CC BY
0Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru С.А. Лхасаранов, канд. техн. наук, доц., e-mail: solbon230187@mail.ru Б.О. Очиров, магистр, e-mail: ocirovbulat@mail.ru
УДК 691.115
ОПИЛКОБЕТОН, ПОЛУЧЕННЫЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ И УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ДОБАВОК
В статье приведены результаты получения опилкобетона с применением древесных отходов и ультрадисперсных добавок. Определены характеристики сырьевых материалов для получения опилкобетона. Показано, что при введении нанокремнезема происходит увеличение прочности при сжатии цементного камня и опилкобетона. Рентгенофазовый анализ цементного камня показал изменение интенсивности пиков портландита и гидросиликатов кальция. Определена кинетика набора прочности при сжатии опилкобетона при введении нанокремнезема.
Ключевые слова: опилкобетон, портландцемент, нанокремнезем, древесные отходы, прочность при сжатии, рентгенофазовый анализ.
L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.A. Lkhasaranov, Cand. Sc. Engineering B.O. Ochirov, Master
SAWDUST CONCRETE OBTAINED WITH THE USE OF WOOD WASTE FROM THE REPUBLIC OF BURYATIA AND ULTRAFINE ADDITIVES
The article presents the results of obtaining sawdust concrete using wood waste and ultrafme additives. The characteristics of raw materials for obtaining sawdust concrete have been determined. It is shown that the introduction of nanosilica leads to an increase in the compressive strength of cement stone and sawdust concrete. X-ray phase analysis of cement stone showed a change in the intensity of the peaks ofportlandite and calcium hydrosilicates. The kinetics of strength gain during compression of sawdust concrete with the introduction of nanosilica has been determined.
Key words: sawdust concrete, Portland cement, nanosilica, wood waste, compressive strength, X-ray phase analysis.
Введение
При разработке современных композиционных древесных материалов актуальным является вопрос использования отходов лесопиления и деревопереработки. С учетом того, что в Республике Бурятия объем накопленных древесных отходов составляет свыше 75 тыс. м3, перспективной является разработка технологий производства древесных композиционных материалов различного назначения. Одним из перспективных материалов, полученных при комплексном использовании древесных отходов и минеральных вяжущих веществ, является опилкобетон, который характеризуется сравнительно низкой плотностью и высокими физико-механическими свойствами [1-6].
Одной из главных проблем при получении композиционных материалов на основе минерального вяжущего и древесного заполнителя является химическая агрессивность компонентов древесного заполнителя к минеральным вяжущим [1, 2, 4]. Для формирования прочного адгезионного контакта между древесными опилками и цементным камнем необходимо управлять процессом капиллярной диффузии воды внутрь древесного заполнителя [1]. Наиболее целесообразной является химическая подготовка древесных отходов в различных растворах, например CaCh, Ca(OH)2, Na2SiO3 [1, 2, 8]. Отмечается, что при выдерживании древесного сырья в растворе Ca(OH)2 одновременно достигаются предадсорбция ионов Са2+ на волокнах древесины и нейтрализация водорастворимых «цементных ядов» [8].
Технологически простым, по мнению авторов, является применение смешанного вяжущего, содержащего щелочной компонент, что может привести к отказу от предварительной минерализации древесного заполнителя [1, 2].
Целью работы является изучение возможности улучшения физико-механических характеристик опилкобетона путем оптимизации структуры на микро- и наноуровне за счет использования композиционного вяжущего на основе портландцемента и золы и применения нанокремнезема.
Материалы и методы
Для выполнения задач, поставленных в исследовании, предусматривается использование следующих сырьевых материалов: портландцемент (ПЦ) ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2016 ООО «Тимлюйский цементный завод», зола уноса (ЗУ) Гусиноозерской ГРЭС, древесные опилки отходов лесопиления хвойных пород древесины, пирогенный нанокремнезем (НК) Аэросил А-300.
В качестве заполнителя для опилкобетона были использованы опилки из отходов лесопиления и деревообработки хвойных пород древесины. Характеристики древесного заполнителя представлены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика опилок из отходов лесопиления и деревообработки хвойных пород древесины
Характеристика Значение
Порода древесины Сосна
Плотность, г/см3 0,34
Влажность, мас. % 40
Размер фракции, мм 0,16-1,25
Пирогенный нанокремнезем «Аэросил А-300» получен в результате сжигания тетрахлор-силана ^СЦ) в токе водорода и кислорода. Содержание аморфного кремнезема в добавке составляет 99,8%, средний размер первичных частиц - 5-50 нм, удельная поверхность - 150 м2/г. Использование добавки аэросила для получения древесно-цементного композита обусловлено промышленным производством этой добавки и опытом практического применения в строительстве.
Из сырьевых смесей формовались образцы-кубы размером 10*10x10 см. Золу с цементом частично домалывали в стержневом виброистирателе в течение 30 с. Затем композиционное вяжущее смешивали с опилками в течение 2 мин. В полученную смесь добавляли воду и перемешивали еще 2 мин. Сырьевую смесь загружали в формы и уплотняли трамбованием. Формы ставили на сутки в сушильный шкаф при температуре 50 °С. Через сутки производили распалубку и кубы оставляли на воздухе еще на 6 сут.
Результаты и обсуждение
Кинетика набора прочности портландцемента при введении нанокремнезема в количестве 0,01-0,1 мас. % показывает, что при увеличении содержания нанокремнезема происходит нарастание прочности при сжатии (рис. 1).
ПЦ (контр) ПЦ+НК (0,01%) ПЦ+НК (0,05%)
ПЦ+НК (0,1%)
60
50
0
2
7
ВРЕМЯ ТВЕРДЕНИЯ, СУТ
14
28
Рисунок 1 - Кинетика набора прочности портландцемента с нанокремнеземом
Присутствие нанокремнезема в составе портландцемента влияет на концентрацию ионов Са2+ и ОН" на начальном этапе гидратации. Образование продуктов гидратации в ранний период происходит при участии поверхности нанокремнезема, и поверхность частиц цемента оказывается в меньшей степени блокирована новообразованиями, что интенсифицирует процесс гидролиза цементных фаз. Это приводит к ускоренному набору прочности цементного камня при введении нанокремнезема.
Для оценки изменения продуктов гидратации портландцемента при введении нанокремнезема был проведен рентгенофазовый анализ в возрасте 28 сут твердения. На рентгенограммах образца бездобавочного портландцемента и портландцемента с добавкой нанокремнезема зафиксированы пики, характерные для портландита, высокоосновных и низкоосновных гидросиликатов кальция (рис. 2).
По данным рентгенофазового анализа, в цементном камне с добавкой НК по сравнению с бездобавочным цементным камнем увеличивается количество низкоосновных гидросиликатов кальция, в том числе тоберморитоподобных гидросиликатов кальция. При этом уменьшается количество высокоосновных гидросиликатов и портландита. Гель низкоосновных гидросиликатов кальция обладает клеящей способностью, что может способствовать увеличению адгезионной прочности цемента к древесным опилкам.
Управление структурообразованием опилкобетона на микро- и наноуровне за счет применения золы уноса и нанокремнезема будет способствовать улучшению взаимодействия древесного заполнителя с частицами минерального вяжущего, уплотнению структуры и повышению физико-механических показателей. При подборе составов опилкобетона были оптимизированы расходы ПЦ, золы уноса, древесных опилок и НК (табл. 2).
Рисунок 2 - Рентгенограммы в возрасте 28 сут: а - цементный камень; б - цементный камень с добавкой НК 0,1 %
Таблица 2
Расходы компонентов опилкобетона
№ состава Расход материалов на 1 м3 бетона, кг Средняя плотность, кг/м3
ПЦ зола опилки НК вода
1 150 - 150 - 255 330
2 105 45 150 - 270 340
3 75 75 150 - 280 345
4 150 - 150 0,15 255 350
5 105 45 150 0,2 270 355
6 75 75 150 0,25 280 360
2,5
I 3 сут ■ 7 сут ■ 28 сут
Ei 1,5
эе
и <
и
0
1 Т
о
а.
0,5
ПЦ 70% + ЗУ ПЦ 50% + ЗУ ПЦ + НК ПЦ 70% + ЗУ ПЦ 50% + ЗУ
3 0%
50%
0,1%
30% + НК 0,1%
50% + НК 0,1%
СОСТАВЫ
2
1
0
Рисунок 3 - Кинетика набора прочности опилкобетона
Результаты исследований показывают, что при введении золы происходит увеличение плотности и прочности опилкобетона. Зола уноса при совместном помоле с портландцементом выступает в роли активной минеральной добавки, участвуя в структурообразовании композиционных вяжущих веществ. Наибольший прирост прочности опилкобетона наблюдается при содержании золы 30 %, что коррелирует с результатами исследований других авторов [1, 2]. Зола покрывает поверхность опилок тонким слоем, что обеспечивает наилучшее сцепление опилок с цементом, а следовательно, увеличивается прочность материала. При большем содержании золы происходит увеличение слоя золы уноса и ухудшение взаимодействия с ПЦ [1].
Дополнительное введение НК способствует увеличению прочности опилкобетона. Наличие НК в среде твердеющего композиционного вяжущего приводит к изменению концентрации ионов Ca2+, OH" и инициированию образования центров кристаллизации гидратных новообразований. Интенсивное формирование низкоосновных гидросиликатов кальция при комплексном взаимодействии портландцемента, золы уноса и нанокремнезема способствует увеличению адгезии древесного компонента и цементного камня, повышению плотности и фи-зико"механических показателей опилкобетона на основе композиционного вяжущего.
Выводы
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- доказана возможность улучшения физико-механических характеристик древесно-це-ментных композиций путем оптимизации структуры на микро" и наноуровне за счет применения золы уноса и НК;
- совместное использование золы уноса и НК в составе композиционного вяжущего для получения опилкобетона способствует увеличению адгезионной прочности древесного заполнителя и минерального вяжущего;
- получены составы конструкционно-теплоизоляционного опилкобетона класса по прочности В1,5 и марки по плотности D400 при применении древесных отходов Республики Бурятия, композиционного вяжущего на основе портландцемента, золы уноса и нанокремне-зема.
Библиография
1. Белов В.В. Опилкобетон на модифицированном цементном вяжущем // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Строительство. Электротехника и химические технологии. - 2020. - № 4 (8). - С. 14-25.
2. Белов В.В. Опилкобетон на бесцементном композиционном вяжущем // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Строительство. Электротехника и химические технологии. - 2020. - № 3 (7). - С. 6-16.
3. Макаридзе Г.Д., Ворона-Сливинская Л.Г. Применение современных строительных материалов
- опилкобетон: функциональные свойства и технология производства // Инновации и инвестиции. -2019. - № 10. - С. 249-254.
4. Даваасенгэ С.С., Буренина О.Н. Модифицированный опилкобетон с улучшенными физико-механическими свойствами для эксплуатации в северных регионах // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: материалы междунар. симпозиума. Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова. - 2014. - С. 294-299.
5. Курбатов В.Л., Дроков А.В. Опилкобетон и его применение в строительной индустрии // Университетская наука. - 2016. - № 2 (2). - С. 60-62.
6. Пошарников Ф.В., Филичкина М.В. Анализ структуры смеси для опилкобетона на основании многофакторного планирования эксперимента // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2010. - № 1. - С. 111-114.
7. Цепаев В.А. Конструкционный опилкобетон на гипсе Р-модификации. Прочность, деформа-тивность, долговечность // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2005. - № 9 (561).
- С. 17-21.
8. Кузнецов А.И., Кривда В.В. О принципах взаимодействия в цементно-древесных композициях на начальных стадиях структурообразования // Известия вузов. Строительство. - 1993. - № 11/12. -С. 15-17.
Bibliography
1. Belov V.V. Sawdust concrete on modified cement binder // Bulletin of Tver State Technical University. Series: Construction. Electrical engineering and chemical technology. - 2020. -N 4 (8). - P. 14-25.
2. Belov V.V. Sawdust concrete on cementless composite binder // Bulletin of Tver State Technical University. Series: Construction. Electrical engineering and chemical technology. - 2020. - N 3 (7). - P. 6-16.
3.Makaridze G.D., Vorona-SlivinskayaL.G. The use of modern building materials - sawdust concrete: functional properties and production technology // Innovations and investments. - 2019. - N 10. - P. 249-254.
4. Davaasenge S.S., Burenina O.N. Modified sawdust concrete with improved physical and mechanical properties for operation in northern regions // New materials and technologies in the Arctic. Materials of the international symposium. North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov. - 2014. -P. 294-299.
5. Kurbatov V.L., DrokovA.V. Sawdust concrete and its application in the construction industry // University science. - 2016. - N 2 (2). - P. 60-62.
6. Posharnikov F.V., FilichkinaM.V. Analysis of the structure of the mixture for sawdust concrete on the basis of multifactorial planning of the experiment // Bulletin of the Moscow State University of Forest -Lesnoy Bulletin. - 2010. - N 1. - P. 111-114.
7. Tsepaev V.A. Structural sawdust concrete on gypsum p-modification. Strength, deformability, durability // News of higher educational institutions. Building. - 2005. - N 9 (561). - P. 17-21.
8. KuznetsovA.I., Krivda V.V. On the principles of cooperation in the cement-wood compositions in the initial stages of structure // Proceedings of the universities. Construction. - 1993. - N 11/12. - P. 15-17.
