CC BY
88Труды Инсторфа № 2 (55) УДК 620.22:665.44:539.37
Шахматов К.Л.,
Шахматов Кирилл Леонидович, старший преподаватель кафедры «Геология, переработка торфа и сапропеля» ТГТУ, krl81@list.ru
РЕОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ТОРФА
Аннотация. В статье освещается задача, связанная с изучением возможности получения композиционных теплоизоляций на основе широкого спектра торфяного сырья и дисперсных наполнителей - отходов ряда производств. Основными методами изучения подобных материалов в работе являются реологические. Ценность и информативность реологических методов основывается на том факте, что специфика механических свойств материала складывается из особенностей его реакции на внешнее воздействие.
Ключевые слова: торф, реология, теплоизоляционный материал, композиция, строительство, опилки, отходы, методы реологии, прибор Д.М. Толстого.
Shakhmatov K.L.,
senior lecturer in “Geology, processing of peat and sapropel” TSTU.
RHEOLOGY OF PEAT BASED COMPOSITES
Abstract. In article the problem connected with studying of possibility of reception of composite thermal protections on the basis of a wide spectrum of peat raw materials and disperse fillers - a waste of some manufactures is shined. The basic methods of studying such materials in the work are rheological ones. Value of the rheological methods is based on that fact that specificity of mechanical properties of a material develops of features of its reaction to external influence.
Key words: peat, rheology, thermal insulation materials, a composition, building, sawdust, a waste, rheology methods, D.M. Tolstoy’s device.
В последнее время производству новых теплоизоляционных материалов в строительной индустрии уделяется все большее внимание. Анализ рынка потребления и производства подобных материалов показал, что наибольшее распространение получили минеральная и стеклянная вата, пено-полистирол, твердые газосиликаты и известково-кремнеземистые изделия, керамзит и др. Факторами, ограничивающими применение этих материалов, является их высокая цена, дефицитность исходных компонентов, а также экологическая опасность технологий, продуцирующих загрязнители и отходы производств.
С другой стороны, ежегодно в техносфере Тверской области и других регионов РФ накапливается огромное количество органических отходов, утилизация которых носит бессистемный, периодический характер.
В этой ситуации достойной альтернативой существующим теплоизоляционным строительным материалам может служить торф. При этом повышенный интерес представляет разработка технологий создания композиционных теплоизоляционных материалов, в которых торф рассматривается в качестве матрицы, а наполнителями могут являться органические отходы различных производств (льно- и деревопереработки, вспененных синтетических полимерных материалов, макулатуры и др.). Это позволяет использовать торфяное сырье в широком диапазоне их геоботанических характеристик и получать продукцию с заданными эксплуатационными характеристиками.
Добыча, переработка и получение готовой продукции на основе торфа так или иначе связана с разрушением структур исходного материала и с созданием новых структур, обеспечивающих заданные свойства продукции. Закономерности образования структур в дисперсных системах, к которым относится и торф, изучает физико-химическая механика (ФХМ), основу которой положило открытое П.А. Ребиндером явление адсорбционного понижения прочности [1].
Основным методом ФХМ являются реологические методы, получившие широкое распространение благодаря работам школы П.А. Ребиндера, а применитель-
но к торфу - М.П. Воларовичем,
Н.В. Чураевым, И.И. Лиштваном, А.А. Терентьевым [2, 10, 15].
Реология - наука о деформации и течении различных тел, изучающая способы определения структурно-механических свойств (СМС) сырья, полуфабрикатов и функциональных продуктов. Реология включает два базовых раздела: первый посвящен изучению реологических или в более общем смысле структурномеханических свойств (СМС) реальных тел, второй рассматривает движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов и разрабатывает инженерные способы их расчета.
Предметом реологии является описание механических свойств разнообразных материалов в различных режимах деформирования, когда одновременно может проявляться их способность к течению и накоплению обратимых деформаций. Задачей реологии является разработка общих принципов и предположений, исходя из которых возможно получение количественных соотношений между свойствами исходного сырья и конечными показателями продукции, получаемой на его основе.
Ценность и информативность реологических методов основывается на том факте, что специфика механических свойств материала складывается из особенностей его реакции на внешнее воздействие. Такой реакцией среды является развитие деформаций при нагружении или возникновении напряженного состояния при деформировании.
На сегодняшний день реология торфа достаточно хорошо изучена, однако процессы, проходящие в композиционных материалах на основе торфа, в частности торфодревесных и других композициях системному анализу не подвергались.
В настоящей работе поставлена задача, связанная с изучением возможности получения композиционных теплоизоляций на основе широкого спектра торфяного сырья и дисперсных наполнителей -отходов ряда производств. Варьирование показателей, характеризующих композиционную массу (матрица и наполнитель) призвано обеспечить заданные качественные характеристики готовой продукции, отвечающие требованиям, предъяв-
ляемым к теплоизоляционным материалам.
Для решения поставленной задачи особое внимание уделялось выбору исходного сырья. Исследования должны были охватить образцы торфа, отличающиеся по своей типовой принадлежности, химическому составу, дисперсности и другим признакам, причем показатели состава сырья должны варьироваться в широких пределах. При «случайном» отборе проб необходимо иметь достаточно большое их количество. Наиболее предпочтительным способом является «пристрастный» способ, при котором один показатель варьируется в широких пределах, а другие остаются практически неизменными. Но отбор таких проб на практике затруднен, а иногда и невозможен. Это связано с тем, что для большинства видов торфа связи в составе таковы, что с изменением одного показателя изменяются и все другие. Поэтому в качестве объектов исследования были взяты различные и наиболее распространенные виды торфа, отобранные на действующих или законсервированных торфопредприятиях Тверской и Московской областей (табл. 1). Ориентировочными данными при этом являлись результаты паспортизации торфяных полей. Пробы отбирались весом 30-40 кг из одного генетического слоя. Место отбора было удалено от канавных выкидок.
Следует отметить, что в настоящее время сырьевые запасы верхового торфа (на эксплуатируемых торфяных месторождениях Тверской области) малой степени разложения в значительной мере выработаны, а имеющееся сырье обладает и другими достаточно широкими областями применения (подстилочный и кипован-ный торф, плиты сухого прессования для закрытых грунтов, торфяные полые горшочки, торфяные удобрения, сорбенты, фильтры и т.д.). В 50-60-е годы ХХ столетия такие виды торфа (К 0 12%) использовали для производства теплоизоляционных плит и для малоэтажного строительства, термостатических вагонов, изоляции трубопроводов.
Таблица 1. Качественная характеристика исходного торфяного сырья
Table 1. The qualitative characteristic of initial peat raw materials
Вид торфа Тип торфа R, % W, % P<250 исх. % P<250 пер. %
Осоковый низ. 15 80,5 40,6 45,8
Древесный низ. 55 69,4 62,7 68
Магелланикум верх. 20 79,1 23,2 37,8
Пушицевый верх. 35 75,0 53,0 73,5
Моховой низ. 25 73,5 55,3 89,4
Определение общетехнических свойств сырья производилось по стандартным методикам, принятым в торфяной промышленности [18]. В табл. 2 представлены основные параметры оценки сырья и методики их определения.
Таблица 2. Методики определения общетехнических свойств сырья
Table 2. Techniques of definition of the general technical properties of raw materials
Наименование показателя Краткое описание методики Норма- тивный доку- мент
Влажность Высушивание в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре 105-110°С [19]
Зольность Сжигание в муфельной печи при температуре 850°С± 25 [20]
Дисперсность Мокрый ситовой анализ. Размыв через сито с ячейкой 250 мкм [21]
Фракционный состав Просеивание через сита с ячейкой 1; 2; 3; 5; 10 мм [21]
Плотность насыпная Метод взвешивания мерного цилиндра [21]
Плотность твердой фазы Пикнометрический метод [21]
В качестве наполнителя использовали древесные опилки, которые являются наиболее широко распространенным отходом деревопереработки в Тверской области. Основные характеристики компонентов композиционных материалов представлены в табл. 3.
В целях выявления оптимальной структуры композиционных материалов, с учетом сохранения высоких эксплуатационных свойств и минимизации расходов была изготовлена серия композиционных
составов, отличающихся разным соотношением торф-наполнитель и начальной влажностью смеси. Так, содержание наполнителя варьировали в интервале 20-60% с шагом 10%, а влажность - в диапазоне 68-74% с шагом 2%. Выявление оптимальной влажности имеет важное значении при формовании и сушке изделий, поскольку с одной стороны, она должна обеспечивать хорошую формуе-мость образцов, а с другой - обеспечивать наименьшие затраты на их сушку, так как этот процесс является наиболее энергоемким и, следовательно, в большей степени влияющим на стоимость изготавливаемых материалов.
Таблица 3. Основные характеристики компонентов композиционных материалов
Table 3. The basic characteristics of components of composite materials
Исходный торф подвергали процессу диспергирования в шнековом механизме, а исходные опилки - сепарации до получения однородного состава.
Методика проведения исследований заключалась в следующем: переработанный торф тщательно перемешивали с наполнителем (опилки) в заданном соотношении и при необходимости доведения смеси до влажности формования, добавляли расчетное количество воды. Формование образцов выполняли путем укладки торфомассы в разборную матрицу с последующим копровым уплотнением. Сушку образцов производили в сушильной камере при радиационно-конвективном режиме с использованием инфракрасных
ламп, обеспечивающих радиационный тепловой поток к поверхности сушимого материала величиной 0,5 кВт/м2 при температуре воздуха 25-30°С и скорости 3-4 м/с. В процессе сушки фиксировали массу и геометрические размеры образцов с интервалом 1-2 часа, общую продолжительность сушки до влажности 15-30%.
Для определения реологических свойств торфоопилочных композиций использовался прибор Д.М. Толстого, с помощью которого исследовали образцы в форме параллелепипеда, установленные между параллельными пластинами. К верхней подвижной пластине в течение пяти минут прикладывали фиксированную нагрузку (от 20 до 420 г с шагом 40 г). По показанию индикатора, прикрепленного к прибору, определяли смещение верхней пластины в зависимости от массы груза и времени приложения нагрузки.
В результате были получены полные кривые кинетики развития деформаций всех серий композиций, представленные на рис. 1, 2.
Путем обработки полученных данных были построены реологические кривые течения вязкопластичных композиционных систем. На рис. 3 изображены характерные кривые для композиций с одинаковой влажностью (68%), но разным количеством наполнителя (0 и 60%).
Из анализа этих кривых следует, что при увеличении содержания наполнителя уменьшается показатель статического условного предела текучести (Рк1) с 3 до
0,2 г/см2, условный динамический предел текучести (Рк2) с 5,6 до 4,5 г/см2, что свидетельствует об уменьшении силы контакта между компонентами системы. Также снижается наибольшая пластическая вязкость по Шведову (П0*) с 28,1 до 14,7 г-сек/см2, и уменьшается наименьшая пластическая вязкость по Бингаму (пт*) с 14,8 до 3,4 г-сек/см2.
Матери- ал Показатель Ед. изм. Значе- ние
Температура возгорания 0°С 170
Теплопровод- Вт/м* 0,113
ность К
Торф Плотность кг/м3 570
Степень разложения % 25
Влажность % 73,5
Дисперсность % 89,4
Влажность % 5
Плотность кг/м3 150-170
Опилки Теплопровод- Вт/м* 0,058-
ность К 0,09
Температура возгорания К 333
Время действия нагрузки, сек.
Рис. 1. Кривые кинетики развития деформации для композиции с содержанием опилок 60% и влажностью 68%
Fig. 1. Curve kinetics developments of deformation for a composition with the maintenance of sawdust of 60% and humidity of 68%
Напряжение сдвига Р, г/мм2 Сн=0 % ^— Сн=60 %
Рис. 3. Реологические кривые вязкопластичных композиционных систем с постоянной влажностью 68%
Fig. 3. Rheological curves of is viscous-plastic composite systems with constant humidity of 68%
0,05 -
0 -I-----1------1------1------1 Г i
0 100 200 300 400 500 <>00
Время действия нагрузки, сек.
Рис. 2. Кривые кинетики развития деформации для композиции с содержанием опилок 40% и начальной влажностью 74% (оптимальное соотношение компонентов).
Fig. 2. Curve kinetics developments of deformation for a composition with the maintenance of sawdust of 40% and initial humidity of 74% (an optimum parity of components).
Для технологии производства теплоизоляционных материалов наибольший интерес представляют именно те свойства, которые позволяют придавать им требуемую форму, т.е. превращать материалы в изделия. Эти свойства связаны прежде всего с необратимыми (остаточными) деформациями или, иначе говоря, с процессом течения материалов. В этой связи интерес представляет именно вязкость материала.
Изменение вязкости свидетельствует об изменениях, происходящих в структуре композиционного материала. В случае с торфоопилочными смесями можно выделить два критических состояния, к которым стремится состав этих композиций. Первое состояние характеризуется большим содержанием торфяной составляющей. В этом случае вязкость смеси определяется в основном вязкостью торфа, т.к. содержание опилок незначительно. Второе состояние характеризуется большим содержанием опилок и, соответственно, вязкостью опилок с небольшими прослойками торфа. Вязкость чистого торфа намного выше, чем вязкость опилок. Поэтому был определен оптимум содержания наполнителя (опилок), составляющий 40-50%. При большем содержании наполнителя (Сн = 60%) формуемость
композиции была затруднена, наблюдалось отжатие влаги, поскольку подвижность ее элементов низкая, снятие силовой нагрузки приводило к образованию дефектов, микро- и макротрещин за счет разрывов сплошности системы. Уменьшение содержания наполнителя приводит к ухудшению эксплуатационных свойств образцов после сушки.
На рис. 4 представлены характерные кривые течения для композиций с одинаковым содержанием наполнителя (20%), но с разной влажностью (68% и 74%). Из анализа этих кривых следует, что при увеличении влажности Рк1 уменьшается с 1,9 до 0,8 г/см2, Рк2 - с 10,5 до 9,8 г/см2 соответственно. Это влечет за собой уменьшение п0* с 26 до 17 г-сек/см2 и Пт* - с 2,1 до
1,9 г-сек/см2.
0.0000 5.00СЮ 10.0000 15.0000 20.0000 25.0000
Напряжение сдвига Р. г;'мм2
—\У=*8“. —*-W="4»o
Рис. 4. Реологические кривые течения вязкопластичных композиционных систем с содержанием наполнителя 20%
Fig. 4. Rheological curve currents of is viscous-plastic composite systems with the maintenance of a filler of 20%
При формовании этой серии композиционных составов было отмечено, что при влажности меньше 72% при прохождении смеси через формующую насадку происходило ершение образцов. После формования эти дефекты сохранялись, что при сушке способствовало образованию трещин и разрушению образцов. При уменьшении влажности повышается прочность структуры торфяной матрицы
и число межагрегатных взаимодействий. Система переходит в упруго-хрупкое не-тиксотропное состояние. В полутвердых и твердых видах консистенции формование композиционной смеси без всестороннего сжатия и больших давлений невозможно.
При увеличении влажности композиционной смеси более 74% сформованные образцы не сохраняли заданных форм.
Обработка кривых кинетики развития деформации и реологических кривых течения всех серий композиций позволил определить основные реологические характеристики (табл. 4).
В результате анализа полученных данных и наблюдений в процессе эксперимента были сделаны следующие выводы:
• при низком содержании наполнителя (менее 30%) и влажности композиции от 68 до 74% во время сушки в образцах появлялись трещины и шероховатости, значительно ухудшающие эксплуатационные характеристики продукции;
• при высоком содержании наполнителя (более 40%) и влажности от 68 до 74% образцы сильно ершились во время формования в пресс-экструдере, а во время сушки в их структуре образовывались множественные макротрещины;
• при влажности смеси более 74% и содержании наполнителя от 20-40% наблюдались пластические деформации, которые затрудняли проведение дальнейших технологических операций и нарушали правильную геометрическую форму изделий;
• оптимальными параметрами тор-фо-опилочной композиции (Сн и W), при которых формование проходило без существенного ершения, образцы сохраняли свою форму и структуру во время сушки, а также при которых достигаются достаточные эксплуатационные характеристики, являются Сн = 30-40%, W = 72-74%.
Таким образом, реологические исследования вязко-пластичных композиционных составов на основе торфа позволяют определять оптимальные параметры композиций по их составу, влажности, что позволяет решать задачи получения готовой продукции с заданными эксплуатационными характеристиками.
Таблица 4. Основные реологические характеристики композиционных составов на основе торфа и отходов деревопереработки
Table 4. The basic rheological characteristics of composite structures on the basis of peat and a waste of processing of a tree
Ш, % ,н Сн % Рк1, г/см2 Рк2, г/см2 Р;,2 г/см2 П0*, 2 г сек/см nm*, _ гсек/см Ф1 _ г сек/см Ф2, _ гсек/см ^ 2 гсек/см ^ 2 гсек/см
20 2,2 10,5 6,4 19,1 2,3 0,05 0,43 0,12 4,56
CQ 30 1,4 9,5 6,1 18,5 2,1 0,05 0,48 0,08 4,52
68 40 0,7 7,9 5,8 16,3 1,8 0,06 0,56 0,04 4,39
60 0,4 5,2 3,4 14,1 1,69 0,07 0,59 0,03 3,08
20 1,8 10,2 5,9 18,6 2,2 0,05 0,45 0,1 4,64
7 П 30 1,3 9,3 5,3 17,9 1,9 0,06 0,53 0,07 4,89
/0 40 0,5 7,2 4,8 16,1 1,64 0,06 0,61 0,03 4,39
60 0,3 5,1 3,2 13,8 1,52 0,07 0,66 0,02 3,36
20 1,4 10,1 5,6 18,2 2 0,05 0,5 0,08 5,05
7 0 30 0,8 9,1 4,4 17,6 1,82 0,06 0,55 0,05 5
7 2 40 0,4 6,8 3,5 15,9 1,62 0,06 0,62 0,03 4,2
60 0,2 4,9 3,1 13,5 1,45 0,07 0,67 0,01 3,38
20 0,7 10 5,2 17,3 1,74 0,04 0,57 0,04 5,75
7 A 30 0,4 8,3 4,5 17,2 1,71 0,05 0,58 0,02 4,85
7 4 40 0,2 6,4 3,8 17,1 1,59 0,06 0,63 0,01 4,02
60 0,1 4,8 2,9 15,7 1,43 0,06 0,7 0,01 3,36
В табл. 5 представлены некоторые физико-механические свойства торфоопилочных композиций.
Таблица 5. Физико-механические свойства плит из торфа с наполнителем в виде древесных опилок
Table 5. Physicomechanical properties of plates from peat with a filler in the form of wood sawdust
Начальная влажность, % Содержание наполнителя, % Прочность, МПа Теплопроводность, Вт/м2-К
68 20 1,83 0,115
40 1,38 0,105
60 0,98 0,089
70 20 1,46 0,101
40 1,11 0,087
60 0,79 0,076
72 20 1,2 0,092
40 0,97 0,076
60 0,81 0,063
74 20 1,07 0,081
40 0,89 0,072
60 0,77 0,061
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ребиндер, П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. Физ.-хим. Механика дисперсных структур / П.А. Ребиндер. М., 1966. С. 3-6.
2. Лиштван, И.И. Физико-химическая механика гуминовых веществ / И.И. Лиштван, Н.Н. Круглицкий. Минск: Наука и техника, 1976. 264 с.
3. Ребиндер, П.А. Структурно-механические свойства глинистых пород и современные представления физико-химии коллоидов. Тр. совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методов их изучения / П.А. Ребиндер. М.: Стройиз-дат, 1956. 52 с.
4. Круглицкий, Н.Н. Физ.-хим. основы регулирования свойств дисперсий глинистых минералов. / Н.Н. Круглицкий. Киев: Наукова думка, 1968. 320 с.
5. Овчаренко, Ф.Д. Исследования в области физ.-хим. механики дисперсий глинистых минералов. / Ф.Д. Овчаренко, С.П. Ничипо-ренко, Н.Н. Круглицкий [и др.]. Киев: Наукова думка, 1965. 178 с.
6. Ничипоренко, С.П. Физ.-хим. механика дисперсных минералов. / С.П. Ничипоренко [и др.]. Киев: Наукова думка, 1974.
7. Ничипоренко, С.П. Физ.-хим. механика дисперсных структур в технологии строительной керамики. / С.П. Ничпоренко. Киев: Наукова думка,1966. 76 с.
8. Урьев, Н.Б. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс / Н.Б. Урьев, М.А. Талейсник. М.: Пищевая промышленность, 1976. 240 с.
9. Урьев, Н.Б. Физико-химическая механика в технологии дисперсных систем / Н.Б. Урьев. М.: Знание, 1975. 64 с. (Серия «Химия»).
10. Воларович, М.П. Структурно-реологические свойства дисперсных и высокомолекулярных систем / М.П. Воларович, И.И. Лиштван, В.М. Наумович // ИФЖ. 1962. № 2. С. 122-132.
11. Овчинников, П.Ф. Реология тиксотропных систем. / П.Ф. Овчинников, Н.Н. Круглиц-кий, Н.В. Михайлов. Киев: Наукова думка, 1972. 120 с.
12. Абдурагимова, Л.Н. Реология и структу-рообразование в водных и неводных дисперсий глинистых минералов: Автореф. дис. докт. хим. наук. Баку, 1987. 32 с.
13. Горшенина, Г.И. Полимер-битумные изоляционные материалы / Г.И. Горшенина, Н.В. Михайлов. М.: Недра, 1967. 235 с.
14. Урьев, Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы / Н.Б. Урьев. М.: Химия, 1980. 320 с.
15. Лиштван, И.И. Основные свойства торфа и методы их определения / И.И. Лиштван, Н.Т. Король. Минск: Наука и техника, 1975. 320 с.
16. Суворов, В.И. Научные основы формирования структуры торфа в технологиях получения продукции с заданными свойствами: дис. ... докт. техн. наук / В.И. Суворов. Тверь, 2000. 513 с.
17. Лиштван, И.И. Исследование физикохимической природы торфа и процессов структурообразования в торфяных системах с целью регулирования их свойств: дис. . докт. техн. наук / И.И. Лиштван. Калинин, 1969. 644 с.
18. Ларгин, И.Ф. Справочник по торфу. / И.Ф. Ларгин [и др.]. М.: Недра, 1982. 760 с.
19. ГОСТ 11305-83. Торф. Методы определения влаги.
20. ГОСТ 11306-83. Торф и продукты его переработки. Методы определения зольности.
21. Базин, Е.Т. Технический анализ торфа. / Е.Т. Базин [и др.]. М.: Недра, 1992. 431 с.
