Роль массопереноса в структурообразовании системы «Вяжущее - древесный заполнитель»

УДК 674.816.2.002.612

А. П. ШЕШУКОВ, канд. техн. наук, доцент,

Т.И. РОМАНОВА,

ТГАСУ, Томск

РОЛЬ МАССОПЕРЕНОСА В СТРУКТУРООБРАЗОВАНИИ СИСТЕМЫ «ВЯЖУЩЕЕ - ДРЕВЕСНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ»

Работа посвящена вопросам использования отходов лесообработки для изготовления древесно-цементных композиций. Представлены теоретические исследования по разработке модели массопереноса в контактной зоне минерального вяжущего с древесным заполнителем. Материалы статьи рекомендуется использовать при экспериментальных исследованиях по регулированию влажности, обеспечивающей оптимальные условия их твердения.

Основным принципом современной технологии изготовления древесноцементных композиций является получение инертного в химическом и физическом отношениях заполнителя с целью предотвращения влияния экстрактивных веществ и влажностных деформаций древесины на твердение вяжущего. Основными направлениями в достижении цели принята кальматация поверхности древесного заполнителя минерализаторами и использование новых вяжущих, не подверженных влиянию экстрактов, образующих гибкие адгезионные связи, хорошо воспринимающие влажностные деформации.

Вопросы водо- и влагопроводности в заполнителях из древесины нашли отражение в работах А.В. Лыкова, Н.А. Оснача, В.А. Баженова, Н.Д. Тимана, которые основывались на представлении древесины как капиллярно-пористоколлоидного тела.

Исследование свойств древесины как материала проводилось без учета технологических особенностей изготовления. Заполнитель арболитовый, измельченный до относительно небольших размеров, имеет разнородное строение от заболони до ядра и нарушенную технологическими разломами структуру. Система находится в многофакторных граничных условиях, в связи с этим при исследованиях необходим специфический подход.

Большой объем экспериментальных данных по водопоглощению древесного заполнителя в арболите получен И.Х. Наназошвили [1], который показал, что массоперенос является основным процессом в формировании структуры арболита на всех технологических этапах: от приготовления арбо-литовой смеси до эксплуатации возведенных из нее объектов. Показывая негативное влияние влаги на заполнитель в арболите, он предлагает пути уменьшения ее миграции в поры древесины.

Одним из путей направленного структурообразования может служить использование внутренних резервов органического заполнителя как капиллярно-пористого, химически активного материала. Структура капилляров и пор определяет перспективу целенаправленного массопереноса в системе «вяжущее - заполнитель», а химическая активность древесины создает необходимые условия для реализации этой цели.

© А.П. Шешуков, Т.И. Романова, 2007

В связи с этим в работе поставлена задача определить пути регулирования влагосодержания в системе «вяжущее - древесный заполнитель».

На стадии индуктивного периода твердения массоперенос может оказать негативное влияние на формирование структуры системы «вяжущее -заполнитель» в связи с обезвоживанием довольно тонкой (0,5—1,5 мм) оболочки вяжущего теста вокруг заполнителя. Особенно ярко обезвоживание может проявить себя в условиях повышенного градиента температур по причине эк-зотермии вяжущего или в результате электротермообработки, достигающего 30 °С/мм. Видимо, термодиффузия является основной причиной ограничения нормативом СН 549-82 максимальной температуры термообработки арболита в 60 °С, когда влаги в вяжущем становится недостаточно для образования клея. На прочностные и адгезионные свойства вяжущих оболочек, очевидно, будет влиять также массоперенос влаги в вяжущем в сторону крупных пор арболита, однако их действие следует ожидать в меньшей степени, так как воздушная среда не обладает таким набором активных свойств, как капиллярно-пористый заполнитель.

Массоперенос может уменьшаться, по данным И.Х. Наназошвили, за счет процесса адсорбции воды на активных участках внутренней поверхности органического заполнителя. Результатом их действия является нивелировка термодиффузии теплотой адсорбции, а также противодавление от объемного сжатия древесины при ее набухании и от защемленного в порах воздуха. Однако сопротивление водопоглощению видимо незначительно, поскольку насыщение волокон практически завершается уже в начальные сроки твердения арболита.

Массоперенос до начала схватывания вяжущего определяет базу струк-турообразования в более поздние сроки твердения. Это положение было обосновано совместными работами ТГАСУ и НИИЖБ [2] в отношении твердения цементного камня в неизотермических условиях. В результате образования направленной системы капилляров авторами отмечалось снижение физико-механических показателей.

В арболите, где вяжущая оболочка имеет относительно небольшую толщину по периметру заполнителя и подвержена активному влиянию граничных условий, насыщенность ее капиллярами может стать критической при формировании прочностных характеристик системы.

Степень воздействия капиллярной системы на водосодержание и прочность вяжущей оболочки, видимо, будет зависеть от взаиморасположения и характеристик капилляров вяжущего и заполнителя. Если направление путей перемещения влаги в вяжущем в основном перпендикулярно поверхности заполнителя, то в последнем основное проводящее сечение направлено вдоль волокон древесины. Поперек волокон водопроводность и влагопроводность на порядок ниже. В связи с этим для системы «вяжущее — заполнитель» приоритетным направлением массопереноса следовало бы считать перенос из цементного теста в продольную систему каналов заполнителя.

Однако в силу особенностей технологии уплотнения арболита упаковка его зерен такова, что доля торцевых контактов, каркаса невелика и составляет около 10 %. Из них примерно 20—30 % обращены в межзерновое пространство

и не участвуют в структурообразовании. Наиболее распространено контактирование боковыми поверхностями (30 % площади) и их разновидностями (40 % площади контактирования). В связи с этим, рассматривая схему массопереноса в индукционный период твердения, видимо, следует решать двухмерную задачу перемещения влаги - вдоль и поперек волокон древесины.

Схема массопереноса на ранней стадии твердения осложняется динамикой изменения диаметров капилляров. Это связано не только с набуханием древесины, но и с переносом масс. Так как источником влаги является цементное тесто, то влагой служит раствор электролита, который при перемещении увлекает за собой частицы цементного клинкера, минерализатора древесины и продукты их взаимодействия. По мере продвижения частицы адсорбируются стенками каналов, сужая водопроводящие сечения вплоть до их кальматации. Тем не менее, видимо, поток свободной влаги имеет опережающее значение во времени по сравнению с кальматацией, так как влажность заполнителя в первые часы выдерживания арболита близка к насыщению [1].

Таким образом, обзор факторов, определяющих массоперенос между вяжущим и заполнителем, дает возможность построения схемы, интегрирующей современные представления о влажностном состоянии арболита в начальный период его твердения (рис. 1).

т- т п ^ ^ 0. 0. 0. § ГГ1  I о 2

I I Р) « N пг

« ; Ц 0. 1 О

‘©“О о “о ^

Ь;Рз;\Л/з

Рис. 1. Факторы, влияющие на перемещение воды затворения в индукционный период выдерживания древесно-цементной системы при традиционной технологии:

Ь, к, Г3 - температура органического заполнителя, вяжущего и наружной среды; Р1 Р2, Р3 - давления, там же; 'Ш1, Ш2, Ш3 - влажность, там же; Q(Дt), Q(ДP), Q(ДW) - потоки влаги от перепада температуры, давления и влажности; Qкап -капиллярный подсос влаги; 1 - вяжущее тесто; 2 - органический заполнитель; 3, 4 - водопроводные каналы заполнителя; 5 - минерализированная поверхность; 6 - древесно-цементная смесь; 7 - свободная влага

На схеме представлен двумерный фрагмент контактной зоны вяжущего 1 и заполнителя 2. В продольном направлении древесины расположен основной влагопроводящий капилляр 3, образованный трахеидами, сосудами и т.д. В поперечном направлении представлены мелкие каналы 4, соответствующие окаймленным порам с закрытой мембраной торуса. Во входной зоне стенки капилляров покрыты минерализатором 5, а остальное сечение кальматировано древесно-цементной смесью 6. В сторону центра заполнителя эта смесь постепенно раскрывается вплоть до исходного диаметра канала.

Поскольку источником влаги является тесто вяжущего, то от него поток влаги Q устремляется под действием: капиллярного подсоса в продольном Q1кап и поперечном Q2кап направлении, разности температур между тестом и заполнителем Q (^-^2) (особенно при электротермообработке арболита), влажностного состояния сред Q (Ж1-Ж2) и Q (Ж3-Ж2) давления, возникающего в крупных порах арболитовой смеси Q (Р3-Р1). Свободная влага 7 концентрируется в каналах и по капиллярам межклеточных стенок распределяется по объему древесного заполнителя.

Влажностный поток встречает сопротивление Qc, вызванное рядом причин: водоудерживающей способностью теста С^п, имеющего диаметр капилляр 8 меньше, чем древесины; противодавлений от защемленного в заполнителе воздуха Qc (Р2-Р3) и от набухания древесины Qc (Р2-Р3), разницы температур заполнителя с внешней средой Qc (^-¿3) и вяжущего с внешней средой Qc (^2-3), различия во влажности компонентов системы и крупных пор конгломерата Qc (Ж3-Ж4).

Схема массопереноса на начальной стадии структурообразования принципиально остается аналогичной индукционному периоду. Об этом свидетельствует неуклонный рост влажности заполнителя в течение 5-6 суток выдерживания конструкций [1]. Однако в связи с физико-химическими процессами в вяжущем, видимо, будет иметь место переориентация движения влаги от отдельных факторов и изменение величины влажностных потоков.

Так, например, определяющее значение может принять температурный фактор, связанный с экзотермией в вяжущем, усиливающий отток влаги в заполнитель. Этому же способствует выдерживание конструкций в тепловых камерах, повышающих, прежде всего, температуру более теплопроводных вяжущих оболочек по сравнению с теплоинерционным заполнителем. Наиболее ярко будет выражен температурный градиент при электротермообработке, так как именно вяжущее является основным проводником электрического тока и, соответственно, тепловыделяющим элементом системы.

Можно прогнозировать, что повышение температуры вяжущего увеличит отток влаги в межзерновые поры конгломерата с температурным расширением паровоздушной среды и повышением парциального давления.

Интенсификация перемещения влаги обуславливает расширение капилляров вяжущего [2], размеры которых становятся соизмеримы с капиллярами древовидных заполнителей. В связи с этим снизится водоудерживающая способность вяжущего и усилится его обезвоживание.

По современным воззрениям, влага в древесном заполнителе оказывает негативное влияние на твердение арболита. Одним из основных факторов,

определяющим свойства конгломерата, являются влажностные деформации заполнителя, вызванные его набуханием и короблением. По данным И.Х. На-назошвили [1], изменение размера заполнителя может достигать 20 % в стадии до насыщения волокон (при влажности до 30 %) и при температуре выше 55 °С. Давление набухания развивается в первые сутки твердения, достигая 5 МПа, и разрушает сформировавшуюся структуру цементного камня.

Деструктивным процессам в период структурообразования способствует снижение интенсивности роста прочности из-за химической агрессивности заполнителя растительного происхождения по отношению к твердеющему цементному камню [2, 3] при влагопеременном воздействии. Наиболее опасное воздействие оказывают легкорастворимые простейшие сахара: сахароза, глюкоза, фруктоза. Щелочная среда способствует выделению цементных ядов. Потеря прочности арболита от действия экстрактов составляет всего 10-15 %, но при этом существенно снижается прочность адгезионного слоя из-за диффузионной концентрации ядов на границе раздела фаз.

В более поздние сроки твердения, когда влага начинает мигрировать из арболита, деструктивные процессы вызываются усушкой древесины. В результате усушки заполнитель отторгается от вяжущего. На их контакте образуются трещины и зазоры, ухудшающие физико-механические характеристики материала и эксплуатационные свойства конструкций. Нарушения структуры способствуют адсорбционному увлажнению, которое, по данным ГОСТ 19222-84, повышает теплопроводность в 1,5-2 раза.

Анализ значимости массопереноса в структурообразовательных процессах и в эксплуатационных свойствах арболита показывает, что защищать органический заполнитель от увлажнения целесообразно на начальном этапе технологических операций приготовления арболитовой смеси. Этот принцип является основополагающим в современной технологии изготовления органоминеральных композитов. Для повышения стойкости растительных заполнителей к влажностным воздействиям известны ряд способов физического и химического воздействия на компоненты. Достигнутые результаты позволили изготавливать органоминеральные конструкции с высокими физикомеханическими, теплотехническими и эксплуатационными свойствами. Однако в технологии приготовления арболита недостаточно учитываются массообменные процессы.

Для нивелировки влияния экстрактов на твердение цементного камня и снижения влажностного градиента предусматривается предварительная обработка заполнителя горячей водой или водным раствором минерализатора [4]. Можно предположить, что в связи с резким температурным градиентом между горячим водным раствором и холодным заполнителем (особенно в зимних условиях) вода интенсивно переместится вглубь заполнителя, унося за собой часть экстрактов, а при выравнивании температур - в вяжущее с выносом их из глубинных слоев цементных ядов. Решая задачи частичного удаления с поверхности легкогидролизуемых веществ и стабилизации водоцементного отношения в контактной зоне, не снимается проблема объемновлажностных деформаций. Кроме того, необходимы дополнительные энергозатраты сначала на нагрев воды, а затем на ее удаление из готовых изделий.

С точки зрения влажностного состояния системы и энергетических затрат более рациональна технология сухой термообработки дробленки [5]. В снижении водопоглощения древесины, видимо, участвует не только снижение гидрофильности, обусловленное превращением линейных полимеров в трехмерные, но и изменение направления термодиффузии, когда нагретый заполнитель препятствует перемещению влаги из более холодного цементного теста. Возможно, эффект повышения прочности и сокращения энергозатрат был бы более значим, если бы удалось сохранить высокие температуры заполнителя в течение длительного периода, например, за счет экзотермических свойств древесины.

Превалирующим направлением в современной технологии защиты органического заполнителя от увлажнения принято снижение концентрационной диффузии гидрофобизацией древесины пленкообразующими полимерами. Такой подход позволяет на 20-25 % снизить водопоглощение и существенно повысить прочность арболита, но приводит заполнитель в инертное состояние относительно внешних условий, предопределяя тем самым невозможность использования внутренних резервов древесины в структурообразовательных процессах.

Одним из таких резервов может стать регулирование в процессе выдерживания арболита локального влагосодержания системы «вяжущее - заполнитель» за счет изменения соотношения геометрических характеристик капиллярно-пористых пространств.

Перемещение части воды затворения из вяжущего в заполнитель имеет некоторое позитивное значение, так как снижает содержание влаги в вяжущем контактной зоны от значений технологической насыщенности до оптимального водоцементного отношения. Однако в этот период становится необходимым предотвратить дальнейший массоперенос, основываясь на принципах, установленных предшествующими исследователями и представленных выше, но с трансформацией технологии их реализации.

Поскольку основной поток влаги вызывается капиллярным подсосом влаги [6], то встает задача снижения доли влияния данного фактора. Одним из путей решения может быть расширение диаметров каналов [7], например, растворением стенок капилляров химическими реагентами. При этом продукты химических реакций, перемещаясь течением жидкости вглубь древесины и адсорбируясь ее поверхностями [8], кальматируют относительно узкие каналы, образуя внутри заполнителя гидроизоляционную оболочку. Эффективность технологии может быть повышена, если химизм процесса будет сопровождаться экзотермическими реакциями внутри древесины, оказывая сопротивление водопоглощению температурным градиентом, направленным в сторону вяжущего.

Расширение устьевой части капилляров до размеров пор приведет к более глубокому проникновению геля и повышению прочности физических связей системы.

Пространство между вяжущим и образованной гидроизоляционной оболочкой возможно использовать в качестве резервуаров накопления влаги, обладающей заданными свойствами влияния на вяжущее и древесину: проти-

воморозными, ускоряющими твердение, антисептирующими и т.д. Эти свойства предопределяются либо введением в исходный состав материала соответствующих добавок, либо (что более предпочтительно) образованием их в результате химических реакций. Для подпитки данной влагой твердеющего вещества, видимо, целесообразно усилить капиллярный подсос со стороны вяжущего сужением его капилляров, например, введением в его состав уплотняющих добавок (например, хлорида железа). Данный прием возможно повысит прочность контактной зоны.

Дальнейшее развитие предлагаемой технологической схемы требует прогнозирования оптимальных параметров капиллярно-пористой системы: соотношения размеров влагопроводящих каналов, условий регулируемого массопе-реноса, динамики их изменения. Основой для разработки служит представленная на рис. 2. схема ожидаемого перемещения массы (влаги, древесноцементной смеси, новообразований) под действием регулируемых параметров внутренних условий выдерживания системы.

Рис. 2. Схема прогнозируемого массопереноса при регулировании параметров органоминеральной системы в индукционный период ее выдерживания:

Гь Г2, ^ - температура органического заполнителя, вяжущего и наружной среды; Рь Р2, Р3 - давление, там же; Ш2, - влажность, там же; Q - поток массы

в заполнитель под действием; Qкaп3ап - капиллярный подсос заполнителем; Qc -сопротивление потоку массы в заполнитель под действием; Qкaпвяж - капиллярный подсос вяжущим; (^2-^) и (№з-№^) - концентрационная диффузия; Гэ -

т р

температура от экзотермии сред; р р - давление от температурного расширения сред; рнаб. - давление от набухания заполнителя; ркап. - сопротивление в капиллярах заполнителя; Рпарц. - парциальное давление в межпоровом пространстве; 1 -цементное тесто; 2 - органический заполнитель; 3 - паровоздушная смесь; 4 -водопроводные каналы заполнителя; 5 - новообразования; 6 - свободная влага

В основу данной схемы положена гипотеза о том, что органический материал капиллярно-пористой структуры заполнителя является химически активным веществом, способным вступать во взаимодействие, сопровождающееся тепловыделением, опережающим по времени и количеству экзотермию цемента.

Под действием подсоса капиллярами заполнителя ^капзап), концентрационной диффузии ^ (^2-^1)] влага в химических новообразований, электролита и вяжущего теста устремляется в капилляры и поры заполнителя. Это может быть вызвано опережающей по времени химической обработкой заполнителя по сравнению с введением других компонентов арболитовой смеси. В результате такой технологии поры и капилляры заполняются сначала жидкой фазой новообразований, которые адсорбируются стенками, сужают каналы и кальматируют их на своем пути. Затем в движение включаются компоненты цементного теста, и в первую очередь технологическая влага, имеющая пониженную вязкость.

Продвижение этих масс, встречает сопротивление. Прежде всего, сопротивление потоку (0^) возникает за счет температурного фактора, поскольку обеспечивается опережающий рост температуры в заполнителе по сравнению с цементным тестом (^Э-2Э), а также вследствие повышенной температуры в вяжущем по отношению к межпоровому пространству арболита (^1Э-^2Э).

Свою роль в сопротивлении потоку играют факторы давления: сопротивление давлению в капиллярах заполнителя (Р1кап), давление от температурного расширения по сравнению с вяжущим (Р1тр-Р2тр) и с крупными порами конгломерата (Р2тр-Р3).

Действенным средством снижения значения капиллярного подсоса влаги может стать изменение соотношения диаметров капилляров заполнителя и вяжущего теста. В данном направлении просматривается целесообразность расширения устьевой части водопроводящих каналов древесины при ее взаимодействии с химическим реагентом, а также повышение водоудерживающей способности вяжущего ^капвяж) за счет сужения его капилляров уплотняющими добавками.

При реализации данной технологии основная масса влаги останется в цементном тесте, обуславливая оптимальное водоцементное отношение при его твердении. Часть свободной воды будет заперта между вяжущими и новообразованиями. Эту влагу возможно будет использовать для регулирования процессов твердения контактной зоны, если обеспечить ей в результате химизма процессов соответствующие свойства (регулирующие скорость твердения, противоморозные и т.д.).

Таким образом, показано, что влага, заключенная в ограниченном заполнителе, может оказывать положительно влияние на твердение вяжущего. Для этого определены пути регулирования влагосодержания в пограничной зоне системы. Полученные данные позволят целенаправленно вести дальнейшие исследования с целью обеспечения оптимальных условий твердения органоминеральных композитов.

Библиографический список

1. Наназошвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И.Х. Наназошвили. - Л. : СИ., 1990. - 416 с.

2. Гныря, А.И. Моделирование внутреннего неизотермического массопереноса в бетоне на ранней стадии выдерживания / А.И. Гныря, И.А. Подласова, А.В. Лагойда // ВНИИНТЛИ. - № 11290. - Вып. 2. - 1996.

3. Бужевич, Г.А. Арболит / Г.А. Бужевич. - М. : СИ, 1968. - 210 с.

4. Жук, Л.Ф. Производство обьемных блоков из арболита / Л.Ф. Жук // Сборник «Арболит. Производство и применение». - М. : С.И., 1977 - С. 240-244.

5. Подласова, И.А. Внутренний неизотермический массоперенос в бетоне на ранней стадии выдерживания: дис. ... канд. техн. наук. - 1993.

6. Баженов, В.А. Проницаемость древесины жидкостями и ее практическое значение / В.А. Баженов. - М. : Изд-во Академии наук СССР, 1952. - С. 84.

7. Лыков, А.В. Тепломассообмен / А.В. Лыков. - М. :Энергия, 1978. - 480 с.

8. Tieman, H.D. Wood technology / H.D. Tieman. - 1944. - C. 180.

A.P. SHESHUKOV, T.I. ROMANOVA

THE ROLE OF MASS TRANSFER IN STRUCTURE-FORMING «ASTRINGENT - ORGANIC FILLER»

The work is devoted to the problem of timber waste products usage for making the timber cement compositions. Theoretical researches on working out the model of mass transfer in contact zone of mineral astringent in organic filler are presented. The article is the basis for experimental researches in the field of regulation of system humidity indicies creating the optimum conditions of hardening of capillary-porous conglomeration.