Способ получения арболита
METHOD FOR PRODUCING WOOD CONCRETE

Изобретение относится к способу производства строительных композиционных материалов теплоизоляционного и конструкционного арболита, состоящего из минерального вяжущего цемента, предварительно обработанных древесных заполнителей (разных видов средне- и мелкофракционных отходов древесины) и минерализатора сульфата алюминия.
Известен способ изготовления арболита, который включает стадию предварительной обработки древесного заполнителя - вымачиванием в воде в течение 7-8 суток при температуре 15-20°С при соотношении древесного заполнителя и воды по массе 1:9; с последующим частичным удалением несвязанной воды. Далее при постоянном перемешивании вводят заполнитель в смесь цемента, хлорида кальция, гипса и лигносульфаната, которая на следующей стадии формуется и поступает на участок отверждения. При этом соблюдается состав сырьевой смеси после формовки, который включает: древесный заполнитель - 52-58%; цемент - 23-27%, гипс 0,5-0,9%, лигносульфанат 0,45-0,75%, хлорид кальция 0,75-7,75%, вода 16,6% (RU №2329999, МПК С04В 40/00, С04В 28/04, С04В 18/26, С04В 111/20, опубл. 27.07.2008 г.).
Недостатком данного способа является большая продолжительность обработки древесного заполнителя, что требует дополнительных производственных площадей и снижает эффективность процесса. При этом получают арболит класса В0,75 - теплоизоляционный материал.
Известен другой способ обработки древесного заполнителя раствором минерализатора хлорида железа (III) без предварительного вымачивания в воде, который предусматривает одностадийную обработку заполнителя с одновременным приготовлением сырьевой смеси для получения арболита. Древесный заполнитель обрабатывают 2/3 частями приготовленного раствора минерализатором хлорида железа, далее вводят при постоянном перемешивании цемент, а затем добавляют в арболитовую смесь 1/3 оставшегося раствора минерализатора и перемешивают до получения однородной массы. Сырьевая смесь имеет следующий состав (вес): портландцемент 27,0-33,0%; древесный заполнитель 30,0-42,0%; хлорид железа - 2,3-2,9%; вода - 28,7-36,7% (RU №2153478, МПК С04В 40/00, С04В 18/26, С04В 111/20, опубл. 27.07.2000 г.).
Недостатком данного способа является выделение водорастворимых фракций сахаров в арболитовую смесь, что резко снижает скорость процессов схватывания, происходит нарушение структурообразования арболита, снижается его прочность и получается арболит с анизотропной структурой.
Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов - арболита, который включает электрическую обработку древесных частиц в потоке плазмообразующего газа, в разрядной камере при мощности высокочастотного генератора 200-600 Вт и разряжением, равном 100-130 Па, в течение 250-380 секунд. В качестве плазмообразующего газа используют воздух, расход которого составляет 0,08-0,12 г/с. После обработки древесные частицы вводят в цемент при постоянном перемешивании, арболитовую смесь подвергают формовке и термообработке, которая обеспечивает процессы схватывания (RU №2345886, МПК B27N 3/14, опубл. 10.02.2009 г.).
Недостатком данного технического решения являются высокие энергетические затраты на обработку древесного заполнителя в разрядной камере и на термообработку арболитовой смеси, а также выделение сахаристых фракций в цемент. Кроме этого, за счет термообработки формируется неоднородная структура по физико-механическим свойствам, что снижает качество композита.
Наиболее близким по техническому решению к изобретению является способ изготовления арболита, который включает предварительную стадию обработки древесного заполнителя 4%-ным раствором гидроксида натрия. После нагревания в ультразвуковой ванне при частоте колебаний 30-40 кГц в течение 20-30 минут. Далее после слива раствора гидроксида натрия осуществляется промывка древесного заполнителя водой способом орошения в камере, готовится арболитовая смесь, состоящая из древесного заполнителя, цемента, песка в смесителе, и подвергается формовке. После этого формируют фактурный слой путем нанесения на поверхность арболита мелкозернистого бетона. После уплотнения на прессе и гидротермической обработки предусматривается стадия выдержки в штабелях в условиях закрытого склада. При этом достигается максимальная прочность образцов изделий на сжатие 6,69 МПа; на растяжение 7,32 Мпа (RU №2620696, МПК С04В 40/00, С04В 18/26, опубл. 29.05.2017 г.).
Недостатком известного решения является обработка раствором гидроксида натрия, который предусматривает также интенсивную промывку водой древесного заполнителя, т.к. при недостаточной промывке водой остаются примеси щелочи, которые препятствуют процессам схватывания. Данный способ является также энергозатратным. Кроме этого в смесь вводят кварцевый песок, который увеличивает хрупкость, и с целью увеличения механической прочности наносят фактурный слой. Данный способ также предусматривает дополнительную стадию термообработки, для увеличения скорости схватывания.
3
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении эффективности экстрагирования сахаристых фракций - гемицеллюлозы, которые препятствуют процессам схватывания и структурообразования арболита, в 1,5-2 раза, что обеспечивает сокращение срока схватывания растворной смеси до 50% и изменении физико-механических характеристиках арболита: плотность полученных образцов 700-850 кг/м, призменная прочность 2,62 МПа, что соответствует классу прочности В2,5. Также уменьшается коэффициент теплопроводности на 27%, уменьшается водопоглощение до 15-20% вместо 60-65%, повышаются циклы морозостойкости в 1,5-2 раза. За счет введения в фракционный состав древесного заполнителя опилок увеличивается упругость и уменьшается хрупкость.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение технологической схемы получения арболита путем исключения стадий обработки раствором щелочи, термообработки, исключение из состава арболитовой смеси кварцевого песка, введение минерализатора сульфата алюминия и добавление в древесный заполнитель опилок. Эти технологические изменения обеспечивают повышение физико-механических характеристик, которые позволяют использовать арболит в качестве конструкционного материала.
Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом способе изготовления арболита гидролиз и экстрагирование низкомолекулярных фракций из древесного заполнителя осуществляется в воде в низкочастотном ультразвуковом реакторе контактного типа. Кавитационные явления при времени озвучивания 20-30 минут, числе кавитации 600-800, при частоте ультразвука 20-40 кГц обеспечивают повышение температуры до 70-80°С и одновременное подкисление среды до значения рН 5,1. Установление зависимости изменения температуры от времени озвучивания, значения рН среды и эффективности экстрагирования от времени озвучивания позволяет моделировать технологические условия и изменение физико-механических характеристик арболита. Данные условия с одновременным механическим воздействием на древесный заполнитель (смесь щепы и древесных опилок) за счет кавитации увеличивают скорость гидролиза и экстрагирования низкомолекулярных сахаристых фракций в раствор позволяют достичь степени экстрагирования сахаристых фракций до 0,325% от массы древесного заполнителя. Полученный экстракт после озвучивания древесины рекомендуется использовать в качестве субстрата для выращивания кормовых дрожжей штаммов У361 и У967, адаптированных к примесям лигнина.
Изобретение поясняется графически (фиг. 1-4). На фиг. 1 представлена схема технологического процесса получения арболита, где 1 - бункер, 2 - ультразвуковой реактор контактного типа, 3 - отстойник, 4 - смеситель для приготовления смеси портландцемента и минерализатора, 5 - смеситель для приготовления арболитовой смеси, 6 - участок прессования, 7 - участок распалубки, 8 - склад готовой продукции. На фигуре 2 показана зависимость эффективности экстрагирования сахаристых фракций от времени озвучивания. На фигуре 3 зависимость изменения рН среды от времени озвучивания. На фигуре 4 показана зависимость изменения температуры от времени озвучивания.
Технологический процесс получения арболита состоит в следующем. В бункер 1 поступают древесные отходы при соблюдении объемных соотношений между щепой и опилками 4:1. Увеличение доли опилок в смеси щепа - арболит приводит к увеличению коэффициента арболита, а также к увеличению плотности композита; уменьшение доли увеличивает хрупкость арболита, уменьшает призменную прочность. Полученная смесь поступает в ультразвуковой реактор 2, где происходит обработка древесного заполнителя под действием ультразвука и экстрагирование редуцирующих веществ из древесины при соблюдении объемных соотношений между древесным заполнителем и водой 1:8. Время обработки 20-30 минут, число кавитации 600-800, температура среды 70-80°С, рН среды 5,1. Полученный экстракт сливается в отстойник 3. Одновременно в смесителе 4 готовится раствор портландцемента М500 и минерализатора сульфата алюминия, который подается в смеситель 5 для получения арболитовой смеси. Также в смеситель 5 подается обработанный древесный заполнитель из ультразвукового реактора. После смешивания древесного заполнителя и раствора портландцемента полученная арболитовая смесь, которая подается на участок прессования (формовка) 6. Прессование происходит под действием вибропресса. После формовки арболит выдерживают в формах в течение 2 суток, по истечении времени арболит поступает на участок распалубки 7 арболитового блока, далее происходит его отправка на дальнейшую выдержку в течение 20 суток на склад готовой продукции 8 (Фиг. 1).
На первой стадии обработку смеси щепы и древесных опилок фракционного состава в объемных долях: 1 объемная доля опилок и 4 объемные доли щепы в ультразвуковом реакторе водой без специальной водоподготовки. Соотношение твердого заполнителя и воды 1:8, время обработки 25 минут, число кавитации 600-800 и значение рН 5,1. На следующих стадиях осуществляют перемешивание древесного заполнителя с минеральным составляющим, формование, распалубку, твердение в естественных условиях.
По указанной схеме были получены образцы арболита и экспериментальным путем определены оптимальные технологические условия - время озвучивания - 20-30 минут. Данное время озвучивания обеспечивает повышение температуры обрабатываемой среды до 70-80°С; подкисление раствора до значения рН 5,1.
С увеличением времени озвучивания возрастает концентрация экстрагированных редуцирующих сахаров.
Установленные также экспериментальным путем зависимость изменения температуры среды от времени озвучивания и зависимость изменения рН среды раствора от времени озвучивания позволяют моделировать технологический процесс.
Процессы экстрагирования сахаристых фракций с максимальной эффективностью протекают в интервале температур 70-80°С, что предусматривает время озвучивания 20-30 минут. При уменьшении времени озвучивания сокращается эффективность экстрагирования сахаристых фракций до 2,4%; увеличение времени озвучивания больше 30 минут не вызывает увеличение эффективности вымывания сахаристых фракций, так как за указанный промежуток времени вымываются низкомолекулярные сахаристые хорошо растворимые в воде фракции, которые являются ингибиторами процессов схватывания арболитовой смеси. Остающаяся после отмывки целлюлоза не растворяется в воде, не гидролизуется и утрачивает свои ингибиторные функции, и вводят в качестве заполнителя.
3
Данные технологические условия позволяют получить арболит с улучшенными характеристиками: прочность - 2,62 МПа, плотность 700-850 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,12 Вт/мК, морозостойкость F50 и водопоглощение 25%.
На производственном участке были изготовлены образцы арболита и определены его свойства (определена теплопроводность на приборе ИТС-1, прочность - пресс гидравлический П-50, скорость схватывания - прибор Вика, водопоглощение - гравиметрическим способом, токсичность - на приборе БИОЛАТ).
К указанной смеси добавляется вода при оптимальном объемном соотношении смеси древесного заполнителя после озвучивания и воды: 1:8.
При увеличении доли древесного заполнителя не наблюдается уменьшение числа кавитации за счет повышения вязкости раствора, снижение температуры, и уменьшение эффективности экстрагирования. При увеличении объемной доли воды больше указанного значения не наблюдается изменение эффективности экстрагирования сахаристых фракций. Также полученный экстракт, который можно использовать в качестве основы для получения кормовых дрожжей требует дополнительной стадии концентрирования методом упаривания, получают экстракт сахаристых фракций более разбавленный и требуется дополнительное концентрирование при использовании его в качестве исходного раствора для выращивания кормовых дрожжей.
Эффективность экстрагирования сахаристых фракций определялась согласно методике ГОСТ 19222-84.
После выдержки образцов в течении 20 суток определялись характеристики арболита, представленные в таблице 1.
Способ обеспечивает сокращение затрат на потребляемую энергию и воду на 36 и 69% соответственно, исключаются затраты на химические реактивы (гидроксид натрия), процесс орошения гидроксидом натрия, затраты на отмывку от гидроксида натрия водой, облицовки и термообработки. В результате обработки древесного заполнителя образуется также водный раствор, содержащий сахаристые фракции до 1,37%, который используется в качестве основы для выращивания кормовых дрожжей, штаммов У361 и У967, адаптированных к данному составу.
Основными компонентами древесины являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлоза. Низкомолекулярные фракции гемицеллюлозы и лигнина - дисахариды и моносахариды, в составе которых присутствуют свободные альдегидные группы, препятствут процессам схватывания арболитовой смеси - цемент - древесный заполнитель - сульфат алюминия, следствием чего является увеличение времени схватывания, нарушение структурообразования арболита и изменение физико-химических свойств, определяющих качество арболита и его назначение - плотность, призменная прочность, теплопроводность. Поэтому любой способ производства арболита включает стадию обработки древесного заполнителя для экстрагирования сахаристых фракций, используя разные технологии.
Таким образом, в отличие от известного решения представленное имеет ряд преимуществ: упрощается технологическая схема получения арболита, сокращается время схватывания до 50%. Исключаются стадии подготовки щелочного раствора гидроксида натрия, орошения древесного заполнителя раствором гидроксида натрия и последующей отмывки от остатков щелочи, которая также снижает скорость процессов схватывания арболита и исключается стадия облицовки, термообработки и процесс отмывки можно моделировать по установленным технологическим зависимостям.
Заявленный способ получения композиционного строительного материала - арболита имеет следующие преимущества:
1. Исключение из схемы технологического процесса стадий отмывки от щелочи, орошения, термообработки и облицовки, за счет замены 4%-ного раствора щелочи на воду без специальной водоподготовки для отмывки древесного заполнителя, имеющего следующий фракционный состав: одна объемная доля опилок 4 объемные доли щепы и 8 объемных долей воды.
2. За счет сокращения времени схватывания на 50% и структурообразования отпадает необходимость задействования больших производственных площадей, уменьшается энергоемкость процессов подготовки древесного заполнителя, водопотребление и исключается стадия утилизации жидких отходов после отмывки древесного заполнителя.
3. Включение в фракционный состав опилок увеличивает упругость арболита, уменьшает его хрупкость, теплопроводность, увеличивает призменную прочность, увеличивает адгезию между компонентами материала и изменяет класс назначения с теплоизоляционного на конструкционный.
4. Наблюдается уменьшение класса токсичности арболита, что позволяет его использовать в гражданском и промышленном строительстве.
5. Полученные сахаристые фракции, содержащие остатки дисахаридов, моносахаридов, растворимых низкомолекулярных полисахаридов, примесей лигнина и гемицеллюлозы рекомендуется использовать их в качестве субстрата для выращивания штаммов кормовых дрожжей, адаптированных к примесям лигнина У361 и У967.
6. Установленные зависимости между временем озвучивания, числом кавитации, изменением температуры и значением рН среды позволяют регулировать процесс отмывки сахаристых фракций из древесного заполнителя.