Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Современное состояние научно-технических разработок по применению торфа 14
1.1. Качественная характеристика торфа и торфяных залежей 14
1.1.1. Общая характеристика торфа и торфяного месторождения 14
1.1.2. Растительный покров торфяных месторождений 15
1.1.3. Классификация видов торфа 17
1.2. Характеристика производства и потребления торфяных композиционных материалов 20
1.3. Геоэкологические аспекты применения торфа в качестве местного сырья 31
1.3.1. Основные направления расхода торфа 31
1.3.2. Структура реализации торфяного фонда 34
1.3.3. Природоохранные функции болот и торфа 36
1.4. Выводы по главе 40
ГЛАВА 2 . Характеристика исходных материалов и методы исследований 42
2.1. Характеристика основных физико-химических свойств торфа 42
2.2. Характеристика минерального вяжущего вещества 48
2.2.1. Основные свойства гипсовых вяжущих 48
2.2.2. Геоэкологические аспекты применения гипсового вяжущего 51
2.3. Сырьевые материалы для изготовления торфогипсовой композиции 53
2.4. Методика определения физико-механических свойств торфогипсового композита 55
2.5. Физико-химические методы исследования 56
2.6. Методы исследования структурных характеристик торфогипсового композита 58
2.7. Выводы по главе 60
ГЛАВА 3. Исследование условий получения композиционного материала на основе торфа и гипса 61
3.1. Разработка оптимальных технологических параметров получения торфогипсовой композиции 61
3.1.1. Влияние режимов перемешивания торфогипсовой смеси на процесс структурообразования композита 62
3.1.2. Влияние методов формования торфогипсовой смеси на физико-механические свойства композита 64
3.2. Исследование процессов образования структуры торфогипсового композита 69
3.2.1. Микроскопическое исследование торфяного сырья как заполнителя в композиционном
материале 69
3.2.2. Влияние количественного соотношения торфа и гипса на основные свойства торфогипсового композита 74
3.2.3. Влияние фракционного состава фрезерного торфа на физико-технические свойства композита 79
3.3. Исследование влияния отхода химической переработки торфа на основные свойства конгломератов 83
3.4. Тепловая обработка изделий из торфогипсовой композиции 87
3.5. Оптимальные параметры технологии и экстремальные показатели свойств торфогипсового композита 91
3.6. Выводы по главе 99
ГЛАВА 4. Технологические параметры производства продукции химической переработки торфа 100
4.1. Технология получения продукции 100
4.2. Воздействие на экологию окружающей среды 100
ГЛАВА 5. Разработка технологического регламента и технических предложений на проектирование и строительство цеха мощностью 30 тыс.м3 в год торфогипсовых изделий 103
5.1. Исходные данные на проектирование и строительство цеха по производству торфогипсовых изделий 103
5.2. Состав технического проекта цеха по производству торфогипсовых изделий 104
5.3. Воздействие на экологию окружающей среды 107
ГЛАВА 6. Основные выводы 108
Библиографический список 114
Приложения 127
- Характеристика производства и потребления торфяных композиционных материалов
- Природоохранные функции болот и торфа
- Характеристика основных физико-химических свойств торфа
- Влияние методов формования торфогипсовой смеси на физико-механические свойства композита
Введение к работе
В настоящее время большая часть предприятий по добыче торфа испытывают серьезный спад производства по объемам и номенклатуре выпускаемой продукции. Так, общий объем производства торфа в Нижегородской области достиг весьма низкого уровня: в 1999 г. получено 47,7 тыс.т, что почти в 30 раз меньше по сравнению с 1989г. При этом объем производства топливного торфа уменьшился приблизительно в 7 раз, объем производства кускового - в 2 раза, а производство торфяных брикетов сократилось примерно в 15 раз. Достаточно высокая себестоимость в сочетании с низкими механической прочностью, водо- и гигростойкостью, высокой метало- и энергоемкостью ряда технологий не обеспечивают необходимый уровень эксплуатационных характеристик и существенно снижают конкурентоспособность торфяной продукции [61]. Современные технологии получения продукции из дисперсных материалов методами сухого и влажного формования содержат в своей основе операции по созданию оптимальных структур, обеспечивающих комплекс необходимых потребительских свойств. Однако в науке о торфе и технологиях торфяного производства исследования и разработки по формированию структуры продукции в процессе ее получения не достигли достаточного развития, что отражается на качестве брикетов, кускового торфа, сорбентов, теплоизоляционных материалов и др.
Торфяная промышленность России, сформировавшаяся как одна из отраслей топливно-энергетического комплекса, на первом этапе своего развития специализировалась, преимущественно, на добыче топливного торфа, используемого в качестве местного топлива для электростанций, коммунально-бытовых потребителей и населения. Максимальная поставка электростанциям бывшего Минэнерго СССР в 1974 году составила более 25 млн. т. топливного торфа.
Торф в нашем государстве используется уже более 200 лет, а его промышленная разработка началась с 1922 года. Торфяное топливо имеет ряд экологических преимуществ по сравнению с углем и сернистыми сортами топливного мазута. В выбросах электростанций, работающих на торфяном топливе, содержится значительно меньше диоксида серы, основного фактора образования и выпадения кислотных дождей, меньше и других примесей. В мировом масштабе доля торфа в производство энергии составляет примерно одну тысячную от энергии, потребляемой в мире. Однако в ряде стран торф до сих пор широко используется в энергетике: например, в Финляндии на его долю приходится до 10-15 % основного производства энергии, в Ирландии более 10 %, в России менее, чем 0,03%.
Особенности состава и строения торфа определяют его широкие потенциальные возможности для использования в различных областях народного хозяйства [24,43]. Он является уникальным природным образованием, состоящим из отложений органического происхождения и неорганических соединений.
Опыт применения этого материала в строительстве в основном связан с использованием верхового торфа, обладающего вяжущими свойствами в естественном состоянии [41,46,63,114]. Получение строительных материалов из торфа средней и высокой степени разложения сопряжено с целым рядом трудностей, среди которых следует отметить высокую плотность и соответственно теплопроводность, значительную усадку в процессе сушки и связанную с ней низкую механическую прочность, крошимость продукции. Однако низкая степень разложения верхового торфа предполагает его высокую биологическую активность, что приводит к снижению долговечности строительных материалов на его основе. Верховые виды торфа, доступные запасы которого в настоящее время в значительной степени выработаны, востребованы в других отраслях народного хозяйства. Многие месторождения
7 верхового торфа являются природоохранными объектами и не подлежат разработке.
Производство строительных материалов является одной из самых материалоемких отраслей промышленности. Она перерабатывает огромные объемы природного сырья. Без специальных экологических исследований и мер защиты невозможно обеспечить полную безопасность производства и применения строительных материалов, создания комфортных условий и благоприятного микроклимата в помещениях [49].
Радикальное решение вопроса экологической безопасности при добыче полезных ископаемых из недр Земли связано с созданием малоотходных и безотходных производств, работающих по замкнутому циклу. Поэтому комплексное и рациональное использование природных ресурсов в условиях быстрого развития промышленности, транспорта и сельского хозяйства становится одной из важнейших общегосударственных задач, решение которых неразрывно связано с охраной здоровья населения и обеспечением необходимых условий для плодотворного труда и отдыха.
Актуальность исследований. Суммарные мировые ресурсы торфа составляют примерно 275 млрд.т. По данным независимых источников (International Peat Society (IPS)) более половины из них находятся в России. По состоянию на 01.01.2001г. прогнозные ресурсы торфа страны в количестве 158,3 млрд.т. оценены на площади 27155 месторождений и 400 неизученных участков разведанных месторождений, что составляет в границе промышленной глубины площадь 43,7 млн.га. 99,9% прогнозных ресурсов торфа (158,18 млрд.т.) приурочены к месторождениям площадью более 10 га. Прогнозные ресурсы, определенные камеральным путем и представляющие собой ресурсы потенциально перспективных площадей, на которых возможно открытие месторождений торфа подсчитаны в количестве 4,49 млрд.т. Прогнозные 8975 месторождений площадью до 10 га составляют 95,5 млн.т., а их площадь 38732,5 га- 0,09% от площади оценки прогнозных ресурсов торфа.
В распределении торфяных ресурсов России существует достаточно резко выраженная неравномерность. Наибольшие запасы торфа сосредоточены в северо-западных районах Европейской части России, в северной части Урала и в центральных районах Западно-Сибирской равнины; южнее этой зоны процесс торфонакопления ослабляется и далее к югу почти прекращается. В районах наибольшего распространения торфа преобладают наиболее крупные торфяные месторождения. С ослаблением заторфованности снижаются и размеры месторождений.
Вследствие разнообразия географических условий торфонакопления имеют место и большие колебания в качественных и количественных характеристиках торфяных месторождений.
Другой существенной проблемой является нехватка в землях пригодных для сельскохозяйственного возделывания. Мониторинг расположения торфяных месторождений показал, что, в основном, они занимают благоприятные для этих целей площади.
Более 60% территории России (1100 млн.га) находятся в условиях вечной мерзлоты, значительные площади в пустынной и полупустынной зонах и только 7,7% от общей площади земель (132 млн.га) занимает пашня в наиболее благоприятных условиях для ведения сельского хозяйства. Значительных резервов для восполнения земельных угодий на территории России не осталось. Возрастающие негативные техногенные воздействия на почвы, потребительское использование, особенно сельскохозяйственных угодий, привели за последние годы к резкому снижению плодородия почв, их истощению, загрязнению и другим неблагоприятным процессам, что создает угрозу национальной безопасности.
Резкое снижение плодородия почв характерно для всех почв России. Сельскохозяйственные угодья России составляют 210 млн.га. Согласно последним данным агрохимического обследования (Главное управление химизации Министерства сельского хозяйства РФ) каждый третий гектар
9 пахотных земель характеризуется низким содержанием гумуса и фосфора, повышенной кислотностью, что лимитирует уровень урожайности. В 90-ые годы прошлого столетия в почву вносили в среднем 482,0 млн.т. органических удобрений (3,7 т/га пашни) в год, 13 млн.т. действующего вещества минеральных удобрений (100 кг/га) и 38 млн.т. известковых удобрений, что составляло 60-70 % от научно-обоснованной потребности. В последующие годы объем применения органических и минеральных удобрений начал резко снижаться.
За последние годы объемы основных агрохимических работ резко сократились: применение навоза и компостов на 46 %, минеральных удобрений на 61%, химических мелиорантов на 52 %. Уже с 1994 года в России не удобрялось более половины посевов зерновых и кормовых культур, впервые за многие годы на пашне сложился отрицательный баланс питательных веществ. Если не применять экстренных мер по стабилизации почвенного плодородия, то процесс деградации земель может стать необратимым.
В России 16,5 млн. га пашни характеризуется очень низким содержанием гумуса и 21 млн. га - низким. Ежегодные потери органического вещества почвы составляют до 1т/га в богарных условиях и 2,5-3,0 т/га при орошении. Для бездефицитного баланса гумуса в почве необходимо ежегодно вносить в пахотные земли 830-870 млн.т. органических удобрений (6,4-6,8 т/га). Основной резерв пополнения органического вещества в почве — внесение органических удобрений. Однако даже в лучшие годы выход навоза и помета только наполовину обеспечивал требующееся количество органики.
Востребованость сельского хозяйства в пахотных землях можно компенсировать с помощью выработки торфяных месторождений низинного торфа, которые занимают большие территории. Тем более, что рациональное использование торфяного месторождения требует максимально возможного извлечения полезных ископаемых на ранее освоенных площадях.
Кроме того, повышение почвенного плодородия сельскохозяйственных земель возможно за счет расширения использования низинного торфа для изготовления из него удобрений и препаратов данного профиля.
Таким образом, можно заключить, что принятая к исследованию тема, посвященная повышению эффективности использования низинного торфа за счет комплексной и рациональной переработки по экологически безопасной технологии, является актуальной, особенно в нашей стране, занимающей первое место в мире по запасам торфа и выпускающей продукцию на его основе в минимальных количествах.
Основные направления исследований, проведенные в данной работе, показаны на рис. 1.
Целью настоящей работы является повышение эффективности использования природного потенциала добываемого низинного торфа за счет разработки экологически безопасной технологии по его более полной переработке и применению в строительстве.
Для достижения поставленной цели требовалось решить ряд конкретных задач:
Изучить способы добычи и переработки торфа и их влияние на экологическую среду;
Изучить физико-химические свойства низинных торфов различных месторождений. Исследовать зависимость между составом торфяного сырья и показателями качества продукции на его основе;
Проанализировать существующие технологии переработки низинного торфа и предложить наиболее экологически безопасную технологию производства композиционного материала с заданными эксплуатационными свойствами, позволяющую использовать максимальное количество добываемого сырья;
Установить закономерности формирования структуры композиционного материала по предложенной технологии и методы ее регулирования;
Торфогипсовый композит
Конгломераты на гипсовом вяжущем
-О Я о
я о » я Е
> я
я я м
о о
и о> и о я и> я я
Яс
Конгломераты на гипсовом вяжущем
5. Выполнить производственную проверку и внедрение результатов исследований. Разработать технологический регламент по производству изделий из композиционного материала на основе низинного торфа. Дать экономическое обоснование целесообразности применения данного способа производства.
Научная новизна выполненных исследований и полученных результатов заключается в следующем:
-теоретически обосновано и экспериментально подтверждено решение экологической проблемы, связанной с нерациональным использованием природных ресурсов - месторождений низинного торфа - за счет разработки экологически безопасной, малоэнергоемкой и безотходной технологии переработки низинного торфа;
-изучены физико-химические свойства низинного торфа с позиции применения его в качестве местного органоминерального сырья для производства композиционных материалов;
-выявлены закономерности формирования структуры торфогипсового композита, которые предопределили оптимальные технологические параметры производства данного материала;
-разработана технология выделения гуминовых веществ из низинного торфа и утилизация отходов, образующихся после их выделения;
-разработана технология производства изделий из торфогипсовой композиции;
- изучены основные свойства полученного композиционного материала.
Практическое значение работы определяется нижеследующим:
- разработана промышленная технология производства композиционного
материала на основе низинного торфа, который на данный момент практически
не вырабатывается, а его месторождения занимают огромные территории,
востребованные сельским хозяйством;
- разработаны технологический регламент и исходные данные на
проектирование и строительство цеха по производству штучных изделий из
торфогипсового композита мощностью 30 тыс.м в год;
разработана технология выделения из торфа гуминового комплекса для производства биостимулирующего препарата, позволяющая повысить эффективность использования природного потенциала низинного торфа;
отходы химической переработки торфа (ОХПТ) используются полностью без дополнительной обработки в качестве добавки в торфогипсовой, бетонной и растворной смесях как пластификатор и регулятор сроков схватывания;
получен торфогипсовый композит, качественные показатели которого рекомендуют использовать продукцию на его основе в малоэтажном и сельскохозяйственном строительстве;
в зависимости от области применения торфогипсового композита возможно изготовление как теплоизоляционного, так и конструкционно-теплоизоляционного материала.
Настоящая работа выполнена на кафедре строительных материалов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета в соответствии с планом НИР ННГАСУ. Все испытания и исследования проводились в Испытательном центре «Нижегородстройиспытания» ГОССТРОЯ РФ (Аттестат аккредитации № ГОСТ Р RU.9001.6.2.0038. Зарегистрирован в Госреестре 06 июля 1998 г.)
Характеристика производства и потребления торфяных композиционных материалов
Фундаментальные основы науки о природе торфа и торфяных залежей, физико-химических и структурно-механических свойствах торфа, технологиях добычи и переработки основаны на результатах исследований Б.М. Александрова, Л.С. Амаряна, А.Е. Афанасьева, Е.Т. Базина, И.И. Берковича, Б.А. Богатова, Г.П. Вирясова, М.П. Воларовича, Н.И. Гамаюнова, С.Н. Гамаюнова, Н.В. Гревцева, В.И. Горячева, Б.Ф. Зюзина, В.Д. Копенкина, С.С. Корчунова, В.П. Круглова, Н.В. Кислова, В.И. Косова, И.Ф. Ларгина, И.И. Лиштвана, Л.М. Малкова, Б.И. Масленникова, В.А. Миронова, В.М. Наумовича, В.И. Суворова, А.А. Терентьева, В.К. Фомина, Н.В. Чураева и других ученых. Общая характеристика производства и потребления торфяных композиционных материалов различного назначения представлена в табл. 1.1. Промышленное производство торфяных изоляционных плит для строительства было начато в 1930 г., одновременно по двум способам: мокрому и сухому. Наибольшее распространение получил мокрый способ изготовления как более эффективный и дающий продукцию более высокого качества. Производство торфоплит мокрым способом состоит из следующих основных последовательно выполняемых операций: подготовки сырья, приготовления торфяной гидромассы, формования и тепловой обработки плит и изготовления из них изоляционных пакетов [44,112]. Все существующие технологии, ориентированные на использование верхового торфа, схожи с данной технологией производства. Они имеют ряд технических недостатков, что сказывается на качестве выпускаемой продукции. Анализ рассмотренных технологий показал, что наиболее перспективным направлением является использование торфа в качестве заполнителя в композициях с минеральным вяжущим [57,58,62]. Таблица 1.1 Характеристика производства и потребления торфяных композиционных материалов Наименование композиционных материалов Характеристика компонентов Краткая характеристика производства и потребления композиционных материалов Торфяная продукция сельскохозяйственного назначения 1. Компосты- торфонавозные,- торфожижевые,- торфофекальные,-торфопометные,-торфо-навозно-фосфоритные торф: навозторф: навозная жижаторф: фекалииторф: пометторфо-навозный компости 1,5-2% фосфоритноймуки от массы компоста Технологический процесс производства включает дозировку, перемешивание и компостирование смеси. Торф является традиционным сорбентом для утилизации отходов животноводческих и птицеводческих комплексов.Компостирование торфа при оптимальных условиях обеспечивает получение высококачественного органического удобрения. 2. Компосты с отходами промышленности и коммунального хозяйства:- с промышленными отходами,- с осадками сточных вод(ОСВ),- с бытовыми отходами. торф : жидкие азотосо-держащие отходы торф : ОСВ : известковая мука торф : бытовые отходы Предложено при производстве органоминеральных удобрений использовать аммиачные воды коксохимических заводов, сточных вод азотнотуковых заводов и азотной кислоты низкой концентрации (6-9%), являющиеся отходами промышленных предприятий.ОСВ имеют высокую удобрительную ценность, но при оценке пригодности ОСВ для производства компоста следует контролировать содержание в них вредных примесей (тяжелые металлы, моющие вещества, нефтепродукты, канцерогенные соединения, патогенные микроорганизмы). Бытовые отходы (городской мусор) компостируется различными способами: полевым и компостированием с принудительной аэрацией. Продолжительность компостирования 18 мес, с принудительной аэрацией 2-3 мес. Действия компости 1 2 руемого мусора на урожай эквивалентно навозу. 3 .Торфоминеральные удобрения (ТМУ). Торф, известковая мука, суперфосфат, калий хлористый. ТМУ - производятся компостированием торфа с известковыми материалами и минеральными удобрениями. Эффективность ТМУ выше использования торфа в чистом виде. 4.Торфоаммиачные удобрения (ТАУ). Торф, аммиачная вода или безводный аммиак. Торф, обработанный водным или безводным аммиаком, обладает высокой агрономической эффективностью. Существуют три механизированных способа внесения аммиака в навалы торфа. 5. Торфоминеральноамми-ачные удобрения (ТМАУ-1,ТМАУ-2,ТМАУ-4К, ТМАУ-6К, ТМАУ-3). Торф, аммиак водный технический, суперфосфат, калий хлористый. ТМАУ - комплексные биологически активные органические удобрения, в состав которых входят подвижные формы азота, фосфора и калия. ТМАУ производятся по полевым технологическим схемам, ТМАУ 3 - в заводских условиях. б.Торфогуминовые удобрения. Торф, щёлочь (КОН, NaOH, NH4OH) и безводный аммиак. Принципиальная основа получения торфогуминовых удобрений заключается в активизации гуминовых веществ путем ам-монизации в условиях отсутствия процессов денитрификации. 7. Торфяные грунты:- известкованный ИГ;- теплично-парниковыйТПГ;- биологически активныйАМБ. Торф, известкованный материал, минеральные удобрения, маточная культура микроорганизмов, содержащая аутох-тонную микрофлору Б. Торфяные грунты широко используются в тепличном хозяйстве. Производство осуществляется в полевых условиях на производственных площадях фрезерного способа добычи торфа и с использованием стационарного оборудования. 8.Питательный грунт "Аг-роторф". Верховой сфагновый торф, доломитовые и минеральные удобрения, комплексное гранулированное удобрение, связующее полифосфат натрия. Грунт "Агроторф" - плитки прямоугольной формы размером 75x75x25 для выращивания рассады. Технологический процесс включает подготовку компонентов и приготовления торфоминеральной смеси, её прессование, упаковку плиток и складирование. 2 3 9.Гранулированные удобрения на основе торфа. Торф низинного типа (65-70%), минеральные удобрения (30-35%). Удобрения представляют гранулы диаметром 8-10 мм, соотношение NPK изменяется в зависимости от сельскохозяйственных культур. Производство удобрений осуществляется по двум вариантам: с использованием Гранулятора с перфорированной кольцевой матрицей и гранулятора винтового типа; методом экструзии через перфорированную решетку. Ю.Гранулированные орга-номинеральные удобрения. Торф, сапропель, минеральные удобрения. Сбалансированность состава удобрений и устойчивость к выщелачиванию предотвращают накопление нитратов.
Природоохранные функции болот и торфа
Охрана болот понимается как один из видов их использования в неизменном естественном состоянии для научных, защитных и рекреационных целей [67]. Болота, выполняющие важные природоохранные функции и используемые в научных и рекреационных целях, включают в заповедники, заказники, национальные парки, научные полигоны и т.д. Основные функции болот и торфа, рассмотренные в этом аспекте, показаны на рис. 1.5. Классификация площадей торфяного фонда по состоянию и направлению использования Существующий 8 В результате осушения болот происходит необратимый процесс их разрушения как специфических природных образований, что, как правило, приводит к нарушению равновесия и утрате целого ряда их свойств. Поэтому классификация торфяного фонда по направлениям использования в соответствии со структурой, приведенной выше, необходима, так как формирование охраняемого и запасного фондов позволит исключить возможные негативные последствия в экологических системах и сохранить часть торфяного фонда для будущих поколений.
В охраняемый фонд включают торфяные месторождения, которые представляют различные типы болот, развивающиеся в различных условиях залегания. Они являются объектами водоохранного значения, местами заготовки ценного пищевого и лекарственного сырья, местообитанием редких представителей животного и растительного мира, охотничьими и рыболовными угодьями, зонами рекреации, уникальными месторождениями и др.
В зависимости от климатических условий и характера водного питания образуются болота различного типа, имеющие научную и практическую ценность, так как они являются эталоном болотных ландшафтов данной местности. Болота хранят информацию о смене климата растительности нескольких тысячелетий.
Торфяные месторождения играют важную роль в водном режиме окружающей их территории, поддерживая уровень грунтовых вод, давая начало водному питанию малых рек и озер. Наибольшие изменения водного режима грунтовых вод, связанные с осушением болотных массивов, наблюдаются в районах, где подстилающие грунты торфяной залежи и прилегающие площади сложены из водопроницаемых пород. В условиях плоских заболоченных равнин, сложенных легкими почвогрунтами, понижение уровня грунтовых вод на 20-50 см ведет к нарушению водного питания растений. При снижении величины подпитывания резко уменьшаются экологический объем местообитаний, видовая емкость растительных ассоциаций и их продуктивность [40].
При осушении болота утрачивают свойственные им в естественном состоянии функции аккумуляторов влаги и регуляторов поверхностного стока, что резко сказывается на климатических условиях, на водном и тепловом балансе района их размещения. Помимо регулирования годового поверхностного стока, уровня грунтовых вод, климатических показателей, а также помимо роли естественных биологических фильтров болота ценны для произрастания многочисленных видов растений и обитания животных, в других местах не встречающихся. Освоение торфяных месторождений приводит к сокращению числа видов и вызывает падение их биогеохимической активности, что не всегда желательно. Природные биоценозы служат источником улучшения пород и видов сельскохозяйственных животных и растений, получения более ценных и эффективных, но пока неоткрытых веществ [33]. Растения и животные поражаются новыми болезнями, и для выведения устойчивых сортов и видов необходимо обращаться к диким представителям, так как они в результате своей неизменчивости обладают желаемыми свойствами. Именно на болотах, ландшафты которых меньше ощущают воздействие человека, сохранилось множество видов лекарственных, кормовых, витаминных и прочих растений, которые по мере изучения можно вводить в культуру.
. Выводы по главе 1. Обзор литературных данных по исследованиям торфа и технологиям получения композиционных материалов на его основе позволяет констатировать, что предлагавшиеся технологические схемы, кроме позитивных сторон, имеют и существенные недостатки как с технологической, так и с экологической точки зрения, и не являются достаточно совершенными. Принять какую-либо из предлагаемых разработок к проектированию и практическому применению без коренных изменений технологических параметров и проведения дополнительных исследований не представляется целесообразным. Тем более, что существующие технологии производства продукции строительного назначения ограничены применением верхового торфа малой степени разложения. 2. Представлены результаты научных исследований взаимосвязей торфяно болотных комплексов с окружающей средой. Предложена схема, в которой показано значение болот и торфа в сохранении равновесия экологических систем, указаны их природоохранные функции и использование в научных, рекреационных и защитных целях. Показаны возможные направления использования торфа и продуктов его переработки для защиты и оздоровления окружающей среды. 3. Предложена и обоснована структура рационального применения торфяного фонда. Для промышленного использования торфа в строительстве принят только разрабатываемый фонд. 4. Поэтому задача данного исследования — создание технологии получения экологически безопасной строительной продукции с заданными эксплуатационными свойствами, позволяющая наиболее полно использовать природный потенциал низинного торфа.
Характеристика основных физико-химических свойств торфа
Торф относится к группе горючих полезных ископаемых (каустобиолитов). По внешнему виду это однообразная в отношении состава и окраски масса: то волокнистая (при малой степени разложения), то более пластичная (при высокой степени разложения) светло-бурого, коричневого или землисто-черного цвета различных оттенков.
Сухое вещество торфа состоит из неполностью разложившихся растительных остатков, продуктов разложения растительных тканей в виде аморфного вещества (гумуса), придающего торфу темную окраску, минеральных веществ. Относительное содержание в общей массе торфа продуктов распада растительных тканей, утративших клеточное строение, называется степенью разложения торфа. Она зависит от климатических условий, в которых происходили торфообразовательные процессы, и состава растений-торфообразователей. Степень разложения в значительной мере определяет технические и физико-химические свойства торфа.
Торф — многокомпонентная система, в состав которой входят органическая и минеральная части, а также вода. С физической точки зрения торф — трехфазная, полидисперсная система, состоящая из твердой, жидкой и газообразной фаз. В естественном состоянии торф обычно содержит от 85 до 95% воды, в сухом - до 50% минеральных веществ.
Повышенной влажностью торф резко отличается от других твердых каустобиолитов. Так, если относительная влажность торфа, взятого из торфяного месторождения, 86-95%, а погребенного торфа 65-75%, то относительная влажность бурого угля находится в пределах 30-50%, каменного угля - 4-15%, а антрацита - 5%. Таким образом, влагосодержание торфа примерно в 10-20 раз выше, нежели бурого угля.
В зависимости от вида торфа, условий его залегания и питания торфяных месторождений грунтовыми, сточными водами и атмосферными осадками содержание минеральной части изменяется от 0 до 50% и более.
Зольность в размере 50% (на сухое вещество) условно принято считать границей между понятиями торф и почва (торфяная). Зольность торфа определяют по процентному соотношению остатка, образующегося при прокаливании, к общему весу образца. Зольность — один из основных показателей, определяющих пригодность торфа для использования в различных направлениях.
Твердая фаза торфа состоит из частиц различных размеров: от крупных, видимых невооруженным взглядом, до коллоидных, которые могут быть обнаружены только под микроскопом, т.е. торф является дисперсным материалом. Изменение дисперсности слагающих торф растительных остатков сказывается на таких характеристиках торфа, как пористость, плотность, адсорбционная активность и др. При высушивании сырого торфа нагреванием при температуре 105С получается сухой остаток, так называемый абсолютно сухой торф. Он состоит из органической и минеральной частей. Минеральная часть после сжигания остается в виде золы. В состав золы торфа входят окислы кремния, кальция, железа, алюминия, фосфора, магния, серы и других элементов.
Органическая масса торфа содержит в основном пять элементов: углерод, водород, серу, азот и кислород. Их количественное содержание показано на рис.2.1. Элементный состав торфа отражает характер изменений органического вещества при торфообразовании, процесс которого сопровождается выделением углекислого газа, воды и метана. Слаборазложившийся торф по элементному составу близок к древесине, а сильноразложившийся - к бурому углю.
Однако сведения об элементном составе торфа неполностью отражают его химическую природу. Оценка химических свойств торфа проводится по данным анализа его группового состава. Органическую часть условно можно разделить на четыре группы: а) вещества, извлекаемые из торфа органическими растворителями (битумы); б) вещества, извлекаемые из торфа водой, а также вещества, растворяющиеся в воде после гидролиза в присутствии минеральных кислот (растворимые и легкогидролизуемые вещества, целлюлоза); в) гуминовые вещества, извлекаемые из торфа раствором щелочи (гуминовые и фульвовые кислоты); г) негидролизуемые вещества (лигнин) [54].
Влияние методов формования торфогипсовой смеси на физико-механические свойства композита
Процесс формования изделий из легкого бетона включает в себя несколько операций: подготовку форм, доставку бетонной смеси к месту формования, распределение бетонной смеси в форме, уплотнение смеси и отделку лицевых поверхностей изделия. В производстве изделий из легкого бетона применяют в основном два способа формования изделий: а) в формах и на поддонах, которые перемещаются по потоку от одного поста (рабочего места) к другому для выполнения определенных технологических операций — поточный способ; б) в неподвижных формах, когда все технологические операции, от укладки и уплотнения смеси до твердения, сменяя друг друга, осуществляются на одном месте (стенде) — стендовый способ. В первом случае производство изделий осуществляется по поточно-конвейерной или поточно-агрегатной схеме. При поточно-конвейерной схеме формы и поддоны с изделиями передвигаются одновременно последовательно от поста к посту в принудительном ритме; на каждом посту осуществляется определенная технологическая операция. При поточно-агрегатной схеме каждая форма или поддон с изделием передвигаются с помощью крана или тележки независимо от других форм или поддонов от одного поста к другому для выполнения очередной операции.
При стендовой схеме производства формы с изделиями остаются неподвижными, а механизмы, выполняющие соответствующие операции, перемещаются от одной формы к другой. Все операции от формования до температурной обработки производят на месте формования - на стенде. По этой схеме обычно изготавливают крупные элементы.
Чаше всего легкобетонные смеси приготавливают в смесителях принудительного действия и полученные легкие бетоны называют «обычно приготовленными» (или приготовленными по схеме приготовления смеси для тяжелых бетонов). При использовании же бегунов, которые одновременно дробят и активируют заполнитель (например, топливные и доменные шлаки, золы, горелые породы), в целях снижения расхода вяжущего, получают «малоцементный активированный бетон» (или «пробужденный»)[45,66,95,105].
Основной задачей процесса уплотнения смеси является формирование однородной структуры по всем качественным показателям, но в первую очередь — по нормативным, т.е. по средней плотности и прочности. По способу уплотнения бетонной смеси при укладке легкие бетоны разделяются на: насыпные (неуплотненные); трамбованные; вибрированные [21]; вибротрамбованные; вибропрессованные; вибропрокатные; вакуумированные; вибровакуумированные; центрифугированные. Также применяют шокбетон, уплотненный встряхиванием. Согласно изложенного И.Х. Наназашвили [76] уплотнение смеси является самой ответственной операцией при изготовлении арболитовых изделий. А.С. Щербаков с соавторами [122] констатирует, что ни один способ формования не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к этому процессу, и поэтому композиционный материал на органическом заполнителе обладает высокой неоднородностью по прочности и плотности, высокой ползучестью и усадкой.
Приняв во внимание вышесказанное, нами в работе подробно рассматривалось три способа формования торфогипсовой смеси — литье, виброформование и виброформование с пригрузом. Из данных методов в производстве крупноразмерных изделий наибольшее применение получил метод виброформования, а для изготовления штучных изделий (например, стеновых камней) - виброформование с пригрузом. Влияние методов формования на механические свойства композита показано в табл.3.2. Та б л и ца3.2 Влияние методов формования на механические свойства торфогипсового композита Метод формования Соотношение торфа к гипсу (по массе), т/г Средняяплотностькг/м3 Пределы прочности, МПа при сжатии при изгибе Литье 70/30 50/50 30/70 440 600 850 0,12 0,34 0,70 0,08 0,18 0,37 Виброформование 70/30 50/50 30/70 490 650 880 0,23 0,95 2,63 0,13 0,72 1,62 Виброформование с пригрузом 70/30 50/50 30/70 500 680 900 0,37 1,38 3,15 0,21 1,08 2,01 Экспериментальные данные подтвердили целесообразность применения метода виброформования с пригрузом для изготовления штучных изделий из торфогипсовой композиции. Отмечалось, что торф при вибрировании без пригруза стремился занять верхнее положение в образце, т.е. происходило расслаивание торфогипсовой смеси. Было очевидно, что вибрирование форм со свободной укладкой в них торфогипсовой смеси без пригруза применять не следует. Уплотнение оказывает большое влияние на прочность и плотность легкого бетона. Задача уплотнения легкобетонной смеси заключается в том, чтобы создать в плотном бетоне однородную структуру и повысить его плотность за счет уменьшения в нем объема воздушных пор и более тесного сближения частиц составляющих. Для получения бетонов с неплотной структурой (крупнопористого, недостаточно плотного, «псевдоплотного») часто при уплотнении требуется лишь в какой-то мере сблизить частицы смеси и улучшить контакты зерен заполнителей между собой с тем, чтобы получить однородную структуру.
