ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОГО КОМПОЗИТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В.Э. Мельков

ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОГО КОМПОЗИТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

При переработке древесины образуется отходы в количестве от 40 до 60% от объема перерабатываемого сырья. Такие отходы как кора утилизируются, т.к. из-за низких прочностных показателей ее невозможно использовать для получения древесных материалов. Другие отходы - горбыли и рейки поле переработки в мелкие древесные частицы, а также опилки, стружка, дробленка широко используются для получения композиционных материалов из измельченной древесины [1]. Эти отходы древесины являются существенным сырьевым ресурсом. Чаще всего используется хвойная древесина. Но технология изготовления композитов их древесины мягких лиственных пород мало изучена.

Ключевые слова: строительство, прочность, древесно-клеевой композит.

Прочность древесно-клеевого композита во многом определяется взаимодействием вяжущего и заполнителя. Выбор вяжущего зависит от химического состава древесины, каждой для каждой из пород различен. Для уточнения химического состава спектрометром «Infalum FT-801» идентифицирован состав водорастворимых компонентов, содержащихся в сосновой и березовой дробленке.

Наличие легкорастворимых экстрагируемым веществ является недостатком строения мягколист-венной древесины. Эти вещества значительно усложняют технологический процесс производства арболита. Благодаря малому размеру молекул, порядка 1 мкм, водорастворимые сахариды легко вымываются из неё водой или раствором «минерализатора», попадая в цементное тесто. Адсорбируясь на поверхности минералов частиц цемента 3Са0Si02 (трехкальциевый силикат) и 3Са0А1203 (трехкальциевый алюминат) сахариды, состоящие в основном из углеводных групп HOCH, образуют оболочки, которые изолируют частицы цемента от воды, замедляя процесс гидролиза и гидратации вяжущего. Исследования показали, что при расходе цемента 500 и 600 кг на 1 м3 березовая дробленка не позволяет получать цементно-древесные композиты из-за интенсивного экстрагирования сахаридов в цементное тесто. Через 28 суток твердения прочность при сжатии составила всего 0,8 МПа.

Для уменьшения отрицательного сахаридов влияния на прочность древесно-цементных композиций широко применяются технологические способы основанные: на частичном удалении этих веществ из древесного заполнителя; переводе моносахаридов в нерастворимые или безвредные для цемента соединения; ускорении твердения портландцемента. В большинстве своем эти технологические процессы "минерализации" древесного заполнителя достаточно сложны и требуют многоступенчатой обработки заполнителя различными химикатами или длительной выдержки, что сложно, трудоемко и удорожает продукцию. При получении древесных композитов из побочных продуктов переработки древесины мягких лиственных пород применение цемента в качестве вяжущего нецелесообразно из-за наличия д-эритрозы, относящейся к мономерным сахаридам.

Для получения композитов из мелких древесных частиц мягколиственной древесины предлагается простой кардинальный способ, основанный на применение вяжущих, на которые не воздействуют экстрагируемые вещества. Такими вяжущими является гипс и карбамидоформальдегидный клей. Поэтому проведены исследования по разработке из отходов от механической переработки древесины мягких лиственных пород состава для получения гипсодревесного композита с гипсовым вяжущим.

Состав и последовательности ввода компонентов влияет на структуру и прочность гипсодревесного композита. Методом сканирующей электронной микроскопии доказано изменение структуры гипсодре-весного композита в зависимости от последовательности ввода компонентов и от степени обработки древесины ультразвуком (УЗД) и введения извести [2].

Таким образом, применение гипсового вяжущего позволяет значительно сократить сроки достижения марочной прочности, исключить влияние водорастворимых веществ на твердение гипсового камня,

© В.Э. Мельков, 2022.

Научный руководитель: Чернышев Олег Николаевич - кандидат технических наук, доцент, Уральский государственный лесотехнический университет, Россия.

снизить плотность и повысить прочность гипсового материала. Изделия на основе гипсовых вяжущих веществ экологически безопаснее, чем многие материалы, дешевле и имеют большую сырьевую базу.

Исследованы физико-механические свойства легкого конструкционно-теплоизоляционного бетона (опилкогипсобетона - ОГБ) с использованием высокопрочного формовочного гипса марки Г-16 (ЗАО «Самарский гипсовый комбинат», Самара, Россия), модифицированного пищевой микрокристаллической хлопковой целлюлозой (МКЦ) в виде сухого белого сыпучего порошкообразного вещества, состоящего из частиц в виде агрегатов и агломератов игольчатых микрокристаллитов целлюлозы (рисунок 1), и органических заполнителей растительного происхождения из отходов деревообработки хвойных и лиственных пород в виде кавитационно-обработанных сосновых и березовых опилок фракции 2,5-5 мм.

Рис. 1. Микроструктура частиц МКЦ

Микрокристаллическая хлопковая целлюлоза (МКЦ) - линейный природный полимер-полисахарид с общей формулой (С6Н1005)п или [С6Н7О2(ОН)3]п), продукт химической деструкции фибриллярной структуры частиц исходной целлюлозы (чаще всего хлопковой и древесной), который образуется в результате разрушения отдельных элементов целлюлозных волокон (аморфных прослоек), играющих роль связок между фибриллами. Характерной особенностью МКЦ, имеющей высокоразвитую гидрофильную поверхность с большим числом активных гидроксильных групп, является ее способность при взаимодействии с водой набухать, диспергироваться и образовывать относительно устойчивые тиксотропные гидрогели, обладающие водоудерживающими свойствами [3].

Методом лазерной гранулометрии с помощью анализатора Апа^ейе 22 NanoTecplus установлено, что средний диаметр частиц МКЦ составляет 54 мкм, полидисперсность - 2 %.

Доля частиц, попадающих в нанодиапазон (от 0,01 до 0,1 мкм), составляет 0,05 %; в ультрадиапазон (от 0,1 до 1 мкм) - 1,13 %; в микродиапазон (от 1 до 10 мкм) - 14,23 %; в макродиапазон (от 10 до 100 мкм) - 83,96 % (рисунок 2).

0,1 1 10 100 1000 Диаметр, мкм

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц МКЦ по размерам

Исследование физико-механических свойств ОГБ проводилось на образцах размером 4*4*16 см, изготовленных уплотнением опилкогипсобетонных смесей в трехгнездовых формах на стандартной лабораторной виброплощадке.

Приготовление смесей осуществлялось в следующей последовательности: кавитационная обработка опилок в воде с помощью импульсного активатора ПСБ-4035-04 при частоте ультразвука 35 кГц и

температуре воды (20 ± 2) °С; получение гипсового теста смешиванием воды, МКЦ и гипса; введение в тесто подготовленных опилок при опилкогипсовом отношении 0,16. Содержание МКЦ варьировалось от 2x10-4 до 18x10-4 % от массы гипса.

Предварительная кавитационная обработка опилок производилась с целью экстрагирования из них водорастворимых редуцирующих веществ (сахаров). При введении данных веществ в минеральные вяжущие совместно с водой, в результате адсорбции и под влиянием межмолекулярных сил сцепления, они ориентируются вокруг зерен вяжущего, образуя адсорбционный слой. Частицы вяжущего, покрытые такой защитной оболочкой, теряют способность сцепляться друг с другом под влиянием межмолекулярных сил. При этом образованная оболочка затрудняет доступ воды к зернам вяжущего, что приводит к торможению гидролиза и гидратации вяжущего. Результаты исследований показали, что ультразвуковая кавитация опилок приводит к повышению прочности на сжатие ^сж) ОГБ (рисунок 3).

12

5!-„-,.........—........-—

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Время кавитации, мин

Рис. 3.Зависимость прочности на сжатие опилкогипсобетона от времени ультразвуковой кавитации опилок сосны (ОС) и опилок березы (ОБ)

Значение Rсж образцов ОГБ на березовых опилках после обработки ультразвуком в течение 5 минут возрастает от 6,4 до 7,1 МПа (на 11 %), а на сосновых опилках - от 5,7 до 9,9 МПа (на 74 %).

Последующее воздействие ультразвуком на березовые опилки от 5 до 15 мин способствует плавному повышению прочности на сжатие образцов ОГБ от 7,1 до 8,8 МПа (на 24 %). В то же время, значение Rсж образцов ОГБ на сосновых опилках изменяется экстремально: возрастает от 9,9 до 11,7 МПа (на 18 %), а затем снижается до 8,5 МПа (на 27 %).

Анализ физико-механических свойств опилкогипсобетона на основе кавитационно-обработанных опилок с использованием микрокристаллической целлюлозы показал экстремальное изменение свойств ОГБ с максимумами при содержании МКЦ в количестве 11x10-4 % от массы гипса (таблица 1).

Таблица 1

Физико-механические свойства опилкогипсобетона

Состав ОГБ Показатели свойств

опилкогипсовое отношение водогипсовое отношение МКЦ, % от массы гипса средняя плотность, кг/м3 коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) прочность на изгиб, МПа прочность на сжатие, МПа

ОГБ с березовыми опилками после кавитационной обработки в течение 15 мин

0,16 0,37 - 1261 0,376 4,3 8,8

2х10-4 1276 0,384 4,9 9,7

6х10-4 1294 0,391 5,5 10,4

11х10-4 1295 0,393 5,7 10,6

16х10-4 1281 0,386 5,5 10,1

18х10-4 1275 0,383 4,7 9,9

Окончание таблицы 1

Состав ОГБ Показатели свойств

опилкогипсовое отношение водогипсовое отношение МКЦ, % от массы гипса средняя плотность, кг/м3 коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) прочность на изгиб, МПа прочность на сжатие, МПа

ОГБ с сосновыми опилками после кавитационной обработки в течение 10 мин

- 1119 0,326 3,5 11,7

2х10-4 1189 0,352 4,2 13,6

0,16 0,37 6х10-4 1203 0,357 4,5 13,8

11х10-4 1232 0,368 5,1 15,2

16х10-4 1207 0,359 4,7 14,4

18х10-4 1204 0,358 4,5 14,1

Прочность на изгиб (Яизг.) образцов ОГБ на березовых опилках возрастает на 33 %, прочность на сжатие - на 20 % при увеличении средней плотности (р0) на 3 %, а коэффициента теплопроводности (X) на 5 %. При этом значения Яизг., Rсж., р0 и X образцов ОГБ на сосновых опилках возрастают на 46 %, 30 %, 10 % и 13 % соответственно.

Повышение свойств опилкогипсобетона достигается снижением водорастворимых редуцирующих сахаров в древесных опилках в результате кавитационного экстрагирования, а также изменением микроструктуры при введении МКЦ.

Установлено, что микроструктура гипсовой матрицы без МКЦ характеризуется удлиненными пластинчатыми кристаллами двугидрата сульфата кальция с точечными слабыми связями и межконтактными полостями (рисунок 4, а), в которые может проникать вода, ослабляя связи и приводя к значительному снижению прочности и водостойкости гипсового камня. В то же время, МКЦ способствует уплотнению пространства между кристаллогидратами двуводного гипса (рисунок 4, б), что приводит к улучшению свойств опилкогипсобетона.

Рис. 4. Структура гипсового камня: а - без МКЦ; б - с МКЦ

Кроме того, кавитационная обработка опилок приводит к улучшению сцепления древесного заполнителя с гипсовой матрицей в микроструктуре опилкогипсобетона, что подтверждается результатами растровой электронной микроскопии (рисунок 5).

Необходимо также учитывать и экономическую составляющую производства древесно-клеевого композита. Более высокая стоимость клея по сравнению с гипсовым вяжущим компенсируется низкой стоимостью сырья из мягколиственной древесины по сравнению с хвойной в том же соотношении. Учитывая тенденцию к увеличению стоимости хвойной древесины из-за ее дефицита, производство древесно-клеевого композита в дальнейшем будет становиться еще более целесообразным.

Библиографический список

1.Основы управления качеством продукции лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств: учебник для вузов / А. А. Лукаш, О. Н. Чернышев. — Санкт-Петербург: Лань, 2022. — 164 с.

2. Теоретические аспекты проектирования однопоточных лесопильных цехов малой и средней мощности: монография / Т.И. Глотова, А.А. Лукаш А.А, О.Н. Чернышев. -Москва; Директ-Медиа, 2022. - 168 с.

3.Технология лесопильно-деревообрабатывающих производств. Технологические расчеты производственной мощности: учебное пособие / Т.И. Глотова, А.А. Лукаш А.А, О.Н. Чернышев. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2022. - 156 с.

МЕЛЬКОВ ВЛАДИСЛАВ ЭРИКОВИЧ - магистрант, Уральский государственный лесотехнический университет, Россия.