Проектирование составов смесей цементных теплоизоляционных материалов с использованием древесных отходов

УДК 691.32:674.8

Н.В. КУЗНЕЦОВА, канд. техн. наук

Тамбовский государственный технический университет

Проектирование составов смесей цементных теплоизоляционных материалов с использованием древесных отходов

Рассматривается возможность производства цементных теплоизоляционных материалов с использованием древесных отходов с заданными физико-механическими свойствами. Для этого исследуется влияние соотношений компонентов смеси, таких как отношения опилки/цемент, песок/цемент, известь/цемент и вода/цемент, на коэффициент теплопроводности, прочность и плотность материала. Исследования проводились согласно плану, дающему возможность определения соотношений компонентов методом интерполяции. Приведены графики зависимости коэффициента теплопроводности и прочности от соотношений опилки/цемент и вода/цемент при неизменных отношениях песок/ цемент и известь/цемент. Определены возможные составы смесей для изготовления цементных теплоизоляционных материалов с заданными значениями коэффициентов теплопроводности. По результатам исследования представлены возможные области применения данных цементных теплоизоляционных материалов с использованием древесных отходов.

Ключевые слова: цементные теплоизоляционные материалы, древесно-цементные композиты, отходы деревообработки, коэффициент теплопроводности.

N.V. KUZNETSOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (nata-kus@mail.ru),

D.A. YAKOVLEV, student

Tambov State Technical University

Design of Mixes of Cement Heat Insulation Materials with the Use of Wood Waste

The possibility of production of cement heat insulation materials using wood waste with specified physical-mechanical properties is considered. For this purpose, the influence of mix component ratio, such as sawdust/cement, sand/cement, lime/cement, and water/cement on the heat conduction coefficient, strength, and density of material are studied. Studies are conducted according to the plan which makes it possible to define the component ratio by the interpolation method. Graphs of the dependence of the heat conduction coefficient and strength on sawdust/cement and water/cement ratios at unchanged sand/cement and lime/cement ratios are presented. The possible compositions of mixes for producing cement heat insulation materials with specified values of heat conduction coefficients were determined. On the basis of study results, possible fields of application of these cement heat insulation materials with the use of wood waste are presented.

Keywords: cement heat insulation materials, wood-cement composites, wood processing, heat conduction coefficient.

Объем заготовки древесины в России около 200 млн м3/г. При этом отходы от обработки древесины — это примерно 32% исходного материала [1]. Основную их часть составляют опилки, стружка и щепа. При этом большая часть хранится на полигонах или сжигается [2], что является экономически невыгодным как для предприятий, связанных с деревообработкой, так и для народного хозяйства. До 21% отходов деревообработки используются в производстве строительных материалов [1], таких как арболит, ЦСП, ДСП [3]. При этом вещества, которые используются при производстве данных материалов, такие как фенолформальдегидные смолы, снижают экологичность, а порой и представляют опасность для здоровья человека [4].

В связи со всем вышесказанным в работе был рассмотрен вариант использования древесной стружки как компонента цементных композиционных теплоизоляционных материалов. Предполагается получить относительно дешевый, экологичный, высококачественный материал. Его главными преимуществами являются доступность компонентов и несложный технологический процесс производства в сравнении с другими теплоизоляционными материалами.

Целью исследования являлся подбор соотношений компонентов смесей цементных теплоизоляционных материалов с использованием древесной стружки. В качестве целевой функции, рассматриваемой в исследовании, был принят коэффициент теплопроводности.

Процесс получения цементных теплоизоляционных материалов с заданными свойствами условно можно поделить на два главных этапа: определение закономерностей влияния различных факторов на физико-механические свойства материала и определение состава и технологии производства материала с необходимыми свойствами.

В качестве связующего при проектировании составов смесей цементных теплоизоляционных материалов использовался портландцемент марки М400, соответствующий ГОСТ 10178—85. Заполнителем служил мелкий кварцевый песок (ГОСТ 10832—91) и отходы деревообработки — еловая стружка [5, 6]. Также в качестве добавки для нейтрализации простейших сахаров в древесине, таких как сахароза, глюкоза, применялась известь-пушонка (ГОСТ 9179—77). В связи с неоднородностью компонентов, входящих в состав смеси, традиционные методы смешивания не давали необх одимого результата, поэтому компоненты подвергались диспергированию в шаровой вибровращательной мельнице периодического действия. Технологический режим перемешивания был определен при проведении предварительных исследований.

Процесс изменения физико-механических характеристик композиционного строительного материала протекает под действием различных факторов, характер влияния которых трудно поддается описанию. Применение планирования эксперимента при исследо-

научно-технический и производственный журнал

Ш^улг&иш

Reports of the VII Academic reading «Technical regulation in construction. _Actual issues of building physics»

Таблица 1

Интервалы варьирования факторов

Факторы Диапазоны изменений факторов

-1 0,25

x1 0 0,5

+ 1 0,75

-1 1

x2 0 1,5

+ 1 2

-1 0 %

x3 0 7,5 %

+ 1 15 %

-1 2

x4 0 2,5

+1 3

Таблица 2

План экспериментальных исследований

№ опыта X1 X2 X3 X4

1 -1 -1 -1 -1

2 + 1 -1 -1 -1

3 -1 +1 -1 -1

4 + 1 +1 -1 -1

5 -1 -1 +1 -1

6 + 1 -1 +1 -1

7 -1 +1 +1 -1

8 + 1 +1 +1 -1

9 -1 -1 -1 +1

10 + 1 -1 -1 +1

11 -1 +1 -1 +1

12 + 1 +1 -1 +1

13 -1 -1 +1 +1

14 + 1 -1 +1 +1

15 -1 +1 +1 +1

16 + 1 +1 +1 +1

17 -1 0 0 0

18 + 1 0 0 0

19 0 -1 0 0

20 0 +1 0 0

21 0 0 -1 0

22 0 0 +1 0

23 0 0 0 -1

24 0 0 0 +1

25 0 0 0 0

вании физико-механических характеристик композиционного строительного материала предполагает целенаправленное управление ходом эксперимента, которое реализуется в условиях неполного представления о механизме изменения физико-механических характеристик в зависимости от ряда факторов. Такой подход дает возможность реализовать основной принцип планирования — получение требуемой точности математического описания при ограниченном количестве опытов.

Планирование эксперимента подразумевает рандомизацию и одновременное варьирование всеми факторами, что позволяет более точно оценить эффекты влияния факторов и их взаимодействий по сравнению с однофакторным (когда изменяется один фактор) экспериментом, причем увеличение количества факторов ведет к повышению точности оценок [7].

Логически продуманное построение исследования включает в себя выбор независимых переменных, области факторного пространства и математической модели описания рассматриваемого процесса.

На основании анализа предварительной информации выделены факторы, наиболее существенно влияющие на физико-механические характеристики цементного теплоизоляционного материала: х1 — отношения опилки/цемент (О/Ц); х2 — отношения песок/цемент (П/Ц); х3 — доля содержания извести в цементе (И/Ц); х4 — отношения вода/цемент (В/Ц). При планировании эксперимента рассматривались следующие интервалы варьирования факторов (табл. 1) Выбор количества уровней варьирования определялся криволинейным характером зависимости физико-механических характеристик цементного теплоизоляционного строительного материала от указанных факторов.

Выбор факторного пространства производился с учетом интерполяционной возможности построенной модели согласно следующему плану (табл. 2).

Предполагалось, что зависимость физико-механических характеристик цементных теплоизоляционных материалов с применением отходов деревообрабатывающей промышленности может быть описана приведенным полиномом неполного третьего порядка, коэффициенты которого зависят от значений уровней факторов

(Х1, х4).

Для эксперимента были изготовлены образцы с 25 разными составами. Количество образцов в эксперименте (готовились три образца-дублера) при испыта-

нии на центральное сжатие, определении плотности и теплопроводности составило 75 кубов с ребром 100x100x100 мм.

По результатам испытаний прочности при сжатии, определении плотности и теплопроводности для каждого свойства была получена математическая модель, описывающая ее зависимость от всех вышеописанных факторов.

Для наглядности полученных данных были построены поверхности при двух фиксированных значениях факторов и двух изменяющихся (рис. 1, 2).

По графикам можно проследить следующие закономерности: прочность материала возрастает от 0,4 до 2,8 МПа при уменьшении отношения О/Ц и увеличении В/Ц, так как введение древесных отходов в смесь повышает ее водопотребность и пористость [8]; коэффициент теплопроводности уменьшается с 0,38 до 0,19 Вт/(м.оС) при увеличении О/Ц и уменьшении В/Ц.

Анализируя полученный графический материал можно определить составы цементных теплоизоляционных материалов с заранее заданными физико-механическими характеристиками.

Метод определения состава материалов с заранее заданными физико-механическими характеристиками заключается в том, что на построенной поверхности выбирается линия с равными значениями функции отклика. Затем эту линию проецируют на плоскость аргументов, после чего возможно найти неизвестные факторы путем опускания перпендикуляров из интересующей нас точки на оси аргументов.

fj научно-технический и производственный журнал

июнь 2016

X, Вт/

г 0,5

0,4-0,5

- 0,4  0,3-0,4

- 0,3 0,2-0,3

0,1-0,2

0,2

0,1

0

R, кгс/см2

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности при изменении отношений О/Ц и В/Ц и П/Ц = 1,5 и И/Ц = 0%

Таблица 3

Составы смесей цементных теплоизоляционных материалов с заданными характеристиками

_û m Я н № Соотношения компонентов Характеристики

О О состава О/Ц П/Ц И/Ц В/Ц R, МПа р , кг/м3

Р 1 0,25 1,8 1,5 2 1,1 1300

5 in 2 0,25 1 6 2 0,8 1050

я. 3 0,5 1,6 0 2,6 0,9 1200

«Ü 4 0,5 1,9 7,5 2,4 0,4 1180

5 0,25 1,6 10,5 2 1 1270

Üo со о о" 6 0,25 1,1 15 2 0,7 1120

7 0,5 1,4 0 3 1,1 1060

л 8 0,1 2 0 2,2 1,8 1520

132,5-3

2-2,5 01,5-2

1-1,5

0,5-1

0-0,5

О/Ц

Рис. 2. Зависимость прочности от О/Ц и В/Ц при неизменных П/Ц = 1,5 и И/Ц = 0%

Воспользовавшись данной методикой, были подобраны несколько составов смесей цементных теплоизоляционных материалов с коэффициентом теплопроводности X = 0,25 Вт/(м.оС) и X = 0,3 Вт/(м.оС) (табл. 3).

Изменяя соотношения компонентов в смеси можно добиться изменения прочности в несколько раз (с 0,7 до 1,8 МПа — смеси № 6 и 8), или изменить соотношение компонентов при практически неизменных характеристиках материала (смеси № 2 и 3).

Используя полученные составы, возможно изготовление строительных изделий с требуемыми характеристиками. Окончательный состав смеси выбирается исходя из физико-технических и технико-экономических требований. Области применения полученных изделий: заполнение в межкомнатных и межквартирных перегородках, мелкие стеновые блоки в малоэтажном строительстве (при условии защиты от внешних атмосферных воздействий), перегородочные блоки, утепление полов 1-го этажа.

Список литературы

1. Колесникова А.В. Анализ образования и использования древесных отходов на предприятиях лесопромышленного комплекса России // Актуальные вопросы экономических наук. 2013. № 33. С. 116—120.

2. Борзунова А.Г., Зиновьева И.С. Комплексная переработка древесного сырья. Утилизация древесных отходов // Успехи современного естествознания. 2012. № 4. С. 180-181.

3. Горностаева Е.Ю., Ласман И.А., Федоренко Е.А., Камоза Е.В. Древесно-цементные композиции с модифицированной структурой на макро-, микро- и наноуровнях // Строительные материалы. 2015. № 11. С. 13-17.

4. Леонович А.А., Войтова Т.Н. Повышение экологической безопасности древесно-стружечных плит // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2014. № 6. С. 120-129.

5. Наназашвили И.Х. Строительные материалы из дре-весно-цементной композиции. Л.: Стройиздат, 1990. 415 с.

6. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Проектирование составов бетонов с заданными свойствами. Ровно: Изд-во РГТУ, 1999. 197 с.

7. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Минск: Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1982. 302 с.

8. Запруднов В.И., Санаев В.Г. Макроскопические свойства древесно-цементных композитов // Вестник Московского государственного университета леса — Лесной вестник. 2012. № 6 (89). С. 168-171.

References

1. Kolesnikova A.V. Analysis of formation and use of wood waste at enterprises of timber industry complex of Russia. Aktual'nye voprosy ekonomicheskikh nauk. 2013. No. 33, pp. 116—120. (In Russan).

2. Borzunova A.G., Zinov'eva I.S. Complex processing of wood raw material. Disposal of waste wood. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2012. No. 4, pp. 180—181. (In Russan).

3. Gornostaeva E.Yu., Lasman I.A., Fedorenko E.A,, Kamoza E.V. Wood-cement compositions with a modified structure at the macro-, micro- and nanoscale. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No.11, pp. 13-17. (In Russan).

4. Leonovich A.A., Voitova T.N. Increasing ecological safety chipboard. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Lesnoi zhurnal. 2014.No. 6, pp. 120-129. (In Russan).

5. Nanazashvili I.Kh. Stroitel'nye materialy iz drevesno-tsementnoi kompozitsii [Building materials made of wood-cement composition]. L.: Stroyizdat. 1990. 415 p.

6. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Proektirovanie sostavov bet-onov s zadannymi svoistvami [Design of concrete compositions with desired properties]. Rovno: izdatel'stvo RGTU. 1999. 197 p.

7. Krasovskii G.I., Filaretov G.F. Planirovanie eksperi-menta [Planning experiment ]. Minsk: BGU im. V.I. Le-nina, 1982. 302p.

8. Zaprudnov V.I., Sanaev V.G. The macroscopic properties of wood-cement composites. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa — Lesnoi vestnik. 2012. No. 6 (89), pp. 168-171. (In Russan).

научно-технический и производственный журнал

Ш^улг&иш