Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса (литературный обзор) 8
1.1. Структура древесных композиционных материалов, роль компонентов в жесткости композиции и подход к решению задачи об упругих свойствах 8
1. 2. Минеральные вяжущие, их значение и классификация 12
1.3. Гипотеза механизма взаимодействия водорастворимых веществ древесины с цементом 16
1.4. Влияние органических и минеральных добавок на процесс гидратации цемента 17
1.5. Действие водорастворимых веществ древесины на процессы структурообразования в цементном тесте 30
1.6. Структура межфазного слоя 30
1.7. Характеристика наполнителя 31
1.8. Влияние когезии на свойства композиционных материалов 33
1.9. Роль адгезионного взаимодействия в формировании композиционных материалов 34
1.10. Влияние физико-механических показателей компонентов на свойства композиционных материалов 35
1.11. Основы рационального конструирования композиционных плит 36
1.12. Эксплуатация и свойства цементно-стружечных плит и условия их применения 41
Глава 2. Теоретические предпосылки к исследованиям структуры цементно-стружечных плит 48
2.1. Теоретические основы образования макроструктуры цементно-стружечных плит 48
2.2. Теоретические предпосылки к исследованию микроструктуры цементно- стружечных плит 54
Глава III. Методика исследования 67
3.1. Производственные материалы 67
3.1.1. Древесина 67
3.1.2. Портландцемент 68
3.1.3. Химические добавки: Жидкое стекло, Сернокислый алюминий 69
3.1.4. Вода 70
3.2. Определение насыпной плотности плоской стружки 70
3.3. Определение доли различных фракций в общей массе стружки 71
3.4. Определение максимальной объемной доли наполнителя 71
3.5. Определение пространства между частицами наполнителя 73
3.6. Определение геометрических размеров плоской стружки 74
3.7. Нахождение оптимального фракционного состава плоской стружки для получения пространства между частицами 74
3.8. Методика изготовления цементно-стружечной плиты 75
3.9. Определение физико-механических показателей цементно-стружечных плит 76
3.9.1. Определение плотности 76
3.9.2. Определение водопоглощения и разбухания 77
3.9.3. Прочность на статический изгиб 78
3.9.4. Определение прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты 79
3.10. Статистическая обработка результатов эксперимента по измерению частиц 79
3.11. Эксперимент и описание факторов варьирования 81
Глава IV. Экспериментальная часть 86
4.1. Цели и задачи исследования 86
4.2. Исследование фракционного состава плоской стружки 87
4.3. Определение насыпной плотности плоской стружки 92
4.4. Определение максимальной объемной доли наполнителя 93
4.5. Определение пространства между частицами при различных, степенях уплотнения пакета 96
4.6. Исследование зависимости прочностей ЦСП от толщины стружки и ее ориентирования 98
4.7. Определение оптимального фракционного состава плоской стружки 101
4.8. Выбор диапазона варьирования факторов в однослойной плите 102
4.9.Исследование оптимального состава трехслойной плиты 120
Заключение 135
Список использованной литературы 138
- Гипотеза механизма взаимодействия водорастворимых веществ древесины с цементом
- Теоретические предпосылки к исследованию микроструктуры цементно- стружечных плит
- Нахождение оптимального фракционного состава плоской стружки для получения пространства между частицами
- Определение пространства между частицами при различных, степенях уплотнения пакета
Введение к работе
Иран расположен в восточной части пояса Переднеазиатских нагорий и занимает большую часть Иранского нагорья и Юго-Восточную часть Армянского нагорья. Свыше Уг поверхности Ирана занято горами. В составе североиранских гор выделяется гора Эльбрус. На северных склонах Эльбруса растут широколиственные леса из бука, граба, каштано-листного дуба, ольхи, осины. Последние породы используются в деревообработке Ирана весьма ограничено. В связи с этим в данной работе предлагается использование этих пород в производстве плит.
Одним из основных способов получения материалов с заданными свойствами является создание композиций на основе широкоиспользуемых в практике веществ (минеральных вяжущих, полимеров и т.п.) и различных ингредиентов природного и синтетического происхождения (песок, отходы деревообработки и сельскохозяйственного производства, сажа и т.п.). Необходимым требованием комбинирования различных компонентов является создание нового материала более сложной структуры и с новым комплексом свойств при сохранении индивидуальности каждого компонента.
Создание композиционных материалов преследует две цели: во-первых, удешевление материалов, получаемых на основе тех или иных веществ, и, во-вторых, придание этим материалам желательного комплекса свойств, в частности, повышенной прочности, жесткости, теплостойкости и т. п. Следует сразу обратить внимание на то, что никогда не удается достичь всех указанных положительных свойств в одной композиции. Более того, достижение тех или иных желаемых свойств системы часто сопровождается и появлением отрицательных явлений, например, затруднениями в переработке композиции, что резко осложняет получение из них изделий, нежелательно изменяет некоторые физико-механические показатели системы и т. п.
Регулирование свойств таких систем как цементно-стружечная плита может осуществлена различными путями. В частности, особо не изученной проблемой является структура ЦСП.
Структура ЦСП - это совокупность устойчивых связей ее частиц, обеспечивающих целостность и тождественность плиты самой себе, что предполагает сохранение основных свойств при различных внугренних и внешних изменениях.
Композиционный материал - это гетерогенная система, состоящая из двух или более компонентов, взаимодействие которых на границе раздела фаз приводит к образованию межфазного слоя, придающего материалу новые свойства при сохранении индивидуальности каждого компонента.
Тогда древесными композиционными материалами могут быть названы материалы, состоящие из древесины или ее частиц, и одного или нескольких других компонентов (полимера, минерала и т.д.), между которыми имеется граница раздела и адгезионное взаимодействие. Согласно этому определению, к древесным композиционным материалам относят матрицы, наполненные древесиной в различных ее видах. В этом случае связующее выполняет роль матрицы, в которую заключен механический каркас из древесного материала. Такое наполнение придает древесному композиционному материалу особые механические свойства: высокую прочность при относительно малой плотности, что достигается благодаря свойствам армирующей древесины. В композиции с матричным веществом она образует прочную и жесткую структуру. Роль матрицы в композиционных материалах различна. Заполняя поры и пустоты древесины, матрица придает ей стабильность формы при обсорбции и десорбции влаги, а элементом, воспринимающим нагрузки, является наполнитель — древесина.
Сочетание многочисленных видов древесных наполнителей с различными матрицами позволяет получить композиционные материалы, число которых с учетом различных пород древесины, варьирования плотности, ориентации частиц, глубины пропитки и других факторов может достигать десятков тысяч. В композиционных материалах в качестве наполнителя используют отходы других производств (опилки, дробленку, крошку, и др.). Это позволяет создать реальные условия перевода деревообрабатывающих предприятий на работу по малоотходным и безотходным технологиям.
В связи с этим, целью работы явилось установление оптимальной-структуры ЦСП, позволяющей направленно регулировать физико-механические показатели. Задачи решались на макро- и микроуровнях. 1-Исследование макроструктуры ЦЄП:
-установление оптимального фракционного состава стружки в системе ЦСП;
-определение максимальной доли упаковки частиц и пространство между частищши;
-исследование макроструктуры ЦСП на всех стадиях ее изготовления. 2-Исследование структуры ЦСП на микроуровне: -исследование образования межфазного слоя; -исследования влияния редуцирующих веществ на свойства ЦСП.
Гипотеза механизма взаимодействия водорастворимых веществ древесины с цементом
В древесной стружке, по данным отечественных и зарубежных исследователей, при смешивании с цементом древесные частицы вступают во взаимодействие [34,65,8,19,20,25,27,28].
В связи с комплексным характером обоих веществ взаимодействие древесины и цемента в водной суспензии вызывает большое число реакций. -Органическое вещество (древесина) и неорганическое гидравлическое вяжущее (цемент) антагонистичны по своей природе. Под действием сильнощелочной жидкой фазы цемента разлагаются и растворяются определенные вещества древесины. Эти вещества уменьшают скорость схватывания, а при достаточной концентрации препятствуют всякому образованию продуктов гидратации в цементе. Пока нет возможности точно установить, чем вызвано это замедление схватывания: компонентами самой древесины или возникающими продуктами ее разложения. Выяснение этих процессов значительно затруднено тем, что, во-первых, вплоть до настоящего времени нет полной ясности о механизме процессов схватывания и твердения цемента и, во-вторых, неизвестна структура многих компонентов древесины, влияющих на процессы схватывания и твердения цемента.
При анализе действия на древесные образцы, пятидесятикратно приведенные в контакт с цементом, [28,30] обнаружены сильные повреждения древесины портландцементом в присутствии воды. Путем интенсивного выщелачивания древесины водными растворами портландцемента было достигнуто значительное разложение древесины. При этом общая потеря массы древесины составляла около 6%. Одновременно исследователи наблюдали значительное уменьшение щелочности раствора, которое они объясняют возникновением органических кислот из углеводов под действием быстро переходящей в раствор гидроокиси кальция.
В свою очередь, в силу антагонистичности составляющие компоненты древесины отрицательно влияют на цемент. К веществам, оказывающим такое воздействие, относятся, в первую очередь, сахара, кислоты, дубильные вещества, камеди, фенолы и хиноны. Мономерные сахара (например, глюкоза, ксилоза, сахароза и дериваты глюкуроновой и аскорбиновой кислот) в небольших количествах в растворе (до 0,125%) улучшают процессы схватывания, а при концентрациях 0,25% исключают всякое схватывание цемента. Возникающий из глюкозы сорбит менее вреден, чем сам сахар, а многоатомные спирты, глицерин и пентаэритрит в малых концентрациях даже улучшают качество затвердевшего цементного камня[64,65].
Многие химические добавки изменяют картину гидратации цементного теста через механизмы, которые не совсем понятны. Сахар долго был известен как замедлитель схватывания и гидратации цемента. Эффект, который был обнаружен совсем случайно, когда оказалось , что цемент, хранящийся в старых сахарных мешках, не смог гидратировать должным образом [741. С такими же проблемами сталкивались при бетонировании пола, загрязненного следами сахара, на кондитерской фабрике в цехе леденцов [69]. Сейчас уже известно , что много типов моносахаров и крахмалов замедляют гидратацию и схватывание цемента вместе с некоторыми водными средствами, содержащими разные лигносульфонаты. Эффективность действия Сахаров на цемент различна. Кроме того, увеличение количества сахара уменьшает скорость гидратации цемента.
Действительно, что сахар и экстрактивные вещества замедляют гидратацию цемента в любом случае. Известно также, что температура ускоряет процесс гидратации цемента. При изучении влияния температуры на гидратацию цемента в присутствии 1%глюкозы авторы [75] установили, что скорость образованной структуры цементного теста резко увеличивается. При 20С степень гидратации становится такой же но в более поздние время (до 3 месяцев и более). По данным литературы [75] на рис. 1.1 и рис. 1.2 приведены полученные ими результаты.
При повышении температуры до 40С длительность этого процесса резко сокращается. На рис. 1.1 приведены кривые изменения степени гидратации цемента, затворенного водой и содержащего 1% глюкозы при температурах 20С ,30С и40С\ Результаты изотермической колорометрии при температуре 20 С и 40 С приведены на рис. 1.2.
Как следует из калориметрических кривых, в течение времени гидратации при температуре 20 С в присутствии сахара не даст никаких пиков при выделении тепла в течение первых десяти суток, кроме начального растворения ионов (образцы испьггывались в течение 10 суток ,но результаты ,приведенные на графиках, характеризуют процесс за 1сутки).Таким образом ,при температуре 20С, сахар замедляет гидратацию цемента во всех фазах. Исследуя изотермическую кривую гидратации цемента при температуре 40С, (рис. 1.2.6) можно видеть, что она дает 2 пика со значительным перерывом во времени.
Теоретические предпосылки к исследованию микроструктуры цементно- стружечных плит
Процесс гидратации цемента весьма сложное явление, до конца еще не изученное. В случае его совмещения с древесиной оно еще более осложняется из-за выделения древесиной легкогидролизуемых моносахаров. В связи с этим изучением микроструктуры ЦСП решено было проводить, руководствуясь литературными исследованиями, полученными учеными в разное время и данными электронномикроскопического анализа, полученного нами (увеличение в 50000 раз). Известно, что химико-минералогический состав клинкера и его структура состоит из следующих компонентов (%):
В портландцементном клинкере различают четыре основных минерала ; алит - C3S, белит - C2S, алюминат кальция - С3А и алюмоферрит калышя-GtAF. Общее содержание силикатов кальция C3S и C2S составляет около 75%. Помимо кристаллических минералов в клинкере содержится клинкерное стекло-5....18%, состоящее из оксидов CaO, А1203, Fe203MgO, Na20, К20 и др.
Твердение цемента - образование микроструктуры — сложный процесс, и в полной мере еще не изучен. Но тем не менее бесспорно, что первая стадия твердения начинается с момента объединения неорганического вяжущего с водой с образованием суспензии и пасты определенной концентрации.
В возникшей системе немедленно начинают протекать деструкционные процессы с неполным или полным разрушением самих частиц вяжущего и их переход в воду. При растворении происходит, во-первых, распад растворяемого вещества до размера молекул с последующим молекулярным взаимодействием и изменением молекулярной структуры раствора, во-вторых, протеканием определенных химических реакций. Наиболее типичным выражением последних является ионная реакция, поскольку ей лредшествует расщепление молекул вяжущего на положительные и отрицательные ионы.
В результате процесса гидролиза и гидратации цементного клинкера формируется новая кристаллическая структура, а также аморфизированные гидратные фазы. В системе особенно широко представленны гидросиликаты кальция. Их высокодисперсные субмикрокристаллы волокнистой формы размером 1.10 —1.10"74 составляют гелевую часть отвердевшего вяжущего, Сростки кристаллогидратов в этой формирующейся микроструктуре образуют либо непрерывную пространственную сетку, как остов цементного камня, либо они более или менее распределены в гелевой части.
Трехкальциевый алюминат (СазА)в процессе взаимодействия с водой образует осадок в виде кубических кристаллов гексональной формы Са2А12Ні20б. В среде со значительным содержанием Са(ОН)2 однокальциевый гидроферрит вступает в химическую реакцию: CaH2.Fe2O5+3CaOH2+10H2O с образованием гидратного соединения Ca4H28.Fe202b имеющего игольчатую форму.
На рис.2.2а и 2.26 представлен микроснимок, полученный с увеличением в 50000 раз цемента, затворенного водой через сутки .На нем можно видеть образование кристаллов игольчатой формы. Как видно, эти кристаллы однокальциевого гидроферрита. На этом же снимке можно заметить начало образования кристаллов гидрата алюмината, имеющего гексональную форму. Отростки стреловидной формы (очевидно, это начало зарождения кристаллов гидроалюмината).
Структура цементного камня в возрасте 4 суток (рис.2.3а и 2.36) имеет большое различие с 1-суточной структурой. Здесь в основном присутствуют отростки в поперечном сечении, имеющие квадратную форму, характерную для растущего гидроалюмината. Кроме того, здесь можно заметить присутствие гидросиликатов кальция в виде вытянутых волокнистой формы субмикрокристаллов [76].
К 10—дневному возрасту (рис.2.4а и 2.46) формируется кристаллическая (сросшиеся между собой кристаллы) и гелевая часть цементного камня. Сростки кристаллов более или менее распределены в гелевой части. Гидросиликаты здесь занимают объем в количестве 70-75%. На снимке видны еще пространства (темные пятна ), где находится, по-видимому ,вода, еще не вступившая в реакцию.
Сравнительные данные образцов цемента, затворенных раствором с 1% глюкозы приведены на рис. 2.5 ,2.6 ,2.7. Анализ рис. 2.5а и 2.56, полученный через 1 сутки, показывает, что введение в цементную систему 1%глюкозы вызывает значительное изменение хода гидратации и кристаллизации. Видимо, в этом случае, как считают многие исследователи (Ребиндер П.А.[53,55] , Адамович[2] и др.), происходит адсорбция глюкозы на поверхностях клинкера. Темные вьвделяющиеся пятна, вероятнее всего, свидетельствуют о наличии воды в системе. На рис. 2.6.а и 2.6.6 представлен микроснимок цемента, затворенного с 1%глюкозы в возрасте 4 суток. Если сравнить рис.2.3а , 2,3.6 и 2.6.а ,2.6.6, можно заметить , что структура цемента сильно изменилась под влиянием глюкозы. Если под действием воды кристаллы гидроалюмината имеют в основном вид вытянутых сростков кубической формы, то под действием 1%глюкозы картина структуры цементного камня сильно изменилась. Само цементное тесто уплотнилось, появилось много новых кристаллов различной формы, кристаллогидраты стали меньшей длины. Некоторые трубчатые кристаллы в поперечном сечении стали треугольными. Видимо, эти кристаллы являются трехкальциевыми гидроалюминатами.
Нахождение оптимального фракционного состава плоской стружки для получения пространства между частицами
Для этого необходимо задаться определенным процентным соотношением стружки по фракциям. Стружку фракционируют на ситовом анализаторе и после этого каждую фракцию выкладывают на отдельный лист бумаги. Вся масса стружки принимается за 100%.Отсюда можно определить % содержание каждой фракций, зная ее массу. При этом необходимо и количество стружки брать постоянным фракции 3/2 и 10/7, а фракции 5/3 и 7/5 будут изменять свое процентное соотношение. Исходя из этого, получается 9 группы опытов.
Путем взвешивания находим заданную массу стружки каждой фракции. Потом полученную массу перемешиваем и осуществляем наполнение колбы методом свободного падения для определения насыпного объема Эта операция продельшается пятикратно для нахождения среднего объема. Затем рассчитывается средняя насыпная плотность, средняя максимальная объемная доля и среднее пространство между частицами. Из трех средних минимальных расстояний между частицами находим самое низкое и смотрим процентное соотношение, при котором это значение получилось. Это процентное соотношение стружки и будет оптимальным.
Расчет компонентов цементно-стружечной плиты в соответствии с рецептурой производится с учетом размеров прессуемой плиты. Химические добавки вводятся в цементно-стружечную смесь в виде растворов. Чтобы подсчитать количество воды для приготовления рабочих растворов химикатов, используют формулу: где g - количество воды для доведения раствора до нужной концентрации; Q -количество раствора; К1,К2- концентрация растворов до и после разбавления.
Взвешивание стружки и цемента производится на торговых весах. Смешивание компонентов осуществляется в смесителе в следующей последовательности: подача стружки, подача воды, введение раствора.J-: сернокислого алюминия, перемешивание, введение раствора жидкого стекла, . перемешивание, подача цемента, перемешивание. Готовая смесь выгружается из -смесителя. Формирование плиты осуществляется в поддонах. Затем пакет ставится в гидравлический пресс, накрывается другим поддоном.
Прессование осуществляется в течение не более 3 минут до получения плит заданной толщины. Спрессованные в поддонах плиты зажимаются специальными фиксаторами и помещаются в термошкаф. Термообработка плит производится при t=80С и влажности не менее 60% в течение 12 часов.
После термообработки плиты освобождаются от поддонов, укладываются в штабель, закрываются полиэтиленовой пленкой и хранятся в помещении лаборатории при температуре не ниже 16С в течение 14-18 суток.
Сушка ЦСП осуществляется в термошкафе при температуре 100С до конечной влажности 12%, после чего из них изготавливаются образцы для испытания физико-механических свойств. Лабораторным путем получали ЦСП размером 300 300 11мм. Из каждой плиты изготовлялись образцы на испытание влажности, плотности, водопоглощения и разбухания размером (100 100) по 2 образца, на изгиб размером 250 75 мм и на сопротивление перпендикулярно пласта размером 50 50 мм.
Из полос вырезают образцы, равномерно расположенные по ширине плиты с минимальным расстоянием 40 мм между образцами, предназначенными для определения того или иного показателя. Образцы должны иметь прямые параллельные кромки и прямые углы. Предельное отклонение от нормальных размеров ±0.5 мм. На образцах не должно быть сколов кромок и выкрашивания углов, вмятин. Все образцы, кроме используемых, для определения влажности перед испытанием выдерживают при температуре 20±2С и относительной влажности воздуха 65±5% до момента достижения постоянной массы. Количество образцов от каждой отобранной плиты для всех испытаний равно 8, а для определения влажности 1.
Номинальный размер образцов для определения плотности, разбухания по толщине и влагопоглощения, влажности равны lOOxlOOxb мм. Допускается для этих видов испытаний использование образцов размерами 50х50хВ мм (в- толщина плиты).
Перед проведением испытания образцы кондиционируют по ГОСТ I0633 -73, затем взвешивают с точностью до 0.01 г и определяют линейные размеры. Толщину измеряют микрометром в предварительно отмеченных четырех точках. За толщину образца принимают среднее арифметическое значение результатов четырех замеров с точностю до 0.01мм для ширины и длины и с точностью до 0.001 для толщины . Длину и ширину измеряют в двух местах параллельно кромкам образца. За длину и ширину принимают среднеарифметическое значение результатов двух параллельных замеров сторон образца.
Определение пространства между частицами при различных, степенях уплотнения пакета
При сравнении свойств композиционных материалов с различными наполнителями для получения сопоставимых результатов следует пользоваться обобщенным параметром дисперсной структуры пространством между частицами А. Это пространство можно оценить расчетно-экспериментальным способом практически для всех частиц любой формы и систем с различным распределением частиц по размерам.
По методике, изложенной в п.3.5, находим значения А и строим графики зависимости пространства от фракционного состава и толщины при различных степенях уплотнения пакета.
График зависимости пространства между плоскими стружками от фракционного состава при различных степенях уплотнения пакета; К1, К2, КЗ
Анализируя данные графической зависимости, пространство между частицами увеличивается при увеличении размеров стружки, а при увеличении степени уплотнения пакета пространство между стружками уменьшается, а сами графики сглаживаются, превращаясь в прямые. Это означает тот факт, что плотность упаковки частиц выравнивается: более тонкие частицы занимают пустоты между более крупными. Поэтому графическая зависимость при коэффициентах уплотнения К=2 и К=3 выражается линейной зависимостью.
График зависимости пространства между частицами из шпона от ее толщины при различных степенях уплотнения пакета; Kl, К2, КЗ
Из анализа графика (рис. 4.8) видно, что при увеличении толщины .стружки пространство между частицами плавно уменьшается. Минимальная плотность упаковки частиц достигается при уменьшении толщины частиц, а также при увеличении степени уплотнения пакета в два и три раза значения насыпной плотности и, следовательно, объемной доли возрастает для каждой толщины частицы. Так, при наибольшей степени уплотнения (к=3) и значение объемной доли для оценки плотности упаковки будет наибольшей, при этом характере кривой сохраняется и будет таким же, как и для степени уплотнения к=1, то есть с увеличением толщины стружки фт будет возрастать и достигать своего максимального значения при самой крупной толщине 0,65мм.
Одним из важных факторов, который влияет на прочностные характеристики является толщина. Для того чтобы определить влияние этого фактора на прочность в объектом исследования выбраны плоские стружки из шпона, имеющие толщину 0,20мм, 0,35мм, 0,50мм, 0,65мм. Не менее важным фактором при исследовании структуры плиты является ориентирование частиц относительно осевого направления плиты. Исследовали продольное, поперечное и смешанное ориентирование. Формирование плиты осуществлялось вручную.
Далее исследовали размеры древесных частиц, введено понятие гибкость стружки (отношение длины к толщине ) и указано, что при увеличении гибкости до 150 увеличивается прочность при изгибе, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти снижается (рис. 4.9 и 4.10). Одновременно с увеличением удельной поверхности прочность при изгибе плиты возрастает и прочность при растяжении перпендикулярно пласти снижается.
