«Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Вид материала

Автореферат

Содержание Гуюмджян Перч Погосович Христофоров Александр Иванович Общая характеристика работы Цель работы. Научная новизна Практическая ценность Реализация результатов На защиту выносятся Апробация работы Структура и объем работы Основное содержание работы. Первая глава Во второй главе Третья глава Основные положения диссертации опубликованы

Подобный материал:

• «нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», 337.87kb.
• «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», 1117.58kb.
• Перспективное планирование мероприятий на основе данных анализа дтп, по обеспечению, 34.73kb.
• Европейские влияния в архитектурно-градостроительном развитии шанхая (1840-е 1940-е, 773.03kb.
• Концепция проектно-пластического синтеза в системе архитектурно-дизайнерского образования, 663.31kb.
• Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, 34.36kb.
• Автореферат разослан 2010, 411.34kb.
• «анализ рынка труда», 243.66kb.
• Автореферат разослан 2011, 1165.01kb.
• Автореферат разослан 2008, 287.64kb.

На правах рукописи

__________________


ВИТАЛОВА НИНА МИХАЙЛОВНА


ЭФФЕКТИВНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НА ОСНОВЕ ТОРФА С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ


Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Иваново 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ИГАСУ) на кафедре «Производство строительных материалов и изделий».


Научный руководитель доктор технических наук, профессор Гуюмджян Перч Погосович

ФГБОУ ВПО «Ивановский государст-

венный архитектурно-строительный

университет»


Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Христофоров Александр Иванович

ФГБОУ ВПО «Владимирский государ- ственный университет»

кандидат технических наук, доцент

Цыбакин Сергей Валерьевич

ФГБОУ ВПО «Костромская государст-

венная сельскохозяйственная академия»

Ведущая организация ФГБОУВПО «Ярославский государ-

ственный технический университет»

(ЯрГТУ)


Защита состоится « 17 » февраля 2012 г. в 13.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.060.01 при ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20 (www igasu.ru).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»


Автореферат разослан «___»___________2012 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Н.В. Заянчуковская


Общая характеристика работы


Актуальность темы. Проблема производства строительных материалов с улучшенными физико-механическими и теплофизическими свойствами с использованием в качестве сырьевых компонентов некондиционных веществ и отходов промышленности была и остается объектом исследований видных ученых как нашей страны, так и зарубежных. Большинство материалов, применяемых в качестве теплоизоляции, производятся на основе полимеров. Полимерные теплоизоляционные материалы обладают рядом недостатков: невысокая долговечность при эксплуатации, невысокая адгезионная способность, они выделяют токсичные вещества при разложении и горении, а также имеют невысокую прочность при изгибе и при сжатии.

При создании строительных материалов многофункционального назначения мало внимания уделяется их экологической безопасности. Однако, этот показатель является одним из важнейших при возведении зданий жилищного назначения. Учет экологической безопасности строительных материалов на стадиях их производства и эксплуатации, должен быть определяющим фактором. Наиболее предпочтительным сырьевым компонентом для производства экологически безопасных строительных материалов с высокими теплофизическими характеристиками является торф. Строительные материалы из торфа обладают рядом положительных свойств и могут с успехом применяться в строительстве. Непереработанный торф, торфяная крошка, а также торфяные гранулы используются в качестве заполнителя для получения легких бетонов. При изготовлении стенового материала для малоэтажного строительства – саманный камень, кирпич, теплоизоляционные перегородки – в качестве заполнителя также используется торф. Торф применяется для изготовления вяжущих веществ в качестве активного наполнителя. Сотрудниками Томского государственного архитектурно-строительного университета разработан торфодревесный теплоизоляционный строительный материал на основе активированного низинного торфа с пенообразующими и армирующими добавками. Но наиболее распространенным способом применения торфа в нашей стране является изготовление торфяных теплоизоляционных изделий в виде плит, скорлуп и сегментов, используемых для теплоизоляции поверхностей промышленного оборудования и трубопроводов при температуре от -60 до +100 ^о С, а также в строительных конструкциях зданий-холодильников. Теплоизоляционные материалы на основе торфа применялись и применяются при строительстве жилых, общественных и промышленных зданий в городской и сельской местностях. Это плиты торфяные теплоизоляционные по ГОСТ 4861-74 (отменен), а также очень популярные в нашей стране торфодревесные блоки «Геокар». Анализ свойств торфа и строительных изделий на его основе показал перспективность применения этого природного материала в качестве сырья для производства. Расширение области применения торфа в качестве основного компонента при производстве строительно-теплоизоляционных материалов многофункционального назначения определило актуальность дальнейших исследований в данной области.

Потребности массового жилищного строительства в эффективных утеплителях необходимо удовлетворять продукцией отечественных производителей. Госстроем России в рамках Федеральной целевой программы «Жилище» 2002-2012 определена следующая потребность в эффективных теплоизоляционных материалах для строительства: при объемах нового строительства 80 млн. м² жилой площади в год и реконструкции 20 млн. м² понадобится около 18 млн. м³ теплоизоляционных материалов.

Тематика исследования данной работы соответствует перечню приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации от 20.05.2011 г. раздел «Рациональное природоиспользование». Реализация этого направления позволит повысить уровень и качество жизни населения за счет увеличения уровня экологической безопасности, восстановления и рационального использования ресурсов.

Цель работы. Разработка эффективных строительных материалов на основе торфа с улучшенными теплотехническими характеристиками, позволяющими применять их при возведении зданий жилого назначения.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- создание композиционного материала на основе торфа с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками путем введения вяжущих веществ и заполнителей, обеспечивающих получение легких теплоизоляционных изделий плотностью не выше 500 кг/м³ и прочностью при сжатии не менее 5 МПа, а также конструкционно-теплоизоляционных изделий плотностью не выше 900 кг/м³ и прочностью при сжатии не менее 10 МПа с коэффициентом теплопроводности не более 0,08 Вт / м · К и классом горючести не ниже Г2;

- исследование свойств строительных теплоизоляционных материалов на основе торфа, подбор состава и технологических параметров получения мелких и штучных изделий, с применением природных вяжущих веществ и заполнителей;

- изучение физико-механических характеристик полученных строительных материалов и изделий: средняя плотность, прочность при сжатии и при изгибе, теплопроводность, морозостойкость и водопоглощение;

- исследование влияния добавок, повышающих физико-технические свойства изделий из торфа. Повышение температуры воспламенения путем введения шунгита в состав композита;

- разработка технологической схемы и технических условий производства теплоизоляционных строительных материалов и изделий из торфа для возведения зданий жилого назначения;

- расчет экономической эффективности при выпуске продукции;

- внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство и выпуск опытной партии строительных материалов из торфа.

Научная новизна

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания строительных материалов и изделий из торфа;

- исследовано влияние технических параметров компонентов и технологии изготовления на физико-механические свойства готовых изделий на основе торфа с целью их прогнозирования;

- научно обоснована целесообразность использования вяжущих – гипса и цемента и заполнителя - шунгита для получения композиционных материалов на основе торфа с высокими строительно-эксплуатационными свойствами – прочностью, морозостойкостью, водопоглощением, огнестойкостью;

- исследована структура разработанных композиционных материалов на основе торфа с целью прогнозирования физико-технических показателей (прочность, морозостойкость, водопоглощение).

Практическая ценность

- разработан высокоэффективный экологически безопасный и трудносгораемый теплоизоляционный строительный материал на основе торфа, обладающий плотностью не более 500 кг/м³, прочностью при сжатии не менее 5 МПа, который может быть использован в качестве утеплителя при возведении зданий жилого и сельскохозяйственного назначений, а также конструкционно-теплоизоляционный материал плотностью не выше 900 кг/м³, прочностью при сжатии не менее 10 МПа, коэффициентом теплопроводности до 0,08 Вт / м ∙ К, классом горючести Г 2, маркой по морозостойкости F15 и низким водопоглощением (коэффициент размягчения 0,5), который может быть использован в качестве стенового ограждения малоэтажных зданий;

- предложены составы композиций для производства строительных изделий конструкционно-теплоизоляционного назначения из торфа с использованием в качестве вяжущих веществ гипса и цемента, а в качестве заполнителя – шунгита, который позволяет повысить огнестойкость материалов;

- разработана технология производства торфяных штучных теплоизоляционных материалов с подбором необходимого оборудования для их выпуска, которая внедрена на существующей производственной базе ОАО «Южа – Торф» и позволяет получать материал с заранее заданными свойствами.

Реализация результатов

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также техническое задание и технологическая схема с подбором необходимого оборудования внедрены в производство на ОАО «Южа - Торф» а также в ОАО институт «Ивановопроект» и ЗАО «Ивановский Проектный институт по градостроительству, промышленности и изысканиям №6», диссертант награждена дипломом IV Ивановского инновационного салона «Инновации – 2007».

На защиту выносятся

- результаты теоретических и экспериментальных исследований структурной модификации строительных материалов многофункционального назначения на основе торфа с использованием вяжущих веществ и заполнителей;

- результаты исследования влияния состава торф - минеральное связующее - активный заполнитель на свойства строительных изделий конструкционно-теплоизоляционного назначения;

- технологическая схема производства строительных материалов и изделий из торфа с подбором необходимого оборудования методом полусухого прессования без последующей термической обработки;

- новый состав строительных материалов повышенной огнестойкости на основе торфа плотностью не более 900 кг/м³ и прочностью при сжатии до 10 МПа.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: XI Международная научно –техническая конференция «Информационная среда вуза», г. Иваново 2005 г., XV Международная научно – техническая конференция «Информационная среда вуза», г. Иваново 2008 г., XVII Международная научно – техническая конференция «Информационная среда вуза», г. Иваново 2010 г., XVIII Международная научно – техническая конференция «Информационная среда вуза», г. Иваново 2011 г., V научая конференция аспирантов и соискателей ИГАСУ, г. Иваново, 2007.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных трудов, включая материалы вузовских, международно-технических конференций, а также 3 статьи в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и приложения. Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 29 таблиц и библиографический список из 157 наименований.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость выбранного направления.

Первая глава посвящена обзору современного состояния применения торфа в качестве сырья для производства строительных материалов. Дана отраслевая классификация торфа с учетом его минералогического состава. Отмечено, что существенное внимание при производстве строительных материалов необходимо уделять изделиям, имеющим высокие теплофизические свойства и малую плотность.

Повышенные требования, предъявляемые к теплоизоляционным и эксплуатационным свойствам строительных изделий стали основой для разработки целого ряда новых композиционных материалов как на минеральных, так и на органических вяжущих веществ. Над их созданием работали и продолжают работать такие видные научные деятели, как Ю.М. Баженов, К.Д. Некрасов, А.А. Христофоров, Б.А. Крылов, Е.М. Чернышов и ряд других исследователей.

В последние годы появились исследования, посвященные разработке составов и технологий получения легковесных теплоизоляционных материалов из некондиционных сырьевых компонентов, в том числе и на основе торфа. Из торфа изготавливают теплоизоляционные плиты, входящие в ограждающие конструкции изотермических вагонов, трубопроводов, междуэтажных и чердачных перекрытий. Торфяные плиты по своим теплоизоляционным и звукоизоляционным свойствам превосходят многие материалы аналогичного назначения. Низкая водопроницаемость торфяных строительных материалов объясняется их водоотталкивающей способностью. Торф имеет структуру, при которой находящаяся в его порах вода им же вытесняется наружу. Однако, несмотря на ряд положительных качеств торфа, присущая ему горючесть ограничивает применение этого материала для изготовления строительных конструкций.

На основании обзора литературных источников была сформулирована рабочая гипотеза, которая заключается в следующем: необходимо разработать строительные конструкционно-теплоизоляционные материалы и изделия с высокими эксплуатационными свойствами, огнестойкостью, а также разработать технологическую схему производства с подбором необходимого оборудования для ее осуществления.

Во второй главе приведены краткие характеристики используемых материалов, приборов, методов экспериментальных исследований. Для получения строительных теплоизоляционных материалов из торфа в качестве вяжущих были использованы гипс Г6 – Г7 – полуводный сульфат кальция (Ca SO₄ ∙ 0,5H₂O) Пешеланского гипсового завода Нижегородской области ГОСТ 125-79, цемент производства ОАО «Мордовцемент» ГОСТ 31108-2003, тип ЦЕМ-1, класс прочности 42,5Б, цемент быстротвердеющий без минеральных добавок, содержание двухкальциевого силиката (3СаО ∙ SiО₂ + 2СаО ∙ SiО₂) в клинкере не менее 67%. Определение предела прочности образцов при сжатии проводилось на образцах размерами 40 × 40 × 40 мм в соответствии с ГОСТ 30144-2001, сроков схватывания – в соответствии с ГОСТ 30744-2001.

В качестве мелкозернистого заполнителя использовался молотый шунгит ГОСТ 9757-90, предварительно измельченный в мельнице ударного принципа действия. Тонкость помола определялась с применением контрольного сита № 009 по ГОСТ 6613.

Теплофизические свойства торфогипсовых и торфоцементных образцов определялись на измерителе теплопроводности марки ИТП-МГ4-100 по стандартной методике.

Образцы изготавливались из торфа месторождения Ивановской области предприятия «Южа-Торф» низинного типа со степенью разложения 44,5% и естественной влажностью 55%.

Третья глава посвящена разработке композиционного материала из торфа с использованием при этом гипсового вяжущего. Необходимым условием при подборе состава было получение композиционного материала заданной плотности и прочности. С учетом этого основополагающим фактором при выборе оптимальных технологических параметров получения композита было обеспечение относительно высоких механических характеристик и минимальной средней плотности изделий.

Прочность композиционного материала определяется по формуле Келли-Орована


(3.1)

где G – удельная свободная поверхностная энергия, Н/м² на 1 м² ; Е – модуль упругости, Н/м²; k – коэффициент, учитывающий переход от хрупкого к вязкому разрушению; l₀ – межатомное расстояние, м; (δ/δ*)ⁿ - отношение толщин плёнок среды и вяжущего вещества; n – показатель степени, зависящий от плотности упаковки микрочастиц вяжущего вещества; r/r_о – отношение межмолекулярных расстояний в микроструктуре вяжущего вещества соответственно в моменты разрушения и отталкивания; ρ – показатель пористости структуры, %; ℓ_к – суммарная величина дефектов, способствующих концентрации напряжений, определяемая из теории Гриффитса.

Исследование влияния способа перемешивания компонентов на физико-механические характеристики торфогипсового композита проводилось с целью выяснения способности составляющих композиционного материала взаимодействовать между собой. Исследовались следующие варианты процесса перемешивания компонентов торфогипсовой смеси (табл.1).


Таблица 1

Способ перемешивания	Средняя плотность, кг/м3	Влажность готовых изделий после сушки, %	Прочность, МПа
			при изгибе	при сжатии
(Торф + вода) + гипс (Гипс + вода) + торф (Торф + гипс) + вода (Торф + вода) + (гипс + вода)	580 610 590 620	13 13 17,5 16,5	0,62 0,52 0,78 0,75	0,90 0,88 0,98 1,32

Изготавливались образцы составом торф:гипс 1:1,5, естественная влажность торфа 55%, водогипсовое отношение В/Г 0,5. Время перемешивания определялось экспериментально – до получения однородной смеси. Перемешивание производилось в лопастных мешалках принудительного действия. Для каждого варианта перемешивания изготавливались по 12 образцов-кубов с размерами 40×40×40 мм и балочек с размерами 40×40×160 мм. Образцы получали методом прессования с усилием 0,8 МПа. Испытания проводились после сушки при температуре 50…75^о С, относительной влажности 50…60% в течение 1 часа.

Увеличение или уменьшение оптимального времени и интенсивности перемешивания приводит к ухудшению качества композиционной смеси, что в итоге влияет на физико-механические свойства торфогипсового камня. Кроме этого, на прочностные свойства торфогипсового камня оказывает влияние метод формования. Так как в большинстве случаев для получения штучных изделий применяется метод виброформования, нами также использован данный метод получения торфогипсовых изделий.

Рис.1. Пресс-форма для изготовления образцов:1- матрица; 2- пуансон; 3- поддон; 4- пресс-масса

Экспериментально установлено, что существует связь между количеством воды затворения и прочностью торфяного камня. Увеличение содержания торфа приводит к снижению плотности и прочности торфогипсового камня как при изгибе, так и при сжатии (табл. 2). Одновременно повышается влажность образцов.

Таблица 2

Физико-механические свойства торфогипсового композита

Содержание торфа и гипса, % по массе торф/гипс	Средняя плотность, кг/м3	Влажность после распалубки, %	Предел прочности, МПа
			при изгибе	при сжатии
10/90 20/80 30/70 40/60 50/50 60/40 70/30 80/20 90/10	1180 1090 906 838 670 593 521 450 368	27,0 32,0 37,5 41,2 46,2 41,4 44,9 53,9 57,0	4,1 3,2 2,06 1,92 1,10 0,36 0,28 0,20 0,13	5,8 4,6 3,2 2,91 1,41 0,70 0,54 0,30 0,32

Основными требованиями, предъявляемыми к составу торфогипсового вяжущего, являлись: минимальная плотность при максимальных теплоизоляционных показателях, прочность при сжатии для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик. Экспериментальные исследования показали, что при плотности гипсового камня 500…800 кг/м³ изменения его прочности не наблюдается. Структурообразование торфогипса сопряжено с двумя противоположно направленными процессами. С одной стороны протекают конструкционные процессы, связанные с твердением гипсового камня, а с другой наблюдаются деструкционные явления, характеризуемые свойствами торфа. Таким образом, механические свойства торфогипсового композита зависят не только от особенностей гипсового вяжущего, но и от его количества.

Существенное влияние на физико-механические свойства торфогипсового композита оказывает гранулометрический состав торфа. Как чрезмерно мелкие, так и крупные частицы торфа снижают механические свойства композита. Так, например, крупные частицы торфа способствуют образованию пористой матрицы, снижая механическую прочность торфогипсового камня.

Экспериментально показано, что для достижения требуемых физико-механических свойств торфогипсового камня частицы торфа должны иметь размеры не более 5 мм. При размерах, больших указанных, происходит перераспределение внутренних усилий в композите, которое в значительной мере зависит от соотношения жесткостей или модулей деформаций его компонентов.

Частицы торфа менее жесткие, чем обволакивающая их гипсовая матрица, поэтому прочность торфогипсового композита не достигает прочности самого вяжущего. В этой связи необходимо, чтобы торф имел определенный гранулометрический состав и влажность. Эти два показателя оказывают существенное влияние на прочность полученного торфогипсового камня.Показателей торфогипсовых изделий представленны в табл. 3.


Таблица 3

Показатели торфогипсовых изделий

Показатели	Единицы измерения	Назначение изделия
		теплоизоляционное	конструкционно-теплоизоляционное
Средняя плотность Предел прочности при изгибе при сжатии Коэффициент теплопроводности Отпускная влажность Пористость	кг/м3 МПа Вт/м ∙ К % %	350…550 0,16…0,56 0,40…1,25 0,10…0,14 15 60…75	600…800 0,60…2,85 1,30…3,72 0,2…0,4 17 35…55

Состав композитов приведен в табл. 2, метод уплотнения – виброформование с пригрузом.

На прочность торфогипсового композита оказывает влияние последующая сушка. Для получения необходимой прочности торфогипсовые изделия следует сушить при мягком режиме. Тепловая обработка торфогипсового композита в среде насыщенного пара недопустима. Четвертая глава посвящена разработке и исследованию торфоцементных строительных материалов. Разработка состава и проектирование торфоцементного камня заключались в нахождении оптимальной технологии получения композиции, обладающей высокими механическими характеристиками и огнестойкостью. Экспериментальные исследования включали четыре этапа: подбор вида вяжущего; повышение огнестойкости; снижение плотности полученных изделий. Образцы для испытаний на сжатие и изгиб изготавливались методом прессования. Перед прессованием компоненты перемешивались, то есть во влажный торф добавляли вяжущее в необходимых весовых процентах. Отпрессованные изделия выдерживались в естественных условиях в течение 7 и 28 суток, затем определялись следующие показатели: прочность, водопоглощение и морозостойкость.

Для определения прочности при изгибе и при сжатии изготавливались методом прессования стандартные кубы размерами 40 × 40 × 40 мм и балочки размерами 40 × 40 × 160 мм. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2.

Время выдержки – 7 суток Содержание цемента , % по массе

Рис. 2. Влияние вяжущего на прочность торфоцементных образцов: 1 - прочность при изгибе, МПа; 2 - прочность при сжатии, МПа

Торф в составе торфоцемента выполняет две функции: является органическим заполнителем и одновременно обладает вяжущими свойствами. Кроме этого, вследствие однородности своих частиц, торф обладает текучестью, что является важной характеристикой при прессовании. Свойство торфа удерживать воду оказывает влияние на дальнейшее повышение прочности после прессования. При твердении в течение 28 суток, прочность образцов оказалась выше, чем при 7-суточном твердении. Согласно общей теории твердения, в этом процессе присутствуют две стадии. На первой стадии высокодисперсное вяжущее переходит в качественно измененное метастабильное состояние, а на второй - в относительно устойчивое камневидное вещество.

По сравнению с исходным вяжущим в состав затвердевшего камня входит до 60% и более новообразований и небольшая часть цемента не

успевает претерпеть деструкционных изменений. Следует отметить, что эти две стадии твердения не изолированы между собой, а накладываются одна на другую без четких границ раздела.

Водостойкость торфоцементных образцов характеризуется коэффициентом размягчения, который определяется как отношение предела прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии (П_в) к пределу прочности в сухом состоянии (П_сх) (рис. 3).

С ростом количества вяжущего водостойкость торфоцемента возрастает и практически приближается к значению 0,8. При низком содержании вяжущего вода поглощается оболочками клеток торфа, его капиллярами, а также межклеточными пустотами. Количество влаги в торфе зависит от общего объема этих капилляров и от крупности его частиц.

Если сушку торфоцемента проводить в обычных условиях, то наличие влаги, содержащейся в торфе, способствует протеканию гидратационных процессов.

Содержание цемента, % по массе

Рис. 3. Зависимость коэффициента размягчения от содержания цемента

Как и у всех строительных материалов, морозостойкость торфоцемента зависит от водопоглощения. Торфоцементные изделия с большим содержанием вяжущего имеют высокую морозостойкость (рис. 4).

Морозостойкость торфоцементных образцов с содержанием цемента по массе 5% после 20-ти циклов замораживания и оттаивания снижается на 18,5%, а после 30-ти циклов – на 27,1%.

Число циклов

Рис. 4. Зависимость потери прочности торфоцементных образцов от количества циклов замораживания и оттаивания: 1-содержание цемента 5%; 2- содержание цемента 3%; 3 - содержание цемента 1%

Недостатком строительных материалов из торфа является их низкая огнестойкость. Для повышения этого показателя было решено в состав торфа вводить молотый шунгит. Выбор этого заполнителя обосновывался тем, что, во-первых, шунгит незначительно повышает плотность готовых изделий, а во-вторых, обладает вяжущими свойствами низкой активности. Заполнители из шунгита с размерами частиц до 90 мкм и от 90 до 1200 мкм оказывают неодинаковое влияние на прочностные свойства торфошунгитового композита (табл. 4).

Таблица 4

Содержание шунгита, %	Предел прочности, МПа
	шунгит с размерами частиц до 90 мкм		шунгит с размерами частиц от 90 до 1200 мкм
	при сжатии	при изгибе	при сжатии	при изгибе
1 3 5 7	2,39 2,74 2,94 2,32	1,06 0,85 0,81 1,10	2,92 2,50 3,82 4,10	1,10 0,92 1,21 1,38

В связи с низкими физико-механическими показателями образцов на торфошунгитовой основе было решено в состав композита вводить дополнительное вяжущее в виде цемента. При введении цемента прочность образцов после 28 суточного твердения увеличилась до 12 МПа (рис.5). Было установлено, что интенсивный набор прочности образцов из торфо-шунгито-цементной композиции наблюдается в первые 14 суток - до 90%. Найден оптимальный состав торфо-шунгито-цементных образцов – 90% торфа, 5% цемента, 5% шунгита. Получены торфо-шунгито-цементные материалы с теплоизоляционными свойствами, плотность которых находится в интервале 700…750 кг / м ³, а теплопроводность – 0,08…0,1 Вт / м ∙ К.

Время выдержки – 28 суток Содержание цемента , % по массе

Рис. 5. Зависимость прочности торфоцементных образцов от содержания цемента: 1 - прочность при изгибе; 2 - прочность при сжатии

Одной из важнейших характеристик строительных материалов на основе торфа является его горючесть. Исследования горючести строительных материалов основаны на оценке потери ими массы при огневом воздействии. В работе нас интересовала горючесть торфо-шунгито-цементного композита. Опыты проводились в соответствии с ГОСТ 30244-94, определялось влияние времени выдержки образцов на возгораемость. Испытаниям подвергался ряд материалов из торфа: блоки «Геокар», торфоцемент, торфогипс и торфо-шунгито-цемент (рис. 6).

В экспериментальных исследованиях при появлении следов возгорания подъем температуры прекращался. При температуре 100 ^о С плиты «Геокар» начинали тлеть. Наибольшую температуру выдерживали торфо – шунгито – цементные образцы. На рис. 5 температура тления обозначена горизонтальным участком. Температура возгорания торфо – шунгито – цементной композиции сопоставима с температурой возгорания большинства пород древесины (200…250 ^о С). Из представленных результатов следует, что разработанные строительные материалы имеют достаточно высокие физико-механические и теплофизические свойства.

Характерным является и то, что при возгорании торфошунгитовой композиции выделяется углекислый газ (СО₂), продукт разложения шунгита, который препятствует процессу горения.

Время огневого воздействия, мин

Рис. 6. Температура возгорания изделий на основе торфа 1 – блоки «Геокар»; 2 – торфоцемент; 3 – торфогипс; 4 – торфо-шунгито-цемент

В пятой главе на основании экспериментальных исследований разработана технология производства, подобрано необходимое оборудование для него. Результаты внедрены в производство на предприятии «Южа-Торф». Технологическая схема производства торфо-шунгито-цементных плит приводится на рис.7.

1 – склад торфа; 2 – сепаратор; 3 – скребковый транспортер; 4 – бункер торфа; 5 – склад вяжущего; 6 – бункер вяжущего;

7 – дозатор; 8 – смеситель; 9 – формовочная машина; 10 – вагонетка; 11 - сушилка

Рис. 7. Технологическая схема производства торфо-шунгито-цементных плит


Технологическая схема производства включает в себя этап поступления торфа из карьера в складское хозяйство с последующим отделением крупных и посторонних включений. Со склада, разделённый на виброгрохотах, торф поступает на измельчение до достижения необходимого размера частиц (5 мм). Измельчённый торф подвергается классификации. Подрешёточный продукт поступает на дальнейшую обработку, а надрешёточный – на повторное измельчение.

В качестве вяжущего применяется портландцемент, который поступает на предприятие в бумажных мешках. На закрытый склад поступает шунгит и с помощью ковшового элеватора подаётся в приёмный бункер. Из приёмного бункера с помощью питателя шунгит поступает на дробление в волновую дробилку. Измельчённый в волновой дробилке шунгит поступает на вибросито, где происходит его разделение на фракции. Крупные частицы, не проходящие через отверстия вибросита, поступают на повторное измельчение. Дробилки работают в замкнутом цикле.

Далее отдозированные компоненты поступают в смеситель, туда же подаётся также необходимое количество воды. После тщательного перемешивания (9…11 минут) получается однородная масса. Полученная после смешивания формовочная масса имеет консистенцию сухой смеси. В качестве перемешивающего устройства выбран смеситель периодического действия лопастного типа. После смешивания масса ленточным транспортёром подаётся в бункер, установленный над агрегатом для прессования.

Пресс является двухпозиционным. Процесс формования блоков начинается с заполнения одной формы, а вторая форма, заполненная, находится в режиме прессования. Таким образом, в момент заполнения формовочной массой одной формы, происходит прессование в другой.

Пуансон пресса ударно-сжимающего типа после заполнения матрицы формовочной смесью делает 12…15 ударов, затем сжимает её до высоты блока (88 ± 2 мм).

Выгрузка отформованного блока осуществляется толкателем, расположенным в нижней части матрицы пресса. Отформованные блоки устанавливаются толкателем на поддон стеллажа. Стеллажи с готовыми блоками (размер 510 × 250 × 88 мм) поступают на пост выдержки, контроля качества и упаковки, а освободившиеся стеллажи транспортируются к прессу формования блоков. Таким образом, технологический цикл производства повторяется.

Готовые блоки в течение 14 суток приобретают свою отпускную прочность.

Контроль качества блоков производится работниками ОТК, после чего изделия пакуются в пакеты из термоусадочной полиэтиленовой плёнки согласно ГОСТ 25951 - 93.

Стоимость одного торфо-шунгито-цементного блока размерами 510 × 250 × 88 мм составляет 11,38 руб., что в 2…3 раза ниже стоимости силикатного кирпича (6,5 руб. за штуку).

	Рис. 7. Торфо-шунгито-цементные плиты

Основные выводы и результаты работы


1. На основании теоретических и экспериментальных исследований дано научное обоснование применения торфа в качестве экологически безопасного заполнителя для производства строительных теплоизоляционных материалов на основе распространенных вяжущих веществ – гипса, цемента и шунгита. Такое производство обеспечит решение важной научно-технической задачи по рациональному использованию природных сырьевых компонентов.

2. На основании изучения свойств торфа месторождений Ивановской области предложено в качестве связующего для производства строительных материалов применять гипсовое и цементное вяжущие и добавки, повышающие огнестойкость готовых изделий. Применение цементного вяжущего с небольшими добавками шунгита (5…7% по массе) позволяет повысить температуру воспламенения композиционного материала.

3. Установлены рациональные параметры производства торфогипсовых композиционных материалов строительного назначения. Установлено, что наибольшей прочностью обладают изделия из торфогипсового композиционного материала, содержащие в составе смеси 17% воды затворения, получаемые в процессе перемешивания в течение 9…11 минут со скоростью 37,5 об/мин. При производстве торфогипсовой композиции необходимой операцией является сушка готовых изделий, которая является энергетически невыгодной.

4. Разработаны составы изделий из торфогипса и торфо-шунгито-цементной композиции. Показано, что оптимальные показатели по прочности имеют теплоизоляционные материалы при соотношении «торф – гипс» 1 : 1,5 и «торф - шунгит - цемент» 1 : 0,023 : 0,023 - до 5 МПа, а конструкционно-теплоизоляционные материалы при соотношении «торф - шунгит - цемент» 1 : 0,055 : 0,055 - до 10 МПа.

5. Разработана технология производства торфо-шунгито-цементных изделий с улучшенными прочностными и теплофизическими показателями. Определены их плотность – 740 кг/м³, прочность при сжатии – 10 МПа, морозостойкость – марка F15, водопоглощение - коэффициент размягчения 0,5 и температура возгорания – до 200 ^о С.


Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах:


в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК

1. Виталова, Н.М. Применение торфа для изготовления композиционных теплоизоляционных плит [Текст] / Н.М. Виталова// Промышленное и гражданское строительство, 2010. – №12 . – С. 71 – 73 .

2. Виталова, Н.М. Использование торфа для изготовления теплоизоляционных плит [Текст] / Н.М. Виталова// Промышленное и гражданское строительство, 2011. – № 8 . – С. 68 – 71 .

3. Виталова, Н.М. Производство экологически безопасных строительных материалов на основе торфа и гипса [Текст] / П.П. Гуюмджян, Н.М. Виталова, Т.Г. Ветренко // Вестник МГСУ, 2012. №1 .


в других изданиях

4. Виталова, Н.М. Влияние метода формования на прочность торфогипсовой композиции [Текст] / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян // XV Международная науч. – техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2008. – С. 330 – 331.

5. Виталова, Н.М. Деформативность торфяных теплоизоляционных плит [Текст] / Н.М. Виталова, Н.Л. Марабаев, В.Э. Будрейка // XV Международная науч. – техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2008. – С. 332 – 335.

6. Виталова, Н.М. Исследование процесса структурообразования торфяного композита [Текст] / Н.М. Виталова, Н.Л. Марабаев // XVIII Международная науч. – техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2011. – С.186 – 189.

7. Виталова, Н.М. Использование торфа для изготовления композиционных теплоизоляционных плит [Текст] / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян, Н.Л. Марабаев // XVII Международная науч. – техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2010. – С. 92 – 97.

8. Виталова, Н.М. Использование торфа Ивановской области для изготовления теплоизоляционных плит [Текст] / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян, Н.Л. Марабаев // XI Международная науч. –техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2005. – С. 650 – 652.

9. Виталова, Н.М. Применение торфа как выгорающей добавки / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян, А.А. Попов [Текст] // Ученые записки инженерно - строительного факультета: сб. – Иваново, 2008. –

С. 135 – 137.

10. Виталова, Н.М. Производство теплоизоляционных материалов и изделий из торфа [Текст] / Н.М. Виталова // V науч. конференция аспирантов и соискателей. – Иваново, 2007. – С. 33 – 36.

11. Виталова, Н.М. Теплоизоляционный строительный материал из торфа [Текст] / Н.М. Виталова // V науч. конференция аспирантов и соискателей. – Иваново, 2007. – С. 31 – 33.

12. Виталова Н.М. Технологические параметры получения торфогипсовой смеси [Текст] / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян, Л.Ю. Петрова // XV Международная науч. – техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2008. – С. 327 – 329.

13. Виталова, Н.М. Торфяное сырье как заполнитель для производства теплоизоляционных материалов [Текст] / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян, А.С. Макарчева // Ученые записки инженерно-строительного факультета: сб. – Иваново, 2008. – С. 133 – 135.

14. Виталова, Н.М. Физико-механические характеристики композиционных теплоизоляционных плит из торфа [Текст] / Н.М. Виталова, П.П. Гуюмджян, Н.Л. Марабаев // XVII Международная науч. – техн. конференция «Информационная среда вуза». – Иваново, 2010. – С. 88 – 91.