CC BY
12УДК 674.88
Е.А. ШАБАЛИНА, магистр (shl_a88@list.ru), Г.И. ЯКОВЛЕВ, Г.Н. ПЕРВУШИН, доктора техн. наук, Ижевский государственный технический университет (Россия); Х.-Б. ФИШЕР, д-р-инженер, Веймарский строительный университет (Германия)
Торфомагнезиальная композиция
В России торф является практически неисчерпаемым местным сырьем. Потенциальные возможности торфа для использования в качестве заполнителя в композиционном материале обусловлены особенностями его состава и строения [1]. Имеются примеры использования торфа как заполнителя в композициях с минеральными или органическими вяжущими веществами [2] (цемент, гипс, известь, битум, полимеры), например в композициях, описанных в патентах [3, 4]. Но наиболее эффективным вяжущим в композиционном материале с органическим заполнителем является каустический магнезит [4, 5]. Применение каустического магнезита обеспечивает формирование новообразований в виде нановолокон, которые упрочняют структуру композиционного материала за счет армирования вяжущей матрицы. Кроме того, при затворении каустического магнезита растворами магнезиальных солей торф не подвержен отрицательному воздействию легкогидроли-зуемых веществ, образующихся при приготовлении композитов на основе органических наполнителей. Необходимо также учитывать низкую энергоемкость производства каустического магнезита, что сказывается на стоимости материалов на его основе.
Известны теплоизоляционные изделия, получаемые на основе торфа под названием «Геокар» [6], которые обеспечивают необходимые теплофизические свойства, но в то же время имеют недостатки, ограничивающие их
/
-/ЪшОГуш
.- "'Ж МШкк
Л Г
НГ гхр I-РТ? 1 V.'.
Рис. 1. Микроструктура торфа: а - общий вид низинного торфа; б - фрагмент частицы торфа
о 1=
широкое использование — низкую прочность, горючесть, высокое сорбционное влагосодержание, низкую водостойкость. Эти недостатки в значительной степени можно снизить или устранить, используя магнезиальное вяжущее [7].
Для получения композиционного материала использовался низинный торф. Торф в естественном состоянии характеризуется значительной влажностью 91—96%, его пористость составляет 96—97%. Средняя плотность использованного торфа составила 400 кг/м3. Химический состав торфа установлен при микроанализе и включает следующие химические элементы: С, О, Са, Fe, Mg, Si, S, А1.
Использованный в экспериментах низинный торф обладает по сравнению с верховым более низкой гигроскопичностью и водопоглощением, что также сказывается на повышении водостойкости по сравнению с верховым торфом. Кроме того, низинный торф обладает высокой степенью разложения, что повышает его биостойкость, а также большей однородностью гранулометрического состава, значительно меньшей кислотностью (рН = 6,7), степенью разложения (25—40%).
Макроструктура торфа включает грубодисперсную часть, состоящую из неразложившихся растений, высокодисперсных частиц, состоящих из молекулярных ассоциатов и их обломков. Микроструктура представлена высокодисперсными частицами (рис. 1, а), состоящими из неразложившихся остатков растений-торфообразователей (древесных, травяных и моховых), образующих легкодеформируемые аморфные структуры (рис. 1, б).
Для улучшения физико-технических характеристик торфомагнезиальной композиции и одновременно для повышения плотности структуры и прочности композиции в качестве вяжущего использовался каустический магнезит промышленного производства ОАО «Комбинат Магнезит» г. Сатка марки ПМК-75, соответствующий ГОСТ 1216—87. Каустический магнезит имеет следующий химический состав, %: MgO>75; SЮ2<4,5; СаО<3,5.
80
> 1 1,5 2 2,5 3 3,5 1 2 3
Ммагнез/Мторф Отношение масс Ммагнез/Мторф
Рис. 2. Влияние содержания каустического магнезита: а - на плотность; б - на прочность торфомагнезиальной композиции
б
а
32
научно-технический и производственный журнал
март 2012
Рис. 3. Микроструктура затвердевшего магнезиального вяжущего: а - при 1250-кратном увеличении; б - при 10500-кратном увеличении
Рис. 4. а - микроструктура торфомагнезиального материала; б - фрагмент структуры
Рис. 5. Микроструктура торфомагнезиального материала: а - наново-локна из оксихлоридов магния, формирующиеся в стесненных условиях; б - кристаллогидраты оксихлорида магния в структуре пор
Для затворения каустического магнезита использовался раствор бишофита MgCl2-6H2O плотностью 1,2 кг/л в соотношении каустический магнезит:бишофит — 7,5:1.
Для предотвращения усадочных явлений в состав композиции вводился древесный опил смешанных древесных пород с размером частиц от 0,1 до 2,5 мм в количестве 30% от массы торфа.
Для механических испытаний изготавливались образцы-кубики с размером стороны 70 мм. Твердение образцов происходило при относительной влажности 60-70% и температуре 20-24оС.
Исследование микроструктуры торфа и изделий из него производилось на растровом электронном микроскопе марки XL 30 ESEM-FEG фирмы PHILIPS.
Рентгенофазовый анализ при исследовании исходных материалов и новообразований в структуре затвердевших композиций проводился на дифрактометре общего назначения ДРОН-3. Был применен метод порошка, использующий съемку с дифрактометрической регистрацией. Для обеспечения возможности автоматизированной обработки дифракционных спектров запись сигнала производилась в цифровой форме.
Дифференциально-термический анализ торфо-магнезиальной композиции проводился на приборе де-риватограф Diamond TG/DTA. Скорость подъема температуры составляла 10оС/мин.
Оптимизация состава торфомагнезиального материала производилась исходя из минимальной плотности изделий, которая предопределяет низкую теплопроводность материала и достаточную прочность мате-
риала на сжатие, придающую материалу необходимую несущую способность. Как видно из рис. 2, а, с увеличением соотношения между магнезиальным вяжущим и торфом средняя плотность увеличивается в прямой пропорции. В то же время существенно увеличивается прочность изделий из торфомагнезиального материала (рис. 2, б).
При твердении магнезиального вяжущего, затворяемого раствором хлорида магния, формируется структура с кристаллогидратными новообразованиями на основе оксихлоридов магния [8], имеющими рыхлую волокнистую структуру (рис. 3).
Перемешивание магнезиального вяжущего с торфом обеспечивает получение однородной массы, при твердении которой структура композиции становится более плотной и упорядоченной (рис. 4, а).
Согласно исследованиям [4, 9] высокая прочность магнезиального камня в ранние сроки достигается за счет быстрого формирования мелких кристаллов оксих-лорида магния, которые сращиваются между собой в стесненных условиях при плотной структуре материала. При этом происходит как механическое переплетение друг с другом нитевидных нанокристаллов на основе оксихлоридов магния, так и пронизывание ими структуры частиц торфа (рис. 4, б; 5, а). Уменьшение размеров оксихлоридных новообразований приводит к повышению их удельной поверхности, обусловливает увеличение числа контактов между ними и, как следствие, приводит к формированию структуры материала с повышенной прочностью.
При наличии крупных пор между гранулами торфо-магнезиальной композиции меняются условия для образования кристаллов и происходит кристаллизация оксихлорида магния с формированием крупных новообразований в форме «морского ежа» (рис. 5, б).
Следовательно, при повышении плотности торфо-магнезиальной композиции оксихлориды магния способны блокировать частицы торфа от прямого воздействия влаги и других факторов окружающей среды.
Рентгенофазовый анализ торфомагнезиальной композиции показал, что на рентгеновском спектре наряду с каустическим магнезитом MgCOз•(dа, А=2,33; 2,10; 1,70; 1,49) имеются сильные отражения периклаза MgO А=2,24; 2,10; 1,49; 1,27; 1,21) и гидроксида магния Mg(OH)2 А=4,76; 2,56; 2,35;1,79; 1,57; 1,44). Вяжущие свойства обеспечиваются оксихлоридом магния Mg2(OH)CЮз•3H2O А=11,49; 3,25; 2,22; 2,05). Сильное отражение карбоната магния связано с интенсивной карбонизацией гидроксида магния вследствие высокой пористости материала и доступности углекислого газа к минеральной оболочке, в состав которой входит гидроксид магния.
Дифференциально-термический анализ торфо-магнезиальной композиции (рис. 6) показал наличие эндотермических эффектов в области температур 140— 150оС, связанных с удалением части кристаллогидрат-ной воды из оксихлоридов и гидроксидов магния, что подтверждается интенсивным снижением массы образца на линии ТГ. Экзотермический эффект при температуре 355оС связан с выгоранием торфа и переходом его в состояние кокса, который при дальнейшем нагреве в области температур 500—570оС активно окисляется с переходом в углекислый газ, Кроме того, при температуре 410оС отмечен эндотермический эффект, связанный с дегидратацией гидроксида магния и ступенчатой дегидратацией оксихлорида магния; при температуре 480оС проявляется слабый эндотермический эффект, связанный с разложением оксихлоридов магния.
Анализ теплопроводности торфомагнезиальной композиции производился на измерителе тепловых потоков ИТП-МГ4 «100». Результаты исследований тепло-
rj научно-технический и производственный журнал
Ш март 2012 33
22,f
14 -
12
1С
- \ -
- V
_ V
\ Ч / -
1030
800
а
о
600
400
200
-200
-456,7
36,48 100 200 300 400 500 600 700 803,4 Температура, оС
Рис. 6. Дифференциально-термический анализ торфомагнезиальной композиции
Отношение массы магнезита и торфа Ммагнез/Мторф Средняя плотность, г/см3 Прочность при сжатии, МПа Коэффициент размягчения Теплопроводность, Вт/(м.К)
3 1,38 7,215 - -
1,87 1,08 4,975 0,59 0,151
1,5 1,05 2,397 0,53 0,118
1,2 0,98 2,055 0,5 0,11
1 0,96 1,633 0,46 0,098
0,67 0,91 0,961 - -
0,94
0,08 0,1 0,12 0,14
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м. К) Рис. 7. Зависимость теплопроводности от плотности
0,16
проводности показывают, что коэффициент теплопроводности имеет логарифмическую зависимость (рис. 7).
Криволинейный характер зависимости объясняется различным влиянием на изменение коэффициента теплопроводности твердой фазы в материале и воздуха в порах, коэффициент теплопроводности которого значительно меньше, чем торфа, древесных опилок и тем более оксихлоридов магния. С увеличением плотности пористость уменьшается и соответственно возрастает роль твердой фазы на значение теплопроводности тор-фомагнезиальной композиции.
Основные физико-технические характеристики тор-фомагнезиальной композиции приведены в таблице.
Полученный материал можно отнести к теплоизоляционно-конструкционным, так как его коэффициент теплопроводности ниже 0,16 Вт/(м-К), а средняя плотность больше 600 кг/м3 (ГОСТ 6133-84 «Камни бетонные стеновые»). По значениям коэффициента размягчения Кр можно сделать вывод, что полученный материал неводостойкий, поэтому при использовании в ограждающих конструкциях зданий его нужно защищать от прямого воздействия атмосферных осадков.
Ключевые слова: торфомагнезиальные композиции, теплоизоляционные изделия, низинный торф.
Список литературы
1. Raven P., Evert R., Eichhorn S. Biology of Plants. Fourth Edition, Worth Publishers. 1990. 348 p.
2. Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. Ленинград: Стройиздат, 1990. 415 с.
3. Plekhanova T.; Keriene J.; Gailius Albinas; Yakovlev G. Structural, physical and mechanical properties of modified wood-magnesia composite // Construction and building materials, 2007.21(9): 1833-1838.
4. Рамачандран В., Фельдман Р., Бодуэн Дж. Наука о бетоне: Физико-химическое бетоноведение / Пер. Розен-берг Т.И., Ратинов Ю.Б. М.: Стройиздат, 1986. 278 с.
5. Alvarado E, Torres-Martinez L.M., Fuentes A.F., Quintantana. P. Preparation and characterization of MgO powders obtained from different magnesium salts and the mineral dolomite. Polyhedron. 2000. 19: 2345-2351.
6. Вязовченко П.А., Сухарев Б.В. Конструкция и технический регламент древесных торфоблоков «Геокар». Тверь: Проектный институт Тверьгражданпроект, 1997. 456 с.
7. Каминкас AM. Технология строительных материалов на магнезиальном сырье. Вильнюс: Наука, 1987. 341 с.
8. Горшков В.С., Савельев В.Г., Абакумов А.В. Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы. Структура и свойства. М.: Стройиздат, 1995. 576 с.
9. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. Промстройиздат, 1951.
25-28 АПРЕЛЯ 2012
СОНИ, Мор порт Выставочные павильоны ПГ X
2012
l^Z СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ CJ ВЫСТАВКИ
<£, АРХИТЕКТУР*. СТРОИТЕЛЬСТВО БЛАГОУСТРОЙСТВО. ЖНХ
si МАТЕРИАЛЫ И ТОКОЛОГИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СПОРТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ
ф КЛИМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ТЕПЛО-, ГАЭО, ВОДОСНАБЖЕНИЕ
а ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Qk СТР0ЙСПЕ1ЩХНИКА. ДОРОГА. ТОННЕЛЬ
"Л ДОМ. ДАЧА. КОТТЕДЖ. ДЕРЕВЯННОЕ ДОМОСТРОЕНИЕ. ЛАНДШАФТНЫЙ ДИЗАЙН
О ДИЗАЙН ИНТЕРЬЕРА, ЭКСТЕРЬЕРА. ДЕКОР
©и ЭКОЛОГИЯ. БЕЗОПАСНОСТЬ
Выставочная компания «Сочи-Экспо ТИП г. Сочи» rni-iMWnn геп;Факс: (8622) 648-700, 642-333, (495) 745-77-09 e-mail: H.Lepikova@sochi-expo.ru; www.sochi-expo.rij
34
научно-технический и производственный журнал
март 2012
jVJ ®
