Строительные материалы из древесно-цементной композиции.

Изложены научные основы структурообразования древесно-цементных композитов (ДЦК) и пути повышения их качества. Уделено внимание специфическим свойствам целлюлозосодержащих заполнителей, их влиянию на качество арболита и других ДЦК, а также специфической адгезии композиции «древесина — цементный камень» и ее деформативности. Освещен опыт производства древесно-цементных материалов, приведена экономическая эффективность их применения в строительстве. Издание 1-е вышло в 1984 г. под названием «Арболит — эффективный строительный материал». Издание 2-е переработано и дополнено сведениями о фибролите, цементно-структурных плитах, ксиломете, скопо-, камыше- и бамбукобетоне, получаемых с использованием дикорастущих растений, а также отходов деревопереработки и сельхозпроизводства. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских, проектных и строительных организаций. Книга может быть полезна также индивидуальным застройщикам при строительстве малоэтажных домов усадебного типа. Печатается по решению секции литературы по технологии строительных материалов редакционного совета Стройиздата. «… ВВЕДЕНИЕ Значительным резервом повышения эффективности строительства является снижение материалоемкости и использование вторичных ресурсов при производстве строительных материалов и конструкций. Это становится возможным при широком применении прогрессивных научно-технических достижений, ресурсо- и энергосберегающих технологий, последовательном сокращении расхода материальных и трудовых ресурсов на единицу продукции. В целях ресурсосбережения целесообразно наращивать темпы использования древесных отходов и довести ежегодное потребление эффективных строительных материалов на их основе до 70...75 млн м3. Такая программа должна содействовать существенному расширению номенклатуры древесных композитов на цементном вяжущем (ДЦК), производимых на новом техническом уровне, таких как фибролит, арболит, цементно-стружечные плиты (ЦСП), скопобетон, ксилолит. Для их изготовления могут быть использованы тонкомер, фаунтная и дровяная древесина, отходы лесозаготовки и лесопильно-деревообрабатывающих предприятий, сучья, ветви, горбыль, срезки, торцы, а также мягкие отходы в виде отсевок щепы, станочной стружки и лесорамных опилок. Другим значительным сырьевым ресурсом для производства композитов с использованием целлюлозосодержащих заполнителей, главным образом для производства арболита и ЦСП, являются отходы сельскохозяйственного производства и дикорастущие растения: костра льна, конопли, джута, кенафа, стебли хлопчатника, тростника, рисовой соломы и др., а также шелуха риса. Для изготовления скопобетона стабильной сырьевой базой могут стать отвалы скопа — отходов картонажно-бумажного производства. Эффективность применения древесно-цементных композитов (ДЦК) и практически неограниченная сырьевая база дают право рассматривать развитие их производства не как временное мероприятие по ликвидации дефицита на стеновые материалы, а как на одно из важнейших направлений в освоении новых прогрессивных строительных материалов. Эффект от применения отходов обрабатывающих предприятий возрастает в тех случаях, когда они используются без специальной энергоемкой подготовки и из отвалов (например, при производстве ксилолита и скопобетона). Расширение применения ДЦК позволит наряду с более полным удовлетворением потребностей массового и индивидуального строительства решать параллельно и экологическую задачу по очистке территорий от производственных отходов. Впервые сделана попытка с единых теоретических позиций рассмотреть процессы структурообразования древесно-цементных композитов и выявить закономерности, влияющие на деформативность и другие важные свойства этих материалов, оценить влияние специфических свойств древесины и других целлюлозосодержащих растений, применяемых для их изготовления. На примере арболита установлена зависимость прочностных свойств композитов от адгезионной прочности отдельных их компонентов (зависимость аарб—То композиции «древесина — цементный камень»). Сделана попытка ответить на вопросы о виде напряженного состояния, при котором связь аарб и То будет проявляться наиболее отчетливо и, следовательно, о том, какие испытания лучше проводить для изучения зависимости аарб—т0. Высказано предположение, что для таких специфических материалов, как ДЦК, марочная прочность не всегда может характеризовать прочностные свойства материала в эксплуатационных условиях, так как древесина как анизотропный материал подвержена значительным самопроизвольным влажностным деформациям от 0,01% вдоль волокна до 12% в тангенциальном направлении. Если учесть, что цементный камень набухает всего 1/100%, то можно предположить, что в процессе структурообразования и в эксплуатационных условиях повышение в контактной зоне напряжений, близких к пределу прочности материала, не исключается. Поэтому, а также учитывая и то, что при влажностных деформациях древесины возможно развитие удельного давления набухания порядка 4...4,5 МПа, большое значение придается фракционному составу целлюлозосодержащего заполнителя. Проведенные исследования позволили автору убедиться, что структурообразование ДЦК сопряжено с двумя противоположно направленными процессами. С одной стороны, идут конструкционные процессы, связанные с твердением вяжущего, с другой стороны, наблюдаются деструкционные процессы, характеризуемые подверженностью целлюлозосодержащих заполнителей значительным влажностным деформациям (набухание, усушка, коробление). Это обстоятельство делает целесообразным введение, наряду с коэффициентом размягчения /Ср, коэффициента прочности при полной усушке Ку (абсолютно сухом состоянии), а также определение прочности материала после пяти циклов увлажнения и высушивания. Новый состав композита может быть признан более высокого качества, если остаточная прочность после пяти циклов увлажнения и высыхания больше, чем у известных составов. Разработка автором новых составов арболита с улучшенными прочностными и деформативными свойствами для применения в строительстве, защищенных авторскими свидетельствами, велась на принятой научной основе с учетом специфической особенности древесного заполнителя, что подтвердило правильность методологии подхода. Важной специфической особенностью древесного заполнителя, существенно влияющей на структурную прочность композита, является его анизотропность не только в различных направлениях среза (поперечном, радиальном, тангенциальном) и частях ствола (заболони и ядра), но и в пределах одного годичного слоя на участке ранней и поздней древесины, которые по плотности отличаются примерно в два раза. Как показали наши исследования, адгезионная прочность на этих участках также существенно различается. Из-за неоднородности анатомического строения древесины и других сырьевых материалов растительного происхождения проводимость в разных их частях различна. Вследствие этого следовало ожидать неодинаковую степень «минерализации» древесного заполнителя — блокирования или перевода в менее растворимое состояние легкогидролизуемых веществ, содержащихся в растительном сырье и отрицательно влияющих на процессы гидролиза и гидратации цемента. Поэтому было сделано предположение, что при разрушении ДЦК центры деструкции в структуре будут в контактных зонах, зонах с наличием частичек заполнителя ядровой древесины и на участках поздней древесины, предрасположенной к развитию больших самопроизвольных объемных влажностных деформаций и давления набухания, обладающей меньшей адгезионной прочностью к цементному камню; дальнейшее разрушение происходит уже по ослабленным контактам структуры. Управление качеством ДЦК должно осуществляться с учетом всех специфических особенностей заполнителя растительного происхождения: повышенная химическая агрессивность по отношению к цементу; значительные объемные влажностные деформации и развитие давления набухания; резко выраженная анизотропия; высокие проницаемость и проводимость; низкая адгезия по отношению к цементному камню; значительная упругость при уплотнении смеси. Проведенные автором исследования позволили количественно оценить воздействия специфических свойств целлюлозосодержащих заполнителей, что создало предпосылки максимального их учета в технологии ДЦК. В зависимости от древесно-цементного отношения (Д/Ц) в композициях, степени уплотнения, вида и формы заполнителя можно получить композиты существенно различными физико-механическими свойствами. Так, если фибролит представляет собой теплозвукоизоляционный материал со средней плотностью 300...500 кг/м3, а арболит — конструкционно-теплоизоляционный материал со средней плотностью 400...850 кг/м3, то ЦСП — плитный материал характеризуется средней плотностью 1100...1300 кг/м3. Несмотря на различие физико-механических и строительных свойств этих материалов, их структурообразование и повышение качества подчиняются общим закономерностям. Рассматривая эти закономерности можно отметить, что существенными отличительными признаками вышеперечисленных материалов являются удельная поверхность применяемого древесного заполнителя (S) или других целлюлозосодержащих заполнителей и степень уплотнения (Р). Поэтому выведенная для арболита зависимость оптимальной прочности от удельной поверхности заполнителя и фактора фазового отношения (Д/Ц, В/Д) в композиции в некотором приближении справедлива для других ДЦК, в частности фибролита, ЦСП и др. В связи с этим можно утверждать, что пути повышения качества таких материалов идентичны, они зависят от оптимизации формы и размеров древесных частиц, повышения степени сцепления цементного камня с заполнителем (в том числе путем химического облагораживания заполнителя), степени уплотнения, количества, активности и химического состава вяжущего, а также сближения показателей деформативности заполнителя и цементного камня путем его модифицирования. Область применения этих материалов определяется их физико-механическими и эксплуатационными свойствами, а также экономической целесообразностью использования в различных частях жилых и производственных зданий. Фибролит отличается наименьшей плотностью, поэтому имеет наилучший показатель теплоизоляционных свойств, на его изготовление расходуется наименьшее количество портландцемента и химических добавок. Однако к недостаткам фибролита можно отнести необходимость использования древесных отходов в виде чураков длиной не менее 50 см, тогда как для арболита можно применять практически все виды отходов лесопиления и деревообработки (горбыль, срезки, сучья, стружки, опилки). Арболит нашел широкое применение в ограждающих конструкциях. Высокие прочностные показатели ЦСП расширили номенклатуру получаемых на их основе ограждающих и несущих конструкций для жилых, общественных и производственных зданий. Выполнение программы строительства на селе домов усадебного типа без снижения объемов строительства производственных и промышленных объектов, а также городского строительства невозможно без максимального вовлечения местных сырьевых ресурсов и побочных продуктов (отходов) промышленного и сельскохозяйственного производства для изготовления эффективных местных строительных материалов. Прогресс в области строительства, широкая программа по увеличению выпуска индустриальных малоэтажных домов усадебного типа для села и культурно-бытовых зданий повышенной комфортности требуют увеличения выпуска плитных, конструкционно-изоляционных и изоляционных материалов повышенного качества, совмещающих несколько функций: например, теплоизоляцию, звукоизоляцию и возможность придания им архитектурно-декоративной выразительности при достаточно высоких производственных показателях. Современный уровень строительства предъявляет высокие требования к строительным материалам в части повышения теплозащиты, долговечности, экономичности и эстетичности. Разработка композитов с улучшенными изоляционными свойствами и их широкое применение в строительстве в условиях строжайшей экономии теплоэнергетических ресурсов приобретают большое народнохозяйственное значение. Этим требованиям в большей мере отвечают древесные композиты на основе цемента (фибролит, арболит, ЦСП, скопобетон и др.). В нашей стране ежегодно образуется более ПО млн м3 отходов на лесопильных и деревообрабатывающих производствах и 35 млн м3 отходов лесозаготовок. Существенная их часть пока остается неиспользованной. Значительные сырьевые ресурсы для изготовления ДЦК образуются и в сельскохозяйственном производстве, где объем неиспользуемых отходов ежегодно составляет: костра льна и конопли — около 0,9 млн т; стебли хлопчатника— 2...2,5 млн т; рисовая солома — 1 млн т. Если учесть и то, что производство нетоксичных ДЦК, обладающих положительными свойствами древесины и цементного камня, базируется на использовании некондиционной древесины, отходов ее переработки и ежегодно возобновляемых дикорастущих растений, эту отрасль можно считать стабильно обеспеченной сырьем и перспективной. Такой подход к развитию производства ДЦК обоснован и заботой человечества о неизменности ландшафтов и русл рек, которые из-за непомерно большой добычи щебня, гравия, глины и песка претерпевают значительные, иногда непоправимые, экологические изменения. В связи с этим следует предположить, что дальнейшему развитию ДЦК, наряду с другими ресурсосберегающими материалами, будет оказано должное внимание с учетом достижений науки и совершенствования технологии конструкций и изделий на их основе. Значительный вклад в развитие науки и в практику производства ДЦК внесли следующие отечественные и зарубежные специалисты: А. А. Агчабаев, Г. А. Батырбаев, Г. А. Бужевич, Б И Бухаркин, Г. Е. Евсеев, М. И. Кауфман, М. И. Клименко, Е Д Маев, И. П. Мещерякова, А. И. Минас, Б. Н. Понамаренко, И. А. Рыбьев, В. И. Савин, Р. Б. Сироткина, С. Г. Свиридов, Н И^ Склизков, Б. Н. Смирнов, М. М. Чернов, Л. М. Шмит, А. С. Щербаков, Т. Ваврин, И. Граф, С. Дал, Нгуен Ван Тхинь, Д. Пакер, А. Карлсон, Ф. Кольман, В. Сареток, Шварц и др. Автор надеется, что монография окажется полезной научным подразделениям при разработке ими новых эффективных, более стойких к эксплуатационным влагопеременным воздействиям ДЦК с улучшенными деформативными свойствами, практикам производства и проектировщикам, занимающимся совершенствованием технологии с учетом всех специфических особенностей заполнителя растительного происхождения, а также специалистам, изучающим проблему повышения качества ДЦК. …» Книга приводится в открытом доступе впервые.