Использование отходов деревообрабатывающего производства в качестве армирующей добавки при производстве фибропенобетонов

УДК 622.3

И. В. Старостина, Е. М. Черных, И. В. Овчарова,

Ю. Л. Старостина, А. Н. Антипова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА В КАЧЕСТВЕ

АРМИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ

Ключевые слова: фибропенобетон; белковый пенообразователь; фибра; опилки; кратность пены; водоотделение; прочность

при изгибе; коэффициент конструктивного качества.

В работе исследована возможность использования промышленных отходов деревообрабатывающего производства - древесных опилок в качестве микроармирующей добавки (фибр) при получении фибропенобетонов. Для формирования поризованной структуры материалов использовали белковый пенообразователь, полученный на основе мицелиальных отходов гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты. Показано, что использование древесных фибр фракции 0,315 - 0,63 мм, в количестве 3,75 -6,25% от массы пенообразователя обеспечивает максимальную кратность и стабильность получаемой пены. Фибропенобетон с использованием пенообразователя в количестве 20% от массы цемента характеризуется плотностью 380 кг/м3, прочностью на сжатие 1,9 МПа и при изгибе - 0,75 МПа, коэффициентом конструктивного качества - 13,2. Это позволяет классифицировать полученный композит как высокоэффективный материал.

Keywords: fiber foam concrete; protein foaming agent; fiber; sawdust; foam expansion; water separation; flexural strength;

coefficient of structural quality.

The study deals with the possibility of using wood- processing wastes- sawdust as micro reinforcing supplements (fibers) while production offiber foam concrete. Protein foaming agent, which was received on the basis of mycelial wastes of the Aspergillus niger fungus of citric acid production, was used for forming porous structure of materials. The study shows that the use of wood fibres in fraction of 0,315 - 0,63 mm, in quantity of3.75 - 6.25% by weight of the foaming agent provides maximum expansion and stability of the resulting foam. The fiber foam concrete, using foaming agent in amount of 20%o by weight of cement provides obtaining of materials with hardness of380 kg/m3, compressive strength of 1.9 MPa, at flexure of 0,75 MPa, with coefficient of structural quality of 13.2. This allows classifying the received composite as a highly- effective material.

В настоящее время предъявляются повышенные требования к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций, все большее внимание уделяется разработке и производству новых видов стеновых материалов, и главным образом, ячеистой структуры. Наиболее перспективными являются неавтоклавные пенобетонные материалы, обладающие высокими эксплуатационным и технологическим характеристикам, такими как: низкая теплопроводность, долговечность, негорючесть, экологичность и доступность, а также возможность производства в нестационарных условиях. На организацию производства ячеистого бетона неавтоклавного твердения требуется меньше капитальных вложений, чем на организацию производства легких заполнителей, а также легких бетонов и конструкций с их использованием [1]. Стены из ячеистобетонных панелей на 20 - 40% легче и дешевле других крупнопанельных стен из керамзитобетонных и трехслойных панелей.

Для повышения физико-механических показателей бетонов как плотной, так и ячеистой структуры известно использование в составе сырьевой смеси микроармирующих добавок - фибр в виде дисперсных волокон размером от 2 до 20 мм синтетического, природного или техногенного характера [2-4].

Так, введение полипропиленовых волокон способствует повышению прочности на растяжение при изгибе мелкозернистых бетонов, использующихся в дорожном строительстве [5]. Это позволяет уменьшить толщину автодорожного

покрытия и получить значительный экономический эффект.

При введении фибр в безавтоклавные цементные пенобетоны они, равномерно распределяясь в объеме пенобетона, пронизывают структуру пор, в результате чего образуется композиционный материал - фибропенобетон. Дисперсное армирование пенобетона обеспечивает повышение устойчивости материалов к растягивающим, изгибающим и ударным нагрузкам [6], снижение усадочных деформаций [7] и улучшение морозостойкости [8].

В настоящее время в зависимости от диаметра, мкм, все виды волокон, использующихся в качестве армирующих материалов, можно разделить на несколько групп [9]: микроволокна - 0,5; ультратонкие - 0,05-1,0; супертонкие - 1-3; тонкие -3-11; утолщенные - 11-20; грубые - 20 и более.

Фиброволокна относятся к

структурообразующим компонентам строительных пеноматериалов. Поэтому выбор волокон зависит не только от их вида и свойств, но и от характеристик самой ячеистобетонной матрицы.

Но, не смотря на высокие качественные показатели, снижение себестоимости производства пенобетонов остается актуальной проблемой. Решение ее возможно за счет уменьшения затрат на основные сырьевые материалы при использовании побочных продуктов промышленности.

В данной работе с целью снижения себестоимости производства поризованных строительных материалов в качестве армирующей

добавки использовали отход

деревообрабатывающего производства.

Древесные фибры получали обработкой в течение 2 суток щелочным раствором (25% КОН) исходных древесных опилок с целью удаления пылевидной фракции и активации поверхности, затем промывали дистиллированной водой до уровня рН = 6,5-8,5. Полученные омыленные опилки высушивались при комнатной температуре и классифицировали по фракциям (табл.1).

Таблица 1 - Фракционный состав древесных опилок

а)

14

12

л g10 в л

5 8

о =

н

6 6

-4

4

--в-

JT

——

0,5 1,25 2,5 3,75 5 6,25 Содержание опилок, % от массы пенообр аз ователя

Размер фракций, мм Содержание, масс. %

1,4 - 2,0 13,4

0,63 - 1,4 27,7

0,315 - 0,63 38,6

менее 0,315 20,2

Для получения пенобетонов различной плотности в настоящее время не существует единой методики подбора состава сырьевой смеси. Это объясняется тем, что основные свойства пенобетонов зависят от многих факторов, таких как: химическая природа пенообразователя, способ получения пены, состав пенобетонной смеси, характеристика сырьевых компонентов, вид цемента и его минералогический состав.

Предварительные опыты по подбору состава пенобетона основывались на использовании пенообразователя белкового происхождения с концентрацией 2,56 %, полученного на основе мицелиальных отходов гриба Aspergillus niger производства лимонной кислоты [11, 12]. На первом этапе работы оценивали влияние содержания древесных фибр различных фракций на качество пены, используемой для производства фибропенобетонов.

Древесные фибры различных фракций вводили в состав пенообразователя в количестве от 0,5 до 6,25% от его массы. Древесная фибра быстро и гомогенно распределяется по объему технической пены, обеспечивая ее объемно-пространственное армирование. Это препятствует процессу коалесценции пены и обеспечивает увеличение ее кратности и устойчивости (рис. 1).

Анализ результатов показал, что наиболее эффективным является использование в качестве армирующей добавки древесных фибр фракции 0,315 - 0,63 мм в количестве 3,75 - 6,25 % от массы пенообразователя, что позволяет получить техническую пену с максимальными характеристиками - кратность пены 11,9-12,5, начало водоотделения 5 - 5,5 мин.

Далее изучали влияние расхода разработанного белкового пенообразователя на основные физико-механические характеристики фибропенобетона, получаемого на основе цементного вяжущего с использованием в качестве армирующей добавки омыленных древесных фибр фракции 0,315 - 0,63 мм в количестве 5 % от массы пенообразователя.

Содержание опилок, % от массы пенообразователя

—•— 1,4 - 2,0мм  0,63 - 1,4мм Фракции: д

——0,315 -0,63 мм —0—менее 0,315мм

Рис. 1 - Влияние содержания и размера древесных фибр на свойства пены: а -кратность; б - водоотделение.

Результаты, представленные на рис. 2, показали, что увеличение содержания пенообразователя с 10 до 25 % способствует поризации структуры материала и уменьшению его плотности с 700 до 300 кг/м3 , что сопровождается снижением прочностных свойств.

Для оценки эффективности поризованых материалов известно использование параметра А -коэффициента конструктивного качества (ККК) [13, 14], который определяется по формуле: А= RCiK /р2 ,

где Rex. - прочность на сжатие, Па; р - плотность материала в сухом состоянии, кг/м3.

В соответствии с классификацией, представленной в работе [15], по значениям ККК материалы можно разделить на 4 группы:

- малоэффективные, А менее 5;

- эффективные, А= 5^12,5;

- высокоэффективные, А= 12,5ч20,0;

- суперматериалы, А более 20,0.

Результаты, представленные на рис. 2, показали,

что содержание пенообразователя 20 % от массы цемента обеспечивает получение материалов с максимальным значением ККК - 13,2, что соответствует плотности пенофибробетона 380 кг/м3, прочности на сжатие 1,9 МПа и при изгибе -0,75 МПа. Данный состав является оптимальным.

а)

% 7

в

S в ч

к

зоо 00 600 500 400 300 200

10

13,3

20

25

С о дер ж ание пено о бр а зов ате.тш, % от массы цемента

б)

4,5 4 3.5 3 2,5 2 1.5 1

0.5

10 13.3 20 25

Содержание пенообразователя, 0 о от массы цемента

-прочностьна сжатие -прочность при изгибе

в)

:14

Р12 я а о

felO S

о и »

A

Г.

Я б

о а

10 13.3 20 25

Содержание пенообразователя, % от массы цемента

Рис. 2 - Влияние содержания белового пенообразователя на физико-механические характеристики фибропенобетона: а -плотность, б - прочность, в - коэффициент конструктивного качества.

пенообразователя и древесных фибр в качестве армирующего компонента, в соответствии с представленной классификацией можно отнести к высоэффективным материалам. Наиболее эффективно использование фибр фракции 0,315 -0,63 мм в количестве 5 % от массы пенообразователя.

Литература

2

3

4

5

Я.М. Паплавскис, П.В. Эвинг, А.И. Селезский, С.Н. Кучихин, С.А. Лашков, Строительные материалы, 3, 26 (1996).

П.В. Моргун, В.Н. Моргун, Технологии бетонов, 3, 6667 (2006).

Н.В. Пухаренко, М.Н. Капуста, Е.В. Мирошников, Строительные материалы, 12, 39-40 (2005).

Н.В. Павленко, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 1, 3336 (2013).

С.В. Клюев, Е.И. Авилова, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 1, 37-40 (2013).

6. И.А. Лобанов. Основы технологии дисперсно армированных бетонов - фибробетонов: Автореф. дисс. ... д.т.н. - Ленинград, 1983. - 48 с.

7. В.Н. Моргун. Строительные материалы, 9, Приложение «Наука», 2, 10 (2003).

8. В.Н. Моргун, А.Ю. Богатина, Сб. тр. Конференции «Пенобетон-2007», МНПК, Санкт-Петербург, 62-65 (2007).

9. А.Н. Хархардин, Структурная топология дисперсных материалов: монография. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - 288 с.

10. Е.И. Евтушенко, Активационные процессы в технологии строительных материалов: монография. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2003. - 209 с.

11. Патент РФ 2552396 (2014).

12. I.V. Starostina, S.V. Sverguzova, I.V. Ovcharova, P.V. Besedin, E.A. Pendyrin, E.M. Kuzina, International Journal of Applied Engineering Research, 10, 21, 42701-42706 (2015).

13. Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов, Строительные материалы, Стройиздат, М., 1986. 688 с.

14. Х.С. Явруян, М.Г. Холодняк, А.И. Шуйский, С.А. Стельмах, Е.М. Щербань, Инженерный вестник Дона, 4 (2015).

15. И.В. Старостина. Использование саморассыпающихся электросталеплавильных шлаков в технологии силикатных бетонов: Автореф. дисс. ... к.т.н. - Белгород, 2002. - 17 с.

Таким образом, фибропенобетон, полученный с использованием разработанного белкового

© И. В. Старостина - к.т.н., доцент каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, e-mail: starostinairinav@yandex.ru, Е. М. Черных - магистрант той же кафедры, И.В. Овчарова - аспирант той же кафедры, Ю. Л. Старостина - магистрант той же кафедры, А.Н. Антипова - магистрант той же кафедры.

© I. V. Starostina - Can.Sc.Techn, docent of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, e-mail: starostinairinav@yandex.ru, E. M. Chernykh - Master of Department of Industrial Ecology of the same university, I. V. Ovcharova -Graduate student of Department of Industrial Ecology of the same university, Yu. L. Starostina - Master of Department of Industrial Ecology of the same university, A. N. Antipova Master of Department of Industrial Ecology of the same university.