Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные представления об управление структурой и свойствами композиционных строительных материалов на основе торфа
1.1 Стеновые материалы и энергосбережение в современном строительстве 15
1.2 Анализ торфов Сибирского региона для производства композиционных строительных материалов 24
1.3 Классификация, производство и свойства строительных материалов на основе торфа 30
1.4 Современные представления о способах управления структурообразованием торфяных композиций 38
1.5 Обоснование исследований 55
ГЛАВА 2 Методология исследований
2.1 Методологические принципы управления структурой и качеством композиционных строительных материалов на основе торфа в процессе их изготовления 59
2.2 Структурное моделирование свойств торфа как сырья для производства строительных материалов 61
2.3 Обоснование модели исследований 86
Выводы 93
ГЛАВА 3 Управление процессами структурообразования и свойствами торфяного вяжущего
3.1 Структурообразование и качество вяжущего на основе механоактивированного торфа 96
3.2 Структурообразование и свойства вяжущего на основе модифицированного механохимическим способом торфа 119
3.3 Влияние электрофизической активации воды затворения на формирование структуры и свойств торфовяжущего 127
3.4 Обоснование выбора способов модификации торфяного вяжущего для достижения требуемого качества 141
Выводы 149
ГЛАВА 4 Управление процессами формирования параметров качества строительных материалов на основе торфодревесных композиций
4.1 Влияние древесного заполнителя на свойства торфодревесных материалов 151
4.2 Исследование свойств композиционных стеновых торфодревесных материалов 153
4.3. Исследование свойств композиционных теплоизоляционных торфодревесных материалов 185
Выводы 207
ГЛАВА 5 Технологические процессы изготовления и эксплуатационные свойства композиционных материалов
5.1 Технологические процессы изготовления композиционных стеновых и теплоизоляционных материалов 209
5.2 Эксплуатационные свойства торфодревесных изделий 221
5.3 Долговечность торфодревесных изделий 231
5.4 Нормативная документация для обеспечения производства торфодревесных изделий 234
5.5 Конструктивные решения наружных стен с использованием торфодревесных теплоэффективных изделий 235
Выводы 245
ГЛАВА 6 Добавки на основе термомодифицированного торфа и их влияние на свойства строительных цементных смесей
6.1 Получение термомодифицированных добавок на основе торфа для строительных цементных смесей 246
6.2 Исследование свойств цементного камня с термомодифицированными добавками на основе торфа 256
6.3 Исследование влияния добавок на гидрофизические свойства цементного камня 262
6.4 Исследование фазового состава структуры цементного камня с добавками на основе термомодифицированного торфа 266
6.5 Исследование свойств сухих строительных смесей для слоистых ограждающих конструкций 275
Выводы 277
ГЛАВА 7 Технология и технико-экономическая эффективность производства изделий из торфодревесных материалов
7.1 Технология изготовления изделий из торфодревесных материалов 278
7.2 Опытно-промышленная проверка результатов исследований 291
7.3 Технико-экономическая эффективность производства и применения торфодревесных материалов в строительстве 293
Основные выводы по работе 301
Библиографический список
- Анализ торфов Сибирского региона для производства композиционных строительных материалов
- Структурное моделирование свойств торфа как сырья для производства строительных материалов
- Структурообразование и свойства вяжущего на основе модифицированного механохимическим способом торфа
- Исследование свойств композиционных стеновых торфодревесных материалов
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Жилищное строительство, в том числе малоэтажное и индивидуальное, является приоритетным направлением национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».
Необходимость повышения энергоэффективности при строительстве и эксплуатации жилья предполагает создание и увеличение объемов производства строительных материалов для ограждающих конструкций, обладающих требуемыми показателями качества при существенном снижении их стоимости. В связи с этим разработка новых конкурентоспособных строительных материалов из экологически чистого местного сырья с применением инновационных энергосберегающих технологий их приготовления является важной народнохозяйственной задачей.
Особенностью сырьевой базы России является наличие значительных объемов природного возобновляемого сырья - торфа, по запасам которого страна занимает ведущее место в мире. Ежегодный прирост этого природного образования значительно превышает объемы его добычи. В Сибири сосредоточено 70 % торфяных ресурсов России. Торф в естественном состоянии обладает низкой теплопроводностью, пористостью, антисептическими свойствами, экологической чистотой, что делает его привлекательным для использования в строительстве. В существующих строительных технологиях не учитывались в полной мере потенциальные возможности торфа, связанные с особенностями его состава и структуры, а также возможностью регулировать их при определенных способах воздействия. В состав торфа входят различные органические и органоминеральные комплексы, при модифицировании которых существенно усиливаются его вяжущие свойства и ускоряется процесс формирования структур композиционных материалов. Эту особенность торфяного сырья целесообразно использовать при изготовлении стеновых, теплоизоляционных строительных материалов и полифункциональных добавок, обеспечивающих получение требуемых прочностных и гидрофобных свойств строительных смесей на основе цемента. Для повышения прочности строительных материалов на основе торфа и снижения усадочных деформаций целесообразно введение в состав смесей армирующего компонента - продукта переработки древесины, имеющего сходство с торфом по составу и свойствам.
Таким образом, теоретическое обоснование, разработка и внедрение приемов модифицирования торфа и смесей на его основе, технологии изготовления стеновых и теплоизоляционных материалов, а также добавок, регулирующих свойства строительных смесей на основе цемента, являются актуальными.
Диссертационные исследования проводились в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2007-2012 годы», государственного контракта Федерального агентства по науке и инновациям № 02.513.11.3103 по теме: «Композиционные строительные материалы для многослойных теплоэффективных ограждающих конструкций на основе торфов Сибири» 2007-2012 гг. и межведомственной программы «Разработка и реализация модели Центра образования, науки и инноваций мирового уровня на основе консорциума Томских университетов и научных организаций (2009-2013 годы)».
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Модифицированное торфяное сырье и полученные на его основе композиционные материалы и изделия, а также добавки в цементные строительные смеси.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ. Процессы модифицирования низинных и верховых торфов, структурообразование торфяных смесей и технологические приемы изготовления на их основе строительных материалов и изделий.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Научное обоснование разработки композиционных материалов и добавок в цементные растворы из модифицированных торфов с регулируемыми свойствами и технологии их изготовления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать научно обоснованную классификацию торфов применительно к производству строительных материалов и возможные модели получения композиционных тепло- эффективных строительных материалов на их основе;
исследовать закономерности структурообразования вяжущего на основе модифицированных верховых и низинных торфов, позволяющие разработать композиционные строительные материалы с заданными характеристиками;
установить критерии оценки параметров качества и обосновать технологические приемы изготовления теплоизоляционных и стеновых материалов с регулируемой структурой и свойствами на основе рационально подобранных торфодревесных смесей;
обосновать режимы получения добавок на основе термомодифицированных торфов для цементных строительных смесей;
разработать практические рекомендации и нормативную документацию на теплоэф- фективные строительные материалы и технологию изготовления изделий из модифицированных торфодревесных смесей;
осуществить апробацию результатов научных исследований в производстве теплоэф- фективных строительных материалов с использованием модифицированного торфа и определить технико-экономическую эффективность разработанной технологии.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Получены новые знания о физико-химических процессах структурообразования вяжущего из модифицированных торфов различных типов в композиции с древесным заполнителем, и на этой основе разработаны составы и обоснованы процессы изготовления композиционных строительных материалов. Основные научные результаты, полученные при выполнении диссертационных исследований, состоят в следующем:
-
-
Предложена структурная модель торфяного сырья, применительно к производству строительных материалов, в которой систематизированы научные данные о составе, структуре, свойствах торфа и способах его модифицирования с целью регулирования структур твердения в технологии получения строительных материалов различного функционального назначения, строительно-технические свойства которых зависят преимущественно от соотношения органической и минеральной частей торфа.
-
Установлено, что при механохимической активации низинного торфа (содержание минеральной части 10-25 %) в воде и водных растворах с рН = 8-10, происходит деструкция органической части, а также гидролиз и гидратация неорганических соединений. В результате формируются новые органоминеральные комплексы и минеральные соединения, обладающие вяжущими свойствами. За счет интенсификации процессов ионообменной адсорбции, образования многовалентных ионных комплексов с высокими значениями энергии связи увеличивается скорость формирования новообразований. При механохимической активации верхового торфа (содержание минеральной части менее 5 %) в воде и водных растворах с рН = 5-6 происходит деструкция, гидролиз и растворение водорастворимых и легкогидролизуе- мых веществ, образование солей гуминовых кислот щелочных и щелочно-земельных металлов. Указанные процессы приводят к получению торфовяжущего с прочностью при сжатии 0,6-0,75 МПа, что обеспечивает получение теплоизоляционных и конструкционно- теплоизоляционных материалов с требуемым уровнем качества.
-
Установлено, что при использовании двухфракционной смеси древесного заполнителя 2,5-1,25 мм и 0,315-0,16 мм с соотношением фракций по массе 50:50, и отношением древесного заполнителя к вяжущему по объему равным 2,4-2,6 получены наибольшие значения прочности торфодревесных материалов. Мелкие фракции древесного заполнителя с большей удельной поверхностью и количеством контактов заполнителя с торфовяжущим обеспечивают однородную, менее дефектную структуру, а крупная фракция способствует увеличению прочности при изгибе, что обусловлено волокнистой структурой древесины.
-
Обоснованы режимы термомодифицирования торфа, позволяющие на основе торфов различных типов и состава получать тонкодисперсные добавки, регулирующие свойства цементных строительных смесей. При термолизе в верховом торфе (Т = 400 оС) дополнительно появляются гидрофобные вещества, и в цементном камне снижается величина капиллярного подсоса на 65 %. При термолизе в низинном торфе (Т = 600 С) увеличивается количество активных минеральных и органоминеральных соединений, участвующих в формировании микроструктуры цементного камня. В продуктах твердения цементного камня формируются волокнистые структуры из органоминеральных и минеральных соединений, что объясняет увеличение прочности цементного камня при сжатии на 30 %, а модуля упругости на 60 % .
МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ. Методологической основой для решения проблем ма- териаловедческого и технологического характера является концепция системного подхода, при котором состав, структура, свойства и технология получения композиционных материалов на основе модифицированных торфов представлены во взаимосвязанном виде. Методология работы основана на использовании научных положений строительного материаловедения, развитых школами Ю.М. Баженова, П.И. Боженова, Б.Г. Скрамтаева, И.А. Рыбьева, П.Г. Комохова, Е.М. Чернышова и др. в области структурообразования дисперсных минеральных и органических систем, теоретических положений активации органоминерального сырья в производстве строительных материалов и создания материалов и изделий различного функционального назначения с заданными свойствами. В проводимых исследованиях применялись современные приборы и оборудование для физико-химических исследований Института катализа СО РАН (г. Новосибирск), Центров коллективного пользования национальных исследовательских университетов ТГУ, ТПУ, а также ТГАСУ.
Достоверность и объективность полученных закономерностей и результатов исследований в работе подтверждается согласованием механохимических свойств дисперсных систем с положениями строительного материаловедения, физической и коллоидной химии, обеспечивается методически обоснованным комплексом структурно-чувствительных методов анализа, исследований с использованием современных средств измерений, применением программного комплекса Mathcard для статистической обработки результатов и опытными испытаниями.
Практическая значимость работы состоит:
в разработке способов модифицирования торфяного сырья и композиционных материалов на их основе и получения данных для проектирования рациональных составов тор- фодревесных композиций различного назначения и оптимизации технологических параметров их получения;
в установлении требуемых строительно-технических характеристик теплоэффек- тивных строительных материалов на основе модифицированного торфа в зависимости от типа сырья и технологических режимов их получения. Получены теплоизоляционные материалы со средней плотностью D200-D300 и коэффициентом теплопроводности 0,0450,05 Вт/(мК), и конструкционно-теплоизоляционные материалы с прочностью при сжатии до 3,5-6 МПа и средней плотностью до D500. Предложены составы теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов на основе торфодревесных смесей для производства изделий жилищного строительства;
в разработке способов получения добавок на основе торфа для регулирования свойств строительных смесей. Показано, что изменение режимов термообработки торфов различных типов позволяет получить полифункциональные добавки в цементные смеси. Установлено, что введение термомодифицированных торфяных добавок в цементные системы увеличивает их прочностные и гидрофизические характеристики;
в разработке нормативных и технологических документов для производства тепло- эффективных и экологически безопасных строительных материалов с требуемыми параметрами качества и изготовленных с использованием местного сырья.
Реализация результатов исследований. Основные положения и полученные результаты использованы при разработке ТУ5768-062-02069295-2010 «Плиты торфяные теплоизоляционные модифицированные», ТУ 5768-063-02069295-2010 «Блоки стеновые торфодре- весные». Практические рекомендации диссертационной работы внедрены в производстве торфодревесных блоков на ООО «Сибирская торфяная компания» (г. Томск), ООО «Асинов- ский завод строительных материалов» (г. Асино, Томская обл.), ООО «ИСЦ» Стройпроект» (г. Томск), рекомендованы к использованию Центром независимых экспертиз «ТехЭко» (г. Москва) и Департаментом архитектуры и строительства Томской области. Теоретические и экспериментальные результаты исследований, полученные в работе, используются в учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных работ по курсам: строительное материаловедение, безотходные технологии в производстве строительных материалов, местные строительные материалы, теплоизоляционные материалы для студентов специальности 270106, 270103 ТГАСУ, бакалавров и магистров по направлению «Строительство».
На защиту выносятся следующие положения:
обоснование структурной модели торфа как сырья для получения композиционных строительных материалов с требуемыми свойствами;
результаты исследований процессов модифицирования и структурообразования торфяного вяжущего при получении композиционных строительных материалов;
закономерности влияния рецептурно-технологических факторов на основные физико -механические параметры качества стеновых и теплоизоляционных материалов на основе модифицированных торфов;
способы и режимы получения модифицирующих добавок на основе торфа для регулирования физико-механических свойств цементных строительных смесей;
- результаты исследований технологических процессов изготовления стеновых и теплоизоляционных изделий на основе модифицированных торфов.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских симпозиумах и конференциях: Международный семинар «Нетрадиционные технологии в строительстве».- Томск, 1999, 2001 гг.; Международная научно- техническая конференция «Архитектура и строительство».- Томск, ТГАСУ, 2002 г.; Научно- практическая конференция «Химия и химические технологии на рубеже тысячелетий». - Томск, ТПУ, 2000 г., Всероссийская конференция «100 лет архитектурно-строительному образованию в Сибири» (Томск, 2002 г.); 4-10-я Международная научно-практическая конференция «Качество- стратегия XXI века» (Томск, 2002-2007 гг.); 1V Международный конгресс по энергосбережению в строительстве.- Новосибирск, 2004; 12-я Международная научно-практическая конференция.- Тюмень, 2006 г.; III и IV Международная научно- техническая конференция «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2004, 2006 г.); VI Всероссийская научно-практическая конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья». Белокуриха - Москва, 2006 г.; 15-17 Internationale Baustofftagung (Ibausil). Tagungsbericht - Band 1. - Weimar, 2003, 2006, 2009 гг.; Международная научно-техническая конференция «Новые энергосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов».- г. Пенза, 2008 г.; Международная конференция «Проблемы изучения и использования торфяных ресурсов Сибири».-Томск, август 2009 г.; 1V Академические чтения «Нанотехнологии в строительном материаловедении», БГТУ им. В.Г. Шухова.- Белгород, 2009 г.; VI Международная научно-техническая конференция, Академические чтения РААСН. - Казань, 2010 г.; Международная научно-техническая конференция «Строительное материаловедение: состояние, тенденции и перспективы развития». - Новосибирск, 2011 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 40 статьях, 13 статей из которых опубликованы в профильных журналах, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций. Результаты исследований обобщены в двух монографиях. Новизна научно-технических решений подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретение и патентом на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав основного текста и заключения, изложенных на 335 страницах машинописного текста, включая 99 рисунков, 61таблиц и библиографический список из 370 наименований. Автор выражает благодарность за содействие в организации физико-химических исследований д.т.н., профессору Ю.С. Саркисову и электрофизических - к.т.н., профессору В.Н. Сафронову.
Анализ торфов Сибирского региона для производства композиционных строительных материалов
На основании проведенного анализа следует вывод о том, что в настоящее время на рынке теплоизоляционных материалов нет продукции, которая бы по всем параметрам, и особенно по критериям экологической безопасности и долговечности, соответствовала требованиям потребителя. Поэтому задача разработки теплоэффективных материалов с улучшенными параметрами по экологической чистоте и долговечности является актуальной.
Распределение предприятий по производству теплоизоляционных материалов по территории РФ характеризуется значительной неравномерностью. Наибольшие проблемы с утеплителями регионального производства — в Северном, Поволжском, Северокавказском и Западносибирском регионах. Между тем, степень удаленности предприятий по производству теплоизоляционных материалов от объектов строительства оказывает непосредственное влияние на ассортимент утеплителей, представленных на местном рынке. Потребность того или иного региона в теплоизоляционных материалах находится под влиянием демографических и климатических факторов. Регионы с большей плотностью населения, как и регионы с неблагоприятными климатическими условиями, нуждаются в больших объемах теплоизоляционных материалов. Неразвитость производства теплоэффективных строительных материалов в ряде регионов, в том числе и в Томской области, связана с отсутствием минерального сырья: для минераловатных изделий - базальтовых и диабазовых горных пород, для стекловолокнистых изделий - отходов стекольного производства [18, 19]. Анализ ресурсного обеспечения строительного рынка показывает, что теплоизоляционные материалы целесообразно производить непосредственно в регионе потребления. Эти материалы невыгодно перевозить на дальние расстояния, так как вследствие их малой средней плотности грузоподъемность транспортных средств используется неэффективно. Для решения сложившихся проблем ресурсного обеспечения объектов строительства необходимо создание эффективных теплоизоляционных строительных материалов на базе альтернативных видов органического сырья и технологий их приготовления. В настоящее время рынок теплоизоляционных материалов Сибири представлен, в основном, зарубежной продукцией, имеющей высокую стоимость. Разработка теплоизоляционных материалов с максимальным использованием местных сырьевых ресурсов и уменьшение транспортных расходов позволят повысить их доступность широкому кругу потребителей.
Перспективы роста российского рынка теплоизоляции связываются с улучшением инвестиционного климата, развитием производства, увеличением объемов строительства. Основными предпосылками для этого являются увеличение объемов производства теплоизоляционных материалов отечественными производителями при поддержании уровня качества, соответствующего запросам потребителей, а также осуществление активных мероприятий по продвижению собственной и вытеснению зарубежной продукции на рынке. Одним из основных направлений инновационного развития строительного комплекса и решения национального проекта «Доступное и комфортное жилье- гражданам России» является эффективная теплозащита зданий и сооружений с использованием стеновых и теплоизоляционных материалов из экологически чистого и доступного местного сырья. В России жилищный вопрос продолжает оставаться острой социальной проблемой. Необходимо существен-но увеличить жилищный фонд в России с 20 м на человека до уровня развитых стран: в Норвегии -74, в США - 70, в Германии - 50, во Франции - 43, в Китае - 27 м2 [353]. В 2010 г. в России было введено 58,8 млн м2 жилья в год, из них около 45 % - малоэтажной, индивидуальной застройки. К 2015 г. объемы ввода жилья должны возрасти до 80 млн м [www. gsp.ru]. Увеличение объемов ежегодно вводимого жилья предопределяет необходимость развития эффективных технологий и создания новых конструктивных систем и материалов, в том числе для ограждающих конструкций. Для реализации поставленных задач на строительных объектах необходимо иметь в достаточном объеме эффективные и экономически обоснованные стеновые и теплоизоляционные материалы с низкой теплопроводностью и высокой долговечностью. Разработка и внедрение технологий производства таких материалов, удовлетворяющих требованиям безопасности и потребителя рынка, является важным фактором обеспечения успеха при реализации национальных программ.
Структурное моделирование свойств торфа как сырья для производства строительных материалов
В торфе выделяют следующие основные группы соединений: битумы — Б, углеводная часть (водорастворимые - ВР, легкогидролизуемые — ЛГ и трудногид-ролизуемые вещества - ТГ), гуминовые вещества (ГВ), фульвовые кислоты (ФК), целлюлоза (Ц), лигнин (Л). Различие в содержании этих компонентов в торфе связано, в основном, с его типом и в меньшей степени с уровнем разложения. Соотношение основных групп органических соединений во многом определяет физико-химические и физико-механические свойства торфа. В предложенной классификации использовались данные, полученные методом Инсторфа, и представленные в публикациях [203-204]. Торф отличает от типичных коллоидных гетерогенных систем наличие в нем гидрофильных полуколлоидов, стабилизированных гидрофобных включений, а также растворов и дисперсий высокомолекулярных соединений. Для того чтобы оценить предполагаемые физико-механические свойства торфа и возможности получения из данного сырья строительных материалов различного функционального назначения, торф можно разделить по характеру взаимодействия среды и фазы, выделив гидрофильные и гидрофобные вещества. Торфяные системы по своей природе гидрофильны, что обусловлено наличием в их структуре компонентов активных функциональных групп (СООН, ОН- и др.), способных удерживать молекулы воды за счет водородных связей. Гидрофобные составляющие торфа представлены в основном битумами.
Гидрофобные свойства торфа увеличиваются от низинного торфа к верховому, что позволяет предполагать возможность получения на основе верховых торфов вяжущих веществ и гидрофобизирующих добавок применительно к композиционным материалам на основе минеральных вяжущих. С увеличением степени разложения количество битумов в торфе, как правило, возрастает. Содержание битумов в торфе верхового и переходного типов увеличивается от моховых к древесным видам. В торфе низинного типа содержание битумов тесно связано с составом минеральной части (рисунок 2.3).
Важной составляющей торфа является лигнин (негидролизуемый остаток)- высокомолекулярный полимер, являющийся природным ПАВ. Полученные на его основе (путем химического модифицирования с использованием азотной, соляной кислот, перекиси водорода) поверхностно-активные реагенты могут быть использованы как пластифицирующие добавки в растворные и бетонные смеси, а в композиционных материалах на основе органических вяжущих лигнин является активным компонентом, химически взаимодействующим со связующим и повышающим его когезионные свойства [207, 365], т. е., чем выше содержание лигнина в торфе, тем активнее его клеящая способностью. Повышение содержания лигнина наблюдается от верховых к низинным и от моховых к древесным видам торфа (рисунок 2.3).
По мнению многих авторов [143-149, 155, 161, 164, 176-180, 191], гуми-новые вещества являются основными, определяющими свойства торфяных систем. ГВ являются коллоидно-высокомолекулярной составляющей торфа. От их состояния зависят такие свойства торфа, как ионообменные, водные, теплофи-зические, прочностные. Количество гуминовых веществ в торфе колеблется от 5 до 52 %. При этом их содержание снижается при переходе от низинного торфа к верховому (рисунок 2.3). Такое различие обусловлено минеральным режимом питания торфяников. Чем выше содержание поливалентных катионов, тем больше образуется нерастворимых солей ГВ, которые оседают в клетках растений и межчастичном пространстве торфа. В то же время содержание фульвовых кислот (растворимых в воде фракций ГВ) находится в обратной зависимости. Основным же компонентом ГВ являются гуминовые кислоты, наибольшее содержание которых наблюдается в низинном типе торфа, что связано с высокой степенью его разложения. Гуминовые кислоты могут быть в связанном виде (в виде солей), что характерно для низинного торфа, и в свободном виде - для верхового. В низинном торфе, благодаря большому количеству поливалентных катионов и, в первую очередь, Са2+, образуются нерастворимые гуматы, которые оседают в клетках растений и межчастичном пространстве торфа. В торфогенном слое низинных залежей при значительном содержании кальция гуминовые вещества в большинстве случаев представлены солями гуминовых кислот — гуматами кальция. В верховых залежах при низком содержании кальция гуминовые вещества остаются в состоянии свободных гуминовых кислот, что придает гумусу гелеобразную консистенцию, высокие ко-гезионные свойства. Чем больше содержится в торфе гуминовых кислот (биохимически устойчивой части органического вещества) и меньше легко- и труд-ногидролизуемых веществ (самой биохимически неустойчивой части органического вещества), тем менее он подвержен биохимическому разложению [29, 36, 208].
Применительно к технологиям производства строительных материалов наличие гуматов в связанном виде снижает их отрицательное влияние на цементные системы, что позволяет использовать низинный торф, в том или ином виде, в цементных композициях. Основной особенностью ГК является их способность образовывать соли. Гуматы натрия обладают водоудерживающими свойствами, повышают подвижность цементных систем, бетонных смесей, глиняных шламов [128]. Торфощелочные шламы находят применение для разжижения цементных шламов, повышения подвижности бетонных смесей, что позволяет снизить водоцементное отношение в бетонных смесях. Гуминовые соединения имеют аморфную структуру, ассоциаты макромолекул которых образуются в результате непосредственного взаимодействия функциональных групп, а также через молекулы воды и многовалентные ионы. Гуминовые и фульвовые кислоты обладают значительной способностью к образованию комплексных и внутрикомплексных соединений с железом, алюминием, кремнием, медью и другими поливалентными катионами. Эти соединения — хелаты. Такая способность определяется наличием в молекулах гумусовых веществ гидрофильных групп. При этом большей способностью к хелатированию из-за более высокого в них соотношения гидрофильных групп к гидрофобным обладают фульвовые кислоты. Таким образом, гуминовые вещества и фульвовые кислоты обеспечивают, в основном, вяжущие свойства торфов.
Структурообразование и свойства вяжущего на основе модифицированного механохимическим способом торфа
В последние годы большое внимание уделяется разработке эффективных технологических процессов и рациональной переработке природных каустобо литов. Одним из таких способов является механическая активация торфа. По результатам анализа литературных данных способ механоактивации является актуальным и перспективным [160-163, 214, 215]. По результатам исследований в области получения материалов различного назначения на основе торфов диспергирование торфа является в большинстве случаев необходимой технологической операцией, при выполнении которой основным обеспечивается однородность исходного сырья по дисперсности частиц. Использование предварительной механической активации торфа позволяет осуществлять твердофазовые превращения веществ, входящих в его состав, в растворимые формы, что обеспечивает ускорение технологических процессов формирования структуры композиционных материалов [165, 216, 217, 357, 361 364]. Оценка закономерностей, связанных с химическим превращением торфа после механической активации, затруднена в связи с многокомпонентностью системы. Доказано, что интенсивное механическое воздействие приводит к изменению физико-химических свойств торфа и составляющих его высокомолекулярных соединений [170, 204]. Предполагается, что деформация составляющих торф веществ может приводить к ослаблению межатомных и межмолекулярных связей, их разрывам и образованиям активных радикалов [164, 165]. Установлены изменения в содержании основных органических компонентов торфа после механической активации: повышается содержание водорастворимых компонентов и гу-миновых кислот, снижается количество битума [218].
В работах [160-166, 170, 210, 216, 217] исследование способов и режимов механоактивации торфа рассматривалось, в основном, с учетом их влияния на изменение группового состава торфа и на интенсификацию процессов экстрагирования веществ. В данной работе впервые оценивалось влияние различных способов и режимов механической активации торфа на прочностные и адгезионные свойства торфа как вяжущего вещества в производстве композиционных строительных материалов. Исследования проводились на низинном и верховом торфах. Из литературных данных известно, что для диспергирова ния полимерных материалов в водной среде необходимо соблюдение следующих технологических требований: - механическое воздействие следует прикладывать с таким расчетом, чтобы максимальные растягивающие напряжения совпадали по направлению с осью ориентации (материал должен находиться в состоянии, возможно более близком к хрупкому); - оптимальное соотношение температуры и скорости деформации должно устанавливаться из условия минимума энергетических затрат с учетом температурной зависимости к. п. д.; - способ приложения механического воздействия зависит от свойств материала. Следует придерживаться тех режимов нагружения, при которых скорость деформации достигает больших значений. В этом смысле предпочтительным является ударное воздействие.
Измельчение торфа проводилось с использованием двух типов мельниц — шаровой (ШМ) и центробежно-планетарной МП/0,5 (ПМ), при разном времени измельчения и разных условиях (сухой помол, измельчение в воде при во-дотвердом отношении (В/Т) = 2,8 и температуре 20 С; измельчение в воде при (В/Т = 2,8) и температуре 90 С (при которой происходит максимальная экстракция гуминовых веществ из торфа) [203]. Оценивались прочностные характеристики образцов при разных видах нагружения.
Для определения физико-механических свойств активированного торфо-вяжущего готовились образцы-балочки 40x40x160 мм из смеси, полученной различными способами активирования торфовяжущего и опилок в соотношении 1:3 при водотвердом отношении, обеспечивающем заданную пластичность формовочной смеси. Отформованные образцы твердели по режиму: 24 ч — воздушное твердение (температура 20 + 2 С, влажность 60-70 %); 24 ч — сушка при температуре 80-90 С.
Ранее в работах [48-53] были представлены результаты исследований влияния водосодержания торфяной пасты на эффективность механоактива ции торфа в водной среде, показано, что наиболее высокие физико-механические показатели торфовяжущего (прочность при сжатии, сцеплении, изгибе) наблюдаются при В/Т = 2,6—3,2. Для низинного торфа рекомендовано В/Т = 2,6-2,8, для верхового - 2,8—3,2. Полученные значения водосодержа-ния при диспергировании торфа необходимы для обеспечения процесса мас-сопереноса частиц в торфе. Торф способен удерживать воду в количестве до 100 % и при таком содержании воды он представляет собой твердоподобную смесь. Протекание химических реакций или обмен ионами в такой смеси осуществляется по диффузионному механизму (лимитируется диффузионной стадией). Как известно, коэффициент диффузии для таких систем равен 10 ,2-10 14 см2/с. При увеличении концентрации воды достигается полное насыщение ею частиц торфа и образуются одна или две свободные молекулы, располагающиеся между структурными компонентами торфа. В этом случае, особенно при механическом перемешивании торфяной смеси, осуществляется конвективный перенос частиц, коэффициент диффузии составляет Ю-8 см2/с. Интенсификация процессов массопереноса в (104—106) приводит к ускорению протекания химических реакций, увеличению скорости процессов экстракции, обменных взаимодействий и т. д. При дальнейшем увеличении количества свободной воды концентрация реагирующих веществ уменьшается, и, согласно закону действия масс, скорость химических взаимодействий замедляется. У верхового торфа, по сравнению с низинным, более высокие значения водопоглощения и полной влагоемкости (глава 2), поэтому и В/Т смеси выше.
Исследование свойств композиционных стеновых торфодревесных материалов
Известно, что макроструктура композиционного материала формируется в результате цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему частицы заполнителя (зернистые, волокнистые, пластинчатые и т. п.) скрепляются между собой в единое целое [200-202, 212]. Подобно компактной упаковке дискретных частиц в микроструктуре вяжущих веществ, смесь грубозернистых заполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет уменьшать усредненную толщину слоя вяжущего вещества в конгломерате. С этой целью зернистые заполнители, например, предварительно разделяют на фракции по размерам, а затем опытным или расчетным путем находят содержание каждой фракции в плотной смеси заполнителя композиционного материала, которые следуют либо непрерывно друг за другом, либо с получением прерывистого гранулометрического состава смеси. Методы подбора зернового состава плотного зернистого заполнителя для тяжелых бетонов с целью получения минимальной межзерновой пустотности разработаны П.И. Баженовым, А.И. Кудяковым и др. [201, 202]. Показано, что параметры качества композиционного строительного материала (прочность, плотность, деформативность и др.) существенно зависят от физико-механических характеристик каркасообразующего компонента, степени упаковки частиц заполнителя. Для древесных заполнителей, используемых в качестве каркасообразующего компонента в торфодревесных композиционных материалах, отсутствуют научно обоснованные методы подбора зернового состава и результаты оценки влияния зернового состава и других его физико-механических характеристик на эксплуатационные свойства композиционных материалов. В данном разделе представлены результаты исследований влияния основных характеристик древесного заполнителя на эксплуатационные свойства торфодревесного композиционного материала.
Изменение линейных размеров древесины при взаимодействии с водой может привести к неравномерной усушке, короблению и разрушению материала. При перемешивании смеси, формовании, а также термической обработке изделий древесный заполнитель находится в контакте с водной средой. Происходит физическое взаимодействие древесины с водой, которое может привести к набуханию древесного заполнителя, разрыхлению его структуры и существенному снижению прочности изделия. Поэтому важно было установить закономерности изменения объема для различных пород древесины при контакте с водой в течение времени, соответствующего начальному периоду формирования структуры торфодревесных композитов.
По имеющимся данным [48, 249], средняя плотность и пористость древесного заполнителя меняются в широком интервале в зависимости от породы древесины.
В работе исследованы закономерности изменения свойств древесного заполнителя при взаимодействии с водой в течение времени, соответствующего начальному периоду формирования структуры торфодревесных композитов для различных пород древесины. Установлено, что средняя плотность и пористость древесного заполнителя меняются в широком интервале в зависимости от породы древесины. Наиболее интенсивная сорбция воды наблюдается в первые 1-1,5 часа после контакта с древесиной. Установлено, что водопоглощение древесины по тангенциальному срезу в 1,7 раза выше, чем по торцевому. Поэтому при выборе способа переработки древесины необходимо отдавать предпочтение продольной распиловке, в результате которой образуются зерна преимущественно кубовидной формы с малой долей тангенциальной поверхности среза. Значения водопоглощения для различных пород древесины значительно отличаются друг от друга, и это хорошо коррелируется со значениями средней плотности древесины разных пород. Наименьшим значением водопоглощения обладает лиственница (как наиболее плотная порода) - по торцевому срезу до 10 и по тангенциальному -до 20 %. Осина, ель и сосна имеют близкие значения средней плотности, поэтому и значения водопоглощения у этих пород отличаются незначительно.
Древесный заполнитель в торфодревесном материале применяется в виде опилок различных фракций, поэтому в работе исследовалось влияние размеров зерен на гидрофизические характеристики древесного заполнителя.
На рисунках 4.1—4.5 приводятся данные об изменении величины водопоглощения в зависимости от времени взаимодействия с водой для разных фракций древесного заполнителя (по породам, наиболее распространенным в Западной Сибири) продольной распиловки.
Анализ данных, представленных на рисунках 4.1-4.5, показывает, что с увеличением крупности опилок значение водопоглощения уменьшается. Для древесины всех пород максимальное водопоглощение наблюдается у опилок фракции 0,315—0,16 мм, минимальное - у фракции 5-2,5 мм. Значение водопоглощения опилок стабилизируется после 4-5 ч контакта с водой. Полученные данные необходимо учитывать при проектировании состава торфодревесных смесей.
Подбор зернового состава смеси с целью обеспечения механического каркаса с требуемой жесткостью и малой средней плотностью является необходимым условием формирования макроструктуры композиционного материала. Для древесных заполнителей, используемых в качестве каркасообра-зующего компонента в торфодревесных композиционных материалах, в работах [48, 53, 111] научно обоснован выбор фракционного состава легкого заполнителя с целью обеспечения прочного механического каркаса и малой средней плотности.
На формирование макроструктуры в композиционном материале, помимо зернового состава заполнителя, существенное влияние оказывает отношение массы твердой фазы (заполнителя) к массе вяжущего компонента смеси (тор-фопасты) — 3/В. Формирование оптимальной структуры торфодревесного материала имеет свои особенности: 1) вяжущая часть композиции представляет собой торфопасту, т. е. основная часть воды затворения в смесь попадает вместе со связующим, 2) заполнитель (древесные опилки хвойных пород) имеет волокнистую фибриллярную структуру, а его характеристики зависят от влажности. В работе представлены результаты исследования и выявлены закономерности, связанные с оптимизацией макроструктуры торфодревесных композитов по критерию прочности и плотности с учетом зернового состава заполнителя, и отношения массы твердой фазы к массе вяжущего компонента смеси (3/В). С этой целью готовились и испытывались серии образцов из тор-фовяжущего (полученного диспергированием в воде Т = 20 С, раздел 3.1) и монофракционного заполнителя {d = 0,16; 0,31; 1,25; 2,5 мм), а также из торфовяжущего и смесей двух фракций в соотношениях 50:50, 60:40, 40:60, 70:30 и 30:70.
Похожие диссертации на Композиционные строительные материалы на основе модифицированных торфов
-