Использование отходов лесопиления как сырья для изготовления древесно-цементных материалов
Как сырья для изготовления древесно-цементных материалов
Проблема рационального использования отходов лесопильных предприятий сохраняет актуальность много лет. Сегодня объем мирового производства пиломатериалов составляет примерно 400 млн м3 в год. В том числе 87,5 млн м3 приходится на долю США. Доля России составляет около 20 млн м3. При этом, в зависимости от способа пиления, от 10 до 19% объема пиловочного сырья превращается в опилки.
Из приведенных выше данных следует, что лесопромышленный комплекс России ежегодно производит более 2,2 млн м3 опилок.
В этом объеме 35–45% опилок используются как топливо для котельных предприятий. Около 10% опилок потребляет гидролизная промышленность. Примерно 2% опилок используется в производстве древесных плит. Кроме того, опилки влажностью до 15% применяются в качестве основного сырья в производстве топливных брикетов и гранул (пеллет). Использование измельченной древесины, в том числе опилок, в качестве сырья для изготовления строительных теплоизоляционных и конструктивных материалов известно не один десяток лет.
Древесно-цементные материалы рассматриваемого класса, к которым относится хорошо известный арболит, включают, кроме измельченной древесины и цемента, ряд компонентов. Каждый из этих компонентов вносит свой вклад в прочность, жесткость, плотность и другие характеристики материала.
Измельченную древесину, используемую в качестве основного компонента древесно-цементных материалов, принято обозначать термином «древесный заполнитель».
Древесный заполнитель отличает ряд ценных характеристик: невысокая плотность, довольно высокая прочность, низкая теплопроводность, легкость обработки, доступность. Однако у него есть и отрицательные качества, которые затрудняют получение древесно-цементного материала высокой прочности. К специфическим особенностям древесного заполнителя, негативно сказывающимся на структурообразовании, прочности и стойкости древесно-цементного материала к влагопеременным воздействиям относятся следующие: низкая адгезия к цементному камню (0,25–0,35 МПа); химическая агрессивность к цементному камню в стадии его твердения; существенные деформации частиц наполнителя при изменении их влажности; значительная упругость, затрудняющая технологию уплотнения древесно-цементной смеси; резко выраженная анизотропия.
Древесина содержит легко экстрагируемые водой вещества, которые препятствуют набору прочности при затвердевании цемента.
Отрицательное воздействие оказывают прежде всего сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способная при определенных условиях трансформироваться в эти сахара. В меньшей степени опасны содержащиеся в древесине крахмал, смолы и танниды (содержащиеся в растениях соединения, относящиеся к дубильным веществам). Активизации этих веществ способствует щелочная среда цементного теста. Количество этих веществ варьирует в значительных пределах в зависимости от породы и возраста древесины, продолжительности и условий ее хранения и предварительной обработки.
Частицы опилок деформируются вследствие изменяющейся в процессе твердения и сушки древесно-цементного материала влажности. На крупные древесные частицы влага оказывает более существенное действие. По этой причине может повреждаться структура цементного камня, а указанные выше экстрагируемые вещества уменьшают адгезию цемента, препятствуют его нормальной гидратации и замедляют тем самым процесс набора прочности древесно-цементным материалом.
Частицы заполнителя из ели по силе сцепления с цементным камнем превосходят заполнитель из других пород. Кроме того, древесина ели отличается от других пород более однородной структурой, в частности, меньшими различиями ранней и поздней древесины. Вследствие однородности структуры при изменении влажности в процессе твердения и сушки древесно-цементного материала в контактных зонах уменьшаются влажностные деформации.
Низкой силой сцепления с цементным камнем характеризуется древесина лиственницы, что объясняется не только высоким содержанием легкогидролизуемых и экстрагируемых веществ, но и бóльшей разницей влажностных деформаций ранней и поздней древесины, чем у ели и сосны.
Повысить прочность древесно-цементного материала можно путем воздействия на его структурообразование с учетом всех специфических особенностей древесного заполнителя. Как итог многочисленных экспериментальных исследований можно считать установленной необходимость использования в древесно-цементных смесях компонентов, которые уменьшают набухание и усушку древесных частиц, а также нейтрализуют полисахариды и ускоряют твердение цементного компонента. Такое комплексное воздействие оказывают растворы хлорида алюминия, сульфата алюминия, хлорида кальция и другие вещества.
Например, по данным Исаака Хисковича Наназашвили (известного специалиста по материалам для строительства, в т. ч. из древесно-цементной композиции, д-ра тех. наук, профессора, академика МАНЭБ. – Прим. ред.), предварительная обработка древесного заполнителя раствором хлорида алюминия позволяет повысить прочность древесно-цементного материала на 10–11%. Объясняется это тем, что в присутствии целлюлозы протекает реакция с выделением соляной кислоты. Образующийся гидроксид алюминия адсорбируется целлюлозой. Адсорбирование целлюлозой гидроксида алюминия ведет к уменьшению гидрофильности древесины.
В данном случае можно считать, что имеет место кольматация (от итал. соlmata – наполнение, насыпь), то есть проникновение (осаждение) мелких частиц гидроксида алюминия в поры и трещины древесных частиц. Таким образом, на поверхности древесных частиц создается барьер, уменьшающий водопроницаемость.
Как показали исследования И. Х. Наназашвили, у древесного заполнителя, обработанного раствором хлорида алюминия, резко снижается набухание, особенно в первые часы. За счет этого уменьшаются деформации древесного заполнителя и разница давлений при набухании и усушке, что делает структуру древесно-цементного материала более однородной, уменьшает количество микротрещин и, как следствие, повышает прочность материала. Таким образом, при обработке древесного заполнителя раствор хлорида алюминия оказывает комплексное действие на систему «древесина – цементный камень», выступая как стабилизатор размеров (кольматация уменьшает набухание и усушку), нейтрализатор экстрагируемых из древесины сахаров, а также ускоритель твердения.
Кратко рассмотренное влияние хлорида алюминия на свойства древесно-цементного материала является примером управления его механическими свойствами путем применения химических добавок.
Хлорид железа и хлорид кальция являются наиболее эффективными модификаторами древесно-цементных материалов. Для дальнейшего применения в данных материалах может быть рекомендован хлорид кальция (кальций хлористый технический по ГОСТ 450–77) как более предпочтительный по технико-экономическим показателям. Это подтверждается его распространенным использованием в качестве противогололедного средства, ускорителя схватывания цемента в бетонах на неорганических заполнителях, средством для обеспыливания щебеночных и гравийных покрытий автомобильных дорог и т. д.
Технические условия, в том числе технологические факторы, влияющие на прочность древесно-цементных материалов, определены ГОСТ Р 54854–2011. Этот стандарт распространяется на легкие бетоны, компонентами которых являются цементное вяжущее, органические заполнители растительного происхождения (измельченная древесина из кусковых отходов лесопиления, лесозаготовок и деревообработки, древесная стружка, опилки, смеси опилок и стружки), химические добавки и добавки неорганических наполнителей. Требования к древесно-цементным смесям и изделиям определены также в СН 549–82.
В обобщенной форме можно утверждать, что ключевыми факторами, определяющими качество, а значит и конкурентоспособность древесно-цементного материала, являются технология, оборудование, квалификация персонала.
Важнейшими факторами, определяющими качество древесно-цементных композитов, являются:
1) состав древесно-цементной смеси;
2) водоцементное отношение;
3) технология подготовки смеси для заполнения в формы;
4) особенности уплотнения смеси в формах;
5) технология распалубки (немедленная или отложенная);
6) особенности хранения (температура и влажность) после распалубки.
Каждый из перечисленных факторов может быть детализирован. Например, известно, что вода при температуре +4°C характеризуется максимальной плотностью. Нагревание воды выше +4°С активизирует тепловое движение молекул, уменьшает их упорядоченность в объеме и ведет к уменьшению плотности.
Важнейшей характеристикой является известное в теории бетона водоцементное отношение (В/Ц, отношение массы воды к массе цемента). С увеличением В/Ц прочность бетона снижается вследствие уменьшения плотности цементного камня и бетона, так как только часть воды затворения входит в состав новообразований, а остальная часть воды участвует в формировании пор различных размеров. С увеличением пористости уменьшается прочность древесно-цементного материала.
Уменьшение прочности бетона при уменьшении водоцементного отношения объясняется тем, что снижается удобоукладываемость бетонной смеси, то есть становится затрудненной или невозможной достаточно плотная упаковка частиц. При этом в бетоне появляются крупные пустоты. Водоцементное отношение, плотность и прочность готового материала определяются по результатам испытаний.
Таким образом, перечисленные выше факторы существенно влияют на качество древесно-цементного материала. При этом качество материала характеризуют следующие показатели:
1) средняя плотность;
2) прочность при одноосном сжатии;
3) прочность при осевом растяжении;
4) прочность при изгибе;
5) теплопроводность;
6) морозостойкость;
7) паропроницаемость;
8) влажность;
9) водопоглощение.
Могут быть установлены дополнительные показатели качества в зависимости от условий эксплуатации, предусмотренные ГОСТ 4.212.
Измельченная древесина для рассматриваемых материалов должна соответствовать следующим требованиям: размеры частиц не должны превышать по длине 30 мм (оптимально 20 мм), по ширине 10 мм (оптимально 5 мм), по толщине 5 мм; содержание примеси коры не более 10%, хвои и листьев – не более 5% по массе сухой смеси заполнителей; отсутствие видимых признаков плесени и гнили, а также примесей инородных материалов (кусков глины, растительного слоя почвы, камней, песка и пр.).
Средний коэффициент формы частиц (отношение наибольшего размера к наименьшему) должно быть не более восьми. Количество частиц с коэффициентом формы более восьми не должно превышать 20% остатка на сите с отверстиями размером 20 мм и 10% от суммарного остатка на ситах 10 и 5 мм.
Насыпная плотность опилко-стружечной смеси в высушенном до постоянной массы состоянии должна быть от 100 до 140 кг/м3.
В качестве мелких заполнителей древесно-цементной смеси допускается применять пористые пески по ГОСТ 9757, природные пески по ГОСТ 8736, золы уноса по ГОСТ 25818, мелкий вспученный гранулированный полистирол.
Для улучшения свойств древесно-цементной смеси должны применяться химические добавки, ускоряющие твердение смеси, регулирующие пористость, ингибиторы коррозии стали, повышающие бактерицидные свойства; регулирующие одновременно различные свойства (многофункциональные добавки).
Показатели основного эффекта действия и критерии эффективности добавок должны соответствовать требованиям ГОСТ 24211.
Вода для приготовления древесно-цементной смеси и растворов химических добавок должна соответствовать требованиям ГОСТ 23732.
Согласно ГОСТ Р 54854–2011 теплопроводность, водопоглощение, морозостойкость, влажность и паропроницаемость арболита определяют до начала массового изготовления, при подборе производственного состава смеси, а также при изменении технологии изготовления и качества материалов, но не реже одного раза в шесть месяцев.
Геннадий Колесников,
д-р техн. наук, профессор ПетрГУ
