CC BY
28
УДК 674.2:624.011.15 Б.Д. Руденко
Сибирский государственный технологический университет
Руденко Борис Дмитриевич родился в 1948 г., окончил в 1972 г. Сибирский технологический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии композиционных материалов и древесиноведения Сибирского государственного технологического университета. Имеет около 60 научных трудов в области изучения процессов создания и эксплуатации древесных композитов. E-mail: rudenko@krasmail.ru
СВОЙСТВА ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНОЙ КОМПОЗИЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ СТРУЖКИ
Установлено, что использование тонкой прямоугольной стружки приводит к увеличению цементно-древесного и водоцементного соотношений примерно до 5 и 0,5, а использование игольчатой стружки (после станка типа ДС-6) - примерно до 3 и 0,3 соответственно.
Ключевые слова: состав, свойства, прочность, водопоглощение, влажность, плотность, цемент, вода, стружка.
Для производства цементно-стружечных плит (ЦСП) используют стружку, средняя длина которой должна быть по меньшей мере в 3 раза больше средней ширины. Оптимальные размеры стружки, мм: толщина -0,3, длина - 25,0...31,0, ширина - 1,6...4,8 [3].
Таблица 1
Псевдокоординаты исследуемого состава
Вершины Древесные Цемент Вода
симплекса частицы
%
1 80 10 10
2 10 80 10
3 10 10 80
Имеются исследования [2], в которых приведены данные о влиянии размеров частиц на свойства плит, однако это относится к древесным частицам, полученным на стружечных станках типа ДС-6.
Цель настоящих исследований - изучить физико-механические свойства древесно-цементной композиции из прямоугольной (вафельной) стружки в зависимости от соотношения древесина/цемент/вода.
Для эксперимента использовали воздушно-сухую сосновую стружку, имеющую следующие средние размеры, мм: толщина - 0,1, длина -25,0...31,0, ширина - 25,0...35,0. По массе стружка этих размеров составляла до 95 %, остальное - более мелкие частицы.
Целесообразно исследовать состав из трех компонентов: вафельная стружка, цемент и вода. Для нейтрализации вредного воздействия водорастворимых веществ использовали традиционный минерализатор, добавку которого рассчитывали в процентах от массы цемента (портландцемент М400).
При изучении свойств смеси, зависящих только от соотношения компонентов, факторное пространство представляет собой правильный трехмерный симплекс. Изучаемые свойства являются непрерывной функцией аргументов и могут быть с достаточной точностью представлены полиномом. Так как нас интересовала не вся область возможных значений состава, использовали ту ее часть, которая ограничена псевдокординатами, приведенными в табл. 1. В данной области состава компонентов можно получить древесно-цементную композицию с минимальной (позволяющей сохранять целостность образцов) прочностью (не менее 0,5 МПа). При увеличении доли какого-либо компонента в композиции образцы перестают сохранять целостность в процессе испытаний.
В табл. 2 приведена матрица планирования исходных компонентов в нормализованном, процентном и весовом соотношениях.
Из рассматриваемой смеси компонентов формовали балочки размером 4 х 4 х 16 см, которые твердели в течении 14 сут. при комнатных условиях, после чего определяли их прочность на изгиб, плотность, водопогло-щение за 24 ч вымачивания в воде и влажность.
Эксперимент был обработан по методике [1]. Результаты эксперимента представлены на рисунке.
Рассмотрим, как изменяется прочность в зависимости от соотношения компонентов. Из анализа приведенной на рисунке а диаграммы видно, что содержание воды в формовочной смеси существенно влияет на прочность получаемого материала. Соотношение масс воды и цемента для
Таблица 2
Матрица планирования для исходных компонентов
Нормализованные значения факторов Содержание компонентов
% г
Древесные частицы Цемент Вода Древесные частицы Цемент Вода Древесные частицы Цемент Вода
0,33 0 0,67 30,00 10,00 60,00 68 23 138
0,67 0 0,33 60,00 10,00 30,00 138 23 68
1,00 0 0 80,00 10,00 10,00 184 23 23
0,67 0,33 0 60,00 30,00 10,00 138 68 23
0 0,67 0,33 10,00 60,00 30,00 23 138 68
0 1,00 0 10,00 80,00 10,00 23 184 23
0,33 0,33 0,33 33,33 33,33 33,33 76 76 76
0,33 0,67 0 30,00 60,00 10,00 68 138 23
0 0 1,00 10,00 10,00 80,00 23 23 184
производства бетонных изделий характеризуется водоцементным соотношением и колеблется в пределах 0,3...0,6. В зависимости от его величины бетонная смесь может быть жесткой, пластичной и литой. Однако в древес-но-цементной композиции указанного различия в консистенции не наблюдается из-за малой плотности древесного заполнителя. Тем не менее, при подборе состава смеси для изготовления этой композиции необходимо
стремиться к оптимальному количеству воды в древесном заполнителе: лишняя вода снижает прочность изделий.
Необходимое содержание воды в формовочной смеси зависит как от фракционного состава заполнителя, так и от продолжительности его выдерживания на воздухе. С течением времени древесина приобретает некоторую гидрофобность из-за сшивки части гемицеллюлоз, что снижает ее водопо-глощение. Водопоглощение оказывает заметное влияние на прочность дре-весно-цементной композиции, так как чем оно ниже, тем меньше требуется минерализатора для создания концентрированных растворов на поверхности заполнителя.
Важным показателем является также содержание экстрактивных веществ в жидкой фазе вяжущего. Темпы их выделения зависят от крупности частиц заполнителя и концентрации минерализатора на его поверхности.
Древесные частицы выступают в роли пассивного заполнителя, с возрастанием их количества в смеси прочность образцов при испытании на изгиб падает (рисунок а). Соотношение масс воды и цемента имеет ярко выраженный оптимум (0,4.0,6 единиц в нормализованных значениях), при котором наблюдается максимальная прочность получаемого материала. В нашем случае водоцементное соотношение соответствует 0,5.
Установлено, что наибольшей прочности соответствует довольно узкий диапазон соотношений компонентов древесно-цементной композиции, при котором она имеет оптимальную структуру. Это соответствует положениям теории И.А. Рыбьева для материалов с конгломератным типом структуры.
Контурная поверхность отклика для прочности (а), плотности (б), влажности (в) и водопоглощения (г)
Как видно из рисунка б, плотность связана с прочностью древесно-цементной композиции. Некоторое несоответствие изолиний плотности объясняется нехваткой воды для формирования необходимой структуры материала (средняя область диаграммы). Локальный оптимум на грани «Цемент 0,0» имеет смещение в сторону древесины относительно оптимума на грани «Древесина 0,0», что объясняется разной поверхностью частиц древесного заполнителя.
Распределение влажности получаемой древесно-цементной композиции имеет вспомогательный характер для информации о прочности получаемого композита. Повышение влажности в сторону увеличения содержания древесины и уменьшения содержания цемента характеризуется меньшим связыванием влаги твердеющим цементом (рисунок в).
Стягивание изолиний на грань «Цемент 0,0» объясняется уменьшением содержания цемента, а снижение связывания влаги - твердеющим цементом и малой плотностью (см. рисунок б), что соответствует увеличенной пористости материала и, следовательно, более интенсивному высушиванию смеси.
Как видно из рисунка г, водопоглощение связано с плотностью образцов: менее плотная структура характеризуется большей незащищенностью древесно-цементных материалов.
Таким образом, при использовании тонкой прямоугольной стружки цементно-древесное соотношение увеличивается примерно до 5, при использовании игольчатой стружки (после станка типа ДС-6) оно составляет около 3 [4], а водоцементное соотношение - примерно до 0,5 и 0,3 соответственно [4]. Это объясняется большей удельной поверхностью плоской прямоугольной стружки по сравнению с игольчатой (14,3 против 7,1 см2/г).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дюк, В. Обработка данных на ПК в примерах [Текст] / В. Дюк. - СПб.: Питер, 1997. - 240 с.
2. Лапшин, Ю.Г. Рациональные размеры древесных частиц в производстве древесностружечных плит (обзорн. информ.) [Текст] / Ю.Г. Лапшин, О.Е. Поташев,
A.М. Шапиро. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1979. - 21 с.
3. Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции [Текст] / И.Х. Наназашвили. - Л.: Строцйиздат, 1990. - 415 с.
4. Хрулев, В.М. Цементно-стружечные плиты в строительстве [Текст] / В.М. Хрулев, М.Г. Мальцев, Р.Ш. Хасанов. - Уфа: УГНТУ, 2001. - 96 с.
Поступила 07.09.07
B.D. Rudenko
Siberian State University of Technology
Characteristics of Wood-cement Composite when Using Square Chips
It is established that the use of light square chips results in the increase of cement-wood and water-cement correlations up to 5 and 0,5, whereas when using needle chips (after chipping machine of DS-6 type) - up to 3 and 0,3 accordingly.
Keywords: composition, characteristics, strength, water absorption, humidity, density, cement, water, chip.
