КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ

TECHNOGENIC PRODUCTS

Danil Gyrdymov

master, department of Building materials, mechanization and geotechnics, Izhevsk State Technical University,

Russia, Izhevsk

Maksim Kislykov

master, department of Building materials, mechanization and geotechnics, Izhevsk State Technical University,

Russia, Izhevsk

Kirill Savalin

student, department of Building materials, mechanization and geotechnics, Izhevsk State Technical University,

Russia, Izhevsk

Daniil Borisov

postgraduate student, department of Building materials, mechanization and geotechnics, Izhevsk State Technical University,

Russia, Izhevsk

Anastasia Gordina

scientific director, candidate of science, associate professor, Department of Building materials, mechanization and geotechnics, Izhevsk State Technical University,

Russia, Izhevsk

АННОТАЦИЯ

В настоящее время актуальным направлением является создание теплоизоляционных материалов на основе техногенных отходов производства. В работе приведены результаты исследования физико-технических свойств техногенного теплоизоляционного материала на основе фторангидрита с заполнителем растительного происхождения. Проведена оптимизация составов конструкционно-теплоизоляционных материалов на основе следующих характеристик: средней плотности, предела прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности. Приведен сравнительный анализ разработанных составов, включающих в качестве легкого заполнителя костру льна или древесный опил, с существующими аналогами легкими бетонами на органическом заполнителем. Работа выполнена при финансовой поддержке Ижевского государственного технического университета им. Калашникова в рамках гранта № РНИИ – 2021-07.

ABSTRACT

Currently, the current direction is the creation of thermal insulation materials based on man-made production waste. The paper presents the results of a study of the physical and technical properties of a technogenic thermal insulation material based on fluorohydrite with a filler of plant origin. The optimization of the compositions of structural and thermal insulation materials is carried out on the basis of the following characteristics: average density, compressive strength and thermal conductivity coefficient. A comparative analysis of the developed compositions, including as a light aggregate flax bonfire or sawdust, with existing analogues of light concrete on organic aggregate, is given. The work was carried out with the financial support of Izhevsk State Technical University. Kalashnikov under grant No. RNII-2021-07.

Ключевые слова: фторангидрит, фосфат натрия, теплопроводность, утилизация отходов производства, органический заполнитель, техногенное вяжущее.

Keywords: fluorohydrite, sodium phosphate, thermal conductivity, waste disposal, organic aggregate, technogenic binder.

Одним из актуальных направлений развития материаловедения является применением малоэнергоемких вяжущих веществ, источником которых могут служить техногенные отходы. Утилизация и вторичное использование продуктов строительного производства позволяет не только существенно уменьшить вред, наносимый окружающей среде, но и одновременно сократить расходы на производство новых композиционных материалов и изделий на их основе [1, с. 165].

В настоящее время широкое применение среди конструкционно-теплоизоляционных материалов на основе минеральных вяжущих получили фибролит и арболит (Durisol).

Фибролит [2, с. 98] — это плитный материал, волокнистая структура которого образуется в результате омоноличивания древесной шерсти твердеющим в процессе гидратации минеральным вяжущим веществом.

Арболит [4, с. 261] – это полнотелые щепо-цементные блоки и стеновые панели для возведения малоэтажных построек.

При этом в рассмотренных материалах в качестве вяжущего используется портландцемент, производство которого является одним из самых энергозатратных технологических процессов в строительной отрасли.

Для введения заполнителя в материал необходимо создание сложной технологической линии, включающей в себя первичную обработку деловой древесины, отвечающую строго заданным параметрам производства, (сортировка, снятие коры, вылежка) и изготовление древесной шерсти (щепы).

При производстве теплоизоляционных материалов на основе фторангидрита с добавлением древесных опилок и костры исключаются сложные и трудоёмкие процессы подготовки заполнителя. А замещение цемента фибролитом позволяет значительно снизить стоимость конечного продукта.

В настоящее время фторангидрит хранится в отвалах на специальных полигонах, тем самым занимая большие площади плодородных почв и загрязняя окружающую среду [2, с. 99].

В исследовании в качестве вяжущего применялся техногенный отход предприятия ОАО «Галоген» (г. Пермь)– фторангидрит. В дисперсный состав вяжущего составляют гранулы с размером частиц менее 2,5 мм (более 70%) и твёрдые гранулы до 40мм, состоящие из безводного сульфата кальция CaSO₄ и 2-3% остаточной серной кислоты соответственно, которые домалывались до порошкообразного состояния. В работе использовался измельченный порошок фторангидрита с удельной поверхностью 800 см²/г и средней (насыпной) плотность в сухом состоянии 850-900 кг/м³ [3, с. 44].

Для получения конструкционно-теплоизоляционного материала в качестве заполнителя растительного происхождения примелись костра льна и древесный опил.

Опил [2, с. 96] – мелкие частицы размером от 2 до 7,25 мм, возникающие при обработке древесины. Плотность опила составляла 308,5 кг/м³. Для приготовления исследуемой композиции применялись отходы производства ООО ТПК «Восток-ресурс» Удмуртская республика, п. Ува.

Костра льна [6, с. 171] – это отход сельскохозяйственного производства, получаемый при обработке льна. Для исследований использовалась костра размером от 10 до 70 мм. Применялась костра производства ООО «Лён», Удмуртская республика, Можгинский район, с. Черёмушки.

На основе анализа приведенных литературных источников [5, с. 15] было установлено, что введение активатора твердения позволит ускорить процессы гидратации техногенного ангидрита. Содержание фосфата натрия было принято равным 3%. Для получения конструкционно-теплоизоляционного материала в состав вводились древесные опилки или костра льна, количество которых варьировалось от 20 до 55% по объему компонентов смеси. Для нейтрализации вредного воздействия на фторангидритовый камень вредных веществ, содержащихся в составе органических заполнителях, а также для улучшения адгезии вяжущего с заполнителем, применялся минерализатор - водный раствор жидкого стекла (натриевого) [2, с. 97].

С целью создания конструкционно-теплоизоляционного материала на основе фторангидрита с добавлением отходов древесной и сельскохозяйственной промышленности были исследованы его физико-механические характеристики.

Для определения механических испытаний изготавливались образцы – кубики с размерами сторон 70 мм. Формование производится в трехгнездных металлических формах. Распалубка образцов производится через 24 часа. Хранили образцы при нормальных условиях (температура 20°С и относительная влажность воздуха 50-65%) в течение 7 дней.

Испытание образцов-кубиков на сжатие производилось на лабораторном прессе ПГМ-100МГ4 со скоростью нагружения – 1 МПа/с.  Прочностные характеристики приведены на Рисунке 1.

Рисунок 1. Прочностные характеристики разрабатываемых материалов.

Проведенные испытания, свидетельствуют о значительном снижении механических параметров материала при увеличении содержания заполнителя свыше 35%. При этом средняя плотность составов (рис. 2) изменялась незначительно, и соответствует облегченным и легким бетонам.

Рисунок 2. Зависимость изменения плотности материала от количества добавляемого заполнителя.

Для определения теплоизоляционных свойств материала изготавливались образцы-пластины со сторонами 100х100х15 мм. Испытания проводились на приборе ИТП МГ4 100. Для определения коэффициента теплопроводности были выбраны составы, характеризующиеся достаточной прочностью с средней плотностью соответствующей марке D1500 (с учетом коэффициента вариации).

Рисунок 3. Теплоизоляционные характеристики разрабатываемых материалов: а) с добавлением опила, б) с добавлением костры

Оптимизация составов конструкционно-теплоизоляционных материалов на основе следующих характеристик: средней плотности, предела прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности позволила установить, что предпочтительным содержанием древесного опила является 25 %, а концентрация костры льна составляет 35%.

Было проведено сравнение характеристик оптимальных составов с фибролитом и арболитом, поскольку данные материалы являются ближайшими аналогами. Основные эксплуатационные характеристики изделий приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика конструкционно-теплоизоляционных материалов

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о возможности использования материалов на основе фторангидрита с добавлением органических заполнителей в качестве конструкционно-теплоизоляционных материалов.

Разработанные составы отличаются более высокими прочностными характеристиками, она уступают аналогам по параметрам теплоизоляции. При этом стоит отметить, что фторангидритовые материалы имеют близкую к нейтральной кислотность среды, что позволит сохранит органический заполнитель более длительный период времени в объеме материала. Однако для снижения теплопроводности составов возможно применение пластифицирующих компонентов, которые позволят при сохранении пластичности смеси увеличить содержание заполнителя, но обеспечить необходимые прочностные параметры.

Список литературы:

1. Аниканова Л.А. Эффективность использования фторангидрита в производстве стеновых и отделочных материалов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. –2015. №1. –C. 163–171.
2. Золотухина Н.В., Гринь О.В. Фибролит – Теплоизоляционный строительный материал // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. –2018. №1. –С. 95–100.
3. Яковлев Г.И., Калабина Д.А., Грахов В.П. Фторангидритовые композиции с легким заполнителем на основе вспученного перлитового песка // Строительные материалы. –2019. №5. С. 57-61.
4. Мамонтов И.А., Бабаскин Е.С., Рыбалкина А.В. Арболит: Анализ преимуществ и недостатков строительного материала // Актуальные вопросы современной науки и образования. –2020. № 2. –С. 261-263.
5. Медведева Г.А., Секарина О.С. Современные теплоизоляционные материалы совместно с материалами из отходов теплоэнергетики // Науковедение. –2017. №5.  –С. 13-18.
6. Угрюмов С.А., Боровков Е.А., Щербаков А.Е. Костра льна, как сырье для производства композиционных материалов // Актуальные проблемы лесного комплекса. –2016. №5.  С. 171-172.