Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопросов в области теплоизоляционных материалов и задачи исследований
1.1 Состояние производства теплоизоляционных материалов и перепективы его развития
1.2 Классификация и сравнительная оценка характеристик со- 14
временных органо-минеральных теплоизоляционных материалов
1.3 Современные представления о физико-химических свойствах торфа как сырья для производства строительных материалов
1.3.1 Особенности состава, структуры и свойств торфа, применительно к производству строительных материалов
1.3.2 Строительные материалы на основе торфа 23
1.4 Направленное регулирование структурных и эксплуатационных свойств композиционных материалов на основе торфа путем использования модифицирующих добавок
1.4.1 Регулирование пористой структуры торфодревесных композиций
1.4.2 Регулирование гидрофизических свойств торфодревесных композиций
1.4.3 Прочностные характеристики торфодревесных композиций 40
1.4.4 Повышение степени огнестойкости торфодревесных материалов
1.5 Выбор модели и объекта исследований 45
Выводы 47
2 Характеристика исходного сырья и методики исследований 49
2.1 Характеристики исходного сырья 49
2.1.1 Характеристики торфа 49
2.1.2 Характеристики древесного заполнителя 50
2.1.3 Характеристики модифицирующих добавок Анализ состояния вопросов в области теплоизоляционных материалов и задачи исследований
1.1 Состояние производства теплоизоляционных материалов и перепективы его развития
1.2 Классификация и сравнительная оценка характеристик современных органо-минеральных теплоизоляционных материалов
1.3 Современные представления о физико-химических свойствах торфа как сырья для производства строительных материалов
1.3.1 Особенности состава, структуры и свойств торфа, применительно к производству строительных материалов
1.3.2 Строительные материалы на основе торфа 23
1.4 Направленное регулирование структурных и эксплуатационных свойств композиционных материалов на основе торфа путем использования модифицирующих добавок
1.4.1 Регулирование пористой структуры торфодревесных композиций
1.4.2 Регулирование гидрофизических свойств торфодревесных композиций
1.4.3 Прочностные характеристики торфодревесных композиций 40
1.4.4 Повышение степени огнестойкости торфодревесных материалов
1.5 Выбор модели и объекта исследований 45
Выводы 47
2 Характеристика исходного сырья и методики исследований 49
2.1 Характеристики исходного сырья 49
2.1.1 Характеристики торфа 49
2.1.2 Характеристики древесного заполнителя 50
2.1.3 Характеристики модифицирующих добавок 51
2.2 Методики исследований сырьевых материалов 53
2.2.1 Определение относительной влажности торфа 53
2.2.2 Определение зольности торфа 53
2.2.3 Оценка физико-механических свойств древесного заполнителя 54
2.2.4 Оценка характеристик модифицирующих добавок для регулирования эксплуатационных свойств торфодревесных композитов
2.2.4.1 Оценка характеристик пенообразующих добавок 54
2.2.4.2 Оценка характеристик армирующих добавок 55
2.3 Методика приготовления торфодревесных смесей и образцов 57
2.4 Методики испытания торфодревесных образцов 58
2.4.1 Методика определения поровой структуры торфодревесных образцов
2.4.2 Методика определения величины капиллярного всасывания торфодревесных образцов
2.4.3 Методика определения огневой стойкости торфодревесных 60
образцов
2.4.4 Физико-химические исследования торфодревесных образцов 60
2.4.5 Определение величины адгезии торфяного вяжущего 61
2.5 Методики исследований торфодревесных материалов
2.5.1 Определение теплопроводности торфодревесных материалов 63
2.5.2 Методика определения величины паропроницаемости торфодревесных материалов
2.5.3 Методика определения долговечности торфодревесных материалов
3. Механоактивация торфяного вяжущего в производстве тепло изоляционных строительных материалов
3.1 Влияние способов активации на вяжущие свойства торфа 67
3.2 Влияние различных способов механического воздействия на торф, его состав и свойства
3.3 Исследование свойств активированного торфяного вяжущего 70
3.3.1 Исследование адгезионных характеристик активированного торфяного вяжущего
3.3.2 Исследование механических свойств торфовяжущего 84
3.4 Исследование влияния времени твердения торфодревесных образцов на физико-механические свойства торфодревесного композита
3.5 Исследование влияния времени храпения торфовяжущего па физико-механические свойства торфодревесного композита
3.6 Термическое закрепление структур твердения на основе торфодревесных композитов
Выводы 98
4 Теплоизоляционные строительные материалы на основе торфовяжущего и древесного заполнителя
4.1 Влияние физико-механических характеристик древесного заполнителя на эксплуатационные свойства торфодревесного композита
4.2 Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства торфодревесного композита
4.2.1 Регулирование поровой структуры торфодревесных теплоизоляционных материалов
4.2.2 Исследование влияния гидрофобизирующих добавок на свойства торфодревесного композита
4.2.3 Исследование влияния армирующих добавок на свойства торфодревесного композита
4.2.4 Исследование влияния огнезащитных составов на свойства торфодревесного композита
4.3 Предварительная оценка долговечности теплоизоляционны материалов на основе торфодревесных композиций
Выводы 137
5 Технология производства торфодревесных теплоизоляционных материалов
5.1 Обоснование выбора технологии производства торфодревесных материалов
5.1.1 Подготовка сырьевых материалов 140
5.1.2 Приготовление формовочной смеси 141
5.1.3 Формование торфодревесных изделий 142
5.1.4 Сушка изделий на основе торфодревесных композиций 143
5.2 Опытно-промышленные испытания и внедрение результатов 144
5.5 Экономическая оценка эффективности производства торфодревес- 145
ных материалов
Выводы 152
Основные выводы 153
Список использованной литературы 155
- Особенности состава, структуры и свойств торфа, применительно к производству строительных материалов
- Классификация и сравнительная оценка характеристик современных органо-минеральных теплоизоляционных материалов
- Характеристики древесного заполнителя
- Исследование влияния гидрофобизирующих добавок на свойства торфодревесного композита
Введение к работе
Актуальность работы Реализация планов приоритетной федеральной целевой программы «Жилище» и подпрограммы «По обеспечению жильем отдельных категорий граждан» является основой для повышения темпов жилищного строительства в стране Эффективная теплозащита зданий и сооружений, разработка и внедрение технологий производства новых теплоизоляционных строительных материалов для ограждающих систем, является важным фактором, обеспечивающим успех при реализации национальной программы
В настоящее время рынок теплоизоляционных материалов в России представлен в основном зарубежной продукцией, имеющей высокую стоимость из-за транспортных расходов Поэтому, одним из важных направлений по развитию строительного комплекса в Сибири является разработка эффективных материалов с максимальным использованием местных сырьевых ресурсов, что позволит повысить их доступность широкому кругу потребителей
Особенностью сырьевой базы Сибири является наличие значительного количества запасов природного сырья и отходов производства, пригодных для изготовления теплоизоляционных материалов, применимых в малоэтажном и индивидуальном строительстве. Таким сырьем, в частности, может быть торф и отходы производства лесоматериалов Большие потенциальные возможности торфа для использования в строительстве обусловлены особенностями его состава и строения Торф обладает низкой теплопроводностью, высокой пористостью, антисептическими свойствами и экологичностью, а его сложный состав, разнообразие органических и минеральных функциональных групп предполагает широкие возможности для модифицирования этого вида сырья Особый интерес в производстве теплоизоляционных материалов представляют низинные типы торфов, отличающиеся высоким содержанием минеральных веществ, однородностью вещественного состава, значительным содержанием гуминовых веществ и пониженной кислотностью по сравнению с верховыми торфами
Запасы торфяного сырья в России практически неисчерпаемы Организация производства конкурентоспособных теплоизоляционных материалов в Томской области с использованием местного сырья, а именно, низинного торфа и древесного заполнителя, является актуальной и позволит улучшить экономический престиж региона, создать новые предприятия и рабочие места, снизить стоимость жилья
Работа выполнялась в соответствии с
Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям № 02 513.11 3103 по теме «Композиционные эффективные строительные материалы для многослойных теплоэффек-тивных ограждающих конструкций на основе торфов Сибири» 2007-2012 гг
Госбюджетной темой 1 6 05 «Теоретические методы управления параметрами качества теплоизоляционных минеральных и органоминеральных строительных композиционных материалов», НИИ СМ ТГАСУ, 2005 г
Госбюджетной темой № 7296 «Строительные материалы на основе торфа», Администрация г Томска, 2007 г.
Объект исследования - теплоизоляционный строительный материал на основе торфодревесной композиции с применением модифицирующих добавок различного действия для улучшения его эксплуатационных характеристик
Целью работы является - научное обоснование подбора составов, исследование свойств и технологии получения теплоизоляционных строительных материалов на основе низинных торфов Томской области
В соответствии с поставленной целью необходимо решение следующих задач
- обосновать целесообразность использования низинных тор
фов и древесного заполнителя для производства теплоизоляци
онных материалов,
исследовать вяжущие свойства активированного низинного торфа и закономерности формирования его структур твердения,
исследовать влияние физико-механических характеристик древесного заполнителя на эксплуатационные свойства торфо-древесного материала,
изучить влияние модифицирующих добавок различного действия на эксплуатационные характеристики теплоизоляционного торфодревесного материала,
разработать научно-обоснованные технологические приемы производства теплоизоляционных материалов на основе торфо-древесных композиций и провести опытно-промышленную проверку результатов исследования
Научная новизна работы заключается в получении новых знаний о влиянии режимов диспергирования низинных торфов и способов модификации торфодревесных композиций на физико-механические свойства теплоизоляционных строительных материалов.
установлено, что механическое диспергирование низинного торфа в водной среде до размеров частиц 2-5 мкм приводит к активации его минеральной части В результате процессов гидратации и гидролиза высвобождаются минеральные соединения, участвующие в комплексообразовании и обладающие вяжущими свойствами, что приводит к увеличению прочности сцепления торфа с древесным заполнителем в 2,5-2,7 раза и повышению прочности при сжатии торфовяжущего в 5,0-5,5 раза,
установлено, что использование двухфракционного состава древесного заполнителя фракций 2,5 1,25 мм и 0,63 , 0,315 мм, в их соотношении 50 50 и 60 40 обеспечивает наилучшее уплотнение торфодревесной смеси и позволяет получить материал со следующими характеристиками р = 300-350 кг/м , RC)K = 0,48-0,50 МПа, R„3r = 0,15-0,18 МПа,
- установлено, что в торфодревесной смеси с пенообразую-
щими поверхностно-активными веществами анионоактивного
и неионогенного типов, нейтральных к поверхности торфа и к
поверхности древесного заполнителя, увеличивается содержание
мезопор размером 2,7-2,9 нм до 65 % от общего объема пор, что
позволяет получить теплоизоляционный материал со средней плотностью 220-230 кг/м и коэффициентом теплопроводности до 0,047 Вт/м К,
- установлено, что в торфодревесной смеси с фибриллирова-
ным полипропиленовым волокном, при тепловой обработке 125-
135 С в течении 15-20 мин протекает процесс перехода волокон
в высокоэластическое состояние, при этом происходит их сращи
вание с образованием пространственного армирующего каркаса,
что позволяет увеличить прочность материала на изгиб до 1,3
МПа
Личный вклад автора состоит в разработке научной гипотезы, обосновании составов, методик экспериментов, анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, изложенных в диссертационной работе.
На защиту выносятся:
закономерности влияния свойств торфовяжущего на технологические, физико-механические свойства композиционных торфодревесных теплоизоляционных строительных материалов,
результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированного торфодревесного композита в зависимости от вида и количества модифицирующих добавок различного действия,
научно обоснованные технологические режимы производства торфодревесных материалов,
результаты опытно-промышленной апробации производства теплоизоляционных торфодревесных материалов
Достоверность результатов и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом
Практическая значимость исследований состоит:
- разработаны составы торфодревесных теплоизоляционных
материалов и рекомендации по улучшению их эксплуатационных
свойств,
- разработаны технология и рекомендации по производству
торфодревесных теплоизоляционных материалов, апробация ко
торых в промышленных условиях показала достоверность сде
ланных в работе выводов и заключений,
на основе полученных научных результатов разработаны технические решения, на которые выданы патенты федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам,
на торфодревесный теплоизоляционный модифицированный материал разработаны технические условия ТУ 5768-02069295-
2004 «Плиты торфяные теплоизоляционные модифицированные»
и технологический регламент на их производство
Реализация работы. Разработанные составы композиционных теплоизоляционных торфодревесных материалов использованы при выпуске опытной партии теплоизоляционных строительных изделий на предприятии ООО «Асиновский завод строительных материалов» г Асино Результаты исследований внедрены в учебный процесс по дисциплинам «Безотходные технологии производства строительных материалов» и «Технология производства изолирующих материалов» специальности 270106
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены на
I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ИННОВАТИКА-2005», г Томск 2-3 июня 2005 г
третьей межрегиональной научно-технической конференции «Строительство материалы, конструкции, технологии», г Братск
2005 г
X Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века», г Томск. 2005 г
VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке», г Томск, 2006 г.
VI Всероссийская научно-практическая конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов
из минерального сырья», Бийск-Белокуриха, 31 мая - 2 июня 2006г
- 65-я Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы строительной отрасли», г Новосибирск, 8 апреля, 2008 г
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 18 работах, включая четыре научные статьи в рецензируемых ВАК журналах и два патента на изобретения
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 35 таблиц, 49 рисунков, 5 приложений и список литературы из 125 наименований
Автор благодарит д т н профессора А И Кудякова за оказанную помощь в исследованиях и подготовке технических документов.
Особенности состава, структуры и свойств торфа, применительно к производству строительных материалов
Торф - органическая горная порода, образующаяся в результате биохимического процесса разложения (отмирания и неполного распада) болотных растений при повышенной влажности и недостатке кислорода.
Торфяные залежи по классификации разделяют на три типа: низинный, переходный и верховой [13, 14, 15, 16] в зависимости от типа водного питания торфяного месторождения и растений торфообразователей.
Сложность состава торфа обусловлена наличием в его объеме органического, минерального и водного компонента. При этом количество минеральных веществ увеличивается от верхового к низинному типу торфа. Содержание элементарных веществ, таких как: углерод, сера, азот в торфе увеличивается при переходе от верхового к низинному типу.
Химический состав органической части торфа определяется ботаническим составом растений торфообразователей, принято различать следующие груп пы веществ: битумы; водорастворимые, легкогидролизуемые, трудногидро-лизуемые (целлюлоза), гуминовые вещества, негидролизуемый остаток (лигнин).
В состав торфяных битумов входят воск, углеводороды, смоляные кислоты, собственно смолы или асфальтены и масла. Содержание битумов возрастает при переходе от низинного к верховому типу залежи. Высокое содержание битумов в верховом торфе обеспечивает его клеящие свойства и возможность использования в производстве строительных материалов в качестве, например, гранулированного легкого заполнителя [17].
Углеводы составляют основу веществ, выделяемых из торфов горячей водой или растворяющихся в ней в присутствии минеральных кислот. Углеводы преимущественно состоят из моио- и полисахаридов, гексозы и пентозы. Содержание в торфе водорастворимых и легкогидролизуемых веществ колеблется в пределах от 7 до 69 % и уменьшается с увеличением степени разложения. Низинные торфа отличаются наиболее низким содержанием веществ этой группы, представляющих собой так называемые «цементные яды», что делает возможным использование низинного торфа в цементосо-держащих композиционных материалах [17].
Гуминовые вещества — это продукты распада растительных остатков. В торфе гуминовые кислоты находятся как в свободном, так и в связанном состоянии. В свободном состоянии они встречаются преимущественно в верховом торфе. В низинном торфе благодаря наличию большого числа поливалентных катионов, и в первую очередь Са"+, образуются нерастворимые гу-маты. Структура гуминовых веществ аморфная, а агрегаты макромолекул проницаемы для воды. Кислотные и основные группы агрегатов диссоциируются и придают этим соединениям свойства электролитов. С одержание гуминовых кислот в торфе колеблется в пределах 5-52 % и снижается при переходе от низинного к верховому торфу [18].
В торфе из всего многообразия химических компонентов для ионного обмена, прежде всего, имеют значения гуминовые кислоты и фульвокислоты, легкогидролизируемые вещества и, в некоторой степени, лигнин. Ионообменными центрами в торфе являются активные функциональные группы, главным образом, карбоксильные и гидроксидные группы гуминовых и фуль-вокислот. В обмене могут принимать также активное участие группы углеводородного комплекса и лигнина, кислые СООН, щелочные -ОН группы и в некоторой степени азотсодержащие группы. Следовательно, торф может быть представлен как амфотерное вещество. Но, так как количество кислых карбоксильных групп в торфе значительно больше, чем основных, то в растворе преобладают ионы как продукт диссоциации кислот. Поэтому жидкая фаза торфа в естественных условиях кислая. Основная роль в ионном обмене принадлежит гуминовым веществам (50 %), затем идут гемицеллюло-зы (30-40 %), клетчатка и лигнин (5-10 %). В водной среде функциональные ионообменные группы (например, карбоксильные) могут взаимодействовать через водородную связь, диссоциировать и частично обменивать ионы на ионы металла, находящиеся в растворе.
Частица торфа может быть представлена как «рыхлый», с неупорядоченной микроструктурой комплекс, проницаемый во всем объеме для воздуха и жидкостей. Его элементы - отдельные молекулы, звенья макромолекул и функциональные группы - находятся в сложном диффузионном, колебательном движении. Следовательно, внутри такого комплекса (ассоциата) функциональные группы (гуминовых кислот и их солей, целлюлозы, гемицеллю-лозы) могут взаимодействовать через водородные связи и могут быть «сшиты» поливалентными катионами, в результате чего часть ионообменных групп торфа может быть замкнута, а другая часть свободна и может служить центром сорбции для модифицирующих добавок. В низинном торфе таких центров обычно больше, чем в верховом. Гуминовые кислоты определяют основные свойства торфа: водостойкость, прочность, теплопроводность и др. Лигнин характеризуется связующими свойствами и обеспечивает хорошую клейкость торфа. Модифицирование свойств и структуры гуминовых кислот и лигнина лежит в основе получения эффективных строительных материалов с заданными свойствами [47].
Основными источниками неорганических соединений в торфе является водная миграция минеральных компонентов, поступающих с паводковыми и грунтовыми водами. В результате этих явлений происходит накопление и перераспределение неорганических соединений в торфе. Химические элементы неорганической части в торфе находятся в виде ионов, солей и комплексных соединений. Различают следующие формы неорганических соединений в торфе:
1. Неорганические минералы торфа: терригенные, поступающие на торфяные месторождения путем водной и воздушной миграции - кварц, полевой шпат, глинистые минералы и др.; аутигенные, возникающие в торфогенном или в глубинных слоях залежи в результате химического взаимодействия растворенных веществ друг с другом - лимонит, сидерит, пирит, гипс и др.; биогенные, возникающие в растениях в процессе их отмирания и дальнейшего биохимического распада органической части растительного материала - фитолит, вевелит;
2. Неорганические компоненты торфяной воды встречаются в ионной, молекулярной и коллоидной формах, а также в виде органоминеральных комплексов. В основном представлены катионами - Са" , Mg , Fe , Al , К , Na+и анионами НС03", N03", CI", S042;
3. Ионообменные гетерополярные органоминеральные комплексы, обра зующиеся при взаимодействии функциональных групп органических кислот с катионами сильных оснований (Са, Mg, К, Na);
4. Комплексно-гетерополярные органоминеральные соединения, обра зующиеся при совместном проявлении ионной и ковалентнои или ионной и координационной связей между катионами и молекулами органического ве щества - хелаты.
Классификация и сравнительная оценка характеристик современных органо-минеральных теплоизоляционных материалов
Анализируя данные рисунка 6, можно сделать вывод, что полиэтиленовое волокно имеет более низкую температуру (100-125 С) перехода в высокоэластическое состояние, чем полипропиленовое волокно (115-142 С).
Для выявления характера взаимодействия и прочности механического сцепления между торфодревесной композицией и добавкой синтетического волокна методом растровой электронной микроскопии были сделаны микрофотографии. Исследования ВЬІПОЛНЄЕІЬІ в лаборатории кафедры физики ТРАСУ на электронном растровом микроскопе TESLA-BS-301. Модифицированный торфодревесный композит не является проводником, поэтому предварительная подготовка образцов заключалась в создании на его поверхности тонкого электропроводящего слоя методом напыления тонкого слоя графита в вакууме на установке ВУП-4. 2.3 Методика приготовления торфодревесных смесей и образцов
Для приготовления опытных образцов использовалась смесь торфовяжу-щего и фракционированного древесного заполнителя. Торфовяжущее готовилось путем мокрого помола торфа естественной влажности в шаровой мельнице с мелющими телами диаметром 5-10 мм, скорость вращения барабана 75 об/мин в течение 2 часов с добавлением необходимого количества воды до водосодержания смеси 280% от массы сухого вещества торфа.
Формовочные смеси получали при добавлении в приготовленную торфяную пасту заполнителя - фракционированных древесных опилок (размер частиц 1,25-2,5мм и 0,63-0,315 мм) в разных соотношениях и воды в соответствии с заданным водотвердым отношением. Смесь перемешивалась принудительно в смесителе в течение 10 мин. и послойно укладывалась в формы -балочки размером 40 40 160 мм. Образцы уплотняли пригрузочным щитом под давлением 0,02 МПа. Твердение образцов осуществлялось при следующих условиях: - сушка при температуре 75-85 С в течение 24 часов; - распалубливание и досушивание в естественных условиях в течение 2-4 суток до приобретения равновесной влажности. Лабораторные составы приведены в таблице 2.7. Условия перемешивания, формования, уплотнения, сушки и испытания образцов проводились при одинаковых условиях. 2.4 Методики испытания торфодревесных образцов
Испытание торфодревесных образцов осуществлялось с использованием стандартных методик испытания. Число образцов для испытаний не менее пяти. Измерение линейных размеров торфодревесных изделий, контроль внешнего вида, контроль правильности геометрической формы осуществляется по ГОСТ 17177-94.
Определение плотности торфодревесных материалов осуществляется в соответствии с ГОСТ 17177-94.
Определение влажности и водопоглощения производится в соответствии с ГОСТ 17177-94. Водопоглощение определяют на образцах 50х50х50±1мм при полном погружении образца в воду в течение 24 часов.
Определение предела прочности при сжатии, водопоглощения затвердевших образцов и их теплопроводности производится по ГОСТ 17177-94.
Для изучения влияния характеристик поровой структуры на теплоизоляционные свойства торфодревесных композиционных материалов определялись характеристики поровой структуры образцов — общий объем пор, распределение пор по размерам и содержанию.
Пористость образцов определялась методом ртутной порометрии. Метод основан на вдавливании ртути в исследуемый материал. Порометрические исследования были выполнены в институте катализа СО РАН (г. Новосибирск) на ртутном порозиметре «AutoPore IV-9200 (АВТОПОР)» с рабочим давлением до 4 000 атм. и максимальным диапазоном измерения диаметров пор от 0.003 до 360 мкм.
Макроструктуры образцов и характеристики пористости определялись с использованием петрографического анализа.
Микрофотографии структуры материала получены с использованием оптического микроскопа с увеличением ХІ40. 2.4.2 Методика определения величины капиллярного всасывания торфодревесных материалов
Сущность метода заключается в определении времени впитывания заданного количества жидкости в испытываемый материал. Показатель величины капиллярного всасывания изделий из торфодревесной композиции вычисляют не менее чем на трех образцах. Размер образцов должен быть не менее 10x10x4 см. Влажность образцов не более 4 %.
Подготовленные к испытанию образцы из торфодревесиого композита помещают на деревянные подставки (рисунок 5), к поверхности образца при помощи герметика приклеивают полый цилиндрический сосуд. В сосуд наливают воду до метки (5 мл) и включают секундомер. Определяют время полного впитывания воды из мерного сосуда в толщу материала. Величина капиллярного всасывания Вк определяется по формуле: Уж Вк = мл/см мин; где (2.3) S t Уж - объем жидкости в полом сосуде; мл S - площадь отверстия (1 см ); t - время впитывания жидкости; мин Мерный цилиндрический сосуд; 2 - Герметик; 3 - Образец; 4 - Подставки. Рисунок 5 Внешний вид установки по определению величины капиллярного всасывания 2.4.3 Методика определения огневой стойкости торфодревесных образцов
Определение степени горючести торфодревесного композита проводилось по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 16363-98.
Сущность метода заключается в определении потери массы образцов, обработанных аптипиреновыми покрытиями или пропиточными составами, при огневом испытании в условиях, благоприятегоующих аккумуляции тепла.
Характеристики древесного заполнителя
Механические способы получения реакционно-активных веществ органо-минерального происхождения основаны на твердофазном превращении этих веществ в растворимые формы путем механической обработки смесей исходного сырья [107].
Широкое использование приемов диспергирования в различных технологиях, изучение процессов, происходящих при переработке твердых тел, имеет важное практическое значение. Диспергирование вызывает изменения в пористой, надмолекулярной структуре и химическом составе твердых тел, влияет на химическую активность и ход гетерофазных реакций с их участием. При этом реальное технологическое значение имеет механическая активация для целенаправленного управления скоростью химических процессов, что позволяет найти пути ускорения химической деструкции и получать целевые продукты заданного качества. Направленность и глубина структурных преобразований при диспергировании зависят от вида интенсивности механического воздействия [108].
Механическое диспергирование торфа, особенно низинных типов, с целью использования его в производстве строительных материалов в качестве связующего компонента является малоисследованной областью. Оценка явлений, связанных с инициированием химических превращений торфа механическими методами, сопряжена с определенными трудностями, так как эти изменения, вероятно, протекают на молекулярном уровне.
Ранее проведены исследования [109] по оценке эффективности механического воздействия на вяжущие свойства низинного торфа при помощи различных механических устройств.
Так, сверхтонкий помол в аттриторном устройстве приводит к существенному увеличению выхода гуминовых веществ (ГВ). Выход ГВ возрастает в зависимости от продолжительности воздействия на 35-70 %, гуминовых кислот (ГК) на 75-130 %. При обработке торфа в аттриторе происходят значительные изменения молекулярно-массового распределения ГК, которые во многом зависят от влажности обрабатываемого торфа.
При диспергировании в шаровой мельнице во влажном торфе происходит увеличение выхода водорастворимых веществ. [ПО]. В 1,5 раза возрастает содержание редуцирующих веществ в легкогидролизуемой и трудногидроли-зуемой фракциях.
Механохимическая деструкция на планетарно-центробежном активаторе увеличивает выход большинства компонентов органического вещества торфа. При увеличении интенсивности активации количественный выход гуминовых кислот растет — увеличение пирофосфатной фракции 2 %, прирост ще-лочно-растворимых - 4 %. Общее количество щелочно-растворимых веществ увеличилось на 6 %.
Сравнение влияния способа измельчения с использованием различных устройств выявило, что наиболее простым и эффективным является способ помола торфа в водной среде, в шаровой мельнице. Для выявления оптимальных режимов механического диспергирования необходимо было исследовать их влияние на свойства торфяного вяжущего.
Повышение клеящей способности н изинного торфа, определяющей его химическую активность, связано со степеныо его диспергирования. Ранее в работе показано, что механическое диспергирование низинного торфа приводит к изменению его структуры и группового состава. Степень диспергирования оценивалась размером образовавшихся частиц. Размер частиц торфа зависит от времени его измельчения. Для приготовления торфяного вяжущего проводился мокрый помол низинного и переходного видов торфа естест венной влажности в шаровой мельнице с мелющими металлическими телами диаметром 10-30 мм, скорость вращения барабана 75 об/мин в течение 0,5; 1; 2; 2,5 и 4 часов при водосодержании смеси 280 %, в пересчете на сухое вещество. Изменение размеров частиц торфа в течении разного времени диспергирования представлены в таблице 3.1.
Исходя из данных приведенных в таблице 3.1 в течение 0,5 - 2,5 часа наблюдается уменьшение размера частиц торфа до 1-5 мкм, далее в интервале 2,5 - 4 часов размер частиц увеличивается до 14-18 мкм. Такой характер зависимости показывает, что после 2 часов диспергирования начинается агрегация частиц торфа. Процесс агрегации связан с изменением состояния поверхности частиц.
На рисунках 10-12 видно, что механохимическая активация торфа в водной среде в течение 0,5-1,5 часов не приводит к полной гомогенизации смеси. На рисунках можно выделить структурные фрагменты размерами от нескольких единиц до десятков мкм. После 1,5-х часов помола в торфе обнаруживаются отдельные фрагменты структурных образований порядка нескольких мкм, в то время как после 2,5 часов измельчения композиция представляет собой совокупность агломератов. После 2-2,5 часов измельчения частицы имеют размер менее 5 мкм. Образующиеся ультрадисперсные частицы обладают избыточной поверхностной энергией, что приводит к их агрегации при дальнейшем измельчении (рисунок 12). Формирование ассоциатов до равновесного состояния идет более длительное время. Полученные электроногра фические снимки хорошо коррелируются с данными дериватографического анализа (рисунки 29-32). По термогравиметрическим кривым видно, что процесс формирования ассоциатов не заканчивается и после 28 суток струк-турообразования в торфовяжущем. Это подтверждается смещением максимальной температуры экзоэффектов для образцов в сторону более высоких значений, снятых в различное время после процесса механоактивации (рисунки 29-32, таблица 3.2). Полученные данные подтверждают, что сила связи между отдельными химическими компонентами торфа и их образованиями в результате механохимической активации (в водной среде) увеличивается.
Механическое диспергирование низинного торфа в водной среде до размеров частиц 2-5 мкм приводит к активации его минеральной части [111, 112]. В результате процессов гидратации и гидролиза высвобождаются минеральные соединения, участвующие в комплексообразовании и обладающие вяжущими свойствами. Для определения изменений вещественного состава низинного торфа после помола были сняты ИК-спектры образцов различного времени измельчения. На рисунках 13-18 представлены спектры торфа-сырца и диспергированного торфа.
Исследование влияния гидрофобизирующих добавок на свойства торфодревесного композита
В технологии производства торфодревесных изделий необходимо учитывать продолжительность хранения торфовяжущего в активированном состоянии, т.е. от момента измельчения до формования изделий, на прочностные характеристики торфяного вяжущего. Из опыта работы с веществами, активированными измельчением, следует, что энергия, аккумулированная в поверхностном слое или в аморфизованном веществе, или в дефектах кристаллического строения активированного вещества сохраняется сколь угодно долго, пока условия не изменятся и не станут благоприятными для укрупнения частиц, их агломерации или кристаллизации. Очень часто такие условия формируются самопроизвольно, в ходе хранения активированного вещества, а энергия, аккумулированная в зоне остаточных напряжений, диссипирует со временем вследствие протекания в материале ряда вторичных релаксационных процессов. При этом напряжения в материале релаксируются, свободные радикалы и ионизированные частицы рекомбинируются, дислокации аннигилируются или выходят на поверхность. Процесс диссипации энергии начинается сразу в момент активации и продолжает протекать в материале и после прекращения механической обработки материала, то есть после выхода полученного порошка из рабочей камеры измельчителя-активатора. Причем скорость релаксационных процессов зависит не только от свойств материала, но и от условий хранения (температура, влажность, давление, химический состав среды хранения и т.п.). С течением времени энергия, накопленная в материале за счет ме ханической активации, диссипирует рано или поздно, но материал возвращается к своему первоначальному состоянию.
Для оценки влияния времени хранения на свойства торфовяжущего готовилась стандартные образцы-балочки. Формование образцов проводилось сразу после измельчения вяжущего, затем через 1, 3, 12 часа и через 1, 3 и 7 суток. Прочностные характеристики образцов оценивались в одном и том же возрасте твердения — 28 сут. Влияние времени выдержки активированного торфовяжущего на значения прочности образцов при изгибе и сжатии показано на рисунке 34.
Из приведенных данных можно сделать вывод, что активированный торф при хранении не теряет своей реакционной способности в течение 7 суток после производства, что важно в условиях производства. 3.6 Термическое закрепление структур твердения на основе торфо-древесных композитов
Важным фактором, влияющим на процесс формирования структуры тор-фовяжущего, является температурное воздействие. В зависимости от диапазона температур обработки в торфяном вяжущем развиваются реакции конденсации ароматических веществ (с последующим их спеканием), плавления и размягчения смол, битумов, некоторых водорастворимых соединений и лигнина. При нагревании торфа в стесненных условиях происходит термическое расщепление растительных остатков, выделение органических кислот, поликонденсация образующихся химических соединений и их взаимодействия с лигнином. Это может способствовать получению прочных изделий, не требующих введения специальных вяжущих [63]. Повышение температуры при сушке торфа увеличивает его пластичность при уплотнении, а также снижает коэффициент внешнего трения материала о стенки формы. [116, 117]
В зависимости от диапазона температур обработки, увеличение пластичности торфа при нагревании объясняют различными процессами: развитием. реакций конденсации ароматических веществ (с последующим их спеканием), плавлением и размягчением смол, битумов, некоторых водорастворимых соединений и лигнина [118]. Для каждого торфа имеется температурный интервал, в котором достигается максимальная пластичность. При нагревании торфа в стесненных условиях [119] происходит термическое расщепление растительных остатков, выделение органических кислот, превращение пентоз в фурфурол, поликонденсация образующихся химических соединений и их взаимодействие с лигнином. Это приводит к получению прочных изделий, не требующих введения специальных вяжущих. [120].
При нагреве торфодревесных образцов до температуры 105 С наблюдается возгонка битумов и необратимая коагуляция коллоидов с образованием в значительной мере гидрофобных соединений. Этот эффект используется при "закалке" торфоизоляционных плит. Для определения оптимальной температуры и времени тепловой обработки торфодревесных материалов, изготовленные по стандартной методике об-разцы-балочки сушились в течение 3 сут., при разных температурах (75 С, 85С, 95С, 105С). При температуре сушки 75С рост прочности происходит постепенно и достигает своего максимума при тепловой обработке в течение 3 суток. При температуре сушки 85С торфодревесный композит набирает достаточную прочность уже в начальные сроки тепловой обработки (в течение 1 суток). При более длительной сушке прочностные показатели изменяются несущественно. Предположительно, повышение прочности при температурах 75-85С обусловлено ускорением процессов структурообразования, связанного с твердением минеральной составляющей.
Увеличение температуры тепловой обработки до 95 — 105С не дает ожидаемого повышения прочностных свойств торфодревесного композита, и даже влечет их понижение. Для этих температур также характерным является незначительное влияние временного фактора на показатели прочности. К трем суткам тепловой обработки наблюдается некоторое их снижение и заметно деформируются образцы.
Для оценки зависимости прочности композиционного материала на сжатие и изгиб в зависимости от разных температур и продолжительности сушки, проводилась математическая обработка результатов испытаний торфодревесных образцов с использованием стандартных средств пакета MathCad методом сплайн-интерполяции (приложение А). Графики функций прочности на изгиб и сжатие представлены на рисунках 35, 36.
