CC BY
16
УДК 630 * 532.5
МАКАРОВ ЕВГЕНИЙ ЯКОВЛЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, ydjinmakarov@yandex. ru
ШЕШУКОВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ, канд. техн. наук, tempm@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАССОПЕРЕНОСА НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В ПОГРАНИЧНОЙ ЗОНЕ ДРЕВЕСНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Рассмотрена внутренняя структура древесины и ее влияние на процессы поглощения влаги. Анализ подтвердил неправомерность использования простых капиллярных моделей для описания влагопоглощения. При проникновении влаги внутрь древесины меняется не только объем, но и внутренняя структура в результате деформации клеточных стенок. Таким образом, процесс заполнения поровых пространств нельзя рассматривать как стационарный при постоянных условиях проницаемости. Более того, следует иметь в виду, что существуют каналы, такие как смоляные ходы, которые, не участвуют в процессе по крайней мере в начальной стадии пропитки. С учетом поступления влаги в древесину и влияния наполнителя на характеристики арболита определены требования и рекомендации при подготовке древесного наполнителя. Рекомендовано использовать арболит, в первую очередь, в малоэтажном строительстве.
Ключевые слова: арболит; абсорбция; заполнитель; капилляр; модель.
EVGENII Ya. MAKAROV, PhD, A/Professor, ydjinmakarov@yandex. ru ALEKSEIP. SHESHUKOV, PhD, A/Professor, tempm@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
MASS TRANSFER EFFECT ON STRUCTURE FORMATION
IN BOUNDARY ZONE
OF CEMENT STONE AND WOOD FILLER
A wood internal structure and its influence on moisture absorption was studied in this paper. This study has proved the wrong use of simple capillary models in moisture absorption descriptions. In moisture penetration inside wood tissue, not only its bulk but also its internal structure undergo changes because of deformation of cell walls. Therefore, a process of filling pore volume must not be considered to be a stable under constant moisture permeability. It should be kept in mind that wood tissue comprises resin channels which are not involved in the process at least at the initial stage of impregnation. The requirements and recommendations for wood filler preparation were developed with a view to moisture penetration and wood filler effect on papercrete properties. Papercrete is advisable to apply primarily in low-height construction.
Keywords: papercrete; absorption; wood filler; capillary; model.
В работе [1] рассмотрены основные подходы при описании проникания жидкости в древесину и проведена оценка времени полной пропитки деревян-
© Е.Я. Макаров, А.П. Шешуков, 2013
ных образцов с использованием капиллярных моделей. Результаты расчетов показали на неправомерность использования таких моделей, по крайней мере, без учета особенностей структуры древесины и процессов, протекающих при нахождении в ней жидкостей. Известно, что пористость древесины не просто анизотропная, но в различных направлениях имеет совершенно различную структуру. Кроме того, поровые пространства в древесине имеют разные степени смачивания поверхностей, а сама древесина, вступая во взаимодействие с жидкостью, подвергается набуханию. Наконец, имеет место растворение в жидкости, особенно при повышении температуры, различных веществ, содержащихся в древесине. Все эти особенности требуют внимательного изучения структуры древесины, ее состава и поведения в процессе влагопоглоще-ния и влагоотдачи.
Дерево, как любой растительный организм, состоит из разнообразных по форме клеток, а каждая клетка - из оболочки и живого содержимого, протопласта. В процессе использования древесины клетки теряют способность развиваться, однако внутреннее строение (каркас) остается почти неизменным до вмешательства механических и прочих воздействий, ведущих к деформациям и разрушению. Проникание внутрь различных составов также может изменить структуру и состояние древесины. Важно отметить, что древесина срубленного дерева состоит из клеток с отмершим протопластом, т. е. внутренняя пористая структура сформирована из одних клеточных оболочек. Поэтому, изучая свойства древесины как материала, внутри которого происходит перемещение влаги, особое внимание следует обратить на строение и состав этих оболочек. В технической анатомии древесины оболочку вполне сформировавшейся взрослой клетки принято называть клеточной стенкой. Основное вещество, слагающее клеточную стенку, - целлюлоза. Это углеводный полимер с длинной цепной молекулой. Мельчайшее, но уже различимое с помощью электронного микроскопа структурное образование — элементарная фибрилла (волокно) - представляет собой пучок макромолекул целлюлозы. В среднем условный диаметр элементарной фибриллы равен 3,5 нм, хотя, по некоторым данным, он может доходить до 10 нм. В состав элементарной фибриллы входят примерно 30-40 молекул целлюлозы. Элементарные фибриллы включают в себя участки с упорядоченным (кристаллические области) и беспорядочным (аморфные области) расположением молекул целлюлозы. Структурные элементы, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки, называются микрофибриллами. Эти лентоподобные образования имеют толщину 5-10 нм, ширину 10-30 нм, длину несколько микрометров и включают в себя элементарные фибриллы. Иногда выделяют более крупные структурные образования, которые видны в обычный световой микроскоп. Это так называемые макрофибриллы, или просто фибриллы, имеющие поперечные размеры около 400 нм и более. Между фибриллами и мицеллами целлюлозы, обладающей коллоидными свойствами, могут размещаться вода и ионизированные растворы.
Целлюлоза обладает достаточной стойкостью к тепловым воздействиям. Кратковременное нагревание до 200 °С не вызывает ее разложения. В воде целлюлоза нерастворима, но при погружении в воду набухает. Тогда поперечное сечение фибрилл увеличивается на 45-50 %, а длина на 1-2 % [2]. Дли-
тельное воздействие пара разрушает структуру. При заполненных полостях в древесине происходит набухание волокон и, с учетом практической несжимаемости жидкости, увеличивается размер образца. Набухание целлюлозы происходит медленно. Так, даже в процессе длительного размола в воде (при приготовлении бумаги) только через 70-150 ч образуется гидратированная целлюлозная слизь.
Для древесины ряда хвойных пород характерно присутствие смоляных ходов - тонких, наполненных смолой каналов. Они имеются в древесине сосны, кедра, лиственницы и ели; в древесине пихты, тиса и можжевельника смоляных ходов нет. По расположению в стволе различают вертикальные и горизонтальные смоляные ходы; последние проходят по сердцевинным лучам и образуют с вертикальными ходами общую смолоносную систему. Наиболее крупные смоляные ходы у кедра - их диаметр в среднем 0,14 мм; диаметр смоляных ходов у сосны 0,1 мм, у ели 0,09 мм, у лиственницы 0,08 мм; длина ходов в пределах 10-80 см. Наибольшее число смоляных ходов у сосны, довольно много их у кедра, меньше у лиственницы, еще меньше у ели. У двух последних пород смоляные ходы занимают не более 0,2 % общего объема древесины. По данным К.Н. Короткова [3], содержание смол в сосне составляет 6,4, в ели 1,9, березе 1,2, осине 1,5 % от веса абсолютно сухой древесины.
Все перечисленные выше особенности строения и состава древесины не позволяют считать ее структуру свободно проницаемой, с неизменяемой капиллярной структурой в процессе влагонасыщения и сушки. Кроме того, все смачиваемые поверхности нельзя оценивать одной степенью смачиваемости. Как отмечалось ранее, капиллярная модель не отражает физической картины проникновения жидкости в древесину. В таких случаях при решении практических задач, связанных с расчетами водопоглощения или фильтрации, в предположении капиллярной структуры экспериментально определяют коэффициент фильтрации Кф или коэффициент проницаемости К. Уравнение движения фронта жидкости вдоль направления ox запишется в виде
dXf [ K ] AP AP
т— =— —= Kл.—. (1)
d ^ж Xf K ф xf
В правой части выражения (1) представлены данные коэффициенты. Величина приращения давления в случае пропитки пористой среды при отсутствии внешних сил в условиях сквозных капилляров, определяется через поверхностное натяжение смачиваемой внутренней поверхности:
сжг5cos0
-Ap = -. (2)
т
Здесь S - удельная поверхность в расчете на единицу объема материала, 1/м; с^г - величина поверхностного натяжения на границе вода-газ, Н/м; т -
объемная пористость среды; цж - динамическая вязкость жидкости, Пас.
Если же отражать в модели процессы, реально протекающие при перемещении влаги в древесине и препятствия на пути движения жидкости, то,
учитывая вышеперечисленные особенности, время пропитки целесообразно связывать с набуханием различных перегородок, препятствующих свободному прониканию жидкости из одной полости в другую. Данные процессы значительно увеличивают время движения жидкости в древесине по сравнению со свободным капиллярным движением. Можно использовать выражение, применяемое для тупикового капилляра:
dP _ Вх - В2 (t)
dx 1о i А
в котором Г2(0 следует задавать зависимостью, асимптотически приближающейся к некоторому значению, отражающему сопротивление движению жидкости при переходе набухающей перегородки.
Если использовать модель сквозных капилляров, то следует задавать средний размер капилляра очень малым, как некоторый гидравлический диаметр, соответствующий условиям прохождения жидкости через перегородки в результате их набухания, значительно меньший, чем предлагаемый в литературе как средний размер капилляров. Кроме того, модель можно строить на сопротивлении движению жидкости, обусловленном высокой вязкостью коллоидного состояния целлюлозы, в предположении прохождения жидкости через набухающие перегородки.
При изготовлении арболита следует учитывать влияние древесины на цементную составляющую. В неизмельченной древесине за время схватывания раствора глубина проникания раствора в древесину невелика, и поэтому незначительная изоляция поверхности может исключить влияние заполнителя на процесс формирования качественного изделия. В дальнейшем, в процессе эксплуатации, воздействие древесных включений практически не будет влиять на качество строительной конструкции. Если древесный заполнитель измельчен так, что реагирующие с цементным раствором вещества оказались частично на поверхности древесных элементов, необходима его специальная обработка. Поэтому при назначении технологических процессов, связанных с подготовкой наполнителя в арболите, следует, кроме прочего, связывать эти процессы с размером древесных элементов.
В процессе приготовления арболита происходит влагообмен между заполнителем и цементным составом. Древесный заполнитель, являясь капиллярно-пористым телом, впитывает в себя влагу, источником которой является довольно тонкая пленка цементного клея (0,3.. .0,6 мм), обволакивающего заполнитель. Поэтому влаги в вяжущем становится недостаточно для гидратации цемента. Влага в заполнителе, кроме того, оказывает негативное влияние на структурообразование цементного камня, сплошность которого нарушается трещинами из-за влажностных деформаций заполнителя. Таким образом, чем больше влаги проникает в заполнитель, тем сильнее обезвоживание цементной оболочки и больше деформационные изменения.
Эффект обезвоживания оценивался величиной адгезии на границе заполнитель - цементный камень. Опыты проводились на стружке сосны разной толщины, которая наклеивалась эпоксидным клеем на металлическую подложку в виде тавра. С целью снижения влияния экстрактивных веществ
стружка в течение нескольких суток предварительно выдерживалась в воде, подогретой до 50 °С. Затем она высушивалась и проходила термообработку при 160 °С в течение 14 мин для уменьшения ее деформации при набухании [3]. Подготовленные образцы склеивались со стороны стружек цементным клеем, приготовленным на портландцементе активностью 38 МПа при во-доцементном отношении 1:1, в результате чего происходило интенсивное во-допоступление из цементного клея в древесный образец. После выдерживания производились испытания на отрыв динамометром. В качестве эталонного образца использовались деревянные бруски, которые после склеивания аналогичным цементным тестом упаковывались в целлофан.
Экспериментом установлено (рис. 1), что максимальным значением адгезии обладает образец стружки толщиной до 0,2 мм.
Время выдерживания, сут
Рис. 1. Влияние глубины проникания влаги в древесину на адгезию к цементному камню: 1 - 0,2 мм; 2 - 0,5 мм; 3 - 1-2 мм; 4 - эталонный образец
Увеличение водонасыщенного слоя приводит к снижению прочностного показателя вследствие значительного обезвоживания вяжущего. Наименьшим значением адгезии обладает деревянный брусок с большим водонасыщенным слоем.
Полученные данные свидетельствуют о том, что первостепенное значение прочности в контактной зоне имеет количество содержащейся здесь влаги. Особенно важно сохранить влагу в течение первых 3 сут, когда формируется контакт, т. е. заканчивается наиболее интенсивный рост адгезии.
Для ограничения влажности древесного заполнителя его минерализуют. Наиболее распространенным минерализатором является раствор хлорида кальция и жидкого стекла. Но, как показали наблюдения, данный минерализатор довольно слабо сдерживает водопоглощение заполнителя.
Более эффективна в этом отношении активация древесного заполнителя. Так, при активации хлоридом железа влага за сутки проникает на 0,5...1,0 мм поперек волокон и на 3.4 мм вдоль волокон независимо от типа сечения древесины. В таком состоянии замачивание почти прекращается и к 28-суточному возрасту не превышает 1,5 мм поперек волокон и 3.4 мм вдоль волокон.
R, кг/см2
о
1а
1
2
х, сут
Подтверждением того, что влага, мигрирующая в заполнитель, оказывает существенное влияние на структурообразование вяжущего, является исследование микропрочности по сечению клеящей прослойки. Опыты проводились с помощью твердомера по методу Виккерса. Микроструктура рассматривалась на сканирующем микроскопе TESLA. В качестве иглы применялся стальной стержень с алмазным наконечником, выполненным в виде ромба. С целью предотвращения влияния экстрактов и стабилизации влажностных деформаций заполнитель выдерживался в течение нескольких суток в горячей воде, а затем высушивался.
Микроструктура контактной зоны без минерализации древесины является весьма рыхлой со множеством шарообразных включений негидратирован-ных частиц цемента. Этот участок простирается на 0,15 мм от края заполнителя. Прочность данной зоны в 28-суточном возрасте составляет порядка 5...7 МПа (рис. 2). Практически линейный рост прочности на участке 0,2 мм от контакта говорит о том, что кроме влажностного фактора на прочностные показатели оказывали влияние побочные эффекты, например экстрактивные вещества. Максимальному значению прочности соответствует осевая линия клеющей прослойки. Постоянный рост от контакта до осевой линии свидетельствует, что влаги не хватает у контакта, откуда она наиболее интенсивно впитывается заполнителем. Но обезвоживанию подвергаются и центральные участки, что до-казыает довольно низкая их прочность, составляющая порядка 15 МПа.
о
к ^
о Л
С
4-М
К 50
а т
1П
ч о
■:■.! 0.15 ■:■.: о.: 5 Расстояние от контакта, мм
■то
L, мм
Рис. 2. Распределение прочности цементного камня по сечению контакта:
1 - без минерализации древесины; 2 - с минерализацией СаС12; 3 - с активацией FeCl3
3
С другой стороны, часть влаги, запасенной древесиной поверхностных слоев заполнителя, может положительно влиять на структурообразование системы, если организовать подпитку этой водой формируемый цементный камень, улучшая тем самым процесс минерализации. Этого можно достигнуть кольматацией внутреннего пространства заполнителя гидрофобизаторами, делая поверхность несмачиваемой и, следовательно, свободно отдающей находящуюся в порах влагу. Иной характер изменения прочности свойственен цементному вяжущему при
обработке древесины хлоридом кальция с жидким стеклом. Здесь обезвоживанию подвергается контактная зона глубиной 0,1 мм. Благодаря высокой водоудержи-вающей способности жидкого стекла, попадающего в цементный камень при смешивании компонентов до 0,15.0,2 мм, влага, поступающая из центральных слоев, задерживается, обусловливая максимальную прочность 35 МПа.
Активация древесины хлоридом железа не дает принципиального отличия в характере распределения прочностных полей на расстоянии от древесины более 0,1 мм. Отличия заключаются только в количественном отношении. Хлорид железа является, аналогично жидкому стеклу, уплотняющей добавкой в вяжущем и, как следует из рис. 2, он на такую же глубину попадает в цементную пасту при смешивании компонентов.
Различие же в количественной стороне обусловлено принципом действия - кольматацией внутреннего пространства древесины. За счет предотвращения интенсивного оттока влаги из вяжущего создаются оптимальные условия для его твердения.
Таким образом, исследованиями установлено, что при подготовке древесного заполнителя арболита, в зависимости от крупности и состояния заполнителя, целесообразно гидроизолировать его поверхность, хотя более предпочтительным является кольматация внутренней структуры древесины гидрофо-бизаторами на глубину 0,1.0,2 мм. Одним из видов такой обработки является слабая пропитка древесного заполнителя хлористым железом. Разработка технологических процессов обработки древесного заполнителя с учетом данных о перемещении жидкости в древесине позволяет создавать арболит, являющийся перспективным строительным материалом в малоэтажном строительстве.
Библиографический список
1. Макаров, Е.Я. Математическое моделирование процессов влагопереноса при изготовлении арболита / Е.Я. Макаров, А.П. Шешуков, Е.В. Нефедов // Вестник ТГАСУ. - 2012. -№ 2. - С. 137-147.
2. Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И.Х. Наназашвили. - Л. : Стройиздат, 1990. - 416 с.
3. Коротков, К.Н. Химическая переработка древесины / К.Н. Коротков. - Минск : Гос. изд-во. БССР, 1947.
References
1. Makarov, E.Ya., Sheshukov, A.P., Nefedov, E.V. Matematicheskoe modelirovanie protsessov vlagoperenosa pri izgotovlenii arbolita [Mathematical modelling of moisture transfer in pa-percrete manufacturing]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. No. 2, Tomsk, 2012, 10 p. (rus)
2. Nanazashvili, I.Kh. Stroitel'nye materialy iz drevesno-cementnoj kompozicii [Construction materials of wood-cement compositions]. Leningrad: Stroiisdat. 1990. 416 p. (rus)
3. Korotkov, K.A. Khimicheskaya pererabotka drevesiny [Chemical wood processing]. Moscow: Gos. Izd. BSSR, 1947. (rus)
