Торфодревесная композиция для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов
Владельцы патента RU 2307813:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет" (ГОУВПО "ТГАСУ") (RU)
Изобретение относится к области производства строительных материалов на основе торфодревесного сырья и может найти применение при изготовление плит, блоков, скорлуп для теплоизоляции жилых, промышленных зданий и промышленного оборудования. Торфодревесная композиция для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов содержит в качестве вяжущего диспергированный в воде низинный торф, древесные опилки как наполнитель, армирующую добавку из синтетических волокон с температурой перехода в упругопластичное состояние от 105 до 130°С, при следующем соотношении компонентов, мас %: древесные опилки 5-10, низинный торф 80-90, армирующая добавка из синтетических волокон 5-10, при водотвердом отношении (В/Т) 2,0-2,5. Технический результат: повышение прочности получаемого материала при сжатии и при изгибе и снижение средней плотности и коэффициента теплопроводности. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области производства строительных материалов на основе торфодревесного сырья и может найти применение при изготовлении блоков, плит, скорлуп для теплоизоляции жилых, промышленных зданий и промышленного оборудования.
Известно, что в качестве вяжущего при изготовлении строительных материалов используется верховой торф, например, в композициях по авт. св. СССР №1244122. Бюл. №26 от 16.07.86, авт. св. СССР №2005108. Бюл. №47-48 от 30.12.93.
Сырьевая смесь для изготовления древесно-торфяных строительных материалов по авт. св. СССР №2005108.Бюл. №47-48 от 30.12.93 содержит верховой торф (степень разложения 5-15%) в количестве 10-25 мас. %, древесные отходы 20-40 мас. %, бишофит 6-25 мас. %, алюмохромофосфат 1-3 мас. % и магнезит - остальное. Смесь тщательно перемешивают и формуют изделия при 150-160°С и давлении 3-5 МПа. Прочность при сжатии торфяных изделий указанного состава составляет 11,0-18,0 МПа. Недостатком указанных торфяных изделий является их высокая плотность 960-1000 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,11-0,17 Вт/м·К.
Известная композиция по авт. св. СССР №1244122. Бюл. №26 от 16.07.86 содержит в качестве связующего портландцемент, торф и его производные, древесные отходы и воду в качестве жидкости затворения при следующих соотношениях ингредиентов, мас. %: портландцемент 33-38; древесные отходы торфяных месторождений 20-25; верховой торф 4-12; торфяная вытяжка 1-3; вода 22-42. При этом верховой торф используют со степенью разложения 5-10% и влажностью 55-70%, который вместе с древесными отходами вымачивают предварительно в водно-метинольном растворе с концентрацией метанола 6-10 г/л при 80-100°С в течение 2-5 мин. Максимальная прочность композиции составляет 6,41 МПа, коэффициент теплопроводности 0,12 Вт/м·К.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к описываемой является теплоизоляционная масса по патенту РФ №2120424, опубл. 20.10.98, БИ №29. Теплоизоляционная масса имеет следующий состав, мас. % сухого вещества: гранулированный торф 2-50, наполнитель (опилки, костра, соломенная резка) 30-61, связующее (диспергированный торф) 18-42, вода до влажности 76-85%. Верховой торф отличается от низинного более высоким содержанием органических (битумонозных веществ). Поскольку аналогом прототипа является известная теплоизоляционная смесь, включающая в качестве вяжущего битум (авт. св. №304823), то можно предположить, что в прототипе речь идет о верховом диспергированном торфе как вяжущем для теплоизоляционной массы.
Недостатком прототипа является сравнительно высокое водопоглощение, высокая средняя плотность и низкая прочность.
Задача изобретения - используя в качестве торфовяжущего низинный торф, диспергированный в водной среде, получить водостойкий, однородный строительный материал с улучшенными прочностными показателями и низким коэффициентом теплопроводности. Технический результат заключается в повышении прочности материала при изгибе и сжатии, снижении его плотности, а следовательно, и снижении значения коэффициента теплопроводности.
Задача решена следующим образом:
Общим с известной композицией, принятой за прототип, является наличие в ее составе диспергированного торфа в качестве вяжущего, древесного наполнителя в виде древесных опилок и воды. Но в отличие от прототипа в заявляемой торфодревесной композиции использован в качестве вяжущего диспергированный в воде низинный торф. Отличается заявляемая композиция еще тем, что она дополнительно содержит армирующую добавку из синтетических волокон, температура перехода которых в упругопластичное состояние от 105 до 130°С, при следующих соотношениях компонентов, мас. %:
| Низинный торф | 80-90 |
| Древесные опилки | 5-10 |
| Армирующая добавка из синтетических волокон | 5-10 |
| При водотвердом отношении (В/Т) | 2,0-2,5 |
Торфодревесная композиция отличается от прототипа также тем, что в частном случае в качестве армирующей добавки из синтетических волокон она содержит добавку полипропиленовых волокон с размерами волокон: диаметр 15-30 мкм, длина 2-15 мм.
Оптимальный состав заявляемой композиции отвечает следующему содержанию компонентов, мас. %:
| Древесные опилки | 7,5 |
| Низинный торф | 85,0 |
| Армирующая добавка из синтетических волокон | 7,5 |
| При водотвердом отношении (В/Т) | 2,2 |
Низинные торфа использовались в основном как наполнитель в композициях с минеральными или органическими вяжущими веществами (цемент, гипс, известь, битум, полимеры), например в композициях по ав. св. СССР №833920. Бюл. №20 от 30.05.81, ав. св. СССР №1759813. Бюл. №33 от 07.09.92. Проведенные экспериментальные исследования показали, что низинный торф отличается от верхового повышенным содержанием минеральных веществ, по составу, близких к минералам портландцемента, гидромеханическая активация инициирует вяжущие свойства низинного торфа, что обуславливает его более высокую, чем у верхового торфа, адгезию к поверхности древесного заполнителя при твердении в нормальных условиях. Кроме того, низинный торф обладает по сравнению с верховым более низкой гигроскопичностью и водопоглощением, что также сказывается на повышении влагостойкости по сравнению с верховым высокой степенью разложения, что повышает его биостойкость, большей однородностью гранулометрического состава, значительно меньшей кислотностью (рН 6-8). Исследованиями также установлено, что для повышения прочности строительного материала, содержащего низинный торф как вяжущее, в качестве каркасообразующего компонента эффективнее использовать древесные опилки, а для модифицирования свойств торфодревесного композита в качестве армирующей добавки - синтетические полипропиленовые волокна длиной 2-15 мм и диаметром 15-30 мкм. В качестве синтетических волокон возможно использование других волокон, предпочтительно имеющих температуру размягчения (перехода в упругопластичное состояние) близкую с полипропиленовым волокном, т.е. в интервале 105-130°С. Например, полиэтиленовые волокна. Установленный диапазон температуры размягчения синтетических волокон ограничен технологией производства изделий, поскольку закалка изделий ведется при температуре 130-140°С.
Теплоизоляционный торфодревесный композит с использованием армирующей добавки из указанных синтетических волокон приобретает структуру с кальматированными (замкнутыми) порами в верхнем слое, что положительно сказывается на водостойкость материала. К тому же полипропиленовые волокна, температура плавления которых около 170°С, под действием более низкой температуры уже от 105 до 130°С становятся вязкими, но сохраняют форму (упругопластичное состояние) и склеиваются между собой окончаниями, а при нормальной температуре образуют прочный пространственный связанный армирующий каркас, обеспечивающий высокую механическую прочность.
Учитывая значительные запасы низинных торфов, невостребованность его в других отраслях, а также наличие в составе активных функциональных групп, обеспечивающих потенциальные возможности физико-химического модифицирования, можно отнести низинный торф к перспективным местным природным сырьевым материалам, пригодным, как показали эксперименты, в качестве вяжущего для изготовления конструкционно-теплоизоляционных материалов.
Заявляемая композиция не выявлена из уровня техники, что доказывает новизну заявляемой композиции и наличие изобретательского уровня. Из уровня техники известны строительные составы, которые содержат волокнистые синтетические армирующие добавки: например, состав, полученный способом по патенту РФ RU 2250821 С2. Этот состав получают смешением сухих цемента, песка и волластонита с последующим введением синтетического армирующего волокна и их общим смешением в сухом состоянии. В результате происходит взаимодействие сыпучих компонентов с синтетическим армирующим волокном и как следствие повышается его адгезия к цементному тесту, смачиваемость водой, благодаря чему при замесе синтетические волокна равномерно распределяются в цементном тесте. Эти армирующие добавки, равномерно распределяясь в цементном тесте, повышают прочностные характеристики цементно-волокнистых плит. Но твердение изделий из данной известной композиции происходит при нормальных условиях, а следовательно, волокна не меняют своего физического состояния. Таким образом не происходит температурного пластического «сплавления» волокон окончаниями и не происходит кальматации пор, как это происходит в заявляемой композиции. Это еще раз подчеркивает, что заявляемая композиция соответствует критерию «Изобретательский уровень». Для приготовления композиции готовят пять смесей ингредиентов (табл.1). Представленные интервалы ингредиентов получены в результате экспериментальных исследований и оптимизации полученных результатов. Вода является одним из компонентов смеси. Она является фактором активации торфа при его диспергировании, а также средой, где происходит перемешивание компонентов смеси. Количество воды в смеси влияет на параметры формования и сушки изделий на основе торфодревесных композиций (время сушки и температуру). Избыток влаги в смеси за пределами заявленного интервала приводит к усадке и короблению материала, что снижает прочность изделий, а недостаток влаги (ниже указанного интервала) затрудняет процесс формования. Технические характеристики торфодревесной композиции за пределами полученных значений не обеспечивают решения поставленной задачи получения водостойкого, однородного строительного материала с низкой плотностью и с улучшенными прочностными показателями.
| Таблица 1. Составы смесей | |||||
| Компоненты смеси | Содержание компонентов, мас. % | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Торф низинный | 80 | 82 | 85 | 87 | 90 |
| Опилки древесные | 10 | 9,0 | 7,5 | 6,5 | 5,0 |
| Армирующая добавка из синтетических волокон | 10 | 9,0 | 7,5 | 6,5 | 5,0 |
| В/Т | 2,4 | 2,3 | 2,2 | 2,1 | 2,0 |
Низинный торф измельчают совместно с водой в шаровой мельнице до степени измельчения 5-10 мкм. К полученному торфовяжущему добавляют древесные опилки и армирующую добавку из синтетических волокон. Смесь тщательно перемешивают до однородного состояния, формуют вибролитьевым способом образцы-кубики 70х70х70 мм, которые затем сушат при температуре 60-80°С в течение 24 ч. Затем повышают температуру до 130-150°С и в течение 1 часа образцы «закаливают». Прочность после сушки составляет на изгиб 4,05-4,55 МПа, на сжатие 6,00-7,12 МПа, средняя плотность составляет 250-280 кг/м3, водопоглощение 4,01 - 6,35%.
Составы смесей и результаты испытаний образцов представлены в табл.2.
| Таблица 2 Свойства смесей | ||||||
| Показатели | Известный состав (прототип) | Композиции из смесей | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Средняя плотность, кг/м3 | 280-350 | 250 | 255 | 260 | 275 | 280 |
| Прочность при сжатии, МПа | 0,31-0,62 | 6,00 | 6,9 | 7,02 | 7,12 | 7,12 |
| Прочность при изгибе, МПа | - | 4,05 | 4,12 | 4,4 | 4,49 | 4,55 |
| Водопоглощение, % | - | 6,35 | 5,65 | 4,55 | 4,12 | 4,01 |
Как видно из таблицы, оптимальное соотношение прочности, плотности и водопоглощения соответствует составу №3. В сравнении с прототипом заявляемая композиция имеет более низкую плотность, при этом более высокую прочность при сжатии и низкое значение водопоглощения. Прочность заявляемой композиции соответствует нормативным данным для конструкционно-теплоизоляционных материалов, композиция промышленно применима. Следовательно, эту композицию можно использовать в строительстве при изготовлении конструкционно-теплоизоляционных материалов.
1. Торфодревесная композиция для изготовления конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов, включающая диспергированный торф в качестве вяжущего, древесные опилки в качестве наполнителя и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит армирующую добавку из синтетических волокон, температура перехода в упругопластичное состояние которых от 105 до 130°С, а в качестве вяжущего содержит диспергированный в воде низинный торф при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Древесные опилки | 5-10 |
| Низинный торф | 80-90 |
| Армирующая добавка из синтетических волокон | 5-10 |
| при водотвердом отношении (В/Т) | 2,0-2,5 |
2. Торфодревесная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве армирующей добавки из синтетического волокна она содержит полипропиленовые волокна.
3. Торфодревесная композиция по п.2, отличающаяся тем, что полипропиленовые волокна имеют длину от 2 до 5 мм, а диаметр 15-30 мкм.
