CC BY
201
Р. Р. Хасаншин, Р. Р. Сафин, Ф. Г. Валиев,
Р. В. Данилова
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОЗДАННЫХ НА ОСНОВЕ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова: тепловая обработка, арболит, прочность.
Проведены опыты по термомодифицированию древесных частиц, для этого разработана экспериментальная установка по вакуумно-кондуктивной тепловой обработке материалов. Проведены исследования по определению прочности на сжатие арболита, полученного из термически обработанных древесных частиц, получены графические зависимости
Keywords: heat treatment, arbol, strength.
Conducted experiments on termomodifitsirovaniyu wood particles, for thisexperimental setup is designed for vacuum heat treatment of conductive materials.Investigations to determine the compressive strength arbolita made from heat-treated wood particles are obtained depending on graphics
Введение
В промышленности и строительстве
наблюдается повышенный интерес к древесине и изделиям на ее основе. Это объясняется
появившимися новыми возможностями повышения устойчивости древесины к воздействию различных неблагоприятных факторов, а также получения на ее основе материалов с улучшенным комплексом свойств, например композитов. В частности, актуальны работы по улучшению ряда показателей качества древесины путем ее модификации.
Известные химические методы деструкции древесины не позволяют эффективно использовать большую ее часть, и являются экологически неоправданными. Кроме того, все изученные физические способы воздействия на древесину отличаются высокой энергоемкостью и относительно низким КПД.
В данной работе предлагается использование древесных отходов для производства композиционных материалов с минеральными
вяжущими веществами, при этом древесные наполнители подвергнуты термической модификации. Данные виды обработки древесного наполнителя приводят к улучшению отдельных его свойств, используемых при получении композита с высокими эксплуатационными характеристиками [1].
1. Опыты по исследованию термомодифицирования древесных частиц
Для исследования термомодифицирования древесных частиц была разработана экспериментальная установка по вакуумно-кондуктивной тепловой обработке материалов, состоящая из камеры тепловой обработки, сообщенной с линией вакуумирования, состоящей из вакуумного насоса и конденсатора. Подвод тепловой энергии к обрабатываемому материалу осуществляется контактным способом с помощью теплоподводящих поверхностей, представляющих собой перфорированную металлическую пластину, обогреваемую с помощью нитей накаливания и теплоизолированную со стороны противоположной обрабатываемому материалу пористым влаго- и воздухопроницаемым материалом [2,3].
Установка работает следующим образом. В
зависимости от плана эксперимента производят предварительную подготовку обрабатываемого материала: при исследовании технологии
термомодифицирования берется древесина сухого состояния, а в случае, когда обрабатываемый материал обладает высокой естественной влажностью, то проводят сушку образца вакуумно-кондуктивным способом.
Исследуемый материал взвешивают и помещают в камеру. После чего камеру герметизируют, к которой на гибкой связи прикреплена теплоподводящая поверхность.
В процессе проведения эксперимента за счет перепада давления поверхность перемещается по направлению к обрабатываемому материалу и плотно его облегает. В результате плотного контакта материала с греющими поверхностями происходит интенсивное его нагревание. Температура нагрева контролируется с помощью установленной в плите термопары, управляющего электронного устройства. Одновременно в работу включается вакуумный насос.
При проведении опытов по термомодифицированию древесные частицы подвергаются нагреву до заданной температуры в течение заданного планом эксперимента интервала времени при одновременно работающей линии вакуумирования. Далее, разгерметизировав напускным клапаном камеру, открывают крышку и исследуют образец.
Обработанные древесные образцы используют для исследования взаимодействия модифицированной древесины с минеральными вяжущими, а также для изготовления древесно-наполненных композитов с целью дальнейшего изучения их свойств. При этом в качестве композиционного материала был выбран арболит и, соответственно, в качестве минерального вяжущего использован портландцемент марки 400. Целью экспериментальных исследований является изучение изменения прочностных характеристик данного композиционного материала вследствие изменения физико-химических и физико-
механических свойств древесного наполнителя при высокотемпературной термической обработки. Создание образцов арболита на основе модифицированной древесины осуществлялось следующим образом. Для создания образцов изделий были изготовлены металлические контейнеры с размерами полости 100*100*100 мм. Далее создавалась смесь с соотношением компонентов, определенным согласно плану эксперимента.
2. Исследования по изучению изменения прочностных характеристик композиционного материала
В результате проведенных исследований по определению предела прочности на сжатие арболита, полученного из термически обработанных древесных частиц и прошедшего: многократное увлажнение и сушку с количеством циклов равное 20, заморозку и оттаивание с количеством циклов - 20, получена графическая зависимость, представленная на рисунке
1. Из графика следует вывод, что предварительное термомодифицирование древесных частиц в процессе изготовления арболита позволяет значительно увеличить эксплуатационные характеристики данного материала при тепловом воздействии в диапазоне 455-475 К и, как следствие, расширить области его возможного использования.
Рис. 1 - Предел прочности на сжатие образцов арболита, изготовленных из древесных частиц, прошедших тепловую обработку
В результате обработки экспериментальных данных были получены графические зависимости, представленные на рисунках 2-4.
Осж.,
Рис. 2 - Изменение предела прочности арболита при сжатии в зависимости от водоцементного отношения: 1 - наполнитель термически
обработан при Т = 473 К; 2 - наполнитель, не подвергшийся специальной обработке
Из графиков представленных на рисунке 2 видно, что термическое воздействие на наполнитель
снижает водоцементное соотношение, что может быть объяснено существенным снижением водопоглощения термомодифицированными
древесными частицами по сравнению с необработанными.
В результате рекогносцировочных
экспериментов для каждого модифицированного наполнителя были выбраны оптимальное водоцементное отношение. В связи с неодинаковым водопоглощением разных модифицированных
древесных наполнителей были приняты следующие значения: для термически обработанных
наполнителей - 0,45; для необработанных - 0,8.
На рисунке 3 представлены графическая зависимость предела прочности арболитового материала при сжатии от длины щепы. В ходе анализа полученной зависимости установлено, что нарастание предела прочности на сжатие происходит с уменьшением размеров древесного заполнителя, что объясняется увеличением зоны контакта между древесными частицами и
увеличением толщины прослойки вяжущего вещества (цемента).
Осж,
МПа
0 10 20 30 40 50 60 1^, мм
Рис. 3 - Испытание на сжатие образцов арболита от длины щепы
Обработкой результатов
экспериментальных исследований получена зависимость предела прочности композиционного материала на сжатие от отношения массы древесного наполнителя к массе минерального вяжущего. Полученная зависимость, представленная на рисунке 4, указывает на снижение прочности при возрастании количества наполнителя по отношению к вяжущему.
асж,
МПа
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
0 0,2 0,4 0,6 0,8
Древесно-цементное соотношение, г
Рис. 4 - Испытания арболитового материала на сжатие
На основе планирования эксперимента и результатов экспериментальных исследований по модификации древесины была разработана математическая модель для древеснокомпозиционного материала, которая позволяет прогнозировать предел прочности композита на сжатие в зависимости о рецептуры и режима обработки древесного наполнителя. В полученных
-
эмпирических уравнениях предел прочности арболита на сжатие зависит от условий эксплуатации, продолжительности обработки и толщины прослойки цементного камня.
Средняя величина прослойки связующего, в первую очередь, будет определяться соотношением исходных компонентов в составе, плотностью их упаковки, природой и свойствами наполнителя и связующего, а также размерами и величиной удельной поверхности наполнителя. Установление взаимосвязи между вышеперечисленными
параметрами позволяет оценить ориентировочную величину средней толщины прослоек связующего в КДМ.
Толщину прослойки цементного камня в контактной зоне в структуре арболита приближенно можно определить с помощью эмпирического выражения [4]:
8_ а хЦхК , (1)
Д Х Э уд ХР ц
где Ц и Д - соответственно расход цемента и древесной дробленки на 1м3 арболита, кг; а’ -коэффициент, учитывающий технологические свойства древесно-цементного композита; рб-
средняя плотность цемента, кг/м3; 35^ - удельная
поверхность древесной дробленки, м2/кг; К - выход цементного теста нормальной густоты, части от единицы.
В наших исследованиях а, К, рб имели
3
следующие значения: а=1,25; К=0,5; рб =1198 кг/м . Удельную поверхность древесных частиц
заполнителя определяем по известной методике и формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов:
2 (11 1
(2)
г/см3; t, b, а -
где р - средняя плотность древесины,
соответственно длина, ширина, толщина единичной частицы заполнителя, см.
Для выбора требуемого сочетания
компонентов смеси было проведено планирование полнофакторного эксперимента.
Предел прочности арболита из термомодифицированных древесных частиц в
зависимости от условий эксплуатации:
- при эксплуатации в сухих условиях (без увлажнения):
о^,,.. _ 1,3453 + 0,0859Т - 0,0012Т2 + 6,8085 х10-6Т4 + 6758 + 5000082 (3)
- при эксплуатации в условиях переменной влажности (после 20 циклов «увлажнение-сушка»)
3,452 - 0,0498Т + 0,0002Т2 - 2,6664 х 10-7 Т3 + 5,7858+ 30290,5448 (4)
с 1 - 0,0122Т + 3,5372 х 10-5 Т2 + 30,37628
Таким образом, получена математическая модель, позволяющая прогнозировать предел прочности арболита на сжатие в зависимости от рецептуры и режима обработки древесного наполнителя.
В результате проведенных
экспериментальных исследований основных свойств композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины и минеральных вяжущих, впервые показана возможность использования данного вида обработки древесного наполнителя для улучшения эксплуатационных характеристик композиционного материала. Термическое воздействие в диапазоне температур 180-210°С существенно увеличивает эксплуатационные характеристики арболита,
повышая его влагостойкость. Арболит, изготовленный из древесных частиц, прошедших термическую обработку без доступа кислорода, целесообразно применять при эксплуатации во влажных условиях.
Исследования показали, что термическое воздействие на наполнитель снижает водоцементное соотношение, что может быть объяснено существенным снижением водопоглощения термомодифицированными древесными частицами по сравнению с необработанными.
Литература
1. Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Р., Оладышкина Н.А. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник» 2010г. №4 (73), С. 95-99
2. Белякова Е.А., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Р., Разумов
Е.Ю. Имитация древесины моренного дуба термомодифицированием Дизайн. Материалы.
Технология. 3(14)/2010 С. 95-98.
3. Разумов Е.Ю., Кайнов П.А., Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2010. №9.
4. Наназашвили И.Х. Исследование адгезии в структуре
конгломерата «древесина-цементный камень» //
Совершенствование заводской технологии
железобетонных изделий на предприятиях сельстройиндустрии. М., 1979.
© Р. Р. Хасаншин - канд. техн. наук, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ,
[email protected]; Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ; Ф. Г. Валиев - асс. той же кафедры; Р. В. Данилова - асс. той же кафедры, [email protected].
