«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ЛЕСОПИЛЕНИЯ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ...»

Указанные выше частицы стружки, с одной стороны, могут играть роль армирующих элементов древесно-цементного материала и повышать его прочность, по аналогии с известными дисперсно-армированными композитными материалами.

С другой стороны, на стадии изготовления древесно-цементного материала при заполнении форм древесно-цементной смесью и при последующем уплотнении данной смеси частицы стружки функционируют как упругие элементы, сопротивляясь уплотнению смеси. После уплотнения эти частицы будут проявлять тенденцию к восстановлению своей формы, создавая тем самым пустоты в материале, увеличивая его объем и ослабляя структуру цементного камня в начальной стадии его формирования. Это одна из причин известных ограничений16,17, согласно которым коэффициент формы, равный отношению наибольшего размера древесной частицы к наименьшему размеру не должно превышать восьми.

Представленные выше особенности опилок могут стать причиной различий физико-механических свойств древесно-цементных материалов и, как следствие, более или менее эффективного использования отходов лесопиления. Исследование этих особенностей технологии древесноцементных материалов и учет связанных с этими особенностями закономерностей функционирования данных материалов может быть использовано для управления плотностью, прочностью и другими физикомеханическими свойствами материалов этого класса в целях повышения их конкуретноспособности.

измельченной древесины и цемента, ряд других компонентов18. Каждый из этих компонентов вносит свой вклад в прочность, жесткость, плотность и другие характеристики материала. Поэтому, чтобы получить достаточно полное представление о влиянии каждого из этих компонентов, необходимы соответствующие количественные оценки. Такие оценки могут быть получены, например, с применением методов планирования эксперимента, что показано, например, в работе19. Обзоры работ и ГОСТ Р 54854-2011. Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения.

Технические условия.

СН 549-82 Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита.

Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции // Л.: Стройиздат, 1990. 415 с.

Пошарников Ф.В., Филичкина М.В. Анализ структуры смеси для опилкобетона на основании многофакторного планирования эксперимента // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2010. № 1. С. 111-114.

существующие проблемы в данной области, предлагаемые технические например, в статьях20, 21, 22. Однако в известных работах остался характеристики опилок как сырья для древесно-цементных смесей, в том числе на прочность, жесткость и плотность строительных материалов, характеристики древесно-цементного материала зависят от особенностей частицами измельченной древесины и вяжущим, в качестве которого в данной работе использован портландцемент.

Об особенностях функционирования частиц измельченной 1.3.

древесины в древесно-цементном материале Измельченную древесину, используемую в качестве основного термином «древесный заполнитель». В данной работе рассматривается древесно-цементный композитный материал, который по известной Филичкина М.В., Абрамов В.В., Самошин Д.С., Фролов Г.А. Особенности опилок как наполнителя при производстве материалов из древесных отходов // Лесотехнический журнал. 2013. № 2 (10). С. 26-30.

Руденко Б.Д. Свойства древесно-цементной композиции при использовании прямоугольной стружки // Лесной журнал. 2009. № 1. С. 90-94.

Morteza Nazerian, Mohammad Dahmardeh Ghalehno & Ebrahim Gozali (2011): Effects of wood species, particle sizes and dimensions of residue obtained from trimming of wood–cement composites on physical and mechanical properties of cement-bonded particleboard // Wood Material Science & Engineering, 6:4, 196-206.

URL: http://dx.doi.org/10.1080/17480272.2011. Шешуков А.П., Романова Т.И. Роль массопереноса в структурообразовании системы «вяжущее – древесный заполнитель» // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2007, № 2. С. 199-207.

ГОСТ Р 54854-2011. Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения.

Технические условия.

заполнителя в рассматриваемых далее случаях использованы опилки хвойных пород. К таким бетонам относится, в частности, арболит, результаты исследований которого, начиная с 1924 г., обобщены и совершенствуется и, соответственно, изменяются характеристики опилок, что влияет на прочность композита и требует продолжения исследований.

Кроме того, появляются новые микро- и нано-модификаторы, применение которых позволяет повысить конкурентоспособность древесно-цементных материалов25.

Древесный заполнитель имеет ряд ценных свойств: небольшая плотность, достаточно высокая прочность, низкая теплопроводность, легкость обработки, доступность. Однако имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение древесно-цементного материала высокой прочности. К специфическим особенностям древесного заполнителя26, отрицательно влияющим на процессы структурообразования, прочность и воздействиям относятся: низкая адгезия по отношению к цементному камню (0,25–0,35 МПа); химическая агрессивность по отношению к цементному камню в стадии его твердения; существенные деформации частиц наполнителя при изменении их влажности; значительная упругость, затрудняющая технологию уплотнения древесно-цементной смеси резко выраженная анизотропия.

При изучении свойств древесно-цементных материалов полезной оценка получена в указанной выше книге в предположении, что все Лукутцова Н.П., Горностаева Е.Ю., Карпиков Е.Г. Древесно-цементные композиции с минеральными микронаполнителями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2011. №3. С. 21-23.

Tiemann, H. D. Wood technology // Pitman Publishing Corporation. 1942. 316 pp.

параллелепипеда размерами :

Исследования, обзор которых приведен в указанной выше книге И. Х. Наназашвили, позволили установить, что древесина содержит легко экстрагируемые водой вещества, которые препятствуют набору прочности при затвердевании цемента. Поэтому многие работы в данной области были ориентированы на нейтрализацию вредного влияния этих веществ.

Было установлено, что отрицательное воздействие оказывают, прежде всего, сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способная при определенных условиях трансформироваться в эти сахара. В меньшей степени опасны содержащиеся в древесине крахмал, смолы и танниды (распространённые в растениях соединения, относящиеся к дубильным веществам). Активизации этих веществ способствует щелочная среда цементного теста. Количество этих веществ варьируется в значительных продолжительности и условий ее хранения и предварительной обработки.

Частицы опилок деформируются под воздействием влажности, изменяющейся в процессе твердения и сушки древесно-цементного материала. Для крупных древесных частиц влияние влажности больше по сравнению с мелкими частицами. По этой причине может повреждаться структура цементного камня, а указанные выше экстрагируемые вещества уменьшают адгезию цемента, препятствуют его нормальной гидратации и замедляют тем самым процесс набора прочности древесно-цементного материала.

заполнителя из ели имеют то преимущество, что величина силы его сцепления с цементным камнем больше, чем у заполнителя других пород.

Кроме того, древесина ели имеет более однородную структуру по сравнению с древесиной других пород, в частности, меньшие различия ранней и поздней древесины. Поэтому при изменении влажности в процессе твердения и сушки древесно-цементного материала в контактных зонах его структуры уменьшаются влажностные деформации вследствие большей однородности структуры.

Низкую силу сцепления с цементным камнем имеет древесина лиственницы, что можно объясняется не только большим содержанием легкогидролизуемых и экстрагируемых веществ, но и большей разницей влажностных деформаций ранней и поздней древесины, чем у ели и сосны.

Как отмечено в указанной выше книге того же автора, повысить прочность древесно-цементного материала можно путем воздействия на структурообразование данного материала с учетом всех специфических особенностей древесного заполнителя. Недавно опубликованные работы показали, что новые способы такого целенаправленного воздействия существуют и что реализация этих способов технически возможна и компонентов.

Лукутцова Н.П., Горностаева Е.Ю., Карпиков Е.Г. Древесно-цементные композиции с минеральными микронаполнителями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – Белгород, 2011. №3. С. 21-23.

Андреев А.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Сюнёв В.С. Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2-2 (7-2). С. 292-296.

Предварительная обработка древесного заполнителя 1.4.

В литературе можно найти множество рекомендаций по составу древесно-цементных смесей рассматриваемого класса. Как итог многочисленных экспериментальных исследований, можно считать установленной необходимость использования в древесно-цементных смесях компонентов, которые уменьшают набухание и усушку древесных частиц, а также нейтрализуют полисахариды и ускоряют твердение цементного компонента. Такое комплексное воздействие оказывают растворы хлорида алюминия, сульфата алюминия, хлорида кальция и другие вещества.

Например, по данным из книги И. Х. Наназашвили предварительная обработка древесного заполнителя раствором хлорида алюминия позволяет повысить прочность древесно-цементного материала на 10-11%.

Объясняется это тем, что в присутствии целлюлозы протекает реакция выделения соляной кислоты AlCl3 + 3Н2О = Аl(ОН)3 + 3НСl. Образующийся гидроксид алюминия адсорбируется целлюлозой. Адсорбирование целлюлозой гидроксида алюминия ведет к уменьшению гидрофильности древесины. В цитируемой книге отмечается, что соляная кислота «гидролизует легко растворимые сахара в присутствии портландцемента, переводя их, по мнению ряда исследований, в менее растворимую форму – сахараты кальция».

В данном случае можно считать, что имеет место имеет место кольматация (от итал. соlmata – наполнение, насыпь), т.е. процесс проникновения (осаждения) мелких частиц гидроксида алюминия в поры и трещины древесных частиц. Тем самым на поверхности древесных частиц создаётся барьер, уменьшающий водопроницаемость.

Как показали исследования И. Х. Наназашвили, у древесного заполнителя, обработанного раствором хлорида алюминия, резко уменьшалось набухание, особенно в первые часы. За счет этого уменьшаются деформации древесного заполнителя и разница давлений при набухании и усушке, что делает структуру древесно-цементного материала более однородной, уменьшает количество микротрещин и, как следствие, повышает прочность данного материала. Таким образом, камень», выступая как стабилизатор размеров (кольматация уменьшает набухание и усушку), как нейтрализатор экстрагируемых из древесины сахаров, а также как ускоритель твердения.

Кратко рассмотренное влияние хлорида алюминия на свойства химических добавок. Это направление исследований получило развитие в химических добавок ионов металлов I, II, III, VIII групп элементов периодической системы Менделеева на прочностные характеристики затворения существенно влияет на гидравлическую активность цементных систем и композиций на их основе, причем наиболее эффективными являются растворы хлоридов кальция и железа. Критерием при сравнении эффективности того или иного раствора служили значения прочности при твердения. «В лабораторных условиях исследовались образцы размером 222 см, в качестве заполнителя использовались опилки хвойных пород.

По результатам планирования эксперимента была определена оптимальная концентрация соли, которая оставляет 5…6 мас. %.». В цитируемой статье Субботина Н.В., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П., Чернов Е.Б. Влияние состава и структуры жидкости затворения на свойства древесно-цементных композиций // Вестник науки Сибири. 2012. № 5 (6). С. 261исследован возможный механизм действия химических добавок, рассмотрены модели взаимодействия жидкости затворения с частицами цемента.

Для нашей работы наибольший интерес представляет сравнение приведенных в указанной статье данных о прочности при одноосном сжатии образцов в возрасте 28 суток с добавками хлорида кальция, хлорида железа и сульфата алюминия, соответственно, 5,94; 6, и 3,96 МПа. При этом прочность образцов без добавок составила 3,83 МПа.

Касаясь указанных выше размеров образца, обратим внимание на известное по литературе влияние масштабного фактора: чем крупнее образец, тем выше вероятность появления в нем крупных дефектов, снижающих прочность бетона. Поэтому при испытании разных по форме и размерам образцов для сопоставления бетонов по критерию прочности необходимо полученные результаты приводить к прочности базового образца (в форме куба с ребром 15 см)29. А именно, «прочность при сжатии бетона вычисляют с точностью до 0,1 МПа как произведение масштабного коэффициента на среднее арифметическое значение всех результатов испытаний, если отклонение наибольшего и наименьшего результатов составляет не более 15 % среднего результата. В противном случае наибольший и наименьший результаты не принимаются во внимание, и прочность бетона определяется как произведение коэффициента a на приведены значения масштабного коэффициента, которые определены эмпирически в зависимости от размеров образца (табл. 1.2).

Баженов Ю. М. Технология бетона // М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.

Таблица 1.2. Значение масштабного коэффициента Размеры образца (ребро куба), см Если экстраполировать приведенные в таблице 1.2 значения масштабного коэффициента, то для образца в форме куба с ребром 2 см получим приближенное значение масштабного коэффициента, равное 0,67.

Соответственно, расчетная прочность при одноосном сжатии указанных выше образцов с добавками хлорида кальция, хлорида железа и сульфата алюминия составит 3,99; 4,33 и 2,65 МПа. Расчетная прочность образца без добавок равна 2,57 МПа.

Таким образом, хлорид железа и хлорид кальция являются наиболее эффективными модификаторами древесно-цементных материалов. Для дальнейшего применения в данных материалах может быть рекомендован хлорид кальция (кальций хлористый технический по ГОСТ 450-77) как более предпочтительный по технико-экономическим показателям. Это противогололёдное средство, ускоритель схватывания цемента в бетонах щебеночных и гравийных покрытий автомобильных дорог и т.д.

Выполненный в работе А.Н. Ягубкина31 анализ микрофотографий показал, экстрагируемые из древесины сахара в образцах, изготовленных Изотов В. С., Соколова Ю. А. Химические добавки для модификации бетона: монография // М.:

Казанский Государственный архитектурно-строительный университет: Издательство «Палеотип», 2006.

244 с.

Ягубкин, А. Н. Влияние направления укладки заполнителя на прочностные и теплоизоляционные свойства арболита // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F, Строительство.

Прикладные науки: научно-теоретический журнал.- Новополоцк: ПГУ, 2011.- № 8. - С. 77-81.

http://elib.psu.by/bitstream/123456789/689/1/Jagubkin_2011-8-p77.pdf без добавки хлорида кальция, распределяются по всему объему цементного камня. В образцах же с добавкой хлористого кальция экстрагируемые из древесины сахара концентрируются в множестве небольших областей, которые оказываются заблокированными и не мешают процессам формирования цементного камня.

Анализ литературы показывает, что влияние химических добавок для модификации бетонов на органических заполнителях растительного происхождения изучено в существенно меньшей степени по сравнению с бетонами на неорганических заполнителях32. При этом вне поля зрения авторов остаются вопросы жесткости (или деформативности) древесноцементного материала. Однако с течением времени интенсивность подтверждается, например, результатами поиска в http://scholar.google.ru публикаций, в которых встречается словосочетание "wood-cement" (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Распределение публикаций, в которых встречается ГОСТ 24211-2003. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.

ГОСТ 30459-96. Добавки для бетонов. Методы определения эффективности.

О технологических факторах, определяющих качество древесноцементных материалов Технические условия, в том числе технологические факторы, влияющие на прочность древесно-цементных материалов, определены в ГОСТ Р 54854-201133. Данный стандарт распространяется на легкие органические заполнители растительного происхождения (измельченная деревообработки, древесная стружка, опилки, смеси опилок и стружки), химические добавки и добавки неорганических наполнителей. Требования к древесно-цементным смесям и изделиям определены также в СН 549В обобщенной форме можно утверждать, что ключевыми факторами, определяющими качество, а значит и конкурентоспособность древесноцементного материала являются технология, оборудование, квалификация персонала. Детализация влияния этих факторов на качество древесноцементного материала приводит к необходимости рассмотрения многих известных аспектов технологии древесины35 в их взаимосвязи с технологией легких бетонов на органических заполнителях растительного происхождения36 и общими для бетонов закономерностями37. При этом необходимо принимать во внимание новые данные, содержащиеся в ГОСТ Р 54854-2011. Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения.

Технические условия.

СН 549-82 Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита.

Tiemann, H. D. Wood technology // Pitman Publishing Corporation. 1942. 316 pp.

ГОСТ Р 54854-2011. Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения.

Технические условия.

Баженов Ю. М. Технология бетона // М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.

включая Интернет-ресурсы38,39.

многочисленные факторы, непосредственно относящиеся к затронутой проблеме. Список этих взаимосвязанных факторов для бетона и измельченной древесины включал бы десятки пунктов, что показывает содержание указанных выше публикаций. Далее рассматриваются только факторы, исследование влияния которых позволило получить новые данные, необходимые для обоснования практических рекомендаций по совершенствованию технологии использования отходов лесопиления как сырья для изготовления древесно-цементных материалов. Важнейшими из этих факторов являются:

1) состав древесно-цементной смеси, 2) водоцементное отношение, 3) технология подготовки смеси для заполнения в формы, 4) особенности уплотнения смеси в формах, 5) технология распалубки (немедленная или отложенная), 6) особенности хранения (температура и влажность) после распалубки.

Каждый из перечисленных факторов может быть детализирован.

Например, известно, что вода при температуре +4°C характеризуется максимальной плотностью. Нагревание воды свыше +4°С активизирует тепловое движение молекул, уменьшает их упорядоченность в объеме и ведет к уменьшению плотности. В статье40 исследована прочность образцов пено- и фибропенобетона, полученных на воде затворения с Субботина Н.В., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П., Чернов Е.Б. Влияние состава и структуры жидкости затворения на свойства древесно-цементных композиций // Вестник науки Сибири. 2012. № 5 (6). С. 261Шешуков А.П., Романова Т.И. Роль массопереноса в структурообразовании системы «вяжущее – древесный заполнитель» // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2007, № 2. С. 199-207.

Маилян Л.Р., Маилян А.Л., Макарычев К.В. Конструктивные пено - и фибропенобетоны на воде с пониженной температурой затворения // Инженерный вестник Дона. 2012. Т. 19. № 1. С. 543-552.

температурой +4°С, +20°С, +37°С. Выявлено, что температура +4°C является лучшей по критерию прочности образцов.

Важнейшей характеристикой является известное в теории бетона водоцементное отношение (В/Ц, отношение массы воды к массе цемента).

С увеличением В/Ц (рис. 1.14) отношения прочность бетона снижается вследствие уменьшения плотности цементного камня и бетона, так как только часть воды затворения входит в состав новообразований, а остальная часть воды участвует в формировании пор различных размеров.

С увеличением пористости уменьшается прочность древесно-цементного материала.

Рис. 1.14. Качественная характеристика влияния водоцементного отношения на прочность древесно-цементного материала Уменьшение прочности бетона при уменьшении водоцементного отношения вызывается тем, что снижается удобоукладываемость бетонной смеси, т.е. затруднена или невозможна достаточно плотная упаковка частиц. При этом в бетоне появляются крупные пустоты. Конкретные значения водоцементного отношения, плотности и прочности готового материала определяются по результатам испытаний.

Таким образом, перечисленные выше факторы существенно влияют на качество древесно-цементного материала. При этом качество материала характеризуют следующими показателями:

1) средняя плотность;

2) прочность при одноосном сжатии;

3) прочность при осевом растяжении;

4) прочность при изгибе;

5) теплопроводность;

6) морозостойкость;

7) паропроницаемость;

8) влажность;

9) водопоглощение.

Могут быть установлены дополнительные показатели качества в зависимости от условий эксплуатации, предусмотренные в ГОСТ 4.21241.

Измельченная древесина для рассматриваемых материалов должна соответствовать следующим требованиям: размеры частиц не должны превышать по длине 30 мм (оптимально 20 мм), по ширине 10 мм (оптимально 5 мм), по толщине 5 мм; содержание примеси коры в измельченной древесине не более 10 %, хвои и листьев – не более 5 % по массе сухой смеси заполнителей; измельченная древесина не должна иметь видимых признаков плесени и гнили, а также примесей инородных материалов (кусков глины, растительного слоя почвы, камней, песка и пр.).

наибольшего размера к наименьшему) должно быть не более 8. Количество частиц с коэффициентом формы более 8 не должно превышать 20 % остатка на сите с отверстиями размером 20 мм и 10% от суммарного остатка на ситах 10 и 5 мм.

Насыпная плотность опилко-стружечной смеси в высушенном до постоянной массы состоянии должна быть в пределах от 100 до 140 кг/м3.

допускается применять: пористые пески по ГОСТ 9757; природные пески ГОСТ 4.212-80. Система показателей качества продукции. Строительство. Бетоны.

по ГОСТ 8736; золы уноса по ГОСТ 25818; мелкий вспученный гранулированный полистирол.

регулирующие пористость; ингибиторы коррозии стали; повышающие свойства древесно-цементной (многофункциональные добавки).

Показатели основного эффекта действия и критерии эффективности добавок должны соответствовать требованиям ГОСТ 2421142.

Вода для приготовления древесно-цементной смеси и растворов химических добавок должна соответствовать требованиям ГОСТ 2373243.

Согласно ГОСТ Р 54854-2011, теплопроводность, водопоглощение, морозостойкость, влажность и паропроницаемость арболита определяют до начала массового изготовления, при подборе производственного состава смеси, а также при изменении технологии изготовления и качества материалов, но не реже одного раза в 6 мес.

Перечисленные требования к древесно-цементным материалам не исключают поиска и применения новых технологических решений в целях повышения качества данных материалов.

Необходимость рационального использования отходов лесопиления, в больших объемах образующихся на предприятиях лесопромышленного комплекса, предопределяет актуальность проблемы совершенствования технологии использования опилок как сырья для изготовления древесноцементных материалов.

ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.

ГОСТ 23732-2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия.

Анализ литературы показал, что требует продолжения исследований задача о влиянии особенностей пильных дисков на характеристики опилок как сырья для древесно-цементного материала. Недостаточно изучены закономерности изменения прочности древесно-цементных материалов в зависимости от соотношения опилок и стружки как компонентов древесноцементных материалов.

Известные по литературе данные указывают на техникоэкономическую целесообразность использования хлорида кальция в качестве добавки, повышающей прочность древесно-цементного материала. В известных работах основное внимание уделяется характеристикам прочности и плотности древесно-цементного материала.

К недостаточно изученным вопросам относятся вопросы жесткости (или деформативности) древесно-цементного материала, в том числе влияние минеральных добавок.

С точки зрения экономической эффективности целесообразно ориентироваться на использование отходов лесопиления приемлемого качества без предварительного их фракционирования, но с учетом влажности для получения приемлемого значения водоцементного отношения.

О РАЦИОНАЛЬНОМ СООТНОШЕНИИ ОПИЛОК

И СТРУЖКИ В ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНОЙ СМЕСИ

Опилки и опилко-стружечные смеси, согласно ГОСТ Р 54854- и СН 549-8245, могут использоваться в качестве заполнителя растительного происхождения древесно-цементных материалов. Однако закономерности изменения прочности древесно-цементных материалов в зависимости от соотношения опилок и стружки требуют уточнения. Необходимость изучения данного вопроса предопределяется тем, что отходы лесопиления, в зависимости от конструкции пильного диска, могут включать как мелкие частицы (собственно опилки), так и древесные частицы, близкие по форме к стружке. Для таких частиц (см. выше, рис. 1.4) среднее значение коэффициента формы (отношение наибольшего размера частицы к наименьшему) может превышать допускаемое ГОСТ Р 54854- значение, равное 8. Такие частицы увеличивают неоднородность древесноцементного материала, уменьшая его прочность. Можно на уровне гипотезы предположить, что скорректировать отрицательное влияние этих появившиеся относительно недавно минеральные и полимерноминеральные добавки46, а также добавки отходов камнеобработки.

ГОСТ Р 54854-2011. Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения.

Технические условия.

СН 549-82 Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита.

Лукутцова Н.П., Горностаева Е.Ю., Карпиков Е.Г. Древесно-цементные композиции с минеральными микронаполнителями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – Белгород, 2011. №3. С. 21-23.

Андреев А.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Сюнёв В.С. Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2-2 (7-2). С. 292-296.

Экспериментальное исследование образцов из смеси опилок 2.2.

и стружки Как известно47, Р.Б. Фуллер, независимо от основателя синергетики Г. Хакена, определил синергетические эффекты как такое поведение целого, которое нельзя предсказать на основе изучения отдельных его частей. В качестве примера Р.Б. Фуллер привёл хромоникелевый сплав, который при растяжении демонстрирует прочность, превышающую прочность каждого из его компонентов. Эти данные позволяют сформулировать предположение о латентном существовании других технического применения.

В данной части работы на эмпирическом уровне рассматривается композитный материал с наполнителем в виде смеси древесных частиц, стекла и сульфата алюминия. Из подобных материалов, как отмечалось выше, производят теплоизоляционные и конструкционные блоки для малоэтажного строительства48. Несмотря на большой объем многолетних недостаточно изученными. К их числу относится рассмотренная выше проблема рационального использования отходов переработки древесного сырья и, как следствие, вопрос о количественном соотношении опилок и Бозылев В.В., Ягубкин А.Н. К вопросу подбора состава и дозировки добавок – модификаторов арболита // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Прикладные науки. Строительство. 2010.

№ 6. С. 84-89.

Наумова Ю.А. Синергизм и синергические эффекты в технологии переработки полимеров // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2013. № 3. С. 76–86.

Баранов Е.В., Незнамова О.М., Чернышов Е.М., Пустовгар А.П. Исследование рациональных составов композита из древесной щепы на основе силикатного и цементного связующего для стеновых панелей быстровозводимых малоэтажных зданий // Вестник МГСУ. 2012. № 11. С. 131–139.

Wolfe R. W., Gjinolli A. Durability and strength of cement-bonded wood particle composites made from construction waste // Forest Products Journal. – 1999. – Т. 49. – С. 24-31.

стружки в древесно-цементной смеси. Поиск ответа на этот вопрос является целью ближайшего изложения.

В качестве объекта исследования приняты образцы в форме куба с ребром 10 см, изготовленные из древесно-цементной смеси и различающиеся только соотношением количества опилок и стружки.

Предмет исследования – влияние количественного соотношения стружки и опилок на прочность образцов при сжатии. Были изготовлены образцы с соотношениями стружки и опилок (по массе): 1:0; 0,8:0,2; 0,5:0,5; 0,2:0,8;

0:1. Гранулометрический состав опилок (рис. 2.1) и стружки определен ситовым методом (таблица 2.1).

Рис. 2.1. Опилки и стружка до фракционирования Таблица 2.1. Гранулометрический состав опилок и стружки Использовалась смесь при следующем соотношении компонентов в единицах массы:

портландцемент (М400D20): 100;

смесь опилок и стружки: 100;

жидкое стекло (натриевое, по ГОСТ 13078-81): 15;

сульфат алюминия (по ГОСТ 30515-97): 7.

Влажность опилок 32 - 38 %. Влажность стружки 20 – 25 %.

Водоцементное отношение равно 0,8.

Смесью указанных выше компонентов (рисунок 2.2) послойно воспринимается как полусухая. Каждый слой уплотняли в соответствии с СН 549-8250. Образцы извлекали из форм через 24 часа. В течение этого СН 549-82 Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций и изделий из арболита.

времени образцы находились под полиэтиленовой пленкой (рис. 2.32) при температуре 14 –18°С.

Рис. 2.3. Смесь в формах, образцы после извлечения из форм и нумерации Образцы набирали прочность при температуре 15-20°С в условиях естественной влажности (рис. 2.4).

На рис. 2.5 показана структура поверхности образцов при соотношениях опилок и стружки (по массе) 1:0; 0,8:0,2; 0,5:0,5; 0,2:0,8; 0:1.

Цена деления линейки 1 мм.

По рис. 2.6 визуально определяется, что наиболее однородная структура материала имеет место при соотношении опилок и стружки (по массе) 0,8:0,2. Инструментальное подтверждение различий в прочности получено при испытаниях на сжатие51. Образцы в возрасте 28 суток испытывались на испытательной машине SHIMADZU AG50kNX (рис. 2.7).

Рис. 2.8. Прочность древесно-цементного материала. Экспериментальные Андреев А.А. Влияние гранулометрического состава измельченной древесины для древесноцементного материала на его прочность // Технические науки - от теории к практике. 2014. № 32. С. 71Экспериментальные данные показаны маркерами на рис. 2.8. Тонкой линией на том же рисунке показана линия тренда. Уравнение линии тренда 47,97 x 4 89,95 x 3 51,35 x 2 10,01x 0,22.

наполнителя вида 1 (стружка) и вида 2 (опилки). Аналогично, R1 и R2 – прочность композита с наполнителем только вида 1 и, соответственно, только вида 2. Тогда по правилу аддитивности52 прочность композита будет равна (пунктир на рис. 2.8):

В формуле (2.1) игнорируется механическое взаимовлияние частиц вида Для оценки указанного взаимовлияния на прочность композита при сжатии R может быть использовано эвристическое соотношение53:

где a1 ak1 ; a2 ak2 ; a ( R2 R1 ) /( R2 R1 ) ; 0 R1 R2. Для композита с наполнителями 1 и 2 по таблице 2.2 эмпирически определено: R1 0. MPa; R2 0.84 MPa; k экспериментальные данные показаны на рис. 2.8, соответственно, сплошной линией и маркерами.

Более подробное исследование затронутых аспектов представляет практический интерес, однако выходит за рамки данной работы.

Таким образом, эмпирически установлено, что применение смеси стружки и опилок при определенном их соотношении (0,2:0,8 для исследованного древесно-цементного материала) позволяет существенно Наумова Ю.А. Синергизм и синергические эффекты в технологии переработки полимеров // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2013. № 3. С. 76–86.

Андреев А.А. Влияние гранулометрического состава измельченной древесины для древесноцементного материала на его прочность // Технические науки - от теории к практике. 2014. № 32. С. 71увеличить прочность при сжатии. Данный эффект может быть использован в целях совершенствования технологии производства древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства с использованием отходов деревообрабатывающих предприятий.

Данный эффект может проявляться в случае применения опилок, полученных на лесопильных станках с дисками по рис. 1.2 и содержащих частицы, подобные частицам стружки (рис. 1.4).

Рассмотренные аспекты могут рассматриваться как одно из приложений функционально-технологического анализа54.

Особенности влияния полимерно-минеральной добавки 2.3.

Касаясь упомянутых выше модификаторов древесно-цементных материалов отметим, что в ряде работ уточняется влияние химических добавок, жидкого стекла и других компонентов, сообщается о новых микро- и нанодисперсных минеральных добавках55. Однако в известных публикациях не обнаружено информации о применении полимерноминеральной добавки56 «Nicoflok» в качестве модификатора древесноцементных композиций. В то же время, эффективность применения данной добавки в дорожном строительстве57 указывает на целесообразность расширения области её применения.

Шегельман, И.Р. Функционально-технологический анализ: метод формирования инновационных технических решений для лесной промышленности // Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2012. 96 с.

Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции // Л.: Стройиздат, 1990. 415 с.

Субботина Н.В., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П., Чернов Е.Б. Влияние состава и структуры жидкости затворения на свойства древесно-цементных композиций // Вестник науки Сибири. 2012. № 5 (6). С. 261Лукутцова, Н.П., Горностаева, Е.Ю., Карпиков, Е.Г. Древесно-цементные композиции с минеральными микронаполнителями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – Белгород, 2011. - №3. – С. 21–23.

СТО 13881083-001-2009. Полимер-цемент-грунтовая смесь "Nicoflok" в дорожном строительстве.

Методика конструирования и расчета дорожных одежд.

Максимов А.Т., Змеев А.Т., Собко Г.И. Способ строительства дорожных одежд военно-автомобильных дорог из укрепленных цементом грунтов // Заявка на изобретение RU 2011107394. Опубликовано 08.27.2012.

Гипотеза исследования. Успешный опыт применения добавки «Nicoflok» в дорожном строительстве позволяет предположить, что эта добавка будет достаточно эффективна также в качестве модификатора конструкционных строительных материалов, в которых используются отходы переработки древесного сырья. В качестве отходов далее рассматриваются только опилки и стружка. При этом исследуется влияние добавки только на прочность образцов.

Цель данной части работы: экспериментально изучить влияние добавки «Nicoflok» на прочность древесно-цементного материала при сжатии в зависимости от соотношения массы опилок и стружки в данном композите.

использованы экспериментальные методы. Образцы в форме куба с ребром 10 см были изготовлены по технологии, рассмотренной выше (подраздел 2.2). В древесно-цементной композиции использовались:

отходы древесины хвойных пород (таблица 2.1); портландцемент марки «400». Добавки: сульфат алюминия технический, очищенный, ГОСТ 12966-85; жидкое стекло по ГОСТ 13078-81 плотностью 1,45 г/см3, силикатный модуль 2,6.

При прочих равных условиях изучено влияние добавки «Nicoflok»

для трёх случаев, а именно, в количестве 0; 5 и 10 % от массы цемента.

Данная добавка представляет собой порошок серого цвета – смесь редиспергируемых полимеров и минеральных наполнителей. Одна из характеристик дисперсности порошка: остаток на сите 0,315 мм – не более 1 % (см. ТУ 5743-003-13881083-2006 «Добавка укрепляющая для вяжущих растворов и сухих смесей «Nicoflok»).

использованием испытательной машины AG50 kNX SHIMADZU (рис. 2.4).

Результаты и обсуждение. Были определены средние значения прочности для пяти серий образцов, см. маркеры на рисунке 2.8; каждая серия содержала от трех до пяти образцов.

Рис. 2.9. Влияние добавки «Nicoflok» на прочность древесно-цементного материала в зависимости от доли опилок в смеси «опилки–стружка»

Если количество добавки равно 5% от массы цемента, то с увеличением доли опилок от 0 до 100% (с уменьшением доли стружки от 100% до 0) прочность древесно-цементного материала возрастает.

Максимум прочности без добавки равен 1,7 МПа, с добавкой – 2, МПа (возрастает на 35%, если массовая доля опилок равна 80%). Влияние добавки уменьшается с увеличением доли опилок.

Если количество добавки равно 10% от массы цемента, то с увеличением доли опилок от 0 до 70% прочность возрастает. С увеличением доли опилок от 70 до 100%, прочность уменьшается. При этом изменение прочности непропорционально количеству добавки.

Передозировка добавки может уменьшить прочность материала.

Нецелесообразно увеличивать долю данной добавки сверх 5 % от массы цемента.

Сравнивая структуру опилок по рисункам 1.3 и 1.4 можно прогнозировать, что применение полимерно-минеральной добавки «Nicoflok» будет эффективно только для опилок из лесопильного цеха (рис. 1.4), поскольку эти опилки, как следствие особенностей пильного диска (рис. 1.2) содержат частицы, аналогичные по форме и размерам частицам стружки.

Если древесный заполнитель не содержит стружки или подобных стружке частиц, то применение данной добавки неэффективно. В этой связи перспективным может оказаться поиск и применение других новых добавок, из числа которых в данной работе рассматривается применение измельченного талькохлорита, известного также как стеатит, мыльный или горшечный камень. В данном случае преимущества измельченного талькохлорита связаны с тем, что талькохлорит в виде порошка относится к отходам камнеобработки и его использование целесообразно как с экологической, так и с экономической точек зрения. Однако в литературе, включая Интернет-ресурсы, применение измельченного талькохлорита не затрагивается.

О влиянии добавок сульфата алюминия и хлорида кальция 2.4.

Прочность, как функциональное свойство древесно-цементного материала, имеет причинно-следственные связи с его структурой.

Структура, в свою очередь, зависит от взаимодействия компонентов древесно-цементного материала на всех стадиях его изготовления и функционирования. Простейший пример такого взаимодействия рассмотрен выше (рис. 2.3). Более сложные взаимодействия компонентов имеют место в случае применения химических добавок.

В разделе 1.4 было отмечено, что определенная с учетом влияния масштабного фактора расчетная прочность при сжатии образцов древесно-цементного материала с добавками хлорида кальция и сульфата алюминия равно, соответственно, 3.99; и 2.65 МПа. Расчетная прочность образца без добавок равна 2,57 МПа. Механизм влияния этих добавок микрофотографии фрагментов образцов после их разрушения для двух добавками. В одном случае использовался сульфат алюминия (рис. 2,6), в другом – хлорид кальция (рис. 2.7).

микроскопе SU-151059. Разрушение сопровождалось разрывом нитевидных связей между частицами композита.

Рис. 2.10. Частицы древесно-цементного материала с добавкой сульфата алюминия и связи между частицами композита (6500) Субботина Н.В., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П., Чернов Е.Б. Влияние состава и структуры жидкости затворения на свойства древесно-цементных композиций // Вестник науки Сибири. 2012. № 5 (6). С. 261Выполнено при участии автора в лаборатории электронной микроскопии, кафедра информационноизмерительных систем и физической электроники ПетрГУ (зав. кафедрой проф. Г.Б. Стефанович).

Рис. 2.11. Связи частиц композита с добавкой хлорида кальция (6000) На рисунке 2.10 видны разрушенные, а также растянутые, но не разрушенные нитевидные связи, соединяющие микрочастицы материала.

Можно предположить, что прочность при растяжении именно этих микронитей (или игольчатых кристаллов) определяет прочность древесноцементного материала на макроуровне. Физико-механические и физикохимические свойства данных микрообъектов зависят от химических добавок, в данном случае – от влияния сульфата алюминия в указанном выше составе древесно-цементной смеси.

Сравнение рисунков 2.10 и 2.11 показывает, замена сульфата алюминия хлоридом кальция приводит к уменьшению длины и увеличению толщины нитевидных связей. При этом структура материала с добавкой хлорида кальция (рис. 2.11) более однородна, что, соответственно, предопределяет более высокую прочность древесноцементного материала на макроуровне. Эти данные подтверждают преимущества и целесообразность использования хлорида кальция в качестве одного из компонентов древесно-цементных материалов рассматриваемого класса.

Хлорид кальция (соответствующего качества) зарегистрирован в качестве пищевой добавки E509, считается безвредным.

Отметим некоторые известные по справочной литературе свойства данного вещества. Хлорид кальция представляет собой бесцветные кристаллы плотностью 2,15 г/см. В 100 мл воды при 20°C растворяется г хлористого кальция. Безвреден для человека. Не горюч, не токсичен, не взрывоопасен. Хлорид кальция получают как побочный продукт содового производства, по этой причине его использование целесообразно с экономической и эколологической точек зрения. Хлорид кальция применяют для изготовления неармированных бетонных массивов или в случаях, когда возможной коррозией можно пренебречь, поскольку в условиях доступа влаги вызывает коррозию стальной арматуры. Для устранения этого недостатка применяют гидрофобные добавки, например, мылонафт, уменьшая тем самым водопоглощение.

2.5.

Известные по литературе данные и результаты исследования автора подтверждают техническую возможность и экономическую целесообразность использования хлорида кальция в качестве одного из компонентов древесно-цементных материалов рассматриваемого класса.

Хлорид кальция, являясь побочным продуктом другого основного производства, безвреден для человека, не горюч, не токсичен, не взрывоопасен, является конкурентоспособным по сравнению с сульфатом алюминия и другими аналогами в своем классе.

Установлено, что применение полимерно-минеральной добавки «Nicoflok» может эффективно только для опилок определенного гранулометрического состава. Если особенности конструкции пильного диска обеспечивают появление не только собственно опилок, но и примеси частиц, аналогичные по форме и размерам частицам стружки, то, при количестве добавки «Nicoflok», равном 5% от массы цемента, прочность древесно-цементного материала возрастает с увеличением доли опилок от 0 до 100%. Максимум прочности без добавки равен 1,7 МПа, с добавкой – 2,3 МПа (возрастает на 35%, если массовая доля опилок равна 80%).

Влияние добавки «Nicoflok» уменьшается с увеличением доли опилок.

Поскольку добавка «Nicoflok» оказалась неэффективной для древесно-цементных смесей, не содержащих частиц в форме стружки, то необходим поиск других добавок, эффективных для смесей на основе опилок. Тем самым будет созданы новые возможности для эффективного использования отходов лесопиления.

Вопросы, требующие дальнейшего изучения, связаны с оценками влияния, в частности, извести, в сочетании с известными добавками микрокремнезема, а также ранее не использовавшимися в технологии древесно-цементных материалов добавками измельченного талькохлорита (он же стеатит, мыльный или горшечный камень).

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ДРЕВЕСНОЦЕМЕНТНОГО МАТЕРИАЛА НА ЕГО ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

измельченной древесины и цемента, ряд других компонентов60. Каждый из этих компонентов вносит свой вклад в прочность, жесткость, плотность и другие функциональные характеристики материала. К технологическим факторам могут быть отнесены: водоцементное отношение и аналогичные соотношения по массе древесного заполнителя и цемента, добавок и цемента. Чтобы получить достаточно полное представление о влиянии количественные оценки. Такие оценки могут быть получены методами планирования эксперимента, что показано, например, в работе61. Однако, как показал анализ литературы, остался недостаточно исследованным вопрос о закономерностях влияния затронутых выше особенностей пильных дисков (рис. 1.1 и 1.2) на характеристики опилок как сырья для древесно-цементных смесей.

Для исследования этих закономерностей воспользуемся моделью линейной регрессии. По определению, регрессия это восстановление зависимости между переменными по набору данных. Методы регрессии часто используются для аналитического описания экспериментальных данных, в том числе в задачах прогнозирования свойств древесноНаназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции // Л.: Стройиздат, 1990. 415 с.

Пошарников Ф.В., Филичкина М.В. Анализ структуры смеси для опилкобетона на основании многофакторного планирования эксперимента // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2010. № 1. С. 111-114.

формулы и примеры решения задач с применением пакета анализа данных в MS Excel приведены, например, в книге62.

Методика оценки влияния компонентов древесно-цементного 3.2.

материала на его характеристики …, – факторы, от которых зависит этот параметр. Такими факторами могут быть концентрации компонентов, температура, влажность и т.д.

Пусть в экспериментах параметр модели и каждый из факторов измерен регрессионная модель записывается в виде соотношения Перепишем (3.1) в матричном виде:

Задача сводится к определению коэффициентов. При определенных условиях эти коэффициенты можно вычислить по методу наименьших квадратов:

Козлов А.Ю., Мхитарян В.С., Шишов В.Ф. Статистический анализ данных в MS Excel: Учебное пособие // М.: Издательство: Инфра-М. 2014. 320 с.

Чтобы избежать этих нежелательных случаев, используют методы планирования эксперимента63.

Необходимо заметить, что поиск рациональных соотношений компонентов древесно-цементного материала не исключает использования элементов случайного (в определённой мере) поиска. Анализ итогов такого поиска позволит более точно сформулировать задачу планирования эксперимента и построения регрессионной модели. Полный факторный эксперимент может оказаться весьма ресурсоемким.

предназначен инструмент «Регрессия» из пакета «Анализ данных»

Microsoft Excel 2010. Определив коэффициенты и подставив их в (3.2), получим аналитическую модель для прогнозирования характеристик объекта исследования.

Для оценки качества модели может быть использован коэффициент детерминации, показывающий долю вариации параметра, находящегося выше качество модели64.

Оценка степени влияния факторов на результат может быть выполнена с помощью коэффициентов эластичности, которые учитывают Зажигаев Л., Кишьян А., Романиков Ю. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента // М.: Атомиздат, 1978. 232 с.

Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов // М.:

Машиностроение, 1981 г. - 184 с.

Орлова И.В., Половников В.А. Экономико-математические методы и модели: компьютерное моделирование - Учебное пособие // М.: Издательство: «Вузовский учебник», 2007. 365 с.

то обстоятельство, что из-за различия единиц измерения и вариабельности факторов коэффициенты регрессии невозможно использовать для непосредственной оценки влияния факторов на зависимую переменную.

Коэффициент эластичности Здесь – коэффициент регрессии фактора и – средние значения переменных и соответственно. Коэффициент эластичности показывает, на сколько процентов изменяется зависимая переменная при изменении фактора на один процент.

Полезная информация в контексте данной работы может быть получена с использованием коэффициентов корреляции. Для оценки степени взаимосвязи величин, измеренных в количественных шкалах, используется коэффициент линейной корреляции (коэффициент Пирсона), предполагающий, что выборки распределены по нормальному закону.

Коэффициент корреляции изменяется в пределах от -1 до +1 и дает представление о направлении и степени влияния факторов на исследуемую характеристику модели. Если коэффициент отрицателен, то увеличению (уменьшению) одной величины соответствует уменьшение (увеличение) другой величины. Если коэффициент положителен, то увеличению (уменьшению) одной величины соответствует увеличение (уменьшение) другой величины. При этом границы сильной, средней и слабой степени взаимного влияния определяются значениями коэффициента ±0,3 и ±0,7.

Если коэффициент корреляции равен нулю, то линейной зависимости между двумя выборками нет. Значения +1 и -1 отвечаю, соответственно, прямой пропорциональной зависимости и обратной линейной рассмотрена, например, в пособии65.

Влияние компонентов древесно-цементного материала на его 3.3.

характеристики Рассмотрим применение представленной выше методики к анализу характеристик новой модификации древесно-цементного материала, отличающегося от известных композиций добавкой отходов механической обработки талькохлорита. На данную модификацию материала подана заявка на изобретение в Роспатент.

Объект исследования в данной части работы представляет собой серию образцов с порядковыми номерами по журналу испытаний 330–353.

Предмет исследования: количественные оценки влияния добавок талькохлорита и микрокремнезема на функциональные характеристики древесно-цементного материала.

Использованы экспериментальные методы исследования.

Состав смеси для образцов 330–335: цемент М500D0; опилки хвойных пород из лесопильного цеха 1 (рис. 1.3), при этом соотношение «опилки : цемент» равно 1,17; соотношение «хлорид кальция : цемент»

равно 0,059; соотношение «жидкое стекло : цемент» равно 0,15;

«фиброволокно : цемент» равно 0,0028; водоцементное отношение 1,17.

Образцы имели форму куба с ребром 10 см. Технология изготовления образцов рассмотрена выше (рис. 2.2–2.4).

Образцы набирали прочность при температуре 15–20°C в условиях регистрировалось каждые три дня в течение 28 суток. При этом была Козлов А.Ю., Мхитарян В.С., Шишов В.Ф. Статистический анализ данных в MS Excel: Учебное пособие // М.: Издательство: Инфра-М. 2014. 320 с.

зафиксирована закономерность изменения массы образцов (рис. 3.1), заключающаяся в том, что на графике эта закономерность может быть аппроксимирована кусочно-линейной зависимостью с точкой перелома, соответствующей возрасту семь суток. Знание этой закономерности важно с практической точки зрения. А именно, можно прогнозировать, что физико-механические свойства древесно-цементного материала при указанных условиях примерно на 70 % формируются в течение первых семи суток, что необходимо учитывать в технологии временного хранения после распалубки. Эта закономерность не противоречит известным данным для обычного бетона66.

Рис. 3.1. Изменение массы образцов с течением времени Состав смеси для образцов 336–341: цемент М500D0; опилки хвойных пород из лесопильного цеха 1 (рис. 1.3), при этом соотношение «опилки : цемент» равно 1,17; соотношение «талькохлорит : цемент» равно 0,32.

Состав смеси для образцов 342–347: цемент М500D0; опилки хвойных пород из лесопильного цеха 1 (рис. 1.3), при этом соотношение Баженов Ю. М. Технология бетона // М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.

«опилки : цемент» равно 1,17; соотношение «талькохлорит:цемент» равно 0,16; соотношение «микрокремнезем МК85 : цемент» равно 0,03.

Состав смеси для образцов 348–353: цемент М500D0; опилки хвойных пород из лесопильного цеха 1 (рис. 1.3), при этом соотношение «опилки : цемент» равно 1,17; соотношение «талькохлорит : цемент» равно 0,32; соотношение «микрокремнезем МК85 : цемент» равно 0,03;

Для четырех указанных выше смесей: соотношение «известь :

цемент» равно 0,109; водоцементное отношение 1,17; соотношение «хлорид кальция : цемент» равно 0,059; соотношение «фиброволокно :

цемент» равно 0,0028; соотношение «жидкое стекло : цемент» равно 0,15.

Образцы из указанных смесей были испытаны на одноосное сжатие при скорости деформирования 30 мм/мин на машине SHIMADZU (по аналогии с образцом на рис. 2.7). Поскольку рассматриваемый древесноцементный материал является ортотропным вследствие технологических особенностей его изготовления, то исследованы два случая: 1) направление действия силы параллельно слоям укладки смеси в формы; 2) направление действия силы перпендикулярно указанным слоям.

Таблица 3.1. Характеристики образцов 330- Характеристики Технологические характеристики (соотношение компонентов) «Микрокремнезем Обозначим:

– соотношение «Талькохлорит : цемент», – соотношение «Микрокремнезем МК85 : цемент».

Применяя рассмотренную выше методику, получим регрессионную модель:

По формуле (3.4) находим:

Вывод: влияние микрокремнезема незначительно по сравнению с влиянием талькохлорита.

функциональных характеристик (таблица 3.1), используя упомянутые выше коэффициенты линейной корреляции.

Таблица 3.1. Характеристики образцов 330-365, 509- (1) Плотность (28 суток), г/см (2) Прочность по МПа (3) Прочность по МПа Технологические характеристики (соотношение компонентов) (4) «Талькохлорит :

цемент»

(5)«Микрокремнезем МК85 : цемент»

цемент»

«Жидкое стекло :

цемент»

«Опилки (цех 1) :

цемент»

Приведенные в таблице 3.1 данные получены по методике, аналогичной рассмотренной выше для образцов 330-353. Функциональные обозначены в данной таблице номерами в скобках: (1), …, (7).

Используя данные таблицы 3.1 и пакет «Анализ данных» Microsoft Excel 201067, получим корреляционную матрицу для характеристик (1), …, (7) (таблица 3.2).

Таблица 3.2. Корреляционная матрица функциональных и технологических характеристик (1), …, (7) для образцов 330-365, 509- Из таблицы 3.2 следует:

1) прочность и плотность в относительно большей степени связаны как между собой, так и с соотношениями «известь : цемент» и «вода :

цемент». Эти данные не противоречат известным закономерностям технологии бетона;

Козлов А.Ю., Мхитарян В.С., Шишов В.Ф. Статистический анализ данных в MS Excel: Учебное пособие // М.: Издательство: Инфра-М. 2014. 320 с.

2) добавка микрокремнезема отрицательно влияет на прочность, что не согласуется с известными по литературе данными о положительном материалов68. Это несоответствие можно объяснить тем, что в нашем случае были использованы опилки, полученные из цеха 1. Соответственно, конструктивные особенности пильного диска (рис. 1.1) повлияли на характеристики опилок, а значит и на функциональные характеристики древесно-цементного материала.

Чтобы проверить адекватность данного объяснения, исследуем по аналогичной методике взаимовлияние характеристик древесно-цементного материала с заполнителем в виде опилок из цеха 2 (таблица 1.1).

Экспериментальные данные, полученные по той же методике, что и для рассмотренных выше образцов, приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Характеристики образцов 378- Характеристики (1) Плотность (28 суток), г/см (2) Прочность по направлению 1, МПа (3) Прочность по направлению 2, МПа Технологические характеристики (соотношение компонентов) (4) «Талькохлорит :

(5)«Микрокремнезем МК85 : цемент»

(6) «Известь :

«Хлорид кальция :

«Жидкое стекло :

«Опилки (цех 2) :

Лукутцова Н.П., Горностаева Е.Ю., Карпиков Е.Г. Древесно-цементные композиции с минеральными микронаполнителями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2011. №3. С. 21-23.

Используя данные таблицы 3.3, получим корреляционную матрицу для характеристик (1), …, (7) (таблица 3.4).

Таблица 3.4. Корреляционная матрица функциональных и технологических характеристик (1), …, (7) для образцов 378- Из таблицы 3.4 следует:

1) Прочность и плотность в относительно большей степени связаны как между собой, так и с соотношениями «известь : цемент» и «вода :

цемент». Однако, в отличие от древесно-цементного материала с заполнителем в виде опилок из цеха 2, влияние извести на прочность отрицательно. Это означает, что в данном случае добавка отходов камнеобработки в виде порошка талькохлорита заменяет известь.

2) Добавка микрокремнезема отрицательно влияет на прочность по направлению 1. При этом влияние кремнезема на прочность по направлению 2 по причине малости коэффициента корреляции (-0,090) требует уточнений.

3) Сравнение приведенных в таблицах 3.1 – 3.4 данных подтверждает влияние конструктивных особенностей пильных дисков (рис. 1.1, 1.2) на характеристики опилок (таблица 1.1), а значит и на функциональные характеристики древесно-цементного материала. Учет этих особенностей использования отходов лесопиления как сырья для изготовления древесноцементных материалов и повышения конкурентоспособности этих материалов.

Жесткость древесно-цементного материала с добавкой отходов 3.4.

талькохлорита и влияние скорости деформирования на его прочность талькохлорита предназначен для использования в малоэтажном строительстве, что предполагает воздействие на него изменяющихся во исследования прочности и жесткости данного материала при различных скоростях его деформирования. Очевидно, достаточно полное решение появляющихся в этой связи проблем прочности при динамических воздействиях сопряжено с большим объемом экспериментов и численного моделирования, что находится за рамками данной работы, но предполагает определенную перспективу развития.

Цель данной части работы: экспериментально изучить влияние жесткость древесно-цементного материала с добавкой отходов переработки талькохлорита и влияние скорости деформирования на его прочность.

Объект исследования: образцы древесно-цементного композита в форме куба с ребром 100 мм, аналогичные рассмотренным выше. Образцы испытывались сериями по шесть штук в возрасте 28 суток. Для каждой серии был принят определенный состав смеси. Указанной смесью послойно заполняли металлические формы.

Испытания образцов в возрасте 28 суток при одноосном сжатии лаборатории им. проф. Н. А. Белелюбского [http://mech-lab.ru/history.php].

и на машине SHIMADZU AG50kNX в Петрозаводском государственном университете.

Скорость деформирования 5, 30 и 180 мм/мин. Исследованы два случая: 1) направление действия силы параллельно слоям укладки смеси в формы; 2) направление действия силы перпендикулярно указанным слоям.

Результаты. Образцы были изготовлены из следующих смесей.

Смесь 1.384.89. Компоненты на 1 м3 композита: опилки хвойных пород влажностью 32–38% 417 кг, портландцемент (М500D0) 357 кг, порошок стеатита 53,5 кг, жидкое стекло 53,5 кг, хлорид кальция 21 кг, волокно полипропиленовое (отрезки длиной 18 мм) 1 кг, вода 417 л.

Смесь 2.396.01. Отличается от смеси 1.384.89 только добавкой микрокремнезема в количестве 11 кг (3 % от массы цемента).

При сжатии по нормали к слоям укладки смеси среднее значение прочности составило для указанных выше смесей, соответственно, 6.4 и 7.2 МПа. При сжатии в направлении, параллельном к слоям укладки смеси среднее значение прочности составило для образцов из тех же смесей, соответственно, 3.6 и 3.5 МПа.

Как известно, прочность зависит не только от компонентов и структуры материала, но также от ряда других факторов, в частности, от скорости деформирования. Результаты испытаний образцов из смеси 2.396.01 при значениях скорости деформирования 5, 30 и 180 м/с приведены на рис. 3.2.

С увеличением скорости деформирования (в исследованном интервале) разрушающая нагрузка возрастает (рис. 3.2). Сравнение этих данных с результатами других опытов показало, что при достаточно однородном гранулометрическом составе опилок добавка кремнезема не приводит к заметному увеличению прочности. Однако, добавка кремнезема увеличивала прочность, если опилки содержали примеси частиц, близких по форме и соотношению размеров к стружке.

Аналогичная закономерность была ранее выявлена в исследовании влияния полимерно-минеральной добавки «Никофлок» на прочность древесно-цементного материала в зависимости от соотношения количества опилок и стружки, что было рассмотрено в разделе 2 данной работы.

Рис. 3.2. Диаграммы сжатия образцов 101010 см из древесно-цементного композита (3.2.1) и газобетона D500 (3.2.2 и 3.2.3) показывают, что при сжатии в направлении, параллельном к слоям укладки смеси при значениях скорости деформирования 5, 30 и 180 м/с жесткость материала больше, чем при сжатии по нормали к слоям укладки смеси при скорости деформирования 5 м/с. Таким образом, в зависимости от направления действия сжимающей силы относительно слоев укладки смеси, из рассмотренного материала могут быть получены два варианта блоков для стен малоэтажных зданий: 1) более прочные, но менее жесткие блоки; 2) менее прочные, но более жесткие боки.

Как известно, для газобетона марки D600 характерна прочность на сжатие 3,2 МПа и 2,5 МПа для марки D500 (по ГОСТ 31360-2007).

Диаграммы сжатия образцов из газобетона аналогичны диаграммам сжатия образцов из представленных выше смесей. Эти диаграммы позволяют получить сравнительные характеристики жесткости материала. Например, для газобетона D500 характеристика жесткости, аналогичная CD500=20000/0,767=26075 Н/мм. Эта характеристика определена для образца в форме куба с ребром 100 мм, что необходимо учитывать при сравнении с другими данными.

Аналогично, для предлагаемого древесно-цементного материала при скорости деформирование 30 мм/с CWC=20000/0.827=24183 Н/мм, что составляет 93% от CD500. Для рассматриваемого древесно-цементного материала данная характеристика при сжатии в направлении, параллельном слоям укладки в формы, почти не зависти от скорости деформирования в интервале 5 … 180 мм/мин (рис. 3.2.1). Данная характеристика при сжатии в направлении, перпендикулярном слоям укладки в формы, скорости 5 мм/мин и интервале деформации 8…10 мм (рис. 3.2.1), существенно меньше и равна 7500/2=3750 Н/мм.

Практическое значение предлагаемых коэффициентов жесткости древесно-цементного материала и методики определения этих коэффициентов заключается в возможности их использования для обоснования технологии изготовления древесно-цементного материала рассматриваемого класса с учетом его анизотропии, в частности, для управления механическими свойствами древесно-цементного материала за счет дозирования добавок талькохлорита или других компонентов.

Сравнение диаграмм 3.1 и 3.2 показывает, что газобетон при одноосном сжатии проявляет при разрушении свойства, характерные для хрупких материалов. Разрушение происходит внезапно, без видимых деформаций, что характерно для достаточно жестких материалов.

Заметим, что в качестве количественной оценки жесткости материала при сжатии может быть использован модуль упругости, который для рассматриваемого материала определяется по СП 52-101Диаграммы сжатия рассматриваемого материала нелинейные.

Данный материал, как и другие виды бетона, строго говоря, закону Гука не подчиняется. В расчетах используют приближенную характеристику жесткости материала с ненарушенной структурой – так называемый начальный модуль упругости.

параллельном к слоям укладки смеси, среднее значение прочности находится в интервале от 3.2 до 3.8 МПа (рис. 3), что достаточно для использованию второй из указанных выше вариантов блоков для стен данных строений. Тем самым будет обеспечена достаточная прочность (3. МПа) и жесткость конструкции.

Теплопроводность, определенная зондовым методом, зависит от плотности материала и в зависимости от соотношения компонентов равна 0.13…0.19 Вт/(м°С), что соответствует ГОСТ 31359-2007 для бетонов ячеистых автоклавного твердения.

При этом рост прочности с увеличением скорости деформирования в исследованном интервале (рис. 3.2) с технической точки зрения обеспечивает конкурентоспособность данного древесно-цементного динамических техногенных воздействиях. Соответствующие техникоэкономические аспекты рассмотрены в разделе 4 данной работы.

Таким образом, предлагаемый древесно-цементный материал с добавкой отходов обработки стеатита может рассматриваться как альтернатива газобетону после технико-экономического обоснования, которое рассмотрено далее, в разделе 4. Однако для более полного целесообразности применения материала с указанными компонентами необходима определенная детализация представленных выше данных об этом материале.

Детализация закономерностей влияния скорости 3.5.

деформирования на прочность древесно-цементного материала Цель данной части работы: детализация закономерностей влияния скорости деформирования на прочность древесно-цементного материала, полученного с добавкой указанных выше отходов камнеобработки в виде порошка талькохлорита.

Талькохлорит представляет собой горную породу метаморфического происхождения, состоит из талька (40–50 %), магнезита (40–50 %) и хлорита (5–8 %); минеральный и химический состав непостоянны.

состоящая из талька (40–50 %), магнезита (40–50 %) и хлорита (5–8 %).

Отличается достаточно большой вариабельностью минералогических характеристик, что отражается в спектре его названий в справочной литературе: стеатит, талькохлорит, мыльный камень, горшечный камень.

Вариабельность минералогических характеристик не позволяет надеяться на получение исчерпывающих данных о свойствах древесно-цементного материала в рамках одной работы. Только некоторые свойства, представляющие интерес для практики, установлены в представленных выше материалах. По причине относительной новизны и актуальности затронутых вопросов необходима детализация отмеченных выше характеристик исследуемого древесно-цементного материала.

Объект исследования в данной части работы: образцы древесноцементного композита в форме куба с ребром 100 мм.

Предмет исследования: закономерности влияния скорости деформирования на прочность древесно-цементного материала с добавками стеатита.

Образцы были изготовлены и испытаны в возрасте 28 суток на сжатие по рассмотренной выше технологии. В данной части работы было выполнено испытание четырех серий образцов. Для каждой серии был принят свой приведенный ниже состав древесно-цементной смеси.

Древесный компонент смеси представлял собой опилки хвойных пород из лесопильного цеха 1 (рис. 1.3 и 1.5). Опилки содержали примеси частиц коры (рис. 3.3 и 3.4). Порошок стеатита (рис. 3.5) содержал частицы от 0.5 до 200 микрометров (приложение 1).

Микрофотографии получены на сканирующем электронном микроскопе SU-1510: В.П. Чугин, кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники (зав. кафедрой профессор Г.Б. Стефанович), Центр коллективного пользования научным оборудованием ПетрГУ (директор центра А.С. Штыков).

Рис. 3.4. Структура частиц коры (100). Пильный диск по рис. 1. Рис. 3.5. Структура порошка стеатита (300) Сравнивая структуру частиц опилок и коры (рис. 3.3 и 3.4) можно прогнозировать более высокую прочность древесно-цементного материала с частицами коры, имеющими почти изотропную структуру пор, способных к прочной консолидации с цементным компонентом в процессе его твердения. Подчеркнем, что эти данные относятся к пилкам из цеха (рис. 1.3 и 1.5) и что отмеченные выше особенности пильных дисков могут влиять на структуру и свойства не только опилок как таковых, но и частиц коры как примесей в данных опилках. Соответственно, в зависимости от конкретных особенностей компонентов, могут изменяться технологические и функциональные характеристики древесно-цементного материала. Например, эти различия можно видеть, сравнивая структуру частиц коры на рисунке 3.4 (пильный диск по рис.1.1) и структуру частиц коры на рисунке 3.6 (пильный диск по рис.1.2).

Рис. 3.6. Структура частиц коры (100). Пильный диск по рис. 1. В соответствии с целями данной части работы были назначены значения скорости деформирования указанных выше образцов: 5, 30 и мм/мин. Исследованы два случая: 1) направление действия силы параллельно слоям укладки смеси в формы; 2) направление действия силы перпендикулярно данным слоям (см. далее рис. 3,5). Испытания прекращались, если деформация сжатия превышала 10 %, т.е. 10 мм.

Образцы были изготовлены из следующих смесей (номера указаны в соответствии с журналом испытаний).

Смесь 1.378.83. Компоненты на 1 м3 композита: опилки хвойных пород влажностью 32–38% 350 кг, портландцемент (М500D0) 300 кг, порошок стеатита 30 кг, жидкое стекло 45 кг, хлорид кальция 17,5 кг, волокно полипропиленовое (отрезки длиной 18 мм) 1 кг, вода 350 л.

Смесь 2.384.89. Отличается от смеси 1.378.83 только количеством стеатита: 45 кг (15 % от массы цемента).

Смесь 3.390.95. Отличается от смеси 1.378.83 только добавкой микрокремнезема в количестве 15 кг (5 % от массы цемента).

Смесь 4.396.01. Отличается от смеси 1.384.89 только добавкой микрокремнезема в количестве 15 кг (5 % от массы цемента).

направлениях существенно различаются, что характерно для ортотропных материалов рассматриваемого класса (рис. 3.5, образцы из смеси 2.384.89).

Рис. 3.5. Диаграммы сжатия в направлениях 1 и Результаты испытаний на прочность четырех серий образцов при сжатии по направлению 1, т.е. параллельно слоям укладки смеси, приведены на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Разрушающая сила в звисимости от скорости деформирования Касаясь механизма разрушения рассматриваемого древесноцементного материала, обратимся к микрофотографиям его структуры (рис. 3.7 и 3.8)70.

Рис. 3.7. Частицы древесно-цементного материала (1000) См. примечание к рис. 3. Рис. 3.8. Структура древесно-цементного материала (10000) Сравнивая структуру ранее исследованного в данной работе древесно-цементного материала с цементом М400D20 и добавкой сульфата алюминия (рис. 2.10) с представленной на рис. 3.8 структурой аналогичного материала с цементом М500 и добавкой хлорида кальция, приходим к следующему выводу. Применение хлорида кальция и цемента М500D0 приводит к более однородной структуре древесно-цементного материала и нитевидных связей между его частицами (рис. 3.8) по сравнению с рассмотренным ранее использованием сульфата алюминия и цемента М400D20 (рис. 2.10).

Таким образом, обобщая представленные в данной части материалы выполненного исследования, приходим к следующим выводам.

разнонаправленные тенденции изменения прочности с увеличением скорости деформирования V (рис. 3.6).

Если V=5 мм/мин, то увеличение добавки стеатита с 10 до 15 % от массы цемента уменьшает прочности композита с 3.68 МПа до 3.43 МПа.

При этом добавка микрокремнезема уменьшает прочность.

С увеличением скорости деформирования до 30 мм/мин прочность возрастает. Однако, если содержание стеатита 15% от массы цемента, то эффект добавки микрокремнезема отрицателен.

Если V=90…120 мм/мин, то все рассмотренные смеси обеспечивают примерно одинаковую прочность 3,62…3,72 МПа. Если V=180 мм/мин, то наибольшую прочность обеспечивает сочетание добавок стеатита и микрокремнезема.

функционирование как армирующих элементов композита.