Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строительные материалы на основе переработанной древесины. Учебное пособие
.pdf
4. ПРОИЗВОДСТВО АРБОЛИТА
31
4.1. Физико-технические свойства арболита
Свойства арболита, прежде всего, зависит от свойств материалов, которые применяются для их изготовления.
Плотность
Плотность арболита – одно из основных его свойств. Оно зависит от
расхода органического заполнителя, вяжущего (цемента или гипса) и воды
на 1 м3 готового изделия. Снижение плотности достигается подбором оптимального состава пористого органического заполнителя, а также
наименьшим расходом вяжущего, т. е. максимальным заполнением объема
пористым заполнителем, который легче цементного или гипсового камня.
Плотность арболита зависит от его вида: на дробленке из отходов лесозаготовок и деревообрабатывающей промышленности – от 400 до 800 кг/м3;
древесных опилках, стружке – от 950 до 1250 кг/м3; сечке камыша – от
500 до 700 кг/м3; костре конопли – от 450 до 550 кг/м3.
При использовании арболита в ограждающих и несущих конструкциях зданий в первую очередь уделяется внимание плотности бетона, от
которой зависит его прочность. Плотность легких бетонов оказывает
большое влияние не только на прочность, но и на другие свойства, например, теплотехнические, пористость, водопоглощение, деформативность,
звукопроницаемость и т.д.
Прочность
Прочность при сжатии – важная характеристика механических
свойств арболита, т.к. в зависимости от ее значения устанавливается класс
бетона по прочности. Прочность этих бетонов определяется прочностью не
только раствора, но и заполнителя.
Деформативные свойства
Как известно, наименьшая усушка древесины наблюдается в направлении длины волокон и величина ее для всех пород не превышает 0,1%.
Наибольшая усушка наблюдается в тангециальном и радиальном направлениях. Из теории термической обработки древесины известно, что усушка ее происходит не на всем протяжении процесса испарения влаги, а
начиная с момента достижения древесиной точки насыщения волокна,
т.е. с 30% - ной влажности. При поглощении влаги и насыщении ею оболочек клеток их размеры увеличиваются, что сопровождается давлением
набухания. Так как влажностные деформации древесины носят анизотропный характер и более чем на порядок превышают влажностные деформации цементного камня, то изменение влажности компонентов арбо-
лита вызывает появление в нем внутренних напряжений. Если возникшие
32
влажностные напряжения превышают прочность одного из компонентов
арболита или прочность сцепления между ними, происходит разрушение
наиболее слабого звена системы с образованием микро- и макротрещин.
Основное количество трещин (макротрещин) образуется в контактной
зоне системы «древесина – цементный камень». Изредка происходит когезионный разрыв заполнителя арболита, макротрещины видны невооруженным глазом и достигают размера более 1мм. Так, скорость ультразвука в момент начала трещинообразования в структуре арболита при его
твердении резко уменьшается примерно на 200‒300 м/с. Нарушение
структуры арболита в результате усадочных деформаций приводит к значительному снижению его прочности. Таким образом, влажностные деформации наряду с отрицательным действием водорастворимых веществ
древесины на процессы гидратации и твердения цемента являются факторами, оказывающими влияние на прочность опилкобетона.
Как было отмечено, высокие показатели влажностных деформаций –
одно из отрицательных свойств арболита. Определить вызывающие их
причины, значит, суметь воздействовать на величину и характер нарастания этих деформаций и, таким образом, наметить пути повышения прочности и других показателей качества и долговечности этого материала.
Арболит имеет относительно низкий модуль упругости вследствие
повышенной деформативности пористых заполнителей. Это одна из
наиболее существенных особенностей легких бетонов.
Показатель сжимаемости конструкций из арболита в 8‒10 раз больше, чем у плотных легких бетонов на минеральных пористых заполнителях. Предельная сжимаемость легких бетонов на минеральных пористых
заполнителях колеблется от 1,2 до 2,1 мм/м, а показатель сжимаемости арболита, как наиболее характерного представителя легких бетонов на органических заполнителях, при кратковременном нагружении составляет
7,5·10-3мм/м. Армирование значительно увеличивает предельную сжимаемость легких бетонов.
Усадка
Повышенная усадка арболита вызывается в основном изменением
объема цементного (гипсового) камня и древесного заполнителя при высыхании. Эту особенность бетонов следует учитывать при монтаже зданий.
Усадка арболита, например, составляет 0,5% или 5мм на 1 пог. м изделия.
Водопоглощение, водопроницаемость
Пористое строение заполнителей, применяемых при изготовлении арболита, и значительный объем влаги, поглощаемой ими из окружающей
среды, предопределяет такие свойства, как водопоглощение, водопроницаемость и паропроницаемость. Эти характеристики, в свою очередь, влияют
на теплопроводность бетонов, способность защищать арматуру от коррозии,
Показатели
Арболит
Опилкобетон на основе цемента
Плотность, кг/м3
550
600
650
950-1050
1050-
1150
1150-
1250
Теплопроводность,
Вт/(м·°С)
0,099-
0,238
0,110-
0,267
0,116-
0,296
0,244-
0,279
0,279-
0,314
0,314-
0,431
33
а также на долговечность легкого бетона в агрессивной среде. Водопоглощение арболита, например, колеблется от 30 до 80% по массе. Этот показатель может быть значительно снижен защитой конструкций различными
покрытиями (защитным слоем, штукатуркой, пленкой, плиткой и др.).
Теплопроводность
Наиболее существенное влияние на теплопроводность арболита оказывают их плотность и влажность. С повышением влажности и увеличением расхода вяжущего коэффициент теплопроводности возрастает
Данные НИИ строительной физики по коэффициенту теплопроводности при изменении влажности от 0 до 25% для арболита и опилкобетона
на основе цемента представлены в таблице 4.1:
Таблица 4.1.
Теплопроводность арболита и опилкобетона на основе цемента
Прочностные показатели и плотность арболита допускают использование его в качестве конструкционно-теплоизоляционного и теплоизоляционного материала в строительстве малоэтажных культурно-бытовых и
производственных зданий.
Долговечность
Долговечность – способность изделий сохранять в течение заданного
срока требуемые для нормальной эксплуатации характеристики. Она оценивается показателями морозостойкости, атмосферостойкости, водо- и
биостойкости и др. Морозостойкость зависит от марки бетона или раствора наружных отделочных слоев и должна быть не менее: Мрз – 25 циклов
для конструкционно-теплоизоляционных изделий, применяемых в зданиях
с относительной влажностью воздуха помещений не более 60%.
Водостойкость
Все виды легких бетонов имеют пористую структуру и сравнительно
легко поглощают и отдают влагу. Цементный камень с изменением влажности претерпевает значительную усадку, вызывая самопроизвольные значительные деформации бетонов. Так, набухание арболита в воде колеблется от 0,25 до 2 см/м. Несмотря на повышенные деформации, долговечность
арболита, при попеременном «водонасыщении – высушивании», высокая.
Методы регулирования физико-технических свойств арболита
34
Основными требованиями, предъявляемыми к стеновому материалу
– арболиту, являются: достаточная механическая прочность и биостойкость, низкая средняя плотность, хорошие теплоизоляционные свойства
и минимальное водопоглощение; экономичность и долговечность при эксплуатации. Свойства арболита, прежде всего, зависят от свойств материалов, которые применяются для его изготовления. Такие свойства, как
прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, огнестойкость и деформативность, в основном зависят от свойств цементного
камня и заполнителя.
При применении арболита в ограждающих и несущих конструкциях
зданий в первую очередь учитывают плотность бетона, от которой зависит
его прочность. Плотность арболита оказывает большое влияние не только
на прочность, но и на другие свойства, например, теплотехнические, пористость, водопоглощение, деформативность, звукопроницаемость и т.д.
Несмотря на очевидный экономический эффект, производство арболита развивается крайне слабо.
Проблема обеспечения совместной работы отходов деревообработки
и бетона связана со сложностью снижения деформативности (набухания и
усушки), отрицательного влияния легкогидролизуемых веществ древесины
на адгезионную прочность системы «древесина-цементный камень».
Недостатками арболита являются:
- низкая водостойкость, что приводит к самопроизвольным влаж-
ностным деформациям;
- большое значение придается фракционному составу целлюлозосодержащего заполнителя. В данном случае на величину деформации оказывает влияние структура каркаса цементного камня: когда она близка к клеевой пленке между частицами заполнителя, ее сопротивление деформациям
заполнителя мало, что и вызывает повышение деформации опилкобетона;
- не биостойкий и не атмосферостойкий.
Достоинствами арболита являются:
- признан уникальнейшим строительным материалом, который объединяет в себе лучшие качества древесины и камня;
- экологичен;
- высокие показатели тепловой изоляции, отлично сохраняет тепло
внутри помещения;
- конструкции из арболита возводятся в короткие сроки;
- небольшая нагрузка на фундамент, тем самым не способствует образованию усадки.
Материал из арболита получается средней плотности, но даже в таком
случае он обладает отменными физическими, строительными и гигиеническими показателями. В то же время арболит очень легко поддается распиливанию и обработке любыми другими инструментами. В него можно вбивать
гвозди и ввинчивать саморезы. Такие плиты очень трудно сгорают, устой-
35
чивы к морозам и практически не проводят звуки. Уникальные качества
блоков из арболита позволили использовать их даже в Антарктиде.
4.2. Технологические особенности изготовления арболита
Рассмотрение арболита как крупнопористого конгломерата с контактирующей структурой позволяет, основываясь на закономерностях образования искусственных строительных конгломератов, разработанных проф.
И. А. Рыбьевым и его последователями, предложить способы повышения
прочности арболита и его стойкости к влагопеременным воздействиям. Недостаточная изученность влияния особенностей структурно-механических
и технологических свойств древесного заполнителя на качество арболита
затрудняли возможность повышения эффективности используемого вяжущего (недобор классовой прочности) и управлять процессами структурообразования арболита и оптимизации структуры конгломерата.
Такими специфическими особенностями древесного заполнителя
являются:
- значительные и неодинаковые влажностные деформации с проявлением анизотропности не только в структурных направлениях, но в пределах одного направления в годичных слоях ранней и поздней древесины
(усадка и набухание для ели и сосны составляют от 0,1-0,3% вдоль волокна, до 12% в тангенциальном направлении, т.е. разница может составить до
120%; усушка ранней древесины равна 8,05%, поздней ‒ 11,26%);
- развитие значительного давления набухания, неодинакового как в
радиальном и тангенциальном направлениях, так и в пределах годичного
слоя ранней и поздней древесины (в радиальном направлении составляет
от 0,82 до 0,94 МПа, а в тангенциальном от 1,44 до 2,05 МПа); для ранней
древесины оно равно от 1,68 до 4,47 МПа, т.е. его значения близки к пределу пластического течения древесного заполнителя и к пределу прочности арболита;
- повышенная шероховатость древесной дробленки, у которой высота отдельных гребней и впадин может достигать от 800 до 1600 мкм, что
создает предпосылки для нарушения непрерывности прослойки цементного камня, имеющей толщину (при нормированных расходах портландцемента) от 54 до 365 мкм; при этом нарушаются условия оптимальности
структуры конгломерата;
- низкая адгезия древесного заполнителя с цементным камнем, влияние на величину сцепления в плоскости контактной зоны содержания ранней и поздней древесины в силу того, что величина сцепления ранней древесины в 1,6‒2 раза больше, чем у поздней;
- низкая когезия прочности прослоек из цементного камня, ослабленная присутствием древесного заполнителя, обусловленная недостаточ-
ной податливостью прослоек под воздействием в контактных зонах объем-
36
ной влажностной деформации и меняющегося на участке ранней и поздней
древесины давления набухания;
- высокая полярность целлюлозы ‒ основного компонента древесного заполнителя ‒ обусловливает выбор добавок для облагораживания древесного заполнителя при модификации цементного камня с возможно
большей полярностью;
- проявление химической агрессивности древесного заполнителя при
гидролизе и гидратации портландцемента;
- упруговязкопластические свойства древесного заполнителя, выражающиеся в такой отрицательной форме, как деформация уплотнения смеси, распрессовка отформованного изделия после снятия приложенного
давления уплотнения.
Наибольшая прочность конгломерата достигается при оптимальной
структуре, характеризующейся равномерным распределением заполнителя
по объему, наличием непрерывной прослойки в виде пространственной
сетки каркаса вяжущего вещества и минимальным значением фазового отношения, что соответствует минимальной толщине пленки среды ‒ вяжущего вещества, а также при обеспечении плотной упаковки твердой фазы древесной дробленки.
Для оптимизации структуры арболита первостепенное значение
имеют следующие факторы:
- упрочнение цементного камня и повышение растяжимости (приближение его деформативности к влажностным деформациям анизотропного древесного заполнителя);
- повышение деформативной устойчивости (снижение влажностных
деформаций и развиваемого давления набухания) древесного заполнителя
и арболита;
- оптимизация качества древесного заполнителя за счет придания
ему "изотропных" свойств путем изменения его формы, что обеспечивает
непрерывность прослойки цементного камня; повышение адгезии цементного камня с древесным заполнителем, а также повышение плотности арболита путем введения минеральных добавок и улучшения качества упаковки твердой фазы (заполнителя).
4.3. Исследование контактной зоны в структуре арболита
Так как степень отрицательного воздействия влажностных деформаций древесного заполнителя на прочность арболита во многом определяется его сцеплением с цементным камнем, то изучать влияние этих факторов
на прочностные характеристики арболита целесообразно во взаимосвязи.
При изучении контактной зоны мы исходили из предположения, что при
нормированных расходах портландцемента (260‒390 кг на 1 м3) и большой
удельной поверхности заполнителя прочность арболита обеспечивается
37
сцеплением цементного камня с древесным заполнителем, а защемление
его растворной частью (цементным камнем) может быть практически минимальным. Для оценки структуры конгломерата типа арболита с заполнителем, имеющим форму пластинок, толщина клеевой прослойки цементного камня ‒ каркаса, значит больше, чем в случае, когда заполнитель в бетоне имеет примерно шаровидную форму, так как контакт между такими
зернами носит точечный характер.
Толщину прослойки цементного камня в контактной зоне в структуре арболита приближенно (без учета проникания геля в поры древесины)
можно определить с помощью эмпирического выражения:
δ =
аЦК
Д𝐹уд𝜌ц
(4.1)
где Ц и Д ‒ соответственно расход цемента и древесной дробленки, кг на
1 м3 арболита;
а ‒ коэффициент, учитывающий технологические свойства древесноцементной композиции;
ρц ‒ средняя плотность цемента, кг/мЗ;
К ‒ выход цементного теста нормальной густоты, в частях от единицы;
Fуд ‒ удельная поверхность древесной дробленки, м2/кг.
Удельную поверхность древесных частиц (Fуд, см2/г) заполнителя
определяли по известной методике и по формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов
2
1
1
Fуд =
(
+
𝜌
𝑙
1
+
𝑏
) (4.2)
𝑎
где ρ ‒ средняя плотность древесины, г/смЗ;
l, b, a ‒ соответственно длина, ширина и толщина единичного объекта, см.
Расчетная толщина прослойки цементного камня в структуре арболита различных классов при нормированном расходе портландцемента, и
при использовании древесного заполнителя с постоянной удельной поверхностью (4,79 м2/кг) имеет близкие значения и зависит от Д/Ц (древесно-цементного) отношения. При Д/Ц = 0,62-0,66 толщина прослойки цементного камня составляет 0,173-0,187 мм, а при Д/Ц=0,55-0,61 соответственно 0,188-0,209 мм.
При уменьшении удельной поверхности древесного заполнителя до
некоторого предела прочность арболита растет. Снижение же прочности
при значительной крупности заполнителя отчасти может быть объяснено
влиянием больших влажностных деформаций, вызывающих развитие
напряжений в контактных зонах в процессе твердения и сушки арболита.
При использовании мелкой фракции снижение прочности объясняется
значительным уменьшением толщины цементных прослоек в структуре изза большой удельной поверхности заполнителя.
Таблица 4.2
Расход компонентов, кг/м3
Удельная поверхность за-
полнителя,
м2/кг
Толщина про-
слойки (рас-
четная), мм
Прочность
при сжатии,
МПа
ПЦ
дробленка
вода
CaCl2
390
230
390 8 2,57
0,365
2,89
390
230
390 8 3,01
0,311
3,98
390
230
390 8 345
0,272
3,79
390
230
230 8 4,79
0,196
3,52
390
230
390 8 17,56
0,054
2,41
38
Влияние удельной поверхности древесного заполнителя - дробленки
и толщины прослойки цементного камня на прочность при сжатии арболита
Имеет существенное влияние удельная поверхность древесного заполнителя на толщину клеевой прослойки (от 0,365 до 0,054 мм) и структурно-механические показатели арболита. Зависимость толщины клеевой
прослойки цементного камня от удельной поверхности древесного заполнителя, ее влияние на предел прочности арболита при статическом сжатии
представлена на рисунке 4.1. Так, прочность арболита на заполнителе оптимальной фракции при удельной поверхности (3,01 м2/кг) на 1,55 МПа
превышает прочность арболита такого же состава на мелкой фракции
(17,56 м2/кг), что составляет 42,8% классовой прочности.
Рисунок 4.1. Влияние удельной поверхности древесного заполнителя на расчетную
толщину прослойки цементного камня в контактной зоне арболита
Определенная с помощью выражения (4.1) толщина прослойки меж-
39
ду отдельными частицами древесного заполнителя и исследования под
микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров подтвердили предположение о том, что при нормированном расходе портландцемента растворная часть цементного теста расходуется только на
проклейку частичек, а защемление их практически несущественно. Толщина прослоек цементного камня в структуре арболита для средней фракции с удельной поверхностью 3,45‒4,79 м2/кг составляет 0,19‒0,27 мм.
Для сравнения отметим, что в крупнопористых бетонах на минеральных
заполнителях толщина прослойки в контактной зоне находится в пределах
1‒2 мм, т.е. в 6‒10 раз превышает эту величину в структуре арболита. Таким образом, арболит можно рассматривать как конгломерат крупнопористой структуры с контактирующим заполнителем. Прочность и стойкость
такого бетона в значительной степени обусловливаются силами сцепления
между заполнителем и цементным камнем и прочностью каркаса в структуре арболита.
Характерной особенностью состояния адгезива ‒ цементного камня ‒
является его рыхлая структура, чем можно объяснить когезионный характер разрушения структуры арболитовых образцов при их испытании. Исследования под микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров, показали, что толщина прослойки цементного камня в отколах
арболита при расходе портландцемента 360-390 кг на 1 мЗ и при удельной
поверхности древесного заполнителя 4,5‒5 м2/кг в среднем не превышает
0,2‒0,3 мм.
Чтобы выявить закономерности сцепления органического целлюлозного заполнителя с цементным камнем в структуре конгломерата,
приняты две структурные модели арболита. Эта модель с некоторыми
изменениями, учитывающими специфические свойства древесины, заимствована у Н. П. Штейерта, исследовавшего адгезию минеральных заполнителей с цементным камнем.
Образцы склеенных деревянных пластин и призмы из цементного
камня с серединкой из деревянной пластинки испытывали на растяжение
(отрыв) и изгиб. Исследования адгезионной прочности показали, что характер разрушения на участках с неодинаковым морфологическим строением (ранняя и поздняя древесина) различен.
На участках ранней древесины преобладает смешанное разрушение,
а на участках с поздней древесиной ‒ адгезионное. Такой характер разрушения связан с особенностями морфологического строения древесины
сосны. В годичных слоях ее четко различаются ранняя и поздняя древесина; трахеиды (клетки) ранней части широкополостные и относительно тонкостенные более приспособлены к водопроводящей функции, трахеиды
поздней части ‒ узкополостные и относительно толстостенные. Плотность
участков поздней древесины значительно больше, чем ранней и, как пока-
зали наши исследования, характеризуется более низким значением сцепле-
40
ния с цементным камнем, тогда как на участках ранней древесины преобладает смешанный характер разрушения, что указывает на большую силу
сцепления. Это, видимо, можно объяснить прониканием в открытые полости трахеид цементного геля из-за более высокой поверхностной пористости ранней древесины по сравнению с поздней, благодаря чему адгезионная прочность увеличивается за счет механического сцепления.
С увеличением шероховатости древесины до некоторого предела величина адгезии возрастает до тех пор, пока отдельные относительно крупные гребни (более 0,1‒0,4 мм) не противодействуют образованию непрерывной прослойки из цементного камня, т.е. не нарушают одного из главных условий образования оптимальной структуры. Оптимальная толщина
цементного камня составила 0,3‒0,6 мм в зависимости от шероховатости
образцов древесины.
Сцепляемость пластин моделей древесного заполнителя тангенциального и радиального среза с цементным камнем неодинакова. Сопротивление отрыву в моделях тангенциального среза на 30‒40% выше, чем у моделей радиального среза, что может быть объяснено наличием большего
количества поздней древесины и особенностями ее сцепления с цементным камнем. С увеличением площади поздней древесины на склеиваемых
поверхностях моделей наблюдается значительное снижение адгезионной
прочности, что можно объяснить низкой сцепляемостью этих участков
с цементным камнем и возможностью развития больших влажностных
деформаций, чем на участках ранней древесины.
Низкую сцепляемость древесины лиственницы с цементным камнем,
по нашему мнению, можно объяснить не только большим содержанием
легкогидролизуемых и экстрактивных веществ, но и большей разницей
влажностных деформаций ранней и поздней древесины, чем у ели и сосны.
Таким образом, для получения объективных сопоставимых результатов
при определении адгезии древесины с цементным камнем для каждой породы следует учитывать плоскость среза модели (тангенциальная, радиальная, поперечная) и процентное содержание на склеиваемых поверхностях ранней и поздней древесины, толщину прослойки цементного камня,
а также условия хранения образцов.
Вследствие того, что прослойки цементного камня толщиной
0,054‒0,365 мм, т.е. вяжущего, в основном расходуются на проклейку древесных частиц заполнителя и не в состоянии обеспечить их защемление, повышения прочности структуры арболита можно достичь следующими способами:
- физико-химической обработкой древесного заполнителя с целью
повышения адгезионной прочности его сцепления с цементным камнем;
- введением в состав арболитовой смеси химических и полимерных
добавок с целью повышения (адгезионной и когезионной прочности) сцепления в системе "древесина ‒ цементный камень" и увеличения предельной растяжимости адгезионного соединения;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]