Использование ртходов лесозаготовок и деревообработки для производства теплоизоляционного материала

УДК 691.115

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ЛЕСОЗАГОТОВОК И ДЕРЕВООБРАБОТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Р.Г. САФИН, В.И. ПЕТРОВ, Г.И. ИГНАТЬЕВА, В.В. СТЕПАНОВ,

Р.А. ХАЛИТОВ

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Рассмотрено использование органического заполнителя в пенобетонной смеси для получения теплоизоляционного материала. Приведена актуальность использования отходов деревообработки в теплоизоляционных материалах. Дано описание и результаты экспериментального исследования оптимального состава деревопенобетона, отвечающего требованиям нормативных документов. Представлена модель расчета прочности на сжатие, изгиб и плотности деревопенобетона.

Ключевые слова: отходы лесозаготовок, деревообработка, теплоизоляционный материал, композиционный материал, органический заполнитель, минеральные связующие.

Потребность в теплоизоляционных материалах возросла в связи с введением новых требований к термическому сопротивлению ограждающих конструкций зданий. Увеличение объемов строительных работ по возведению новых зданий, реконструкции и ремонту существующего жилого фонда гарантирует в ближайшем будущем стабильный и долговременный спрос на теплоизоляционные материалы. В России к 2010г. объем потребления теплоизоляционных материалов в строительстве должен составить 25-30 млн. м3 в год. Проектные мощности выпуска теплоизоляционных материалов в настоящее время составляют 17-18 млн. м3 в год [1]. Производство теплоизоляционных материалов из отходов деревообрабатывающих производств позволит не только увеличить выпуск теплоизоляционных материалов и изделий, но и частично решить еще одну проблему - утилизацию древесных отходов. Проблема переработки вторичного сырья сейчас приобрела важный характер. В странах СНГ ежегодно образовывалось около 200 млн. м3 отходов деревообработки древесины [2]. Несмотря на снижение производства деревоперерабатывающих предприятий, в настоящее время количество отходов от деревообработки остается большим. Увеличение объема производства и расширение номенклатуры теплоизоляционных материалов и изделий, утилизация отходов деревоперерабатывающих предприятии является актуальной задачей, решение которой частично можно осуществить путем организации производства теплоизоляционных изделий на основе древесных отходов.

Теплоизоляционными называют материалы, применяемые в строительстве жилых и промышленных зданий, тепловых агрегатов и трубопроводов с целью уменьшить тепловые потери в окружающую среду. Теплоизоляционные материалы характеризуются пористым строением и, как следствие этого, малой плотностью (не более 600 кг/м3) и низкой теплопроводностью (не более 0,18 Вт/(м-°С). Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструктивных материалов, уменьшить транспортные расходы и, соответственно, снизить стоимость строительства.

© Р.Г. Сафин, В.И. Петров, Г.И. Игнатьева, В.В. Степанов, Р.А. Халитов Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

Наряду с этим, при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом. Теплоизоляционные материалы классифицируют по виду основного сырья, форме и внешнему виду, структуре, плотности, жесткости и теплопроводности. По виду основного сырья они подразделяются на неорганические, изготовляемые на основе различных видов минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, асбеста): органические, сырьем для производства которых служат природные органические материалы (древесные, торфяные) и материалы из пластических масс. По форме и внешнему виду различают теплоизоляционные материалы штучные жесткие (плиты, скорлупы, сегменты, кирпичи, цилиндры) и гибкие (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (вата, перлитовый песок, вермикулит). По структуре теплоизоляционные материалы классифицируют на волокнистые (минераловатные, стекловолокнистые), зернистые (перлитовые, вермикулитовые), ячеистые (изделия из ячеистых бетонов, пеностекло). По плотности теплоизоляционные материалы делят на марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600. По теплопроводности теплоизоляционные материалы разделяются на классы: А - низкой теплопроводности до 0,06 Вт/(м-°С), Б - средней теплопроводности - от 006 до 0,115 Вт/(м-°С), В -повышенной теплопроводности: от 0,115 до 0,175 Вт/(м-°С). По назначению бывают материалы теплоизоляционно-строительные (для утепления строительных конструкций) и теплоизоляционно-монтажные [3] (для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов).

Теплоизоляционные материалы должны быть: биостойкими т. е. не подвергаться загниванию и порче насекомыми и грызунами; сухими, с малой гигроскопичностью, так как при увлажнении их теплопроводность значительно повышается; химически стойкими, а также обладать тепло- и огнестойкостью.

Среди современных теплоизоляционных строительных материалов можно выделить пенобетон. Пенобетон - это разновидность ячеистого бетона, применяемая для кладки и изоляции стен. Данный материал получил широкое распространение благодаря своим превосходным качествам, которые превосходят обычный бетон, например, высокой теплоизоляции. Пенобетон представляет собой ячеистый легкий бетон, получаемый в процессе затвердевания раствора, в состав которого входит: цемент, песок, вода, техническая пена. Применение пены обусловлено тем, что благодаря ей равномерно распределяется воздух внутри строительного материала. Пенобетон используется не только как искусственный камень, но и как превосходный теплоизоляционный материал, составляющий конкуренцию таким теплоизоляторам, как пенопласт и минеральная вата. Преимущество пенобетона состоит в том, что он не выделяет никаких токсинов, и его характеристики не изменяются со временем. Однако большинство существующих в настоящее время технологий производства неавтоклавного ячеистого бетона требует применения достаточно дорогостоящих сырьевых материалов (портландцемент, известь, мытый кварцевый песок и др.), что отражается на стоимости и конкурентоспособности материала. Для решения данной проблемы наиболее актуальны разработки новых технологических приемов использования в производстве неавтоклавных ячеистых бетонов местной сырьевой базы. Это позволит обеспечить производство богатейшим источником дешевого и частично уже подготовленного сырья и создаст реальные возможности для экономии энергетических ресурсов и капитальных вложений.

Целью данной работы явилось исследование возможности использования древесных отходов в качестве органического заполнителя в пенобетонной смеси.

Отходы древесины образуются на всех стадиях ее заготовки и переработки. К ним относятся: ветви, сучья, вершины, откомлевки, козырьки, опилки, пни, корни, кора и хворост, которые в сумме составляют около 21% всей массы древесины. При переработке древесины на пиломатериалы выход продукции составляет в среднем 65%, а остальная часть образует отходы в виде горбыля (14%), опилок (12%), срезок и мелочи (9%). При изготовлении из пиломатериалов строительных деталей, мебели и других изделий получают отходы в виде стружки, опилок и отдельных кусков древесины, составляющие до 40% массы переработанных пиломатериалов. Отходы, образующиеся в процессе обработки древесины, классифицируют в зависимости от их вида на три группы: твердые (или кусковые), мягкие (опилки, стружка) и кора. Отходы классифицируют также в зависимости от последовательности получения: образуемые при заготовке леса; при использовании древесины в круглом виде; первичной и вторичной обработке и переработке древесного сырья. Для производства строительных материалов и изделий используют все виды отходов. Последние применяют как непосредственно для перерабатывания их в технологическую щепу, а затем в стружку, дробленку, волокнистую массу и т. д. Технологическая щепа - это продукт первичного измельчения кусковых отходов и неделовой древесины, предназначенный для последующей переработки на дробленку, стружку или волокнистую массу. Щепу получают на дисковых или барабанных рубильных машинах. Требования к щепе определяются ее назначением. Обычно нормируются размеры щепы, содержание в ней гнили, коры и минеральных примесей. Характер последующей переработки щепы определяется видом получаемого материала. Для получения теплоизоляционного материала применяют дробленку или стружку. Древесная дробленка должна иметь коэффициент формы (отношение наибольшего размера к наименьшему) 5 - 10 и толщину 3-5 мм. Наибольшая длина до 25 мм. Такая форма частиц позволяет приблизить по абсолютному значению влажностные деформации вдоль и поперек волокон и снизить их отрицательное воздействие на структурообразование и прочность материала.

В производстве строительных материалов применяют отходы как хвойных, так и лиственных пород. При этом для производства большинства материалов хвойные породы предпочтительнее, так как они содержат меньше водорастворимых экстрактивных веществ, а также различных Сахаров, дубильных и смолянистых веществ, отрицательно влияющих на процессы твердения цементов. В древесине хвойных пород велико содержание длинных и прочных волокон, что позволяет получать из нее высококачественную волокнистую массу. Для уменьшения количества экстрагируемых веществ в древесных отходах содержание примесей коры должно быть минимальным, полезно также вылеживание древесины после рубки на складах в течение 4 - 6 мес. «Цементные яды», содержащиеся в древесине, обезвреживаются ее минерализацией, т. е. пропиткой растворами солей, такими как хлорид кальция, сернокислый глинозем, жидкое стекло и др.

Анализ литературных данных показал, что используемые технологии производства пенобетонных смесей имеют ряд существенных недостатков:

- высокий расход цемента для создания нужной прочности при сжатии;

- высокая плотность, высокий коэффициент теплопроводности.

Авторы предлагают использовать отходы лесозаготовок и деревообработки в качестве органического заполнителя пенобетонной смеси. Для проведения эксперимента по определению оптимального состава деревопенобетоной смеси в качестве органического заполнителя принимается технологическая щепа.

Технология изготовления экспериментальных деревопенобетонных образцов следующая: технологическую щепу пропитывают 20% раствором хлорида кальция.

Обработанную щепу, портландцемент марки М500, техническую пену и воду дозированно подают в смеситель и смешивают до получения однообразной массы. Из сырьевой смеси готовят образцы. По истечении 28 суток образцы испытывают на прочность и фиксируют удельную массу.

На основе выполненных ранее исследований выбраны три фактора, варьируемые в эксперименте [4-6]. Для изучения и оценки свойств деревопенобетона (ДПБ) был поставлен трехфакторный эксперимент, в котором представлены три рецептурных фактора: технологическая щепа Х1 - (55 ± 5)%; портландцемент Х2 - (21 ± 5)%; и техническая пена Х3 - (4 ± 2)%. Для наглядного представления приведем уровни варьирования факторов в табл. 1.

Таблица1

Уровни варьирования факторов_

Уровень Фактор, %

технологическая щепа, Х1 портландцемент, Х2 техническая пена, Х3

-1 50 16 2

0 55 21 4

+1 60 26 6

Содержание компонентов в сырьевой смеси в указанных границах, исходя из предварительных исследований, обеспечивает физико механические характеристики теплоизоляционного пенобетона, соответствующие ГОСТ 5742-76.

Параметрами оптимизации служили: прочность на сжатие (28 сут), МПа - Ясж (У1); прочность на изгиб (28 сут), МПа - Яизг (У2); плотность, кг/м3 - р (У3). Критерием оптимизации были выбраны прочность на изгиб- Яизг (У2) > 2,0 МПа и плотность - р (У3) <400 кг/м3.

По результатам эксперимента были рассчитаны коэффициенты математических моделей прочности на сжатие, изгиб, и плотности деревопенобетонной композиции. С учетом ошибок эксперимента 8{Ясж} = 0,13; 8{Яизг} = 0,1 и расчета коэффициентов моделей они имеют вид:

Прочность на сжатие, МПа :

ЯСж = 1,5 + 0,22- х1 + 0,34- х2 + 0,25- х1 • х3 + 0,17- х2 +

+ 0,39• х2 + 0,05• х2 • х3 + 0,32• х3 - 0,06• х3.

Прочность при изгибе, МПа:

%зг = 1,91 + 0,41 • х1 + 0,34 • х2 + 0,03 • х1 • х2 + 0,05 • х1 • х3 +

+ 0,39• х2 + 0,44• х2 + 0,2• х2 • х3 + 0,5• х3 + 0,19• х2.

Плотность, кг/м3:

р = 349,8 + 13,6 •х1 + 14,4 •х2 + 1,4 •х1 •х2 - 0,4 •х1 ^х3 +

+ 15,3 • х2 + 15,9 • х2 - 0,4 • х2 • х3 + 1,5 • х3 + 9,9 • х2.

План и выходные значения эксперимента представлены в табл. 2. По моделям прочности ДПБ предварительно можно отметить, что все три фактора оказывают положительное влияние на прочностные показатели, о чем свидетельствуют положительные линейные эффекты в модели прочности на сжатие (в\ = + 0,22; в2 = + 0,17; в3 = + 0,32) и изгиб (в! = + 0,41; в2 = + 0,39; в3 = + 0,5). Наибольшее влияние на прочностные характеристики ДПБ оказывает портландцемент. Однако содержание технической пены должно быть оптимальным, на что указывает квадратичный эффект

в модели прочности на сжатие (в33 = - 0,06). Превышение оптимального значения технической пены приводит к незначительному понижению прочности. Плотность ДПБ увеличивается и зависит, в первую очередь, от содержания технологической щепы (в2 = + 15,3) и от содержания портландцемента (в1 = + 13,6). Анализ модели показал, что изменение прочности на сжатие при минимальном содержании портландцемента 16% и технической пены 2% незначительно. Здесь этот показатель растет от 0,8 до 0,9 МПа при повышении содержания технологической щепы от 50 до 60%, т.е. максимальное наполнение даже несколько повышает прочность ДПБ. Из таблицы видно, что при увеличении концентрации технической пены от 2 до 6% изменение прочности на сжатие так же не значительно и этот показатель находится в пределах от 0,8 до 0,9 МПа. Повышение содержания портландцемента до 21% (х2 = 0) увеличивает прочность на сжатие до 1,1 Мпа, а уже при содержании 26% портландцемента прочность достигает до 1,4 МПа, но при максимальном содержании технологической щепы 60%. Таким образом, увеличение конструкционных прочностных свойств ДПБ происходит при одновременном увеличении содержания количества портландцемента до 26% и технологической щепы до 60%. Тенденция увеличения прочности на изгиб при изменении уровней трех факторов сохраняется как и в случае с прочностью на сжатие. При минимальном содержании портландцемента и технической пены (х1 = х3 = -1) прочность на изгиб Яизг составит 0,7% и максимальное Яизг достигает 1,0 МПа, но при максимальном содержании последних (х] = х3 = +1), т.е прочность возрастает за счет регулирования количества портландцемента и технической пены. Из таблицы видно, что плотность материала не изменяется практически при 16 и 21%-ном содержании портландцемента.

Таблица2

План и выходные значения эксперимента __

План эксперимента в переменных У1 К-сж МПа Г2 Кизг МПа Уз Р кг/м3

но рмализованных натурных

Х1 Х2 Х3 XI Х2 Х3

+ + + 60 26 6 1,4 1,0 487

+ + - 60 26 2 1,4 1,0 486

+ - + 60 16 6 0,9 0,7 337

- + + 50 26 6 1,3 0,9 471

- - - 50 16 2 0,8 0,7 320

- - + 50 16 6 0,8 0,7 321

- + - 50 26 2 1,3 0,9 470

+ - - 60 16 2 0,9 0,7 336

+ 0 0 60 21 4 1,1 0,8 411

- 0 0 50 21 4 1,0 0,8 395

0 + 0 55 26 4 1,3 0,9 478

0 - 0 55 16 4 0,9 0,7 328

0 0 + 55 21 6 1,1 0,8 404

0 0 - 55 21 2 1,1 0,8 402

0 0 0 55 21 4 1,1 0,8 403

Увеличение содержания технологической щепы во всех случаях приводит к уплотнению композиции. При содержании портландцемента 16% и максимальной концентрации технической пены 6% увеличение технологической щепы от 50 до 60 % вызывает рост плотности от 320 до 340 кг/м3, что, соответственно, отвечает критерию оптимизации по плотности р (У3) < 400 кг/м3. Только увеличение концентрации технической пены до 6% обеспечивает композиции плотность р равную менее 400 кг/м3. Для принятия решения о составе ДПБ по информации в моделях и проанализированных полях таблицы использовали аналитические методы определения

допустимых зон и компромиссных решений. На основании отмеченного выше установлена оптимальная область значений рецептур х1, х2, х3, где плотность составляет 400 и менее кг/м3 и прочностные показатели имеют максимальное значение И-сж > 1,1 МПа; Яизг > 0,8 Мпа. Здесь содержание технологической щепы Х1 должно составлять 55-60%, портландцемента Х2 = 21% и концентрация технической пены Х3 = 6-11%.

Проведенные испытания образцов из деревопенобетона подтвердили его соответствие требованиям ГОСТ, что позволяет рекомендовать его для изготовления эффективных теплоизоляционных изделий. Изготовление теплоизоляционных материалов из деревопенобетона позволяет решить важные проблемы:

- экологическую - путем утилизации лесосечных отходов, снижения вредного влияния отвалов на прилегающие территории и убытки, наносимые при этом сельскому хозяйству;

- экономическую - за счет заполнения пенобетона лесосечными отходами снижается расход портландцемента, который является основным дорогостоящим материалом.

Для адекватной оценки деревопенобетона приведем сравнение основных физико-технических показателей смежных материалов в табл. 3.

Таблица 3

Сравнение основных физико-технических показателей арболита, пенобетона и _деревопенобетона_

Наименование материала Основные физико-технические характеристики материала

Плотность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/(м-°С) Предельная прочность при сжатии, МПа Предельная прочность на изгиб, МПа

Арболит 400-600 0,08-0,14 0,5-1,2 0,7-1,0

Пенобетон 400-600 0,14-0,38 0,8-1,6 0,1-0,5

Деревопенобетон 350-450 0,06-0,09 0,8-1,2 0,7-0,9

В результате сравнения арболита, пенобетона и деревопенобетона выявлено, что деревопенобетон не уступает, а даже превосходит по показателям смежные материалы.

Таким образом, в результате исследований была показана возможность использования лесосечных и деревоперерабатывающих отходов в качестве органического заполнителя для создания теплоизоляционных материалов, отличающихся низкой теплопроводностью и плотностью, высокими прочностными характеристиками и экологичностью.

Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013" по теме: "Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала", при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Summary

Use of an organic filler in foam a concrete mix for reception warmly material isolation is considered. The urgency of use of a waste of a woodworking in heat of isolation materials is resulted the description and results of an experimental research of optimum structure wood foam of the concrete which is meeting the requirements of standard

documents Is given. The model of calculation of durability on compression, a bend and density wood concrete foam is presented.

Keywords: waste of timber cuttings, woodworking, heat isolation a material, a composite material, an organic filler, the mineral binding.

Литература

1. Сафин Р.Р. Современное состояние лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Р Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник казан. технол. ун-та. 2010. №4. С. 120-130 с.

2. Сафин Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г. Сафин. Казань: из-во КГТУ, 2000. 400 с.

3. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов / Ю.П. Горлов. - Москва: Стройиздат, 1980. 396 с.

4. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Иванов Я.П. ЭВМ и оптимизация композиционных материалов. Кишинев: Будивэльнык, 1989. 240 с.

5. Методические рекомендации по применению экспериментально-статистических моделей для анализа и оптимизации состава, технологии и свойств на основе щелочных вяжущих систем / Научн. ред. В. А. Вознесенский, П.В. Кривенко. ОГАСА, НИИВМ им. В. Д. Глуховского. Киев, 1996. 105 с.

6. Абдыкалыков А.А., Вознесенский В.А. Моделирование и оптимизация свойств компози ционных строительных материалов. Фрунзе: ФПИ, 1988. 109 с.

Поступила в редакцию 02 декабря 2011 г.

Сафин Рушан Гареевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Переработка древесных материалов» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: safin_rg@kstu.ru.

Петров Владимир Иванович - канд. техн. наук, профессор кафедры «Оборудование химических заводов», Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (843) 231-40-90.

Игнатьева Гульнара Ильгизаровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Переработка древесных материалов» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: ignatieva_pdm@mail.ru.

Степанов Владислав Васильевич - аспирант кафедры «Переработка древесных материалов» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: vlad200719@mail.ru.

Халитов Рифкат Абдрахманович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Оборудование химических заводов» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8 (843) 231-40-90.