ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ

 

Руденко Б.Д., Плотников С.М. (СибГТУ, г.Красноярск, РФ)

 

Wood of a larch contains significant amounts water-soluble extraction the substances negatively affecting on твердении of cement. The best result on durability turns out at use additive following structure: glycerin from 2 up to 4 % to weight of cement, Chloride calcium from 7 up to 8,5 % to weight of cement.

 

Присутствие в значительном количестве водорастворимых веществ в древесине лиственницы приводит к проблеме их нейтрализации. Если действие сахарозы на цемент отождествить с действием экстрактивных веществ древесины, а к такому выводу приводят результаты исследований А.С. Щербакова [1], то бесполезно применять в качестве минерализатора хлористый кальций в количестве 2 % к массе цемента при вероятности выхода в раствор сахаров свыше 0,15 % к массе цемента. Цементно-древесная композиция с таким содержанием углеводов не будет набирать прочность в первые 7 – 109 суток, а в дальнейшем из-за потери влаги во время воздушной выдержки его прочность не достигнет нормируемых величин [2].

Но и повышение дозировки СаСl₂ в массе также не всегда приводит к нужному результату, так как на конечную прочность изделий оказывает влияние и водорастворимые вещества, и другие факторы, например, скорость их выхода в раствор. С повышением дозировки СаСl₂ присутствие органических веществ не только не вредит, но напротив благоприятно сказывается на схватывании и твердении цементного теста. Это наблюдение приводит к парадоксальному на первый взгляд выводу: в производство цементно-древесных материалов следует не столько заботится о полной изоляции экстрактивных веществ, сколько о нужном их количественном выходе из заполнителя в раствор в первые минуты минерализации (до смешивания заполнителя с вяжущим). В отдельных случаях целесообразно вводить органические вещества в воду затворения, если выход их в раствор недостаточен, особенно при повышении расходов СаСl2 до от 4 до 9 % к массе цемента [2].

С целью выяснения оптимальной дозировки минерализатора на основе органических веществ рассмотрено изменение прочности цементностружечных плит в зависимости от вводимых добавок.

Заполнителем в цементостружечных плитах служила стружка древесины сибирской лиственницы, полученной от станков ДС-6 цеха древесностружечных плит ООО «Красноярский ДОК». В качестве исходного сырья использовалась дровяная древесина и отходы лесопильного производства. Фракционный состав древесной стружки указан в таблице 1.

Для приготовления цементностружечной смеси применялся водный раствор хлористого кальция и глицерина. Хлористый кальций по ГОСТ 450-97 сорт 2, глицерин синтетический ТУ 6-01-50-70 сорт 2.

 

Таблица 1 – Фракционный состав стружечной смеси

 

Матрица планирования и результат ее реализации  приведены в таблице 2. Плиты прессовались плотностью 1250 кг/м³, с отношением цемента к древесине Ц/Д = 3:1 и водоцементным отношением В/Ц = 0,5.

Диапазон вводимых добавок был ограничен для хлористого кальция от 4 до 10 %, глицерина от 1 до 4 % к массе цемента [3].

Образцы плит размером 10 ´ 50 ´ 250 мм  испытывались по ГОСТ 10635-88 для определения предела прочности при изгибе. Результаты эксперимента обрабатывались по методике [4,5].

С увеличением дозировки СаСl₂ до 7 % к массе цемента прочность плит  при изгибе интенсивно возрастает (рисунок 1, 2). Причем при малых добавках глицерина (1 % к массе цемента), наблюдается более интенсивный рост прочности, достигающий для прочности при изгибе 7,5 МПа. Дальнейшее увеличение в смеси хлористого кальция (от 7 до 8,5 к массе цемента) приводит к незначительному росту прочности, увеличение свыше 8,5 % к массе цемента приводит к падению прочности при любом содержании глицерина в исследуемом диапазоне. При содержании глицерина 4% к массе цемента в смеси интенсивность роста прочности плит снижается, так же, как и падение прочности, не во всем диапазоне введения хлористого кальция величина прочности плит несколько большая, по сравнению с минимальным содержанием глицерина в смеси. Наилучший результат наблюдается при содержании глицерина в количестве 3 % к массе цемента.

 

Таблица 2 – Матрица планирования и результаты эксперимента

В нормализованном масштабе		В натуральном масштабе, % к массе цемента вводимых веществ		sизг, МПа
СаСl2	С3Н8О3	СаСl2	С3Н8О3	У1
X1	X2	X1	X2
+	+	10	5	7,1
-	+	4	5	2,1
+	-	10	1	6,8
-	-	4	1	1,9
+	0	10	3	8,1
-	0	4	3	5,3
0	+	7	5	7,4
0	-	7	1	4,2
0	0	7	3	9,20

Рисунок 1 – Поверхность отклика для прочности при изгибе цементостружечных плит

Рисунок 2 – График главного эффекта для прочности при изгибе цементностружечных плит

Изменение содержания в смеси глицерина приводит к изменению прочности плит (рисунок 2), хотя интенсивность этого изменения прочности чуть меньшая, по сравнению с действием хлористого кальция. На всех рисунках наблюдается хорошо выраженный оптимум, соответствующий  от 2 до 4 % глицерина к массе цемента и от 7 до 8,5 % хлористого кальция к массе цемента. Такому содержанию добавки соответствует значение прочности при изгибе от 9,0 до 9,5 МПа.

 

Рисунок 3 – Величина отклонений эффектов от нормального распределения вероятностей (величина влияния каждого из факторов)

 

На рисунке 3 показаны величины отклонений рассматриваемых факторов от нормального распределения получаемой вероятности – прочности плит при изгибе. Наибольшее влияние на рассматриваемый процесс формирования прочности цементностружечных плит из древесины лиственницы оказывает изменение содержания хлористого кальция, остальные факторы (содержание глицерина, квадраты факторов и их взаимодействия) оказывают примерно равное влияние.

Древесина лиственницы содержит значительные количества водорастворимых экстрактивных веществ, отрицательно сказывающихся на твердении цемента. Существующие способы (например для древесины ели, сосны) устранения их влияния на твердеющий цемент, не приемлемы для цементно-стружечных плит на основе древесины лиственницы.

Водорастворимые экстрактивные вещества значительно снижают величину адгезии древесины лиственницы к цементу. Для ослабления их вредного действия необходимо создать условия, при которых структурообразующие процессы при твердении цементно-древесных материалов преобладали бы над деструктивными.

Предположительно: эффект замедляющего действия СаСl₂ в присутствии углеводов связаны с образованием пленки из субмикрокристаллических гидросульфоалюминатов кальция на поверхности исходных зерен алюминатных составляющих портландцемента, что замедляет их гидратацию, вследствие чего жидкая фаза длительное время (до связывания всех углеводов возникающими новообразованиями) не достигает необходимых пересыщений по Са²⁺ и Аl³⁺[2].

При минерализации древесного заполнителя, содержащего повышенные количества водорастворимых веществ, расход хлористого кальция должен быть увеличен пропорционально ожидаемому выходу органических веществ в раствор.

При повышенных расходах СаСl₂ в цементно-стружечную смесь вместе с водой затворения необходимо добавлять органические вещества, в частности глицерин, в целях предупреждения формирования защитных пленок из мелкокристаллических гидросульфоалюминатов кальция вокруг зерен алюминатных составляющих портландцемента. Добавление глицерина в присутствии повышенных количеств СаСl₂ (от 7 до 8,5 % к массе цемента) увеличивает адгезию цементного клея к древесине лиственницы [2], что позволяет получить цементно-стружечные плиты на основе древесины лиственницы, удовлетворяющие требованиям применения их в строительстве.

Применение математического метода планирования эксперимента привело к определению оптимального значения расходов хлористого кальция и глицерина. Получены уравнения, связывающие прочность плит при изгибе с составом и количеством комплексного минерализатора.

Наибольшая прочность цементностружечных плит из древесины лиственницы зафиксирована на уровне 9,2 МПа, при рассмотренных условиях их изготовления, для этого требуется использование минерализатора следующего состава:

глицерина от 2 до 4 % к массе цемента,

хлористого кальция от 7 до 8,5 % к массе цемента.

 

Литература

1.    Щербаков, А.С. Арболит. Повышение качества и долговечности [Текст] / А.С.Щербаков, Л.П.Хорошун, В.С.Подчуфаров. – М.: Лесная промышленность, 1979. – 160 с.

2.    Стрижнев, В.П.Разработка технологии изготовления и исследование свойств арболита из древесины лиственницы [Текст] : дис. … канд.техн. наук.:05.21.05: защищена 15.04.80 / В.П.Стрижнев. – Красноярск, 1980. – 160 с.

3.    Руденко, Б.Д. Исследование процесса и раработка технологии цементностружечных плит из древесины лиственницы [Текст] : дис. … канд.техн. наук.:05.21.05: защищена 15.09.80 / Б.Д.Руденко. – Красноярск, 1980. – 141 с.

4.    Дюк, В. Обработка данных на ПК в примерах [Текст] / ВюДюк.-  СПб: Питер, 1997. – 207 с.

5.  Пен, Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства [Текст] / Р.З.Пен. -  Красноярск.: Изд-во КГУ, 1982. – 192 с.