Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

Задача подбора состава многокомпонентного материала, к которым относятся  цементно-древесные материалы вообще и цементно-стружечные плиты в частности, заключается в том, чтобы назначить оптимальное количественное соотношение 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 минимальной плотности.
Структурными элементами цементно-древесных материалов являются вяжущая часть, заполняющая (древесные частицы) и поровая часть. Что касается поровой части, то она зависит в основном от используемых компонентов.
Главное влияние на формирование структуры цементно-древесного материала оказывает соотношение вяжущей и заполняющей части, т.е. цементно-древесное отношение. Содержание вводимой воды будет определяться характеристиками древесных 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 приводит 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 прочностные показатели материала.
Поэтому, требуется рассмотреть, как изменяется прочность и плотность цементно-древесного материала в зависимости от соотношения компонентов, главным из которых является цементно-древесное отношение. Вспомогательной информацией о формировании структуры рассматриваемого композита  является его влажность и водопоглощение, поэтому интересно сопоставить данные характеристики с прочностью и плотностью.

Экспериментальная часть

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 сосны 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 цементно-древесного материала в комнатных условиях, определялись также 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, 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 диапазоне 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 таблице 2
В результате проведенных экспериментов получены уравнения регрессии, адекватно описывающие исследуемую область. Для удобства пользования и наглядности, полученных данных результаты эксперимента представлены графическими иллюстрациями.
На рисунке 1 представлены значения поверхности отклика прочности на изгиб.

Таблица 2 – Уровни варьирования и матрица планирования факторов

Нормализованные значения факторов			Процентное содержание компонентов			Весовое содержание компонентов, г
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

Рисунок 1 – Поверхность отклика для исследуемых факторов цемент-древесина-вода

Как видно из представленных данных, имеется область для исследуемых факторов, которым соответствует наибольшая прочность. Эта область смещена в сторону компонентов древесины и цемента. Характер изменения прочности соответствует изменениям  свойств материалов с конгломератным типом структур.
На рисунке 2 представлена контурная поверхность отклика для прочности в зависимости от соотношения компонентов цемент-древесина-вода. Контурное изображение поверхности отклика позволяет оценить значение прочности для выбранного изменения соотношения компонентов.
Нарастание прочности смещено от наибольшего количества воды в смеси к компонентам цемент-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.

Рисунок 2 – Контурная поверхность отклика для прочности

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 оптимальное водоцементное отношение (соотношение воды и цемента, когда формируется наибольшая прочность связей в конгломерате) зависит от величины поверхности древесного заполнителя. Т.е. при увеличении содержании древесных частиц в смеси их суммарная поверхность возрастает, потребление воды этой поверхностью имеет явно выраженный максимум, который соответствует срединному содержанию древесного заполнителя в смеси. Поэтому и наблюдается снижение прочности конгломерата в этой области. Что касается увеличенного влияния содержания цемента на прочность, по сравнению с

содержанием древесных частиц, это объясняется лучшей упаковкой элементов композита, и, следовательно, большей прочности.   
На рисунке 4 представлены значения полученной в результате эксперимента прочности и предсказанные ее значения по модели.

Рисунок 4 – Разностный график для прочности

Можно видеть, что наибольшая разность между модельными и экспериментальными величинами составляет 0,013, что соответствует 0,56 % от абсолютной величины значения прочности. Такое экспериментальное значение позволяет достоверно оценить полученные данные.

Заключение

При создании цементно-стружечных плит, а также арболитов и деревобетонов следует руководствоваться принципами: правильно определенный состав композита обладает оптимальной структурой; с повышением количества вяжущего 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 цементно-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 древесно-цементной композиции [Текст] / И.Х. Наназашвили. – Л.: Стройиздат, 1990. – 415 с.
Dyuk, Century Data processing on the personal computer 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.