Разработка состава древесно-минерального композита для ограждающ. 4. Исследование кинетики твердения магнезита
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Костромской государственный университет» (КГУ) Институт Институт дизайна и технологий Кафедра Лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств __________________________________________________________________ Направление (профиль)_35.04.02 Технология лесозаготовительных и деревопе- рерабатывающих производств___________________ Направленность _________Технология деревообработки____________ __________________________________________________________________ РАЗРАБОТКА СОСТАВА ДРЕВЕСНО-МИНЕРАЛЬНОГО КОМПОЗИТА ДЛЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ Магистерская диссертация Исполнитель ______________________Захряпин С.А, 18−ЛДмо-4 (подпись) (Ф.И.О., группа) Руководитель ______________________д.т.н., доц. Титунин А.А. (подпись) (Ф.И.О.) Кострома 2020 Перечень графических материалов 1. Сведения о магнезите каустическом 2. Цель и задачи исследований 3. Результаты предварительной серии опытов 4. Исследование кинетики твердения магнезита 5. Проверка прочности образцов 6. Оценка теплопроводности композита 7. Технология производства композита 8. Технико-экономическое обоснование цены реализации 9. Основные выводы 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОБЩИХ СВЕДЕНИЙ О МАГНЕЗИТЕ КАУСТИЧЕСКОМ ............................................................................................ 11 1.1. Магнезит, его характеристика и физические показатели .......................... 11 1.2. Происхождение магнезита и его добыча ..................................................... 12 1.3. Применение магнезита и материалы на его основе .................................... 14 1.4. Магнезитовые плиты, свойства и характеристики ..................................... 18 1.5. Магнезиальные цементы ............................................................................... 21 1.6. Требования нормативно-технической документации к материалам на основе магнезита ................................................................................................... 24 1.7. Потребность в стройматериалах ................................................................... 25 1.8. Проблема использования древесных отходов ............................................. 26 1.9. Исследования российских ученых в области композиционных материалов на магнезиальной основе ................................................................. 28 1.10. Цель и задачи исследований ....................................................................... 30 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛУ, МАТРИЦЕ И НАПОЛНИТЕЛЮ ................................................................................................. 32 2.1. Классификация композита ............................................................................ 32 2.2. Основные физико−механические показатели по ГОСТ Р 54854−2011 «бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения» .................................................................................................... 33 2.2.1. Средняя плотность арболита ...................................................................... 33 2.2.2. Прочность на сжатие................................................................................... 34 2.2.3. Теплопроводность ....................................................................................... 35 2.3. Методы определения прочности по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» ........................................ 35 2.3.1. Сущность методов ....................................................................................... 35 4 2.3.2. Форма, размеры и число образцов ............................................................ 35 2.3.3. Испытание на сжатие .................................................................................. 37 2.3.4. Испытание на растяжение при изгибе ...................................................... 37 2.4. Методика определения фракционного состава древесных частиц ........... 37 2.4.1. Определение фракционного состава древесных частиц ......................... 37 2.5. Теория адгезии, лежащая в основе структурообразования композита .... 39 2.5.1. О возможных теориях образования композита........................................ 39 2.5.2. Механическая теория адгезии .................................................................... 40 2.5.3. Химическая теория адгезии ....................................................................... 40 2.6. Полимерная матрица композита ................................................................... 41 2.6.1. Требования к полимерной матрице композита ........................................ 41 2.6.2. Влияние параметров матрицы на показатели композита ....................... 42 ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТА, ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И КИНЕТИКИ ТВЕРДЕНИЯ .................................. 43 3.1. Двухфакторный регрессионный анализ прочности древесноминерального композита на изгиб ................................................................................................ 43 3.1.1. Определение диапазонов варьирования факторов .................................. 43 3.1.2. Составление плана эксперимента .............................................................. 44 3.1.3. Проведение эксперимента .......................................................................... 45 3.1.4. Статистическая обработка результатов эксперимента ........................... 45 3.1.5. Проверка однородности дисперсий .......................................................... 47 3.1.6. Расчет коэффициентов уравнения регрессии и проверка их значимости ................................................................................................................................. 48 3.1.7. Проверка адекватности математической модели .................................... 48 3.1.8. Построение графика и его интерпретация ................................................ 49 3.2. Двухфакторный регрессионный анализ прочности древесноминерального композита на сжатие ............................................................................................. 51 3.2.1. Определение диапазонов варьирования факторов .................................. 51 3.2.2. Составление плана эксперимента .............................................................. 51 5 3.2.3. Проведение эксперимента .......................................................................... 52 3.2.4. Статистическая обработка результатов эксперимента ........................... 52 3.2.5. Проверка однородности дисперсий .......................................................... 53 3.2.6. Расчет коэффициентов уравнения регрессии и проверка их значимости ................................................................................................................................. 53 3.2.7. Проверка адекватности математической модели .................................... 54 3.2.8. Построение графиков и их интерпретация ............................................... 55 3.3. Определение фракционного состава стружки............................................. 57 3.4. Определение коэффициента теплопроводности и исследование кинетики твердения древесноминерального композита .................................................... 58 3.4.1. Изготовление и подготовка образцов к испытаниям .............................. 58 3.4.2. Проведение замеров коэффициента теплопроводности и подведение результатов ............................................................................................................. 59 3.4.3. Исследование кинетики твердения древесноминерального композита 60 ГЛАВА 4. ТЕХНИКО − ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ................... 63 ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ......................... 63 4.1. Структурная схема технологического процесса производства ................. 63 древесно-минерального композита ..................................................................... 63 4.2. Расчет производственной программы .......................................................... 65 4.3. Затраты на производство древесно−минерального композита ................. 67 4.4. Сравнение цен строительных материалов на магнезиальном вяжущем .. 70 ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ......................................................................... 72 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................. 75 Приложение 1 ........................................................................................................ 80 Приложение 2 ........................................................................................................ 81 Приложение 3 ........................................................................................................ 82 Приложение 4 ........................................................................................................ 83 6 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. В России сосредоточены самые большие запасы лесных ресурсов в мире. При производстве продукции из древесины используется только половина древесного сырья, а четвертая часть образующихся отходов в силу целого ряда причин не находит приме- нения. Неслучайно перед промышленными предприятиями ставится задача полного использования образующихся отходов. Одним из путей решения проблемы является создание из древесных отходов композиционных матери- алов с высокими эксплуатационными показателями, потребность в которых с учетом возросших экологических требований будет сохраняться в ближай- шие десятилетия. Среди возможных вариантов создания композиционных материалов особое место занимают материалы строительного назначения. Это обусловлено тем, что в строительном комплексе действуют стратегиче- ские программы энергосбережения, обеспечения населения доступным жиль- ем и др. В решении вопросов энергосбережения важную роль играют тепло- изоляционные материалы. Существующие теплоизоляционные материалы не лишены недостатков. Многие из них теряют теплоизоляционные свойства при увлажнении, другие – являются горючими или выделяют вредные веще- ства при высокой температуре. С учетом возросших потребностей населения и экологических требований актуальной является разработка технологии по- лучения композиционного материала теплоизоляционного назначения, обла- дающего требуемой прочностью, высокой долговечностью, низкой горюче- стью. Для этого предлагается использовать в качестве вяжущего магнезит ка- устический. Магнезиальные вяжущие вещества являются объектом множества ис- следований. Их способность затвердевать и образовывать бетон с органиче- 7 скими и древесными заполнителями дают возможность получить высоко- прочный материал с хорошими теплоизоляционными свойствами. Однако, не полностью изучены вопросы создания прочной и одновременно легкой композиции. Данное обстоятельство требует проведения научных исследова- ний. Объектом диссертационного исследования является композиционный материал на основе порошка магнезитового каустического (ПМК − 75) и мягких древесных отходов. Предмет исследования – состав и свойства композиционного матери- ала на магнезиальном вяжущем и мягких древесных отходах. Композит планируется разработать из порошка минерала магнезита и древесных отходов местных предприятий, что соответствует приоритетным направлениям научно−технологического развития РФ и позволит снизить до- лю неиспользуемых древесных отходов. Ожидается, что результаты исследо- ваний будут иметь научно−практическое значение для деревообрабатываю- щей промышленности и строительного комплекса. Будет обоснована воз- можность получения экологически чистого материала с хорошими теплоизо- ляционными свойствами. В настоящее время материалы из магнезиального порошка и древесных отходов не получили широкого применения, так как не был решен ряд вопросов. В связи с этим в магистерской диссертации постав- лена следующая цель и задачи: Цель диссертационной работы – разработка рационального состава древесно-минерального композита и конструкционно-теплоизоляционных материалов на его основе. Исходя из цели исследования, в работе поставлены следующие задачи: 1. Исследование механизма твердения магнезита каустическо- го. 8 2. Экспериментальное исследование влияния доли древесной стружки на свойства композита. 3. Исследование теплоизоляционных свойств древесно- минерального композита. 4. Обоснование рационального состава древесно- минерального композита. 5. Определение технико-экономических показателей произ- водства древесно-минерального композита. Методологической основой магистерской диссертации служат методы математической статистики и регрессионного анализа – В-план второго по- рядка. Информационная база работы включает в себя учебную литературу, публикации в периодической печати, реферативную информацию, научные доклады, материалы научных исследований и web-сайтов Интернета. Основой магистерской диссертации служат собственные результаты экспериментальных исследований и расчетов. Научная новизна работы заключается в исследовании механизма твердения порошка ПМК – 75 и установлении зависимости эксплуатацион- ных свойств материала от пропорций добавляемого древесного наполнителя и связующего вещества −бишофита (хлористый магний 6−водный); экспери- ментальном определении новых значений коэффициента теплопроводности композиционного материала на магнезиальном вяжущем. Имеют научную новизну следующие результаты магистерской диссер- тации: 1. Для композиционного материала разработана регрессионная матема- тическая модель зависимости прочностных показателей от факторов процес- са производства: доли добавки древесных отходов от массы вяжущего и доли добавки бишофита от массы добавляемой воды. 9 2. Установлены особенности кинетики твердения композиционного материала на магнезиальном вяжущем. 3. Разработаны рекомендации для производства теплоизоляционных материалов на магнезиальной вяжущей основе с разной долей добавки дре- весных отходов и вяжущего вещества. Практическая значимость работы заключается в экспериментальном подтверждении возможности создания древесно-минерального композита конструкционно-теплоизоляционного назначения на основе станочной стружки хвойных пород, получении значений эксплуатационных и тепло- изоляционных свойств материала, определении экономической целесообраз- ности его производства и в разработке рекомендаций по повышению его экс- плуатационных свойств. Апробация работы. Основные положения магистерской диссертаци- онной работы были представлены на конференциях вузовского и региональ- ного уровня: Всероссийской научно−практической конференции «Научные исследования и разработки в области дизайна и технологий» 2019 г. (г. Кострома); Всероссийской научно−практической конференции «Научные исследования и разработки в области дизайна и технологий» 2020 г. (г. Кострома); 23−м областном форуме научной молодежи «Шаг в будущее» 2020 г. (г. Кострома). Публикации. По теме магистерской диссертации опубликовано че- тыре работы: Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 34 наименований, а также четы- 10 рех приложений. Основной текст работы изложен на 83 страницах машино- писного текста, включая 20 рисунков, 29 таблиц. Публикации по материалам магистерской диссертации 1. Захряпин С. А. Проблема использования древесных отходов / С. А. Захряпин, А. А. Титунин // Всероссийская научно−практическая конферен- ция «Научные исследования и разработки в области дизайна и технологий». – Кострома: КГУ, 2019. 2. Захряпин С. А. Определение рационального количества древесной стружки в древесноминеральном композите / С. А. Захряпин, А. А. Титунин // Всероссийская научно−практическая конференция «Научные исследования и разработки в области дизайна и технологий». – Кострома: КГУ, 2020. 3. Захряпин С. А. Влияние доли древесного наполнителя на прочность материалов на магнезиальном вяжущем / С. А. Захряпин, А. А. Сапунова, А. А. Титунин // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: сборник статей 71-ой Международной научно-практической конференции. — Караваево: Костромская ГСХА, 2020. — 152 с. 4. Захряпин С. А. Композиционный материал на магнезиальном вяжу- щем и мягких древесных отходах / С. А. Захряпин, А. А. Титунин // 23−ий областной форум научной молодежи «Шаг в будущее» − Кострома: Костром- ской энергетический техникум им. Ф. В. Чижова, 2020. 11 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОБЩИХ СВЕДЕНИЙ О МАГНЕЗИТЕ КАУСТИЧЕСКОМ 1.1. Магнезит, его характеристика и физические показатели Магнезит – это горная порода, распространенная практически по всему миру. Другое его название – карбонат магния или магнезиальный шпат. (Внешний вид материала представлен на рис.1) Химическая формула магнезита – MgCO 3 . Это популярный и распро- страненный минерал, который активно используется в тяжелой промышлен- ности для изготовления огнеупорных сплавов. Магнезитом также называют огнеупорный материал, в состав которого входит MgO и примеси. Рис. 1. Минерал магнезит Магнезит имеет следующие физические показатели: Обычно окрашен в серый цвет с жѐлтым отливом; Матовый блеск и стеклянный отлив; Кристаллы тригональные, ромбоэдрические; 12 Совершенная спайность; Кальциевая кристаллическая структура; Встречаются образцы неправильной формы; Плохо растворяется в воде, но хорошо в хлоре; Повышенная химическая активность. Твердость составляет 4–4,5 Плотность варьируется от 2,97 до 3,10 г/см 3 [1]. 1.2. Происхождение магнезита и его добыча Камень магнезит обнаружили в Греции, в провинции Магнасия. Осо- бенностью найденных руд было их содержание в породе половина – это окись магния, вторая половина – углекислый газ. Сегодня добыча этого природного минерала осуществляется во многих странах мира, его добычи ведутся на территории Уральских гор, на Енисее, в Саянских горах. Другие месторождения открыты в таких государствах: КНР; Бразилия; Австрия; Америка; Мексика; Греция Лидирующая страна по до- быче магнезита – это Россия. Наиболее крупное в мире месторождение ми- нерала находится в Иркутской области (представлен на рис.2).В РФ разраба- тывается рудное месторождение особого вида – каракульчатого. Он состоит из цельного массива цветных металлов. Магнезитовые агрегаты идут только на декоративные изделия. В Австралии добывают ювелирные образцы жѐл- того цвета. В Бразилии – крупные друзы. Во Франции – розовые самоцвет- ные руды. Большинство мест добычи предоставляют промышленное сырье и поделочный камень. 13 Рис. 2. Савинское месторождение в Иркутской области Залежи магнезита находят в различных по характеру образования по- родах: магматических; соленосных; ультраосновных; метаморфизм. Другие агрегаты находят в скрытых массивах зернистого фарфора. Промышленный минерал добывают среди доломитов. Добычу обычно ведут в карьерах с помощью взрывного метода. Глыбы дробят на фрагменты диаметром от 150 до 300 мм прямо на месте добычи, после чего сортируют по твердости и чистоте на три сорта. Обжиг выполня- ют в печах различного типа. Обычно используют вращающиеся или шахтные устройства с выносными топками (шахтная печь представлена на рис.3). Рис. 3.Шахтная печь 14 После обжигания при 700−1000ºС теряется до 94% углекислот, и фор- мируется каустическая магнезия в форме химически активного порошка. Ес- ли температуру обжигания увеличить до 1500ºС, получится обожженная маг- незия. У нее невысокая активность, но очень большой уровень огнеупорно- сти. После обжига сырье перемалывают в шаровых или иных мельницах. (Шаровая мельница представлена на рис.4) Каустический магнезит должен быть измельчен так, чтобы при про- хождении через сито № 02 оставалось не больше 2%, а через сито № 008 – максимум 25%.Чтобы предупредить гидратацию вещества, его пакуют в ме- таллические барабаны[2]. Рис. 4. Шаровая мельница 1.3. Применение магнезита и материалы на его основе Магнезит – это уникальная горная порода, спектр применения которой очень широк. Магнезиты активно использовались в промышленности ещѐ в древности. Образцы обжигали, газ улетучивался. Камень становился огне- упорным, что позволяло его применять во многих отраслях. Особые кристал- лы доставались мастерам ювелирного дела. В современное время магнезит используют как тонкодисперсный наполнитель в строительных смесях. Из него делают огнеупорные кирпичи, 15 которые выдерживают нагревание до 3000ºС, искусственный мрамор, магне- зитовую штукатурку, огнеупорные краски[2]. Его задействуют в производстве сахара, бумаги, электроизоляторов, фармацевтике и т. д. Поскольку магнезит является рудой магния, он служит для получения магния и его солей. Каустический магнезит служит для производства вяжущих цементов, искусственного каучука, вискозы, пластмассы. Он является важной состав- ляющей в изготовлении термоизоляционных материалов, в процессе варки целлюлозы, хорошим удобрением и т. д. Обожженную магнезию задействуют, прежде всего, в металлургиче- ской промышленности. С помощью специальных печей из нее делают плав- леныйпериклаз. Это материал с отличными тепло- и электроизоляционными параметрами, который используют в изготовлении керамики. С помощью магнезиального цемента выполняют теплые бесшовные полы, наполнителем в которых являются опилки. Они устойчивы к истира- нию, имеют малую теплопроводность, долговечны и характеризуются пол- ной гигиеничностью[3]. Разновидностями магнезиальных вяжущих веществ являются каустиче- ский магнезит и каустический доломит. Благодаря своим физи- ко−химическим свойствам, эти материалы стали часто использоваться при строительных и отделочных работах. • Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магне- зита MgC0 3 в шахтных или вращающихся печах при 650...850°С. В результа- те MgC0 3 разлагается по схеме MgCO 3 = MgO + CO 2 . Оставшееся твердое вещество (окись магния) измельчают в тонкий порошок. • Каустический доломит (рис. 5)MgO и СаСОз получают путем обжига природного доломита СаСОз * MgCO 3 с последующим измельчением его в тонкий порошок. 16 Рис.5. Доломит На основе магнезиальных вяжущих веществ изготовляют ксилолит, фибролит, штукатурные растворы, некоторые архитектурны изделия, реже — бетоны. Материалы на основе магнезиальных вяжущих получают, используя в качестве органических заполнителей древесные опилки, шерсть или струж- ки. Каустические магнезит или доломит, затворенные раствором хлористо- го магния, надежно соединяются с органическими заполнителями и защища- ют их от гниения. Цементный камень, образующийся на основе магнезиаль- ного вяжущего, является твердым раствором солей сложного состава. Имен- но на основе магнезиальных вяжущих получают различные камнеподобные материалы с заранее заданными свойствами под общим названием «магно- лит». Магнезиальные вяжущие применяют для изготовления ксилолита и фибролита. Ксилолит – искусственный каменный материал (рис. 6), полученный в результате затвердевания смеси древесных опилок и магнезиального вяжу- щего, затворенного раствором хлористого магния. В смесь вводят также до- бавки, улучшающие свойства материала, – тальк, асбест, кварцевый песок и красители. Плотность ксилолита – 1000…1200 кг/м 3 , предел прочности при 17 сжатии – 30…40 МПа, теплопроводность − около 0,3 Вт /(м∙°С). Его приме- няют для устройства бесшовных полов. Рис. 6. Ксилолит Ксилолитовые бесшовные полы устраивают из ксилолитовой смеси пластичной консистенции, приготовленной на месте производства работ. Эту смесь наносят на основание, разравнивают и уплотняют вибрацией Фибролит представляет собой теплоизоляционный материал, изготов- ленный из древесной стружки или шерсти, связанной магнезиальным вяжу- щим. Фибролитовые плиты применяют для утепления стен, перекрытий или для заполнения стен, перекрытий и перегородок каркасных зданий. Кроме горных пород магнезита и доломита в качестве сырья. Для по- лучения магнезиальных вяжущих веществ используют техногенное магнези- альное сырье более сложного химического состава. Оно является попутным продуктом добычи и переработки горных пород ультраосновного состава при получении железа, меди, алмазов, асбеста и других полезных ископаемых. По ориентировочным подсчетам на горно-обогатительных комбинатах нашей страны такого техногенного сырья скопилось более 900 млн. т. Особенно эф- фективные диоксидсодержащие продукты получают от переработки магма- тических и некоторых метаморфических пород, содержащих диоксиды. На основе такого рода попутных продуктов вырабатывают модифицированный 18 цемент Сореля, портланд-цементный клинкер, строительные пигменты, бе- тоны плотные тяжелые и пористые легкие, другие строительные материа- лы[4]. 1.4. Магнезитовые плиты, свойства и характеристики Принципиально новым стройматериалом, изготовленным на основе магнезита, являются магнезитовые плиты (рис.7). Они выполняются в форме листов толщиной 3…12 мм. Выпускаются длиной 1,83…2,44 м и в ширину составляют 0,9…1,22 м. Магнезитовая плита включает в себя несколько слоев: 1. внешний; 2. сетка из стекловолокна; 3. наполнитель; 4. армирующий стекловолоконный слой; 5. наполнитель с внутренней стороны. Рис. 7. Магнезитовые плиты 19 Наполнителем служит композитный материал, который делают путем смешивания оксидов и хлоридов магния, силикатов, органических волокон, пластификаторов и т. д. Для затворения каустического магнезита используют раствор серно- кислого или хлористого магния. В итоге получается магнезиальный цемент. Если материал затворить водой, он будет долго затвердевать, и будет не осо- бо прочным. Итоговая прочность вещества довольно высока. Раствор каустической магнезии имеет прочность до 100 кг/см 2 . Максимальная прочность приобре- тается примерно через неделю, если затвердение происходит в обычных условиях. Застывание каустической магнезии определяется тонкостью помола и температурой обжига. Материал схватывается минимум через 20 минут и максимум через 6 часов после затворения[5]. Магнезитовые плиты вобрали в себя все лучшие качества магнезита. Их плотность составляет примерно 0,95 г/см 3 . Коэффициент теплопроводно- сти равен 0,21 Вт/м. Они способны выдержать нагревание до 1200 градусов. Уровень звукоизоляции достигает 46 Дб. Водонепроницаемость доходит до 95%.Магнезитовые плиты отличаются превосходными техническими каче- ствами. Самым важным преимуществом можно считать то, что они позволя- ют выполнить ремонт без «мокрых» отделочных процессов. Достоинствами магнезитовых плит являются: влагостойкость – попадая в воду, не разбухают до 100 дней; огнеупорность – лист толщиной 6 мм удерживает огонь около 2 часов; экологичность – даже при нагревании не выделяется токсинов; морозоустойчивость; хорошая звуко- и теплоизоляция; 20 большая степень пластичности – их можно сгибать, достигая радиуса кривизны до 3 м; ударопрочность; небольшой вес – 1 м 2 средней толщины весит около 6,04 кг. отсутствие запаха; возможность применения для отделки общественных помещений. Благодаря устойчивости к действию влаги, их можно применять в от- делке ванных комнат, бассейнов и т. п. Плиты просты в обработке. Их можно резать с помощью ножовки или ножа, сверлить, крепить саморезами или гвоздями. Плиты можно покрывать любой краской, приклеивать на них плитку, обои и т. д. Монтаж магнезитовых плит не предполагает особых навыков. Их кре- пят или на металлический, или на деревянный каркас. Крепление обычно вы- полняют при помощи саморезов. Поскольку плиты прикрепляются к каркасу, между ними и стеной остается пространство. Это обеспечивает дополнитель- ную теплоизоляцию помещения. Единственным недостатком плит из магне- зита является то, что если они имеют небольшую толщину, то есть отличают- ся особой хрупкостью. Магнезитовые плиты служат отделочных материалом при: 1. облицовке стен изнутри и снаружи; 2. монтаже потолка, пола, перегородок между комнатами; 3. изготовлении заборов; 4. устройстве мягкой кровли; 5. отделке бассейнов, бань, ванных комнат; 6. сборке мебели; 7. выполнении баннеров и рекламных щитов; 8. обустройстве гостиничных комплексов, школ и т. д. [5]. 21 1.5. Магнезиальные цементы Магнезиальный цемент во многих отношениях является лучше, чем портландцемент. Повышенная прочность на изгиб, высокая прочность на сжатие, малая усадка или ее отсутствие, высокая эластичность, быстрое твердение, не требующее влажного хранения как для бетонов на портланд- цементе, хорошая износостойкость (в три раза выше, чем у портландцемен- та), стойкость к действию масел, лаков, красок, органических растворителей, щелочей, солей, включая сульфаты, очень высокая огнестойкость, абсолют- ная экологическая чистота, бактерицидные свойства –неполный перечень преимуществ этого материала. Но были обнаружены и отрицательные сторо- ны магнезиальных вяжущих, в первую очередь, их незначительная водостой- кость. Однако уникальные свойства магнезиальных цементов и бетонов на их основе, их совместимость практически с любыми видами заполнителей, в том числе органического и природного происхождения, стали поводом для многочисленных исследований и экспериментов. Исследования вяжущих си- стем на основе оксида магния позволили накопить значительные данные по улучшению свойств магнезиальных цементов и, в первую очередь, их водо- стойкости. Сегодня установлено, что цементный камень, образующийся на основе магнезиального вяжущего (представлен на рис.8), является твердым раство- ром солей сложного состава. Именно на основе магнезиальных вяжущих по- лучают различные камнеподобные материалы с заранее заданными свой- ствами − магнезиальные бетоны. 22 Рис. 8. Магнезиальный цемент В зависимости от используемых заполнителей магнезиальные бетоны обладает следующими свойствами: Механической прочностью при сжатии, на уровне самых высоко- прочных бетонов, (а при изгибе прочность превосходит бетоны в 3–5 раз без использования дополнительных армирующих материалов), а также коротки- ми сроками набора прочности – не более 3–5 дней. Кроме того, это наиболее прочный из всех известных теплоизоляционных строительных материалов на минеральных вяжущих при равной с ними плотности; Высокая ударная прочность. Магнезиальные бетоны при ударе не подвержены трещинообразования и отколу. Происходит лишь смятие участ- ка, который подвергся ударному воздействию. Высокая износостойкость. Магнезиальные бетоны имеют истира- емость в 3−5 раз выше, чем бетоны на портландцементе. Атмосферостойкостью на уровне большинства традиционных строительных материалов; Абсолютной маслостойкостью и солестойкостью (при воздей- ствие масел, нефтепродуктов, морской воды магнезиальные бетоны только набирают прочность); Декоративностью, то есть возможностью достоверно имитиро- вать многие природные материалы (от дерева до малахита), чему способству- 23 ет совместимость с различными пигментами, отличная полируемость, про- зрачность вяжущего в тонком слое; Пожаробезопасностью − при достаточной массивности конструк- ции из магнезиального бетона выдерживают пожар 5˗й категории без де- струкции материала и выделения каких-либо канцерогенных веществ; Фунгицидностью, бактерицидностью и биоцидностью, что не позволяет развиваться грибкам и бактериям, а горько-соленый вкус бишофи- та препятствует также появлению насекомых и грызунов; Обладает низкой диэлектрической проницаемостью и электро- проводностью, стабильной во времени и мало зависящей от влажности окру- жающей среды. Для производства конструкций специального назначения, предназначенных для защиты от электромагнитных излучений, этот материал незаменим. Поверхности конструкций из магнезита не электризуются и ис- ключают образование искр. Магнезиальное вяжущее и изделия на его основе являются био- логически инертными, то есть экологически безопасными. Более того, магне- зиальные вяжущие обладают определенным бальнеологическим эффектом, насыщающим воздух так же, как и морская вода. Магнезиальные напольные покрытия беспыльны, практически не имеют усадки, т.е. устраиваются сплошным покрытием не требуется нарезка деформационных швов, долговечны и высокопрочны, обладают высокой твердостью и низкой истираемостью, устойчивы к ударным нагрузкам. Об- ладают высокой адгезией практически ко всем видам органических и мине- ральных заполнителей в составе вяжущего, а также хорошим сцеплением к бетонным, кирпичным, деревянным основаниям. Уданного материала в России, где сосредоточено более половины ми- ровых запасов магнезиального сырья, могут быть большие перспективы. У магнезиальный цементов и бетонов на их основе большое будущее[6]. 24 1.6. Требования нормативно-технической документации к материалам на основе магнезита Как и любой товар, магнезит и изделия изготовленные из него должны иметь определенные физико-химические свойства, требуемые НТД. Магнезитовый лист соответствует следующим международным стан- дартам: ISO9001−2000 (приложение 1) GB/T19001−2000 (приложение 2) Санитарно-эпидемиологическое заключение (приложение 3) ГОСТ 30244−94 "Материалы строительные. Метод испытания на горючесть" (приложение 4) Рис. 9.Знаки качества Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, по окончанию испытаний, выдает Санитарно- эпидемиологическое заключение 61.РЦ.10.150.П.000750.02.08 в которой го- ворится, что противопожарная (магнезитовая) плита соответствует нормам радиационной безопасности и может применяться для всех видов строитель- ства, в т.ч. жилых и общественных зданиях. Так же выдается специальный сертификат пожарной службой. Серти- фикат подтверждает, что плита (магнезитовая плита) соответствует техниче- 25 скому регламенту о требованиях пожарной безопасности ГОСТ 30244-94 "Материалы строительные. Метод испытания на горючесть"[7]. Для порошков, использующихся в производстве магнезиального це- мента, используется ГОСТ 1216−87 «Порошки магнезитовые каустические. Технические условия»[8]. 1.7. Потребность в стройматериалах Потребность в стройматериалах на основе магнезита достаточно высо- ка, это объясняется его высокими эксплуатационными свойствами. Главным конкурентом магнезитовой плиты является гипсокартон. Совокупность свойств магнезитовой плиты (негорючесть, влагостой- кость, долговечность, прочность и т.д.) делают этот материал уникальным, а в некоторых случаях безальтернативным, но стоимость магнезитовой плиты на порядок выше стоимости гипсокартона. Перспективы развития рынка композиционных материалов на основе магнезита При применении гипсокартона в аналогичных конструкциях не дало бы такого результата и обусловлено это, в первую очередь, свойствами данного материала. Именно поэтому профессиональные строители отдают предпо- чтение магнезитовой плите, как материалу с большим запасом положитель- ных эксплуатационных характеристик. При этом затраты на устройство 1м 2 строительной площади практически идентичны с затратами на использование гипсокартона[9]. Сегодня рынок композиционных материалов (рис. 10) ак- тивно развивается, так как технологии производства композитов позволяют свободно комбинировать свойства различных материалов для получения 26 нужных характеристик жесткости, легкости, теплопроводности, упругости, устойчивости к агрессивному воздействию среды и т.д. Такая универсаль- ность достигается благодаря тому, что в этих материалах используются раз- личные органические и неорганические заполнители. В качестве органиче- ского заполнителя во многих изделиях выступают древесные отходы. Рис. 10. Мировой рынок композитов [11] 1.8. Проблема использования древесных отходов Проблема переработки древесных отходов существует давно и до настоящего времени не потеряла своей актуальности. Основными источни- ками образования отходов являются различные лесопромышленные ком- плексы и деревоперерабатывающие предприятия (рис.11). Их доля в зависи- мости от профиля предприятия и вида выпускаемой продукции может дости- гать 35−65%. В 2015 году по данным статистической отчетности 2−ТП (отходы) на территории Костромской области образовано 1 104,896 тыс. тонн отходов. Основная масса образующихся отходов представлена отходами IV − V клас- сов опасности для окружающей природной среды. Доля использованных, 27 обезвреженных отходов в общем объеме образовавшихся отходов в процессе производства и потребления в 2015 году составила 86,5 %[12]. На сегодняшний день на практике основным направлением утилиза- ции отходов является сжигание с целью получения тепловой энергии. Чаще всего древесные отходы вывозятся в отвал, что приводит к отторжению тер- риторий, увеличению себестоимости готовой продукции, повышению пожа- роопасности, загрязнению окружающей среды и ухудшению экологической обстановки, особенно в зоне деятельности крупных лесоперерабатывающих комплексов. Обоснованный подход к выбору направления утилизации вто- ричных древесных ресурсов, является одной из актуальных задач, способ- ствующих повышению эффективности производства отечественной продук- ции деревообработки. Предлагается следующий подход к решению данного вопроса: создание основ рационального лесопользования путем разработки направления использования значительного потенциала мягколиствен- ных пород и маломерной древесины при производстве продукции с высокой добавленной стоимостью; повышение эффективности отечественного производства клееных ма- териалов и плит путем комплексного подхода к проблеме утилизации древесных отходов; разработка предложений по использованию биомассы дерева на топ- ливно−энергетические нужды[13]. 28 Рис. 11. Схема образования древесных отходов 1.9. Исследования российских ученых в области композиционных материалов на магнезиальной основе Многие российские ученые занимались изучением магнезита, магнези- альных порошков и изделий на их основе. Особого внимания заслуживают две работы. Во-первых, работы Плехановой Т. А., которая занималась иссле- дованием и разработкой магнезиальных композиционных материалов, моди- фицированных сульфатными добавками. В ее работе были получены следу- ющие результаты: 1. Найдено оптимальное содержание модифицирующих добавок, вводимых в состав магнезиального вяжущего, что соответствует 20 % ангид- рита и 1 % карфосидерита. Разработанные составы имеют прочность при сжатии до 54 МПа, коэффициент размягчения 0,92 и пониженные усадочные деформации, стабилизированные во времени. 2. Была установлена карбонизация гидроксида магния в модифици- рованном магнезиальном вяжущем, приводящая к его устранению. Образо- вавшиеся карбонизированные соединения создают на поверхности новообра- зований непроницаемые для воды пленки, способствующие повышению ко- эффициента размягчения материала. 29 3. Было изучено влияние модифицированного магнезиального вя- жущего на повышение водостойкости, прочности и снижение усадочных де- формаций древесно-магнезиальных композиций. Разработанная композиция с прочностью до 22 МПа и коэффициентом теплопроводности λ = 0,21 Вт/м∙°С использована для производства древесно−магнезиального бруса. В качестве древесного наполнителя использовались частицы древесины с крупностью менее 2,5 мм, влажностью − 12%[14]. Поскольку фракционный состав стружки, получаемой в деревообрабатывающих цехах, содержит и бо- лее крупные частицы, то представляет интерес получение композиционного материала на магнезиальном вяжущем и древесных отходах без дополни- тельного сортирования. Другой немаловажный вклад, был принесен Черных Т. Н., благодаря работе по физико−химическим закономерностям получения энергоэффек- тивных магнезиальных вяжущих веществ с улучшенными характеристиками и материалов на их основе, были получены следующие результаты: 1. Качество порошков магнезиальных вяжущих нестабильно и зна- чительно отличается как по активности и содержанию свободного оксида магния (от 40 до 95 %), так и по составу остальной части вяжущего, что от- ражается на свойствах вяжущих, затрудняет работу с ними, делает практиче- ски невозможным прогнозирование свойств магнезиальных материалов на их основе и обеспечение постоянства их качества. 2. Основным критерием качества магнезиальных порошков из таких горных пород как магнезиты и бруситы, является размер кристаллов пери- клаза от 30 до 50 нм, при условии отсутствия свободного оксида кальция. 3. При гидратации хлор- и сульфомагнезиальных композиций ско- рость твердения обратно пропорциональна размеру кристаллов периклаза, а величина тепловыделения прямо пропорциональна содержанию активного оксида магния в вяжущем [15]. 30 Первый из приведенных результатов указывает на необходимость ис- пользования при изготовлении композиционных материалов качественного магнезита и проверки в лабораторных условиях в каждой партии сырья сво- бодного оксида магния. Как было отмечено в этих работах, свойства композиционного матери- ала во многом зависят от параметров наполнителя, самого магнезита и тех- нологии приготовления смеси. Поэтому проведение дальнейших исследова- ний процесса структурообразования композиционного материала на основе древесной стружки хвойных пород имеет определенное науч- но−практическое значение. 1.10. Цель и задачи исследований Композит планируется разработать из порошка минерала магнезита и древесных отходов местных предприятий, что соответствует приоритетным направлениям научно−технологического развития РФ и позволит снизить до- лю неиспользуемых древесных отходов. Ожидается, что результаты исследо- ваний будут иметь научно−практическое значение для строительного ком- плекса и позволят получить экологически чистый материал с хорошими теп- лоизоляционными свойствами. В настоящее время материалы из магнезиаль- ного порошка и древесных отходов не получили широкого применения, так как не был решен ряд вопросов. В связи с этим в моей работе поставлена следующая цель и задачи: Цель – разработка рационального состава древесно-минерального композита и конструкционно-теплоизоляционных материалов на его основе. Задачи: 1. Исследование механизма твердения магнезита каустического. 31 2. Экспериментальное исследование влияния доли древесной стружки на свойства древесно-минерального композита. 3. Исследование теплоизоляционных свойств древесно-минерального композита. 4. Обоснование рационального состава древесно-минерального компози- та. 5. Определение технико−экономических показателей производства дре- весно-минерального композита. 32 |