А.Ф. КОСАЧ, доктор техн. наук, профессор, Б.Э. БАГДАСАРЯН, аспирант, К.А. МЕМЯЧКИН, аспирант, Югорский государственный университет
Ключевые слова: теплопроводность, наноматериалы, прочностные характеристики, механоактивация, структурообразование, наномодификаторы
Keywords: thermal conductivity, nanomaterials, strength characteristics, mechanical activation, structure formation, nanomodifiers
В статье представлена оценка растительно-минеральных композитов на основе модифицируемого высокодисперсного торфа в бетонах. Исследован цементный камень из цементно-песчано-торфяной смеси. Представлена технология производства бетона путем измельчения частиц дисперсной фазы на стадии перемешивания с использованием песчано-торфяной смеси в пропорции 60:40.
В последнее время ученые все чаще обращают внимание на использование органики как достаточно дешевого сырья для производства различных строительных материалов. Оптимальным сырьевым ресурсом для производства композитов с использованием растительных заполнителей в Ханты-Мансийском автономном округе является торф. Эффективность применения материалов на основе растительно-минеральной композиции и практически неограниченная сырьевая база (свыше 312 млрд м3) дают право рассматривать развитие их производства как одно из важнейших направлений в освоении новых прогрессивных строительных материалов в ХМАО.
Чтобы теоретически верно обосновать возможности применения торфа в производстве строительных материалов, необходимо иметь полное представление о составе и свойствах каждого компонента торфяного сырья и определить целесообразность выделения тех или иных компонентов в зависимости от требуемых характеристик получаемого материала. В торфе содержатся частицы различных форм и размеров, поэтому он является полидисперсной системой. С физико-химической точки зрения торф можно отнести к классу сложных многокомпонентных полидисперсных полуколлоидных высокомолекулярных систем [2].
При производстве строительных материалов торф может выступать в качестве основного и вспомогательного сырья. При химической переработке органического вещества, содержащегося в торфе, можно получить соединения, которые улучшают гидрофобные свойства цемента и материалов на его основе. Использование торфа как торфяного заполнителя (торфяной лигнин) в бетоне способствует улучшению его теплофизических свойств. Основные свойства торфа: низкая теплопроводность, антисептичность, биостойкость, низкая плотность. В торфе выделяют шесть основных групп соединений. Определение группового состава проводилось по общепринятой методике Инсторфа. Данные приведены в табл. 1.
Таблица 1. Средний диапазон содержания групповых составляющих торфа
| Тип торфа | Б, % на daf | ГК, % на daf | НГО, % на daf | ВРВ+ЛГВ, % на daf | ФК, % на daf | Ц, % на daf |
| Верховой | 3,7-8,2 | 9,0-28,9 | 8,0-12,4 | 30,3-53,6 | 14,7-19,7 | 2,8-9,0 |
| Переходной | 3,4-5,0 | 25,2-34,1 | 10,0-12,9 | 33,2-38,2 | 11,1-18,6 | 2,0-3,5 |
| Низинный | 2,2-4,2 | 30,0-43,9 | 11,9-18,2 | 26,0-33,5 | 10,6-13,0 | 1,7-2,3 |
Примечание: Групповые составляющие торфа: битумы, гуминовые кислоты, не гидролизуемые остатки, водоростворимые, а также легко гидролизуемые вещества, фульвокислота, целлюлоза
Различия в содержании этих групп в торфе связано с их разновидностью и со степенью разложения. Следует отметить, что не все содержащие группы торфа положительно влияют на свойства строительных материалов, получаемых на его основе. Например, лигнин и углеводы оказывают негативное воздействие на прочность и долговечность цементного камня [2].
Таким образом, в ХМАО имеются благоприятные условия для разработки технологий производства из торфа и минерального сырья новых типов строительных материалов для различных видов строительства с заданными свойствами, необходимыми для эксплуатации в суровых климатических условиях [1].
В области наноразмерного масштаба частиц имеют место качественные эффекты, определяемые зависимостью химических и физических их свойств от соотношения числа атомов в приповерхностных и внутренних объемах частиц. Такие частицы и их ансамбли приобретают иную физико-химическую и механохимическую активность, в силу чего могут принципиальным образом изменять процессы синтеза, структурообразования, менять термодинамическую и энергетическую обстановку в дисперсной системе, какой является бетонная смесь.
Эффект от введения наноразмерных частиц принципиально выражается в том, что в системе появляется не только дополнительная граница раздела фаз, но и носитель квантово-механических проявлений.
Из-за своей высокоразвитой поверхности наночастицы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, то есть способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает процессы адсорбции [3].
Совокупность изложенных факторов свидетельствует о том, что наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии. По этой причине их можно относить к новым видам материалов и продукции на их основе [4].
Отличительной особенностью технологии строительных материалов на основе наноразмерных систем является постоянное присутствие твердой фазы в системе независимо от присутствия жидкой и газообразной фаз. Твердая фаза является носителем основного свойства строительных материалов – прочности, она участвует в формировании всех трех вышеназванных структур. Частицы твердой фазы являются элементарными «кирпичиками» формирования различных структур, прочность которых предопределяется прежде всего дисперсностью и гранулометрическим составом частиц. Чем меньше размер частиц, тем меньше внутренних дефектов они содержат. Присутствие таких частиц в исходных дисперсных системах является обязательным. Необходимо различать две составные части: структурный каркас, образованный грубодисперсными частицами, и межзерновую пустотность, состоящую из тонкодисперсных частиц и продуктов гидратации, расположенных в межзерновом пространстве грубодисперсного каркаса. Следует особо подчеркнуть, что решающую роль имеет регулирование свойств структуры на ранних стадиях ее зарождения, а именно в коагуляционный период [7].
Нанотехнология создает наносистемы как «сверху вниз», так и «снизу вверх». Уже сейчас известны явления самоорганизации наноструктурированных объектов, в которых участвуют процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создать уникальные объекты без внешнего влияния. Таким образом, образование подобных структурированных объектов не случайно (рис. 1) [2].
Нанотехнологические подходы при создании материалов в настоящее время используются достаточно широко. Всех их условно разделяют на два типа нанотехнологий: «сверху вниз» и «снизу вверх». Тип «сверху вниз» – это технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с помощью измельчения более крупных частиц, порошков или зерен твердого тела.
Тип «снизу вверх» – это технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т.е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц наноразмера, образуя при этом продукты гидратации.
Эти гидраты представлены в виде мельчайших частиц – субмикрокристаллов с размерами меньше 0,1 мкм. Они создают в прослойках между гидратированными зернами цемента коллоидную систему – тоберморитовый гель. Между частицами возникают коагуляционные контакты, что и приводит к образованию коагуляционной структуры. Особенностью этих контактов является обязательное наличие между частицами тонкой устойчивой прослойки воды (дисперсионной среды) [4, 5].
В результате физических контактов коагуляционной структуры цементного геля происходит облегченность миграции атомов, наблюдаются более выраженные силы притяжения между атомами, что приводит к склонности самоорганизации кластерных структур (рис. 2) [6].
Основная часть
В промышленности разрабатываются и производятся различные типы помольных установок, принцип работы которых заключается в получении высокодисперсных материалов, а в жидких системах, проходящих через рабочие органы установки, эффектов гидродинамической и акустической кавитации.
Для получения высокодисперсных частиц на основе песчано-торфяных смесей использовали мельницу непрерывного действия роторного типа «Вьюга-3», которая по степени дисперсности при сухом помоле позволяет получать ультрадисперсные материалы 102-103 нм (рис. 3).
В лаборатории ООО «Институт новых технологий и автоматизации промышленности строительных материалов» («ИНТА-Строй»), г. Омск, были изготовлены и испытаны образцы из активированной песчано-торфяной смеси по сухому способу, согласно структурной схеме (рис. 4).
Для увеличения производительности и дисперсности помола торфа в качестве абразивного материала принимали песок. Соотношение торфа к песку 100:0, 80:20, 60:40, 40:60. Абразивный материал был выбран с учетом физических и химических характеристик, которые позволяют увеличить физико-механические свойства бетона от 10% до 30%. На основании полученных результатов по тонкости помола, определяемой с помощью лазерного анализатора частиц MicroSizer 201, принимаем соотношение 60:40 (рис. 5).
В ходе эксперимента применялись следующие материалы:
1. Вяжущее вещество – портландцемент ПЦ400 Д20 производства Искитимского цементного завода (г. Новосибирск).
2. Пылинское месторождение ХМАО. Общая площадь 120337 га, общие запасы 445467 тыс. м3 со следующими характеристиками: Мк=2,0-2,4; истинная плотность – 2615 кг/м; средняя плотность – 2363 кг/м3; насыпная плотность – 1530 кг/м3; содержание кремнезема 96-98%.
3. Вода водопроводная.
Испытания образцов производили в лаборатории ООО «ИНТА-Строй». Образцы-балочки размером 4×4×16 см в количестве 6 штук были испытаны в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-2012. Прочность образцов на изгиб Rизг определялась на установке МИИ-100, а прочность на сжатие Rсж – на испытательном прессе Matest C040N. При обработке результатов наименьшее и наибольшее значения не учитывались. Значения считались недействительными, если разброс между ними был более 15%. За результат принималось среднее из четырех испытаний.
Результаты испытаний на прочностные характеристики (Rсж,Rиз) образцов-балочек 4×4×16 см и теплопроводность пластин размером 100×100×15 мм при нормальной консистенции раствора в зависимости от содержания активированной песчано-торфяной смеси от общей массы цемента представлены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты испытания цементно-песчано-торфяных образцов
| Показатели | № образца | Содержание цемента к активированной песчано-торфяной смеси | |||||||
| 100:0 | 80:20 | 60:40 | 40:60 | ||||||
| Rизг | Rсж | Rизг | Rсж | Rизг | Rсж | Rизг | Rсж | ||
| Прочность, МПа | 1 | 14,1 | 40,7 | 17,2 | 43,9 | 14,3 | 41,2 | 13,7 | 39,3 |
| 41,0 | 43,7 | 40,4 | 39,1 | ||||||
| 2 | 14,3 | 41,9 | 17,5 | 44,0 | 14,0 | 40,1 | 13,5 | 38,9 | |
| 41,5 | 44,1 | 39,7 | 38,0 | ||||||
| 3 | 14,5 | 41,2 | 17,1 | 44,3 | 14,3 | 39,9 | 13,0 | 38,5 | |
| 41,8 | 44,5 | 40,3 | 38,1 | ||||||
| Rср | 14,3 | 41,4 | 17,3 | 44,1 | 14,2 | 40,3 | 13,4 | 38,7 | |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅к) | 1 | 0,388 | 0,331 | 0,319 | 0,298 | ||||
| 2 | 0,375 | 0,329 | 0,320 | 0,289 | |||||
| 3 | 0,379 | 0,331 | 0,317 | 0,302 | |||||
| Средний коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅к) | λср | 0,380 | 0,331 | 0,318 | 0,298 | ||||
| Средняя плотность, кг/м3 | ρср | 2401 | 2387 | 2363 | 2355 | ||||
Теплопроводность образцов определяли методом стационарного теплового потока прибором ИТП-МГ4 в соответствии с ГОСТ 7076-99.
Образцы (для определения теплопроводности прибором ИТП-МГ4) изготавливались из пескобетона, состава: вяжущего 500 грамм (цемент, активированная песчано-торфяная смесь в соотношении согласно табл. 2) и песка 1500 грамм. Образцы размером 100×100×15 мм – с различным содержанием песчано-торфяной смеси в вяжущем.
Выводы:
Появление инновационного строительного материала из доступного местного сырья для жилищного и промышленного строительства может способствовать привлечению значительных инвестиций в регион ХМАО, что положительно скажется не только на экономической, но и социальной обстановке в округе.
Применение цементно-песчано-торфяных высокодисперсных активированных смесей, согласно полученным результатам, позволяет экономить цемент до 30% без ухудшения прочностных характеристик пескобетона, а также увеличивать теплофизические характеристики бетона на 20% в зависимости от объема активированной песчано-торфяной смеси.
На основании полученных результатов по активации песчано-торфяной смеси возможно ее использование в качестве высокодисперсного торфо-минерального сырья;
Принимаем соотношение песчано-торфяной смеси 60:40 (рис. 4), так как содержание размеров частиц менее 400 нм больше, чем в других песчано-торфяных смесях в три и более раз.
Высокодисперсное торфо-минеральное сырье в соотношении 60:40 применяем в количестве 40% от общей массы цемента, при этом прочность образцов по сравнению с прочностью контрольных образцов уменьшилась на 1%, что является незначительным. В связи с этим принимаем состав цементно-песчано-торфяных образцов с 40% содержанием активированной песчано-торфяной смеси от массы цемента. При этом коэффициент теплопроводности снизился на 16%.
Библиографический список
1. Толстограй В.И. Проблемы торфяных ресурсов ХМАО // Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов: Теория, методы, практика / Отв. ред. Ф.Н. Рянский, С.Н. Соколов – Нижневартовск, 2003, с. 31-40.
2. Косач А.Ф., Ращупкина М.А., Кузнецова И.Н. Влияние наноразмерного модификатора на основе зол гидроудаления Омской ТЭЦ на свойства цементного камня // Вестник СибАДИ. №4 (50), 2016.
3. Гусев Б.В., Кондращенко В.И., Маслов Б.П., Файвусович А.С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства. – М.: Научный мир, 2006, – 560 с.
4. Сидоров В.И., Агасян Э.П., Никифорова Т.П. и др. Химия в строительстве / Учебник для вузов: – М.: АСВ, 2007, – 312 с.
5. Лесовик В.С., Строкова В.В. О развитии научного направления «Наносистемы в строительном материаловедении» // Строительные материалы. Сер. «Наука», №8, 2006, с. 18-20.
6. Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматериалы, классификация, особенности свойств, применение и технологии получения, 2007.
7. Ахведов И.Н. Основы физики бетона / Учебник для вузов – М.: Стройиздат, 1981, – 464 с., илл.
