ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕРУДНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УЗБЕКИСТАНА ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ОГНЕУСТОЙЧИВЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье разработан научно-технологический принцип получения композиционных огнеустойчивых материалов на основе нерудного сырья- вермикулита Тебинбулакского и серпентинит Кутчинского  месторождения  и микрокремнеземистого отхода АО «Узметкомбината», состоящий из стадий технологических процессов: измельчения и дробления, перемешивания исходных компонентов до образования однородной консистенции в определенных условиях, а также из упаковки готовой огнеустойчивой композиции на полиэтиленовые емкости. Была разработана технология приготовления огнезащитных композиций на основе органоминеральных ингредиентов из местных сырьевых ресурсов и отходов производств, позволяющих получать огнеустойчивые композиции с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Установлено, что применение разработанных композиционных огнеустойчивых покрытий позволяет сохранять исходную структуру и прочностные свойства строительных конструкций, а также обеспечивают повышение предела огнестойкости металлических конструкций в 2 раза.

ABSTRACT

This article develops a scientific and technological principle for obtaining composite fire-resistant materials based on non-metallic raw materials - vermiculite of Tebinbulak and serpentinite of the Kutchinskoye deposit and microsilica waste of Uzmetkombinat JSC, consisting of stages of technological processes: grinding and crushing, mixing of initial components to the formation of a homogeneous consistency in certain conditions, as well as from packaging of the finished fire-resistant composition on polyethylene Capacity. A technology for preparing fire-retardant compositions based on organomineral ingredients from local raw materials and industrial waste has been developed, allowing for the production of fire-resistant compositions with high physical-mechanical and operational properties. It has been established that the use of the developed composite fire-resistant coatings makes it possible to preserve the original structure and strength properties of building structures, and also provide a 2-fold increase in the fire resistance rating of metal structures.

Ключевые слова: вермикулитовая порода, серпентинит, микрокремнезём, Na-карбоксиметилцеллюлоза, жидкое стекло, композиционный огнеустойчивый материал, огнезащитная свойства, плотность.

Keywords: vermiculite rock, serpentinite, microsilica, Na-carboxymethylcellulose, liquid glass, composite refractory material, fire-retardant properties, density.

Введение. Пробелемы возникающие от возникновения пожаров, которые становятся причиной многомиллионных убытков и нарушений жизни деятельности  людей, загрязнение окружающей среды до сих пор являются актуальной задачей. Наибольшие убытки от пожаров  характерны для таких пожароопасных объектов как - хлопковые пункты и зернохранилища, газо - нефтехранилища, железнодорожные вагоны и контейнеры. Для этого следует повысить требования проектных организаций к противопожарным нормам в процессе проектирования зданий и сооружений, а также вести разработку новых видов огнезащитных составов и материалов на основе местного сырья и отходов производств. Снижение потерь от пожаров за счет разработки и усовершенствования средств огнезащиты конструкций и материалов является актуальной задачей сегодняшнего дня [1, 2, 3].

В Узбекистане  отсутствует предприятия производящие композиционные огнеустойчивые материалы, поэтому потребность в таких материалх покрываются за счет импорта, для чего расходуются большие валютные средства. В тоже время, обладая большой потенциальной сырьевой базой, вполне реальна возможность создания производства композиционных огнезащитных материалов и изделий, которые по качеству не уступают импортным аналогам [4, 5].

Огнеупорные материалы отличаются способностью сохранять свои свойства в условиях эксплуатации при высоких температурах и служат в качестве конструкционных материалов и защитных покрытий. Но на сегодняшний день для изготовления огнеупорных материалов в мире используют разнообразные технологии. Среди них преобладающим является технология, включающая предварительную тепловую обработку и измельчение компонентов, приготовление шихт с добавлением пластифицированных составляющих, формование из них изделий прессованием на механических и гидравлических прессах или экструзией с последующей допрессовкой или литьем, реже в периодических и газокамерных печах для получения заданных свойств огнеустойчивых материалов [5, 6]. Для увеличения пределов огнестойкости строительных конструкций нами разработаны эффективные составы композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного сырья и отходов производств.

Объекты и методы исследования. Разработанные композиционные огнеустойчивые материалы применяются для покрытия деревянных, бетонных и металлических конструкций. Составы композиционных огнеустойчивых материалов включают в себя следующие ингредиенты: вспученный вермикулит, серпентинит, микрокремнезем, пластификатор С-3, ПАВ, Na-КМЦ и жидкое стекло. Для получения вспученного вермикулита в работе исследовались пробы вермикулитового концентрата Тебинбулакского месторождения республики Каракалпакстан. Химический состав вермикулитового концентрата усредненной пробы выполнен на волнодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре. Термогравиметрический анализ проведен с помощью термоаналитической системы TGA/DSC–1/1600 HF фирмы METTLER TOLEDO Instuments (Шведцария) при скорости подъема температуры 10 °С в мин и погрешности ±(1–2) %. Рентгенофазовый анализ тонкоизмельченной пробы вермикулита проводился на рентгеновском диффрактометре типа ДРОН–3.

При разработке композиционных теплоизоляционных огнеустойчивых составов в качестве пористого наполнителя использован вспученный вермикулит, полученный обжигом вермикулитового концентрата.

Теплопроводность и физико-механические композиционных строительных смесей определяли по ГОСТ 16363-98 «Методы определения огнезащитных свойств».

Для разработки научно-технологических принципов получения композиционных огнеустойчивых материалов на основе вермикулита, серпентинита и микрокремнезема, основные компоненты перед дроблением подсушивается до 3% влажности и сортируется. В данной работе для получения вспученного вермикулита был использован способ, разработанный авторами работ [7]. Процесс обжига концентрата также осуществлялся при температуре 700⁰С, по методике [7-8]. Сопоставление характеристик вспученного вермикулита показало, что по технологическим свойствам опытная проба отвечает требованиям ГОСТ12865-67.

Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования показали, что именно в совместном сочетании компонентов предлагаемой композиции: вспученного вермикулита, серпентинита, микрокремнезёма, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, силиката натрия, ПАВ с добавлением пластификатора С-3 наблюдается эффект вспучивания при воздействии огня на образец. Именно эти свойства позволяют использовать данную композицию для получения огнезащитного состава. Благодаря этим свойствам разработанные композиционные огнезащитные материалы позволяют перевести древесину в разряд трудносгораемых материалов.

В таб.1 приведены важнейшие свойства полученных композиционных огнеустойчивых материалов.

Таблица 1.

Важнейшие свойства полученных композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного сырья и отходов производств

Анализируя результаты табл.1, видно, что полученные композиционные огнеустойчивые материалы полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 59273-2020 «Огнезащитный состав (покрытие)» и могут применяться для окрашивания деревянных и металлических поверхностей.

На основе вышеприведенных исследований разработан научно-технологический принцип, состоящий из стадий технологических процессов получения композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного и вторичного сырья, который приведен на рис.1.

Рисунок 1. Научно-технологический принцип получения огнеустойчивых композиций на основе местного и вторичного сырья

Известно, что огнеустойчивые композиционные материалы имеют сложную надмолекулярную структуру [9, 10, 11, 12], которая в значительной степени определяет их физико-механические и технологические свойства при эксплуатации в различных условиях. При этом свойства строительных конструкций существенно зависят от технологических режимов и способа получения огнеустойчивой композиции.

В производственных условиях нами для получения композиционных огнеустойчивых покрытий из минеральных горных пород и отходов производств, являющих основой долговечности и работоспособности строительных конструкций, рекомендуются использовать в качестве матрицы вязкотекучего жидкого стекла. Важнейшими показателями, определяющими надежность и долговечность огнеустойчивых покрытий, являются адгезионная и когезионная прочности, внутренние напряжения, которые в значительной степени зависят от подготовки поверхности металлического или деревянного субстрата под покрытие, и особенно в производственных условиях.

Используемые в качестве матрицы натриевое жидкое стекло хранили в закрытой таре в металлических или пластмассовых емкостях, срок хранения которого лимитируется коагуляцией коллоидного раствора силиката натрия и не более одного года. Полученная композиционная огнеустойчивая покрытия серого цвета, с плотностью 1,60 г/см³, без запаха, не токсична, точка воспламенения отсутствует, а также продукт термодеструкции - водяной пар [10, 11, 12, 13].

На рис.2 изображена разработанная технологическая линия для получения композиционных огнеустойчивых покрытий на основе местного сырья и отходов производств.

1, 6, 7 -емкость для вермикулита, микрокремнезёма и серпентинита; 2, 3, 4, 5 - емкость для ПАВ, С-3, жидкого стекла и Na-КМЦ; 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 – дозаторы (весовой мерник); 15 - измельчитель; 16- смеситель; 17- перетирочная машина; 18 –упаковочная тара; 19- готовый огнеустойчивый материал

Рисунок 2. Разработанная технологическая линия для получения композиционных огнеустойчивых покрытий на основе местного сырья и отходов производств

Рассмотрим принцип работы данной технологической линии. При непрерывном процессе минеральные слюдистые материалы и наполнители поступают из емкостей 1, 6, 7 в дозаторы (весовые мерники) 8, 9, и 10, где исходные компоненты дозируются в определенном соотношении, затем из дозаторов поступает в измельчитель 15. Далее к этим измельченным компонентам добавляются 5%-ный водный раствор Na-КМЦ и смешиваются с добавлением пластификатора С-3, ПАВ и жидкого стекла. Одновременно через дозаторы поступают в перетирочной машине, и готовая однородная огнеустойчивая композиция упаковываются в полиэтиленовые емкости.

Разработанная технология производства композиционных огнеустойчивых материалов позволит наладить их выпуск в Узбекистане, тем самым ликвидировать дефицит огнезащитных средств в промышленности, позволяя отказаться от импорта данного вида продукции из-за рубежа.

Исходя из вышеизложенного, разработка композиционных огнезащитных составов и технологии получения композиционных огнеустойчивых материалов, преимущественно для строительных конструкций, на основе вспученного вермикулита, серпентинита и отходов производств перспективна, а также позволяет повысить огнезащитную эффективность и расширить номенклатуру отечественных огнезащитных материалов. Кроме этого, снизить их стоимость и исключить дефицитные материалы, частично заменяя их отходами производства.

Заключение. Таким образом, огнезащитные свойства строительных конструкций является задачей первостепенной важности при возведении зданий и сооружений любого масштаба. Особенно быстро нагреваются металлические конструкции, что заметно снижает их прочностные свойства. Воздействие высоких температур во время пожара и прилагаемые на конструкции нагрузки интенсивно развивают температурные деформации, пластичность, изменение поперечного сечения несущих элементов, что приводит к быстрому их обрушению. Поэтому необходимо использовать огнезащитные покрытия при строительстве зданий и сооружений. Разработан научно-технологический принцип и технология получения композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного и вторичного сырья для применения в строительной отрасли промышленности. Выявлено, что разработанная композиционная огнезащитного покрытия полностью отвечают требованиям ГОСТ Р 53295-2009, ГОСТ 18958-73, ГОСТ 30244 -94, предназначенный для огнезащиты деревянных и металлических конструкций и переводят их в класс трудно сгораемых материалов.

Список литературы:

1. Белых С.А., Зайцева Ю.В., Скоков Д.В. Огнезащитная композиция с тонкодисперсными наполнителями из вторичных минеральных ресурсов // Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007. - С. 154-155.
2. Кадырова З.Р., Пирматов Р.Х., Эминов А.А. Перспективные сырьевые ресурсы Узбекистана для получения огнеупорных материалов. Новые огнеупоры. 2019;(7):8-11. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-7-8-11.
3. Голованов В.И. и др. Строительные конструкции и материалы: исследование огнестойкости, пожарной опасности, средств огнезащиты // Пожарная безопасность. -2012. -№ 2. - С. 79 -88.
4. Андронова В.И., Арифов П.А., Таджиев К.Ф., Арифов Ш.П. Огнезащитные краски на основе вермикулита Тебинбулакского месторождения. // Композиционные материалы. - Ташкент, 2005. -  №4. – С. 91-94.
5. Юнусов М.Ю., Алимов Б.Б. Исследование пригодности местного минерального сырья в качестве основы огнезащитных материалов // Современные проблемы экологии и охраны окружающей среды и биотехнологии” Материалы международной конференции, г. Ташкент, 15-16 июня 2022. – С. 1066-1068.
6. Ершова О.В., Ивановский С.К., Чупрова Л.В., Бахаева А.Н. Минеральные техногенные отходы как наполнитель композиционных материалов на основе полимерной матрицы // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 6-2. – С. 196-199.
7. Андронова В.И. Огнестойкие и теплоизоляционные материалы на основе вермикулитовой породы Тебинбулакского месторождения. Автореф. дис. … канд. тех. наук. Ташкент, 2008. - 27 с.
8. Патент РУз № IAP 20040444.Способ вспучивания вермикулита и агрегат для его осуществления. /Арифов П.А., Таджиев К.Ф., Андронова В.И., Арифов Ш.П../ Официальный Бюллетень. – Ташкент, 2007.- №12. – С. 120.
9. Арцыбашева О.В., Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б. Современные тенденции в области огнестойкости деревянных зданий и сооружений // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. №8 (145). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-tendentsii-v-oblasti-ognestoykostide revyannyh-zdaniy-i-sooruzheniy.
10. Белых С.А., Лебедева Т.А., Зайцева Ю.В., Красичкова К.В. Оптимизация свойств жидкого стекла для получения жаростойких ячеистых материалов // Актуальные проблемы современного строительства. Строительные материалы и конструкции: материалы междунар. научно-техн. конф. Пенза, 2005. - С. 252 – 256.
11. Юнусов М.Ю., Алимов Б.Б., Камолов Л.А. Разработка огнезащитных покрытий на основе местного сырья // Сборник материалов научно-практической конференции на тему «Современные решения по предупреждению и эффективному ликвидации чрезвычайных ситуаций в научных исследованиях в области точных и естественных наук» в Академии Министерства по чрезвычайным ситуациям, 30 октября 2024 г., - С. 176-180.
12. Еремина Н.В. Огнезащитные композиции на основе жидкого стекла и механически активированных оксидов алюминия и магния: Автореф. дис. … канд. тех. наук. Томск, 2007. - 19 с.
13. Контроль огнезащитных свойств покрытий на объектах защиты: Метод. пособие. - М.: ВНИИПО, 2017. - 35 с.