CC BY
27
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
УДК 674.2:624.011.15
ВЛИЯНИЕ ЦЕМЕНТНО-ДРЕВЕСНОГО ОТНОШЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНО-ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТОВ
Б.Д. Руденко
ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»
660049 Красноярск, пр. Мира, 82; е-mail: rudenko@orionnet.ru
Для проведения эксперимента использовалась игольчатая стружка из древесины сосны, влажностью 30 -40 %, полученная от станка ДС -6 и используемая в наружных слоях древесно-стружечных плит. Древесина с о-сны была заготовлена в Манском районе в летнее время, возраст заготовленной древесины не более 60 - 80 лет. Срок хранения стружки в помещении не превышал 3 дней. В качестве вяжущего взят портландцемент марки 400 по ГОСТ 10178-85. Для определения физико-механических показателей формовались балочки, размером 4^4^16 см. Определение прочности на изгиб производилось по ГОСТ 310.4-81 после 14 суток твердения цементнодревесного материала в комнатных условиях, определялись так же влажность, плотность и водопоглощение. В качестве минерализатора применяли традиционный состав, в % -х к массе цемента.
Для изучения свойств цементно -древесной смеси, зависящих только от соотношения компонентов, испол ь-зован симплекс-решетчатый план эксперимента.
При создании цементно-древесного композиционных материалов следует руководствоваться принципами: правильно определенный состав композита обладает оптимальной структурой; с повышением количества вяж у-щего вещества в композите оптимальной структуры уменьшается фазовое отношение с/ф (среда/фаза); расход вяжущего снижается при получении плотных смесей заполнителя; оптимальные состав и структура композита существенно зависят от технологических параметров.
Что касается рассмотренной структуры композита, оптимальное их соотношение составляет от 2:1:1 до 3:1:1,5, при которых получается наибольшая прочность материала.
Ключевые слова: цемент, стружка, свойства, цементно-древесное отношение, цементно-древесный композит
For carrying out of experiment the shaving from wood of the pine, by the natural humidity, received from machine tool DS-6 and used in external layers of wood-shaving plates was used. As knitting it is taken cement marks 400 in a c-cordance with GOST 10178-85. For definition of physicomechanical parameters were formed балочки, the size 4x4x16 see. Definition of durability on a bend was made in accordance with GOST 310.4 -81 after 14 day solid a wood-cement material in room conditions, humidity, density and water absorption were definedalso. In quality mineral applied tra di-tional structure, in %-х to weight of cement.
For studying properties of the Wood-cement mix dependent only from a parity of components, the simplex - trellised plan of experiment is used.
At creation cement-wood composite materials it is necessary to be guided by principles: correctly certain structure of a composite has optimum structure; with increase of quantityof knitting substance in a composite of optimum structure the phase attitude (environment / phase) decreases; the charge knitting is reduced at reception of dense mixes of a filler; optimum structure and structure of a composite essentially depend on technological param eters.
As to the considered structure of a composite, their optimum parity makes from 2:1:1 till 3:1:1,5 at which the grea test durability of a material turns out.
Key words: cement, a shaving, properties, the cement-wood attitude, a cement-wood composite
ВВЕДЕНИЕ
Задача подбора состава многокомпонентного материала, к которым относятся цементно-
древесные материалы вообще и ц ементно-стружечные плиты в частности, заключается в том, чтобы назначить оптимальное количественное с о-отношение материалов для приготовления смеси, обеспечивающей после соответствующих технологических операций получение наиболее экономичного материала с комплексом необходимых свойств. При подборе состава цементно-древесных материалов основным требованием к их свойствам является максимальная прочность при минимал ь-ной плотности.
Структурными элементами цементно -древесных материалов являются вяжущая часть, заполняющая (древесные частицы) и поровая часть. Что касается поровой части, то она зависит в ос-
новном от используемых компонентов.
Главное влияние на формирование структуры цементно-древесного материала оказывает соотн о-шение вяжущей и заполняющей части, т. е. цементно-древесное отношение. Содержание вводимой воды будет определяться характеристиками древе с-ных частиц и количеством вяжущего.
Согласно Наназашвили (1990) при увеличении В/Ц от 0,5 до 0,9 плотность образцов уменьшается незначительно, а предел прочности при изгибе существенно снижается. Если отношение В/Д увеличить с 1,8 до 2,2, Ц/Д, соответственно с 2 до 4, то при перемешивании образуются комки, что прив о-дит к неудовлетворительному формованию ковра по плотности. Изменение Ц/Д в пределах от 1,5 до 5 существенно влияет на реологические свойства смеси, качество формования ковра и прочн остные показатели материала.
Поэтому, требуется рассмотреть, как изменяе т-
ся прочность и плотность цементно -древесного материала в зависимости от соотношения компоне н-тов, главным из которых является цементнодревесное отношение. Вспомогательной информацией о формировании структуры рассматриваем ого композита является его влажность и водопоглощ е-ние, поэтому интересно сопоставить данные хара к-теристики с прочностью и плотностью.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧА СТЬ
Для проведения эксперимента использовалась игольчатая стружка из древесины сосны, влажн остью 30 - 40 %, полученная от станка ДС-6 и используемая в наружных слоях древесно -стружечных плит. Древесина сосны была заготовлена в Манском районе в летнее время, возраст з а-готовленной древесины не более 60 - 80 лет. Срок хранения стружки в помещении не пр евышал 3 дней. В качестве вяжущего взят пор тландцемент марки 400 по ГОСТ 10178-85. Для определения физико-механических показателей формовались балочки, размером 4x4x16 см. Определение прочности на изгиб производилось по ГОСТ 310.4-81 после 14 суток твердения цементно -древесного материала в комнатных условиях, определялись также влажность, плотность и водопоглощение. В качес т-ве минерализатора применяли традиционный с остав, в %-х к массе цемента.
Для изучения свойств цементно -древесной сме-
си, зависящих только от соотношения ко мпонентов, использован симплекс-решетчатый план эксперимента по методике (Дюк, 1997) За новые вершина диаграммы состав-свойства взяты координаты компонентов, изложенные в таблице 1.
Как видим из таблицы 2, Ц/Д исследуется в ди а-пазоне от 1:1 до 8:1, т.е. перекрыт диапазон варьирования, рассматриваемый. Такой диапазон выбран для того, чтобы рассмотреть также и область соотношений компонентов, используемых для изоляционных древесно-цементных материалов.
Таблица 1 - Псевдокоординаты исследуемых
компонентов
Вершины симплекса Древесные частицы, % Цемент, % Вода, %
1 80 10 10
2 10 80 10
3 10 10 80
Уровни варьирования и матрица планирования рассматриваемых факторов представлены в табл и-це 2
В результате проведенных экспериментов получены уравнения регрессии, адекватно опис ы-вающие исследуемую область. Для удобства пол ь-зования и наглядности, полученных данных результаты эксперимента представлены графическими иллюстрациями.
На рисунке 1 представлены значения поверхн ости отклика прочности на изгиб.
Таблица 2 - Уровни варьирования и матрица планирования факторов_____________________________________________
тт , Процентное содержание „
Нормализованные значения факторов Весовое содержание компонентов, г
компонентов
Др. част Цемент Вода Др. част Цемент Вода Др. част Цемент Вода
0,33 0 0,67 30 10 60 68 23 138
0,67 0 0,33 60 10 30 138 23 68
1 0 0 80 10 10 184 23 23
0,67 0,33 0 60 30 10 138 68 23
0 0,67 0,33 10 60 30 23 138 68
0 1 0 10 80 10 23 184 23
0,33 0,33 0,33 33,33 33,33 33,33 76 76 76
0,33 0,67 0 30 60 10 68 138 23
0 0 1 10 10 80 23 23 184
Поверхность отклика для прочности
Древесина=1,0
Рисунок 1 - Поверхность отклика для исследуемых факторов цемент-древесина-вода
Как видно из представленных данных, имеется
область для исследуемых факторов, которым соо т-ветствует наибольшая прочность. Эта область см е-щена в сторону компонентов древесины и цемента. Характер изменения прочности соответствует изменениям свойств материалов с кон гломератным типом структур.
На рисунке 2 представлена контурная повер х-ность отклика для прочности в зависимости от с о-отношения компонентов цемент-древесина-вода. Контурное изображение поверхности отклика п о-зволяет оценить значение прочности для выбранн ого изменения соотношения компоне нтов.
Нарастание прочности смещено от наибольш его количества воды в смеси к компонентам ц е-мент-древесина. В середине рассматриваемого диапазона наблюдается уменьшение прочности, что соответствует неоптимальным соотношениям компонентов.
На рисунке 3 приведены влияния каждого из
компонентов (цемент-древесина-вода) на прочность получаемого компонента.
Контурная поверхность отклика для прочности
Древесина=1,0
Цемекг=1,0 Древесина=0,0 Вода=1,0
Прочность. МПа
----0.1 --- 0.38 ^0.86^*1.34 1.82
-- 0.14 —0.62 ^*1.1 .. 1.58 2.06
Рисунок 2 - Контурная поверхность отклика для прочности
Зависимость прочности от компонентов
Reference Blend: 0,333333 0.333333 0,333333
0 0,2 0,4 0,6 0.8 1
Псевдокомпоненты
Компоненты — Древесина Цемент .. Вода
Рисунок 3 - Зависимость прочности от влияния рассматриваемых компонентов
При увеличении в смеси как древесины, так и цемента и соответственно воды после срединного их значения наблюдается увеличение прочности, что объясняется формированием оптимальной, плотной структуры композита. Влияние воды имеет минимум в середине исследуемого диапазона. Это объясняется тем, что оптимал ьное водоцементное отношение (соотношение воды и цемента, когда формируется наибольшая прочность связей в кон г-ломерате) зависит от величины поверхности др е-весного заполнителя. Т.е. при увеличении содер жа-нии древесных частиц в смеси их суммарная п о-верхность возрастает, потребление воды этой п о-верхностью имеет явно выраженный максимум, который соответствует срединному содержанию древесного заполнителя в смеси. Поэтому и набл ю-дается снижение прочности конг ломерата в этой области. Что касается увеличенного влияния содержания цемента на прочность, по сравнению с
содержанием древесных частиц, это объясняется лучшей упаковкой элементов композита, и, след о-вательно, большей прочности.
На рисунке 4 представлены значения полученной в результате эксперимента прочности и пре д-сказанные ее значения по модели.
Рисунок 4 - Разностный график для прочн ости
Можно видеть, что наибольшая разность м ежду модельными и экспериментальными велич инами составляет 0,013, что соответствует 0,56 % от абсолютной величины значения прочности. Такое экспериментальное значение позволяет дост оверно оценить полученные данные.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При создании цементно-стружечных плит, а также арболитов и деревобетонов следует руков о-дствоваться принципами: правильно определенный состав композита обладает оптимальной структ у-рой; с повышением количества вяжущего вещества в композите оптимальной структуры уменьшается фазовое отношение с/ф (среда/фаза); расход вяжущего снижается при получении плотны х смесей заполнителя; оптимальные состав и структура ко м-позита существенно зависят от технологических параметров.
Что касается рассмотренной структуры ц е-ментно-древесного композита, оптимальное их соотношение Ц:Д:В составляет от 2:1:1 до 3:1:1,5, при которых получается наибольшая прочность материала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Дюк, В. Обработка данных на ПК в примерах [Текст] / В. Дюк. - СПб.: Питер, 1997. -240 с.
Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древе сноцементной композиции [Текст] / И.Х. Наназашвили. -Л.: Стройиздат, 1990. -415 с.
Dyuk, Century Data processing on the personal co mputer in examples [Text] / V. Dyuk. - CPb.: Peter, 1997. - 240 pp. Nanazachvili, I.KH. Building materials from wood-cement compositions [Text] / I.K. Nanazashvili. - L.: Stroyizdat, 1990.-415 pp.
Поступила в редакцию 25 января 2008 г. Принята к печати 27 августа 2008 г..
