Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 15
1.1 Обзор бетонов на древесных заполнителях и их анализ 17
1.2 Использование древесных отходов и гранулированного доменного шлака в производстве строительных материалов 37
1.3 Выводы 49
2 Теоретическое обоснование формирования структуры древошлакового композиционного материала 50
2.1 Основные процессы структурообразования древошлакового композита 50
2.2 Модификация полисахаридов древесного заполнителя 53
2.3 Формирование структуры материала 63
2.3.1 Минералогический состав исходных фаз и новообразований вяжущего камня 63
2.3.2 Поровая структура вяжущего камня и композита в целом. 68
2.3.3 Исследование контактной зоны «композиционное вяжущее — модифицированные волокна полисахаридов» 71
2.4 Выводы 76
3 Экспериментальная часть 77
3.1 Исследование характеристик исходных материалов 77
3.2 Влияние способа приготовления композиционного материала на его свойства 90
3.3 Математическое моделирование. Оценка физико-механических свойств материала 98
3.3.1 Однородность композита 110
3.3.2 Прочность на растяжение при изгибе 112
3.3.3 Определение призмениой прочности и модуля упругости.. 114
3.3.4 Изучение прочностных и теплофизических свойств композита 120
3.3.5 Определение сорбционной влажности и коэффициента размягчения 124
3.4 Оценка долговечности материала 126
3.4.1 Влияние зернового состава заполнителя на физико-технические характеристики материала 126
3.4.2 Испытания на морозостойкость 128
3.4.3 Равновесная влажность композита 134
3.5 Особенности процессов фазообразования древошлакового композиционного материала 140
3.6 Сравнение древошлакового композита с деревобетонами и равноплотными конструкционо-теплоизоляционными строительными материалами 147
3.7 Выводы 150
4 Технико-экономическая оценка производства изделий из древошлакового композита 153
4.1 Разработка технологии производства стеновых изделий 153
4.2 Экономический расчет технологии производства изделий 158
4.3 Рекомендации по использованию древошлакового композита в строительстве 168
4.4 Выводы 171
Общие выводы 172
Литература 174
Приложения 195
- Использование древесных отходов и гранулированного доменного шлака в производстве строительных материалов
- Модификация полисахаридов древесного заполнителя
- Влияние способа приготовления композиционного материала на его свойства
- Экономический расчет технологии производства изделий
Введение к работе
Актуальность исследования. Наиболее актуальной задачей в строительной индустрии на сегодняшний день является энергосбережение на всех этапах: от производства строительных материалов, изделий и конструкций до строительства зданий и их эксплуатации. Объединение этих проблем формирует одно из направлений инновационной политики большинства субъектов РФ – укрепление местного потенциала и демонстрация решений для повышения энерго- и ресурсосбережения в строительстве.
Промышленность строительных материалов – одна из ведущих отраслей народного хозяйства, которая достаточно эффективно использует вторичные продукты многих отраслей промышленности для выпуска различных строительных материалов. Развитие производства строительных материалов в этом направлении связано с многими аспектами: истощаемостью природных ресурсов, высокой энергоемкостью ряда технологических процессов добычи и переработки сырья; угрозой экологической безопасности РФ; отсутствием мест захоронения отходов; негативным влиянием на окружающую воздушную, водную и растительную среду, на здоровье человека и животных.
В Вологодской области на сегодняшний день имеется большое количество лесо- и деревообрабатывающих производств, являющихся лидерами по выпуску ДСП, фанеры, деловой древесины и пиломатериалов, а также крупнейшее металлургическое предприятие Центральной металлургической базы России - Череповецкий металлургический комбинат (ЧерМК ОАО «Северсталь»). В целом по России доменные шлаки и древесные отходы являются широко распространенными видами отходов, занимающими пятое и шестое место соответственно. К настоящему времени доказана возможность высокоэффективного вовлечения шлаков металлургического производства и опилок в промышленный оборот, что позволяет решить комплексные задачи энергосбережения, снижения загрязненности городов и окружающей среды в целом для большинства регионов, имеющих подобные производства.
Создание нового строительного древошлакового композиционного материала (название предложено автором впервые) на основе молотого гранулированного доменного шлака и модифицированных древесных опилок позволит устранить большинство отрицательных свойств деревобетонов за счет использования химического метода модифицирования органического заполнителя.
Исходя из вышеизложенного следует, что актуальным направлением в области строительных материалов и технологий являются исследования по созданию и многостороннему изучению новых композиционных материалов на вторичных материальных ресурсах, отвечающих современным нормативным требованиям, требованиям энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности, экономической эффективности, конкурентоспособности, а также долговечности и надежности.
Теоретическими основами диссертационной работы стали труды таких российских и зарубежных ученых в области композиционных строительных материалов и технологии их производства, как: Е. Адлер, И.П. Бабийчук, Ю.М. Баженов, П.И. Боженов, С. Браунс, Г.А. Бужевич, А.В. Волженский, В.И. Горчаков, В.С. Грызлов, Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, В.Ф. Завадских, П.В. Комохов, П.В. Кривенко, Л.В. Мельникова, И.Х. Наназашвили, В.М. Никитин, А.В. Оболенская, Н.А. Оснач, Т.М. Петрова, В.В. Прокофьева, Ю.В. Пухаренко, П.А. Ребиндер, И.А. Рыбьев, В.И. Савин, Н.Б. Фельдман, А.В. Ферронская, К.Е. Фремер, К. Фрейденберг, Е.М. Чернышов, А.С. Щербаков, К. Форс, и др., а также труды научно-исследовательских и проектных институтов.
Рабочая гипотеза - получение синергетического эффекта синтеза физико-технических свойств полиструктурных композитов при комплексном совмещении и сочетании химического и фазового состава сырьевых компонентов.
Цель и задачи исследования.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке энерго- и ресурсосберегающего, экологически безопасного композиционного материала на вторичных ресурсах металлургической и деревоперерабатывающей промышленности с пониженной себестоимостью, улучшенной структурой и, как следствие, с улучшенными физико-механическими, теплофизическими свойствами, используемого для производства широкой номенклатуры конструкций гражданского, сельскохозяйственного и промышленного строительства.
Объектом исследования является новый строительный древошлаковый композиционный материал.
Предмет исследований - физико-химические процессы структуро- и фазообразования материала и их влияние на свойства композита.
Задачи исследования:
1. Изучить и обобщить имеющиеся литературные данные о деревобетонах, их составе и технологии получения; провести сравнительный анализ.
2. Теоретически обосновать химическое взаимодействие компонентов системы древошлакового композиционного материала: композиционное вяжущее – модифицированные: волокна полисахаридов и лигнин.
3. Исследовать и оценить физико-механические и теплофизические свойства материала при кратковременных и длительных нагрузках в соответствии с требованиями ГОСТов.
4. Теоретически доказать улучшение характеристик материала за счет особенностей его структуро- и фазообразования; обосновать армирование матрицы композита химически модифицированными волокнами фрагментов целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнином.
5. Разработать технологию изготовления изделий из древошлакового композиционного материала; составить рекомендации по применению; произвести сравнительный анализ древошлакового композита с существующими деревобетонами, равноплотными конструкционно-теплоизоляционными бетонами с точки зрения полученных экспериментальных данных.
Границей исследований является получение конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных древошлаковых композиционных материалов для применения в ограждающих конструкциях малоэтажного домостроения.
Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения структуро- и фазообразования композиционных строительных материалов. Направление методологии исследования – рассмотрение древошлакового композиционного материала как целостной системы, имеющей ряд характерных особенностей и свойств, напрямую зависящих от исходных компонентов, их физико-химических взаимодействий и технологии его получения. В процессе исследования применены общенаучные расчетные, аналитические методы, методы математического планирования эксперимента, экономические расчеты. Определение физико-механических и теплофизических характеристик оценивалось в соответствии требований действующих ГОСТов.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, пункту 7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности».
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Разработан новый способ химического модифицирования органического заполнителя деревобетонов, позволяющий улучшить физико-механические, теплофизические и эксплуатационных свойства древошлакового композиционного материала за счет армирования матрицы композита химически модифицированными волокнами полисахаридов и лигнином.
2. Определены рекомендуемые составы материала, позволяющие получать конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные виды с пределом прочности при сжатии от 7,0 до 19,5 МПа, со средней плотностью от 950 до 1500 кг/м3, теплопроводностью в сухом состоянии от 0,12 до 0,27 Вт/(мК), морозостойкостью более 200 циклов для класса композита В10; доказано, что основные свойства композитов зависят от метастабильного аморфно-кристаллического состояния.
3. Доказано, что древошлаковый композиционный материал является лабильной термодинамически открытой системой и благодаря наличию аморфной фазы способен, для сохранения своей целостности, изменять свои свойства в зависимости от внешних условий окружающей среды в течение многих лет.
4. Разработана малоотходная технология производства изделий из древошлакового композиционного материала; обосновано преимущество нового энерго- и ресурсосберегающего, конкурентоспособного материала с пониженной себестоимостью; даны рекомендации по его использованию в строительстве.
Практическая ценность результатов исследований:
1. Разработан эффективный способ комплексного использования отходов лесо- и деревообрабатывающей промышленности (древесных опилок) и попутного продукта ЧерМК «Северсталь» (гранулированного доменного шлака) в технологии производства строительных материалов.
2. Разработанный способ химического модифицирования органического заполнителя позволяет улучшить физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства древошлакового композиционного материала по сравнению с деревобетонами и равноплотными конструкционно-теплоизоляционными бетонами.
3. Разработана технологическая схема производства изделий из древошлакового композиционного материала, подобрано новое современное оборудование; определены рациональные области его использования.
4. Получен патент № 2413703 РФ «Способ получения строительного древошлакового композита».
5. Составлены технические условия на изготовление древошлаковых изделий в соответствии с существующими нормативными требованиями.
Реализация и внедрение результатов исследования: разработан стандарт организации (технические условия) на строительный древошлаковый композиционный материал. Произведено опытно-промышленное внедрение строительных изделий, исследованы их свойства; теоретические и экспериментальные результаты, полученные в ходе исследований, широко используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800 «Строительство» при изучении следующих дисциплин: «Материаловедение», «Строительные материалы» и «Ресурсосберегающие технологии керамики, силикатов и бетонов», а также в выпускных квалификационных работах бакалаврской подготовки и магистерских диссертациях строительного направления.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов оптимизации; использованием фундаментальных положений термодинамики; теории структурообразования; применением современных математических методов планирования экспериментов и статической обработки результатов; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем; результатами промышленной апробации. Испытания строительных материалов и изделий проводились согласно требованиям ГОСТов. Для обработки данных, математического моделирования, построения графиков использовалось программное обеспечение: Microsoft Word, Excel, AutoCAD и DPlot. Рентгендифрактометрия проводилась по методу Дебая – Шеррера на компьютеризированом дифрактометре класса ДРОН; геометрия съемки - по Брэггу – Брентано в излучении Cu – K (никелевый фильтр). Набор значений {2; di} получен с очень малой неопределенностью, так как в пробах находился естественный природный эталон (парафин либо -кварц). Анализ дифрактограмм проводился с использованием компьютерной базы эталонных стандартов PDF-2, JCPDS.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону» (г. Вологда, 2008 г.); на вузовской научной конференции «Молодые исследователи – регионам» (г. Вологда, 2009 г.); на IV Научно-практическом семинаре «Инновационная деятельность Вологодской области» в ИСЭРТ РАН (г. Вологда, 2009 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения – 2009», посвященной дню города Череповца (г. Череповец, 2009 г.); на конференции «80-летие кафедры конструкций из дерева и пластмасс СПбГАСУ» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки в ГОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии» (г. Москва, 2011 г.). Представлялись на III Межрегиональной выставке «ЭкспоПрофи – Иваново» (г. Иваново, 2009 г.); на выставке научно-технического творчества молодежи в рамках фестиваля «Молодежь! Единство – Будущее!». (г. Вологда, 2009 г.); на XIV Межрегиональной выставке «СВОЙ ДОМ» (г. Вологда, 2011 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Получен патент РФ на изобретение № 2413703 «Способ получения строительного древошлакового композита».
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя: введение; 4 главы с выводами по каждой из них; общие выводы; список литературы, включающий в себя 201 наименование работ отечественных и зарубежных авторов; 8 приложений. Общий объем диссертации составляет 246 страниц машинописного текста, в том числе 52 страницы приложений. В работе представлено 49 рисунков и 39 таблиц.
Использование древесных отходов и гранулированного доменного шлака в производстве строительных материалов
Промышленность строительных материалов - одна из ведущих отраслей народного хозяйства, которая достаточно эффективно использует вторичные продукты других отраслей промышленности для создания строительных материалов широкой номенклатуры.
Общее производство доменных шлаков в России в 2007 году составило 17,3 млн т, в том числе гранулированных доменных шлаков порядка 5,8 млн т, шлакового щебня - 8,1 млн т. Основным потребителем гранулированных доменных шлаков являются цементные предприятия — 4,9 млн т или 84 % от общего объема граншлаков. Остальные 0,9 млн тонн используют более 100 различных предприятий с годовым объемом переработки шлаков от 0,2 до 200 тыс. т.
Кроме этого, говоря о рациональном использовании вторичного сырья, а в частности попутных продуктов промышленности черной металлургии — доменных шлаков в строительной индустрии, необходимо рассмотреть следующее. При использовании шлаков в технологии бетонов придание им необходимых потребительских свойств и их дальнейшая переработка должны рассматриваться в рамках интегрированной концепции обращения с отходами как альтернативный вариант. Это станет возможно в случае принятия соответствующей законодательной базы, предусматривающей значительное увеличение затрат на отчуждение земель под отвалы.
В настоящее время в стране под хранение шлаков отчуждепо порядка 20 000 м" земель, а затраты на их аренду огромны. Значительная доля доменных шлаков (около 20 %) направляется в отвалы, в то время как в зарубежной практике широко используются импортные поставки гранулированных шлаков, в том числе молотых. Например, в ЕС импортируется около 10 % доменных шлаков, в США - до 20 %. По мнению экспертов 1 га отведенный под отвалы шлака отравляет, как минимум, пять соседних гектаров. В масштабах страны отвалы ежегодно «обогащают» атмосферу четырьмя миллионами кубометров ССЬ, 42 млн кубометров S02, двумя миллионами кубометров H2S и десятью с лишним тыс. т паров серы. Таки образом, экологическое положение в регионах с развитой металлургической промышленностью намного хуже, чем среднее по стране. В этих областях отмечается высокая заболеваемость и смертность населения, поэтому актуальность решения проблемы использования попутных продуктов российской металлургии имеет огромное значение [27, 68, 70, 86, 94, 119, 123, 125, 132, 135, 140, 151, 161, 163].
В то же время металлургические шлаки обладают рядом ценных свойств, поэтому потенциальные области их использования весьма обширны. К настоящему времени доказана возможность высокоэффективного вовлечения шлаков металлургического производства в промышленный оборот. Помимо указанного использования шлаков в производстве строительных материалов установлена целесообразность их использования для шлакового и шлакокаменного литья, в энергетике, химической, стекольной и других отраслях промышленности. Исходя из теоретических предпосылок, потребность в гранулированных доменных шлаках только в цементной промышленности удовлетворена менее чем наполовину.
Структура производства и использования доменного шлака в странах ЕС и в России представлены на рисунке 2.
Недостаточное использование металлургических шлаков приводит не только к недоизвлечению прибыли, но и к удорожанию основной металлургической продукции за счет больших затрат на вывозку шлаков и содержание огромных отвалов. Грамотное использование попутных продуктов металлургии позволит снизить нагрузку на окружающую среду. Создание малоотходных технологий позволит сократить пребывание шлаков в отвалах и их неэффективное время существования [70, 72, 80, 94, 102, 112, 113, 135].
Гранулированные доменные шлаки, являясь продуктами высокотемпературных процессов, несут в себе огромный запас тепловой и химической энергии, что делает их высокореакционными веществами, способными при небольшой дополнительной переработке превращаться в высококачественные цементы. Производство этого цемента несложно и не требует специального оборудования. Технология его изготовления сводится в основном к высушиванию гранулированного шлака, дозированию составляющих и совместному их помолу в мельницах различного типа.
Граншлак — ценное сырье для производства шлакощелочных вяжущих, которые по своим физико-техническим свойствам превышают показатели портландцементов. При производстве шлакощелочных вяжущих в больших объемах используются молотый граншлак и щелочные компоненты. По данным профессора Л.И. Дворкина затраты на производство шлакощелочных вяжущих М600 - М1200 ниже в 1,7... 1,9 раза, удельный расход топлива ниже в 3...5 раз, электроэнергии - в 2 раза, приведенные затраты - до 2. 2,5 раз, чем затраты на получение портландцемента М600.
Целесообразность и технико-экономическая эффективность производства шлакощелочных вяжущих, бетонов, бетонных и железобетонных изделий для гражданского, промышленного и дорожного строительства доказана научными исследованиями, проводимыми в научных школах Глуховского В.Д., НИИЖБ, Калашникова В.И., Комохова П.Г., Кривенко П.В., Пахомова В.А., Петровой Т.М., Рахимова Н.Р., Рахимова Р.З., начиная с 70-х годов прошлого столетия и по сегодняшний день. Результатам этих разработок посвящены более 80-ти кандидатских и 15-ти докторских диссертационных работ, многочисленные монографии и научные статьи. Показана возможность получения шлакощелочных вяжущих на основе большей разновидности шлаков металлургической и топливной промышленности. В 80-е годы в стране были разработаны нормативные требования к сырьевым компонентам, составам и свойствам шлакощелочных вяжущих, бетонов, бетонных и железобетонных изделий, технологии их производства и применения. Было организовано их производство в ряде городов бывшего СССР, однако, с началом перестройки экономических отношений объемы исследований в области разработок шлакощелочных вяжущих и их применения резко снизились по ряду причин. [88, 89, 90, 91, 92, 95, 123, 125, 130, 161, 164, 165].
Наличие гидравлических свойств у граншлака объясняется его стекловидной структурой, обладающей внутренней энергией. На гидравлическую активность шлака влияют: режим его охлаждения, химический и фазовый составы, физико-химические особенности аморфных и кристаллических фаз. Необходимым условием проявления гидравлической активности гранулированного шлака является его диспергирование, т.е. разрушение его стекловидной фазы. В шлаковом стекле сохраняются активные кремний- и алюминиевокислородные группы SiCV АЬОз" , способные под действием возбудителей образовывать гидросиликаты, гидроалюминаты и гидросульфоашоминаты. Скорость и глубина разрушения шлакового стекла зависит от величины рН дисперсной среды, независимо при этом от природы его возникновения. Щелочная среда повышает растворимость кремнезема, который является основным компонентом шлакового стекла, поэтому, повышая рН, ускоряется разрушение силикатной составляющей шлакового стекла и значительно повышается прочность и водостойкость гидратированного шлакового камня.
Исторически сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в России и в некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, в том числе шлакопортландцемента. Содержание молотого граншлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 21 % и не более 60 % [36]. Твердение шлака с добавкой цемента является более сложным процессом, нежели процесс твердения портландцемента, т.к. в химической реакции задействованы оба компонента. Сначала происходит гидратация портландцемента - раствор насыщается ионами Са+2, ОН"1, SCV2, что формирует условия для щелочной и сульфатной активации шлакового стекла. Частично Са(ОН)2 поглощается шлаком, концентрация гидроксида кальция снижается и происходит переход возникших при гидратации клинкера высокоосновных соединений в низкоосновные.
Модификация полисахаридов древесного заполнителя
Самым важным технологическим переделом в технологии производства древошлакового композита является модифицирование его органического заполнителя - древесных опилок. Установлено, что на характеристики и внешний вид древошлакового композита существенно влияет способ обработки его органического заполнителя -древесных опилок.
Рассматривались два способа: 1-й — химическое модифицирование отфракционированных опилок (зерновой состав опилок менее 1,25 мм) осуществляется щелочным раствором «вода + компонент "Монасил"» при температуре 90 - 95 С в течение 1,5-2 ч, при этом постоянно подогреваемая реакционная смесь регулярно перемешивается; 2-й способ аналогичен первому, но отличающийся от него тем, что температура реакционной смеси составляет 20 - 30 С. В результате первого способа обработки органического заполнителя были получены древошлаковые композиты с прочностью при сжатии 14,0 - 14,5 МПа, все образцы имели ровные гладкие поверхности, грани и углы не откалывались, не осыпались. Образцы, изготовленные по второму способу, имели прочность при сжатии 0 МПа, при этом они осыпались, а их поверхности отслаивались.
Таким образом, в научно-исследовательской работе при получении древошлакового композиционного материала (далее - ДШК) используется первый способ обработки органического заполнителя. В результате щелочного гидролиза образуются модифицированные опилки и щелочной раствор (плотность раствора 1015 кг/м3). Щелочной раствор - это раствор, содержащий частично вышедшие из древесной частицы в процессе обработки химически модифицированные волокна - фрагменты целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, а также другие низкомолекулярные компоненты.
Вышеописанный способ обработки древесных опилок является более эффективным, чем известные ранее способы обработки органических заполнителей большинства деревобетонов (рисунок 5).
Предложенный способ обработки органического заполнителя позволяет изменить природу активных функциональных групп высокомолекулярных компонентов древесины путем замещения гидроксильных групп целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина на ONa-группы.
Также при щелочном гидролизе происходит выделение из древесины низкомолекулярпых органических поверхностно-активных соединении в жидкую фазу реакционной смеси, что способствует увеличению жизнеспособности композиционной древошлаковой смеси и повышению ее удобоукладываемости. Особенности микроскопического строения древесины, обеспечивающие введение модификатора, характеризуются наличием различного рода полостей, рассматриваемых на макро- и микро- уровнях. Пропитка древесных опилок начинается с заполнения крупных макроскопических полостей, связанных с окружающей средой (сосуды и сердцевинные лучи), затем происходит проникновение модификатора в микрополости (полости древесных клеток, а также межклеточных пространств), соединенные с макрополостями системами пор. Древесные клетки создают в древесине разветвленную систему продвижения модификатора, однако ряд полостей клеток заполнен влагой или другими веществами, а некоторые поры, соединяющие полости древесных клеток, закрыты пленками (мембранами) и способны пропускать только маловязкие жидкости [97]. Все это является серьезным препятствием для модификатора, именно поэтому для достижения поставленной цели при обработке древесного заполнителя используются два дополнительных фактора - это температура 90 -=- 100 С и определенный размер древесного заполнителя.
Важным моментом в получении необходимых характеристик древошлакового композиционного материала является выбор фракции опилок. Был изучен гранулометрический состав древесных отходов различных лесо- и деревоперерабатывающих производств г. Череповца Вологодской области. Экспериментально доказано (см. главу 3. Экспериментальная часть), что основной объем (более 80 % по массе) составляет фракция опилок менее 1,25 мм.
По мнению Н.А Оснача фракция органического заполнителя существенно влияет на предел прочности и плотность древесного композиционного материала. Например, оптимальной фракцией наполнителя являются опилки, прошедшие через сито с размером ячеек 1x1 мм, для получения наиболее высокой прочности и стабильности композиционных древесных пластиков [99].
В данной работе были изучены следующие составы древошлакового композита, в которых варьировалось отношение крупной (1,25 + 5 мм) и мелкой фракции (менее 1,25 мм) древесных опилок при постоянном их суммарном количестве в составе. Образцы хранились в течение 28 сут в камере нормального твердения. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Анализ полученных характеристик показывает, что с уменьшением размера древесных опилок прочность при сжатии композита увеличивается на 47 %, теплопроводность - на 49 %. Данный результат объясняется следующим: уменьшение размера органического заполнителя приводит к увеличению диффузии химического реагента при щелочном гидролизе; с уменьшением фракции опилок образуется дисперсно-упрочненная микроструктура композита. Для соблюдения заданных границ исследования принято в дальнейших исследованиях использовать фракцию древесных опилок менее 1,25 мм.
При смешивании необходимого количества отфракционированных модифицированных опилок и щелочного раствора с композиционным вяжущим древошлакового композита происходит их химическое взаимодействие с образованием элементоорганических соединений; осуществляется ряд сложных внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий; протекают реакции сразу нескольких типов (реакции элементарных звеньев с образованием фенолятов и алкоголятов, реакции деструкции, реакции сшивания цепей, реакции конденсации и т.п.).
Влияние способа приготовления композиционного материала на его свойства
При изготовлении композита рассматривается два варианта обработки опилок:
1. химическое модифицирование или щелочной гидролиз древесных опилок в растворе «вода + компонент "Монасил"» в течение 1,5 часов при температуре 90... 100 С [114];
2. аналогичен варианту 1, но отличающийся от него температурой обработки древесных опилок - 30. 40 С.
После химической обработки древесных опилок полученная масса, как в первом, так и во втором случае соединяется с композиционным вяжущим, твердеет и набирает прочность в течение 28 сут в камере нормального твердения при влажности (95±5) % и температуре (20±3) С. Полученные образцы-кубы размером 10x10x10 см испытывались на гидравлическом прессе согласно требованиям ГОСТ 24452 [44], ГОСТ 12730.0 [39], ГОСТ 12730.1 [40], ГОСТ 10180 [37], ГОСТ 7076 [57].
Таким образом, образцы древошлакового композита, изготовленные по 1-ому способу имели ровные поверхности и грани, и показали наилучшие характеристики: Ясж = 14,1 МПа, 1сух = 0,25 Вт/(мК). Образцы, изготовленные по 2-ому варианту, имели Лсж= 0 МПа, а их грани осыпались и поверхность отслаивались.
Изучение прочности при сжатии образцов-кубов, изготовленных по 1-ому варианту, в течение 28 суток показало, что рост прочности идет по логарифмическому закону (таблица 13).
Таким образом, образцы древошлакового композита на третьи сутки имеют прочность при сжатии равную 10,83 % от проектной прочности в возрасте 28 суток; на 7 сутки - 46,28 %; на 14 сутки - 72,78 %; на 21 сутки -88,23 %.
Распалубку готовых изделий из ДШК можно производить уже через 6 - 8 часов. Значение нормируемой отпускной прочности композита для класса В10 и ниже — 80 % от класса по прочности при сжатии [62].
Для сокращения времени твердения образцов возможно их пропаривание, однако в данной диссертационной работе параметры и влияние данной технологической операции на композит не рассматривались.
Влияние температуры композиционной смеси на конечную прочность материала. Температура композиционной смеси при формовании образцов является ключевым фактором, влияющим на конечные физико-механические и теплофизические характеристики материала.
Эксперимент проводился на смеси заданного состава, указанного в таблице 11. Хранение образцов до 28 суток осуществлялось в камере нормального твердения, после 28 суток - в закрытом помещении с влажностью и температурой воздуха 50...60 % и (18±2) С соответственно. Результаты исследований приведены в таблице 14.
Анализ полученных данных показал, что повышение температуры смеси на 20...30 С приводит к увеличению прочности при сжатии композита на 170 % или в 1,7 раза, плотности - на 1%, теплопроводности -на 12 %. Класс композита, изготовленного по первому способу, составляет В10, а в возрасте 550 суток достигает класса В15. Класс композита, изготовленного по второму способу, составляет В15, а уже в возрасте 550 суток достигает класса В25.
Таким образом, увеличение температуры композиционной смеси в момент формования с 20 до 50 С ведет к значительному увеличению прочности при сжатии композита, а значит в технологии производства изделий из ДШК можно обойтись без пропаривания.
Порядок смешивания компонентов смеси. Рассматривалось два способа смешивания модифицированных опилок с композиционным вяжущим: 1 способ - в увлажненную бетономешалку всыпалось композиционное вяжущее, а затем вводились модифицированные опилки; 2 способ - в увлажненную бетономешалку вливают модифицированные опилки, а затем постепенно всыпают композиционное вяжущее, регулярно перемешивая композиционную смесь.
Эксперимент проводился на смеси заданного состава, указанного в таблице 11. Результаты исследований приведены в таблице 15.
Анализ полученных данных показал, что максимальную прочность древошлаковый композит имеет при втором способе смешивания компонентов. Увеличение прочности при сжатии образцов ДШК в возрасте 28 суток изготовленных по 2-ому способу происходит в 6,5 раз, поэтому за оптимальный способ смешивания компонентов принят второй способ.
Влияние способа уплотнения композиционной смеси на прочность при сжатии композита. Исследованию подвергались образцы-кубы стандартных размеров 10x10x10 см из композиционной смеси состава, приведенного в таблице 11, испытанные в возрасте 28 суток. Композиционная смесь уплотнялась двумя способами:
1 - встряхивание заполненных композиционной смесью форм 20 раз интенсивностью 1 раз в 1 секунду.
2 - уплотнение композиционной смеси трамбованием по всей площади занимаемой формы (100 см2) в два слоя по 10 раз. Удельная нагрузка 0,02-0,03 кг/см2.
При уплотнении композиционной смеси происходит ее деформация, которая слагается из необратимой и обратимой деформаций. Послойное трамбование (2-ой способ) смеси обеспечивает лучшее, компактное расположение зерен заполнителя в матрице материала; уменьшается количество пузырьков воздуха, попавшего в смесь при формовании; увеличивает прочность материала за счет плотной упаковки структуры. Прирост прочности образцов, изготовленных на молотом граншлаке с 5\л = 400 м7кг, относительно прочности образцов, изготовленных на молотом граншлаке с Syn= 650 м7кг, по первому и по второму способу, составляет 140 %. Низкие показатели прочности древошлаковых образцов-кубов, уплотненных встряхиванием, обусловлены большим количеством пустот, расслоением легкобетонной смеси (так как плотность органического заполнителя намного ниже плотности вяжущего теста) при формовании смеси. Продолжительное встряхивание (более 2 минут) приводит к расслоению композиционной смеси и образованию вяжущего «молочка» на поверхности образцов.
Таким образом, исследования способа уплотнения композиционной смеси показали, что с увеличением удельной поверхности шлака от 400 до 650 м2/кг повышается класс композита от В5 до В7,5 соответственно при первом способе уплотнения и от В10 до В15 соответственно при втором способе. Для дальнейших исследований, в рамках границ исследования, используется второй способ уплотнения композиционной смеси, обеспечивающий необходимую плотность упаковки микроструктуры древошлакового композита, прочность и теплопроводность.
Экономический расчет технологии производства изделий
Расчет себестоимости 1 м3 изделия из древошлакового композита производился в ценах на конец 2011 начало 2012 года.
Режим работы предприятия. Календарный фонд рабочего времени -247 дн. (с учетом выходных и праздников). Сменность — 2 смены/сут. Длительность смены -8 ч. Производительность в год = 47950 м (6850000 пустотных блоков, в 1 блоке порядка 70 % ДШК) или 200 000 м" жилья. Производительность за сутки = 194 м3 (или 97 м3 в смену). Производительность в 1 ч = 3,03 м3 (1730 пустотных блоков размером 400x250x100 мм).
Анализируя данные литературы, следует отметить тенденцию получения экономического эффекта при замене в бетоне вяжущего и природного заполнителя на вторичные материальные ресурсы. В случае получения древошлакового композита в качестве основного компонента вяжущего используется граншлак, а в качестве заполнителя — древесные опилки. Таким образом экономический эффект от производства ДШК подтверждается значимостью диссертационных исследований.
В таблице 30 приведены средние отпускные цены на исследуемые сырьевые компоненты. Цена на 01.12.2011 г гранулированного шлака приведена без доставки согласно сведениям отдела сбыта ЧерМК АО «Северсталь»; цена цемента приведена среднерыночная без доставки; стоимость компонента «Монасил» указана согласно прайс-листу ООО «Витахим» на январь 2012 г без доставки.
Исходя из стоимости сырьевых материалов за 1 т (м3), рассчитана стоимость материалов, необходимых для получения 1 м ДШК класса В10. Результаты расчетов приведены в таблицах 30, 31, 32, 33.
Начальные вложения кроме стоимости оборудования завода включают:
1) стоимость оборудования лаборатории завода - 30 000 000 р. для подробного изучения, проверки качества выпускаемых изделий, разработки новых составов.
2) стоимость складов сырья (с учетом их монтажа) - 26 700 000 р.
3) пуско-наладочные работы - 6 000 000 р
4) внутренний транспорт и манипуляторы - 15 000 000 р.
5) стоимость машин, для подвоза сырья - 8 000 000 р.
6) монтаж оборудования завода и лаборатории - 30 000 000 р
Итого начальные вложения составляют 135 322 000 р. Баланс рабочего времени одного среднесписочного рабочего приведен в таблице 35. План по персоналу и заработная плата приведены в таблице 35.
Из вышеизложенного следует, что производство изделий из ДШК рентабельно Р = 26,67 % и экономически эффективно с учетом назначенной рыночной цены - 2 400 р. за 1 м3 бетона. Срок окупаемости завода порядка 4 года. Однако, спрос на строительные изделия: блоки, камни, кирпич и т.п. зависит от продажи домов. Поэтому наиболее рентабельно выпускать домокомплекты для производства доступного жилья (ширококорпусные дома). В этом случае окупаемость завода сократиться в три раза, увеличиться прибыль.
Похожие диссертации на Разработка состава и технологии древошлакового композиционного материала
