CC BY
57
Деревопереработка. Химические технологии
DOI: 10.12737/14630 УДК 674.8(075)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
кандидат технических наук М. В. Филичкина1 кандидат технических наук В. С. Копарев2
1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени
Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
2 - ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», г. Петрозаводск,
Российская Федерация
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по научному проекту № 15-38-50561
В настоящее время рациональное использование всей массы древесины в связи с проблемами бережного отношения к лесу становится весьма острым, актуальным является комплексная переработка древесного сырья. В условиях деревообрабатывающей и лесозаготовительной промышленности образуется огромное количество древесных отходов, которые не используются должным образом, а в основном сжигаются или закапываются в отвалы. При сжигании образуется большое количество шлам-лигнина, который наносит вред окружающей среде и для переработки которого требуется специальное дорогостоящее оборудование. В качестве эффективного использования отходов было предложено использование этих отходов для производства древесно-цементного композита с различными наполнителями, такими как опилки, отсев, кора и скоп, где в качестве связующего выступает цемент, а в качестве химических добавок сернокислый алюминий и жидкое стекло, которые необходимы для улучшения свойств древесного композита. Разработанная технология позволяет получить строительные изделия с хорошим диапазоном прочностных свойств в зависимости от состава смеси, используемой для приготовления материала. В работе проводились испытания образцов на прочность методом сжатия на оборудовании ВГ ЛТУ совместно с ПетГУ. Результатом испытания на прочность стали полученные зависимости прочности материала от доли составляющих в смеси компонентов, которые затем позволили сделать вывод о том, что пределы прочности изменялись от 0.38 МПа до 2.72 МПа. Полученные материалы можно использовать в качестве теплоизоляционных и конструкционных в строительных изделиях различного назначения.
Ключевые слова: Древесные отходы, скоп, связующее, наполнитель, химические добавки, древесно-цементный композит, цемент.
Лесотехнический журнал 3/2015
191
Деревопереработка. Химические технологии
THE STUDY OF STRENGTH OF WOOD-CEMENT COMPOSITES BASED ON WASTE
WOOD
PhD in Engineering M. V. Filichkina1 PhD in Engineering V. S. Koparev2
1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation 2 - Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «Petrozavodsk
State University», Petrozavodsk, Russian Federation The work has been made with financial support of Russian Foundation for Basic Research on
the scientific project № 15-38-50561
Abstract
Currently the rational use of the entire mass of wood in connection with problems of careful attitude to the forest becomes very urgent is the integrated processing of wood raw material. In terms of woodworking and timber industry formed a huge amount of wood waste that are not used properly, and mostly incinerated or buried in dumps. The combustion generates large quantities of sludge-lignin, which is harmful to the environment and for the processing of which requires special expensive equipment. As effective use of waste it was suggested that the use of these wastes for production of wood-cement composite with various fillers, such as sawdust, gravel, bark and shavings, where the binder acts as a cement, as chemical additives aluminum sulphate and water glass, are necessary to improve the properties of wood composite. The developed technology allows to get building products with a good range of strength properties depending on the composition of the mixture used for the preparation of the material. In the work carried out tests of samples on the strength of a compression method on «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov» equipment together with «Petrozavodsk State University». The result of testing the strength of steel obtained dependence of material strength on the fraction of components in the mixture components, which then led to the conclusion that the strength limits varied from 0.38 MPa to 2.72 MPa. The resulting materials can be used as thermal insulation and structural construction products for various purposes.
Keywords: wood waste, shavings, binder, filler, chemical additives, wood-cement composite, cement.
Одним из наиболее перспективных материалов для малоэтажного строительства является древесно-цементный композит на основе древесных отходов. Это сравнительно дешевый строительный материал т.к. в нем в качестве наполнителя используются древесные частицы, которые в качестве отходов скапливаются в большом количестве на различных лесоперерабатывающих и деревообрабатывающих предприятиях. Особенно вы-
годно производство строительных материалов из древесно-цементного композита, если это производство будет расположено близко или входить в структуру этих предприятий.
Недостаточно широкое применение строительных изделий из древесно-цементного материала объясняется тем, что в основном их выпускали на специализированных предприятиях, что практически сводило на нет возможности использовать практически
192
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
такого малоценного продукта, как опилки, скоп, отходы коры, отсев из-за дополнительных транспортных затрат [2, 6, 9].
Возможности широкого использования материалов на основе древесных отходов обусловлены тем, что на их основе можно получать строительные материалы с широким диапазоном прочностных и теплоизоляционных свойств и таким образом использовать их как для несущих и капитальных стен, так и для перегородок.
Преимущество этих материалов перед другими строительными материалами заключается в том, что они имеют сравнительно небольшую плотность в пределах 400-850 кг/м3 и низкую теплопроводность в пределах 0,08-0,17 Вт/м. Стены из древесноцементного материала толщиной 30 см соответствуют по теплопроводности стене из кирпича толщиной в 1 м. Следует также отметить повышенную сопротивляемость ударным нагрузкам, и таким свойствам не обладает ни один кладочный материал [1, 2].
В малоэтажном строительстве как строительный материал древесно-цементный материал отличается облегченной структурой в сочетании с экологичностью и эффективной теплоизоляцией. Имея крупнопористую структуру, древесно-цементный материал обеспечивает минимальный расход электроэнергии на обогрев и обеспечивает хороший воздухообмен.
Можно отметить широкие возможности использования древесно-цементный материал: марки 5 - как теплоизоляционный материал, марки 10 - для наружных стен одноэтажных зданий и несущих внутренних капитальных стен и марки 25 - для наружных стен двухэтажных зданий и несущих внут-
ренних капитальных стен.
Анализ применяемых аналогичных сырьевых смесей и наш опыт позволили прийти к выводу, что наиболее эффективно действуют добавки, если они берутся в определенном соотношении к основному компоненту, с которым они взаимодействуют, независимо от его количества - чем больше этого компонента, тем соответственно должно быть больше и добавки. Было установлено, что для ускорения отвердевания цемента количества сернокислого алюминия нужно брать в пределах 1,0-1,2 % относительно массы цемента, а для эффективного нейтрализующего действия, не выделяемые из опилок, отсева, коры и скопа «вредных ядов» достаточно от 8 до 12 % жидкого стекла относительно массы опилок [3, 4, 5, 10].
В качестве эффективного пути использования древесных отходов таких как (опилки, скоп, отсев, отходы окорки) нами разработана рецептура получения древесноцементных материалов на основе этих отходов, наполнителем выступают вышеперечисленные отходы, а в качестве связующего цемент. Работа проводилась в лабораторных условиях ВГЛТУ совместно с ПетрГУ были получены лабораторные образцы в количестве 60 штук с разными составами смеси в процентном соотношении заполнителя и вида заполнителя (рис. 1). Далее эти образцы испытывались на прочность методом сжатия.
Перед испытанием образцы подвергались визуальному осмотру, чтобы установить наличие дефектов в виде сколов ребер, раковин и инородных включений. Испытаниям не подвергались образцы, имеющие трещины, около ребер глубиной более 10 мм, раковины диаметром более 10 мм и глубиной более 5 мм,
Лесотехнический журнал 3/2015
193
Деревопереработка. Химические технологии
Рис. 1. Полученные образцы древесноцементного композита
а также следы расслоения и недоуплотнения бетонной смеси. Наплывы бетона на ребрах опорных граней образцов удалялись напильником.
Опорные грани отформованных образцов-кубов, предназначенных для испытания на сжатие, выбирались так, чтобы сжимающая сила при испытании была направлена параллельно слоям укладки бетонной смеси в формы.
Линейные размеры образцов измеряют с погрешностью не более 1 %. Также проверялась параллельность поверхностей образцов, которые будут находиться между плитами.
После того, как все образцы проверены и подготовлены к испытаниям, необходимо установить один образец на нижнюю плиту испытательной машины (рис. 2). Образец устанавливался нижней гранью.
Центровка проводилась примерная. Верхняя плита испытательной машины
Рис. 2. Испытание образца на прочность при сжатии
подводилась вплотную к верхней грани образца. После того как подготовительный процесс закончен, начиналось нагружение.
В табл. 1-4 представлены данные о полученных образцах, где в качестве заполнителя использовались скоп, отсев, кора и опилки. Серии между собой отличались количеством цемента, используемого для теста. Определили массу и объем, образцы испытывали на прочность методом сжатия и рассчитывалась прочность.
Первичные результаты испытания образцов-кубов получены в Н, то есть испытательная машина показывает максимальную нагрузку, при которой происходит разрушение образца. Эти значения необходимо перевести в МПа с учетом масштабного коэффициента согласно ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определение прочности по контрольным образцам». Воспользуемся формулой (1).
R = a^ykw, (1)
где R - прочность бетона (МПа),
а - масштабный коэффициент для приведения прочности бетона к прочности бетона в образцах базовых размера и формы, F - разрушающая нагрузка, Н (кгс),
А - площадь рабочего сечения образца, мм2 (см2),
kw - поправочный коэффициент, учитывающий влажность образцов в момент испытания.
Используя ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», kw принимается равным 1, поскольку указанные образцы не относятся к ячеистому бетону.
В соответствии с ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по
194
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
контрольным образцам» масштабный коэффициент а принимается равным 0.95.
R = 0.95 •15368 42 • 1 = 1.46 МПа, (2) 10000 v ’
Аналогично рассчитывалась прочность для всех образцов. Полученные результаты испытаний были сведены в табл. 1-4.
Таблица 1
Характеристика образцов, со скопом в качестве заполнителя
Серия № образца Объем, м3 Масса, кг Максимальная сила, Н Среднее значение силы, Н Прочность, МПа
1 1 0.0009508 0.906 15346.12 15368.42 1.46
2 0.0009603 0.913 15389.32
3 0.0009605 0.916 15376.54
4 0.0009608 0.919 15370.24
5 0.001000 0.953 15359.88
2 1 0.0009312 0.836 10321.25 10315.79 0.98
2 0.0009312 0.836 10318.86
3 0.0009504 0.858 10316.64
4 0.0009506 0.859 10322.86
5 0.0009604 0.873 10299.34
3 1 0.0009488 0.816 7584.22 7578.95 0.72
2 0.0009504 0.822 7566.12
3 0.0009506 0.823 7580.36
4 0.0009603 0.842 7578.40
5 0.0009604 0.842 7585.65
Таблица 2
Характеристика образцов, с отсевом в качестве заполнителя
Серия № образца Объем, м3 Масса, кг Максимальная сила, Н Среднее значение силы, Н Прочность, МПа
1 1 0.0009506 0.762 12508.72 12526.32 1.19
2 0.0009603 0.774 12518.66
3 0.0009604 0.776 12540.74
4 0.0009606 0.778 12528.64
5 0.001000 0.798 12534.84
2 1 0.0009488 0.783 21883.42 21894.74 2.08
2 0.0009488 0.783 21898.00
3 0.0009504 0.788 21892.92
4 0.0009506 0.792 21897.79
5 0.0009604 0.806 21907.78
3 1 0.0009488 0.865 27985.12 28000.00 2.66
2 0.0009502 0.876 27989.40
3 0.0009506 0.878 28004.26
4 0.0009608 0.893 28009.14
5 0.0009608 0.895 28012.08
Лесотехнический журнал 3/2015
195
Деревопереработка. Химические технологии
Таблица 3
Характеристика образцов, с корой в качестве заполнителя
Серия № образца Объем, м3 Масса, кг Максимальная сила, Н Среднее значение силы, Н Прочность, МПа
1 1 0.0009504 0.804 8206.4 8210.52 0.78
2 0.0009506 0.808 8208.62
3 0.0009603 0.820 8211.34
4 0.0009604 0.820 8212.21
5 0.0009784 0.837 8214.24
2 1 0.0009488 0.829 6100.19 6105.26 0.58
2 0.0009502 0.835 6102.32
3 0.0009504 0.836 6106.25
4 0.0009506 0.836 6108.24
5 0.0009608 0.847 6109.32
3 1 0.0009502 0.771 3986.5 4000.00 0.38
2 0.0009504 0.771 4000.35
3 0.0009506 0.773 4001.02
4 0.0009608 0.785 4005.59
5 0.0009608 0.787 4006.56
Таблица 4
Характеристика образцов, с опилками в качестве заполнителя
Серия № образца Объем, м3 Масса, кг Максимальная сила, Н Среднее значение силы, Н Прочность, МПа
1 1 0.0009506 0.771 17576.26 17578.95 1.67
2 0.0009603 0.784 17577.37
3 0.0009604 0.784 17578.44
4 0.0009606 0.786 17580.54
5 0,001000 0.820 17582.13
2 1 0.0009488 0.793 23781.79 23789.47 2.26
2 0,0009488 0.795 23783.85
3 0.0009504 0.804 23786.47
4 0.0009506 0.804 23796.48
5 0.0009604 0.816 23798.78
3 1 0.0009488 0.888 29675.14 29684.21 2.82
2 0.0009502 0.901 29680.14
3 0.0009506 0.903 29685.19
4 0.0009608 0.915 29689.24
5 0.0009608 0.915 29691.34
Данные табл. 1-4 позволили построить следующие зависимости.
На рис. 3 представлена зависимость прочности от массовой доли скопа в тесте. Анализируя данные рисунка, можно сделать вывод о том, что прочность древесно-
цементного композита обратно пропорциональна массовой доли заполнителя.
На рис. 4 представлена зависимость прочности от массовой доли отсева в тесте. Прочность обратно пропорциональна массовой доли заполнителя.
196
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Рис. 3. График изменения предела прочности на сжатие
Рис. 4. Г рафик изменения предела прочности на сжатие от массовой доли отсева в тесте
На рис. 5 представлена зависимость прочности от массовой доли коры в тесте. Прочность прямо пропорциональна массовой доли заполнителя.
Рис. 5. График изменения предела прочности на сжатие от массовой доли коры в тесте
На рис. 6 представлена зависимость прочности от массовой доли скопа в тесте. Прочность обратно пропорциональна массовой доли заполнителя.
Рис. 6. График изменения предела прочности на сжатие от массовой доли скопа в тесте
Показатели прочности исследуемых материалов на основе наполнителей в виде скопа, отсева, опилок и коры, позволили сделать вывод о том, что предел прочности на сжатие изменяется в диапазоне от 0.38 МПа до 282 МПа. Материалом, с наиболее высоким пределом прочности выступает древесноцементный композит на основе древесных опилок. Данные материалы могут выступать как в качестве теплоизоляционных, предел прочности которых находится в диапазоне от
0.35 Мпа до 1 Мпа и конструкционных от 1 Мпа до 3.5 Мпа. [7, 8, 11]. Подводя итог, делаем вывод о том, что можно заранее подобрать состав смеси с заданными свойствами для определенного вида материала по назначению.
Библиографический список
1. Арболит. Производство и применение [Текст] / под ред. А.С. Щербаков , Н.К. Якунина. - М.: Стройиздат , 1977. - 347 с.
2. Варданян, Г.С. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности [Текст] / Г.С. Варданян, В.И. Андреев [и др.]. - М.: АСВ, 1995. - 568 с.
3. Запруднов, В.И. Древесно-цементные теплоизоляционные материалы для малоэтажного домостроения [Текст] / В.И. Запруднов, Н.В. Гренц, С.В. Колесников // Научые труды Моск. Лесотехн. ин-т. - 1989. - Вып. 216. - C. 32-37.
4. Мурзин, В.С. Технология композиционных материалов и изделий [Текст] : учеб. по-
Лесотехнический журнал 3/2015
197
Деревопереработка. Химические технологии
соб. / В.С. Мурзин. - Воронеж, 1999. - 106 с.
5. Пошарников, Ф.В. Анализ структуры смеси для опилкобетона на основании многофакторного планирования эксперимента [Текст] / Ф.В. Пошарников, М.В. Филичкина // Вестник Московского государственного университета. Лесной вестник. - 2010. - № 1 (70). -
С.111-115.
6. Филичкина, М.В. Производство опилкобетона в условиях нижнего лесного склада [Текст] / М.В. Филичкина // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2010. - № 3. - С. 27-29.
7. Kleinlogel, A. Influence on concret [Тех^ / A. Kleinlogel. - Frederick Ungar Publishing, New York. - pp. 222-223.
8. Mitchell, L.D. Aspets of Portland cement hydration studied using atomic force microscopy [Text] / L.D. Mitchell, M. Prica, J.D. Birchall. - Mater, J..Sci. 31 (1996) 4207-4212.
9. Ramachandrman, V.S. Concrete Science Heyden [Тех^ / V.S. Ramachandrman, R.F. Feldman, J.J. Beaudoin. - London, 2010.
10. Shcherbakov, A.S. Priciples of increasingof quality of arbolit in wood additivies [Тех^ / A.S. Shcherbakov. Moscow, 2012.
11. Singh, N.B. Effect of glucose on the hydration of Portland cement [Тех^ / N.B. Singh,
P.N. Ohja // Proceedings of the 7th InternationalCongress on the Chemistry of Cement 11 Edition Septima. - Paris, 1980. - pp. 100-105.
References
1. Shcherbakov A.S., Yakunin N.K. Arbolit. Proizvodstvo i primenenie [The cement wood. Production and uses]. Moscow, 1977, 347 p. (In Russian).
2. Vardanyan G.S., Andreev V. I. [et all]. Soprotivlenie materialov s osnovami teorii uprugos-ti i plastichnosti [Strength of materials and fundamentals of elasticity and plasticity]. Moscow, 1995, 568 p. (In Russian).
3. Zaprudnov V.I., Grentz N.V., Kolesnikov S.V. Drevesno-cementnye teploizoljacionnye ma-terialy dlja malojetazhnogo domostroenija [Wood-cement insulation materials for low-rise housing]. Nauchye trudy Moskovskogo Lesotehnicheskogo instituta [Proceedings of the Moscow Forestry Institute]. 1989, Vol. 216, pp. 32-37. (In Russian).
4. Murzin V.S. Tehnologija kompozicionnyh materialov i izdelij [The Technology of composite materials and products]. Voronezh, 1999. 106 p. (In Russian).
5. Posharnikov F.V., Filichkina M.V. Analiz struktury smesi dlja opilkobetona na osnovanii mnogo-faktornogo planirovanija jeksperimenta [Analysis of the structure of the mixture for opilkobetona on the basis of multifactor planning of the experiment]. VestnikMoskovskogo gosudarstven-nogo universiteta. Lesnoj vestnik [Bulletin of Moscow state University. Forest Gazette]. 2010, no. 1 (70), pp. 111-115. (In Russian).
6. Filichkina M.V. Proizvodstvo opilkobetona v uslovijah nizhnego lesnogo sklada [Production opilkobetona during forest lower depot]. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N. I.
198
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Vavilova [The Bulletin of Saratov state agrarian University name afte N.I. Vavilov]. 2010, no. 3, pp. 27-29. (In Russian).
7. Kleinlogel A. Influence of the street, Frederick Unger Publishing, New York, pp. 222-223.
8. Mitchell L.D., M. Prica, Birchall J.D. Aspets of Portland cement hydration studied using atomic force microscopy, Mater, J..Sci 31(1996) 4207-4212.
9. Ramachandrman V.S., Feldman R.F., Baudouin J.J. Concrete Science, Heyden, London,
2010.
10. Shcherbakov A.S. Principles increasingof the quality of arbolit in the tree additivies, Moscow, 2012.
11. Singh N.B., Ohja P.N. The effect of glucose on the hydration of Portland cement, proceedings of the 7th InternationalCongress on cement chemistry 11 edition Septima, Paris (1980), pp. 100-105.
Сведения об авторах
Филичкина Мария Васильевна - старший преподаватель кафедры лесной промышленности, метрологии стандартизации и сертификации ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: FilichkinaM@yandex.ru.
Копарев Владимир Сергеевич - инженер учебно-производственного центра института лесных, инженерных и строительных наук ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», кандидат технических наук, г. Петрозаводск, Российская Федерация; e-mail: vkoparev@inbox.ru.
Information about authors
Filichkina Maria Vasilievna - Senior Lecturer department of forest industry of metrology, standardization and certification, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation; e-mail: FilichkinaM@yandex.ru.
Koparev Vladimir Sergeevich - Engineer training and production center of the Institute of forest, engineering and building Sciences, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «Petrozavodsk State University», Petrozavodsk, Russian Federation; email: vkoparev@inbox.ru
Лесотехнический журнал 3/2015
199
