Костромит — теплоизоляционный материал на основе костры льна и отходов силикатного ячеистого бетона

РЕФЕРАТ. В статье рассмотрено использование льняной костры — отхода льноперерабатывающей промышленности — для производства конструкционно-теплоизоляционного материала. Предложено применять льняную костру в составе органоминеральной композиции с заменой магнезиального вяжущего и традиционного портландцемента на молотый отход силикатного газобетона и растворимый гидросиликат натрия. Такой подход позволяет получить материал с приемлемыми физико-механическими свойствами — прочностью 1,11—10,2 МПа; водостойкостью, характеризуемой коэффициентом размягчения ​0,28—0,37; коэффициентом теп­лопроводности 0,091—0,164 Вт/(м · °С); а также снизить стоимость производства данной композиции. Применение отходов льняной костры и газобетона в строительной промышленности также способствует решению экологических проблем, связанных с утилизацией этих материалов.

Ключевые слова: переработка, костра льна, строительные материалы, микроструктура, ресурсосбережение.

Keywords: reprocessing, flax hemp hards, construction materials, microstructure, resources saving.

Введение

В сельскохозяйственном производстве Российской Федерации из каждой тонны переработанного льна получается 0,5—0,6 т костры, более 900 тыс. т которой ежегодно отправляют в отвалы. При этом льняная костра является хорошим утеплителем, так как имеет низкую теплопроводность — ​около 0,037—0,040 Вт/(м · К) в сухом состоянии. Этот отход можно использовать для производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов, применяе­мых в строительстве [1—3].

Известны технологии, в которых льняную костру использовали в качестве теплоизоляционного материала, просто смешав с минеральным порошком, содержащим более 60 % карбоната и бикарбоната натрия, чтобы повысить огнестойкость композита и предотвратить появление в нем насекомых [4]. Однако такое решение подходит только для утепления горизонтальных поверхностей, например, чердачных перекрытий, а для утеп­ления вертикальных поверхностей льняную костру целесообразнее вводить в качестве заполнителя в состав органоминеральных композитов [5—7]. При этом использование льняной костры в качестве заполнителя требует ее изучения как целлюлозосодержащего растительного продукта, существенно влияющего на процессы структурообразования органоминеральных композитов, а также на их структурно-механические и строительные свойства.

К специфической особенности целлюлозосодержащих заполнителей, негативно воздействующей на структурообразование органоминеральных композитов, относится наличие экстрактивных веществ, влияющих на химическое взаимодействие минеральных вяжущих при их схватывании и твердении.

В то же время отмеченные недостатки льняной костры как заполнителя в органоминеральном композите во многом нивели­руются, так как на льнозаводах до извлечения лубяных волокон стебли льна подвергают длительной гидротермальной обработке, которая предполагает вымачивание в естественных или искусственных условиях и затем сушку. При вымачивании льняной костры значительно снижается содержание в ней экстрактивных и легкогидролизуемых веществ, ухудшаю­щих эффективность применения минерального связующего.

Костра льна, в отличие от древесины и многих других органических заполнителей, незначительно изменяется в размерах даже при длительном увлажнении, т. е. в условиях реальной эксплуатации изделий при изменении влажности окружающей среды практически полностью отсутствуют деформации органоминеральных композитов.

Традиционно в качестве минерального вяжущего при приготовлении органоминеральных композиций применяют магнезиальное вяжущее [3], однако, несмотря на высокие механические показатели, эти материалы имеют повышенную деформативность и сорбционную способность в зависимости от влажности окружающей среды. Применение известкового вяжущего при создании теплоизоляционных композитов на основе отходов льна также оказалось эффективным [8]. Коэффициент теплопроводности самых легких смесей оказался ниже 0,1 Вт/(м · К), что делает их даже менее теплопроводными, чем автоклавные ячеистые бетоны. Однако композит на основе извести и костры льна имеет высокое водопоглощение, в большинстве случаев превышающее 100 % по массе.

Разработан состав льносодержащего теплоизоляционного материала на основе портландцемента, с теплопроводностью ниже оговоренной в ГОСТ 19222—2019 (λ = 0,8 Вт/ (м · K) при плотности 500 кг/м³). Однако прочность на сжатие этого состава не более 0,21 МПа [9]. В данном случае для повышения прочности материала порт­ландцемент целесообразно использовать в сочетании с жидким растворимым стек­лом [2]. Однако щелочная среда цементного теста способствует выделению «цементных ядов» (веществ, замедляющих гидратацию цемента) из легкогидролизуемых компонентов льняной костры [10]. Предварительная минерализация льняной костры растворами хлорида кальция или жидкого стекла обеспечивает необходимые парамет­ры только на этапе производ­ства и формирования первоначальной структуры композитов. К тому же минерализация усложняет технологию производства изделий на основе костры льна.

Чтобы нивелировать отмеченные недостатки органоминеральных композиций на основе льняной костры, а также c учетом высокой стоимости магнезиальных вяжущих и портландцемента предложена их замена на молотый отход производства силикатного газобетона в составе силикатной композиции [11, 12], включающей, помимо прочего, растворимый порошок гидросиликата натрия. Эффективность использования последнего в качестве активного компонента в составах с льняной кострой ранее была подтверждена в работе [13].

При автоклавной обработке молотого кварцевого песка и гашеной извести в ходе производства газобетона формируются высокоосновные гидросиликаты кальция, которые в контакте с раствором гидросиликата нат­рия провоцируют его коагуляцию и переход в аморфную фазу, окутывающую частицы молотого силикатного газобетона [14]. Введение фосфата натрия на первых этапах растворения гидросиликата натрия позволяет частично блокировать поверхность частиц газосиликата за счет образования на его поверхности нерас­творимых фосфатов кальция, предотвращая таким образом транс­порт воды и ионов и тем самым ингибируя быструю коагуляцию раствора гидросиликата натрия [15]. Замедляющее действие фосфата натрия на процессы твердения минеральных вяжущих подробно описано не только для цементных [16], но и для гипсовых систем [17]. Применение фосфата натрия предопределяет жизнестойкость предложенного в настоящей работе состава до 90 мин.

Материалы и методы

Для приготовления силикатной матрицы в качестве базового был принят состав цементно-силикатной отделочной композиции [18]. Применявшийся состав имел сле­дующие отличия от базового:

• в нем отсутствовал портландцемент;

• для его изготовления применялся тонкоизмельченный отход производства силикатного газобетона (рис. 1, а);

• при его изготовлении вместо жидкого нат­риевого стекла применялся сухой порошок гидросиликата натрия, в результате чего стала значительно проще технология приготовления вяжущей композиции, так как отсутствовала необходимость ее двухстадийного перемешивания.

Этот состав включает в себя следующие компоненты:

• молотый отход производства силикатного газобетона — ​25 г (32 %),

• гидросиликат натрия Na₂O · 2SiO₂ · nH₂O — ​15 г (20 %),

• микрокальцит — ​9 г (12 %),

• фосфат натрия Na₃PO₄ — 6 г (8 %),

• вода — ​21 г (38 %).

Рис. 1. Отход производства силикатного газобетона (а), льняная костра (б) и поперечный срез ее волокна при 400-кратном увеличении (в)

Вяжущее указанного состава имело достаточную водостойкость и необходимое сцеп­ление с льняной кострой.

Для изготовления опытных образцов смесь всех компонентов перетирали в дисковом истирателе ИД‑200 и затворяли водой с температурой 20 °С. Водо-твердое отношение в вяжущей матрице составляло 0,38: данное количество воды обеспечивало необходимую вязкость системы, позволяющую получить однородную массу при перемешивании с льняной кострой. После приготовления раствора вяжущей матрицы в состав материала добавляли льняную костру и смесь тщательно перемешивали вручную. Смесь твердела в нормальных условиях в лаборатории.

В работе применялась льняная костра, в основном соответствующая требованиям ГОСТ 19222—2019 «Арболит и изделия из него. Общие технические условия» (за исключением того, что в ней содержалось 8 % волокон длиной до 4—6 см), полученная с Вавожского льноперерабатывающего завода (Удмуртская Республика). Для приготовления экспериментальных образцов использовались отсевки, полученные после ситового анализа и прошедшие через сито с диамет­ром отверстия 5 мм. Применяемая фракция имела среднюю длину час­тиц 8 мм, средний диаметр волокон 0,8 мм (рис. 1, б, в).

Средняя плотность костры составила 110 кг/м³, ее влажность после хранения в лаборатории при относительной влажности воздуха 54 % не превышала 8 %.

Для определения физико-механических характеристик разработанной композиции готовили образцы-балочки размерами 40 × 40 × 160 мм, которые испытывали на гид­равлическом прессе ПГМ‑100 МГ4-А с допустимой нагрузкой 100 кН при скорости нагружения 0,5 МПа/с. Перед испытанием на сжатие образцы высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 °C после предварительного твердения в течение 7 сут.

Также эти образцы использовали для определения средней плотности композиции и показателей водостойкости. Коэффициент размягчения определяли после выдержки в воде половинок образцов-балочек в течение 24 ч.

Коэффициент теплопроводности композиции определяли при помощи измерителя теп­лопроводности стационарным методом ИТС‑1 на образцах размерами 100 × 100 × 20 мм.

Микро- и макроструктуру материалов изу­чали с использованием сканирующих электронных микроскопов PHENOM G2 pure и Quattro S и микроскопа Levenhuk DTX 30 соответственно.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 показана микроструктура отходов силикатного газобетона и вяжущей мат­рицы на основе молотого ячеистого газобетона.

Рис. 2. Микроструктура силикатного газобетона (а) и вяжущей матрицы на основе молотого ячеистого газобетона (б), определявшаяся с использованием электронных микроскопов PHENOM G2 pure и Quattro S и микроскопа Levenhuk DTX 30 соответственно

Типичные продукты взаимодействия тонкомолотого кварца и извести в гидротермальных условиях — ​гидросиликаты кальция [18]. В микроструктуре силикатного газобетона в ходе взаимодействия между молотым кварцевым песком и гидроксидом кальция, как правило, формируются крупные кристаллические новообразования (рис. 2, а), характерные для высокоосновных гид­росиликатов.

В вяжущей матрице исследуемого композиционного материала (костромита) образуются мелкокристаллические и аморф­ные структуры (рис. 2, б), которые окутывают льняную костру, склеивая ее частицы друг с другом, и способствуют их агломерации в органоминеральную композицию, одновременно блокируя доступ воды к поверхности костры.

Результаты энергодисперсионного анализа структуры силикатной матрицы приведены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты энергодисперсионного анализа кристаллогидратных новообразований в структуре силикатной матрицы

Макроструктура фрагмента теплоизоляционного материала приведена на рис. 4, где видны форма частиц льняной костры и характер их связывания с помощью силикатной композиции. Исследование микроструктуры композиции под микроскопом Levenhuk DTX 30 при 200-кратном увеличении позволило установить, что толщина минеральной прослойки в контактной зоне между отдельными частицами льняной костры — в пределах 80—140 мкм.

Рис. 4. Макроструктура теплоизоляционной композиции: а — ​характер минеральной связки частиц льняной костры в композите (50-кратное увеличение), б — ​толщина минеральной прослойки в контактной зоне между отдельными частицами льняной костры (200-кратное увеличение)

Необходимые долговечность, прочность и водостойкость органоминеральных композиций с заполнителем из льняной костры на базе силикатной композиции обес­печивают­ся за счет коагуляции растворимого натриевого стекла. Удобоукладывае­мость смеси на этапе затворения и работы со смесью достигается за счет блокировки поверхности молотого силикатного газобетона раствором Na₃PO₄. При этом формирование структуры теплоизоляционного материала заканчивается через 45—60 мин после затворения в зависимости от содержания Na₃PO₄ в композиции, что поз­воляет повысить оборачиваемость форм при производстве штучных изделий в виде блоков или плит. Свойства (в сухом состоянии) композиционных материалов на основе льняной кос­тры с использованием в качестве минеральной связки трех видов композиций — ​на магнезиальном вяжущем, цементно-силикатной композиции и с использованием молотого силикатного газобетона — ​приведены в таблице.

Материал на магнезиальном вяжущем имеет избыточную для конструкционно-теп­лоизоляционных материалов прочность. Необходимая прочность для теплоизоляцион­ных изделий регламентируется в основном нагрузками, возникающими при их транс­портировании. Использование цементно-силикатной композиции в качестве вяжущего нерационально по стоимости состава и необходимости выдержки композиции в формах до ее полного схватывания. Применение композиций на основе молотого отхода силикатного газобетона нивели­рует эти недостатки. Их прочность на сжатие составляла 1,11—10,2 МПа. Среднеквадратическое отклонение при обработке результатов прочности на сжатие соответствовало ±0,2 МПа.

Таким образом, применение компо­зи­цион­ного силикатного состава в каче­стве вяжущего при изготовлении композиций с применением костры льна позволяет улучшить физико-механические свойства получаемого материала. Кроме того, использование в составе материала не только отходов льноперерабатывающей промышленности, но и второго техногенного материала — ​отхода производства ячеистого газосиликата — ​позволит существенно повысить экономическую эффективность разрабатываемой теплоизоляционной композиции.

Полученные экспериментальные результаты можно применять на практике при производстве теплоизоляционных материалов для возведения, реконструкции и ремонта жилых и промышленных зданий в сегменте малоэтажного строительства, доля которого во всех вводящихся в эксплуатацию площадях оценивается не менее чем в 30 %. По данным Росстата, более 60 % вводящегося нового жилья — ​малоэтажное. Кроме того, малоэтажное строительство — потенциальный сегмент для внедрения инноваций в области строительных материалов, в том числе теплоизоляционных.

Дополнительно отметим, что при утилизации льняной костры улучшается экологическая обстановка — уменьшаются площади ее отвалов, предотвращаются возможные возгорания или последствия гниения при хранении в них. 

Использование в составе органоминеральной композиции второго вида техногенного материала — ​отходов производ­ства силикатного ячеистого бетона — ​также предопределяет практическую значимость данного исследования. Экологическая эффективность предложенных разработок обусловлена возможностью использовать отходы производства газобетона. В 2023 году его доля в общем объеме производства стеновых штучных материалов составила 54 %, при этом их рынок в целом с 2001 года увеличился в 2 раза [19].

Выводы

Использование льняной костры и отходов силикатного газобетона позволяет создавать экологически устойчивые конструкционно-теп­лоизоляционные материалы, характери­зую­щиеся высокой прочностью, водостойкостью и теплопроводностью.

Заменяя традиционные вяжущие на молотый газобетон и растворимый гидросиликат натрия, можно снизить затраты на производство материалов, при этом сохраняет­ся их технологичность и обеспечиваются достаточные эксплуатационные характеристики: проч­ность 1,11—10,2 МПа, водо­стойкость (характеризуемая коэффициентом размягчения ​0,28—0,37), коэффициент теп­лопроводности 0,091—0,164 Вт/(м · °С).

Реализация предложенной технологии производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов повысит его экономическую эффективность и будет способствовать утилизации значительных объемов отходов предприятий, перерабатывающих лен и производящих строительные материалы, что уменьшит их негативное экологическое воздействие на окружающую среду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бернацкий А.Ф., Смирнова О.Е. Использование отходов льнопереработки для производства теплоизоляционных изделий // Изв. вузов. Строительство. 2007. № 3. С. 26—31.

2. Смирнова О.Е. Теплоизоляционные материалы на основе костры льна: дисс. … канд. техн. наук. Новосибирск, 2007. 137 с.

3. Лыткина Е.В. Костролитовые и ксилолитовые строительные материалы на основе магнезиальных вяжущих веществ с минеральными добавками. Новосибирск, 2011. 191 с.

4. Antczak E., Asli M., Brachelet F., Brue F., et al. Monitoring and thermal characterization of flax shives for building thermal insulation // Acad. J. Civil Engin. 2017. Vol. 35, N 2. P. 643—650. DOI: https://doi.org/10.26168/icbbm2017.97.

5. Krishna P.G., Pedram S. Mechanical behavior of flax-lime concrete blocks made of waste flax shives and lime binder reinforced with jute fabric // J. of Building Engin. 2020. Vol. 29. P. 101187. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101187.

6. Brzyski P., Kosiński P., Zgliczyńska A., Iwanicki P., et al. Mass transport and thermal conductivity properties of flax shives for use in construction industry // J. Natural Fibers. 2019. Vol. 18, N 7. P. 995—1006. DOI: https://doi.org/10.1080/15440478.2019 . 1675216.

7. Benmahiddine F., Cherif R., Bennai F., Belarbi R., et al. Effect of flax shives content and size on the hygrothermal and mechanical properties of flax concrete // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 262. P. 120077. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120077.

8. Brzyski P., Barnat-Hunek D., Suchorab Z., Łagód G. Composite materials based on hemp and flax for low-energy buildings // Materials. 2017. Vol. 10, N 5. P. 510. DOI: https://doi.org/10.3390/ma10050510.

9. Кузнецов Д.В., Поварова О.А. Использование льняной костры как сырья для производства плитного утеплителя // Вестн. Вологодск. гос. ун-та. Серия: Технические науки. 2020. № 1 (7). С. 57—60.

10. Джумабаев М.Д. Легкий арболитобетон на основе композиционных цементозольношламовых вяжущих и твердых органических отходов (на примере побочных продуктов сельского хозяйства Республики Казахстан): дисс. … канд. техн. наук. Иваново, 2016. 153 с.

11. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Саидова З.С., Гинчицкая Ю.Н. и др. Сухая смесь для приготовления фасадной силикатной краски // Строительные материалы. 2023. № 3. С. 12—19.

12. Белов И.А., Богданова Н.П., Власенко Ж.Н., Федосов Н.Н. и др. Использование отходов автоклавного ячеистого бетона в технологии производства конструкционно-теплоизоляционных материалов и растворных смесей // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 22—26.

13. Cerny P., Babenko M., Bartos P., et al. Complex study of the composite building material based on flax straw organic waste: hygrothermal and physicochemical properties // Waste Biomass Valor. 2024. Vol. 15. P. 2231—2247. DOI: https://doi.org/10.1007/s12649-023-02273-7.

14. Яковлев Г.И., Шайбадуллина А.В., Полянских И.С., Горди­на А.Ф. и др. Многофункциональные декоративно-отделочные силикатные композиции. М.: Изд-во МИСИ — ​МГСУ, 2024. 176 с.

15. Яковлев Г.И. Структурная организация межфазных слоев при создании кристаллогидратных композиционных материа­лов: дисс. … д-ра техн. наук. Пермь, 2004. 289 с.

16. Zhang T., Ma B., Tan H., Qi H., et al. Effect of sodium carbonate and sodium phosphate on hydration of cement paste // J. Building Engin. 2022. Vol. 45, 2022. P. 103577. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103577.

17. Гришковец В.И., Норкин А.С., Яковишин Л.А., Корж Е.Н. Влияние фосфатов натрия на процесс отверждения гипса // Ученые записки Крымского федерального ун-та им. В.И. Вернадского. Биология. Химия. 2019. Т. 5 (71), № 4. C. 262—269.

18. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высш. школа, 1981. 335 с.

19. Рынок газобетона в России [Электронный ресурс]. URL: https://laifhouse.ru/stati/rynok-gazobetona-v-rossii (дата обращения 31.01.2025).