ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА, ЗАТВОРЕННОГО ЭКСТРАКТАМИ ХВОЙНЫХ ПОРОД
INFLUENCE OF ADDITIVES ON STRENGTH OF CEMENT MORTAR, SHUT BY EXTRACTS OF CONIFEROUS BREEDS
Прокопьева Д.П., Руденко Б.Д. (СибГТУ, г.Красноярск, РФ)
Prokopyeva D., Rudenko B. (The Siberian state technological university)
Уменьшение pH воды затворения цементного раствора приводит к уменьшению прочности образцов на сжатие. Добавки по-разному влияют на прочность.
pH reduction of mixing water slurry reduces the strength of the samples in compression. Additives differently influence strength.
Ключевые слова: экстракт древесины, pH, прочность, добавки.
Key words: extract timber, pH, strength, additives.
Для изготовления цементно-древесных композиционных материалов используются различные породы древесины. Наиболее пригодными для их изготовления являются хвойные породы, за исключением лиственницы, менее пригодными считаются лиственные породы. На первом месте по пригодности для производства ЦДК стоит ель, на последнем – лиственница [1]. При этом водные экстракты различных пород имеют неодинаковый уровень кислотности. Как известно, уровень рН является важным показателем гидратации цемента. Древесина различных пород имеет неодинаковый химический состав и кислотность [2] (таблица 1). рН воды при контакте с древесиной разных пород зависит от наличия в ней водорвстворимых веществ. К экстрактивным веществам, растворимым в воде относятся дубители, водные вытяжки которых носят кислый характер (рН=3–5); водорастворимые полисахариды; растворимая часть золы, крахмал, пектины, некотрые гемицеллюлозы, красящие вещества; низкомолекулярные углеводороды [3].
Таблица 1 – Значение рН древесины некоторых пород
|
Порода древесины |
В.Зандерман, М. Роткамм |
Е. Кеер, |
В.С. Мурзин |
Данные авторов |
|
Лиственница |
4,3 |
4,7-5 |
- |
4,2 |
|
Сосна |
5,1 |
4,7-5,2 |
4,9-5,2 |
5,2 |
|
Ель |
5,3 |
5,3 |
5,6 |
5,6 |
Как известно из курса общей химии, при взаимодействии кислот со щелочами происходит реакция нейтролизациии. Гидролиз и гидратация цемента могут происходить в среде, имеющей рН=11 – 12. Снижение величины рН влечет за собой снижение и скорости гидратации цемента, а следовательно, замедляет схватывание и твердение [4]. В результате реакции часть гидроксидов, которые участвуют в структурообразовании кристаллического каркаса цемента, расходуется на нейтрализацию кислот, выделяемых древесными частицами в раствор, прочность цементного камня и композита в целом снижается. Это предположение было подтверждено экспериментально. В ходе эксперимента были изготовлены опытные образцы из портландцемента марки М400 ДО ГОСТ 31108-2003, в качестве заполнителя использовали песок строительный ГОСТ 8736-93 в соотношении Ц/П = 1/3. В качестве воды затворения были использованы водные экстракты лиственницы, сосны и ели, кислотность которых указана в таблице 1, для подтверждения влияния кислотности воды затворения были использованы растворы органической (лимонной) и неорганической (серной) кислот с различными показателями рН. Для изготовления контрольных образцов была использована дистиллированная вода с показателем рН=7.
Эксперименты проводились в лабораторных условиях. Проведены три параллельных серии опытов, на графике 1 приведены средние значения. Образцы были разбиты на девять групп в зависимости от показателя рН и вида воды затворения. В смесь из песка и портландцемента добавляли воду затворения соответствующей кислотности и вида кислоты. После смешивания компонентов в формах были изготовлены образцы, которые выдерживались при нормальных условиях в течение 28 суток. Испытания на прочность проводились на машине M 5. Нагружение образца производилось непрерывно с постоянной скоростью. Полученные данные были обработаны в программе Microsoft Office Excel 2007, согласно методике, описанной А.А. Пижуриным и М.С. Розенблитом [5]. Результаты эксперимента приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Зависимость прочности на сжатие цементного раствора от уровня кислотности воды затворения и вида кислоты
На рисунке 1 видно, что кислотность воды затворения в 1,5 – 2 раза снижает прочность образцов. Влияние вида кислоты тем меньше, чем меньше рН раствора. Наименьшее действие оказывают водные экстракты древесины (за исключением лиственницы). Так же из графической зависимости видно, что наименьшая прочность образцов наблюдается при наименьших показателях рН. Это связано с тем, что на реакцию нейтрализации расходуются вещества, которые участвуют в структурообразовании цементного камня, нарушая его структуру и ослабляя связи, возникающие в ходе реакции гидратации цемента.
Нулевая прочность образцов, затворенных экстрактом лиственницы, связана с химическим составом ее экстрактивных веществ. Основным компонентом водорастворимых веществ является арабиногалактан. Он относится к природным полисахаридам, которые замедляют, и могут даже исключить схватывание цемента.
Для снижения влияния кислой среды воды затворения был осуществлен план эксперимента, целью которого являлось изучение зависимости прочности на сжатие образцов цементного раствора от добавки.
В качестве добавок использовали кальций азотнокислый и гидрокарбонат натрия. Обе добавки вводились в воду затворения в соотношении 5 % от массы портландцемента. Эксперименты проводились согласно методике, описанной выше (для образцов без добавок). Результаты представлены на рисунке 2 и 3.
Рисунок 2 – Прочность на сжатие цементного раствора с добавкой гидрокарбоната натрия
Гидрокарбонат натрия используется в качестве воздухововлекающей добавки для бетонов. При взаимодействии гидрокрбоната натрия с кислотами образуются соли и угольная кислота, которая распадается на углекислый газ и воду. По-видимому, образовавшиеся в ходе реакции соли, а также поры, повлекли за собой снижение прочности образцов. Прочность напрямую зависит от рН, чем ниже кислотность, тем заметнее разность прочности при различных видах кислот. Причем при взаимодействии с экстрактами древесины получены наименьшие результаты во всех случаях. Снижение прочности контрольных образцов вызвано образованием пор.
Кальций азотнокислый используют в качестве ускорителя твердения бетонной смеси. Величины прочности при применении этой добавки сравнимы с показателями, полученными при проведении эксперимента без добавок. Однако при рН=4,2 показания заметно отличаются. Скачок прочности при использовании экстракта лиственницы в качестве воды затворения является предметом для отдельного изучения.
Рисунок 3 – Прочность на сжатие цементного раствора с добавкой кальция азотнокислого
Выводы:
- рН воды затворения и прочность полученного бетона находятся в прямой зависимости;
- каждый вид водного экстракта древесины влияет на свойства бетона;
- снижение прочности образцов при применении в качестве добавки гидрокарбоната натрия исключает его использование в цементно-древесных композитах;
- использование азотнокислого кальция в качестве добавки, снижающей действие кислой среды древесных экстрактов, нецелесообразно, потому что изменения прочности незначительные;
- влияние азотнокислого кальция на прочность образцов, затворенных экстрактом лиственницы, требует дополнительного изучения.
Список использованных источников
1 Бухаркин, В.И. Использование древесных отходов для производства арболита (опыт работы предприятий) [Текст] / В. И. Бухаркин, С.Г. Свиридов, П. Н. Умняков, Е. М. Саргина. – М.: Лесная промышленность, 1975. – 192 с.
2 Мурзин, В. С. Некоторые особенности технологии производства древесностружечных плит из древесины разных пород: автореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук [Текст] / В. С. Мурзин. – Воронеж, 1968. – 21 с.
3 Рязанова, Т. В. Химия древесины, Ч.1 Строение и свойства древесины. Экстрактивные вещества: учебное пособие для студентов вузов [Текст] / Т. В. Рязанова, Н. А. Чупрова, Е. В. Исаева. – Красноярск: СибГТУ, 2011. – 160 с.
4 Щербаков, А. С. Арболит. Повышение качества и долговечности [Текст] / А. С. Щербаков, Л. П. Хорошун, В. С. Подчуфаров. – М.: Лесная промышленность, 1979. – 160 с.
5 Пижурин, А. А. Исследования процессов деревообработки [Текст] / А. А. Пижурин, М. С. Розенблит. – М.: Лесная промышленность , 1984. – 232 с.