CC BY
29УДК 69.691.3
О.В. ЕФРЕМОВА, инженер, А.Г. КАПТЮШИНА, канд. техн. наук,
В.С. ГРЫЗЛОВ, д-р техн. наук, Череповецкий государственный университет;
Б.Д. СВИРИДОВ, д-р хим. наук,
ООО НПО «ЧереповецДомСтрой» (г. Череповец, Вологодская область)
Модифицированный древошлаковый композит
Деревоперерабатывающий комплекс Вологодской области занимает одно из ведущих мест в нашей стране, поэтому проблема переработки его отходов является серьезной и актуальной. Еще более актуальная задача — энергосбережение на всех этапах от производства строительных материалов, изделий и конструкций до строительства и эксплуатации зданий. Объединение этих проблем формирует один из разделов инновационной политики Вологодской области — укрепление местного потенциала и демонстрация решений для повышения энерго- и ресурсосбережения в строительстве [1]. В этой связи перспектива развития индивидуального домостроения с применением современных строительных технологий и эффективных материалов, выдвигается как целевая задача. Для ее решения предлагаются различные типы деревянных домов и деревобетонов.
Широкое применение отходов древесины при производстве строительных материалов относится к 1950—1970 гг. Были разработаны и внедрены в строительную практику различные виды деревобетонов: арболит, ксилолит, фибролит, опилкобетон и др. За рубежом нашли применение гераклид (Австрия, Германия), дюризол (Голландия, Канада, США, Япония и ряд других стран), велокс и др. Общая модель этих материалов представляет композицию из древесных отходов и минерального или органического вяжущего. Область применения данных бетонов ограничена физико-химической природой древесины: анизотропностью, гигроскопичностью, неравномерной усадкой при высыхании, низкой биостойкостью и горючестью. Кроме того, экстрактные вещества в химическом составе древесины замедляют твердение минерального вяжущего.
Любая традиционная технология производства деревобетонов включает, как правило, предварительное смешивание древесных отходов с химическими добавками (хлорид кальция, алюминия и комплексные добавки на их основе; жидкое стекло и т. п.). Данный подготовительный процесс является технологически малоэффективным из-за недостаточной пропитки древесины и кратковременной ее био- и огнезащиты, ограниченной сроком службы химических добавок (6—8 лет). Для устранения этих недостатков необходима более глубокая пропитка древесных компонентов, например методом щелочного гидролиза.
В Череповецком государственном университете в течение ряда лет ведутся работы по созданию и исследованию древошлакового композита (ДШК) — материала для малоэтажного строительства. В качестве основных компонентов применяются древесные опилки и тонкомолотый гранулированный доменный шлак. Технология ДШК включает предварительное химическое модифицирование древесных опилок путем щелочного гидролиза в течение 1,5—2 ч. В результате образуются алкоголяты целлюлозы и феноляты лигнина. Процесс модифицирования приводит к увеличению зоны контакта, усилению
сцепления древесных опилок с неорганическим вяжущим и, как следствие, к повышению прочности материала. Также в процессе обработки происходит выделение из древесины обильного количества низкомолекулярных органических поверхностно-активных веществ (ПАВ) в жидкую фазу реакционной смеси, увеличивающих не только жизнеспособность смеси, ее удобоукла-дываемость, но и положительно действующих на формирование структуры материала в целом. Опилки, в силу своего анатомического строения, имеют большое количество микрополостей (межклеточные пространства, стенки клеток и т. п.), которые в процессе обработки заполняются модификатором. В данной работе щелочной гидролиз осуществлялся с использованием жидкого стекла при температуре 90—100оС.
Выбор в качестве щелочного компонента жидкого стекла обусловлен рядом причин. Во-первых, это крупнотоннажный химический реактив. Во-вторых, жидкое стекло выполняет одновременно огне- и биозащиту древесины. В-третьих, при гидролизе жидкого стекла образуется гелеобразная нерастворимая кремниевая кислота, присутствие которой в древесине продлевает ее антипиреновый и антисептический срок действия модификатора. В-четвертых, кремниевая кислота и двуокись кремния в древесине улучшают адгезию к вяжущему компоненту ДШК.
Важным моментом в создании ДШК является выбор фракции опилок. Изучение фракционного состава древесных отходов некоторых производств деревообработки Череповца показало высокую однородность опилок: основной объем (более 80% по массе) составила фракция менее 1,25 мм. Эта фракция выбрана в качестве основного компонента ДШК.
Выбор данной фракции связан с ускорением ее химической модификации ввиду малого размера частиц, а также с существенным влиянием фракционного состава опилок на физико-механические свойства конечного материала. Это доказывает ряд экспериментов, связанных с варьированием фракций (М — 0—1,25 мм; К — 1,25—5 мм) древесных опилок при постоянном их процентном содержании в композите (табл. 1). Объем оставшейся фракции (свыше 1,25 мм) достаточно мал, и в дальнейшем предполагается дополнительное измельчение и использование данной фракции.
Для формирования структуры композита было выбрано композиционное вяжущее, состоящее из молотого гранулированного доменного шлака (8=360—400 м2/г) и портландцемента ПЦ 400Д20 (2—6,5 мас. %), предназначенного для регулирования схватывания на ранней стадии твердения и щелочного активатора — раствора лигнина, получаемого непосредственно в процессе модифицирования опилок. Ориентировочное отношение молотого шлака и опилок принимается 1:1 (в частях по объему), однако при перемешивании в бетоносмеситель дозируется жидкая масса модифицированных опилок и
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
"~66 февраль 2010 ЩдЙЗЗМ&ЙЫ
Таблица 1
Состав М/К, % Y28суг, кг/м3 Yсух, кг/м3 W28суT, % □сж 28сут, МПа ^28сут, Вт/(м.К) Хсух , Вт/(м-К)
1 100 1720 1330 18,6 14,5 0,504 0,279
2 75/25 1730 1325 26,7 11,7 0,43 0,214
3 25/75 1740 1320 28,2 10,7 0,299 0,195
окончательное регулирование состава ДШК осуществляется после определения подвижности композиционной смеси. Подвижность смеси перед укладкой в формы должна составлять 4—6 см, благодаря чему достигается заполнение всех пространств формы и не требуется дополнительных механических усилий.
Дальнейшие исследования проводились с использованием композиции состава 1 (табл. 1). На следующем этапе исследваний решалась задача получения ДШК разных классов с устранением известных отрицательных качеств деревобетонов, рекомендованных для комплексного использования во всех конструкциях малоэтажного жилого дома.
Определенный интерес представляют прочностные характеристики разрабатываемого композита, которые интенсивно увеличиваются во времени. В возрасте 28сут плотность композита 1720 кг/м3, прочность 14,5 МПа; в возрасте 60 сут плотность 1640 кг/м3, прочность 19,32 МПа; в возрасте 180 сут плотность 1600 кг/м3, прочность 21,47 МПа. Класс ДШК в возрасте 28 сут. — В10. Прочность при сжатии ДШК на 60 сут увеличилась на 34 %, а на 180 сут — на 50%, при хранении образцов в естественных условиях.
При испытаниях древошлаковых образцов-кубов размером 10x10x10 см на морозостойкость по ГОСТ 10060.1—95 «Бетоны. Метод испытания на морозостойкость по базовому методу» наблюдался рост прочностных характеристик материала: ДШК класса В10 имеет марку по морозостойкости F200 с приростом прочности относительно контрольных образцов 14—16%. Это согласуется с результатами испытаний шлакощелочных бетонов [2, 3].
Можно предположить, что при смешивании композиционного вяжущего с модифицированными древесными опилками происходит химическое взаимодействие олигомерных и высокомолекулярных щелочных соединений целлюлозы и лигнина, создающих дополнительное упрочнение матричной структуры с нарастанием этого эффекта во времени. В связи с тем, что макромолекула лигнина, выходящая при щелочном гидролизе в течение 1,5—2 ч из древесных опилок, содержит в себе газообразные, жидкотекучие и твердые вещества, можно выдвинуть гипотезу, что именно газообразные вещества, содержащие пары воды, летучие продукты гидролиза — фурфурол, метанол, органические кислоты, углекислый газ и атмосферный воздух, придают в дальнейшем отличное воздухововлечение в композиционную смесь при ее приготовлении. При твердении ДШК образуется ряд каналов и пор, наполненных газообразными веществами, что обусловливает хорошую теплопроводность и морозостойкость материала в целом.
На рис. 1, 2 показано, что модуль упругости и продольные деформации по своим значениям близки к средним значениям легких бетонов.
Снижение плотности композита было достигнуто за счет тщательно подобранного состава и способа приготовления ДШК. Низкая теплопроводность также объясняется высоким содержанием аморфной фазы в структуре материала, что хорошо согласуется с общей концепцией уменьшения теплопроводности при увеличении поверхности раздела и аморфной составляющей в бетонах [3, 4].
Важным моментом в рекомендациях по применению ДШК в ограждающих конструкциях является
1
0,9 0,8 0,7
50
100
150 200 250 300 350
12
10
6
4
2
7,2 11,8
□ , МПа
сж(куб)'
14,5
Рис. 1. Диаграмма «уровень напряжений - относительные деформации» ДШК разных классов:/ - В10; 2 - В7,5; 3 - В5
Рис.2. Зависимость модуля упругости ДШК от кубиковой прочности образцов
8
0
0
£ ■ 10
°прод 1 и
научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
февраль 2010 67
Таблица 2
Класс (марка) ДШК Усух' кг/м3 Rcx, МПа Rnp^ МПа E103, МПа Хга, Вт/(м-К) Хсух, Вт/(м-К)
В 10 (М150) 1720 14,5 12 12 0,28 0,25
В 7,5 (М100) 1595 11,81 9,5 9 0,23 0,2
В 5 (М75) 1500 7,2 5,9 6 0,21 0,19
В 2,5 (М35) 1350 3,2 2,6 2 0,18 0,16
оценка равновесной влажности. Деревошлаковый композит, как и всякий капиллярно-пористый материал, активно поглощает воду и насыщается ею как путем постепенного сорбционного увлажнения, так и в результате непосредственного контакта с водой. Водо-поглощение образцов ДШК классов В5—В10 после выдержки в воде в течение 24 ч 10—14 мас. %. Полученные кривые динамики сорбции показали, что установление равновесного влагосодержания ДШК может быть описано известным в теории сорбции уравнением ш = а(ь, где I — время; а, Ь — константы, зависящие от вида материала и значений относительной влажности окружающей среды. В пределах эксплуатационных требований (относительная влажность 50—60%) равновесная влажность ДШК составила 2—3%; приращение теплопроводности за счет влажности не превысило 3%.
На основе проведенных исследований были разработаны рекомендации по использованию ДШК в малоэтажном строительстве (табл. 2).
Модифицированный ДШК сочетает преимущества как древесины, так и бетона. Обладает высоким коэффициентом конструктивного качества, низкой тепло-
проводностью и легкостью. Его производство позволит снизить энерго- и ресурсопотребление в строительстве, утилизировать отходы металлургической и деревообрабатывающей промышленности.
Ключевые слова: жидкое стекло, древесные опилки, гранулированный доменный шлак, равновесная влажность, теплопроводность.
Список литературы
1. Каптюшина А.Г., Бондаренко Г.В. Использование отходов в производстве строительных материалов // Строит. материалы. 2008. № 2. С.38-40.
2. Шлакощелочные и щелочно-щелочно-земельные гидравлические вяжущие и бетоны /Под общ. ред. В.Д. Глуховского. Киев: Вища школа, 1979. 232 с.
3. Бабийчук И.П. Шлакощелочные бетоны на органических заполнителях // Цемент. 1991. №3-4. С. 46-49.
4. Комохов П.Г., Грызлов В.С. Структурная механика и теплофизика легкого бетона. Вологда: Изд-во Вологодского научного центра, 1992. 321 с.
XV Академические чтения РААСН Международная научно-техническая конференция
ДОСТИЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ
14-17 апреля 2010 г.
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
В рамках конференции состоятся:
выставка современного отечественного и зарубеж- ■ выступления докторантов; ного технологического, испытательного и исследо- ■ конкурс молодых ученых;
вательского оборудования для строительной ■ мастер-классы известных ученых для аспирантов, индустрии; студентов и молодых ученых.
Основные научные направления:
Минеральные вяжущие вещества Бетоны
Строительные материалы на основе и с применением полимеров Керамические материалы
Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве Долговечность и оценка срока службы строительных материалов
Экология в производстве строительных материалов и изделий
Использование техногенных отходов в производстве строительных материалов, рециклинг
Ресурсо- и энергосбережение в производстве строительных материалов и изделий Минеральное строительное сырье
Компьютерное моделирование в строительном материаловедении
Экономика производства строительных материалов Методы и приборы для исследований и испытаний строительных материалов Модернизация стройиндустрии
Процессы, аппараты и технологическое оборудование производства строительных материалов
С условиями участия можно ознакомиться на сайте конференции - www.RAASN15.kgasu.ru Оргкомитет: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, КазГАСУ, УНИД, к.1-78, 1-80 Контактные тел.: (843) 510-46-37, 510-46-36, 238-37-91,510-46-04, факс: (843)236-26-88 e-mail: nauka-info@kgasu.ru, nauka.kgasu@gmail.com
Информационная поддержка:
Т<
Шлг^шш Л<
строительства
ИЗВЕСТИЯ
КваГАСУ
£ТРОШ1
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
68 февраль 2010
ы ®
