Цемент с деревом плюсы

Древесно-цементные материалы — виды и назначение

Существует несколько основных изделий, которые в свою очередь состоят из сочетания двух основных компонентов: древесины и цемента. В современном строительстве стоит использовать материалы, способные обладать сразу несколькими функциональными характеристиками, такими как:

• прочность,
• долговечность,
• универсальность в использовании и многое другое.

Поэтому были разработаны различные древесно цементные материалы, которые на данный момент находятся все большее применение в строительстве. Популярность они приобрели благодаря своей низкой стоимости, которая сочетается с хорошим качеством материалов.

Зачем необходимо сочетание материалов в строительстве?

Спрос на подобные строительные материалы позволил создать специальное предприятие, занимающееся их полноценным производством и дальнейшей реализацией. В основном, для того чтобы создать древесно цементные плиты, специалисты в данной области используют определенные технологии, которые позволяют в значительной степени ускорить данный процесс.

С их помощью можно не только спрессовывать древесину, формируя плиты в удобные блоки, но и сочетать несколько материалов между собой. Плиты на основе не только древесины, но и цемента лучше хранятся и не подвержены атмосферным воздействиям.

Фактически древесина сама по себе является достаточно хрупким материалом. А в сочетании с цементом приобретает новые, необходимые для полноценного функционирования преимущества. Таким образом, подобные плиты обладают хорошей прочностью и при этом не слишком много весят. Ведь строительные материалы должны быть не только практичными, а ещё и универсальными. Современные технологии позволяют добиться положительных результатов при создании древесно цементных плит различной длинны и плотности.

Для чего нужны строительные материалы?

Так как на данный момент в мире отрасль строительство развивается и постоянно совершенствуется, создаются все более новые материалы, способная дополнить любой дизайнерский проект. Несмотря на свою прочность такие плиты зачастую досрочно тонкие. Это позволяет использовать их не только в качестве основного строительного материала, ну и как утеплитель. Таким образом, можно решить достаточно большое количество актуальных проблем, связанных с:

• утилизацией ненужных отходов от предприятий,
• развитием вторичного производства,
• поиском альтернативных источников для получения дешевых и качественных материалов, которое можно будет использовать в строительстве современных домов и других типов помещений.

Когда производство строительных материалов подобного типа налажено правильно, можно решить целый ряд проблем, связанных с последующим рациональным применением отходов деревопереработки. Особенно важным остается вопрос сохранения экологического здоровья местности, на которой присутствуют заводы или же предприятия, занимающиеся работой с различными строительными материалами.

В зависимости от используемой при создании подобных плит породы дерева и разновидности цемента можно получить различные строительные материалы. Они будут отличаться между собой не только функциональными характеристиками, но и степенью уплотнения. Даже структура таких строительных плит будет разной. Несмотря на то, что при создании материалов использовались практически одинаковые составные элементы.

Виды строительных материалов?

Зависимости от составных компонентов, которые участвуют создании древесно цементных плит, выделяют несколько строительных конструкции, наиболее распространённых в строительстве всевозможных жилых помещений.

Например, фибролит является универсальным материалом обладающий не только звуковой изоляцией. При необходимости его также можно использовать как достаточно качественный утеплитель. Таким образом, один и тот же материал выполняет несколько различных функций одновременно. Это очень удобно, особенно если человек занимающиеся строительством хочет сэкономить свои финансовые средства и при этом построить качественный дом.

Зачастую фибролит используют основной материал для стен. Он достаточно плотный, однако при этом отличается достаточно эластичной структурой. У него есть несколько основных преимуществ:

• универсальность используемых при создании плит материалов,
• приемлемая стоимость да,
• простота в эксплуатации и дальнейшем использовании.

ДСП представляет собой уже другой материал, отличающийся большой плотностью. Там в основном он используется в качестве ошибочного строительного материала на различных производственных зданиях. Его предпочитают асбестоцементным плоским листам, значительно усложняющим процесс вентиляции в помещении. Этот материал отличается хорошим качеством, чем фанерные листы. У него присутствует намного больше преимуществ, его предпочитают даже клееной фанере. Хотя если сравнивать эти два материала, то в них практически нет различий, кроме нескольких составных элементов.

Во всех строительных прессованных материалах существуют некоторые общие технологии, которые способствует их дальнейшему созданию, определяют область применение подобных плит. Все вышеперечисленные материалы отличаются между собой не только древесным наполнителем, но и различной структурой поверхности. Существуют гладкие древесно- цементные плиты, а также подобные материалы с более грубой или же шершавой поверхностью. Здесь все зависит от того, где они в дальнейшем будут применяться.

Особую роль при создании плит играют всевозможные органические заполнители на основе целлюлозных структурных элементов, а также степень уплотнения самой плиты. Больше всего на фибролит похож такой материал, как арболит. Фактически подобные строительные материалы:

• являются взаимозаменяемыми,
• могут использоваться в различных строительных целях,
• не требует дополнительных финансовых затрат.

Специалистам известно несколько приемов позволяющих улучшить не только качество всех вышеперечисленных материалов, ну и их способности повышение степени сцепления цементного камня с самим, присутствующим в нём заполнителем.

В процессе создания новых строительных материалов важность представляет любая деталь. Особенно сложно рассчитать оптимальную форму подобных плит, а также необходимый для полноценного сцепления с цементом размер древесных частиц, присутствующих в уже готовой конструкции.

Если рассматривать область, в которой подобные строительные материалы могут применяться, то она достаточно обширна. Зачастую наиболее популярным является применение подобных плит при строительстве жилых домов и различных производственных помещений. Потому материалы отличаются хорошей плотностью, но и достаточно оптимальными условиями для своего дальнейшего хранения. Главным преимуществом, определяющим выбор при приобретении строительных плит, является их низкая стоимость.

Больше нет необходимости в том, чтобы переплачивать слишком много финансовых средств. Всё, что необходимо для организации полноценного строительства вмещают в себе эти простые и удобные в эксплуатации строительные материалы.

На данный момент некоторые виды строительных плит при помощи определенных современных технологий совершенствуют. Поэтому не появляется ряд дополнительных преимуществ и возможностей. Фибролитовые плиты производят в основном известные австрийские компании. В данных строительных материалах лучшие традиции зарубежных специалистов.

Безусловно, фибролитовые плиты, которые производят у нас, отличаются по своему качеству. Однако, если использовать их строительство домов, то особой разницы между материалами наших и зарубежных производителей практически нет. Некоторые отличительные характеристики присутствуют только в разновидности древесного наполнителя, который является основой для самой строительной плиты.

Голландские компании, а также известные производители древесно- цементных плит, в процессе прессовки применяют уникальную технологию, при которой дерево, которое зачастую должно использоваться в виде стружки, формирует будущее строительный материал благодаря особой шерсти. Она получается после определенной обработки древесины. Таким образом, можно обеспечить смачивание данного материала, его последующее смешивание с цементом, в необходимых для создания строительной плиты пропорциях.

С помощью современного оборудования можно отрегулировать даже длину и толщину самой плиты. Это очень удобно, ведь в некоторых жилых помещениях необходимо сохранить свободное пространство, минимизировав при этом толщину стен.

Для сравнения в начале применения подобных технологий для создания плит специалисты использовали специальные устройства, позволяющие подогнать их длину и толщину вручную. На это уходили дополнительные финансовые средства, затрачивалась электроэнергия и вода. Сейчас подобную процедуру можно упростить, применяя только компьютер и всевозможные программы, которые способны выполнять несколько задач одновременно. Все зависит от введённых в систему параметров, а также от правильной работы с оборудованием.

Древесно-цементные плиты имеют несколько основных разновидностей. К ним относятся цементно-стружечные плиты. Исходя из названия- это строительные материалы, в основе которых имеется определенным образом спрессованная измельченная щепка или же различные отходы от производства всевозможных товаров из древесины.

Особая группа представляет щепоцементные плиты. В них содержится почти стопроцентное содержание минерализованной древесной щепы и цемента, как основного закрепителя для самой плиты. Отдельную группу представляет цементный фибролит. В нем присутствует специальный материал, который можно впоследствии использовать для теплоизоляции. Его получают определенным образом при помощи использования технологии создания плит из особой древесной шерсти.

Строительные материалы и использование современных технологий можно создать с минимальными финансовыми затратами. Однако качество подобных составных элементов присутствующих в древесно- цементных плитках будет различным. Фактически все зависит от того, какую породу дерева производитель использует для последующей работы.

Зарубежные производители отличаются от наших только использованием различных технологий для спресовывания плит. Ведь подобный строительный материал получают из вторичного сырья. Важность его дальнейшего использования обусловлена развитием безотходного производства и приёмов введения подобных программ на всех заводах и предприятиях, работающих с производством товаров из древесины и цемента.

Источник

Химическое взаимодействие древесины с цементом и способы локализации древесины

Первые попытки связать древесные частицы цементом не увенчались успехом: цемент либо совсем не затвердевал, либо твердел очень медленно, и изделия получались недостаточно прочными. Начало научных исследований древесно-цементных композиций относится к 1924 г. Уже тогда было очевидно, что древесина содержит вещества, отрицательно влияющие на цемент.

Борьба с влиянием этих веществ составляет одну из основных задач технологии цементного фибролита и других теплоизоляционных бетонов с древесным заполнителем. Вследствие этого вопросу о химическом взаимодействии древесины с цементом и способам соответствующей обработки древесины необходимо уделить особое внимание.

Компоненты древесины, отрицательно влияющие на цемент

К числу компонентов древесины, которые могут отрицательно воздействовать на цемент, следует отнести гемицеллюлозу, крахмал и экстрактивные вещества.

Гемицеллюлоза представляет собой полисахарид, близкий по своему строению и химическому составу к клетчатке. Однако она более доступна воздействию разбавленных кислот и щелочей, под влиянием которых способна гидролизоваться и переходить в простейшие сахара — гексозы и пентозы.

Как видно из табл. 14, химический состав гемицеллюлозы в различных породах колеблется в больших пределах.

Гексозаны — ангидриды гексоз, главнейшими представителями которых являются маннан, галактан, глюкан. При гидролизе маннан дает маннозу, глюкан — глюкозу, галактан — галактозу. Маннан легко растворяется в горячей воде и в щелочах.

Пентозаны — ангидриды пентоз, главнейшими представителями которых являются ксилан и арабан. При гидролизе ксалан дает ксилозу, а арабан — арабинозу. Ксилан быстро, но все же не полностью, растворяется в щелочах; в воде ксилан сильно набухает.

Поскольку цементное тесто представляет собой щелочную среду с рН≈11—12, способность гемицеллюлозы гидролизоваться щелочью и переходить в сахара, а затем растворяться в воде может играть серьезную роль в производстве цементного фибролита.

Крахмал в растениях находится в виде гранулированных зерен, не растворимых в холодной воде. При повышении температуры зерна частично растворяются.

В лиственной древесине количество крахмала колеблется от 1 до 5% в зависимости от породы; в древесине хвойных пород крахмала не находят. Зимой количество крахмала уменьшается — он расходуется на питание растений, превращаясь в сахара и масла. Эти масла являются смесью жиров пальметина и стеарина. Поскольку последние способны образовывать тонкие пленки на поверхности древесных частиц, они могут оказать известное влияние на качество цементного фибролита.

Экстрактивными веществами, содержащимися в древесине, являются танниды (дубильные вещества), некоторые растворимые моносахара, органические кислоты, минеральные соли и кислоты, жирные и смоляные кислоты, летучие масла и пр.

При экстрагировании водой из древесины извлекают дубильные и сахаристые вещества, органические кислоты, минеральные соли и кислоты. Остальные экстрактивные вещества-жиры, смолы, воски, эфирные масла и др. могут быть выделены только органическими растворителями (серный эфир, спирт и др.).

Танниды — производные многоатомных фенолов — экстрагируются из древесины горячей водой; холодной водой из-за большой величины молекул (до 100 ммк) они экстрагируются плохо.

Органические кислоты (уксусная, щавелевая, муравьиная) содержатся в древесине в незначительном количестве (то 0,2—0,3% от ее веса).

Растворимые сахара (сахароза, глюкоза, фруктоза и т. д.), обладая малым размером части (до 1 ммк), легко диффундируют через стенки клеток древесины и легко вымываются водой. Поэтому они наиболее опасны для цементного фибролиту и других теплоизоляционных бетонов с древесным заполнителем.

Данные в отношении количественного содержания водорастворимых веществ в древесных породах, приведенные в различных лесохимических трудах, колеблются в значительных пределах (табл. 15).

Из данных, приведенных в табл. 15, видно, что ель обладает наименьшим количеством водорастворимых веществ. Наиболее богата водорастворимыми веществами лиственница.

В табл. 16 приведены результаты экстрагирования древесины в горячей и холодной воде, а также в 1%-ном растворе едкого натрия; последние данные представляют наибольший интерес, так как экстрагирование в щелочном растворе подобно процессам, происходящим в древесных частицах при их взаимодействии с цементом.

В табл. 17 приведены данные в отношении содержания редуцирующих сахаров в различных породах дерева.

Из данных, приведенных в табл. 16, видно, что количество перешедших в раствор веществ возрастает с увеличением щелочности и температуры среды. Наименьшее количество водорастворимых веществ содержат такие породы, как ель, пихта, кедр, сосна (некоторых разновидностей), тополь. Более богаты ими такие породы, как осина, бук, дуб и др.

Большое значение имеет то, из какой части дерева взята древесина (см. табл. 17); например, в ветвях ели содержится в 3,5 раза больше водорастворимых веществ, чем в других частях дерева. В основании ствола сосны и осины содержится значительно больше сахаров, чем в середине ствола.

Неодинаковое содержание водорастворимых веществ в древесине различных пород по-разному влияет на цементное тесто, вступающее в контакт с древесными частицами. Это положение подтверждается результатами опытов Ваврина, изучавшего сроки схватывания цементно-опилочной смеси, изготовленной на опилках из древесины разных пород (табл. 18).

Как видно из табл. 18, в меньшей степени замедляют сроки схватывания цемента опилки из ели, в большей степени — опилки из лиственницы. Это совпадает с приведенными выше данными о содержании водорастворимых веществ в древесине указанных пород.

Другие экстрактивные вещества древесины — смолы, воски, жиры и масла — также могут в известной мере влиять на цемент. Живица хвойных деревьев — смола — состоит в основном из канифоли (смоляные кислоты) и летучего вещества — скипидара (терпены).

Для выявления силы воздействия (степени вредности) различных экстрактивных веществ на цемент во ВНИИНСМе были поставлены специальные опыты. Из цементного теста нормальной густоты изготовлялись образцы размером 3x3x3 см. В цементное тесто вводили экстрактивные вещества в количестве от 0,05 до 0,5%. Тесто затворяли водой. Были изучены добавки глюкозы, сахарозы, ксилозы, танина, скипидара и канифоли. Образцы испытывались через 3 и 28 суток твердения в воздушно-сухих условиях (рис. 14). Как видно из рис. 14, наиболее опасны для цемента сахара, в частности сахароза, наименее опасны — компоненты смолы.

Хотя необходимость локализации экстрактивных .веществ древесины была ясна уже из первых опытов по связыванию древесных частиц цементом, в отношении причин вредного влияния древесины на цемент долгое время существовали значительные разногласия.

Вначале полагали, что наиболее вредным компонентом древесины являются смолы, поскольку образующиеся в результате действия щелочей цемента смоляные масла отрицательно влияют на сцепление цемента с древесиной. По этой причине сосновая древесина, обычно содержащая значительное количество смолы, считалась менее пригодной для производства цементного фибролита, чем древесина других пород, не содержащих смолы.

Зандерман и Дэн показали несостоятельность этих взглядов. Поставленные ими опыты доказали следующее:

• а) фибролитовые плиты, изготовленные на древесной шерсти из ядра сосны (содержание смолы 11%), являются более прочными, чем на шерсти из заболони той же сосны (содержание смолы 2—3%);
• б) древесная шерсть из высокосмолистых тропических пород дает плиты высокого качества;
• в) древесная шерсть из лиственных пород, практически не содержащих смол (дуб, бук, осина), дает плиты низкого качества;
• г) древесная шерсть из сосны летней рубки дает плиты худшего качества, чем шерсть из древесины тех же пород, срубленной зимой, несмотря на одинаковое содержание смолы.

Причину неодинаковой пригодности различных пород древесины Дэн и Зандерман видят в различном содержании в древесине водорастворимых веществ. Их опыты также показали, что наиболее опасными по отношению к цементу компонентами древесины являются сахара, менее опасными — танниды.

Взаимодействие экстрактивных веществ древесины с цементом

Ни в одном литературном источнике нет прямых доказательств того, что в момент затворения цементного фибролита и других теплоизоляционных бетонов с древесным заполнителем содержащиеся в древесине экстрактивные вещества действительно попадают в цементное тесто.

Во ВНИИНСМе были проведены специальные исследования с помощью радиоактивных изотопов.

Исследования проводили по нижеследующей методике. Тополь пятилетнего возраста высотой 1 м был аккуратно выкопан из земли, и после того как корневая его система была от мыта от земли, поставлен в радиоактивный раствор, полученный на основе вещества Na₂HPO₄ (двузамещенный фосфат натрия). Через 5 час., как показал систематический просчет радиоактивности листьев дерева, изотопы, находящиеся в соках, дошли до вершины кроны. Следовательно, соки в дереве двигались со скоростью примерно 20 см в час.

Растения могут использовать фосфор на фосфориллирование сахаров с образованием фосфатных эфиров, которые в составе соков движутся по стволу, являясь водорастворимыми веществами. Таким образом, в нашем опыте в состав водорастворимых веществ древесины входили меченые атомы фосфора.

Из средней части ствола были вырезаны отрезки длиной 20 см и превращены в древесную шерсть. После осреднения полученной древесной шерсти посредством тщательного перемешивания был изготовлен образец цементного фибролита. После формования с поверхности шерсти была взята проба цемента (соскреб). Соскреб производили таким образом, чтобы исключить возможность механического перенесения в цемент изотопов, находящихся в древесине.

Радиоактивность препарата (пробы цемента) определяли с помощью счетчика Гейгера-Мюллера. При этом учитывалось то обстоятельство, что и в отсутствии препарата счетчик изредка отмечает отдельные импульсы. Это так называемый «фон» счетчика, вызываемый главным образом попаданием на него космических лучей и радиоактивного излучения посторонних источников, находящихся в лаборатории.

Результаты измерений показали, что «фон» счетчика составлял 30 имп/мин, а проба цемента имела интенсивность излучения, равную 186 имп/мин. Таким образом, факт попадания экстрактивных веществ в цемент оказался доказанным. Оказалось также возможным сравнить между собой интенсивность выделения из древесины экстрактивных веществ водой и раствором хлористого кальция, применяемого обычно три производстве цементного фибролита для пропитки древесной шерсти в качестве минерализатора. Древесную шерсть навесками по 12 г погружали в 75 мл 4%-ного раствора CaCl₂ и в такое же количество дистиллированной воды на срок, равный 1 мин. Затем шерсть удаляли из растворов, после чего профильтрованные растворы выпаривали на водяной бане. После высушивания пробы были подвергнуты просчету интенсивности излучения вышеописанным способом.

Оказалось, что средняя интенсивность излучения препаратов из древесины, подвергнутой экстрагированию в воде, составляла 72 имп/мин на 1 г шерсти, в то время как при экстрагировании в хлористом кальции интенсивность излучения равнялась 212 имп/мин, т. е. в три раза больше.

Не ограничившись этими опытами, во ВНИИНСМе были проведены электронно-микроскопические исследования. На рис. 15,а показана фотография обычного препарата гидратированного цемента, твердевшего в естественных условиях 24 часа, а на рис. 15,б — препарата этого же цемента, но затворенного с добавкой древесного экстракта, во втором случае вокруг зерен цемента видна полупрозрачная масса. Наличие этой массы несомненно связано с введением в цемент добавки древесного экстракта, что подтверждается рис. 15,е, на котором изображен препарат самого экстракта, просматриваемый под электронным микроскопом в виде такой же полупрозрачной массы. Такая же масса видна вокруг зерен цемента и на рис. 15,а, где изображен препарат гидратированного цемента, взятый непосредственно из образца цементного фибролита суточного твердения, изготовленного на осиновой древесной шерсти, характеризуемой, как известно, большим количеством экстрактивных веществ. Все это свидетельствует о попадании экстрактивных веществ в цемент.

Помимо того, во ВНИИНСМе были проведены опыты, имевшие целью выявить количественную сторону явления, а также механизм действия водорастворимых веществ на цемент.

Исследования были начаты серией опытов по экстрагированию древесных частиц в воде и в предельно насыщенном растворе гидрата окиси кальция (рН=12). Навески древесной шерсти из ели, сосны, березы и осины по 10 г каждая помещались в сосуд с 400 см 3 дистиллированной воды или раствора Са(ОН)₂ при температуре 20° на различные сроки: 3 и 15 мин., 3 часа и 3 суток. Профильтрованные экстракты затем выпаривали на водяной бане, а остаток высушивали. Результаты исследования приведены в табл. 19.

Из табл. 19 следует, что темпы экстрагирования из ели, сосны, березы и осины различны. Из осины экстрактивные вещества выделяются быстрее, чем из других пород дерева.

В щелочной среде раствора Са(ОН)₂ вымывается значительно больше экстрактивных веществ, чем в воде. Полученные нами данные хорошо согласуются с результатами исследований Хаулея (см. табл. 16), несмотря на то, что в его опытах экстрагирование проводилось в 1%-ном растворе NaOH, а не Са(ОН)₂. Результаты этих опытов подтверждают также сделанное выше предположение о значительной роли гемицеллюлозной части древесины, гидролизующейся под действием Са(ОН)₂ в растворимые сахара.

Вторая серия опытов, осуществлявшаяся по той же методике, имела целью выявить влияние температуры среды. Экстрагирование производилось в воде и длилось в течение 1; 3; 5 мин., 1 и 3 суток при температуре 20 и 70°.

Эта серия опытов (табл. 20), проведенная на другой партии древесины, подтвердила результаты, полученные по предыдущей серии. Из табл. 20 видно, что и здесь осина показала себя породой наиболее богатой экстрактивными веществами; из сосны выделяется несколько больше веществ, чем из ели. Повышение температуры до 70° резко увеличивает количество выделяющихся экстрактивных веществ. Выделение экстрактивных веществ начинается с первых минут погружения древесины в раствор. Полученные данные показывают большое преимущество ели и сосны по сравнению с осиной.

Надо иметь в виду, что на практике экстрактивные вещества выделяются в цементное тесто в значительно меньших количествах, так как скорость диффузии через стенки древесных клеток пропорциональна разности концентрации раствора внутри и снаружи стенок, которая в условиях фибролитовой шихты невелика. Определение продолжительности диффузии экстрактивных веществ в цементе, а также продолжительности их взаимодействия с цементом представляет большие трудности. Все же можно считать, что интенсивность поступления экстрактивных ‘веществ ослабевает с момента начала схватывания цементам и, по-видимому, к концу периода схватывания практически прекращается.

С целью выявления механизма действия водорастворимых веществ древесины на цемент в цементное тесто нормальной густоты вводили добавки сахарозы и водной вытяжки из ели (еловый экстракт) в количестве от 0,015 до 1%. Из цементного теста изготовляли образцы размером 3×3х3 см, которые испытывались через 1; 3 и 7 суток воздушно-сухого хранения (см. рис. 16 и 17).

Из рис. 16 следует, что при добавлении сахарозы в количестве 0,01% прочность снижается, а при увеличении добавки до 0.02—0,04% прочность возрастает до максимума, превышающего прочность образцов без добавок на 12—15%; при дальнейшем увеличении добавки сверх 0,04% прочность начинает снижаться. При введении в цемент елового экстракта (рис. 17) максимальная прочность наблюдается при добавках 0,02%; при большем количестве добавок начинается снижение прочности.

Бутт и Беркович установили, что гуматы, дубильные вещества и углеводы, входящие в состав древесных экстрактов, являются поверхностно-активными гидрофилнзующими веществами по отношению к цементу. Такими же свойствами характеризуются сахараты кальция, которые могут образовываться при производстве цементного фибролита в результате взаимодействия древесных сахаров с цементом.

Наиболее полно механизм действия поверхностно-активных веществ на цемент изучен акад. Ребиндером и его сотрудниками.

Действие водорастворимых веществ древесины на твердеющий цемент носит физико-химический характер и проявляется в стабилизирующем эффекте гидрофильных адсорбционных слоев, которые образуются вокруг зерен цемента ввиду гидрофильности их поверхности. Эти слои тормозят процессы гидратации и гидролиза в их начальной стадии вследствие возникновения значительных диффузионных сопротивлений в переходных слоях. Кроме того, эти пленки, удерживающие достаточно толстый слой воды, уменьшают трение между частицами цемента, выполняя как бы роль смазки и производя тем самым пластифицирующее действие.

Одновременно со стабилизирующим действием поверхностно-активные вещества способствуют образованию мелкокристаллической структуры цементного камня (адсорбционная пептизация). Наряду с химической пептизацией от действия гипса адсорбционная пептизация приводит к более полному разрушению и более глубокой гидратации зерен цемента. Особенно склонны к такому пептизационному разрушению алюминатные минералы.

При некоторых сочетаниях добавок гипса и вышеперечисленных органических веществ происходит такое интенсивное диспергирование в цементном тесте, что наступает весьма быстрое схватывание цемента.

Этот эффект, описанный Ребиндером и Сегаловой и неоднократно имевший место при проведении экспериментальных работ ВНИИНСМа, объясняется тем, что при малых добавках поверхностно-активных веществ, т. е. при малой степени насыщения адсорбционными слоями, преобладает эффект диспергирования. Преобладание эффекта диспергирования над эффектом стабилизации и вызывает отмеченное выше явление. Наоборот, при больших добавках поверхностно-активных веществ преобладает эффект стабилизации, что предотвращает или замедляет процесс гидратации и структурообразования.

Для изучения этих явлений применительно к воздействию водорастворимых веществ древесины на цемент во ВНИИНСМе были предприняты электронно-микроскопические исследования. Рассматривались препараты цемента Воскресенского завода с различными сроками гидратации и добавками елового экстракта в количестве до 0,3%.

Препарат цемента без добавки, гидратированный в течение 2 час., как видно из рис. 18,а, обнаруживает типичную картину гидратации зерен цемента, проросших кристаллами продуктов гидратации. На препаратах цемента 2-часовой гидратации с добавкой елового экстракта (рис. 18,б) отчетливо видно, что такие явления, как прорастание волокнистых новообразований и кристаллообразование, свойственные нормально гидратирующемуся цементу, отсутствуют. На этих препаратах частицы цемента окружены полупрозрачными оболочками аморфной массы, представляющей собой водорастворимые вещества. На рис. 18,б видна пептизация, имеющая место при малых добавках елового экстракта к цементу. Многочисленные мелкие кристаллические новообразования при отсутствии нитеобразных прорастаний (наблюдаемых на рис. 18,а) говорят о том, что органическая добавка вызвала в цементе адсорбционное модифицирование кристаллобразования и пептизацию. Аналогичное явление имеет место и на препаратах цемента, гидратированного в течение 3 и 6 суток. Таким образом, можно утверждать, что действие водорастворимых веществ древесины на цемент аналогично действию хорошо изученных поверхностно-активных веществ, например сульфитно-спиртовой барды.

Способы обработки древесины

Обработка древесины с целью локализации экстрактивных веществ может осуществляться физическим или химическим способами, а также их комбинацией. Физическое воздействие может осуществляться кислородом (окисление), солнечными лучами, теплом и водой. Химическая локализация достигается путем обработки древесных частиц специальными веществами с целью перевода древесных сахаров в нерастворимые или безвредные для цемента соединения, а также создания на поверхности древесных частиц непроницаемых пленок.

При выдерживании древесины на воздухе в ее составных частях происходят сложные биохимические и физико-химические процессы. Дубильные вещества окисляются и впитываются в стенки древесных клеток. Водорастворимые сахара подвергаются действию различных бактерий, бродят и частично окисляются, а также остекловываются в процессе высыхания или кристаллизуются, переходя в менее растворимые формы по сравнению с сахарами, находящимися в соках свежесрублен-пого дерева.

Никитин указывает, что по мере выдерживания древесины на воздухе уменьшается количество водорастворимых сахаров.

Гемицеллюлоза в процессе выдерживания также претерпевает изменения, выражающиеся в уменьшении количества легко гидролизуемых веществ и в переходе этих веществ в лигнины. Скипидар улетучивается из смолы, в результате чего она загустевает.

Сареток указывает, что посредством окисления древесины на воздухе, особенно при действии солнечных лучей, вредные для цемента компоненты древесины (сахара, дубильные вещества, смолы) превращаются в безвредные нерастворимые в воде вещества. Сареток считает возможным ускорять естественный процесс окисления древесных частиц добавлением к ним катализаторов, например, некоторых видов бактерий или неорганических солей, дающих щелочную реакцию, так как в щелочной среде сахара быстро окисляются.

Основной недостаток локализации древесных частиц естественным окислением заключается в длительности процесса. Значительно быстрее — за несколько минут—происходит окисление в процессе высокотемпературной обработки с доступом воздуха; при этом начинается распад древесины — она приобретает коричневый цвет, выделяя при этом газообразные вещества. Прочность древесных частиц при высокотемпературной обработке несколько снижается, но это компенсируется приобретенными свойствами — стабильностью объема частиц и химической пассивностью по отношению к цементу.

К физическим способам следует также отнести обработку древесины водой, причем особенно действенна горячая вода. Сареток пришел к выводу, что сплавной лес содержит меньше водорастворимых сахаров, чем лес, доставленный другим путем, и что в процессе выдерживания древесины сахара могут вымываться из нее даже дождем.

В древесине, долго пролежавшей под водой, увеличивается количество золы и веществ, растворимых в горячей воде, но зато уменьшается содержание гемицеллюлозы.

Дэн и Зандерман доказали эффективность выдерживания древесной шерсти, изготовленной из свежесрубленной древесины. Древесная шерсть в их опытах улучшала свои свойства на протяжении 3 суток хранения; плиты, отформованные в день изготовления шерсти, через 14 суток твердения выдерживали разрушающую нагрузку, равную 31 кг; плиты, отформованные из той же шерсти, хранившейся в течение 1 суток, — 34 кг, 2 суток — 40 кг и 3 суток — 55 кг.

Поставленные во ВНИИНСМе опыты преследовали цель— выявить степень локализации экстрактивных веществ различных пород древесины при действии воды и воздуха. Исследования проводились по следующей методике. Часть древесной шерсти из наиболее распространенных у нас пород древесины (ель, сосна, береза, осина) промывали в течение 3 суток в проточной воде; другую же часть хранили в помещении лаборатории рыхлым слоем толщиной 40—50 см. Затем из той. и другой шерсти на цементе марки 400 Воскресенского завода были отформованы образцы фибролита объемного веса 400 кг/м 3 . Минерализацию производили раствором хлористого кальция концентрации 1,04. Все образцы испытывали через 1 сутки воздушно-сухого хранения (табл. 21).

Из табл. 21 видно, что промывание шерсти в воде является весьма действенным средством. Благодаря вымыванию водорастворимых веществ «з древесины прочность цементного фибролита резко возрастает, причем оказывается возможным получать фибролит и на древесной шерсти из осины.

Из рис. 19 следует, что древесная шерсть из сосны, ели и березы в течение 4 суток хранения значительно улучшает свои свойства, позволяя тем самым получать цементный фибролит с более высокой прочностью. На пятые сутки и в дальнейшем свойства шерсти не улучшались. Выдержанная сосновая шерсть показала себя не менее пригодной, чем еловая. Образцы на древесной шерсти из березы показали в 2 раза меньшую прочность, чем на шерсти из ели и сосны. На шерсти из осины за 1 сутки твердения, независимо от сроков выдерживания, вообще не удалось получить фибролита.

Однако, несмотря на действенность физических методов обработки древесины (по крайней мере таких пород, как ель, сосна, пихта), осуществление их на практике нередко затруднительно. Для длительного хранения древесины требуются большие складские площади и ряд других сложных мероприятий, промывка же водой и естественная выдержка древесной шерсти технически трудно реализуются при сколько-нибудь значительных объемах производства.

40 лет было испробовано большое количество различных приемов химической обработки древесины, применяемых как самостоятельно, так и в комбинации с теми или иными способами физической обработки. Так, например, в Англии предложен способ, включающий 10-минутное кипячение древесных частиц, промывку их в воде, кипячение в 20°/о-ном железном купоросе и снова промывку в чистой воде. Смысл этой довольно сложной операции, по данным Саретока, заключается в том, чтобы промыванием в горячей воде удалить водорастворимые сахара и после этого осадить при помощи сульфата железа танниды. Предлагается также длительное (в течение 5—24 час.) вымачивание древесных частиц в жидком стекле с последующим их промыванием в воде и просыханием. Один из способов предусматривает кипячение древесных частиц в растворе буры, далее обезвоживание в центрифугах, после этого 2-часовую обработку в кипящем растворе хлористого железа и затем в растворе уксусно-кислого глинозема.

Все сложные способы обработки древесных частиц не выдержали испытания временем и были вытеснены более простым способом: обычной пропиткой (минерализацией) древесных частиц одним каким-либо раствором, непосредственно перед смешиванием этих частиц с цементом.

Ваврин рекомендует применять в качестве минерализатора древесных частиц 4—10%-ный раствор хлорной извести либо глиняное молоко. Карлсон для нейтрализации цементных ядов предлагает также пропитывать древесные частицы в течение 5—10 мин. раствором хлорной извести с концентрацией 1—2%. Паркер указывает на возможность минерализации древесных частиц щелочными растворами (NaOH, КОН), но тут же указывает на недостатки такой обработки — древесина разрушается щелочью с выделением дополнительных количеств экстрактивных веществ; в случае применения древесных частиц хвойных пород Паркер рекомендует к цементу добавлять известь в количестве 1/3—1/2 от его объема. Возможность обработки древесных частиц известью подтверждена и работами Графа. Котарский в качестве минерализатора применял смесь извести и сульфата, не указывая, однако, какого именно сульфата.

В Германии, по данным Федорова, были опробованы следующие минерализаторы: известковое и цементное молоко, жидкое стекло, хлористый кальций, коллоидные взмученности, железный купорос, флюат магния, фтористые соли магния, сернокислый магний, фосфорно-кислый магний, медный аммиак и др. Однако на практике там применяют только растворы хлористого кальция и жидкого стекла. Эти два минерализатора (или по крайней мере один из них — хлористый кальций) наиболее распространены при производстве цементного фибролита и в других европейских странах.

На некоторых зарубежных производствах применяют патентованные минерализаторы, состав которых засекречен. Однако Сареток считает, что все эти патентованные средства представляют собой не что иное, как смеси тех или иных солей.

В современной литературе нет данных, которые точно объясняют механизм действия многих минерализаторов. Поэтому их можно в этом отношении классифицировать лишь весьма условно.

Имеется группа локализующих средств, воздействие которых основано на окислении, например хлорная известь (CaCl₂O) и перманганат калия (KMnO₄). К средствам, обезвреживающим древесину путем создания непроницаемой пленки на ее поверхности, можно отнести жидкое стекло. К средствам, действующим физико-химическим путем, относятся сернокислый глинозем, известь, коллоидные взмученности, глина. Пропитывающими средствами, действующими химическим путем, являются сульфат железа, флюат магния, медный аммиак и др.

Выявление оптимальных минерализаторов

Первым в Советском Союзе вопросами минерализации занимался Резников. Изучая в качестве минерализатора жидкое стекло и хлористый кальций, он пришел к выводу, что хлористый кальций обеспечивает наивысшую, по сравнению с жидким стеклом, прочность цементного фибролита.

Для проведения опытов по изысканию оптимального минерализатора во ВНИИНСМе были выбраны: сернокислый глинозем (минерализатор, не применявшийся ранее), сода и сульфат натрия. В качестве контрольных минерализаторов применяли жидкое стекло и хлористый кальций. Использовалась выдержанная еловая шерсть и цемент Белгородского завода марки 400.

Результаты испытания образцов фибролита объемного веса 350 кг/м 3 1- и 28-суточного возраста, приведенные в табл. 22, позволяют считать, что лучшими из испробованных минерализаторов являются сернокислый глинозем и хлористый кальций.

В целях изыскания новых минерализаторов во ВНИИНСМе изучали также действие сильных окислителей — пергидроля, марганцово-кислого калия, хлорной извести. Минерализаторы-окислители применялись при изготовлении образцов одновременно с добавкой сахарозы к цементу в размере 0,1 и 0,5% от его веса. Это делалось с целью выявления локализующего действия окислителей по отношению к сахарам древесины. Древесную шерсть обрабатывали растворами окислителей с концентрацией 1,02. Образцы испытывали через 1 сутки и 3 суток твердения. Применяли выдержанную еловую шерсть и цемент Белгородского завода марки 400. Фибролит имел объемный вес 350 кг/м 3 .

В результате проведения этих опытов обнаружилось, что окислители и хлористый кальций при обычной минерализации (кратковременное окунание или обрызгивание) не способны противостоять отравляющему действию сахаров по отношению к цементу. Только жидкое стекло и сернокислый глинозем, взятые в качестве контрольных минерализаторов, показали хорошие результаты.

Способность сернокислого глинозема и жидкого стекла обезвреживать древесину была подтверждена следующей серией опытов, где применяли древесную шерсть, изготовленную из выдержанной и свежесрубленной древесины ели, березы и осины.

Если образцы фибролита объемного веса 350 кг/м 3 , изготовленные на хлористом кальции и свежей шерсти, показали в большинстве случаев через 1 сутки твердения в естественных условиях крайне незначительную прочность или дали брак, то такие же образцы на сернокислом глиноземе и жидком стекле за тот же период твердения показали высокую прочность (табл. 23).

Необходимо было также выяснить, не уменьшает ли сернокислый глинозем и жидкое стекло конечную прочность цементного фибролита. Для этого были поставлены опыты, где образцы фибролита объемного веса 350 кг/м 3 , изготовленные на выдержанной еловой шерсти и на цементе Белгородского завода марки 400, твердели в естественных условиях в течение 1, 2, 3, 7, 14 и 28 суток (рис. 20). Эти образцы изготовлялись с применением трех минерализаторов — хлористого кальция, жидкого стекла и сернокислого глинозема.

Первые сутки твердения являются наиболее показательным и одновременно решающим периодом для вызревания плит цементного фибролита. В течение первых суток в основном заканчивается взаимодействие древесины с цементом, происходит формирование структуры материала и достигается распалубочная прочность. Из рассмотрения рис. 20 видно, что прочность фибролита, минерализованного сернокислым глиноземом, через 28 суток несколько уменьшается (на 10—12%) по сравнению с прочностью фибролита, изготовленного с применением хлористого кальция. Однако по темпам твердения в ранние сроки (1—3 суток) сернокислый глинозем показал лучшие результаты. Жидкое стекло обеспечивает быстрое твердение фибролита в ранние сроки, но конечная прочность образцов при этом почти в два раза уменьшается по сравнению с прочностью фибролита, (минерализованного хлористым кальцием.

Таким образом, опыты показали, что хлористый кальций позволяет получить плиты высокого качества только в случае использования древесной шерсти из выдержанных хвойных пород, в то время как жидкое стекло и сернокислый глинозем дают возможность использовать древесину любой породы и с любой степенью выдерживания.

Для выявления характера влияния хлористого кальция и сернокислого глинозема на древесные сахара, танниды и терпены, а также характера влияния составных частей древесных экстрактов на цемент в присутствии минерализаторов, в ВНИИНСМе были поставлены специальные опыты.

Образцы размером 3x3x3 см изготовлялись из теста нормальной густоты цемента Белгородского завода марки 400. В тесто вводили добавки с одним из указанных выше веществ в количестве от 0,05 до 0,5%. Тесто затворялось водой, а также растворами хлористого кальция или сернокислого глинозема с удельным весом 1,03. Образцы испытывали через 3 и 28 суток твердения в воздушно-сухих условиях. Результаты испытаний приведены в табл. 24.

Из данных табл. 24 можно сделать следующие выводы:

• а) наиболее опасной для цемента является сахароза; менее опасны ксилоза и глюкоза;
• б) глюконат кальция отравляет цемент в значительно меньшей степени, чем глюкоза;
• в) танниды и терпены (скипидар) являются замедлителями твердения цемента;
• г) хлористый кальций является хорошим нейтрализатором дубильных веществ, но слабо противостоит стабилизирующему действию сахаров;
• д) небольшие добавки компонентов экстрактивных веществ древесины (до 0,075%) способны увеличивать прочность цементного камня во все сроки твердения;
• е) сернокислый глинозем является сильным, обезвреживающим сахара средством.

Механизм локализации древесных частиц сернокислым глиноземом, по-видимому, заключается в том, что сахара, с одной стороны, в результате воздействия сернокислого глинозема частично переводятся в безвредные для цемента вещества и, с другой стороны, адсорбируются на поверхности дисперсных частиц глинозема, что и предотвращает попадание сахаров в цемент. Помимо того, что жидкое стекло воздействует на древесные сахара своей щелочной составляющей, оно еще образует при минерализации на поверхности древесных частиц пленки кремневой кислоты, которые препятствуют прониканию экстрактивных веществ в цемент. Хлористый кальций, осаждая танниды, также производит некоторое локализующее действие.

Большинство минерализаторов, в том числе хлористый кальций, жидкое стекло и сернокислый глинозем, являются ускорителями схватывания м твердения цемента. Благодаря ускорению процесса схватывания сокращается период взаимодействия ядов с цементом, а вследствие ускорения и активизации твердения цемента более успешно преодолевается стабилизирующее действие экстрактивных веществ.

Для уточнения характера действия хлористого кальция жидкого стекла и сернокислого глинозема на цемент были предприняты электронно-микроскопические исследования.

На рис. 21 показаны фотографии препаратов гидратированного цемента (24 часа гидратации при t=30°) с оптимальными (1—1,5%) и завышенными против оптимальных (3—3,5%) добавками хлористого кальция и жидкого стекла. На рис. 22 представлены снимки препаратов хлористого кальция с концентрацией 1,04 и жидкого стекла с концентрацией 1,05.

На снимках препаратов цемента с завышенным содержанием хлористого кальция и жидкого стекла (рис. 21, а и б) просматриваются зерна цемента, окруженные по всему полю-полупрозрачным аморфным веществом, представляющим со бой в одном случае гель кремневой кислоты, в другом — хлористый кальций (см. рис. 22, а и б). Не говоря уже об отсутствии в поле зрения кристаллических прорастаний, совершенно не наблюдается следов гидратации, обычно выявляемой до изъеденным поверхностям зерен цемента. Рис. 21, а и б показывают, что цемент сильно отравлен.

При гидратации цемента с добавкой жидкого стекла оптимальной величины (рис. 21,в) наблюдаются зерна со слабо изъеденными поверхностями и ромбические кристаллы в небольшом количестве; кроме того, просматривается полупрозрачная масса, по-видимому, представляющая собой гель кремневой кислоты жидкого стекла.

На снимках препаратов гидратированного цемента с оптимальным содержанием хлористого кальция (рис. 21,г) по всему полю видны скопления кристаллов, причем следы аморфной массы очень незначительны.

Большая прочность фибролита на хлористом кальции по сравнению с фибролитом на жидком стекле объясняется, по-видимому. тем, что гель кремневой кислоты жидкого стекла препятствует гидратации цемента. Полученные в результате этих исследований данные показывают также, что избыток минерализатора ведет к сильному замедлению, а иногда к полному прекращению процессов гидратации.

Как видно из приведенной выше табл. 23, использование в качестве минерализатора сернокислого глинозема позволяет получать фибролит удовлетворительного качества на таком виде древесного сырья, на котором в случае применения хлористого кальция фибролит вообще трудно получить, например на древесной шерсти из невыдержанной осины, но минерализация сернокислым глиноземом неизбежно сопряжена с повышением содержания SO₃ в цементе.

На 1 м 3 фибролита объемного веса 350 кг/м 3 требуется 170 л раствора сернокислого глинозема с концентрацией 1,03. В этом количестве раствора содержится 11,2 кг сернокислого алюминия, в том числе 1,44 кг окиси алюминия и 3,32 кг ангидрида серной кислоты. Эти добавки при расходе 220 кг цемента на 1 м 3 фибролита в предположении того, что примерно 1/3 количества раствора сернокислого глинозема попадает в цемент (остальное поглощается древесной шерстью), составляют в пересчете на гипс около 1,5% к весу цемента. Таким образом, при использовании в качестве минерализатора сернокислого глинозема в цемент вводится значительное количество гипса.

Для изучения действия сернокислого глинозема на цемент в присутствии сахаров были предприняты специальные электронно-микроскопические исследования. Попутно предстояло выяснить, имеются ли различия в действии различных видов сахаров на цемент. Исследования были начаты с рассмотрения под электронным микроскопом исходных веществ: сернокислого глинозема, сахаров и цемента.

Сернокислый глинозем (рис. 23, а) представляет собой аморфную массу, располагающуюся по препарату неравномерным слоем. Фотографии свидетельствуют о большой дисперсности этого вещества. Рассмотрение препаратов глюкозы (рис. 23, б) и глюконата кальция (рис. 23, в) не показало различия между ними. Видно лишь аморфное вещество, на фоне которого располагаются зерна различной величины, кристаллов же правильной формы не наблюдается. Несколько по-иному выглядит препарат сахарозы (рис. 23, г).

Для электронно-микроскопических исследований использовался цемент Белгородского завода марки 400. Препарат этого цемента двухчасовой гидратации интересен тем, что на нем удалось увидеть некристаллические новообразования цемента (продукты гидратации), которые как бы вытекают из гидратирующегося зерна (рис. 24, а).

Наблюдается полная гидратация цемента суточного твердения, препарат сплошь покрыт кристаллами различной формы, негидратированных зерен не видно (рис. 24, б). Препараты цемента 3-суточной гидратации (рис. 24, в) показали ту же картину.

Прежде чем перейти к изучению действия добавки сернокислого глинозема на цемент, изучалось действие на него сахаров. Из рассмотрения препаратов (рис. 25 и 26) создается впечатление, что действие сахарозы на цемент с точки зрения замедления процесса гидратации проявляется более сильно,нежели действие глюкозы; явления стабилизации на препаратах цемента с добавками сахарозы наблюдаются более явственно.

На препарате с добавкой сахарозы (рис. 25) видны гидратированные зерна цемента, в то время как препарат цемента без добавок в этот же срок твердения выглядит совершенно иным образом (см. рис. 24, б). Хотя вид препарата цемента с добавкой сахарозы 3-суточной гидратации говорит о том, что замедляющее действие сахара за этот срок преодолено, все же в поле зрения также наблюдаются негидратированные зерна (рис. 25, д). Препараты цемента с добавкой сернокислого глинозема представляют собой необычную картину.

На рис. 26, а показан препарат, взятый из пробы новообразований, полученных в результате взаимодействия сернокислого глинозема с цементом через 2 часа гидратации (серая масса в растворе над цементом). Это скопление частиц, по нашему мнению, состоит из зарождающихся кристаллов гипса (палочкообразные частицы) и кристаллов гидрата окиси кальция (круглые частицы). Действительно, проба, взятая из этих же новообразований, через 2 суток гидратации подтверждает такое предположение (рис. 25, б); на этом препарате видны скопления крупных кристаллов гипса. Добавка к цементу сернокислого глинозема вместе с сахарозой вызвала появление веществ, просматриваемых под микроскопом в виде тонких пленок (рис. 26, в) и полупрозрачных кристаллов (рис. 26, г и д).

Препарат суточной гидратации цемента с добавками сахарозы и сернокислого глинозема (рис. 26, г) совершенно не похож на препарат цемента того же срока твердения с одной добавкой сахарозы (см. рис. 25, г). На препаратах цемента, содержащего наряду с сахарозой также и добавку сернокислого глинозема, не наблюдается эффекта стабилизации. Наоборот, в поле зрения много кристаллов и очень мало негидратированных зерен; особенно много кристаллов гипса, что не характерно для препаратов цемента без добавок сернокислого глинозема.

Таким образом, проведенные электронно-микроскопические исследования наглядно показали процессы, происходящие при гидратации цемента с добавками сахаров и сернокислого, глинозема.

Источник