CC BY
26
УДК 662.67, 662.73
КОПАНИЦА НАТАЛЬЯ ОЛЕГОВНА, докт. техн. наук, доцент, kopanitsa@mail. ru
КОВАЛЕВА МАРГАРИТА АЛЕКСЕЕВНА, канд. техн. наук, доцент, xomoch28@yandex. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУР ТОРФА КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье рассмотрены особенности моделирования торфяного сырья по его структурным характеристикам применительно к производству строительных материалов различного назначения. Показана возможность прогнозирования их физико-механических свойств в ходе технологической переработки.
Ключевые слова: торфяное сырье; структура торфа; физико-механические свойства; моделирование.
KOPANITSA, Natalia Olegovna, Dr. Tech. Sc., Assoc. Prof., kopanitsa@mail. ru
KOVALEVA, Margarita Alekseyevna, Ph.D., Assoc. Prof., xomoch28@yandex. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
PARTICULAR QUALITIES OF PEAT STRUCTURES AS A BASIS FOR BUILDING MATERIALS
The article describes the details of modeling the peat according to its structural characteristics for the production of building materials. The possibility of predicting their physical and mechanical properties at the time of technological processing is considered.
Key words: peat raw materials; the structure of peat; physical and mechanical properties; modeling.
Возможность направленного влияния на структуру и состав торфа для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств строительных материалов на его основе связана с использованием различных способов активации (рис. 1). Установлено, что направленное изменение структуры, состава и свойств торфа при модифицировании с целью получения на его основе строительных материалов возможно благодаря [1]:
- наличию в нем гидрофильных и гидрофобных активных функциональных групп;
- агрегатному состоянию торфа, существенно изменяющемуся в зависимости от вида и свойств дисперсионной среды;
- способности компонентов торфа при определенных условиях взаимодействовать друг с другом через молекулы воды и ионы многовалентных металлов;
© Н.О. Копаница, М.А. Ковалева, 2013
- проявлению торфом парамагнетизма и других электрофизических свойств.
Способы активации
/ N
Сырье: торф, вода
Ч_____________/
Рис. 1. Способы активации торфа при получении торфяных композиций
При этом выбор способа воздействия на торфяное сырье может повлиять на дальнейшее его использование: в качестве связующего в композиционном материале, в качестве модифицирующей добавки различного назначения и т. д.
Формирование композиционных материалов на основе торфа с регулируемыми и прогнозируемыми свойствами возможно на основе знаний отдельных структурных элементов природного сырья с учетом вероятного взаимодействия между ними. 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. Как и в других сырьевых материалах, основная нагрузка при формировании физико-химических и физико-механических свойств торфа приходится на его вещественный состав и структуру. Ранее [2] рассматривалась модель торфяного сырья по вещественному составу применительно к производству строительных материалов различного назначения.
На рис. 2 представлена модель торфяного сырья по его структурным особенностям применительно к производству строительных материалов различного назначения.
Многокомпонентный состав и сложная структура торфа обусловливают многообразие подходов к процессам структурообразования торфяных систем. В технологии производства различных строительных материалов структурные особенности торфяного сырья следует учитывать на всех этапах создания продукции: приготовления формовочных смесей, формовании, сушке. Структура торфа определяется степенью дисперсности слагающих его частиц, способом их укладки и взаимной ориентации, характером связей между основными его компонентами: неразложившимися остатками растений-
торфообразователей (их волокнами), продуктами распада и минеральными включениями.
----------V-------
химический
механический
электрофизический
теплофизический
комбинированный
Рис. 2. Модель торфяного сырья по структуре для производства строительных материалов: Ddp - степень разложения торфа; W - содержание влаги; ё - диаметр частиц
Торф относится к гетеропористым системам. В нем различают макро-и микроструктуры. Макроструктура образована, в основном, структурами переплетения из остатков растений-торфообразователей. Микроструктура характеризует внутренний объем частиц - рыхлых агрегатов, возникающих на основе гуминовых веществ и углеводного комплекса торфа, а композиции элементов микроструктуры заполняют ячейки порового пространства макроструктуры.
Учет основных особенностей структур позволяет отнести все виды торфа к одному из двух классов с изотропной или анизотропной структурой. Особенности микроструктуры торфа связаны, в основном, с его группой по генезису.
Так, для древесного травяного торфа характерной является изотропная структура. Для изотропной структуры свойственно отсутствие какой-либо определенной направленности, ориентировки в пространстве слагающих торфа элементов. К изотропным можно отнести торфы, обладающие зернистокомковатой, тонкозернистой, войлочной и губчатой структурой. Водопроницаемость, прочность и другие свойства изотропного торфа одинаковы как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Необходимо отметить, что тонкозернистая пластичная связная структура свойственна верховым торфам высокой степени разложения. Зернисто-комковатая структура присуща низинным торфам, она возникает в результате дробления древесины, которая одинаково легко распадается по всем направлениям, об этом свидетельствует преимущественно кубовидная или призматическая форма слагающих торф агрегатов. Для такой структуры характерна обособленность агрегатов, что приводит к низкой прочности низинного торфа. Войлочная структура присуща осоковому торфу и представляет собой смесь переплетенных в разных направлениях длинных волокон. Губчатая структура характерна для всех сфагновых торфов малой степени разложения, слагающих верховые слои залежей, что предполагает высокие значения влагоемкости и водопоглощения для этого типа торфа.
Анизотропную структуру имеют торфы моховой группы. Их отличает явно выраженная горизонтальная укладка слагающих их элементов. К ним относятся торфы, имеющие ленточно-слоистую, волокнистую, плойчатую и чешуйчато-слоистую структуру. Анизотропные торфы обладают, например, большей фильтрационной способностью в горизонтальном направлении, чем в вертикальном, что необходимо учитывать при разработке схем их осушения, технологии использования. Ленточно-слоистая структура представляет собой уплотненный слой длинных лент из корневищ трав, такая структура характерна для тростникового и хвощевого торфов. Волокнистая структура присуща торфам низкой степени разложения, такая структура затрудняет процесс измельчения торфа до тонкодисперсного состояния, необходимого в производстве многих видов строительных материалов.
Чешуйчато-слоистую структуру имеют гипновые торфы, такая структура характерна для малоразложившихся торфов, сохранивших стебли и листья. Плойчатой структурой отличаются сфагновые торфы малой степени разложе-
ния, подвергшиеся в достаточной мере уплотнению вследствие давления вышележащих пластов залежей.
К параметрам макроструктуры торфа относят размеры частиц. В физической химии дисперсных систем (по М.М. Дубинину) различают тела непористые, макропористые (ё > 200 нм), мезопористые (2-200 нм) и микропористые < 2 нм. В торфе размеры капилляров (пор) изменяются от единиц нм до сотен мкм, т. е., строго говоря, ни к одному из этих групп торф отнести нельзя. Поэтому торф, по мнению многих ученых, следует относить к гетеропори-стым материалам с капиллярами различных размеров [3].
В представленной классификации принято условное деление торфяных систем на грубо- и высокодисперсные. Для оценки макроструктуры торфяных систем важен характер взаимодействия частиц дисперсной системы. Торф относится к связнодисперсным системам, которые, в свою очередь, могут быть коагуляционными, конденсационно-кристаллизационными и структурами переплетения (срастания) из сохранившихся остатков растений-торфообразователей.
Структуры в торфе по своей природе коагуляционные, т. е. взамодей-ствие осуществляется через молекулы и прослойки воды, эти структуры подвижны и эластичны. В зависимости от концентрации вещества связнодисперсные системы подразделяют: на жидкообразные структурированные, твердообразные, условно-пластичные и упругохрупкие.
Торф с содержанием влаги > 90 % относится к жидкообразным структурированным системам. При содержании влаги в интервале 75-90 % торф является твердообразным условно пластичным телом. Торф с содержанием влаги менее 75 % следует отнести к условно-пластичным и упругохрупким материалам.
Микроструктура торфа формируется из надмолекулярных образований продуктов распада, а также индивидуальных органических и молекулярных соединений посредством сил различной природы. Эти соединения объединяются в ассоциаты, образуя внутри- и межагрегатные структуры различной компактности. Ассоциаты торфа - это рыхлые образования, состоящие из хаотически распределенных молекул и макромолекул. Предположительно, агрегаты непроницаемы для транзитного потока влаги, а процессы переноса воды через них осуществляются диффузионным путем [4]. Представленная таким образом микроструктура (надмолекулярная структура) торфа относится к типу коагуляционных. Композиции элементов микроструктуры заполняют ячейки порового пространства макроструктуры, образованной, в основном, структурами переплетения (срастания) из остатков торфообразователей [2, 3]. Микропоры между элементами заполнены сорбированной и иммобилизованной водой. В пределах ассоциатов могут сосуществовать волокна, остатки растительной ткани разной дисперсности, битумные частицы, продукты распада и минеральные включения. Все эти компоненты образуют гамму нестабильных комплексов, компактность которых определяется природой торфа, энергией и характером межмолекулярных связей. Основу последних составляют взаимодействия между активными функциональными группами (СООН, ОН и др.) посредством водородных связей, через ионы и молекулы среды, а также за счет химических и других связей и сил. Закономерности формирования таких структур определяются условиями образования торфа, типом
и группой, а также степенью разложения. Нередко эти образования представляют собой неупорядоченную часть, состоящую из хаотически расположенных молекул, микрообъемы между которыми заполнены сорбированной водой и иммобилизованным раствором низко- и высокомолекулярных соединений. Упорядоченная часть микроструктуры торфа в естественном состоянии составляет незначительную часть. В технологиях получения строительных материалов, связанных с химической модификацией торфа, это состояние играет очень важную роль, в этом случае появляется возможность направленного воздействия на неупорядоченную часть микроструктуры торфа химическими добавками, способствующими образованию в нем устойчивых кристаллических структур. Таким образом, 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 изменение в ходе технологической переработки при получении строительных материалов и изделий с требуемыми свойствами.
Библиографический список
1. Копаница, Н.О. Формирование структур твердения в системе «низинный торф - активированная вода» / Н.О. Копаница, В.Н. Сафронов, М.А. Ковалева // Вестник ТГАСУ. -2009. - № 2. - С. 111-122.
2. Копаница, Н.О. Структурное моделирование свойств торфа как сырья для производства строительных материалов / Н.О. Копаница // Вестник ТГАСУ. - 2010. - № 2. - С. 162-168.
3. Лиштван, И.И. Физико-химические основы технологии торфяного производства. Ин-т торфа / И.И. Лиштван. - Минск : Наука и техника, 1983. - 231 с.
4. Физика и химия торфа / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов [и др.]. - М. : Недра, 1989. - 304 с.
References
1. Kopanica N.O., Safronov V.N., Kovaleva M.A. Formirovanie struktur tverdenija v sisteme «nizinnyj torf - aktivirovannaja voda» [Formation of structures of hardening in the "lowland peat - activated water" system] // Vestnik TGASU [Proceedings of Tomsk State University of Architecture and Building]. - 2009. - No. 2. - P. 111-122.
2. Kopanica N.O. Strukturnoe modelirovanie svojstv torfa kak syr'ja dlja proizvodstva stroitel'n-yh materialov [Structural modeling of properties of peat as a raw material for manufacture of building materials] // Vestnik TGASU [Proceedings of Tomsk State University of Architecture and Building]. - 2010. - No. 2. - P. 162-168.
3. Lishtvan I.I. Fiziko-himicheskie osnovy tehnologii torfjanogo proizvodstva [Physical and chemical bases of peat manufacture technology] In-t torfa. - Minsk : Nauka i tehnika [Science and technique], 1983. - 231 p.
4. Lishtvan I.I., Bazin E.T., Gamajunov N.I. Fizika i himija torfa [Physics and chemistry of peat]. - Moscow : Nedra, 1989. - 304 p.
