Теплоизоляционные строительные материалы на основе низинных торфов томской обла с ти
На правах рукописи
КАЛАШНИКОВА МАРГАРИТА АЛЕКСЕЕВНА
Теплоизоляционные строительные
материалы на основе низинных торфов
Томской области
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск – 2008
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Копаница Наталья Олеговна
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Верещагин Владимир
Иванович ГОУ ВПО
«Томский политехнический
университет»
доктор технических наук,
профессор
Пичугин Анатолий
Петрович ГОУ ВПО
«Новосибирский государственный
аграрный университет»
Ведущая организация ГОУ ВПО «Новосибирский
государственный
архитектурно-строительный
университет»
Защита состоится 27 июня 2008 г. в 16.00 час на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, Томск, Соляная пл., 2, корп. 5, ауд. 307.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского
государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан 2426 мая 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрипникова Н.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 теплоэффективных 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 торфов и древесного заполнителя для производства теплоизоляционных материалов;
– исследовать вяжущие свойства активированного низинного торфа и закономерности формирования его структур твердения;
– исследовать влияние физико-механических характеристик древесного заполнителя на эксплуатационные свойства торфодревесного материала;
– изучить влияние модифицирующих добавок различного действия на эксплуатационные характеристики теплоизоляционного торфодревесного материала;
– разработать научно-обоснованные технологические приемы производства теплоизоляционных материалов на основе торфодревесных 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: = 300-350 кг/м3, Rсж = 0,48-0,50 МПа, Rизг = 0,15-0,18 МПа;
– установлено, что в торфодревесной смеси с пенообразующими 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/м3 и коэффициентом теплопроводности до 0,047 Вт/м·К;
– установлено, что в торфодревесной смеси с фибриллированым полипропиленовым волокном, при тепловой обработке 125-135 С в течении 15-20 мин протекает процесс перехода волокон в высокоэластическое состояние, при этом происходит их сращивание 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 которых в промышленных условиях показала достоверность сделанных 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.
– Х Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия ХХI 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 2006 г.
– 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, указаны основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях, объеме и структуре диссертации.
В первой главе представлен аналитический обзор по теме диссертации, рассмотрено современное состояние вопросов связанных с производством теплоизоляционных материалов и использованием торфа в технологиях получения строительных материалов различного назначения, дан анализ современных представлений о составе, свойствах и структуре торфа и возможности его модифицирования. В литературном обзоре рассмотрены труды ученых в области управления процессами структурообразования в реологических системах и развития современных способов модифицирования композиционных материалов, результаты исследования физико-механических и химических свойств торфа, а так же возможности его использования в производстве строительных материалов и изделий. Значительный вклад в решение этих вопросов внесли ученые П.А. Ребиндер, Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, М.П. Воларович, А.В. Волженский, И.И. Лиштван, А.П. Е.Т. Базин, П.И. Белькевич, Н.И. Гамаюнов, Пичугин, В.Е. Раковский, и другие.
В работах этих авторов показано, что торф является перспективным сырьем для получения продукции различного назначения, в том числе и строительных материалов.
Промышленное производство строительных материалов на основе торфа известно с 1930 года. Анализ литературных данных свидетельствует о возможности создания теплоизоляционного материала на основе торфа и отходов производства лесоматериалов (стружка, опилки). При этом выявлено что, в большинстве существующих технологий используется малоразложившийся торф верхового типа («Геокар» ТУ 5768-001-03983434-99).
Широкое использование, в том числе и в строительстве, торфа верхового типа связано с высоким содержанием битуминозных веществ, что обеспечивает его природные клеящие свойства. Недостаточно изученными являются вопросы, связанные с использованием низинных торфов для получения строительных материалов. Значительные запасы низинных торфов, наличие в их составе большего количества активных функциональных групп, склонность к образованию органоминеральных комплексов различного состава и структуры в процессе активации, способность к разнообразным ионообменным процессам, обеспечивает его высокую реакционную способность и возможность использования для производства эффективных строительных материалов.
Сделан вывод о необходимости достижения целей и решения поставленных задач и представлена трехкомпонентная модель теплоизоляционного материала на основе торфа, включающая в себя торфяное связующее, каркасообразующий компонент (древесный заполнитель), модифицирующие добавки различного действия для направленного регулирования и улучшения эксплуатационных характеристик торфодревесного материала.
Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов и описаны методики экспериментальных исследований.
Для разработки теплоизоляционного торфодревесного материала использовались: торфа низинных и переходных типов месторождений Томской области, со средней и высокой зольностью, средне- и малоразложившиеся, древесный заполнитель рационально подобранного гранулометрического состава из опилок хвойных и лиственных пород древесины.
Для направленного регулирования свойств торфодревесного материала использовались следующие модифицирующие добавки:
– пенообразующие добавки, синтетические ПАВ анионактивной группы либо смеси анионактивных и неионегенных ПАВ (торговые марки «ПБ-2000», «Теас», «Неопор»);
– гидрофобизирующие добавки катионоактивной или неиногенной природы (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94, кремнийорганическая жидкость торговой марки «Аквасил», бутадиенстирольный латекс СКС 65Г и битумная эмульсия ЭБК–2);
– армирующие полипропиленовые волокна различных способов получения;
– антипирены на основе водных растворов солей металлов (пропиточные составы МС, ПП, ВАНН-1).
Выбор добавок обусловлен их химической согласованностью с природой торфа.
В третьей главе рассмотрены принципы активации низинного торфа с целью получения торфяного вяжущего для получения торфодревесных материалов. Сравнение результатов ранее проведенных исследований в области активации торфа показало (работы А.И. Кудякова, Н.О. Копаницы и др.), что одним из эффективных способов улучшения вяжущей способности низинных и переходных типов торфов является химическое и механическое воздействия. При этом более предпочтительным для этих типов торфов является механическое воздействие путем тонкого помола торфа в водной среде, а эффективность механического воздействия на вяжущие свойства низинного торфа зависит от вида мелющих устройств. Наиболее рациональным является использование мельниц шарового типа.
Влияние режимов механической активации на вяжущие свойства низинного торфа оценивалось по изменению величины адгезии торфяного вяжущего к древесине и его прочности. Показано, что величина адгезии торфовяжущего к поверхности древесины, зависит от времени измельчения, водосодержания смеси и размеров частиц торфа (рисунок 1).
При оптимальном водосодержании пасты 270-280 % от массы торфа прочность сцепления вяжущего с древесной подложкой составляет 0,053 МПа при 2,5 часов помола в шаровой мельнице. Диспергирование торфа в течение 0,5-2,5 часов приводит к уменьшению размера его частиц до 2-5 мкм, при дальнейшем измельчении наблюдаются тенденция к агрегации частиц торфа и адгезионные свойства торфовяжущего снижаются. Влияние тонкого измельчения низинного торфа в водной среде на активность полученного торфовяжущего оценивали по величине изменения пределов прочности образцов при изгибе и сжатии. В приготовленную при разных режимах помола торфяную пасту (время измельчения от 0,5 до 3,5 часа) вводились: заполнитель – фракционированные древесные опилки (размер частиц 1-2,5 мм) в соотношение 1:3 и вода. Смесь перемешивалась принудительно в смесителе и послойно укладывалась в формы-балочки размером 4416 см, с последующим уплотнением. Твердение образцов осуществлялось при температуре 75–85 оС в течение 24 часов.
Оценка влияния времени измельчения низинного торфа на процесс набора прочности торфодревесных образцов показала, что максимальные прочностные показатели торфодревесных образцов достигаются при времени измельчения торфяного вяжущего в течение 2,0-2,5 часов (рисунок 2). Выявлено, что процесс твердения торфодревесного композита сопровождается значительным ростом прочности в начальный период и последующей стабилизацией после 28 суток твердения (рисунок 3), что характерно для процесса твердения зольных вяжущих. Физико-хими-ескими методами анализа диспергированного низинного торфа установлено, что вещественно-структур-ые изменения происходят как в органической, так и в минеральной его части. Так, при увеличении времени диспергирования, на ИК-спектрах идентифицируются полимерные соединения (область 3200-3400 см-1), определяется увеличение групп С=О (1460-1410см-1), обеспечивающих в дальнейшем протекание реакций карбонизации в торфовяжущем, появляются пики дополнительных силикатных и кремнийорганических соединений (1100-1000 см-1, 1020-1276 см-1 соответственно). Таким образом, протекание в низинном торфе процессов гидролиза и гидратации при механическом воздействии в водной среде, способствуют высвобождению активных минеральных соединений на основе оксидов, участвующих в комплексообразовании и обладающих вяжущими свойствами. На рентгенограммах активированного низинного торфа идентифицируются пики, соответствующие соединениям: Са(ОН)2 (1,69, 1,315), СаSО4·nH2O (2,33, 1,74), CaO·SiO2·H2O (1,83, 2,4), CaO·SiO2·nH2O (1,17, 1,67), Al2O3·2SiO2·2H2O (3,32, 2,74), 3CaO·Fe2O3·6H2O (2,33, 1,74), MgSO4·6H2O (2,92, 4,04) и др.
Изменение структуры и свойств торфовяжущего при увеличении времени твердения подтверждается результатами дериватографического анализа. Наблюдается смещение максимальных температур экзоэффектов в сторону более высоких значений. Полученные данные подтверждают, что сила связи между отдельными химическими компонентами торфа и их образованиями, после диспергирования в водной среде увеличивается с течением времени твердения.
В четвертой главе рассмотрены особенности формирования структуры и свойств теплоизоляционного композиционного материала на основе торфовяжущего и отходов производства лесоматериалов, а также возможность направленного регулирования свойств теплоизоляционного материала при введении модифицирующих добавок.
В работе представлены результаты исследований влияния основных характеристик древесного заполнителя на эксплуатационные свойства торфодревесного композиционного материала.
Показано, что параметры качества композиционного строительного материала (прочность, плотность, теплопроводность и др.) существенно зависят от физико-механических характеристик каркасообразующего компонента (породы древесины, влажности, гранулометрического состава).
Исследовано, что на физико-механические характеристики торфодревесных образцов существенное влияние оказывает гранулометрический состав древесного заполнителя. Так, при использовании двухфракционного состава древесного заполнителя фракций 2,5…1,25 мм и 0,63…0,315 мм и их соотношении 50:50 и 60:40 достигаются оптимальные характеристики по прочности и плотности материала. Таким образом, при использовании древесного заполнителя рационально подобранного гранулометрического состава был получен базовый торфодревесный композит со следующими характеристиками: = 300-350 кг/м3, Rсж = 0,48-0,50 МПа, Rизг = 0,15-0,18 МПа, = 0,067-0,07 Вт/м·К.
Известно, что для получения эффективного теплоизоляционного материала необходимо стремиться к формированию мелкопористой стру -
ктуры с равномерно распределенными по объему замкнутыми порами. Коэффициент теплопроводности композиционного торфодревесного материала без модифицирующих добавок составляет, 067-0,07 Вт/м·К.
Достаточно высокие значения коэффициента теплопроводности можно объяснить тем, что в структуре материала преобладают крупные, неравномерно распределенные по объему поры. Регулировать характер пористости композита можно с помощью пенообразующих добавок. Выбор природы добавки обусловлен тем, что в составе торфа и древесного заполнителя преобладают отрицательно заряженные функциональные группы типа R-ОН-. R-COO-. Для обеспечения стабильности пены, вводимой в торфодревесную смесь, необходимо чтобы ПАВ имели одноименный заряд или были бы нейтральными. В зависимости от вида пенообразующей добавки и концентрации ее активного вещества в торфовяжущем меняются размеры и количество пор в объеме материала (рисунок 4).
Так, при использовании добавки «Неопор» с концентрацией активного вещества 4 %, увеличилось количество пор минимального размера (2,7 нм) до 65 % от общего объема пор материала. Это позволило снизить коэффициент теплопроводности до 0,047Вт/м·К. Поризованные образцы имеют более упорядоченную и однородную структуру и отличается меньшим количеством сообщающихся пор (рисунок 5).
а) б)
Размер видимых крупных пор на поверхности поризованных образцов в среднем составляет 0,3…0,9 мм, в контрольных образцах средний размер пор - 0,6…1,5 мм. Способ подготовки пены и введения ее в формовочную смесь также оказывает влияние на структурные свойства поризованного торфодревесного материала.
Высокие значения водопоглощения торфодревесных материалов (более 140 %) и коэффициента капиллярного всасывания (0,5мл/см2мин) могут быть снижены при использовании гидрофобизирующих добавок. Выбор типа гидрофобизирующих добавок определялся исходя из необходимости блокирования отрицательно заряженных функциональных групп торфа. Эффективность действия различных гидрофобизаторов и их концентраций, оценивалась по способности снижать величину капиллярного всасывания торфодревесных образцов (рисунок 6).
Приведенные данные позволяют сделать вывод, что введение в торфодревесную смесь гидрофобизирующих добавок катионоактивной природы ведет к улучшению гидрофобных характеристик исследуемого материала, наблюдается снижение коэффициента капиллярного всасывания до 0,5мл/см2мин, а водопоглощения материала до 18 %.
Для улучшения прочностных характеристик торфодревесного материала исследовалось влияние армирующих волокон на Rсж и Rизг. Показано, что введение в формовочную смесь армирующих синтетических волокон разных геометрических параметров, плотности и способов производства, повышает прочность готовых изделий. Наибольший прирост прочности наблюдается при введении полипропиленового волокна полученного путем фибрилляции. Эффект от действия армирующих добавок усиливается при кратковременной (в течение 15-20 мин) температурной (до 135 С) обработки отформованных образцов на стадии сушки. В результате этого армирующие волокна переходят в высокопластическое состояние, что обеспечивает «сращивание» волокон между собой (рисунок 7), а при остывании позволяет получить более прочный пространственный каркас композиционного материала. Шероховатость поверхности фибриллированного во
локна обеспечивает их более прочное сцепление с торфовяжущим.
а) б)
Рисунок 7 - Структура торфодревесного материала армированного фибриллированным полипропиленовым волокном (х 2000):
а – тепловая обработка образцов при температуре 85С;
б – тепловая обработка образцов при температуре 130С
Разработанный материал относится к группе горючих веществ и имеет группу горючести Г4, что ограничивает его применение в строительных конструкциях. Установлено, что уменьшить степень горючести разрабатываемого торфодревесного теплоизоляционного материала можно путем использования антипиренов на основе водных растворов солей металлов. Наибольший эффект от действия исследуемых веществ наблюдается при двухступенчатой обработке изделий путем введения добавки в формовочную смесь и последующей дополнительной обработкой поверхности отформованных изделий.
Таким образом, результаты исследований свойств торфодревесных композиционных материалов модифицированных добавками различного действия, показывают возможность направленного регулирования их строительно-технических характеристик.
Сравнительные характеристики полученных в ходе исследования торфодревесных композитов с распространенными теплоизоляционными материалами представлены в таблице 1.
Таблица 1 Сравнительные физико-механические характеристики торфодревесных теплоизоляционных материалов
| Вид теплоизоляционного материала | Физико-механические свойства | ||||||
| Теплопроводность, Вт/м·К | Плотность, кг/м3 | Rсж, МПа | Rизг, МПа | Водопоглощение,% (по массе) | Группа горючести | Паропроницаемость, мл/см2мин | |
| Базовый торфодревесный материал | 0,067-0,070 | 300-350 | 0,48-0,50 | 0,15- 0,18 | 170 | Г4 | 0,25-0,26 |
| Поризованный торфодревесный материал | 0,047 -0,05 | 220-230 | 0,25-0,27 | 0,07-0,1 | 160 | Г4 | 0,24-0,25 |
| Гидрофобизированный торфодревесный материал | 0,069-0,79 | 300-350 | 0,56-0,58 | 0,22-0,25 | 18-20 | Г4 | 0,21-0,22 |
| Армированный торфодревесный материал | 0,06-0,062 | 270-320 | 2,10 -2,60 | 1,20-1,30 | 7-12 | Г4 | 0,22-0,23 |
| Торфодревесный материал с антипиренами | 0,069-0,071 | 300-350 | 0,83-0,90 | 0,35-0,40 | 30-35 | Г3Г2 | 0,22-0,23 |
| Пенополистирольные плиты | 0,037-0,041 | 15-35 | 0,08-0,16 | 0,07-0,16 | 1-2 | Г3Г4 | 0,03-0,04 |
| Пенобетон | 0,07-0,10 | 300-400 | 0,25-0,50 | - | 14-16 | НГ | 0,25 |
| Фибролит | 0,10-0,11 | 300-350 | 0,4-0,5 | - | 13-15 | Г1 | 0,24 |
| Разработанные материалы допускается использовать в жилых, промышленных и общественных здания степени огнестойкости IIIa, IIIб, IVa, V (согласно CНиП 21–01–97) | |||||||
Полученные торфодревесные теплоизоляционные материалы соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям.
Полученные результаты исследований использованы при разработке технологии получения эффективных материалов для ограждающих конструкций с повышенной теплозащитой и составления технологического регламента.
В пятой главе приведена технологическая схема производства теплоизоляционных торфодревесных материалов различного назначения с применением модифицирующих добавок направленного действия. Рассмотрены особенности технологических процессов их производства.
Технология производства торфодревесных теплоизоляционных материалов и изделий включает следующие основные процессы: изготовление торфовяжущего, приготовление формовочной смеси, формование и сушка изделий.
Получение торфовяжущего осуществляется путем диспергирования низинного торфа совместно с водой в шаровой мельнице при следующих параметрах: водосодержание смеси – 280 % и время помола – 2,0-2,5 часа.
Приготовление формовочной смеси осуществляется в смесителе в определенной последовательности, которая зависит от ее состава. При использовании антипиренов и гидрофобизирующих добавок, они вводятся в состав торфовяжущего с последующей гомогенизацией. При использовании армирующих добавок, рекомендуется предварительное смешивание волокон с древесным заполнителем, что связанно с необходимостью более равномерного распределения их в готовой смеси. При модификации торфодревесной смеси пенообразующими добавками, предварительно приготовленная пена смешивается с торфяным связующим, после чего поризованная масса добавляется к древесному заполнителю.
Выбор режима формования торфодревесных изделий определяется составом сырьевой смеси и требуемыми свойствами изделий. Получать изделия можно двумя способами:
- кратковременная вибрация, применяется для подвижных торфодревесных смесей;
- подпрессовка, применяется для жестких смесей без модифицирующих добавок.
Сушка торфодревесных изделий необходима для интенсификации процессов структурообразования в торфовяжущем и удаления лишней влаги в материале. Вследствие неравномерной миграции водяных паров, в толще материала могут возникнуть усадочные деформации и, как следствие, растрескивание. Поэтому, необходимо соблюдение режимов тепловой обработки торфодревесных материалов. Исследования показали, что оптимальная температура тепловой обработки торфодревесного композита для достижения требуемых прочностных показателей составляет 85 °С. Режим теплового процесса: подъем температуры до 85 С в течение 2-х часов, изотермическая выдержка в течение 22-24 часов, снижение температуры в течение 24 часов. При использовании в торфодревесных материалах армирующего волокна в конце изотермической выдержки следует подъем температуры до 135С в течение 20 мин.
Разработан технологический регламент на производство модифицированных теплоизоляционных торфодревесных плит. В работе представлены расчеты технико-экономических показателей предприятия по выпуску торфодревесных материалов, полученные в ходе разработки бизнес-плана. Рентабельность предприятия составляет 27 %. Расчет стоимости 1м3 торфодревесных изделий показал, что их цена на 20-35 % ниже стоимости распространенных утеплителей.
Опытно-промышленная апробация практических рекомендаций, проведенная в ООО «Асиновский завод строительных материалов», г. Асино, подтвердила достоверность научных результатов, полученных в ходе выполнения работы. Технические характеристики торфодревесных изделий удовлетворяют требованиям ТУ 5768-02069295-2004 «Плиты торфяные теплоизоляционные модифицированные».
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. При измельчении низинного торфа в водной среде до размеров частиц 2-5 мкм увеличивается прочность сцепления торфа с древесным заполнителем в 2,5-2,7 раза, повышается прочность при сжатии торфовяжущего в 5,0-5,5 раза.
2. Диспергирование торфа в водной среде сопровождается процессами гидролиза и гидратации, позволяющими активировать минеральные соединения на основе оксидов, участвующих в комплексообразовании и обладающих вяжущими свойствами, что подтверждается физико-химическими методами исследований (ИКС, ДТА, РФА).
3. При использовании в торфодревесной композиции двухфракционной смеси древесного заполнителя прерывистой гранулометрии с фракциями 2,5…1,25 мм и 0,63…0,315 мм и их соотношении 50:50 или 60:40 достигаются оптимальные характеристики по прочности и плотности.
4. Введение в торфодревесную смесь пенообразующих поверхностно-активных веществ анионоактивного и неионогенного типов, нейтральных к поверхности торфа и к поверхности древесного заполнителя, позволяет снизить значение средней плотности до 220-230 кг/м3, при сохранении необходимой прочности, и понизить значение коэффициента теплопроводности до 0,047 Вт/м·К.
5. Введение в торфодревесную смесь гидрофобизирующих добавок катионоактивной природы, блокирующих отрицательно заряженные функциональные группы торфа, приводит к снижению водопоглощения теплоизоляционного материала до 18 %;
6. Введение в торфодревесную смесь армирующей добавки, в виде фибриллированого полипропиленового волокна, с последующей тепловой обработкой до температуры перехода волокон в высокоэластическое состояние, позволяет увеличить прочность материала на изгиб до 1,3 МПа.
7. Выбор технологических режимов процессов производства торфодревесных материалов определяется характеристиками сырья, составом сырьевой смеси и требуемыми свойствами изделий. Управление параметрами процессов осуществляется на стадиях изготовления торфовяжущего, приготовления формовочной смеси, формования и сушки изделий. Технология получения теплоизоляционных торфодревесных изделий прошла опытно-промышленную апробацию.
8. Разработан технологический регламент на производство модифицированных теплоизоляционных торфодревесных плит. Стоимость 1м3 торфодревесных изделий составила 1700 руб., что на 20-35 % ниже стоимости распространенных утеплителей.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
- Калашникова, М.А. Использование теплоизоляционных материалов на основе низинных торфов Томской области в ограждающих конструкциях // Вестник ТГАСУ,–2008.–№1.–С.137-139.
- Копаница, Н.О. Рациональное использование торфа в строительстве / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко, М.А. Калашникова // Строительные материалы.–2007.–№12.–С.32-34.
- Копаница, Н.О. Особенности регулирования эксплуатационных свойств эффективных торфодревесных материалов / Н.О. Копаница, Д.В. Лычагин, М.А. Калашникова // Строительные материалы.–2007.–№7.–С.85-87.
- Копаница, Н.О. Исследование вяжущих свойств низинных торфов при производстве теплоизоляционных материалов / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Вестник ТГАСУ.– 2007.–№1.–С.210-212.
- Копаница, Н.О. Перспективы применения теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях на основе низинных торфов Томской области / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Кровельные и изоляционные материалы.–2008.–№2.–С.46-48.
- Копаница, Н.О. Торф как альтернативный источник сырья для производства строительных материалов / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко, Л.В. Касицкая, М.А. Калашникова // Торф и бизнес.–2007.–№3(9).–С.27-29.
- Копаница, Н.О Получение теплоизоляционных строительных материалов на основе торфа / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Проблемы строительства и архитектуры: сб. материалов 24 региональной науч.-техн. конф.–Красноярск.–2006.–С.45-47.
- Копаница, Н.О. Особенности регулирования свойств торфодревесных теплоизоляционных материалов // Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Серия «Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири»: Труды Братского гос. ун-та.–Том 2.–Братск..–2006.–С.54-55.
- Копаница, Н.О. Новые возможности использования торфяных ресурсов / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, М.А. Калашникова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: 12-я международная науч.-практ. конференция.–Тюмень.–2-4 октября 2006.–С.12.
- Копаница, Н.О. Строительные теплоизоляционные материалы на основе модифицированных низинных торфов / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, М.А. Калашникова // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VI Всероссийской науч.-практ. конференции.–Белокуриха.–31 мая – 2 июня 2006.–С.62-64.
- Калашникова, М.А. Активация вяжущих свойств низинного торфа при производстве торфодревесных теплоизоляционных материалов / Химия и химическая технология в XXI веке: Тезисы VII всероссийской науч.-практ. конференции студентов и аспирантов.–Томск.–11-12 мая 2006.–С.18.
- Копаница, Н.О. Экологичный теплоизоляционный материал – материал будущего / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // КАЧЕСТВО–стратегия XXI века: Материалы X Международной науч.-практ. конференции.–Томск.–7-8 декабря 2005.–С.14.
- Копаница, Н.О. Теплоизоляционный материал на основе торфа в стеновых конструкциях / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // ИННОВАТИКА-2005: сборник материалов I Всероссийской науч.-практ. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск.–2-3 июня 2005.–С.12.
- Калашникова, М.А. Закономерности формирования пористой структуры в торфодревесных теплоизоляционных материалах / Строительство: материалы, конструкции, технологии: Материалы III Межрегиональной науч.-техн. конференции – Братск.–23-25 марта 2005.–С.26-27.
- Копаница, Н.О. Проблемы разработки раздела энергоэффективных проектов зданий с наружным утеплением / Н.О. Копаница, И.А. Подласова, М.А. Калашникова // IV Международный конгресс по теплозащите и энергосбережению зданий и сооружений».–Новосибирск.–февраль 2004.–С.8-9.
- ТУ 5768-02069295-2004. Теплоизоляционные плиты на основе торфодревесной композиции. Технические условия / А.И. Кудяков, Н.О. Копаница, М.А. Калашникова; Введ. 2004-05-01 без огранич. Срока действ.–Томск: Томский центр стандартизации, метрологии и сертификации,–2004.–5с.
- Пат. №2273620 Торфодревесная композиция для изготовления теплоизоляционных строительных материалов / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, М.А. Калашникова, RU 2 217 813 С2, опубликовано 06.04.2006.–бюл. №18, заявка: 2004108271/03, 22.03.2004г.
- Пат. №2307813 Торфодревесная композиция для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, М.А. Калашникова, RU 2 307 813 С2, опубликовано 10.10.2007.–бюл. №28, заявка: 2005130585/03, 03.10.2005г.
Калашникова Маргарита Алексеевна
теплоизоляционные строительные
материалы на основе низинных торфов
томской области
автореферат
Изд. лиц. №021253 от 31.10.97 г.
Подписано в печать 26.05.08 г. Формат 6084 1/16.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0.
Тираж 100 экз. Заказ №____
Изд-во ГОУ ВПО «ТГАСУ», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета автора в ООП ГОУ ВПО «ТГАСУ».
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
