Зависимость прочности цементно-древесного композита от структуры

ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНО-ДРЕВЕСНОГО КОМПОЗИТА ОТ СТРУКТУРЫ

Прокопьева Д.П., Руденко Б.Д.

The article describes the dependence of the strength on cement-wood composite on the fractional composition of the filler and the amount of cement. Considered pattern formation of the composite.

Цементно-древесный композит - разновидность лёгкого бетона. Изготовляется из смеси органических заполнителей (дроблёных отходов деревообработки), вяжущего (обычно портландцемента) и воды. Для минерализации заполнителя и ускорения твердения цемента в смесь вводят различные добавки [1].

Одним из критериев контроля качества бетонов является прочность на растяжение. Прочность бетона на осевое растяжение в основном зависит от прочности цементного камня и его сцепления с зернами заполнителя, от увлажнения. Причинами низкой прочности при осевом растяжении является неоднородность структуры бетона, наличие внутренних напряжений, слабое или нарушенное сцепление между цементным камнем и заполнителями [2].

В статье рассматривается зависимость прочности бетона с древесным заполнителем от некоторых факторов. Для ее установления был проведен двух-факторный эксперимент с целью - установить зависимость прочности на растяжение цементно-древесного композита (ЦДК) от фракционного состава и количества цемента, вводимого в его состав; а также определить структуру образовавшегося композита.

Эксперимент проводился в лабораторных условиях при нормальной температуре и влажности воздуха. Для его проведения были изготовлены три серии образцов по девять образцов в каждой.

Для изготовления образцов был приготовлен рабочий состав, состоящий из навески древесной стружки смешанных пород, привезенной с Красноярского ДОКа, влажностью 40 %; портландцемента марки М400 в соотношении древесина/цемент 1/2, 1/3 и 1/4; воды и добавок. Масса древесной навески - 50 гр. Варьируемыми факторами являлись фракционный состав и количество цемента (таблица 1). В качестве добавки нейтрализующей действие «цементных ядов» был выбран хлористый кальций в количестве 5 % от массы цемента. В исследованиях использовалась стружка, просеянная через сита с отверстиями определенного размера, фракций: 5/0; 7,5/0; 10/0.

Компоненты тщательно перемешивали и формовали. В деревянных формах образцы размером в среднем 55х50х60 мм были выдержанны 28 суток, после чего подвергнуты испытаниям на машине FM 500. В образцах были пропилены канавки для крепления захватов испытательной машины, как показано на рисунке 1. Нагружение образцов было непрерывно с постоянной скоростью.

Таблица 1 - Матрица планирования эксперимента

№ образца Нормализованные значения Истинные значения

Фракция Масса цемента Фракция Масса цемента, гр.

1 -1 -1 5/0 100

2 0 -1 7,5/0 100

3 1 -1 10/0 100

4 -1 0 5/0 150

5 0 0 7,5/0 150

6 1 0 10/0 150

7 -1 1 5/0 200

8 0 1 7,5/0 200

9 1 1 10/0 200

а б

Рисунок 1 - Образец для испытания на растяжение

Т.к. ЦДК представляет собой неоднородный материал, внешняя нагрузка создает в нем сложное напряженное состояние. В образце, подвергнутому растяжению, напряжения концентрируются на более прочных участках, а именно в прослойках цемента. Разрушение растягиваемого образца возникает вследствие разрыва композита в поперечном направлении. Как известно из теории бетонов, сначала по границе сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины. С ростом нагрузки они соединяются, образуя видимые трещины, направленные перпендикулярно или с небольшим наклоном к направлению действия растягивающих сил. При дальнейшем нагружении трещины образуются уже в цементном камне. Затем они раскрываются. Наконец, наступает полное разрушение. Разрушение ЦДК происходит по границе цемент - древесина (рисунок 2).

Рисунок 2 - Образец после испытания

На графике поверхности отклика (рисунок 3) видно, что максимальная прочность достигается при максимальном расходе цемента и максимальном фракционном составе. Объясняется это тем, что толщина прослойки цементного камня в этих образцах из-за меньшей удельной поверхности больше, чем в образцах с меньшим фракционным составом. Цементный камень в этих образцах создает определенный каркас, как показано нарисунке 5б, что способствует увеличению прочности.

Рисунок 3 - Поверхность отклика для прочности ЦДК

Частицы древесины в композите располагаются перпендикулярно усилию уплотнения, как показано на рисунке 4, где определена плоскость его разрушения. Цементное тесто выполняет функцию клеящего вещества, т.е. скрепляет компоненты заполнителя. При минимальном расходе цементное тесто покрывает частицы заполнителя (рисунок 5а), между ними остаются пустоты. Прочность такой структуры зависит от площади контакта частиц, чем она больше, тем прочнее композит. При использовании крупной фракции площадь, занимаемая цементным камнем в плоскости разрушения, меньше, чем при использовании более мелкой, поэтому происходит увеличение прочности в сторону уменьшения фракционного состава от 0,15 до 0,21 МПа.

Рисунок 4 - Структурная модель Рисунок 5 - Взаимодействие ком-

ЦДК (а-а - плоскость разрушения по понентов ЦДК (а - поверхности зерен контактам между частицами и це- покрыты цементным тестом, б - пус-ментным камнем) тоты между зернами заполнены це-

ментным тестом)

Выводы:

Проведенные исследования показали, что прочность на растяжение зависит от величины сцепления компонентов, наличия пустот в композите, фракционного состава заполнителя, количества цемента.

Повышение прочности ЦДК при растяжении может быть достигнуто увеличением расхода цемента, применением заполнителя с разным фракционным составом; обеспечением более прочного контакта между цементом и древесиной; цементное тесто должно покрывать не только поверхность частиц, но и находится между зернами заполнителя.

Литература

1 Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И. Х. Наназашвили - Л.: Стройиздат, 1990. - 415 с.

2 Райхель, Вернер Бетон Ч. 1: Свойства. Проектирование. Испытание / В. Райхель, Д. Конрад. - М.: Стройиздат - 1979. - 111 с.