CC BY
45УДК 666.972.2
В.В. РУСИНА1, канд. техн. наук ([email protected]),
Ю.Ю. ДУБРОВИНА1, канд. техн. наук;
Е.И. ЧЕРНОВ2, инженер ([email protected])
1 Костромская государственная сельскохозяйственная академия (156530, Костромская область, Костромской район, пос. Караваево, Учебный городок, Караваевская с/а, 34)
2 «Мостоотряд-6» Ярославская территориальная фирма, филиал ПАО «Мостотрест» (150033, Ярославль, Тутаевское ш., 64А)
Бетоны для ограждающих конструкций
на основе отходов механической переработки древесины
Показаны преимущества композитов на основе минеральных вяжущих веществ и органического заполнителя из отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки. Определены отрицательные качества древесного заполнителя, которые затрудняют получение материала высокой прочности. Предлагаются органоминеральные бетоны для стеновых конструкций, в которых в качестве легкого заполнителя используются отходы механической переработки древесины - опилки и кора, а минеральными вяжущими служат шлако- и золощелочные вяжущие, состоящие из золошлаковых отходов и жидкого стекла из микрокремнезема. Объясняются достаточно высокие физико-механические показатели таких бетонов, обусловленные фазовым составом используемых вяжущих и особенностями жидкого стекла. Изучены процессы и явления, которые имеют место при формировании контактной зоны древесный заполнитель - вяжущее. Сделан вывод, что на основе отходов механической переработки лиственницы и ШЩВ, ЗЩВ на жидком стекле из микрокремнезема получены бетоны, удовлетворяющие всем требованиям для ограждающих конструкций. Показана возможность использования в качестве заполнителя древесной коры. При этом отмечается, что для успешного применения коры требуется одновременное использование низко- и высокомодульного жидкого стекла. В регионах, где металлургические шлаки и топливные золы от сжигания угля отсутствуют, предлагается для органо-минеральных бетонов использовать торфяную золу.
Ключевые слова: древесные заполнители, арболит, жидкое стекло, золошлаковые отходы, бетоны ограждающих конструкций.
Для цитирования: Русина В.В., Дубровина Ю.Ю., Чернов Е.И. Бетоны для ограждающих конструкций на основе отходов механической переработки древесины // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 32-35.
V.V. RUSINA1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), Yu.Yu. DUBROVINA1, Candidate of Sciences (Engineering); E.I. CHERNOV2, Engineer ([email protected])
1 Kostroma State Agricultural Academy (34, Karavaevskaya Village, Campus, Kostroma District, Kostroma Region, 156530, Russian Federation)
2 "Mostootryad-6" Yaroslavl territorial firm, branch of PJSC "Mostotrest" (64A, Tutaevskoye Highway, Yaroslavl, 150033, Russian Federation)
Concretes for Enclosing Structures on the Basis of Waste of Wood Machining
Advantages of composites on the basis of mineral binders and an organic filler from the waste of logging, lumbering, and machining are shown. Negative qualities of a wood filler which make it difficult to obtain material of high strength are determined. Organo-mineral concretes for wall structures, in which the waste of wood machining - sawdust and bark - are used as a light filler, and slag- and ash-alkaline binders consisting of ash-slag wastes and liquid glass from micro-silica serve as mineral binders, are proposed. Quite high physical-mechanical characteristics of such concretes due to the phase composition of the binders used and the peculiarities of liquid glass are explained. Processes and phenomena, which take place when forming the contact zone of wood filler - binder, have being studied. It is concluded that concretes obtained on the basis of waste of larch machining and slag- and ash-alkaline binders on the liquid glass from micro-silica meet all the requirements for enclosing structures. The possibility of using the bark, as a filler, is shown. It is noted that for the successful use of bark , the simultaneous use of low- and high-module liquid glass is needed. For regions where metallurgic slag and furnace bottom ash from coal burning are absent, it is proposed to use the peat ash for organo-mineral concretes.
Keywords: wood fillers, arbolite, liquid glass, ash-slag wastes, concretes of enclosing structures.
For citation: Rusina V.V., Dubrovina Yu.Yu., Chernov E.I. Concretes for enclosing structures on the basis of waste of wood machining. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 32-35. (In Russian).
В настоящее время, в связи с увеличением объемов малоэтажного и индивидуального строительства, отмечается возрастающее потребление мелкоштучных стеновых изделий. При этом основными требованиями потребителей являются не только низкая плотность и высокая прочность стеновых материалов, но и небольшая стоимость изделий, что, в свою очередь, предопределяет потребность в дешевых строительных материалах на основе местного сырья, полученного из попутных продуктов и отходов промышленных предприятий.
В регионах с развитой лесной и деревообрабатывающей промышленностью материалами, отвечающими этим требованиям, могут стать композиты на основе минеральных вяжущих веществ и органического заполнителя из отходов лесозаготовок, лесопиления и дере-
вообработки. Так, например, широко известны бетоны, состоящие из цементного вяжущего, древесного заполнителя и некоторых добавок. В Швейцарии это дюри-зол, в Австрии — велокс, в Англии — лигнесайт, в США — вундстроун, в Чехии — пилинобетон, в Японии — чен-тери-боад, в Германии — дюрипанель. В нашей стране подобный материал получил название арболит [1—3].
Арболит зарекомендовал себя хорошим стеновым материалом. Благодаря крупнопористой структуре этот легкий бетон обладает ценными качествами: малой средней плотностью, способностью поддерживать осушающий режим в помещениях, не конденсируя влаги на поверхности и не повышая влагосодержания в стенах, хорошими звуко- и теплоизоляционными свойствами. Между тем древесный заполнитель наряду с
научно-технический и производственный журнал
¡SrrotfjSjiáiíJbüs
О CD
* S
1 0 3 5 7
----на жидком стекле с п=1 на жидком стекле с п=3
Кинетика роста прочности адгезионного контакта ЗЩВ - древесина
присущими ему ценными качествами имеет и отрицательные свойства, которые затрудняют получение материала высокой прочности из высокопрочных компонентов (цемент и древесина). К специфическим свойствам древесного заполнителя, отрицательно влияющим на процессы структурообразования, прочность и стойкость арболита, относятся прежде всего, повышенная химическая агрессивность и низкая адгезия к цементному камню, обусловленные воздействием водорастворимых веществ древесины — сильнейших «цементных ядов». Для уменьшения отрицательного влияния таких веществ на прочность древесно-цементного камня предложены различные способы и технологические приемы, сущность которых заключается в частичном удалении этих веществ из древесного заполнителя; в переводе простейших сахаров в нерастворимые или безвредные для цемента соединения, в ускорении твердения портландцемента, то есть в сокращении времени воздействия сахаров на процессы твердения. Так, например, с целью получения качественных изделий древесный заполнитель подвергают длительному выдерживанию и высушиванию, а также минерализации — обработке химическими добавками. Как правило, это составы, которые локализуют действие экстрактивных веществ, содержащихся в органическом заполнителе, или покрывают частицы заполнителя водонепроницаемой пленкой, препятствующей соприкосновению вредных веществ заполнителя с цементным тестом. Кроме того, в производстве арболита используются только те породы древесины, в которых содержится немного веществ, являющихся замедлителями твердения портландцемента. Поэтому, например, древесина лиственницы для производства органоминеральных бетонов считается непригодной [4—6].
Авторами разработаны и запатентованы составы и технология получения органоминеральных бетонов для стеновых конструкций (при средней плотности 750—950 кг/м3 и теплопроводности 0,15—0,17 Вт/(м-°С) прочность материала составляет 5,5—10 МПа). В качестве легкого заполнителя используются древесные опилки — отход механической переработки древесины лиственницы. Минеральными вяжущими веществами в разработанных композициях служат шлако- и золоще-лочные вяжущие (ШЩВ и ЗЩВ), состоящие соответственно из молотого гранулированного ваграночного шлака ПО «Сибтепломаш» (г. Братск) или золы-уноса ТЭЦ-7 «Иркутскэнерго» (г. Братск) и жидкого стекла, получаемого из микрокремнезема Братского ферросплавного завода.
Достаточно высокие физико-механические показатели полученных бетонов объясняются прежде всего,особенностями фазового состава используемых вяжущих. Среди продуктов гидратации ЗЩВ и ШЩВ на жидком стекле из микрокремнезема полностью от-
сутствуют высокоосновные соединения [7], что позволяет без какой-либо предварительной обработки древесного заполнителя (даже из древесины лиственницы) получать материал с необходимыми свойствами. Кроме того, традиционно используемое в качестве минерализатора древесины жидкое стекло (в данном случае применяемое как щелочной компонент вяжущих) также благоприятно сказывается на прочностных показателях органоминеральных бетонов. Однако, как известно, прочность многокомпонентных материалов зависит не только от прочности самих структурных элементов, но и от прочности связей между ними. Так, в органомине-ральных композициях на основе портландцемента прочность отдельных компонентов достаточно велика: древесины — 15, цемента — 40 МПа. В то же время прочность таких материалов при значительном расходе цемента (300—400 кг и более) практически не превышает 2,5—3,5 МПа. Следовательно, определяющим фактором является прочность сцепления древесины с вяжущим.
Эксперименты по изучению процессов и явлений, которые имеют место при формировании контактной зоны древесный заполнитель — вяжущее, были проведены с использованием ЗЩВ. Исследования проводились по методу, разработанному в Томской государственной архитектурно-строительной академии. Эксперименты выполнялись с единичными образцами-пластинками размером 40x40x10 мм, изготовленных из древесины лиственницы распиловкой с последующим шлифованием. Величину адгезии золощелочного теста к срезу древесины определяли по усилию отрыва образца от поверхности теста. Усилие отрыва измеряли с помощью установки, смонтированной на базе весов ВЛА-200. Результаты эксперимента, представленные на рисунке, показывают хорошую адгезию ЗЩВ к древесине лиственницы (во всех случаях имел место только когези-онный характер разрушения). Известно, что составляющие древесины, и в первую очередь целлюлоза, обладают структурной поляризацией (поверхность молекулярных цепей несет отрицательный заряд), поэтому хорошо соединяются полярными веществами. В то же время щелочь, содержащаяся в жидком стекле, вследствие диффузии способна проникать к волокнам целлюлозы и адсорбироваться на ее гидроксильных группах. На начальной стадии на поверхности древесины, вероятно, образуется слой адсорбента повышенной концентрации. Наличие градиента концентрации заставляет затем адсорбент диффундировать во внутренние слои волокна со скоростью, пропорциональной этому градиенту. В результате воздействия ионов натрия на целлюлозу древесины происходит образование щелочной целлюлозы. Возникшие при этом промежуточные свободные радикалы в целлюлозе позволяют создать дополнительные связи в контактной зоне. Для оценки роли ионов натрия в формировании адгезионного контакта был проведен эксперимент с жидким стеклом, имеющим различные значения силикатного модуля. Как показывают полученные данные, адгезионная прочность материала на низкомодульном жидком стекле более чем в 2,5 раза выше адгезионной прочности экспериментальных образцов на высокомодульном жидком стекле. Вероятно, это вызвано меньшей концентрацией щелочи в высокомодульном жидком стекле, а также его меньшей способностью к гидролизу вследствие более высокой степени полимеризации. Что касается резкого перехода пологого участка графика (на седьмой минуте контакта) в вертикальное положение,
5
4
3
2
научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Компонент SiO2 А12О3 1"е2°з FeO ТЮ2 СаО МдО МпО SOз Р2О5 ППП
Содержание, мас. % 23 14-17 16-19 15-18 0,98 23 5-12 3,4 0,07-0,18 1,42 < 1
Средние значения 21,52 15,4 16 15 0,98 23 7,4 3,4 0,18 1,42 < 1
Таблица 2
Остатки на ситах 10 10 Размер ячеек, мм <0,14 Сумма
2,5 1,25 0,63 0,315 0,14
Частные, г 13,1 12,43 13 22 52 162 27,5 470 994
Частные, % 1,31 2,2 5,22 16,24 28 47,03 100
Полные, % 1,31 3,51 8,73 24,97 52,97 100 94,19
то, по-видимому, это обусловлено взаимодействием полярных функциональных групп компонентов древесины не только с ионами натрия, но и с ионами кальция гидролизованной к этому времени золы.
Таким образом, выполненные исследования показали, что ЗЩВ на жидком стекле из микрокремнезема обладает хорошей адгезией к древесине, обусловленной особенностями состава вяжущего. Прежде всего это — наличие иона щелочного металла, который благодаря малому радиусу и высокой реакционной способности при формировании контактной зоны вызывает ряд физико-химических процессов. Между тем известно, что любой органический заполнитель обладает специфической способностью — изменяет объем при увлажнении и высушивании, что отрицательно сказывается на прочности и стойкости органоминеральных бетонов к влаго-переменным воздействиям. В связи с этим изучены свойства исследуемого бетона по отношению к воздействию воды. При этом установлено, что бетоны на ШЩВ и ЗЩВ обладают достаточно высокой водостойкостью и морозостойкостью. Коэффициент размягчения составляет более 0,8 (для бетонов на ЗЩВ) и более 0,9 (для бетонов на ШЩВ), а морозостойкость во всех случаях составляет более 50 циклов. Очевидно, щелочь, содержащаяся в жидком стекле, хорошо проникает в глубь клеток древесины и взаимодействует с лигнином, что приводит к возникновению нерастворимых в воде органоминеральных соединений, в которых в виде межкаркасных ионов присутствуют ионы натрия и кальция. В результате воздействия ионов натрия на древесный заполнитель в процессе смешивания по поверхности древесной частицы происходит образование щелочной целлюлозы, а возникновение промежуточных свободных радикалов в целлюлозе позволяет создать дополнительные связи в контактной зоне древесный заполнитель — вяжущее, что приводит к образованию плотной оболочки вокруг частиц органического заполнителя. Это, в свою очередь, исключает возможность миграции воды в заполнитель.
Выполненные исследования показали, что на основе отходов механической переработки древесины лиственницы и ШЩВ, ЗЩВ на жидком стекле из микрокремнезема получены бетоны, удовлетворяющие всем требованиям для ограждающих конструкций.
Древесная кора является еще лучшим, чем сама древесина, природным теплоизолятором. Однако вместе с этим кора отличается от других частей древесины хрупкостью и повышенным содержанием экстрактивных веществ. Поэтому нормативными документами содержание коры в составе любого древесного заполнителя ограничивается 10%, а сама кора в качестве такового не
используется. Однако если учесть, что кора составляет около 13% всех круглых лесоматериалов, поступающих на распиловку, то для районов с развитой лесной и деревообрабатывающей промышленностью проблема ее использования является весьма актуальной.
Сравнительные эксперименты, выполненные с корой, предварительно подвергшейся водно-тепловой экстракции, показали, что свойства шлако- и золоще-лочных бетонов на ней в среднем на 15% лучше, чем бетонов на непроэкстрагированной коре. Поэтому предложено одновременное использование жидкого стекла различных составов и свойств. На начальном этапе кора обрабатывается высокомодульным жидким стеклом. Затем к ней добавляется зола или молотый шлак и все затворяется низкомодульным жидким стеклом. Обработка коры высокомодульным жидким стеклом предусматривает создание на поверхности ее частиц пленки, упрочняющей хрупкий древесный заполнитель, а также препятствующей выходу экстрактивных веществ в твердеющее золо- или шлакощелочное цементное тесто. Последующее же введение в бетонную смесь низкомодульного жидкого стекла обеспечивает максимальную активизацию алюмосиликатного компонента вяжущих. При этом следует отметить, что особенности используемого жидкого стекла из микрокремнезема (присутствие примесей мельчайших кристаллических частичек графита и карбида кремния) позволяют использовать высокомодульное жидкое стекло без каких-либо отвердителей. Обладая огромным потенциалом поверхностной энергии, графит и карборунд являются активным компонентами при отвердевании жидкого стекла в процессе формирования пленки, переводя жидкое стекло из объемного в пленочное состояние. Причем особенно благоприятно в этом случае использование жидкого стекла на микрокремнеземе, частицы которого имеют пластинчатую форму [8]. Кроме того, образующийся при твердении высокомодульного жидкого стекла из микрокремнезема гель кремниевой кислоты соединяет мельчайшие кристаллические частички графита и карборунда, обеспечивая передачу на них прилагаемой нагрузки. Достаточно прочные кристаллические частицы карборунда и графита армируют жидко-стекольную матрицу и выполняя роль микронаполнителя, по аналогии с наполненными полимерами, повышают прочность и твердость пленки из жидкого стекла. Применение рассмотренных приемов позволило получить на основе древесной коры, ШЩВ и ЗЩВ водостойкие (коэффициент размягчения более 0,8) и достаточно морозостойкие (более 50 циклов) бетоны со средней плотностью 650—800кг/м3 и прочностью при сжатии 4-7 МПа.
научно-технический и производственный журнал
Между тем в некоторых регионах России металлургические шлаки и топливные золы от сжигания угля отсутствуют. Поэтому базой для создания легких орга-номинеральных бетонов с использованием отходов механической переработки древесины может стать отход теплоэнергетики в виде торфяной золы, имеющейся во многих областях страны в значительных количествах [10—12].
Исследования, выполненные в Костромской государственной сельхозакадемии, показали, что торфяная зола Костромской ТЭЦ-1 и ТЭЦ в п. Волжский Костромского района, образующаяся при использовании торфа в качестве топлива, представляет собой пылевидный порошок с размером частиц преимущественно менее 0,315мм (табл. 1). По химическому составу исследуемая зола представляет собой кислое алюмоси-ликатное сырье (табл. 2).
Список литературы
1. Лукаш А.А., Лукутцова Н.П. Новые строительные материалы и изделия из древесины. М.: ACB. 2015. 288 с.
2. Чулкова И.Л., Пастушенко И.В., Парфенов А.С. Строительные композиты на основе местного техногенного сырья // Технологии бетонов. 2014. № 3 (92). С. 12-13.
3. Барахтенко В.В., Бурдонов А.Е., Зелинская Е.В., Толмачева Н.А., Головнина А.В., Самороков В.Э. Исследование свойств современных строительных материалов на основе промышленных отходов // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-12. С. 2599-2603.
4. Бужевич Г.А., Савин В.И. Состояние и основные направления научно-исследовательских работ по арболиту. Арболит. Производство и применение. М.: Стройиздат, 1979. 36 с.
5. Наназашвили И.Х. Арболит — эффективный строительный материал. М.: Стройиздат. 1984. 121 с.
6. Килюшева Н.В., Данилов В.Е., Айзенштадт А.М. Теплоизоляционный материал из коры сосны и ее экстракта // Строительные материалы. 2016. № 11. С. 48-51.
7. Русина В.В. Золошлакощелочные вяжущие на основе жидкого стекла из примесесодержащего микрокремнезема // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 25-28.
8. Русина В.В. Закономерности формирования состава и свойств микрокремнезема // Бетон и железобетон. 2009. № 3. С. 20-23.
9. Лукаш А.А., Лукутцова Н.П. Перспективность производства строительных материалов из древесины с ядровой гнилью // Строительные материалы. 2016. № 9. С. 85-88.
10. Мингалеева Г.Р., Шамсутдинов Э.В., Афанасьева О.В., Федотов А.И., Ермолаев Д.В. Современные тенденции переработки и использования золошлако-вых отходов ТЭС и котельных // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 225. (https:// elibrary.ru/download/elibrary_22877254_27213876.pdf)
11. Яценко Е.А., Грушко И.С., Гольцман Б.М. Опыт создания строительных материалов на основе зол и шлаков тепловых электростанций // Научное обозрение. 2014. № 9-2. С. 443-448.
12. Панибратов Ю.П., Староверов В.Д. К вопросу применения зол ТЭС в бетонах // Технологии бетонов. 2012. № 1-2. С. 43-47.
Торфяная зола не гидратируется водой и самостоятельно не твердеет. Для полной гидратации исследуемой золы с проявлением вяжущих свойств необходимо введение щелочного компонента. В проводимых исследованиях в качестве щелочной составляющей использовано промышленное жидкое стекло из силикат-глыбы по ГОСТ 13078—81 и жидкое стекло, синтезируемое из микрокремнезема Новолипецого металлургического комбината. В результате твердения (в нормальных условиях и при пропаривании) композиции, состоящей из торфяной золы, жидкого стекла и кварцевого песка, получен искусственный камень с прочностью 10—20 МПа и более, что является прямым подтверждением наличия вяжущих свойств у торфяной золы и основанием для дальнейших исследований с целью разработки составов и технологии получения ЗЩВ и бетонов на базе отходов механической переработки древесины.
References
1. Lukash A.A., Lukuttsova N.P. Novye stroitel'nye mate-rialy i izdeliya iz drevesiny [New construction materials and products from wood]. Moscow: ASV. 2015. 288 p.
2. Chulkova I.L., Pastushenko I.V., Parfenov A.S. Construction composites on the basis of local technogenic raw materials. Tekhnologii Betonov. 2014. No. 3 (92), pp. 12—13. (In Russian).
3. Barakhtenko V.V., Burdonov A.E., Zelinskaya E.V., Tolmacheva N.A., Golovnina A.V., Samorokov V.E. Research of properties of modern construction materials on the basis of industrial wastes. Fundamental'nye Issle-dovaniya. 2013. No. 10-12, pp. 2599-2603. (In Russian).
4. Buzhevich G.A., Savin V.I. Sostoyanie i osnovnye naprav-leniya nauchno-issledovatel'skikh rabot po arbolitu. Arbolit. Proizvodstvo i primenenie [State and main directions of research works on wood concrete. Wood concrete. Production and application]. Moscow: Stroyizdat. 1979. 36 p.
5. Nanazashvili I.Kh. Arbolit — effektivnyi stroitel'nyi material [Wood concrete — effective construction material]. Moscow: Stroyizdat. 1984. 121 p.
6. Kilyusheva N.V., Danilov V.E., Aizenshtadt A.M. Heat insulation material produced from pine bark and its extract. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 11, pp. 48—51. (In Russian).
7. Rusina V.V. Ash-slag-alkali binders on the basis of liquid glass from impurities-containing microsilica. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 11, pp. 25—28. (In Russian).
8. Rusina V.V. Regularities of formation of structure and properties of microsilicon dioxide. Beton i Zhelezobeton. 2009. No. 3, pp. 20—23. (In Russian).
9. Lukash A.A., Lukuttsova N.P. Perspectivity of producing building materials from wood with heart rot. Stroitel'nye Materialy Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 9, pp. 85—88. (In Russian).
10. Mingaleeva G.R., Shamsutdinov E.V., Afanas'eva O.V., Fedotov A.I., Ermolaev D.V. Current trends of processing and use of cindery and slag waste of thermal power plant and boiler rooms. Sovremennye problemy nauki i obra-zovaniya. 2014. No. 6, p. 225. (https://elibrary.ru/down-load/elibrary_22877254_27213876.pdf). (In Russian).
11. Yatsenko E.A., Grushko I.S., Gol'tsman B.M. Experience of creation of construction materials on the basis of the evils and slags of thermal power plants. Nauchnoe Obozrenie. 2014. No. 9-2, pp. 443—448. (In Russian).
12. Panibratov Yu.P., Staroverov V.D. To a question of use of the evils of thermal power plant in concrete. Tekhnologii Betonov. 2012. No. 1-2, pp. 43—47. (In Russian).
научно-технический и производственный журнал
