CC BY
36
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 666.973.2
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 6. С. 536-541
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ОПИЛКОБЕТОНА ДИСПЕРСИОННО АРМИРОВАННОГО РАЗЛИЧНЫМИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ
С. Н. Долматов, С. Н. Мартыновская
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
В процессе заготовки и переработки древесины образуется значительные объемы отходов. Вовлечение этих отходов в производство или их утилизация - актуальная задача. Один из путей по их утилизации - производство строительных материалов в виде легких бетонов с минеральными и органическими заполнителями. Такие бетоны обладают повышенными теплоизоляционными свойствами и имеют низкую стоимость. Однако, по сравнению с классическими поризованными и легкими бетонами, где в качестве наполнителя могут выступать керамзит, полистирол, шлак, органобетоны имеют недостаточную прочность. Вопросу увеличения прочности органобетонов уделяется большое внимание. Армирование - один из способов повышения прочности бетонов. Представлены результаты исследований на прочность опилкобетона при его дисперсионном армировании неметаллическими материалами. Образцы опилкобетона изготавливались на основе рецептуры с использованием портланцемента, опилок, песка и жидкого стекла. В качестве армирующих материалов использовалась полимерная фибра, базальтовые волокна и волокна стеклосетки. Было исследовано влияние армирующих материалов при их дисперсионном введении на предел прочности образцов опилкобетона при сжатии. Выявлено, что дисперсионное введение вышеуказанных армирующих материалов приводит к снижению прочности образцов опилкобетона. Полученные закономерности могут быть использованы при дальнейших исследования по повышению прочности легких бетонов.
Ключевые слова: опилкобетон, неметаллические армирующие материалы, дисперсионное армирование, предел прочности.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 6, P. 536-541
RESEARCH OF OPILKOBETON STRENGTH DISPERSION REINFORCED BY DIFFERENT NONMETALLIC MATERIALS
S. N. Dolmatov, S. N. Martynovskaya
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
In the process of harvesting and processing of wood, significant amounts of waste are generated. The involvement of these wastes in production or their disposal is an urgent task. One of the ways for their disposal is the production of building materials in the form of lightweight concrete with mineral and organic aggregates. Such concretes have high thermal insulation properties and have a low cost. However, in comparison with classical porous and light concretes, where expanded clay, polystyrene, slag can act as a filler, organic concrete has insufficient strength. The issue of increasing the strength of organic concrete is given much attention. Reinforcement is one of the ways to increase the strength of concrete. The article presents the results of studies on the strength of opilkobeton with its dispersion reinforcement with non-metallic materials. Samples of sawdust concrete were made on the basis of the recipe using portlan cement, sawdust, sand and liquid glass. Polymeric fiber, basalt fibers and fiberglass fibers were used as reinforcing materials. The effect of reinforcing materials upon their dispersive introduction on the tensile strength of opil-concrete samples under compression was investigated. It was revealed that dispersion introduction of the above reinforcing materials leads to a decrease in the strength of samples of opilcobeton. The resulting patterns can be used in further research to improve the strength of lightweight concrete.
Keywords: opilkobeton, non-metallic reinforcing materials, dispersion reinforcement, tensile strength.
ВВЕДЕНИЕ
В стратегии развития РФ в области промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года имеются данные, согласно которым на лесопромышленных комплексах и деревоперерабатывающих комбинатах ежегодно образуется значительные объемы отходов древесины. В списке направлений приоритетного использования таких отходов указано производство различных бетонов на основе древесных заполнителей [1]. Рост производства таких строительных материалов идет в тесном контакте с реализацией требований федеральной программы [2] «Жилище», предусматривающей значительное увеличение объемов и номенклатуры вводимых в эксплуатацию объектов жилья. В том числе, особое внимание уделяется индивидуальной малоэтажной застройке и перспективным строительным материалам, востребованным при реализации такого строительства.
Для строительства жилых объектов в условиях низких температур Восточной Сибири требуются материалы, имеющие достаточные теплоизоляционные свойства, небольшую массу и высокую эффективность при транспортировке, складировании и возведении стен. Проблема теплоизоляции жилых и производственных зданий также актуальна для зарубежных стран с холодным климатом (Канада, страны Скандинавии). Интерес застройщиков и конечного потребителя к зданиям, изготовленным с применением древесных материалов имеет три фундаментальных аспекта:
1) экологичность древесины и связанное с этим комфортное безопасное пребывание людей;
2) экономичность конструкций, связанная с высокими теплоизоляционными показателями древесины;
3) уменьшение затрат, связанных с транспортировкой строительных материалов, с возведением фундаментов, перекрытий и прочих элементов благодаря существенно меньшей удельной массы древесины, по сравнению с кирпичом, бетоном.
Эти факторы являются главной движущей силой и стимулом проводить исследовательские работы в области совершенствования древесных строительных материалов для индивидуального и промышленного строительства.
Поскольку цельная стволовая древесина является достаточно дорогостоящим товаром и в современном строительстве уже перешла в разряд сегмента премиальных конструкций, имеющих высокую стоимость, весьма перспективным строительным материалом, стремительно завоевывающим рынки, является продукт, представляющий собой измельченные древесные частицы, соединенные различными органическими или синтетическими клеящими или вяжущими составами. Исходное сырье для таких материалов может изготавливаться из отходов древесины, имеющихся в значительных объемах при работе лесозаготовительной, лесопильной и деревообрабатывающей промышленности. Объемы таких отходов достигают существенных величин. При объеме заготовки древесины в РФ 2016 г. в размере 214 млн м3 объем древесных отходов составил порядка 32 млн м3 [3].
Главный недостаток синтетических связующих -их токсичность, поэтому наиболее перспективны вяжущие вещества на основе инертных материалов (кальциевые гидратационные вяжущие). Возможность получения качественных материалов на основе кальциевых вяжущих и древесной дробленки научно обоснована и подтверждена обширной производственной и строительной практикой [4; 5]. Древесные частицы сочетают ценные качества (дешевизна, малая плотность, легкость обработки) и недостатки, ограничивающие получение материала с высокой прочностью. То есть механические показатели конечного продукта (органобетона) оказываются ниже прочностных показателей исходных материалов (дерева, песка, цемента). Поэтому вопросу увеличения прочности органобетона без существенного снижения теплоизоляционных качеств уделяется большое внимание. Установлено, что прочность органобетонов зависит от рецептуры применяемого раствора, от активности вяжущего материала, водоцементного отношения, подготовки и в особенности от степени сцепления вяжущего с поверхностью древесных частиц. Положительное влияние на прочность оказывает введение в рецептуру пластификаторов (исследовалась добавка ПФМ-НЛК) [6], Существенное влияние на прочность органобетона оказывает размеры древесных частиц [7]. Интересен опыт применения биологически модифицированных частиц древесного заполнителя, используемого при производстве опилкобетона [8]. Позитивное влияние на прочность оказывает введение в рецептуру различных эмульсий, оказывающих обволакивающее действие на древесные частица и ограничивающих воздействие находящихся в составе клетки древесины сахаров - ядов для карбонатных вяжущих веществ [9].
Целью исследований является определение прочностных показателей опилкобетонов при их дисперсионном армировании неметаллическими материалами.
Для достижения цели предстоит решить следующие задачи:
- провести анализ перспективности использования различных неметаллических армирующих материалов для дисперсионного армирования органобетона;
- изготовить экспериментальные образцы опил-кобетона, дисперсионно армированного этими материалами;
- исследование влияния вида армирующего материала и его объема на прочностные свойства опилко-бетона.
Повысить механические показатели изделий из ор-ганобетонов можно армированием [10; 11]. Армирование изделий производится для повышения их конструктивной прочности, увеличения несущей способности изгибаемых элементов и жесткости при транспортировании и монтаже. В качестве арматуры при армировании органобетонов, применяют круглые стальные стержни, проволочные сетки, каркасы. Весьма интересны работы в области армирования органическими волокнами, например работы по дисперсному армированию кокосовыми волокнами. Использовались кокосовые волокна длиной 5-18 мм, что
сопоставимо с размерами древесных частиц при производстве органобетонов. Авторами были получены бетоны со средней плотностью 600-800 кг/м3, теплопроводностью 0,148,2 Вт/(м °С), и прочностью при сжатии от 2 до 4 МПа и при изгибе от 1 до 1,5 МПа [12]. Особенное важны исследования по дисперсионному армированию, поскольку изготовление каркасов и сеток из арматуры сопровождается дополнительными трудозатратами и не всегда выполнимы в принципе (армирование блоков небольших размеров или сложной формы). Использование заполнителей и модифицирующих добавок различной природы позволяет получить стеновые строительные материалы с улучшением прочностных характеристик [13].
Современной тенденцией в области применения армирующих материалов для повышения прочности бетонных изделий является широкое использование арматуры из неметаллов. Например, арматуру из стеклопластиков в нашей стране начали использовать в 1970-х гг. Хорошее сочетание прочности, коррозионной устойчивости и стоимости обусловило использование СПА при сооружении различных объектов. В качестве полимеркомпозитной арматуры используются стеклянные, базальтовые, углеродные и органо-полимерные волокна (см. таблицу). При общем высоком уровне прочности волокон на растяжение свойства волокнистых армирующих материалов различной химической природы принципиально отличаются друг от друга [14].
Как видно из данных в таблице, неметаллические волокна по ряду показателей превосходят стальные. Первоначально для армирования наиболее широкое применение нашли стержни на основе стеклянного волокна по сравнению с другими полимерными композитами [15]. В настоящее время в России наравне со стеклопластиком производятся стержни из базальтового волокна с большей прочностью и щелочестой-костью Углеродные волокна в армированных пластиках строительного назначения ввиду их высокой стоимости пока применяются крайне редко
Один из основных недостатков пластиковой арматуры - низкая температурная стойкость (выдерживает до 150 °С) - связана со свойствами полимеров, однако этот фактор можно признать малозначимым, поскольку стеновые ограждающие конструкции, работающие в диапазоне температур (от -40 до +40 °С), не могут оказать какого-либо деструктивного воздействия на полимерную арматуру.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследования являются образцы, изготовленные из опилкобетона с дисперсионным введением в рецептуру различных неметаллических армирующих добавок. Предмет исследования - влияние дисперсионного армирования на прочность образцов при сжатии. Опытные образцы изготавливались из следующих сырьевых компонентов: опилки, полученные при распиловке сосны на дисковой лесопильной установке. Фракционный состав размер частиц от 2 до 5 мм. Влажность опилок не измерялась и соответствовала влажности сырорастущей древесины. В качестве
вяжущего использовался портландцемент II/A-Ш 32,5Б (ПЦ 400-Д20) (Портландцемент со шлаком (Ш) от 6 до 20 %, класса прочности 32,5 быстротвердею-щий, ГОСТ 31108-2003) производства ООО «Красноярский цемент». В качестве заполнителя использовался карьерный песок, модуль крупности - 0,2-3,5 мм, коэффициент фильтрации - 1,0-3,0 м/сутки, насыпная плотность - 1,55-1,65 кг/м3, стекло жидкое натриевое ГОСТ 13078-81. Дозировка компонентов проводилось весовым способом с точностью до 1 г. Применялась рецептура опилкобетонной смеси следующего состава компонентов: портландцемент 280 г, опилки 200 г, жидкое стекло 25 г, песок 350 г, вода 350 г.
Изготовление смеси проводилось путем смешивания сухой смеси из портланцемента, песка и опилок. Смесь затворялась водой с предварительным внесением жидкого стекла. Смешивание проводилось вручную. Затем полученной смесью заполнялись формы кубической формы, с размерами 50*50*50 мм. Смесь уплотнялась методом вибрирования с пригрузом. Сушка образцов проводилась при комнатной температуре. Образцы маркировались и извлекались из форм через 7 суток. Далее образцы набирали прочность при комнатной температуре ещё 28 суток в условиях естественной влажности. По каждой разновидности образцов (исходя из вида армирующих материалов) изготавливалось 15 штук. В ходе проведенных экспериментальных исследований для образцов опилкобетона в качестве армирующих материалов использовались: сетка нанокомпозитная базальтовая ПНСТ 31-2015, фибра полипропиленовая «Belmix ВМ12», сетка стекловолоконная армирующая щело-честойкая ГОСТ Р 55225-2012.
Для обеспечения одинакового размера отдельных частиц армирующего материала базальтовая сетка и стекловолоконная сетка нарезалась на частицы длиной 20 мм, что сопоставимо с длиной волокон фибры. На первом этапе исследований все виды армирующих волокон добавлялись в смесь в количестве 10 г (или 5 % от массы опилок).
На втором этапе проводилось исследование влияния различных навесок (10,20 и 30 г) базальтовых волокон, имеющих максимальные показатели прочности (по сравнению с фиброй и стекловолокном). Морозостойкость образцов всех составов определяли согласно ГОСТ 10060-95 по ускоренному методу № 3. Все образцы выдержали 8 циклов попеременного замораживания - оттаивания без видимых признаков повреждения, что соответствует марке по морозостойкости F300. Испытания полученных образцов проводились на гидравлической испытательной машине. Определялся предел прочности при сжатии образцов. Образец укладывался в раму нагружения гидравлической испытательной машины, проводилось нагружение, фиксировался момент потери прочности (разрушения) образца, записывался результат (показание динамометра нагружения), затем проводилась камеральная обработка экспериментальных данных, определялись статистические показатели, с уровнем достоверности R-0,95.
Механические свойства волокон из различных материалов
Показатель Углеродное волокно Стеклянное волокно Стальное волокно Арамидное волокно «Кевлар» Полиэтиленовое волокно
Плотность, кг/м3 1 700 2 600 7 350 1 440 970
Предел прочности при растяжении, МПа 2 000-5 000 4 200 350 3 275 3 000-1 000
Модуль упругости, МПА 345 70-90 200 120-130 55-70
Рис. 1. Образцы армирующих материалов
А - фибра; В - сетка базальтовая; С - сетка стекловолоконная (поз. В и С после измельчения)
Рис. 2. Готовые образцы после извлечения из формы
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты экспериментального исследования некоторой степени удивили. Оказалось, что применение дисперсионного армирования (в конкретном рассматриваемом случае) не приводит к увеличению прочности образцов при сжатии. Даже при добавлении 15 г (15 % по массе опилок) базальтового волокна, предел прочности образца составил 2,3 МПа, что ниже прочности базового образцы (2,53 МПа), изготовленного без дисперсионного армирования волокном. Полученные результаты кардинально отличаются от результатов армирования классических бетонов, когда при армировании наблюдается повышение практически всех показателей механической прочности [16].
При прочих равных условиях (навески армирующих волокон 10 г) максимальную прочность показами образцы армированные фиброй. Волокно фибры имело минимальное сечение, по сравнению с волокнами базальтовой и стеклосетки.
Рис. 3. Предел прочности МПа образцов при сжатии
Вероятно, такое поведение опилкобетона при его дисперсионном армировании, связанно с тем, что процессе гидратации цементного камня древесные частицы и частицы армирующего материала ведут себя по-разному. Частицы отличаются размером, формой, адгезией с цементным камнем, пористостью
и водопоглощением. Введение армирующих частиц нарушают единообразие сцепления древесных частиц, а реализация увеличения прочности за счет физико-механических свойств армирующих материалов не достигается вследствие недостаточного сцепления цементного камня с армирующими частицами. Это объясняется самой сущностью дисперсионного армирования, когда армирующие материалы не образуют жесткого сцепления - каркаса, а хаотично распределяются по объёму армируемого материала. Вероятно, что для увеличения прочности образцов при армировании неметаллическими материалами, необходимо формировать каркас-скелет из армирующих материалов с последующим заполнением объёма занятого каркасом смесью определенной рецептуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Вопросы освоения вторичных древесных ресурсов, отходов переработки древесины - важная задача науки и промышленности.
2. Для увеличения прочности органобетонов применяются различные приемы, включающие разработку современных рецептур, химических и биологических добавок. Конечный продукт должен обладать высокими теплоизоляционными и прочностными показателями, должен быть экологически безопасным и конкурентоспособным.
3. Экспериментальными исследованиями установлено, что дисперсионное армирование опилкобетона не приводит к увеличению показателей его прочности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Стратегия развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года : Распоряжение Правительства РФ от 25.01.2018 № 84-р // Собр. законодательства РФ. 2018. № 6. Ст. 920.
2. О федеральной целевой программе «Жилище» на 2011-2015 годы : Постановление Правительства РФ от 17.12.2010 № 1050 // Собр. законодательства РФ. 2010. № 52. Ст. 7108.
3. Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года : Приказ Минпромторга России и Минсельхоза России от 31 октября 2008 года № 248/482. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
4. Наназашвили И. Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. М. : Стройиздат, 1990. 415 с.
5. Арболит / под ред. Г. А. Бужевича. М. : Стройиздат, 1968. 243 с.
6. Даваасенгэ С. С., Буренина О. Н., Петухова Е. С. Модификация опилкобетона для улучшения физико-механических свойств // Научный журнал КубГАУ. 2014. № 101 (07). С. 1-10.
7. Долматов С. Н. Влияние фракционного состава опилок на прочностные свойства опилкобетона // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии. 2017. № 1. С. 48-51.
8. Белов В. В., Миронов В. А., Сухарев Ю. В. Биологически активный опилкобетон для сельскохо-
зяйственного строительства // Вестник ТвГУ. Сер. Экономика и управление. 2011. № 9. С. 76-82.
9. Фунтяков Д. С., Смирнов М. А. Разработка модифицированного опилкобетона с повышенными эксплуатационными характеристиками // Juvenis scientia. 2016. № 1. С. 33-35.
10. Моргун Л. В., Виснап А. В. О повышении несущей способности изделий из фибропенобетона при армировании их стеклопластиковой арматурой // Строительство - 2015. Современные проблемы строительства : материалы Междунар. науч.-практ. конф. ; Ростов. гос. строит. ун-т; Союз строит. Южн. федер. округа; Ассоциация строит. Дона. 2015. С. 444-446.
11. Строев Д. А. Дисперсно-армированные бетоны на битумно-цементном вяжущем для строительных и ремонтных работ : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-н/Д., 2013. 24 с.
12. Нгуен Тан Нган. Пенобетон дисперсно армированный кокосовым волокном : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. М., 2005. 34 с.
13. Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. М., 1990. С. 58-61.
14. Сцепление полимеркомпоэитной арматуры с цементным бетоном / В. Г. Хозин, А. Р. Гиздатуллин, А. Н. Куклин и др. // Известия КГ АСУ. 2013. № 1 (23). С. 211-213.
15. Фролов Н. П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. М. : Стройиздат, 1980. 102 с.
16. Рабинович Н. Ф. Композиты на основе дисперсно армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции : монография. М. : АСВ, 2004. 560 с.
REFERENCES
1. Strategiya razvitiya promyshlennosti po obrabotke, utilizatsii i obezvrezhivaniyu otkhodov proizvodstva i potrebleniya na period do 2030 goda : Rasporyazheniye Pravitel'stva RF ot 25.01.2018 № 84-r // Sobr. zakonodatel'stva RF. 2018, № 6, St. 920.
2. O federal'noy tselevoy programme "Zhilishche" na 2011-2015 gody : Postanovleniye Pravitel'stva RF ot 17.12.2010 № 1050 // Sobr. zakonodatel'stva RF. 2010, № 52, St. 7108.
3. Strategiya razvitiya lesnogo kompleksa Rossiyskoy Federatsii na period do 2020 goda : Prikaz Minpromtorga Rossii i Minsel'khoza Rossii ot 31 oktyabrya 2008 goda № 248/482. Dostup iz sprav.-pravovoy sistemy "Konsul'tantPlyus".
4. Nanazashvili I. Kh. Stroitel'nyye materialy iz drevesno-tsementnoy kompozitsii. Moscow, Stroyizdat, 1990, 415 s.
5. Arbolit / pod red. G. A. Buzhevicha. Moscow, Stroyizdat, 1968, 243 s.
6. Davaaseng-e S. S., Burenina O. N., Petukhova E. S. Modifikatsiya opilkobetona dlya uluchsheniya fiziko-mekhanicheskikh svoystv // Nauchnyy zhurnal KubGAU. 2014, № 101 (07), S. 1-10.
7. Dolmatov S. N. Vliyaniye fraktsionnogo sostava opilok na prochnostnyye svoystva opilkobetona // Zhurn. Sib. feder. un-ta. Tekhnika i tekhnologii. 2017, № 1, S. 48-51.
8. Belov V. V., Mironov V. A., Sukharev Yu. V. Biologicheski aktivnyy opilkobeton dlya sel'skokho-zyaystvennogo stroitel'stva // Vestnik TvGU. Ser. Ekonomika i upravleniye. 2011, № 9, S. 76-82.
9. Funtyakov D. S., Smirnov M. A. Razrabotka modifitsirovannogo opilkobetona s povyshennymi ekspluatatsionnymi kharakteristikami // Juvenis scientia. 2016, № 1, S. 33-35.
10. Morgun L. V., Visnap A. V. O povyshenii nesushchey sposobnosti izdeliy iz fibropenobetona pri armirovanii ikh stekloplastikovoy armaturoy // Stroitel'stvo - 2015. Sovremennyye problemy stroitel'stva : materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. ; Rostov. gos. stroit. un-t; Soyuz stroit. Yuzhn. feder. okruga; Assotsiatsiya stroit. Dona. 2015, S. 444-446.
11. Stroyev D. A. Dispersno-armirovannyye betony na bitumno-tsementnom vyazhushchem dlya stroitel'nykh i remontnykh rabot : avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.23.05. Rostov-n/D., 2013, 24 s.
12. Nguyen Tan Ngan. Penobeton dispersno armirovannyy kokosovym voloknom : avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.23.05. Moscow, 2005, 34 s.
13. Batrakov V. G. Modifitsirovannyye betony. Moscow, 1990, S. 58-61.
14. Stsepleniye polimerkompoeitnoy armatury s tsementnym betonom / V. G. Khozin, A. R. Gizdatullin, A. N. Kuklin i dr. // Izvestiya KGASU. 2013, № 1 (23), S. 211-213.
15. Frolov N. P. Stekloplastikovaya armatura i stekloplastbetonnyye konstruktsii. Moscow, Stroyizdat, 1980, 102 s.
16. Rabinovich N. F. Kompozity na osnove dispersno armirovannykh betonov. Voprosy teorii i proyekti-rovaniya, tekhnologiya, konstruktsii : monografiya. Moscow, ASV, 2004, 560 s.
© Долматов С. Н., Мартыновская С. Н., 2018
Поступила в редакцию 12.11.2018 Принята к печати 10.12.2018
