|
"Хвойные бореальной зоны" 2008г.,№3-4, с.
337-339
ВЛИЯНИЕ ЦЕМЕНТНО-ДРЕВЕСНОГО ОТНОШЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНО-ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТОВ
Руденко Б.Д.
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 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.
При создании цементно-древесного композиционных материалов 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 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 accordance with GOST 10178-85. For definition of physicomechanical parameters were formed балочки, the size 4?4?16 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 traditional 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 parameters.
As to the considered structure of a composite, their optimum parity makes from 2:1:1 till 3:1:1,5 at which the greatest 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 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.
Поступила в редакцию 25 января 2008 г.
Принята к печати 27 августа 2008 г.. |