн. наук, доцент, хотосИ28@уапёвх. ги

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЖУЩИХ СВОЙСТВ НИЗИННЫХ ТОРФОВ

В статье сформулированы основные принципы получения вяжущего для производства торфодревесных теплоизоляционных материалов. Установлены закономерности процессов структурообразования в торфовяжущем, позволяющие направленно влиять на процессы формирования микро- и макроструктуры композиционных материалов, обеспечивая им требуемые эксплуатационные характеристики.

Ключевые слова: торфодревесный материал; вяжущее; активация.

KOPANITSA, NATALIA OLEGOVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof., kopanitsa@mail. ru

KOVALEVA, MARGARITA ALEKSEYEVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof., xomoch28@yandex. ru

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia

INVESTIGATION OF BINDING PROPERTIES OF LOWLAND PEAT

The main principles of obtaining the binder for production of peat-wooden insulation materials are presented in the paper. The regularities of structure formation processes in peat-binder are determined. This allows influencing on the processes of micro and macro structure formation of composite materials, providing them with the required performance characteristics.

Keywords: peat-wooden material; binder; activation.

Необходимость повышения энергоэффективности при строительстве и эксплуатации жилья предполагает создание и увеличение объемов производства строительных материалов для ограждающих конструкций, обладающих требуемыми показателями качества при существенном снижении их стоимости. В связи с этим разработка новых конкурентоспособных строительных материалов из экологически чистого местного сырья с применением инновационных энергосберегающих технологий их приготовления является важной народнохозяйственной задачей. Поиск новых технологий производства эффективных строительных материалов сопряжен с поиском новых видов сырьевых компонентов. Глубокое исследование и систематизация знаний физико-механических и химических свойств природных образований и побочных продуктов производства позволяют выявить новые возможности в их применении. Торф являет-

© Н.О. Копаница, М. А. Ковалева, 2012

ся перспективным сырьем для получения продуктов различного назначения, в том числе и строительных материалов. Анализ литературных источников и проводимые в ТГАСУ исследования [1, 2] показали возможность получения теплоизоляционного материала на основе торфа и отходов производства лесоматериалов (стружка, опилки). По результатам анализа состава и физикохимических свойств низинных торфов сделан вывод о перспективности их использования в сочетании с органическими и минеральными компонентами для производства композиционных строительных материалов различного функционального назначения. Установлено, что направленное изменение структуры, состава и свойств торфа при модифицировании с целью получения на его основе строительных материалов возможно благодаря:

- наличию в торфе гидрофильных и гидрофобных активных функциональных групп;

- агрегатному состоянию торфа, существенно зависящему от вида и свойств дисперсионной среды;

- проявлению свойств парамагнетизма и других электрофизических характеристик;

- способности компонентов торфа при определенных условиях взаимодействовать друг с другом либо через молекулы воды, либо путем обмена между ионами многовалентных металлов.

Учеными ТГАСУ [2-4] разработан теплоизоляционный материал на основе торфа, представляющий собой трехкомпонентную модель, включающую:

- торфяное связующее (вяжущее);

- каркасообразующий компонент (древесный заполнитель);

- модифицирующие добавки различного действия для направленного регулирования и улучшения эксплуатационных характеристик.

Наибольший интерес в предложенной модели представляет возможность инициирования вяжущих свойств торфяного связующего с последующим твердением. Торфяное связующее (вяжущее) представляет собой диспергированный торф низинных и переходных типов месторождений Томской области, со средней и высокой степенью зольности, средне- и малоразложившийся. Эти характеристики обеспечивают наличие в сырье необходимого количества минеральной составляющей.

Сравнение результатов ранее проведенных исследований (А.И. Кудяко-ва, Н.О. Копаницы и др.) в области активации торфа показало, что одним из эффективных способов инициирования вяжущей способности низинных и переходных типов торфов является химическая, механическая или комбинированная активация. При этом более предпочтительным для этих типов является комбинированное воздействие, путем диспергирования торфа в водной среде, а эффективность механического воздействия на вяжущие свойства низинного торфа зависит от вида мелющих устройств, при этом наиболее рациональным является использование мельниц шарового типа. Результаты исследований представлены на рис. 1, 2.

В ходе исследования свойств активированного предложенным способом торфяного вяжущего выявлено, что оптимальное время диспергирования составляет от 0,5 до 2 ч и приводит к уменьшению размера частиц торфа до

5-10 мкм. При дальнейшем измельчении размеры частиц увеличиваются, что связано с процессами их агрегации.

а б

Время измельчения, мин Время измельчения, мин

Рис. 1. Влияние способа и времени механоактивации на прочность сцепления торфяного вяжущего (торф низинный):

а - измельчение в шаровой мельнице; б - измельчение в планетарной мельнице; 1 - сухой помол; 2 - в водной среде; 3 - в водной среде при температуре 90 °С

Время измельчения, мин Время измельчения, мин

Рис. 2. Влияние способа и времени механоактивации на прочность при сжатии торфяного вяжущего (торф низинный):

а - измельчение в шаровой мельнице; б - измельчение в планетарной мельнице; 1 - сухой помол; 2 - измельчение в водной среде; 3 - измельчение в водной среде при температуре 90 °С

Результаты ИК-спектроскопии диспергированного механическим способом низинного торфа (рис. 3) показывают наличие структурных изменений как в органической, так и в минеральной частях торфа.

Так, полосы поглощения в области от 3000 до 3600 см-1 обусловлены валентными колебаниями ОН-групп воды, связанной с твердой фазой торфа,

и воды глинистых минералов, участвующих во внутримолекулярных водородных связях. На спектрограммах наиболее глубокие пики - у свежесформованных образцов. В 7-суточном возрасте появляются, а к 28 суткам твердения усиливаются интенсивности пиков соединений в области от 800 до 1000 см-1, характерные для полос поглощения ОН, которые зависят от длины и прочности связи металл-гидроксил (Н_ОА1 или Н-ОБе3) и обусловлены деформационными колебаниями. Значительное содержание карбонатов кальция, магния подтверждается пиками 1380, 1660, 1450, 860 см-1 - поглощение групп СО32-, НСО3-.

СМ-1

1

2

Рис. 3. ИК-спектры торфовяжущего различного времени твердения:

1 - 1 сут; 2 - 7 сут; 3 - 14 сут; 4 - 28 сут

В полосе поглощения 1200-979 см-1 идентифицируется пик поглощения кварца с максимумом 1100 см. Интенсивность одноименных пиков возрастает у образцов с увеличением срока твердения, наблюдается увеличение интенсивности полос групп С = О (1460-1410 см-1), обеспечивающих в дальнейшем протекание реакций карбонизации. В торфовяжущем появляются также пики дополнительных силикатных и кремнийорганических соединений (1100-1000 см-1, 1020-1276 см-1 соответственно), в областях 1450-1410, 880-860 см-1 - карбонаты, 1100-900 см-1 - силикаты, а 1130-1080 см-1 - сульфаты. Можно предположить, что, в свою очередь, активные оксиды способны образовывать новые самостоятельные структурные соединения и сложные органоминеральные комплексы, при этом процесс структурообразования усиливается за счет твердения минеральной части. Такие данные подтверждают гипотезу об активации в процессе диспергирования не только органической (за счет экстрагирования водорастворимых веществ), но и минеральной части торфа.

Для выявления структурных изменений, протекающих в низинном торфе под воздействием процесса диспергирования, были проведены рентгенографические исследования активированного торфа и торфа-сырца. В торфе-сырце

низинного типа (рис. 4, а) идентифицированы следующие кристаллические фазы: Са804-пИ20 (2,26А, 1,94А), 8Ю2-пН20 (1,22А), СаС03 (2,64А, 1,33А), MgS04 (1,01 А). Необходимо отметить трудности выделения на рентгенограмме кристаллических фаз из-за сложного органоминерального строения вещества торфа. Сравнительный анализ рентгенограмм (рис. 4, а, б) образцов торфа-сырца и диспергированного торфа показывает увеличение количества пиков, соответствующих гидратным неорганическим соединениям, содержащимся в торфе-сырце, и появление новых пиков неорганических кристаллических фаз, что указывает на процессы гидролиза и гидратации, протекающие в низинном торфе при механическом воздействии в водной среде. Данные процессы позволяют высвободить активные минеральные соединения на основе оксидов, участвующих в комплек-сообразовании и обладающих вяжущими свойствами. На рентгенограммах активированного низинного торфа (рис. 4, б) идентифицируются пики, соответствующие соединениям: Са(ОН)2 (1,69А, 1,315А), СаS04•nH20 (2,33А, 1,74А), Са0^Ю2-Н20 (1,83А, 2,4А), Са0^Ю2'1,5И20 (1,17А, 1,67А), АЬ03^Ю2-2И20 (3,32А, 2,74А), 3Са0-Ре203-6И20 (2,33А, 1,74А), MgS04•6H20 (2,92А, 4,04А).

Рис. 4. Рентгенограмма активированного торфа и торфа сырца: а - торф-сырец; б - диспергированный торф

Подтверждением повышения гидравлической активности торфа в процессе измельчения в водной среде является изменение показателя рН во времени (рис. 5). Из графика видно, что в значениях рН диспергированного в водной среде торфа (кривые 1 и 2) наблюдаются колебания, что может объяснить и изменение прочности в торфовяжущем в ранние сроки твердения.

Наличие в торфе многозарядных ионов Fe3+ , Al3+ и других способствует усилению коагуляционной способности коллоидных систем, которые образуют сложные органоминеральные комплексы в торфовяжущем. Повышение щелочности торфовяжущего во времени является признаком повышения содержания щелочных и щелочноземельных оксидов в водной вытяжке, что может способствовать его гидролитической активности.

8,5

pH

7,5

6,5

-1

—— ** / ✓ г-"' 2

[ 1 , 3 12

3 5 7 с 11

10

Время

Рис. 5. Изменение рН механоактивированного торфа:

1 - диспергированный в водной среде торф, выдержка 1 сут; 2 - диспергированный торф свежего помола; 3 - торф в естественном состоянии

Таким образом, при механической активации низинных торфов в присутствии воды возможно протекание или, по крайней мере, интенсификация различных процессов, из которых, как наиболее существенные при формировании структур твердения, можно выделить следующие: деструкция, полимеризация, гидролиз, ионный обмен. Установленные закономерности процессов структуро-образования в торфовяжущем позволяют направленно влиять на процессы формирования микро- и макроструктуры композиционных материалов на основе торфовяжущего, обеспечивая им требуемые эксплуатационные характеристики.

Библиографический список

1. Торфяные ресурсы Томской области и пути их использования в строительстве / Л.В. Ка-сицкая, Ю.С. Саркисов, Н.О. Копаница [и др.]. - Томск : БТТ, 2007. - 292 с.

2. Копаница, Н.О. Торфодревесные теплоизоляционные строительные материалы / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, М. А. Ковалева. - Томск : БТТ, 2009. - 183 с.

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

4. Кудяков, А.И. Формирование прочности активированного торфяного вяжущего в торфодревесных композитах / А.И. Кудяков, Н.О. Копаница, И.И. Завьялов // Известия вузов. - 2001. - № 7. - С. 42-46.