Исследование физико-механических свойств композиционных теплоизоляционно-балластных материалов на основе древесных отходов

УДК 697.341

Ю. А. Горинов, А. Н. Чемоданов, С. Я. Алибеков, В. П. Сапцин, А. В. Маряшев, Р. С. Сальманов

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-БАЛЛАСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: композиционные теплоизоляционно-балластные материалы на основе древесных отходов, физико-

механические свойства.

Представлены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств композиционных теплоизоляционно-балластных материалов на основе древесных отходов в зависимости от компонентного состава, получены математические модели выявленных зависимостей. Установлены рациональные значения соотношения масс компонентов.

Keywords: heat-insulation ballast wood composite, experimental research, physical and mechanical properties.

The results of experimental studies of physical and mechanical properties of composite heat-insulating materials, ballast based on wood waste, depending on the component composition. The mathematical model identified dependencies. Installed rational values the mass ratio of components.

Введение

Развитие современной техники невозможно без применения композиционных материалов. Широкое распространение получили композиты с древесными наполнителями: для теплоизоляции, для звукоизоляции, для строительства, для отделочных работ, для защиты от рентгеновских излучений и т.д. С целью расширения области применения данной группы материалов, разработан композиционный теплоизоляционно-балластный материал, дающий возможность его использования в конструкции подводных теплопроводов [1-10]. Для изготовления материала, который обладает требуемыми теплоизоляционными свойствами и плотностью были использованы портландцемент марки М400, баритовая руда с размером частиц от 0,01 до 160 мкм и отходы деревообработки хвойных пород трех видов фракционного состава: опил 0,1 - 3 мм, станочная стружка 0,5 - 20 мм, технологическая щепа

10 - 30 мм. В получаемом материале портландцемент выполняет роль связующего между наполнителями. Баритовая руда имеет высокую плотность 4300 кг/м3, тем самым повышает удельный вес полученного материала. Древесные частицы, имеющие низкий коэффициент теплопроводности 0,07 Вт/(м*К) придают полученному материалу высокие теплоизоляционные свойства. Дозировка компонентов на м3 изделия, масс.%:

• портландцемент М 400 - 17-25

• баритовый концентрат - 35-56

• древесные частицы - 5-12

• вода - 20-30

Результаты экспериментов

С целью выполнения анализа результаты экспериментальных исследований представим в графическом виде.

1. Зависимость плотности композиционного материала от содержания древесины различных фракций представлена на рис.1. С увеличением содержания древесины от 50% до 71,4% плотность композита снижается для всех видов фракционного состава древесно-

го наполнителя. Наибольшей плотностью обладает материал с древесным наполнителем - опил (от 1156,028 кг/м3 до 1787,754 кг/м3), наименьшей - щепа (от 1039,033 кг/м3 до 1637,138 кг/м3). Все образцы удовлетворяют требованиям по балластирующим характеристикам композиционного материала.

г

t 1600 ^

¡5 1400 О

0

1 1200

н

о

1000 800

45 50 55 60 65 70 75

Содержание древесины, %

Опил Стружка л Щепа

Рис. 1 - Зависимость плотности композита от содержания древесины различных фракций

2. Зависимость теплоизоляционных свойств композита от содержания древесины различных фракций представлена на рис.2.

С увеличением содержания древесного наполнителя исследуемого фракционного состава от 50% до 71,4% теплопроводность материала уменьшается. Увеличение размера фракции древесного наполнителя приводит к уменьшению теплопроводности композиционного материала. Наибольшей теплопроводностью обладают образцы с наполнителем - опил (от 0,17 Вт/(м*К) до 0,4 Вт/(м*К)), наименьшей - щепа (от 0,142 Вт/(м*К) до 0,275 Вт/(м*К)). Коэффициент теплопроводности ниже 0,25 Вт/(м*К) имеют композиционные материалы при содержании щепы > 53%, стружки > 60% и опила > 65%.

Коэффициент еплопроводности, Вт/м*

4 5 50 55 60 65 70 Содержание древесины, % 5

« Опил Стружка л Щепа

Рис. 2 - Зависимость коэффициента теплопроводности композита от содержания древесины различных фракций

3. На рис.3 показана зависимость предела прочности на сжатие от содержания древесины, % различных фракций.

С увеличением содержания древесных частиц в композите от 50% до 71,4% происходит уменьшение предела прочности: для щепы - от 35,54 МПа до 11,62 МПа; для стружки - от 25,38 МПа до 8,3 МПа; для опила - от 18,14 МПа до 5,93 МПа. Увеличение размера фракционного состава древесных частиц увеличивает прочность композита. Требования по прочности композиционного материала [118] выполняются при применении всех фракций древесного наполнителя.

Прочность на сжатие, МПа

4 50 55 60 65 70 Содержание древесины, % 5

« Щепа Стружка л Опил

Рис. 3 - Зависимость прочности композита от содержания древесины различных фракций

На основании выполненной обработки результатов исследований физико-механических свойств (плотность, теплопроводность, прочность на сжатие) композита с древесным наполнителем различного фракционного состава можно сделать вывод о том, что применение в качестве древесного наполнителя станочной стружки является наиболее оптимальным.

Принимая во внимание полученный вывод, выполним обработку экспериментальных данных по выявлению зависимости физико-механических свойств композиционного материала от содержания барита при постоянном содержании древесного наполнителя в виде станочной стружки.

С увеличением содержания барита от 0 % до 25 % плотность материала возрастает от 760 кг/м3 до 1412 кг/м3. При содержании барита менее 10% композиционный материал имеет плотность менее 1000

кг/м3, следовательно, композит не обладает балластирующими свойствами.

С увеличением содержания барита с 0 % до 25 % теплопроводность увеличивается от 0,13 Вт/(м*К) до 0,21 Вт/(м*К). При содержании барита более 25%, коэффициент теплопроводности материала Я >0,25 Вт/(м*К), следовательно, композит не является теплоизоляционным материалом.

При возрастании содержания барита с 0 % до 25 % прочность композиционного материала увеличивается от 5,6 МПа до 11,01 МПа. Прочность на сжатие композита удовлетворяет требованиям СНиП41.03-2003.

Математическое описание результатов проведенных исследований зависимости физико-механических характеристик (плотности, коэффициента теплопроводности и прочности на сжатие) композитного материала от содержания барита и древесных отходов выражается уравнением регрессии:

1. плотность, кг/м3

У1 = 1609,5 + 303*! -162,5*2

2. коэффициент теплопроводности, Вт/

У2 = 0,35 + 0,06*! - 0,05*2

3. предел прочности на сжатие, МПа

У3 = 33,22 + 4,79*! - 6,15*2

Полученные математические модели физико-механических свойств материала позволяют прогнозировать выходные величины в пределах варьирования: доли барита 35 - 56 мас.%, древесных отходов в виде станочной стружки 6 - 12 мас.%.

Результаты исследования распределения в композиционном материале диспергированной фазы в виде древесной стружки и непрерывной фазы, состоящей из портландцемента и барита. На фотографии среза композиционного материал (рис.4) видно, что его поверхность характеризуется равномерным распределением древесных частиц в среде цемента и барита, образующих единую непрерывную фазу (матрицу).

Рис. 4 - Фотография среза композиционного материала. Увеличение в 3 раза

Заключение

На основании проведенных экспериментальных исследований физико-механических свойств композиционного теплоизоляционно-

балластного материала на основе древесных отходов можно сделать следующие выводы:

1. Выбранное в качестве переменных факторов количество барита и древесных отходов позволяет эффективно воздействовать на физико-механические свойства (плотность, теплопроводность, прочность на сжатие) композитного материала. Повышение содержания барита ведет к увеличению плотности материала и одновременно повышению его коэффициента теплопроводности. Повышение содержания древесных отходов оказывает противоположное влияние на свойства материала. Наилучшие характеристики материала выявлены при применении в качестве древесного наполнителя станочной стружки хвойных пород.

2. Свойства композиционного материала на основе древесных отходов удовлетворяют требованиям по его применению в качестве теплоизоляционно-балластного материала для подводных теплопроводов: плотность более 1000 кг/м3, коэффициент теплопроводности не более 0,25 Вт/(м-К).

3. Рациональные значения соотношения масс компонентов: портландцемент 23 %; барит 35 %; древесные отходы 12 %; вода 30 %. При этом плотность материала - 1090,6 кг/м3, коэффициент теплопроводности - 0,17 Вт/(м*К), прочность на сжатие - 8,3 МПа.

4. В результате обработки данных экспериментальных исследований физико-механических свойств материала получено уравнение регрессии для плотности, теплопроводности, прочности на сжатие.

Литература

1. Поздеев А.Г., Горинов Ю.А., Чемоданов А.Н., Алибеков С.Я., Хайруллина Э.Р. Арболитовая теплоизоляция подводных трубопроводов централизованного теплоснабжения

Вестник Казанского технологического университета. Т.17. - №4.- 2014. - С.113-116.

2. Горинов Ю.А., Чемоданов А.Н., Алибеков С.Я., Ма-ряшев А.В., Сальманов Р.С. Прогнозирование свойств композитных теплоизоляционно-балластных материалов на основе древесных отходов Вестник Казанского технологического университета. Т.17. -№5. - 2014. С.75-79.

3. Чемоданов, А.Н., Горинов Ю.А., Сафин Р.Г. Экспериментальные исследования композитного теплоизоляционно-балластного материала для подводных теплопроводов Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. Казанский государственный энергетический университет.- №2-4. - 2014. - С.80-84.

4. Горинов Ю.А., Чемоданов А.Н., Алибеков С.Я., Сальманов Р.С., Ехлакова Е.А., Маряшев А.В. Технология получения и расчет затрат на производство композитных теплоизоляционно-балластных материалов на основе древесных отходов Вестник Казанского технологического университета. Т.17. - №8. -2014. - С.103-105

5. Чемоданов А.Н., Горинов Ю.А., Сафин Р.Г., Алибе-ков С.Я. Применение арболита в качестве теплоизоляционно-балластного материала подводных трубопроводов централизованного теплоснабжения Вестник Поволжского государственного технологического университета. - №3 (23). Г. Йошкар-Ола. - 2014. -С.43-56.

6. Чемоданов А.Н., Горинов Ю.А., Сафин Р.Г. Композитный теплоизоляционно-балластный материал на основе древесных отходов - «Безопасность жизнедеятельности» - №3. г.Москва. - 2015. - С.63-67

7. Патент РФ №2544194

8. Патент РФ №122746

9. Патент РФ №132895

10. Патент РФ №136518

© Ю. А. Горинов - асп. каф. ДОП Поволжского госуд. технол. ун-та, Gelios62@mail.ru; А. Н. Чемоданов - канд. техн. наук, профессор, зав. каф. ДОП Поволжского госуд. технол. ун-та; С. Я. Алибеков - доктор техн. наук, профессор, зав. каф. МиМ Поволжского госуд. технол. ун-та, ПГТУ; В. П. Сапцин - доктор техн. наук, профессор, профессор каф. ВР Поволжского госуд. технол. ун-та; А. В. Маряшев - канд. техн. наук, доцент, доцент каф. ЭОП Поволжского госуд. технол. ун-та; Р. С. Сальманов - канд. техн. наук, доцент каф. физики КНИТУ.

© Yu. A. Gorinov - postgraduate chair WWM, VSTU, Gelios62@mail.ru; А. N. Chemodanov - саМ. of тесЬтса! sciences, professor, head of chair WWM, VSTU; S. Ya. Alibekov - doctor of technical sciences, professor, head of chair M&M, VSTU; W. P. Sapcin - doctor of technical sciences, professor WR, VSTU; A .V. Maryachev - сand. of тechnical sciences, аssociate professor ESC, VSTU; R. S. Salmanov - сand. of тechnical sciences, аssociate professor physics KNRTU.