Теплоизоляционный материал на основе торфов Республики Бурятия

Особенностью сырьевой базы Республики Бурятия является наличие значительного количества запасов природного сырья и отходов промышленности, в том числе и торфа, который широко представлен на территории республики. Промышленные запасы торфа оцениваются почти в 29,6 млн. т. Большие возможности торфа для использования в строительстве обусловлены особенностями его состава и строения. Полифункциональный состав и многообразие полезных свойств торфа при правильном управлении технологическими процессами, а именно проектированием состава торфосодержащей смеси, подготовкой сырья, перемешиванием, формованием и тепловой обработкой, позволяют получать композиционные материалы с заданными свойствами. Торф следует рассматривать как ценный альтернативный источник для изготовления эффективных строительных материалов.

Основные месторождения торфа учтены Госкадастром МПИ России по Республике Бурятия и представлены в таблице 1.

Таблица 1

Месторождения торфа, учтенные Госкадастром МПИ России по Республике Бурятия

Район республики	Полезные ископаемые	Название месторождения, км/румб от ближнего населенного пункта	Площадь (га) / глубина подсчета запасов (м)	Запасы
				балансовые		забал анс.
				АВС 1	С 2
Прибайкальский	Торф, тыс. т	Кикинское, запад/юго-запад п. Котокель	540 / 185	1256	-	112
		Урочище большой зыбучий/юго-восточнее с. Турка	400 / 2,2	1048	-	47
Кабанский	Торф, тыс. т	Большой Калтус 1/южнее ст. Посольская	10300 / 2,2- 4,3	9266+ 8069	31113 -	337 286
		Энхэлукский калтус / запад/юго-восток с. Новый Энхэлук	430 / 3,7	2017	-	162
Баргузинский	Торф, тыс. т	Урочище проруби/ 0,5 юго-восточнее с. Усть-Баргузин	2780 / 2,25	4628	1419	752
		Южное лебяжье/9 юго-восточнее с. Усть-Баргузин	670 / 2,5	1629	-	32
Северо-Байкальский	Торф, тыс. т	Дзелиндинское/24 юго-западнее ст. Ангоя	83 / 2,1	271	-	-
		Герамдай/13 северозападнее с. Кумора	302 / 1,9	741	-	72
		Кичерское/8 северовосточнее ст. Кичера	152 / 2,4	631	-	22

Согласно постановлению Республики Бурятия № 28 от 31 января 2012 г., по программе «Развитие предприятий промышленности строительных материалов и индустриального домостроения в Республике Бурятия до 2020 года», одной из приоритетных задач в этой отрасли является использование природных ресурсов при производстве строительных материалов за счет использования в качестве вторичного сырья отходов производства и потребления. Таким сырьем, в частности, может быть торф, а также неутилизируемые многотоннажные отходы деревообработки, пригодные для изготовления из них эффективных материалов для ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве. Поэтому вопрос создания новых строительных материалов на основе торфа Республики Бурятия, богатой этим видом сырья, является актуальным.

В ТГАСУ (г. Томск) на протяжении многих лет проводятся исследования, связанные с разработкой технологий производства строительных материлов различного назначения, в которых торф выполняет роль вяжущего, заполнителя, модифицирующей добавки, что обусловлено особенностями его состава и структуры, а также возможностью их регулирования при определенных способах их внешних воздейтвий [1]. В большинстве предлагаемых составов материалов торф играет роль обычного заполнителя. Представляют 60

интерес работы по синтезированию вяжущего в структуре торфа с учетом его химического состава. Для этого имеется определенная научная и практическая база, позволяющая получать материалы из торфа с ипользованием его потенциально активных компонентов [2]. При этом используются как торфы верхового, так и низинного типов, отличающихся содержанием и составом минеральной части. Направление по использованию в строительстве низинных торфов, имеющих значительное содержание минеральной части и высокую степень разложения, является малоизученным. Низинные торфы использовались в основном как наполнитель в композициях с минеральными или органическими вяжущими. Значительные запасы низинных торфов, а также наличие в их составе активных функциональных групп, обеспечивающих потенциальные возможности физико-химического модифицирования, позволяют отнести низинный торф к перспективным природным сырьевым материалам, пригодным, например, для изготовления теплоизоляционных материалов.

Целью проводимых исследований явилось изучение возможности и целесообразности использования торфов Республики Бурятия и древесного заполнителя для производства теплоизоляционных материалов.

Задачами исследований явилось:

• -    выбор оптимального способа механохимической активации торфа с целью целенаправленного воздействия на его структуру и состав;

• -    подбор рациональных составов и исследование свойств торфодревесных модифицированных смесей для получения теплоизоляционных материалов;

• -    определение оптимального технологического режима получения торфодревесного материала и разработка технологии его производства.

Материалы и методы исследований

В проводимых исследованиях для получения торфодревесных теплоизоляционных материалов использовались торф низинного типа, модифицирующая добавка щелочного вида и древесный заполнитель.

Низинный торф Энхэлукского месторождения (Кабанский район Республики Бурятия), усредненный химический состав минеральной части которого приведен в таблице 2, представлен в основном оксидами кремния, кальция, алюминия и железа.

Таблица 2

Химический состав низинного торфа Энхэлукского месторождения

Содержание оксидов, мас. %
SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	SO 3
14,0-66,9	4,3-28,7	15,2-54,5	15,2-54,5	0,4-5,8	0,5-2,9

Низинные торфы более однородны по структурным характеристикам [3]. При одинаковой степени разложения они имеют поры более крупных размеров, большую активную поверхность и меньшую величину кинетической удельной поверхности. Это обусловлено меньшим содержанием в низиных торфах связанной воды и коагулированным состоянием их структуры за счет «сшивающего» действия поливалентных катионов.

Следует отметить, что в связи с повышенной кислотностью торфа его использование как компонента минеральных вяжущих, как правило, возможно в сочетании с различными добавками. Учет его качества обычно сводится к нейтрализации возможных отрицательных воздействий на структурообразование, как правило, от гумусовых кислот. Для этого возможно использование в качестве модифицирующей добавки щелочных добавок, таких как гидроксид натрия NaOH, сода Na 2 CO 3 , жидкое стекло. Минеральные компоненты торфа в условиях тепловой обработки активно вступают во взимодействие с щелочными компонентами, образуя при этом гидросиликатные и гидроалюмосиликатные цеолитоподобные устойчивые соединения.

Перспективным является использование в торфянных композициях в качестве модифицирующей добавки жидкого стекла. Однако анализ практического использования свидетельствует о практических неудобствах жидкого стекла. Для устранения вышеперечисленных недостатков перспективен переход на твердые силикаты натрия -безводную силикат-глыбу (БСН). В качестве модифицирующей добавки в исследованиях использована натриевая силикат-глыба с кремнеземистым модулем Мо = 2,7-2,9 (АО «Салаватстекло», Республика Башкортастан).

В качестве заполнителя использован двухфракционный состав древесного заполнителя хвойных пород (сосна) фракций 2,5-1,25 и 0,63-0,315 мм.

Для оценки влияния времени помола вяжущего, количества вяжущего и модифицирующей добавки на свойства торфяного вяжущего и торфодревесных композиций готовились образцы пластичного формования размерами 40х40х160 мм и 50x50x50 мм, твердевших в условиях сушки: t=80-90°C, т=1,0+18+1,0 ч.

Результаты и обсуждения

Известно, что влияние на структуру и свойства торфа с целью получения строительных материалов и изделий с требуемыми строительно-техническими свойствами возможно за счет использования различных способов активации торфа: механического, химического, физического. Одним из направлений осуществления целенаправленного структурообразования и формирования свойств композиций на основе торфа является их механохимическая активация (МХА). При дисперировании торфа размеры пор уменьшаются, снижается их неоднородность, а форма частиц приближается к округлой. Одновременно возрастают кинетическая удельная поверхность и подвижность дисперсионной среды, что свидетельствует о переходе части неподвижной (внутриклеточной) воды в подвижные формы влаги [3]. Кроме того, возможно реализовать совместное диспергирование торфа с веществами, понижающими поверхностное натяжение на границе раздела фаз и влияющими на повышение его реакционной способности.

Выполненный анализ особенностей механоактивации сырьевых материалов в аппаратах различного типа показал, что правильный выбор активатора-измельчителя, оптимизация параметров активации имеют решающее значение, как для технологии процесса, так и для экономической эффективности применения аппарата [4]. Для активации и модифицирования торфа в работе использовали активаторы нового поколения: лабораторная шаровая мельница МШЛ-1П и стержневой виброистиратель ВИ-4х350. Механические воздействия на измельчаемый материал в исследуемых мельницах различны: удар и давление в шаровой мельнице, удар и трение на стержневом виброистирателе. Время совместного помола торфа и безводного силиката натрия в лабораторной шаровой мельнице варьировалось от 30 до 90 мин, в стержневом виброистирателе - от 0,5 до 2 мин. При совместном помоле количество БСН варьировалось от 15 до 25 % по массе. Результаты исследований показали, что оптимальное содержание БСН составляет 20%, при котором получены максимальные прочностные показатели вяжущих композиций.

Прочность вяжущих композиций при совместном измельчении торфа и БСН в стержневом виброистирателе в среднем в 1,3–2 раза выше, чем прочность вяжущих композиций, полученных при измельчении компонентов в шаровой мельнице, при одинаковой степени дисперсности (табл. 3). Это связано с тем, что активность вяжущих композиций на основе торфа выше в случае его измельчения в энергонапряженном аппарате, к числу которого относится стержневой виброистиратель, где создаются высокая концентрация энергии в помольной камере, значительная частота и энергия взаимодействия мелющего тела с частицами измельчаемого материала. С увеличением времени помола на виброистирателе наблюдается снижение прочности почти на 15 %, что связано, очевидно, с процессами агломерации при тонком измельчении смесей.

Таблица 3

Влияние способа и продолжительности измельчения на свойства вяжущих композиций на основе торфа

№ состава	МХА торфа в стержневом виброистирателе		МХА торфа в шаровой мельнице
	продолжительность измельчения торфа, мин	прочность при сжатии Rсж, МПа, после сушки	продолжительность измельчения торфа, мин	прочность при сжатии, R сж , МПа, после сушки
1	0,5	1,2	30	0,49
2	1,0	1,1	60	0,76
3	2,0	1,05	90	0,78

Далее в работе показаны дополнительные возможности измельчения торфа в жидкой среде, с учетом ее естественной влажности - 60-80%. В традиционных технологических приемах при увлажнении торфа происходит формирование мицелл и образование двойного электрического слоя. На поверхности минеральных частиц торфа с отрицательным зарядом активно адсорбируются катионы Na⁺, так как энергия адсорбции их меньше, чем катионов Ca²⁺ [3]. Предполагаем, что модификация торфа в процессе механоактивации в жидкой среде позволит более эффективно использовать БСН как компонент вяжущего и получить композиционные материалы с заданными свойствами.

Для выяснения эффективности механоактивации в присутствии воды помол торфа с использованием безводного силиката натрия производился в стержневом виброистирателе. Для этого использовался торф, предварительно высушенный до влажности 15-20% с учетом его естественной влажности (табл. 4).

Результаты исследований показали, что физико-механические показатели вяжущих композиций, полученных при измельчении торфа и химической добавки – БСН в водной среде, на 40-50% выше по сравнению с вяжущими композициями, полученными при сухом помоле.

Таблица 4

Влияние способа активации на свойства торфяного вяжущего

Способ активации вяжущего	Средняя плотность вяжущего, кг/м3	Прочность, МПа, после сушки
		при изгибе	при сжатии
Сухой помол торфа и БСН	360	0,19	0,76
Мокрый помол торфа (W=60%) и БСН	330	0,22	1,1
Мокрый помол торфа (W=80%) и БСН	335	0,23	1,2

Согласно Н.О. Копанице [3] механизм твердения торфяного вяжущего, измельченного в водной среде, протекает следующим образом: механическая активация торфа в водной среде приводит к деструкции его органической части. В результате образуются соединения с меньшей молекулярной массой, развиваются реакции гидролиза, деструкции и деполимеризации органических макромолекул, появляются свободные радикалы. Тонкодисперсные частицы возникают также при диспергировании минеральных частиц: протекают реакции гидролиза и ионного обмена.

Интенсификация растворимости силикат-глыбы в результате механоактивации в присутствии воды ускоряет процессы химического взаимодействия силикат-глыбы и силикатов и алюмосиликатов кальция минеральной части торфа, а значит, гидратацию, твердение и струк- турообразование вяжущих и, в итоге, торфодревесных композиций. Максимальная интенсификация массообмена, растворение исходных компонентов – торфа и силикат-глыбы достигается в развитом турбулентном потоке при воздействии мелкомасштабной пульсации среды – воды и обработке материала в микрообъемах [4].

На основе разработанных торфосиликатных вяжущих веществ проведены исследования по разработке составов теплоизоляционного торфодревесного материала. Основные физикомеханические свойства полученных торфодревесных материалов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Основные физико-механические свойства торфодревесных материалов

№ состава	Содержание компонентов, масс. %			Физико-механические свойства торфодревесных материалов
	заполнитель (древесные отходы)	торф	безводный силикат натрия
				плотность, кг/м3	водопо-глощение по массе, Wm, %	прочность при сжатии, R сж , МПа	коэффициент теплопроводности ƛ, Вт/м°С
1.   Кон трольный	50	50	-	330	35	0,6	0,070
2	50	35	15	325	28	0,70	0,068
3	50	30	20	320	23	0,80	0,065
4	50	25	25	330	24	0,75	0,066

Предварительно проведены исследования по выявлению оптимального соотношения заполнителя и торфосиликатного вяжущего. С увеличением содержания БСН до 20% прочность при сжатии торфодревесного материала увеличивается в 1,16–1,33 раза при снижении показателей водопоглощения и коэффициента теплопроводности. При дальнейшем увеличении си-ликат-глыбы происходит снижение прочности приблизительно на 6%, что, возможно, связано с содержанием и увеличением количества несвязанной щелочи. Наилучшее уплотнение торфодревесной массы достигается при соотношении вяжущего и заполнителя 50:50. Кроме того, в условиях тепловой обработки (сушка при t=80-90°С в течение 18 ч) повышенная температура и щелочная среда способствуют растворению с поверхности частиц торфа и силикат-глыбы аморфного кремнезема, находящегося в тонкодисперсном состоянии. В результате чего образуются раствор ортокремниевой кислоты и частично жидкое стекло. Наличие в составе торфа оксида алюминия приводит к локальному изменению рН на границе «раствор – зерно», вследствие чего жидкое стекло гидролизуется и на поверхности частиц стекла образуется гель кремниевой кислоты. В момент образования дисперсной фазы происходит реакция поликонденсации с образованием геля кремниевой кислоты, который склеивает в монолит отдельные нерас-творившиеся частицы стекла и тонкодисперсные частицы торфа [4].

Прочность и другие строительно-технические свойства твердеющих композиций в значительной степени зависят от первоначального состояния системы, способа механической активации, содержания щелочного агента, от типа образующихся гидратов. С ростом температуры формируются малорастворимые новообразования, химический и фазовый состав которых предопределяют их высокую химическую стойкость в кислотных и солевых средах, которые характеризуются высокой прочностью и долговременной стойкостью в воде, неорганических кислотах и солях.

Установлено, что в диспергированном в водной среде торфе предполагается формирование условий для образования органоминерального вяжущего, в котором органическая часть, имеющая преимущественно волокнистую структуру, будет выполнять клеящую и армирующую функции, а минеральная часть, гидратируясь, будет усиливать вяжущие свойства [3].

Технология получения теплоизоляционного материала на основе торфа, измельченного в условиях гидромеханоакивации с БСН, предусматривает тепловую обработку для понижения влажности формовочных смесей с 80-95% до 5-10 %. Были проведены дополнительные исследования с целью выявления оптимальных условий для сушки изделий. Рассмотрены три вида сушки материала: естественная сушка, сушка в сушильной камере при температуре t = 85°C, сушка с применением волн сверхвысокой частоты. В результате исследований выявлено, что материал достигает конечной влажности W = 5% в естественных условиях через 6-7 сут, в сушильной камере – через 18 ч, при сушке с применением волн сверхвысокой частоты – 3545 мин, при котором получен теплоизоляционный материал с нормируемыми показателями.

В результате быстрого повышения температуры торфодревесного композита, что характерно для СВЧ-нагрева, повышается давление водяных паров, т.е. появляется избыточное давление пара внутри материала по отношению к давлению среды. Этот градиент избыточного давления резко интенсифицирует процесс сушки, так как в этом случае перенос пара происходит как путем молекулярной диффузии, так и путем фильтрации через поры и капилляры торфодревесного материала. Этот вид переноса при СВЧ-сушке подавляет остальные виды переноса.

Выводы

Анализ результатов по получению теплоизоляционного торфодревесного материала показал, что механическое диспергирование низинного торфа в водной среде до размеров частиц 2-5 мкм приводит к активации его минеральной части. Это объясняется тем, что в процессе гидратации высвобождаются минеральные соединения, участвующие в комплексообразовании и обладающие вяжущими свойствами, что приводит к увеличению прочности сцепления торфа с древесным заполнителем. Использование в торфодревесной смеси модифицирующей добавки - натриевой силикат-глыбы - позволяет получить теплоизоляционный торфодревесный материал. Наиболее эффективным конструктивным решением использования полученного торфодревесного строительного материала является фасадная теплоизоляция с защитнодекоративной системой совмещенного типа. Разработанный теплоизоляционный материал на основе низинных торфов Республики Бурятия и отходов лесопиления является конкурентоспособным и может занять достойную нишу на строительном рынке Республики Бурятия и Дальнего Востока.