структурное моделирование свойств торфа как сырья для

162
Вестник ТГАСУ № 2, 2010
УДК 662.67, 662.73
КОПАНИЦА НАТАЛЬЯ ОЛЕГОВНА, канд. техн. наук, доцент,
[email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003 г. Томск, пл. Соляная, 2
СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОРФА
КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье сформулированы основные принципы структурного моделирования торфа
как сырья для производства строительных материалов и дано обоснование влияния вещественного состава торфа на формирование параметров качества эффективных строительных материалов, полученных на основе торфяного сырья.
Ключевые слова: торф, классификация, модификация, свойства.
KOPANITSA, NATALIA OLEGOVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof.,
[email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
STRUCTURAL MODELING OF PEAT PROPERTIES AS RAW
MATERIAL FOR PRODUCTION OF BUILDING MATERIALS
The paper contains the principles of structural modeling of peat as a raw material for production of building materials. The substantiation of influence of peat structure on the formation of quality parameters of effective building materials received on the basis of peat raw material is given as well.
Keywords: peat, classification, modification, properties.
Использование сырьевых ресурсов в производстве строительных материалов должно базироваться на системном представлении об их составе,
свойствах, структуре и способах переработки. Среди природного сырья, требующего комплексного подхода к освоению и использованию в технологиях
создания различных строительных материалов, торф занимает особое место
по сложности состава, структурным особенностям и разнообразию свойств.
Научно обоснованный выбор рационального направления использования торфяных ресурсов связан с необходимостью знать не только состав и свойства
торфяных залежей в их естественном залегании, но и уметь прогнозировать
их изменения в ходе технологической переработки при получении строительных материалов и изделий с заданными свойствами.
Сложность состава и структур торфа связана с содержанием в нем органической, минеральной и водной составляющих. В торфе содержатся частицы
разнообразных форм и размеров (от долей микрометра до нескольких сантиметров), поэтому торф является полидисперсной системой. С физикохимической точки зрения торф можно отнести к классу сложных многокомпо Н.О. Копаница, 2010
163
Структурное моделирование свойств торфа
нентных полидисперсных полуколлоидно-высокомолекулярных систем. Высокая молекулярность торфа обусловлена его происхождением (генезисом), так
как растения-торфообразователи являются природными полимерами.
Из литературных источников известны различные подходы к классификации торфа [1]. В основном они связаны с возможностью использования этого
природного сырья для глубокой химической переработки, получения сельскохозяйственной продукции и термической переработки. В работах [1, 2] торф классифицируют по общетехническим свойствам (степень разложения, зольность,
влажность, теплота сгорания); химическим свойствам (элементный, групповой
состав); агрохимическим свойствам (кислотность, химический состав минеральной части); физическим, физико-химическим и физико-механическим свойствам.
Классификация торфа как сырья для производства строительных материалов ранее не рассматривалась, основная причина этого – сложившееся устойчивое мнение об использовании торфа как ресурса для получения дешевых строительных материалов ограниченного применения, когда в строительной продукции реализуются только те свойства торфа, которыми наделила его природа, –
низкая плотность, высокая теплопроводность. В то же время многие характеристики торфа, исследуемые при изучении возможности его использования в других отраслях народного хозяйства, в технологиях получения строительных материалов не учитывались. Поэтому в работе впервые представлена структурная модель торфа как сырья для получения вяжущего, наполнителя или
модифицирующих добавок в производстве строительных материалов, которая
позволяет систематизировать и обобщить научные данные о составе, структуре,
свойствах торфа, а также об особенностях воздействия на него с целью направленного использования в технологиях получения строительных материалов разного функционального назначения с заданными свойствами.
Структурная модель торфяного сырья, исходя из принятых в строительном материаловедении классификационных признаков для различных
видов сырьевых материалов и изделий на их основе, представлена на рис. 1.
Торфяное
сырье
Вещественный
состав
Структура
Физикохимические
Функциональное
назначение
Свойства
Физикомеханические
Рис. 1. Структурная модель торфяного сырья
В торфе как в сложном органоминеральном сырье приняты две основные таксономические единицы классификации: тип торфа и степень разложе-
164
Н.О. Копаница
ния. От этих характеристик зависят его основные структурные особенности,
а также физико-химические и физико-механические свойства [1]. В зависимости от способа образования и формирования различают следующие типы торфа: верховой, низинный и переходный, отличающиеся между собой соотношением минеральной и органической части. Степень разложения Ddр показывает содержание в торфе бесструктурного вещества, утратившего клеточное
строение. Известно, что при разной степени разложения торф одного и того
же группового и химического состава может иметь разные свойства. По степени разложения торфы делятся на слаборазложившиеся – Ddр < 20 %, среднеразложившиеся – Ddр = 20–45 %, высокоразложившиеся – Ddр > 45 %. Как
и в любом другом сырьевом материале, основная нагрузка при формирование
физико-химических и физико-механических свойств ложится на вещественный состав продукта и его структуру. В данной статье рассматривается модель торфяного сырья по вещественному составу применительно к производству строительных материалов различного назначения. Она основана, в первую очередь, на различиях в составе функциональных групп, органических
и минеральных веществ, а также их комплексов в зависимости от типа торфа,
его зольности и степени разложения. Органическая часть торфа и природа его
отдельных компонентов рассмотрены в многочисленных трудах российских
и зарубежных исследователей в связи с разработкой общей химической технологии переработки торфа, изучением генезиса твердых горючих ископаемых и природы торфа, а также в связи с сельскохозяйственным использованием торфа. Применительно к технологиям производства строительных материалов состав органической части торфов исследовался недостаточно [3].
В торфе выделяют следующие основные группы соединений: битумы (Б), углеводная часть (водорастворимые, легкогидролизуемые и трудногидролизуемые), гуминовые вещества (ГВ), фульвовые кислоты (ФК), целлюлоза, лигнин (Л). Различие в содержании этих компонентов в торфах связано в основном с их типом и, в меньшей степени, со степенью разложения. Соотношение
основных групп органических соединений во многом определяет физикохимические и физико-механические свойства торфа. В предложенной классификации использовались данные, представленные в публикациях [1–3].
Для того чтобы оценить предполагаемые физико-механические свойства
торфа и возможности получения из данного сырья строительных материалов
различного функционального назначения, торф можно разделить по характеру
взаимодействия среды и фазы, выделив гидрофильные и гидрофобные вещества. Торфяные системы по своей природе гидрофильные, что обусловлено наличием в структуре его компонентов активных функциональных групп (СООН,
ОН- и др.), способных удерживать молекулы воды за счет водородных связей.
Гидрофобные составляющие торфа представлены в основном битумами.
Гидрофобность торфа увеличивается от низинного торфа к верховому,
что позволяет предположить возможность получения на основе верховых
торфов вяжущих веществ и гидрофобизирующих добавок применительно к
композиционным материалам на основе органических и минеральных вяжущих. С увеличением степени разложения количество битумов в торфе, как
правило, также возрастает (рис. 2).
165
Структурное моделирование свойств торфа
ТИП
Низинный
30 < Ddр <50
Т О Р ФА
Переходный
20 < Ddр < 45
Верховой
10 < Ddр <30
По содержанию
гидрофобных групп
С низким содержанием гидрофобных групп
(Б < 5 %)
Со средним содержанием гидрофобных
групп (Б = 5–7 %)
C повышенным содержанием гидрофобных групп
(Б > 7 %)
По содержанию ПАВ
Высокоактивный
(Л > 11,5 %)
Среднеактивный
(Л = 8–1,5 %)
Низкоактивный
(Л < 8 %)
По содержанию ГВ
С высоким
содержанием
(ГВ > 35 %)
Со средним содержанием
(ГВ > 25 %)
С низким содержанием (ГВ < 25 %)
По содержанию ФК
С низким
содержанием
(ФК < 16 %)
Со средним содержанием (ФК > 16 %)
С высоким содержанием (ФК > 18 %)
По зольности
Высокозольные
(Das > 10 %)
Среднезольные
(Das = 5–10 %)
Низкозольные
(Das < 5 %)
СаО > 30 %,
SiO2 > 15 %,Al2O3 < 15 %
Fe2O3 > 15 %
СаО > 20 %, SiO2 >20 %,
Al2O3 < 18 % , Fe2O3 > 10 %
СаО > 10 %, SiO2 > 30 %,
Al2O3 < 15 % , Fe2O3 < 10 %
По содержанию полиэлектролитов
С высоким
содержанием
(ПЭ > 50 %)
Со средним содержанием
(ПЭ > 45 %)
С низким содержанием (ПЭ > 40 %)
Рис. 2. Модель торфяного сырья по вещественному составу для производства строительных материалов
166
Н.О. Копаница
Важной составляющей торфа является лигнин – высокомолекулярный
полимер, природное поверхностно-активное вещество (ПАВ). Из компонентов
органического вещества торфа лигнин является менее изменчивым. Полученные на его основе (путем химического модифицирования с использованием
азотной, соляной кислот, перекиси водорода) поверхностно-активные реагенты могут быть использованы как пластифицирующие добавки в растворные
и бетонные смеси, а в композиционных материалах на основе органических
вяжущих лигнин является активным компонентом, химически взаимодействующим с основным связующим и повышающим его когезионные характеристики [5]. Повышение содержания лигнина наблюдается от верховых к низинным видам торфа (рис. 2).
По мнению многих авторов [1, 2], гуминовые вещества являются основными, определяющими вяжущие свойства торфяных систем (когезионные
и адгезионные). ГВ являются коллоидно-высокомолекулярной составляющей
торфа. От их состояния зависят такие свойства торфа, как ионообменные, водные, теплофизические, прочностные. Содержание ГВ в торфе колеблется от 5
до 52 % и снижается при переходе от низинного торфа к верховому (рис. 2).
Такое различие обусловлено минеральным режимом питания торфяников. Чем
выше содержание поливалентных катионов, тем больше образуется нерастворимых солей ГВ, которые оседают в клетках растений и межчастичном пространстве торфа. В то же время содержание фульвовых кислот – растворимых
в воде фракций ГВ – находится в обратной зависимости. Основным же компонентом ГВ являются гуминовые кислоты, наибольшее содержание которых наблюдается в низинном типе торфа, что связано с высокой степенью его разложения. Гуминовые кислоты могут быть в связанном виде (в виде солей), что
характерно для низинного торфа, и в свободном виде – для верхового.
Применительно к технологиям производства строительных материалов
наличие гуматов в связанном виде снижает их отрицательное влияние на цементные системы, что позволяет использовать низинный торф в том или ином
виде в цементных композициях. Основной особенностью ГК является их способность образовывать соли. Гуматы натрия обладают водоудерживающими
свойствами, повышают подвижность цементных систем, бетонных смесей,
глиняных шламов [4]. Торфощелочные шламы находят применение для разжижения цементных шламов, повышения подвижности бетонных смесей, что
позволяет снизить водоцементное отношение в бетонных смесях.
Высокомолекулярные соединения, имеющие ионогенные, т. е. способные к диссоциации функциональные группы, являются полиэлектролитами.
В торфе целлюлоза, гуминовые, водорастворимые и легкогидролизуемые
вещеcтва, включающие способные к диссоциации СООН, ОН и другие группы, являются полиэлектролитами. Содержание полиэлектролитов в торфе
уменьшается от низинного типа к верховому, что обеспечивает способность
низинного торфа к диссоциации в различных средах. Углеводы составляют
основу веществ, выделяемых из торфа горячей водой или растворяющихся
в ней после гидролиза в присутствии минеральных кислот. Состав углеводной
части торфа не однороден и уменьшается от верхового типа к низинному
с увеличением степени разложения. Содержание и состав углеводной части
Структурное моделирование свойств торфа
167
торфа влияет в значительной степени на возможности его использования
в производстве строительных материалов. Так, высокое содержание редуцирующих веществ в торфе затрудняет его использование в композиции с цементом, но выделяемые при диспергировании торфа в водной среде пектиновые вещества повышают его клеящую способность, что позволяет рекомендовать торф как самостоятельное связующее вещество при производстве
композиционных материалов. Таким образом, количественное содержание
таких групп, как битумы, лигнин и трудногидролизуемые вещества, уменьшается от верхового к низинному типу торфа, что объясняет низкую биологичекую активность низинных торфов, а с возрастанием степени разложения
в торфе увеличивается содержание биохимически устойчивых компонентов –
воска, ГК, лигнина и снижается количество биохимически неустойчивых веществ – углеводов.
Важное значение для прогнозирования свойств строительных материалов с использованием торфяного сырья имеет его зольность. Данные по зольности типов торфов указывают на закономерное ее снижение при переходе от
низинных типов торфа к верховым. Химические элементы неорганической
части в торфе находятся в виде ионов солей или комплексных соединений,
Исследования показывают: чем выше содержание минеральной части
в торфе, тем он более активен. Катионы кальция и других веществ служат,
с одной стороны, регулятором биохимических процессов, нейтрализаторами
кислотности среды, во многом определяя структуру коллоидно-высокомолекулярной составляющей [1–3], с другой стороны, способны активно
участвовать в ионообменных реакциях, а также в реакциях гидратации и гидролиза торфа в процессе его переработки. Для прогнозирования свойств торфа
важно не только количественное содержание минеральной части торфа,
но и ее качественный состав. Из средних статистических данных содержания
минеральных веществ в торфе следует общая зависимость от типового состава
торфа, что объясняется водно-минеральным режимом торфяных месторождений. Так, в низинном торфе (рис. 2) преобладают СаО, а в верховом торфе количество SiO2 достигает 40 %. Разный состав минеральной части в торфе
предполагает и разные подходы к выбору способов активационного воздействия на торф, а также разные механизмы взаимодействия торфа в композиционных составах различного назначения.
Таким образом, приведенные данные основных классификационных
признаков торфов показывают, что это природное образование можно рассматривать как сырье для получения ряда строительных материалов, используя те же подходы, что и к традиционному сырью: знание вещественного состава, структурных особенностей, физико-химических и физико-механических свойств. Обобщение имеющейся информации позволило прогнозировать возможность получения таких видов строительного материала, как
теплоизоляционные, стеновые изделия, заполнители, полифункциональные
модифицирующие добавки, лакокрасочные, гидроизоляционные и др. Для того чтобы получить строительные материалы с заданными свойствами, необходимо учитывать в первую очередь тип торфа, его вещественный состав
и структурные характеристики. Например, для разработки технологии полу-
168
Н.О. Копаница
чения эффективных стеновых материалов с требуемыми эксплуатационными
свойствами в таблице представлены данные по выбору способа переработки и
модификации торфяного сырья различного типа.
Взаимосвязь типа торфа и способов его активации
Тип торфа
Верховой
10 < Ddр < 30
Низинный
30 < Ddр < 50
Теплоизоляционный
Теплоизолционноконструкционный
Вид
материала
Физико-механические свойства
Рекомен- Рекомендуедуемый спо- мые модифиRcж,
соб перера- цирующие
МПа
ботки
добавки
Rиз,
МПа
W, %
,
кг/м
,
Вт/(мК)
Диспергирование
в водной
среде,
Т = 90 С
Армирующие, гидрофобизирующие, комплексные
Диспергирование
в водной
среде,
Т = 20 С
Пенообразующие, гидрофобизирующие, упрочняющие 0,4–1 0,2–0,4 30–70 150–300 0,045–0,06
1,4
0,8
30–70 700–800 0,08–0,09
Полная информация обо всех группах веществ, входящих в состав торфа, позволяет выбрать наиболее эффективный способ его переработки для
получения строительных материалов с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физические свойства торфа и торфяных залежей / И.И. Лиштван. – Минск : Наука
и техника, 1985. – 239 с.
2. Базин, Е.Т. Физика и химия торфа: Водно-физические и структурно-механические свойства торфа и торфяных залежей / Е.Т. Базин, В.И. Косов. – Калинин : КГУ, 1982. – 104 с.
3. Торфяные ресурсы Томской области и пути их использования в строительстве / Л.В. Касицкая, Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко, Копаница, Н.О. [и др.]. – Томск : STT, 2007. – 290 с.
4. Копаница, Н.О. Торфодревесные теплоизоляционные материалы / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков, М.А. Ковалева. – Томск : STT, 2009. – 184 с.
5. Технический анализ торфа / Е.Т. Базин, В.Д. Копенкин, В.И. Косов [и др.]; под общ. ред.
Е.Т. Базина. – М. : Недра, 1992. – 430 с.