Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Ресурсы и характеристика низкокачественной древесины 8
1.2 Опилкобетон как стеновой строительный материал .13
1.3 Представления о природе, полимерном строении и составе жидких стекол .20
1.4 Технологии получения композитов на основе жидкого стекла, их преимущества и недостатки 24
1.5 Постановка целей и задач исследования 31
Глава 2 Характеристика свойств и методов исследования 34
2.1 Выбор компонентов 34
2.2 Характеристика и требования к сырьевым материалам .. 39
2.3 Методы исследования 45
Выводы по главе 2 46
Глава 3 Разработка состава КМОП 48
3.1 Порядок проведения эксперимента 48
3.2Влияние расхода суспензии жидкого стекла на свойства материала .54
3.3 Влияние крупности заполнителя на свойства бетона 61
3.4 Влияние добавки микрокремнезема на свойства жидкого стекла и характеристики бетона 68
Выводы по главе 3 71
Глава 4 Исследование эксплуатационной стойкости КМОП .72
4.1 Проведение рентгенофазового анализа 72
4.2 Электронная микроскопия КМОП 74
4.3 Морозостойкость КМОП 76
4.4 Изменение свойств КМОП при увлажнении и высушивании .91
4.5 Биостойкость КМОП 94 Выводы по главе 4 96
Глава 5 Технологические рекомендации по производству изделий из КМОП .98
5.1 Технология производства изделий из КМОП .98
5.2 Опытно-промышленные испытания 101
5.3 Технико-экономическая эффективность производства изделий из деревобетона 103
Выводы по главе 5 106
Основные выводы 107
Список используемых источников
- Представления о природе, полимерном строении и составе жидких стекол
- Характеристика и требования к сырьевым материалам
- Влияние добавки микрокремнезема на свойства жидкого стекла и характеристики бетона
- Изменение свойств КМОП при увлажнении и высушивании
Представления о природе, полимерном строении и составе жидких стекол
Ресурсы и характеристика низкокачественной древесины Характеристика и объемы древесных отходов, образующихся в процессе лесозаготовок, зависят от состава лесонасаждения, техники и технологии лесозаготовительного производства. Основными видами лесосечных отходов и тонкомерной низкокачественной древесины при рубках главного пользования являются: - сучья и вершинки, образующиеся после очистки деревьев сучкорезными машинами; - сучья, вершинная часть хлыстов от обработки габаритов пакета деревьев при вывозке древесины по дорогам общего пользования; - кусковые отходы стволовой древесины, образующиеся в процессе выполнения валки, трелевки деревьев и погрузки хлыстов.
Наибольшее количество лесосечных отходов образуется при технологическом процессе лесозаготовок с обрезкой сучьев и обработке габаритов пакета деревьев на лесосеке. Малоотходным технологическим процессом лесозаготовок является организация работ с вывозкой деревьев без обработки габаритов пакета деревьев на лесовозном транспорте. Отходы в этом случае составляют 5-7 % общего объема заготавливаемой древесины. При разработке древостоев машинным способом, особенно многоярусных, на лесосеке и на погрузочных площадках образуются кусковые отходы стволовой древесины в виде сломанных вершин, тонкомерных хлыстов. Объем такой древесины достигает 5-7 % общего запаса отводимой в рубку древесины[10].
Обобщающий термин «низкокачественная древесина» охватывает лиственные и хвойные круглые лесоматериалы, в том числе хлысты, которые по своим качественным показателям или размерной характеристике не соответствуют требованиям стандартов или технических условий на деловую древесину, но могут использоваться для получения деловых сортиментов путем дополнительной обработки или переработки, например, на короткомерные пиломатериалы, черновые заготовки, технологическую щепу и другую продукцию. Наиболее распространенным пороком древесины, по которому древесное сырье переводится в разряд низкокачественной древесины, является внутренняя гниль. По материалам обследования целого ряда лесозаготовительных предприятий, проведенного ЦНИИМЭ (таблица 1.1) , основным пороком, по которому древесина переводится в разряд низкокачественной, является внутренняя гниль.
Как видно из таблицы 1.1, основная часть низкокачественной древесины – это кряжи, пораженные внутренней гнилью, и лишь 15% имеют пороки формы ствола, сучковатость и др.
В связи с этим низкокачественная древесина подвержена быстрому разложению (гниению), особенно в летнее время, срок ее хранения на нижнем складе не должен превышать 3 месяца.
При определении направления использования низкокачественной древесины, выборе технологии и оборудования для ее переработки важно знать не только ее пораженность пороками, но и размерную характеристику, а также структуру распределения сырья по размерам. Объемный выход низкокачественной древесины зависит преимущественно от товарности и породного состава насаждений. По обобщенным данным лесозаготовительных предприятий, средний выход низкокачественной древесины составляет 27%.
Для повышения эффективности комплексного использования низкокачественной древесины необходима не только ее подсортировка по породам, степени пораженности гнилью, но и специальная подготовка. Так, для выработки технологической щепы необходимо придать сырью определенные размеры и удалить кору и гниль.
Поступающую в переработку низкокачественную древесину можно подразделить еще по виду центральной гнили в конечной ее стадии на две группы – пораженную деструктивной (трухлявой) гнилью и коррозионной гнилью[55].
При деструктивном процессе происходит равномерное растворение клеточных оболочек без образования в них крупных и мелких отверстий. В результате изменения объема клеточных стенок в них появляются многочисленные трещины, и она распадается на отдельные призматические кусочки. Помимо этого древесина становится трухлявой и легко растирается между пальцев в порошок. Характерной особенностью деструктивного гниения является также темно-коричневая окраска.
Коррозионный процесс гниения характеризуется образованием видимых простым глазом пустот в виде чечевиц, ямок. При этом процессе древесина сохраняет обычно свою вязкость.
Как показывает опыт переработки низкокачественной древесины на технологическую щепу, деструктивная гниль из-за ее особенностей при прохождении через рубительную машину измельчается на мелкие частицы, которые почти полностью (до 80-95 %) отсортировываются и удаляются вместе с отсевом. Коррозионная гниль, обладая вязкостью, хорошо перерабатывается в рубительных машинах, получаемые при этом частицы щепы сохраняют форму и размеры нормальной щепы, отличаясь лишь по цвету.
Характеристика и требования к сырьевым материалам
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.
Гекгозаны — 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 ксилан дает ксилозу, а арабан — арабинозу. Ксилан быстро, но все же не полностью, растворяется в щелочах; в воде ксилан сильно набухает[55].
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 негативно влиять при 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 тр.)
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 (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 фибролита, и других теплоизоляционных бетонов с древесным заполнителем[56].
Данные в отношении количественного содержания водорастворимых веществ в древесных породах, приведенные в различных лесохимических трудах, колеблются в значительных пределах.
Большое значение имеет то, из какой части дерева взята древесина; 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.
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[59].
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. Как видно, 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.
Влияние добавки микрокремнезема на свойства жидкого стекла и характеристики бетона
Диатомит применяется предварительно термически обработанным. Его использование в качестве сырья для получения вяжущего позволяет увеличить физические характеристики материала. Наибольшие показатели прочности и других физических свойств материала наблюдаются при использовании древесного заполнителя фракции 20-40мм.
В результате анализа раннее приведенных данных можно предположить, что наиболее подходящим составом для дальнейших исследований является следующий состав:
Выводы по главе 3
1. Для оптимизации состава КМОП использовался метод рационального планирования эксперимента. Получено уравнение регрессии, в котором рассматривается влияние на отклик (предел прочности на сжатие) двух переменных факторов, таких как: содержание древесного заполнителя, необожженного диатомита.
2. Доказано положительное влияние предварительной термической обработки диатомита для получения вяжущего. Предел прочности на сжатие увеличился на 12%, предел прочности на изгиб - на 13%.
3. Использование древесного заполнителя фракции 20-40мм в количестве не более 150кг, увеличивает прочностные и теплопроводящие свойства материала.
4. Установлено, что включение микрокремнезема в состав вяжущего приводит к увеличению прочностных характеристик.
Основное строительное назначение КМОП - кладка наружных стен здания. Наружные стены подвергаются различным физическим и природным воздействиям, выполняя при этом основные функции: теплоизоляционная, звукоизоляционная, несущая. Для выполнения этих функций на протяжении длительного периода времени, материал должен иметь достаточную долговечность, огнестойкость, а также обеспечивать защиту помещений от неблагоприятных внешних воздействий [53, 71].
Долговечность КМОП - способность сопротивляться все видам воздействующих на него факторов в процессе эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, воздействие воды и мороза, воздействие различных газов в атмосфере, солнечные лучи и т.д.
Рентгенофазовый анализ (РФА) применяется для идентификации фазового состава образцов, определения кристаллохимических параметров элементарных ячеек. Каждое кристаллическое вещество характеризуется атомным составом, кристаллической решеткой и расположением атомов в элементарной ячейке и поэтому дает специфическую рентгеновскую дифракционную картину. Получаемая в эксперименте рентгеновская дифракционная картина многофазного поликристаллического образца есть сумма рентгенограмм всех фаз, находящихся в образце. Дифракционной характеристикой вещества служит спектр значений межплоскостных расстояний d и относительных интенсивностей (I) отражений от этих плоскостей, полученной на монохроматическом излучении. Проводя индицирование линии рентгенограммы, можно получить точные данные о качественном составе исследуемого вещества. Применив специальные методы фазового анализа можно определить не только качественный, но и количественный фазовый состав. Интенсивность линий различных фаз на рентгенограмме зависит от многих факторов, в том числе и от количества той или иной фазы. С увеличением содержания фазы в смеси интенсивность принадлежащих ей линий возрастает. Уменьшение количества какой-то фазы может привести к практически полному исчезновению ее линий на рентгенограмме. Межплоскостные расстояния для различных неорганических фаз имеются в ряде справочников. Современные дифрактометрические базы данных составлены в электронном виде (PDF 2.0, PDF 4.0). Для обработки данных дифрактометрического анализа использовали комплекс программ PDWin 4.0, разработанный сотрудниками ОАО «Буревестник» (г. Санкт-Петербург).
Определение фазового анализа минералов (природных объектов) осложняется тем, что одна и та же линия на рентгенограмме может одновременно принадлежать нескольким фазам. Причем наиболее четко проявляются рефлексы тех компонентов смеси, которые составляют её основную массу.
Поскольку содержание оксида кремния подавляющее, то при экспериментальной обработке результатов сделана попытка отделить (вычленить) пики оксида кремния, для того чтобы рефлексы остальных присутствующих фаз проявились бы более четко. Поскольку характерные рефлексы имеют небольшую интенсивность и зачастую сливаются с линией фона, то необходимо точно определять характеристики пика (положение и интенсивность) при компьютерной обработке результатов. [50, 65]
Съемку проводили на дифрактометре «Дрон-7» (Сu K излучение = 1.54184 , Ni-фильтр). Прибор был проградуирован по -кварцу (SiO2). Результаты рентгенофазового анализа КМОП на диатомите природном и термически обработанном представлены на рисунках 4.1 и 4.2 соответственно:
Изменение свойств КМОП при увлажнении и высушивании
Технология производства изделий из КМОП Доставка сырья с карьера производится железнодорожным транспортом. Разгрузка сырья в приемные бункера полностью механизирована. Складирование сырьевых материалов осуществляется на бункерно-продольном складе, что позволяет обогревать материалы в зимнее время непосредственно в бункерах. Разгрузка вагонов производится вагоноопрокидывателем. При установке вагоноопрокидываля предусматривается бункерное приемное устройство, оборудованное платформоразгружателем, бурорыхлительной машиной и виброзачистной плитой для приема «больных» и неразгружающихся (со смерзшимся грузом) полувагонов.
Разгруженный диатомит грейферным краном подается в расходный бункер, откуда поступает на стадию дробления в ударно-молотковой дробилке РС400х300. Размолотый диатомит проходит через сито с ячейкой 0,63 мм, непрошедший диатомит возвращается в бункер перед ударно-молотковой дробилкой и проходит повторное дробление. Прошедший через сито диатомит пластинчатым транспортером подается в короткую вращающуюся печь длиной L=75 м, где проходит процесс обжига при температуре 700оС в течение 2-х часов. Целью термической обработки диатомита является удаление примесей, органики и дегидратация глины, входящей в состав диатомита. После обжига диатомит поступает в холодильник «Волга-25» для охлаждения до 200С. Из холодильника обожженный диатомит поступает в бункер накопления, рассчитанный на 12 часов. Объем бункера составляет45 м3. Мешки с едким натром подаются на растарочное устройство, которое вскрывает мешки и засыпает содержимое в бункер. Далее происходит смешивание диатомита с водой и натриевой щелочью в лопастной мешалке до вязкости 45-50 сек по вискозиметру ВЗ-4. После чего суспензия выдерживается при температуре 90-95 оС в термокамере в течение 4 часов для образования суспензии жидкого стекла. Подготовка древесного наполнителя включает сушку до постоянной массы. Сушка проходит в сушильном барабане Н 167. Подготовленный опил, суспензия жидкого стекла и кремнефтористый натрий дозируются в планетарный бетоносмеситель Симем SUN450, где перемешиваются до однородной массы.
Далее, полученная масса ленточным транспортером подается в расходный бункер вибропресса. Формование изделий осуществляется методом вибропрессования с усилием 0,5 МПа. Линия «Компакта-2000» полностью автоматизирована и имеет единый блок управления. Вибропресс предназначен для формования мелкоштучных стеновых изделий. Пресс формует изделия на деревянных поддонах, которые автоматически подаются из накопителя. Отформованные изделия на поддонах транспортёром перемещаются в лифт-подъёмник. Каждый уровень 10-полочного лифта попарно заполняется поддонами. Заполнение останавливается, когда лифт полностью загружен.
Автоматизированная транспортная тележка, движущаяся по специальным рельсам, снимает поддоны с лифта и подаёт их в камеру тепловой обработки, гдеотформованные изделия твердеют при температуре 60-65оС в течение 9 часов.
После прохождения цикла тепловой обработки тележка забирает готовые изделия и перемещает их к опускному лифту, который последовательно устанавливает по два поддона на транспортную ленту, подающую их к манипулятору - пакетировщику. Манипулятор формирует многорядный пакет на европоддонах. Штабелирование транспортных пакетов производится по 4 ряда. Сформированный пакет транспортёром европоддонов подается к упаковочной машине, где происходит его обвязка и упаковка, а затем по рольгангу - на пост выдержки. Освободившиеся технологические поддоны системой транспортёров через очиститель и вращатель поддонов возвращаются в накопитель поддонов.
Изделия поступают на пост выдержки, где выдерживаются в течение 3-х суток при температуре 20±2оС для достижения марочной прочности.
Отгрузка потребителю готовой продукции производится
непосредственно с поста выдержки.
