CC BY
43
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТНО-ДРЕВЕСНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Б.Д. РУДЕНКО, доц. каф. технологии композиционных материалов и древесиноведения СибГТУ, канд. техн. наук
[email protected] Сибирский государственный технологический университет
660049, Красноярск, Мира 82
Принципом получения композиционного материала конгломератного типа оптимальной структуры является организация необходимого взаимодействия между компонентами. Принцип необходимости и достаточности условий создания оптимальной структуры рассматриваемого материала сформулирован таким образом, чтобы полно характеризовать нужные условия для такого создания. «Создание среды получения композита конгломератного типа» является этим принципом, потому что для формирования структурных связей данного конгломерата требуется именно комплекс условий, подразумеваемый под термином «среда». Условие оптимальности должно выражаться некоторым значением или понятием, т.е. взаимосвязь или количественное соотношение используемых структурных элементов должно быть в некоторых пределах. Эти пределы количественного соотношения используемых структурных элементов обеспечат оптимальность структуры, т.е. комплекс наилучших показателей свойств композиционного материала с конгломератным типом структуры. Основным показателем, характеризующим эффективность использования компонентов, является некоторая характеристика потребительских свойств. Для характеристики «прочность» определяющим является адгезионное взаимодействие. Для разных видов композиционных материалов разное значение соответствующей прочности, потому что совокупность компонентов структуры будет различаться. Приведены значения коэффициента пропорциональности для структурных элементов композиционных древесно-цементных материалов. Данные соотношения характеризуют принцип достаточности требуемых характеристик структурного элемента. Пользуясь полученными результатами, можно видеть количественную оценку использования различных компонентов при изменении характеристик данных композиционных материалов. Для детального рассмотрения этого вопроса и систематизации данных применительно к разным цементно-древесным материалам (арболит, ЦСП и т.п.), требуются дополнительные экспериментальные исследования.
Ключевые слова: принципы, цементно-древесный материал, соотношение, структура, компоненты, элементы, количественные соотношения
Цементно-древесный композиционный материал получается путем совмещения и взаимодействия структурных элементов соответствующих компонентов. Характеристики образующегося композита будут зависеть от того, каким образом происходит адгезионное взаимодействие, какие возникают граничные или переходные слои между структурными элементами, какие происходят межфазные явления, и, конечно, от характеристик самих структурных элементов. На процесс создания структурных связей определяющее влияние будут оказывать также пространственное расположение элементов и технологические факторы изготовления.
Условием получения композиционного материала конгломератного типа оптимальной структуры является организация необходимого взаимодействия между компонентами. Нужное взаимодействие будет происходить при выполнении (соблюдении) некоторого принципа.
Сформулируем принцип необходимости и достаточности условий создания
оптимальной структуры рассматриваемого материала таким образом, чтобы полно характеризовать нужные условия для такого создания. «Создание среды получения композита конгломератного типа» будет являться таким принципом. Потому что для формирования структурных связей данного конгломерата требуется именно комплекс условий, подразумеваемый под термином «среда». На рисунке приведена схема этого описания.
Рассмотрим структурные элементы, входящие в понятие «Создание среды получения композита конгломератного типа»:
- заполнитель (или комбинация заполнителей), З. Элемент формирования структуры, который определяет свойства материала;
- вяжущее (например, клинкерные вяжущие), В. Элемент, который ответственен за процедуры получения композита;
- активатор твердения вяжущего (если клинкерного), А. Элемент, который позволяет совместить рассматриваемые компоненты, в качестве которого могут выступать: химические добавки, пограничный слой заполнителя,
24
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Рисунок. Схема структурных элементов цементно-древесного композиционного материала оптимального состава
Figure. The scheme of the structural elements of cement-wood composite material optimum composition
структурное изменение древесины, нейтрализация цементных ядов;
- вода (жидкость затворения), Ж. Элемент, необходимый для создания и протекания процесса формирования связей в композиционном материале конгломератного типа.
Количество компонентов может быть любым, однако конкретные представители компонентов выбираются при выполнении некоторых условий, т.е. требуется иметь «среду получения композита конгломератного типа».
Формирование среды - сложный процесс, который, в общем виде, можно выразить зависимостью
среда получения = f (компоненты, состояние компонентов, взаимное расположение компонентов, соотношение компонентов, пространственная укладка компонентов, технологические условия).
Данная среда не является единственной, однако при выборе среды следует учитывать возможность выполнения условий оптимальности создаваемой структуры.
Имеются разные методы для описания связи механических показателей и состава цементно-древесных композитов. В основу теории прогнозирования физико-механических свойств арболита положена модель механической смеси или композитного материала [1]. Щербаков А.С. предлагает использовать для этих целей основные уравнения теории упру-
гости. Рыбьев И.А. [2] предложил оригинальный метод для описания общих закономерностей формирования структуры и свойств различных строительных конгломератов, в том числе и цементно-древесных композиционных материалов. В развитие этого метода, для цементно-стружечных плит из древесины лиственницы, предложено [3] описание их прочности. Современная детализация рассматриваемой зависимости приведена в [4]. С учетом ряда специфических особенностей древесного заполнителя Наназашвили И.Х. [5] предлагает эмпирическое выражение, которое связывает прочность арболита оптимальной структуры с элементами этой структуры. Зависимость между прочностью бетона и характеристиками его компонентов описана Сулименко Л.М. [6]. Баженов Ю.М. [7] рассматривает прочность бетона как функцию пропорциональности от его плотности. Петроченков И.Г. [8] развивает идеи многокритериальности подхода для разработки теории прочности композитов, в которых рассматривается также и ограничения данного подхода.
Следует отметить подход авторов [9] для математического описания свойств композитов, где рассматривается моделирование физико-механических и теплофизических свойств композиционных материалов. В развитие такого выбора описания авторы [10] привели модели получения композиционных
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
25
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
Таблица
Коэффициенты пропорциональности для структурных элементов цементно-древесных композиционных материалов Proportionality coefficients for the structural elements of wood-cement composites
Вид структурного элемента Б (коэффициент пропорциональности) С (характеристика элемента)
Заполнитель 20-50 Характеристика свойств заполнителя (форма)
Вяжущее 0,5-1 Активность вяжущего (Марка)
Вода 20-30 Удельная поверхность заполнителя
Активатор 1-10 (в зависимости от природы активатора) Количество выделяющихся активных веществ заполнителя
Для количества заполнителя
материалов на основе отходов окорки и термопластов в процессе прессования.
Однако во всех перечисленных описаниях отсутствует детализация главного компонента, ответственного за формирование свойств цементно-древесных композиционных материалов. Этим элементом является пограничный слой древесного заполнителя, или вопросы отравления цемента экстрактивными веществами древесного заполнителя.
Условие оптимальности должно выражаться некоторым значением, или понятием, т.е. взаимосвязь или количественное соотношение используемых структурных элементов должно быть в некоторых пределах. Эти пределы количественного соотношения используемых структурных элементов будут обеспечивать оптимальность структуры, т.е. комплекс наилучших показателей свойств композиционного материала с конгломератным типом структуры. Обозначим эту взаимосвязь через некоторые равенства. Тогда принципами оптимальности получения композиционного материала будут выбранные соотношения используемых компонентов в зависимости от принятых ограничений. В общем виде такая взаимосвязь выразится как у = Ъх.
Для количества используемого активатора
А = БС,
где А - количество активатора (% от массы вяжущего);
Б - коэффициент, зависящий от характеристик активатора (для условий арболита, при использовании хлористого кальция, 1);
С - количество активных веществ, которые древесина выделяет в единицу времени (% от массы древесины).
З = БС,
где З - заполнитель (кг/м3);
Б - коэффициент, зависящий от характеристик получаемого материала (для условий арболита, 25-50);
С - характеристика свойств заполнителя (для древесного заполнителя в арболите, коэффициент формы 5-8). Аналогично и для других используемых компонентов структуры цементно-древесного композиционного материала с конгломератным типом структуры.
Основным показателем, характеризующим эффективность использования компонентов, будет являться некоторая характеристика потребительских свойств. Для характеристики «прочность» определяющим будет адгезионное взаимодействие. Для разных видов композиционных материалов будет разное значение соответствующей прочности, потому что совокупность компонентов структуры будет различаться. В таблице приведены значения коэффициента пропорциональности для структурных элементов композиционных древесно-цементных материалов.
Данные соотношения характеризуют принцип достаточности требуемых характеристик структурного элемента.
Пользуясь полученными результатами, можно видеть количественную оценку использования различных компонентов при изменении характеристик данных композиционных материалов. Для детального рассмотрения этого вопроса и систематизации данных, применительно для разных цементно-древесных материалов (арболит, ЦСП
26
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ И ДРЕВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ
и т.п.), требуются дополнительные экспериментальные исследования.
Работа выполнена в рамках госзадания по НИР 1.9/2 СибГТУ 2014.
Библиографический список
1. Щербаков, А.С. Арболит. Повышение качества и долговечности / А.С. Щербаков, Л.П. Хорошун, В.С. Подчу-фаров. - М.: Лесная пром-сть, 1979. - 160 с.
2. Рыбьев, И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ (искусственные строительные конгломераты) / И.А. Рыбьев. - М.: Высшая школа, 1978. - 309 с.
3. Руденко, Б. Д. Исследование процесса и разработка технологии цементно-стружечных плит из древесины лиственницы :дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05: защищена 17.10.80 / Б.Д. Руденко. - Красноярск, 1980. - 152 с.
4. Руденко, Б.Д. Описание механических свойств цементно-древесного композита / Б.Д. Руденко // Лесной и
химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст.
- Красноярск, 2010. - С. 100-104.
5. Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И.Х. Наназашвили. - Л.: Стройиздат, 1990. - 415 с.
6. Сулименко, Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе / Л.М. Сулименко.
- М.: Высшая школа, 2005. - 334 с.
7. Баженов, Ю.М. Технология бетона. Учебник / Ю.М. Баженов. - М.: АСВ, 2011. - 528 с.
8. Композиты на минеральных вяжущих. Том 2. Проектирование составов строительных композитов / Р.Г. Петро-ченков и др. - М.: МГТУ, 2005. -349 с.
9. Моделирование свойств и процессов прессования реактопластов: монография / под общ. ред. А.Н. Обливина.
- М.: МТУЛ, 2005. - 284 с.
10. Rudenko, B.D. PlattenausRindenpartikeln und Thermopla-sten / B. D. Rudenko, S. M. Plotnikov, Peter Neimz // Holz-Zentralblatt.- Stuttgart, 2013. - № 2 - p. 68-70.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
PRINCIPLES PRODUCING CEMENT-WOOD COMPOSITE MATERIAL Rudenko B.D., Assoc. Prof. SibGTU, Ph.D (Tech.)
[email protected] Siberian State Technological University, 660049, Krasnoyarsk, Mira 82 The principle of getting a conglomerate composite material of optimal structure is the organization of the interaction needed between the components. We formulate the principle of necessary and sufficient conditions to create the optimal structure of the material in such a way as to fully characterize the necessary conditions for such a creation. «Creating an environmentfor forming a composite conglomerate» would be such a principle, as the formation of the structural connections of the conglomerate requires a set of conditions implied by the term «environment». The optimality condition must be expressed by a certain value, or a notion, which means that the interrelationship or the proportion of the structural elements used must be within certain limits. These limits of the proportion of the structural elements provide the optimal structure, i.e., the set of the best indicators of the properties of the composite material with a conglomerate structure type. The main indicator of the efficiency of the components usage will be some characteristics of the consumer properties. The main parameter to characterize the «strength» is the adhesive interaction. Different types of composite materials will have different values of adequate strength, as the set of the components of the structure will be different. The article presents the values of the coefficient of proportionality for the structural elements of the sawdust cement composite materials. These ratios characterize the principle of sufficiency of the required characteristics of a structural element. With the results obtained, various components usage when changing data characteristics of composite materials can be quantified. For a detailed consideration of this issue and systematization of the data in relation to the different sawdust cement materials (wood concrete, chipboard, etc.), additional experimental studies are needed.
Keywords: Principles, sawdust cement material, ratio, structure, components, elements, the quantitative ratios.
References
Shcherbakov A.S., Horoshun L.P., Podchufarov VS. Arbolit. Povyshenie kachestva i dolgovechnosti [Arbolit.Improving the quality and durability] Shherbakov A.S., Horoshun L.P., Podchufarov V.S. Moscow: Lesnaya promyshlennost’, 1979. 160 p. Stroitel’nye materialy na osnove vyazhushchikh veshchestv (iskusstvennye stroitel’nye konglomeraty) [Building materials based binders (artificial construction conglomerates)]. Moscow: Vysshaya shkola, 1978. 309 p.
Rudenko B.D. Issledovanieprotsessa irazrabotka tekhnologiitsementno-struzhechnykhplitizdrevesiny listvennitsy: [Investigation of the process and development of technology of cement-bonded boards of larch wood]: dis. ... kand. tehn. nauk: 05.21.05. Krasnojarsk, 1980. 152 p.
Rudenko B.D. Opisanie mekhanicheskikh svoistv tsementno-drevesnogo kompozita [Description of the mechanical properties of the cement-wood composite]. Lesnoi i khimicheskii kompleksy-problemy i resheniya. Krasnoyarsk, 2010. pp. 100-104. Nanazashvili I.H. Stroitel’nye materialy iz drevesno-tsementnoi kompozitsii [Building materials made of wood-cement composition]. Leningrad: Stroiizdat, 1990. 415p.
Sulimenko L.M. Tekhnologiya mineral’nykh vyazhushchikh materialov i izdelii na ikh osnove [Technology of mineral binding materials and products based on them]. Moscow: Vysshaya shkola, 2005. 334 p.
Bazhenov, Ju.M. Tekhnologiya betona [The technology of concrete. Textbook]. Moscow: ASV, 2011. 528 p.
Petrochenkov R.G. [i dr.] Kompozity na mineralnykh vyazhushchikh Tom 2. [Composites on mineral binders. Volume 2]: Proektirovanie sostavov stroitel’nykh kompozitov. Moscow: MGGU, 2005. 349p.
Modelirovanie svoistv i protsessov pressovaniya reaktoplastov: monografiya [Modeling properties and processes pressing thermosetting: Monograph]. Moscow: MGUL, 2005. 284 p.
Rudenko B.D., Plotnikov S.M.PlattenausRindenpartikeln und Thermoplasten [Slabs of bark particles and thermoplastics]. Peter NeimzHolz-Zentralblatt. Stuttgart, 2013. № 2. pp.68-70.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2015
27
