CC BY
20Лукутцова Н. П., д-р техн. наук, проф., Горностаева Е. Ю., асс., Поляков С. В., студент, Петров О. Р., студент Брянская государственная инженерно-технологическая академия
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИИ КОМПЛЕКСНЫМИ ДОБАВКАМИ
Рассмотрены вопросы получения древесно-цементных композиций с улучшенными физико-техническими показателями при введении в состав композиции микро- и нанодисперсных добавок. Ключевые слова: древесно-цементные композиции, нанодисперсная добавка, микрокремнезем.
Для производства древесно-цементных композиций (ДЦК) в настоящее время применяются различные целлюлозосодержащие заполнители растительного происхождения. Получение качественных материалов на основе органического заполнителя затруднено в связи с такой специфической особенностью органического заполнителя, как его агрессивность по отношению к цементу. С другой стороны, материалы на основе древесно-цементных композиций обладают крупнопористой структурой с незаполненным межзерновым пространством (80...90 % объёма твёрдого тела занимает древесный заполнитель и только 10.20 % приходится на цементный камень), характеризующаяся недостаточным для заполнения пустот между
частицами органического целлюлозного заполнителя объёмом цементного камня.
В связи с вышеизложенным, целью данной работы является возможность улучшения физико-технических характеристик древесно-цементных композиций путем оптимизации структуры цементного камня на макро-, микро-и наноуровнях за счет регулирования размеров частиц древесного заполнителя, применения добавок микро- и нанодисперсного кремнезема и их комплексного использования (рис. 1). Ожидается, что такая модификация позволит получить строительные материалы с достаточно высоким пределом прочности при сжатии и низкими средней плотностью и водопоглощением.
Рис. 1. Схема повышения эффективности арболита
Для проведения исследований в работе использовались: портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н, произведенный ЗАО «Мальцовский портландцемент»; органический заполнитель; микрокремнезем конденсированный марки МК-85 с удельной поверхностью 120 м2/кг, насыпной плотностью 250 кг/м3 и истинной плотностью 2200 кг/м3; добавка с наноразмерными частицами кремнезема, полученная по золь-гель методу; добавка с наноразмерными частицами микро-
кремнезема, полученная путем ультразвукового диспергирования МК.
Оптимизацию зернового состава заполнителя для древесно-цементных композиций производили с помощью математического и компьютерного моделирования с использованием пакета Model Vision Studium (MvS, версия 4), позволяющего в динамическом режиме проанализировать и подобрать требуемый дисперсионный состав древесного заполнителя [1].
Пакет му8 решает следующие основные задачи:
- поддерживает интерфейс пользователя для создания математической модели исследуемой системы, а также обеспечивает контроль корректности этой модели;
-обеспечивает автоматическое построение компьютерной модели, соответствующей заданной математической;
- обеспечивает корректное проведение активного вычислительного эксперимента с компьютерной моделью на уровне абстракции математической модели.
Установлено, что оптимизация зернового состава органического заполнителя позволяет получать ДЦК (без введения добавок) с пределом прочности при сжатии 0,24 МПа, что на 15 % превышает прочность образцов изготовленных без оптимизации зернового состава заполнителя (0,20 МПа).
Перспективным и эффективным является широкое использование различных органических и неорганических добавок для улучшения качества ДЦК, а в последнее время все более актуальным становится вопрос модификации
Результаты испытаний ДЦК
строительных композитов с помощью микронаполнителей.
Согласно имеющимся литературным данным, прочность арболита удается увеличить лишь на 10...15 % почти при полном удалении легкогидролизуемых веществ из древесного заполнителя. Следовательно, наличие таких веществ в заполнителе можно рассматривать лишь как один из его недостатков. Это означает, что кроме химической агрессивности (содержание экстрактивных и легкогидролизуемых веществ) органический заполнитель обладает и другими специфическими свойствами, которые отрицательно воздействуют на структурную прочность ДЦК и поэтому должны учитываться в технологии их производства [2].
Для модифицирования структуры древесно-цементных композиций на микро- и наноуров-нях одновременно вводили в смесь микрокремнезем (предварительно смешанный с цементом) и добавки с наноразмерными частицами кремнезема (вместе с водой затворения), полученные методом ультразвукогово диспергирования (НМк) и по золь-гель методы (НК). Результаты испытаний модифицированных образцов ДЦК приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ п.п. Состав композиции ро, кг/м3 X, Вт/м-°С ЯСж, МПа Вт, %
1 ДЦК (контрольный) 747 0,322 0,24 86,5
2 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,03 %) 592 0,233 1,31 89,6
3 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,06 %) 622 0,250 1,43 72,3
4 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,09 %) 641 0,261 2,24 65,4
5 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,13 %) 665 0,274 2,78 57,6
6 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,16 %) 670 0,277 3,1 52,1
7 ДЦК+МК(20 %)+НМк(0,20 %) 676 0,281 3,71 49,2
8 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,03 %) 671 0,278 3,52 65,3
9 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,06 %) 703 0,296 5,30 66,4
10 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,09 %) 712 0,302 4,12 67,9
11 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,13 %) 712 0,302 3,67 66,6
12 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,16 %) 700 0,295 2,05 63,5
13 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,20 %) 688 0,288 1,38 60,8
14 ДЦК+МК(20 %)+НК(0,06 %)+НМк(0,20 %) 630 0,254 15,0 52,3
Совместное использование МК в количестве 20 % и добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной ультразвуковым методом, в количестве 0,03 % позволяет повысить предел прочности при сжатии на 82 %, снизить среднюю плотность на 21 %, а коэффициент теплопроводности на 28 %. При дальнейшем увеличении содержания НМк до 0,20 %предел прочности увеличивается на 93,5 %, водопогло-щение снижается на 43 %. Средняя плотность при увеличении содержания добавки возрастает,
по сравнению со средней плотностью ДЦК, в состав которой помимо 20 % микрокремнезема вводили 0,03 % добавки с наноразмерными частицами микрокремнезема, но остается на 10 % ниже значения средней плотности контрольного состава.
При совместном использовании 20 % МК и 0,03 % (в пересчете на сухое вещество) добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной по золь-гель методу, наблюдается увеличение предела прочности при сжатии на
93 %. Водопоглощение, средняя плотность и коэффициент теплопроводности снижаются на 24, 10 и 14 % соответственно.
Увеличение содержания НК до 0,06 % приводит к увеличению предела прочности при сжатии на 95 %, дальнейшее увеличение добавки приводит к снижению предела прочности при сжатии до 1,38 МПа.
Использование двух добавок, 20 % микрокремнезема и 0,09 % добавки НК, приводит к увеличению средней плотности и коэффициента теплопроводности, при дальнейшем увеличении содержания НК до 0,2 % приводит к снижению средней плотности на 8 %, коэффициента теплопроводности на 11 %, водопоглощения на 30 %.
При комплексном использовании микронаполнителя в количестве 20 %, НМк - 0,2 % и добавки с наноразмерными частицами кремнезема, полученной золь-гель методом, - 0,06 % получили материал с пределом прочности при сжатии на 98 % превышающем аналогичный показатель контрольного состава древесно-цементной композиции.
Комплексное воздействие добавок, содержащих микро- и нанодисперсные частицы кремнезема, на цементную систему выражается
в том, что на ранней стадии структурообразова-ния, в пластичном состоянии, система обретает повышенную вязкость и связность и характеризуется ярко выраженной тиксотропность, а на поздней стадии цементный камень характеризуется особым качественным составом и особой геометрией структуры.
Систему арболита можно представить как композицию из двух каркасов, расположенных друг в друге и работающих совместно, а именно, как каркас из частиц заполнителя, склеенных цементным клеем, и каркас из конгломератов цементного камня, объединенных в единую систему склеенными частицами заполнителя [2 -6].
Однако использование цемента для образования крупных узлов цементного камня представляется нерациональным, так как последний обладает излишней прочностью в сравнении со всей системой каркаса. Система будет работать наиболее эффективно, только если будет равнопрочной. Добиться этого представляется возможным путем увеличения объема цементного камня за счет добавления в цементное тесто тонкодисперсного наполнителя и наномодифи-цирующих добавок.
Таблица 2
Результаты исследования порометрии ДЦК модифицированных добавками
Состав образца Общая площадь пор, см2/г Объем пор, см3/г Средний диаметр пор, мкм
Контрольный 22560 0,066 0,011
ДЦК +микрокремнезем + добавка с наноразмерными частицами кремнезема, полученная ультразвуковым методом 10680 0,037 0,012
ДЦК+микрокремнезем + добавка с наноразмерными частицами кремнезема, полученная по золь-гель методу 10230 0,033 0,012
ДЦК+микрокремнезем + добавка с наноразмерными частицами кремнезема, полученная ультразвуковым методом + добавка с наноразмерными частицами кремнезема, полученная по золь-гель методу 13460 0,031 0,08
Результаты порометрии (таблица 2) позволяют сделать вывод о том, что общая площадь пор образцов ДЦК с микрокремнеземом и добавками с наноразмерными частицами кремнезема (с каждой добавкой отдельно) снижается в среднем на 54 %, объем пор на 46 %, при этом средний диаметр пор увеличивается на 13 %.
В результате исследований микроструктуры установлено (рисунок 2), что при введении в состав ДЦК наряду с микронаполнителем добавок с наноразмерными частицами кремнезема образуется более плотная структура, отличающаяся наличием новообразований, характерных для гидросиликатов кальция на поверхности ча-
стиц древесного заполнителя. Это, вероятно, объясняется тем, что реакционноспособный активный кремнезем, связывает выделяющийся при гидратации портландит с образованием гидросиликатов кальция, а образующиеся гидро-ацетоалюминаты кальция кальматируют поры.
Комплексное использование микронаполнителя и добавок с наноразмерными частицами приводит к снижению всех трех показателей, по сравнению с контрольным составом ДЦК. Средний диаметр пор уменьшается на 20 %, объем пор снижается на 53 %, а общая площадь пор на 40 %.
лл •'
. 1 >I Т!г>
тад □ НУ WD ИВ <1е4 -5рт-
25 ООО х 10.0 кУ 14.7 тт 0 : ЕЮ ЭМА ШАМТА Зб РЕСЗ
X10000 Х25000
Рис. 2. Микроструктура древесно-цементной композиции с микрокремнеземом и добавками с наноразмерными частицами кремнезема
б
а
Таким образом, комплексное использование добавок, содержащих микро- и наноразмер-ные частицы кремнезема, и оптимизация зернового состава органического заполнителя позволяют получать материал с пределом прочности при сжатии на 98 % превышающем аналогичный показатель древесно-цементных композиций контрольного состава, водопоглощение снижается на 50 - 60 %. Кроме того, использование микронаполнителя позволяет снизить расход цемента до 40 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Математическое моделирование процесса подбора состава песчаной смеси / В.С. Ян-ченко, Н.П. Лукутцова, Е.В. Дегтярев, Е.Л. Королева, С.В. Ширко // Строительные материалы и технологии. - 2012. - № 4 (42). - С. 72 - 76.
2. Наназашвили, И.Х. Строительные мате-риалыв из древесно-цементной композиции / И.Х. Наназашвили . - 2-е изд., перераб. и доп. -Л.: Стройиздат, 1990. - 415 с.
3. Горев, В.Я. Некоторые аспекты структу-рообразования арболита [Текст] / В.Я. Горев, В.С. Подчуфаров // Научные труды МЛТИ. - М., 1990. - Вып. 231. - С. 52-61.
4. Щербаков, А.С. Арболит. Повышение качества и долговечности / А.С. Щербаков, Л.П. Хорошун, В.С. Подчуфаров. - М.: Лесн. пром-ть, 1979. - 160 с.
5. Подчуфаров, В.С., Исследования взаимодействия древесины с химическими добавками при производстве древесно-цементных материалов / В.С. Подчуфаров, Б.Г. Штейс // Научные труды МЛТИ. - М., 1988. - Вып. 204. - С. 49-60.
6. Подчуфаров, В.С. Исследование факторов, влияющих на качество арболита. [Текст]: автореферат дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - М.: МЛТИ, 1980. - 20 с.
