Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Строительные материалы на основе переработанной древесины. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 105 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

- повышением механического сцепления в структуре (защемление

заполнителя), увеличением объема растворной части цементного камня путем ввода в состав арболитовой смеси тонкоизмельченных фракций минеральных добавок. Так как степень отрицательного воздействия влажностных деформаций древесного заполнителя на прочность арболита в большей мере определяется показателями сцепления двух различных по своей природе материалов (органического целлюлозного заполнителя и минерального вяжущего), то изучать влияние этих факторов целесообразно во взаимосвязи. Поэтому при выборе вида обработки древесного заполнителя моделей или модификации цементного камня с целью повышения сцепления в системе "древесина - цементный камень" ставилось такое условие. По возможности обеспечить также снижение влажностных деформаций путем стабилизации размеров (объема) заполнителя (т.е. снижать его гидрофильность) или повышать эластичность клеевой прослойки, увеличивающей растяжимость соединения.

При одинаковой шероховатости деревянных моделей адгезионную прочность можно изменять обработкой поверхности, что подтверждает наличие межмолекулярного взаимодействия на границе "вяжущее - древесина". При химической модификации поверхности древесного заполнителя эти соединения вступают в реакцию с гидроксильными группами целлюлозы и лигнина древесины. Даже незначительная модификация поверхности древесины вызывает изменение химического взаимодействия вяжущего и древесины.

Исследования свидетельствуют о том, что наиболее эффективна пропитка раствором хлорида алюминия (плотностью 1,08). Увеличение адгезионной прочности наблюдалось во все сроки хранения. В 28-суточном возрасте прочность сцепления была на 67% выше, чем у моделей, обработанных раствором хлорида кальция равной плотности и на 570%, т.е. в 5,7 раза по сравнению с результатом, полученным, когда пластинки моделей замачивались в воде такое же время (15 мин), как и при пропитке в химических растворах.

Деревянные пластинки моделей, прошедшие высокотемпературную сушку при 160°С, показали повышенную прочность сцепления с цементным камнем (выше на 89%), чем без термообработки, но меньшую, чем при обработке раствором СаСl2 и AlCl3. Значительное повышение адгезионной прочности у термообработанных моделей может быть объяснено частично стабилизацией их объема, обусловливаемой образованием эфирных связей, сопровождающих потерю связанной воды, и переходом легкогидролизующихся веществ (простейших cахаров) "цементных ядов" и более труднорастворимые соединения.

Положительный эффект получен при обработке поверхности деревянных пластин моделей поливинилацетатной дисперсией или латексом совместно с одним из хлоридов (СаСl2 или AlCl3, а также при их введении в цементное тесто. При этом наряду с увеличением сцепления ‒ сопротив-

ления отрыву ‒ значительно увеличивалась растяжимость адгезионного

соединения вследствие повышения эластичности клеевой прослойки. Предполагается, что адгезия системы "древесина ‒ цементный камень" обусловливается взаимодействием гидроксида кальция, образующегося при твердении портландцементного теста в контактной зоне с полярными функциональными группами компонентов древесины ‒ целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы.

Силы связи между цементным тестом (превращающегося в дальнейшем в цементный камень) и стенками клеток древесины, могут быть объяснены положениями адсорбционной теории адгезии. Известно, что составные части древесины, в первую очередь целлюлоза, характеризуются структурной поляризацией (поверхности молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина несут отрицательный заряд) и поэтому должны хорошо соединяться с полярными веществами.

Однако различные участки годичных слоев ‒ ранней и поздней древесины и стенок клеток ‒ содержат неодинаковое количество целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и других веществ и обладают разной степенью полярности, вследствие чего показатели адгезии составных частей древесины с цементным камнем различны. Поэтому при повышении сцепления древесного заполнителя с цементным камнем более эффективны те виды химикатов и добавок, которые более полярны.

При изготовлении древесной дробленки для производства арболита предпочтение отдается тем породам древесины, в которых содержится меньше водорастворимых экстрактивных веществ ‒ замедлителей твердения портландцемента. Поэтому в производстве арболита в основном применяют дробленку ели, сосны, пихты. Древесина же лиственницы из-за наибольшего содержания в ней экстрактивных веществ считалась малопригодной. Однако анализ имеющихся данных показал, что кроме химической агрессивности у лиственницы наблюдаются повышенные влажностные деформации по сравнению с другими хвойными породами.

Не только различные породы древесины подвержены объемным влажностным деформациям (усушка, набухание) разной степени, но и в пределах одной породы свойства ранней и поздней древесины сильно отличаются (на 27‒76%) в соответствии с их плотностью. Различие в усушке ранней и поздней древесины у лиственницы больше, чем у ели и сосны (соответственно на 40 и 28%). По степени подверженности влажностным объемным деформациям древесина ели является лучшей из пород для получения древесного заполнителя.

Видимо, одна из причин малопригодности заполнителя из лиственницы (при традиционных способах обработки) в том, что из-за наибольшей по сравнению с другими хвойными породами резко выраженной анизотропности ранней и поздней древесины, развиваются разные по величине влажностные деформации в контактных зонах, что ведет к нарушению целостности структуры.

4.4. Влияние влажностных деформаций на свойства арболита

Вид обработки

модели заполни-

теля

Абсолютные де-

формации, мкм

относительные

деформации (ε),

мм/м

Развиваемые уси-

лия набухания, Н

Давление набуха-

ния (Р

), МПа

Относительное

давление набуха-

ния к относитель-

ным деформациям

древесного запол-

нителя P

/ε

Время достижения

максимального

набухания

max), ч

Без обработки

96/4,8

723

0,9

0,188

Высокотем-пературная

сушка

92/4,6

689

0,85

0,187

Обработка раствором

хлорида алюминия

83/4,15

602

0,75

0,181

Существует факт развития значительного давления набухания, обусловленного объемными влажностными деформациями древесины (модель заполнителя), но и позволили дать им приближенную количественную оценку во взаимосвязи с абсолютной величиной их набухания. Эксперименты показали, что для древесины ели и сосны давление набухания колеблется в пределах от 0,7‒1,5 МПа в радиальном направлении и 0,8‒3,1 МПа в тангенциальном. Для ранней зоны годичного слоя древесины сосны оно составило 1,5 МПа, а для поздней ‒ 4,4 МПа. Столь близкие значения давления набухания отдельных участков древесины в контактных зонах структуры конгломерата и прочность самого арболита определяют стойкость арболита к влагопеременным (эксплуатационным) условиям ‒ целостность структуры.

Следовательно, один из существенных резервов повышения прочности и стойкости арболита к влагопеременным воздействиям ‒ снижение влажностных деформаций и давления набухания древесного заполнителя. Снижение влажностных деформаций древесного заполнителя и связанного с ними давления набухания, представленные в таблице 4.3, показывают, что образцы древесного заполнителя, предварительно обработанные, набухают значительно медленнее и в них развиваются меньшие усилия набухания в условиях частично стесненной деформации, чем в контрольных необработанных образцах.

Таблица 4.3

Абсолютные деформации при набухании моделей древесного заполнителя и развиваемые ими давления набухания определялись с помощью универсального прибора Ц1У. Чем эффективнее способ облагораживания древесного заполнителя, тем больше тенденция к снижению отношения PН/ε от 0,186 до 0,181, т.е. на единицу величины набухания снижается раз-

Влияние обработки модели древесного заполнителя

на развиваемое давление набухания

виваемое давление набухания. Таким образом, напряженное состояние

твердеющей структуры арболита во многом определяется способностью древесного заполнителя к значительным по величине влажностным деформациям и развиваемым ими давлениям набухания, а в пределах контактных зон ‒ возможностью возникновения неодинакового напряжения на отдельных участках ранней и поздней древесины, связанного с анизотропным ее строением. Поэтому при изыскании путей облагораживания древесного заполнителя и получения арболита повышенной прочности и стойкости к влагопеременным условиям необходимо учитывать такие отрицательные свойства древесины, как подверженность объемным влажностным деформациям и развитию давления набухания.

Изменение в диапазоне от 27‒30 до 0% влажности арболита (состоящего на 80‒90% по объему из древесного заполнителя), т.е. ниже точки насыщения древесных волокон (27‒30%), должно отрицательно влиять на целостность его структуры вследствие таких объемных влажностных деформаций древесины, как набухание, усушка и коробление вследствие изменения количества гигроскопической влаги. Было установлено, что образование структуры арболита сопровождается наряду с конструкционными (твердение цементного камня и повышение его сцепления с заполнителем) также и деструкционными процессами, вызываемыми в основном влажностными деформациями и давлением набухания древесного заполнителя.

Прочность в процессе твердения арболита при изменении влажности нарастает неравномерно. Наибольшие структурные изменения наблюдаются при снижении общей влажности арболита ниже точки насыщения волокна (27‒30%) древесного заполнителя. При этом максимальной прочности арболит разных составов достигает при влажности 15‒17%. С дальнейшим снижением влажности прочность уменьшается, что объясняется влиянием деструкционных процессов. В арболите, высушенном до абсолютно сухого состояния, а затем увлажненном до экстремального значения, первоначальная прочность не восстанавливается, т.е. снижение прочности не связано с известным положением о размягчении материала под воздействием влаги (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2. Изменение прочности арболита при высушивании

и последующем увлажнении

Учитывая то, что отпускная влажность арболита может доходить до

25% и определяется после испытания образцов, а экстремальные значения прочности принимают при 15‒17%, в целях более объективной оценки прочностной характеристики определяющее максимальную прочность Rсж(16) для образцов (с влажностью от 5 до 25%), отличающейся от усредненной 16%-ной влажности, соответствующей максимальной прочности для разных составов арболита

Rсж(16) = Rсж(W)[1±α(W-16)] (4.3)

где Rсж(16) ‒ предел прочности при сжатии при влажности 16%; Rсж(W) ‒ предел прочности при сжатии при влажности W, %; а ‒ поправочный коэффициент на влажность, полученный эмпирическим путем. Поправочный коэффициент принимается со знаком плюс при W>16 и минус при W<16; W ‒ влажность испытуемого образца; 16 ‒ усредненная влажность, соответствующая максимальной прочности арболита для разных составов, %.

Установлено, что для арболита критерием прочности может служить не только коэффициент размягчения (К

), но и коэффициент сохранения

разм

прочности при полной усадке (КRу), который для разных составов арболита изменяется в пределах от 0,69 для арболита без добавок до 0,86 для арболита с полимерными добавками:

Rсж(а.с.)

Rсж(16)

(4.4)

где Rсж(а.с.) ‒ прочность образца, высушенного до постоянной массы, МПа.

Экспериментально показано, что процесс набухания древесного заполнителя и арболита сопровождается развитием значительного давления набухания, что является одной из основных причин его напряженного состояния.

Были обнаружены структурные изменения деструкционного характера в контактных зонах, вызванных объемными деформациями древесного заполнителя в процессе попеременного увлажнения и высыхания. Прочность и стойкость арболита на любом органическом целлюлозном заполнителе ‒ функция следующих основных факторов:

R = f(К, А, Ц, ε

, Д-1, В-1, F

Д.Н.

уд

-1

, ε

-1

) (4.5)

с.у.

где К ‒ коэффициент формы заполнителя (отношение длины к ширине); А ‒ адгезия древесного заполнителя к цементному камню; Ц ‒ расход портландцемента на 1 м3 арболита; Д ‒ расход древесного заполнителя на 1 мЗ арболита; В ‒ расход воды на 1 мЗ арболита; Fуд ‒ удельная поверхность древесного заполнителя, м2/кг; ε

‒ свободная усадка арболита;

с.у

‒ давление набухания.

Д.Н.

Из приведенной функциональной зависимости видно, что резервом

повышения структурной прочности и стойкости в эксплуатационных условиях (попеременное увлажнение и высыхание) может быть снижение объемных деформаций древесного заполнителя и усадочных деформаций арболита, а также повышение адгезии в системе дерево - цементный камень.

Значительное снижение частично стесненных влажностных деформаций для исследованных составов арболита, а также развиваемое давление набухания с каждым последующим циклом попеременного увлажнения и высыхания особенно в первых пяти циклах, указывают на целесообразность выдерживания изделий на открытых складах для стабилизации влажностных деформаций, что в значительной мере исключает возможность возникновения этих процессов в уже возведенных сооружениях.

В качестве дополнительного критерия оценки прочности и стойкости к влагопеременным условиям нами предложен "коэффициент стойкости"

Кct=

Rct(16)

Rст(5Ц)

(4.6)

равный отношению максимальной прочности (соответствующей влажности 16%) и прочности того же образца после пяти циклов попеременного увлажнения и высыхания в частично стесненных условиях.

Влияние физических и химических способов обработки древесного заполнителя на прочность арболита и его водопоглощение можно отметить следующее: хотя водная обработка ‒ длительное вымачивание ‒ не повышает стабильности размеров древесного заполнителя, однако позволяет до 15% повысить прочность арболита по сравнению с необработанным заполнителем. Происходит это вследствие улучшения сцепления заполнителя с цементным камнем из-за частичного удаления с его поверхности легкогидролизуемых веществ. Однако способ этот недостаточно эффективен, не обеспечивает высокой скорости нарастания первоначальной прочности и не может быть рекомендован несмотря на то, что нашел распространение в практике в виде предварительной обработки древесного заполнителя до минерализации его ускорителями твердения, так как водонасыщенный заполнитель хуже впитывает химические добавки. Гидрообработка горячей водой, хотя и усложняет технологию, может быть применена в цехах в северных районах страны, где дробленка может замораживаться.

Более высокие результаты при термической обработке древесной дробленки. В этом случае прирост прочности арболита в 28-суточном возрасте составил 26%, а водопоглощение снизилось на 15‒20%. Уменьшение гидрофильности древесины и снижение ее влажностных деформаций после воздействия высокой температуры согласуется со свойствами других коллоидов, которые после высушивания при высокой температуре уменьшают поглотительную способность.

Причиной снижения гидрофильности древесины, представляющей собой ограниченно набухающий гель, после высокотемпературного нагре-

вания является, по-видимому, необратимая коагуляция коллоидов, состав-

ляющих древесину, химическое взаимодействие ее высокомолекулярных компонентов и частичное превращение линейных полимеров в трехмерные. Оптимальные результаты термообработки древесного заполнителя были получены при t = 160°С в течение 14 мин.

Высокотемпературная обработка требует специального сушильного оборудования и ведет к дополнительным энергетическим затратам, поэтому применять термообработанную древесину целесообразно там, где возможно использование отходов от переработки пиломатериалов, прошедших камерную сушку. Обработка древесного заполнителя раствором хлорида алюминия позволила получить наиболее значительное снижение водопоглощения и повышение прочности арболита во все сроки твердения и в особенности в первые три дня. Так, в первый день прочность достигла 1,5 МПа, на третий день ‒ 2,72 МПа, а в 28-суточном возрасте ‒ 4,6 МПа. В сравнении с прочностью арболита на составах с соответствующей средней плотностью прочность возросла на 31,4%.

Повышение прочности арболита за счет снижения влажностных деформаций древесного заполнителя при обработке его раствором хлорида алюминия достигается, по-видимому, вследствие уменьшения отрицательного заряда древесины (гидрофильности) в результате блокирования полярных групп, в первую очередь, гидроксильных, расположенных на поверхности молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина древесного заполнителя. Соли алюминия гидролизуются в присутствии целлюлозы, образуя гидроксид алюминия (AlCl3 + ЗН20 = Аl(ОН)3 + 3НСl), который адсорбируется целлюлозой. Процесс "протравы" широко используется для повышения водонепроницаемости и придания водоотталкивающих свойств плащевым хлопчатобумажным тканям, состоящим из целлюлозных волокон. Адсорбирование целлюлозой гидроксида алюминия ведет к уменьшению ненасыщенных валентностей гидроксидов компонентов древесного заполнителя, а следовательно, к снижению гидрофильности отработанной древесины, что в свою очередь тормозит развитие влажностных деформаций.

Как показали исследования, у древесного заполнителя, обработанного раствором хлорида алюминия, резко снизилось набухание, особенно в первые часы. Снижение абсолютных деформаций древесного заполнителя и переменного давления, создаваемого им при набухании и усушке, положительно сказывается на прочности структуры арболита.

Предварительная обработка древесного заполнителя раствором хлорида алюминия имеет преимущество перед введением того же его количества в состав арболитовой смеси (Д/Ц = 0,6, В/Ц = 1,1, древесная дробленка 240 кг/м3, портландцемент 390 кг/мЗ) и позволяет повысить прочность арболита на 10‒11%. Хлорид алюминия ускоряет также твердение портландцемента. В присутствии целлюлозы древесины протекает упомянутая

выше реакция выделения соляной кислоты, которая гидролизует легко рас-

творимые сахара в присутствии портландцемента, переводя их, по мнению ряда исследований, в менее растворимую форму ‒ сахараты кальция. Поэтому можно признать обработку древесного заполнителя раствором AlCl3 эффективно и комплексно действующим на систему "древесина ‒ цементный камень": на древесный заполнитель ‒ как стабилизатор размеров (снижающий набухание и усушку) и нейтрализатор легкогидролизующихся сахаров, а на твердение портландцемента ‒ как ускоритель твердения (ранее эффективность добавки объяснялась ускорением твердения).

Для снижения влажностных деформаций древесного заполнителя, как показали поисковые эксперименты, наиболее эффективны следующие пленкообразующие добавки: мочевиноформальдегидная смола КС-11 (наиболее дешевая и недефицитная); натриевое жидкое стекло и измельченный известняк ‒ отходы камнепиления. Кроме того, для этих целей эффективны раствор полиакриламида, вводимого одновременно с хлоридом алюминия и гидроксид кальция, добавляемый совместно с карбонатом аммония.

Анализ результатов исследований по выявлению воздействия обработки древесного заполнителя различными пленкообразующими составами на повышение прочностных характеристик арболита показал, что все подобранные составы позволяют в различной мере повысить прочность материала и снизить его водопоглощение. Целесообразность обработки древесного заполнителя маловязким раствором мочевиноформальдегидной смолы типа КС-11 обусловливается полярной природой этого высокомолекулярного соединения. Повышение гидрофобности древесного заполнителя, покрытого тонкой пленкой смолы, является следствием блокирования адсорбционноактивных в воде гидроксидов макромолекул целлюлозы и других компонентов древесины в результате образования водородных и химических связей между метальными группами (—СН2ОН) и гидроксидами древесины.

Положительный эффект при обработке заполнителя раствором смолы можно объяснить так. Если исходить из того, что набухание зависит от дипольности гидроксильных групп древесины, то снижение влажностных деформаций древесины можно объяснить соединением введенных в стенки клеток (при пропитке) дипольных молекул незаконденсированной смолы со свободными гидроксильными группами целлюлозы. Более мелкие неполимеризованные молекулы, диффундируя в поры структуры, лучше фиксируются и, обладая большой полярностью, легче могут проникать в решетку полярных групп древесины.

4.5. Способы повышения прочности арболита

Положительные результаты дала обработка древесного заполнителя композиционной добавкой, состоящей из измельченного известняка и натриевого жидкого стекла, вводимой в смеситель при приготовлении арболитовой

смеси. Оптимальные значения предела прочности при сжатии и средней

плотности арболита получены при следующем количестве вводимых добавок: натриевое жидкое стекло ‒ 2,5%, измельченный известняк ‒ 25%.

Оптимальный размер зерен (рис. 4.3) известнякового штыба составил 0,05 мм, что не превышает минимальной толщины прослойки цементного камня в структуре арболита. При использовании более крупной фракции эффект применения добавки известнякового штыба снижается из-за ухудшения контактов отдельных частиц древесного заполнителя в структуре арболита.

Рисунок 4.3. Влияние добавки измельченного известняка и размера его зерен

на прочность арболита при нормальном режиме твердения.

1 ‒ количество известняка оптимальной фракции; 2 – размер зерен известняка

При обработке древесного заполнителя композиционной добавкой поверхность его покрывается минеральной пленкой.

В результате взаимодействия дисперсной фракции известняка с натриевым жидким стеклом (с модулем не выше 2) образуется силикат кальция, ускоряющий кристаллообразование ‒ твердение цементного теста (которое в присутствии органического целлюлозного заполнителя из-за присутствия в его составе легкогидролизуемых сахаров замедленно).

В процессе вызревания и высыхания арболита с добавками известняка пылевидной фракции и натриевого жидкого стекла образующееся при их взаимодействии твердое вещество содействует упрочнению структуры. Предполагается, что процесс идет по реакции:

Na2O∙nSiO2 + СаСO3 = Na2CO3 (n - 1) SiO2 + CaSiO2

В то же время дисперсная фракция известняка и натриевое жидкое стекло, образуя минеральный слой на поверхности древесного заполнителя, уменьшают возможность диффундирования легкогидролизуемых cахаров из заполнителя в цементное тесто. Образование минеральной пленки

на поверхности органического целлюлозного заполнителя одновременно

улучшает сцепление в системе "древесина ‒ цементный камень" за счет большего количества растворной части и увеличения площади контактной зоны между отдельными структурными элементами.

Введение добавки известнякового штыба в количестве 25% массы вяжущего, рассчитанной на получение арболита марки 35, позволяет повысить эту марку до 50 или добиться экономии цемента до 15% при получении марки 35 за счет замены части цемента измельченным известняком (рис. 4.4).

Рисунок 4.4. Влияние добавки измельченного известняка на прочность

и водопоглощение арболита при нормативном расходе цемента

и при снижении его расхода при нормальном режиме твердения

1 – прочность при сжатии; 2 – водопоглощение, %

Введение в арболитовую смесь гидроксида кальция совместно с карбонатом аммония позволяет повысить классовую прочность арболита при расходе портландцемента и снизить его водопоглощение, Такое улучшение свойств арболита можно объяснить образованием на поверхности древесного заполнителя минеральной пленки из карбоната кальция. Получается она в результате реакций между двумя веществами, благодаря чему заполнитель становится менее "агрессивным" по отношению к цементу. Помимо этого улучшается адгезия к цементному камню (известно, что карбонат кальция имеет высокую адгезию к цементу).

Обрабатывают древесный заполнитель растворами гидроксида кальция и карбоната аммония в смесителе во время приготовления арболитовой смеси. При непрерывном перемешивании в смеситель подают сначала древесную дробленку, затем раствор Са(ОН)2 через короткий промежуток (NH4)2CO3 и последним - цемент.

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 105 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]