CC BY
0Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru Е.В. Доржиева, канд. техн. наук, доц., e-mail: elizavetadorzhieva86@mail.ru М.Е. Заяханов, д-р техн. наук, проф., e-mail: zayakhanov@mail.ru Е.Д. Балханова, канд. техн. наук, доц., e-mail: baled67@mail.ru
УДК 674.817
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ТОРФОВ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ
В статье приведены результаты исследований по получению теплоизоляционного материала на основе торфов Республики Бурятия. Проведены исследования по получению композиционного материала - торфодревесного теплоизоляционного материала - на основе отходов лесопиления и низинного торфа Энхалукского месторождения Республики Бурятия. Исследованы различные способы активации торфа: с помощью тонкого механического измельчения - механохимической активации, химической активации - за счет введения химической добавки в виде безводного силиката натрия. Выявлен наиболее оптимальный способ активации торфяного вяжущего. Изучено влияние модифицирующих добавок на физико-механические свойства теплоизоляционного торфодревесного материала. Определены оптимальные способы сушки теплоизоляционного материала, разработана технологическая схема его производства.
Ключевые слова: торф, безводный силикат натрия, механохимическая активация торфа, тор-фодревесный материал, модифицирующая добавка, сушка, физико-механические свойства.
L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
E.V. Dorzhieva, Cand. Sc. Engineering, Assoc.Prof.
M. E. Zayakhanov,Dr. Sc. Engineering, Prof.
E.D. Balkhanova, Cand. Sc. Engineering, Assoc.Prof.
HEAT-INSULATING MATERIAL BASED ON PEATS OF THE REPUBLIC OF BURYATIA
The article presents the results of research on obtaining a heat-insulating material based on peat in the Republic of Buryatia. Research has been conducted to obtain a composite material - a peat-wood heat-insulating material based on sawmill waste and low-lying peat from the Enkhaluk peat-field in the Republic of Buryatia. Various methods of peat activation were studied: by means of fine mechanical grinding-mechano-chemical activation, chemical activation - by introducing a chemical additive in the form ofanhydrous sodium silicate. The most optimal method of activation ofpeat binder has been identified. The influence of modifying additives on the physical and mechanical properties of heat-insulating peat-wood material is studied. Optimal methods of drying heat-insulating material were determined, and the technological scheme of its production was developed.
Key words: peat, anhydrous sodium silicate, mechanochemical activation of peat, peat-wood material, modifying additive, drying, physical and mechanical properties.
Введение
Особенностью сырьевой базы Республики Бурятия является наличие значительного количества запасов природного сырья и отходов промышленности, в том числе и торфа, который широко представлен на территории республики. Промышленные запасы торфа оцениваются почти в 29,6 млн. т. Большие возможности торфа для использования в строительстве обусловлены особенностями его состава и строения. Полифункциональный состав и многообразие полезных свойств торфа при правильном управлении технологическими процессами, а именно проектированием состава торфосодержащей смеси, подготовкой сырья, перемешиванием, формованием и тепловой обработкой, позволяют
получать композиционные материалы с заданными свойствами. Торф следует рассматривать как ценный альтернативный источник для изготовления эффективных строительных материалов.
Основные месторождения торфа учтены Госкадастром МПИ России по Республике Бурятия и представлены в таблице 1.
Таблица 1
Месторождения торфа, учтенные Госкадастром МПИ России по Республике Бурятия
Полезные ископаемые Название месторождения, км/румб от ближнего населенного пункта Площадь (га) / Запасы
Район глубина балансовые забал анс.
республики подсчета запасов (м) АВС: С2
Кикинское,
запад/юго-запад 540 / 185 1256 - 112
Прибайкальский Торф, п. Котокель
тыс. т Урочище большой
зыбучий/юго- 400 / 2,2 1048 - 47
восточнее с. Турка
Большой Калтус 9266+ 31113 337
Торф, 1/южнее 10300 / 2,2- 4,3 8069 — 286
Кабанский ст. Посольская
Энхэлукский калтус / запад/юго-восток с. Новый Энхэлук 430 / 3,7 2017 - 162
Урочище проруби/ 0,5 юго-восточнее 2780 / 2,25 4628 1419 752
Баргузинский Торф, с. Усть-Баргузин
тыс. т Южное лебяжье/9
юго-восточнее 670 / 2,5 1629 — 32
с. Усть-Баргузин
Дзелиндинское/24
юго-западнее 83 / 2,1 271 — —
ст. Ангоя
Северо-Байкальский Торф, тыс. т Герамдай/13 северо-западнее с. Кумора 302 / 1,9 741 — 72
Кичерское/8 северо-восточнее 152 / 2,4 631 22
ст. Кичера
Согласно постановлению Республики Бурятия № 28 от 31 января 2012 г., по программе «Развитие предприятий промышленности строительных материалов и индустриального домостроения в Республике Бурятия до 2020 года», одной из приоритетных задач в этой отрасли является использование природных ресурсов при производстве строительных материалов за счет использования в качестве вторичного сырья отходов производства и потребления. Таким сырьем, в частности, может быть торф, а также неутилизируемые многотоннажные отходы деревообработки, пригодные для изготовления из них эффективных материалов для ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве. Поэтому вопрос создания новых строительных материалов на основе торфа Республики Бурятия, богатой этим видом сырья, является актуальным.
В ТГАСУ (г. Томск) на протяжении многих лет проводятся исследования, связанные с разработкой технологий производства строительных материлов различного назначения, в которых торф выполняет роль вяжущего, заполнителя, модифицирующей добавки, что обусловлено особенностями его состава и структуры, а также возможностью их регулирования при определенных способах их внешних воздейтвий [1]. В большинстве предлагаемых составов материалов торф играет роль обычного заполнителя. Представляют
интерес работы по синтезированию вяжущего в структуре торфа с учетом его химического состава. Для этого имеется определенная научная и практическая база, позволяющая получать материалы из торфа с ипользованием его потенциально активных компонентов [2]. При этом используются как торфы верхового, так и низинного типов, отличающихся содержанием и составом минеральной части. Направление по использованию в строительстве низинных торфов, имеющих значительное содержание минеральной части и высокую степень разложения, является малоизученным. Низинные торфы использовались в основном как наполнитель в композициях с минеральными или органическими вяжущими. Значительные запасы низинных торфов, а также наличие в их составе активных функциональных групп, обеспечивающих потенциальные возможности физико-химического модифицирования, позволяют отнести низинный торф к перспективным природным сырьевым материалам, пригодным, например, для изготовления теплоизоляционных материалов.
Целью проводимых исследований явилось изучение возможности и целесообразности использования торфов Республики Бурятия и древесного заполнителя для производства теплоизоляционных материалов.
Задачами исследований явилось:
- выбор оптимального способа механохимической активации торфа с целью целенаправленного воздействия на его структуру и состав;
- подбор рациональных составов и исследование свойств торфодревесных модифицированных смесей для получения теплоизоляционных материалов;
- определение оптимального технологического режима получения торфодревесного материала и разработка технологии его производства.
Материалы и методы исследований
В проводимых исследованиях для получения торфодревесных теплоизоляционных материалов использовались торф низинного типа, модифицирующая добавка щелочного вида и древесный заполнитель.
Низинный торф Энхэлукского месторождения (Кабанский район Республики Бурятия), усредненный химический состав минеральной части которого приведен в таблице 2, представлен в основном оксидами кремния, кальция, алюминия и железа.
Таблица 2
Химический состав низинного торфа Энхэлукского месторождения
Содержание оксидов, мас. %
8102 ЛЪОз Ре20з СаО МяО 8Оз
14,0-66,9 4,3-28,7 15,2-54,5 15,2-54,5 0,4-5,8 0,5-2,9
Низинные торфы более однородны по структурным характеристикам [3]. При одинаковой степени разложения они имеют поры более крупных размеров, большую активную поверхность и меньшую величину кинетической удельной поверхности. Это обусловлено меньшим содержанием в низиных торфах связанной воды и коагулированным состоянием их структуры за счет «сшивающего» действия поливалентных катионов.
Следует отметить, что в связи с повышенной кислотностью торфа его использование как компонента минеральных вяжущих, как правило, возможно в сочетании с различными добавками. Учет его качества обычно сводится к нейтрализации возможных отрицательных воздействий на структурообразование, как правило, от гумусовых кислот. Для этого возможно использование в качестве модифицирующей добавки щелочных добавок, таких как гидроксид натрия №ОИ, сода Ка2СОз, жидкое стекло. Минеральные компоненты торфа в условиях тепловой обработки активно вступают во взимодействие с щелочными компонентами, образуя при этом гидросиликатные и гидроалюмосиликатные цеолитоподобные устойчивые соединения.
Перспективным является использование в торфянных композициях в качестве модифицирующей добавки жидкого стекла. Однако анализ практического использования свидетельствует о практических неудобствах жидкого стекла. Для устранения вышеперечисленных недостатков перспективен переход на твердые силикаты натрия -безводную силикат-глыбу (БСН). В качестве модифицирующей добавки в исследованиях использована натриевая силикат-глыба с кремнеземистым модулем Мо = 2,7-2,9 (АО «Салаватстекло», Республика Башкортастан).
В качестве заполнителя использован двухфракционный состав древесного заполнителя хвойных пород (сосна) фракций 2,5-1,25 и 0,63-0,315 мм.
Для оценки влияния времени помола вяжущего, количества вяжущего и модифицирующей добавки на свойства торфяного вяжущего и торфодревесных композиций готовились образцы пластичного формования размерами 40*40*160 мм и 50*50*50 мм, твердевших в условиях сушки: t=80-90°С, т=1,0+18+1,0 ч.
Результаты и обсуждения
Известно, что влияние на структуру и свойства торфа с целью получения строительных материалов и изделий с требуемыми строительно-техническими свойствами возможно за счет использования различных способов активации торфа: механического, химического, физического. Одним из направлений осуществления целенаправленного структурообразования и формирования свойств композиций на основе торфа является их механохимическая активация (МХА). При дисперировании торфа размеры пор уменьшаются, снижается их неоднородность, а форма частиц приближается к округлой. Одновременно возрастают кинетическая удельная поверхность и подвижность дисперсионной среды, что свидетельствует о переходе части неподвижной (внутриклеточной) воды в подвижные формы влаги [3]. Кроме того, возможно реализовать совместное диспергирование торфа с веществами, понижающими поверхностное натяжение на границе раздела фаз и влияющими на повышение его реакционной способности.
Выполненный анализ особенностей механоактивации сырьевых материалов в аппаратах различного типа показал, что правильный выбор активатора-измельчителя, оптимизация параметров активации имеют решающее значение, как для технологии процесса, так и для экономической эффективности применения аппарата [4]. Для активации и модифицирования торфа в работе использовали активаторы нового поколения: лабораторная шаровая мельница МШЛ-1П и стержневой виброистиратель ВИ-4*350. Механические воздействия на измельчаемый материал в исследуемых мельницах различны: удар и давление в шаровой мельнице, удар и трение на стержневом виброистирателе. Время совместного помола торфа и безводного силиката натрия в лабораторной шаровой мельнице варьировалось от 30 до 90 мин, в стержневом виброистирателе — от 0,5 до 2 мин. При совместном помоле количество БСН варьировалось от 15 до 25 % по массе. Результаты исследований показали, что оптимальное содержание БСН составляет 20%, при котором получены максимальные прочностные показатели вяжущих композиций.
Прочность вяжущих композиций при совместном измельчении торфа и БСН в стержневом виброистирателе в среднем в 1,3-2 раза выше, чем прочность вяжущих композиций, полученных при измельчении компонентов в шаровой мельнице, при одинаковой степени дисперсности (табл. 3). Это связано с тем, что активность вяжущих композиций на основе торфа выше в случае его измельчения в энергонапряженном аппарате, к числу которого относится стержневой виброистиратель, где создаются высокая концентрация энергии в помольной камере, значительная частота и энергия взаимодействия мелющего тела с частицами измельчаемого материала. С увеличением времени помола на виброистирателе наблюдается снижение прочности почти на 15 %, что связано, очевидно, с процессами агломерации при тонком измельчении смесей.
Таблица 3
Влияние способа и продолжительности измельчения на свойства вяжущих композиций
на основе торфа
№ состава МХА торфа в стержневом виброистирателе МХА торфа в шаровой мельнице
продолжительность измельчения торфа, мин прочность при сжатии Rсж, МПа, после сушки продолжительность измельчения торфа, мин прочность при сжатии, Исж, МПа, после сушки
1 0,5 1,2 30 0,49
2 1,0 1,1 60 0,76
3 2,0 1,05 90 0,78
Далее в работе показаны дополнительные возможности измельчения торфа в жидкой среде, с учетом ее естественной влажности - 60-80%. В традиционных технологических приемах при увлажнении торфа происходит формирование мицелл и образование двойного электрического слоя. На поверхности минеральных частиц торфа с отрицательным зарядом активно адсорбируются катионы №+, так как энергия адсорбции их меньше, чем катионов Са2+ [3]. Предполагаем, что модификация торфа в процессе механоактивации в жидкой среде позволит более эффективно использовать БСН как компонент вяжущего и получить композиционные материалы с заданными свойствами.
Для выяснения эффективности механоактивации в присутствии воды помол торфа с использованием безводного силиката натрия производился в стержневом виброистирателе. Для этого использовался торф, предварительно высушенный до влажности 15-20% с учетом его естественной влажности (табл. 4).
Результаты исследований показали, что физико-механические показатели вяжущих композиций, полученных при измельчении торфа и химической добавки - БСН в водной среде, на 40-50% выше по сравнению с вяжущими композициями, полученными при сухом помоле.
Таблица 4
Влияние способа активации на свойства торфяного вяжущего
Способ активации вяжущего Средняя плотность вяжущего, кг/м3 Прочность, МПа, после сушки
при изгибе при сжатии
Сухой помол торфа и БСН 360 0,19 0,76
Мокрый помол торфа ^=60%) и БСН 330 0,22 1,1
Мокрый помол торфа ^=80%) и БСН 335 0,23 1,2
Согласно Н.О. Копанице [3] механизм твердения торфяного вяжущего, измельченного в водной среде, протекает следующим образом: механическая активация торфа в водной среде приводит к деструкции его органической части. В результате образуются соединения с меньшей молекулярной массой, развиваются реакции гидролиза, деструкции и деполимеризации органических макромолекул, появляются свободные радикалы. Тонкодисперсные частицы возникают также при диспергировании минеральных частиц: протекают реакции гидролиза и ионного обмена.
Интенсификация растворимости силикат-глыбы в результате механоактивации в присутствии воды ускоряет процессы химического взаимодействия силикат-глыбы и силикатов и алюмосиликатов кальция минеральной части торфа, а значит, гидратацию, твердение и струк-
турообразование вяжущих и, в итоге, торфодревесных композиций. Максимальная интенсификация массообмена, растворение исходных компонентов - торфа и силикат-глыбы достигается в развитом турбулентном потоке при воздействии мелкомасштабной пульсации среды -воды и обработке материала в микрообъемах [4].
На основе разработанных торфосиликатных вяжущих веществ проведены исследования по разработке составов теплоизоляционного торфодревесного материала. Основные физико-механические свойства полученных торфодревесных материалов приведены в таблице 5.
Таблица 5
Основные физико-механические свойства торфодревесных материалов
№ состава Содержание компонентов, масс. % Физико-механические свойства торфодревесных материалов
заполнитель (древесные отходы) торф безводный силикат натрия
плотность, кг/м3 водопо-глощение по массе, % прочность при сжатии, Ясж, МПа коэффициент теплопроводно-сти Вт/м°С
1. Контрольный 50 50 - 330 35 0,6 0,070
2 50 35 15 325 28 0,70 0,068
3 50 30 20 320 23 0,80 0,065
4 50 25 25 330 24 0,75 0,066
Предварительно проведены исследования по выявлению оптимального соотношения заполнителя и торфосиликатного вяжущего. С увеличением содержания БСН до 20% прочность при сжатии торфодревесного материала увеличивается в 1,16-1,33 раза при снижении показателей водопоглощения и коэффициента теплопроводности. При дальнейшем увеличении силикат-глыбы происходит снижение прочности приблизительно на 6%, что, возможно, связано с содержанием и увеличением количества несвязанной щелочи. Наилучшее уплотнение тор-фодревесной массы достигается при соотношении вяжущего и заполнителя 50:50. Кроме того, в условиях тепловой обработки (сушка при t=80-90°С в течение 18 ч) повышенная температура и щелочная среда способствуют растворению с поверхности частиц торфа и силикат-глыбы аморфного кремнезема, находящегося в тонкодисперсном состоянии. В результате чего образуются раствор ортокремниевой кислоты и частично жидкое стекло. Наличие в составе торфа оксида алюминия приводит к локальному изменению рН на границе «раствор - зерно», вследствие чего жидкое стекло гидролизуется и на поверхности частиц стекла образуется гель кремниевой кислоты. В момент образования дисперсной фазы происходит реакция поликонденсации с образованием геля кремниевой кислоты, который склеивает в монолит отдельные нерас-творившиеся частицы стекла и тонкодисперсные частицы торфа [4].
Прочность и другие строительно-технические свойства твердеющих композиций в значительной степени зависят от первоначального состояния системы, способа механической активации, содержания щелочного агента, от типа образующихся гидратов. С ростом температуры формируются малорастворимые новообразования, химический и фазовый состав которых предопределяют их высокую химическую стойкость в кислотных и солевых средах, которые характеризуются высокой прочностью и долговременной стойкостью в воде, неорганических кислотах и солях.
Установлено, что в диспергированном в водной среде торфе предполагается формирование условий для образования органоминерального вяжущего, в котором органическая часть, имеющая преимущественно волокнистую структуру, будет выполнять клеящую и армирующую функции, а минеральная часть, гидратируясь, будет усиливать вяжущие свойства [3].
Технология получения теплоизоляционного материала на основе торфа, измельченного в условиях гидромеханоакивации с БСН, предусматривает тепловую обработку для понижения влажности формовочных смесей с 80-95% до 5-10 %. Были проведены дополнительные исследования с целью выявления оптимальных условий для сушки изделий. Рассмотрены три вида сушки материала: естественная сушка, сушка в сушильной камере при температуре t = 85°C, сушка с применением волн сверхвысокой частоты. В результате исследований выявлено, что материал достигает конечной влажности W = 5% в естественных условиях через 6-7 сут, в сушильной камере - через 18 ч, при сушке с применением волн сверхвысокой частоты - 3545 мин, при котором получен теплоизоляционный материал с нормируемыми показателями.
В результате быстрого повышения температуры торфодревесного композита, что характерно для СВЧ-нагрева, повышается давление водяных паров, т.е. появляется избыточное давление пара внутри материала по отношению к давлению среды. Этот градиент избыточного давления резко интенсифицирует процесс сушки, так как в этом случае перенос пара происходит как путем молекулярной диффузии, так и путем фильтрации через поры и капилляры тор-фодревесного материала. Этот вид переноса при СВЧ-сушке подавляет остальные виды переноса.
Выводы
Анализ результатов по получению теплоизоляционного торфодревесного материала показал, что механическое диспергирование низинного торфа в водной среде до размеров частиц 2-5 мкм приводит к активации его минеральной части. Это объясняется тем, что в процессе гидратации высвобождаются минеральные соединения, участвующие в комплексообразова-нии и обладающие вяжущими свойствами, что приводит к увеличению прочности сцепления торфа с древесным заполнителем. Использование в торфодревесной смеси модифицирующей добавки - натриевой силикат-глыбы - позволяет получить теплоизоляционный торфодревес-ный материал. Наиболее эффективным конструктивным решением использования полученного торфодревесного строительного материала является фасадная теплоизоляция с защитно-декоративной системой совмещенного типа. Разработанный теплоизоляционный материал на основе низинных торфов Республики Бурятия и отходов лесопиления является конкурентоспособным и может занять достойную нишу на строительном рынке Республики Бурятия и Дальнего Востока.
Библиография
1. КопаницаН.О., Кудяков А.И., СаркисовЮ.С. и др. Рациональное использование торфа в строительных технологиях // Строительные материалы. - 2007. - № 12. - С. 32-34.
2. Касицкая Л.В., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П. и др. Торфяные ресурсы Томской области и пути использования их в строительстве. - Томск: Изд-во SST, 2007. - 292 с.
3. Копаница Н.О., Кудяков А.И., Саркисов Ю.С. Строительные материалы и изделия на основе модифицированных торфов Сибири: монография. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2013. - 295 с.
4. Урханова Л.А. Повышение эффективности строительных материалов безавтоклавного гидра-тационного твердения за счет механохимической активации вяжущих композиций: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Улан-Удэ, 2008. - 24 с.
Bibliography
1. Kopanitsa, N.O., Khudyakov A.I., Sarkisov Yu.S. et al. Rational use of peat in construction technologies // Construction materials. - 2007. - N 12. -P. 32-34.
2. Kasitskaya L.V., Sarkisov Yu.S., Gorlenko N.P. et al. Peat resources of the Tomsk region and ways of using them in construction. -Tomsk: SST Publishing house, 2007. - 292 p.
3. Kopanitsa N.O., Kudyakov A.I., Sarkisov Yu.S. Construction materials and products based on modified peat of Siberia: monograph. - Tomsk: TGASU Publishing house, 2013. - 295 p.
4. Urkhanova L.A. Improving the efficiency of building materials of autoclave-free hydration hardening due to mechanochemical activation of binding compositions / L.A. Urkhanova: abstract of dis. Dr. Techn. Science. - Ulan-Ude, 2008. - 24 p.
