Технология цементно-стружечных плит с применением водорастворимых силикатов

Использование древесных отходов — важная проблема народного хозяйства и деревообрабатывающей промышленности в целом. На ее решение направлены усилия многих научно-исследовательских институтов. Многолетний опыт показал, что материалы растительного происхождения (древесина, солома, костра и. т. д.) являются не лучшими заполнителями для цементного бетона. С точки зрения химии это несовместимые продукты. Поэтому практический интерес представляют собой вяжущие на основе растворимых силикатов (например, на основе жидкого стекла). Растворимые, жидкие стекла по физико-химической совместимости их с заполнителями растительного происхождения, простоте технологических превращений, основным строительным свойствам являются эффективными вяжущими, могут быть использованы для производства древесно-минеральных композиционных материалов. Поэтому целью нашей работы явилось исследование возможности применения этих вяжущих в производстве ЦСП.

Совершенствование технологии древесных композитов преследует две важные цели: получение материалов с заранее заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойствутилизация отходов лесои деревообработки, что является важным для этих производств, и использование в производстве композиционных материалов силикатных вяжущих как нельзя лучше отразится на решении этих важных задач. Выпускаемые в настоящее время древесно-минеральные композиционные материалы (цементно-стружечная плита, арболит, дуризол) широко применяются в строительстве, но обладают рядом недостатков. К их числу можно отнести недостаточно высокую прочность древесно-цементных композиционных материалов в связи с пониженной адгезией цемента к древесному наполнителю, а также технологические трудности, связанные с преодолением действия «цементных ядов». 7.

Применение силикатных вяжущих на основе растворимых стекол позволяет получать материалы аналогичного назначения, но с более высокими прочностными свойствами вследствие высокой адгезии этих материалов к древесине, что позволяет частично или полностью отказаться от цементных вяжущих. Силикатные вяжущие также имеют преимущество по сравнению с цементными, например, по скорости твердения и по отсутствию воздействия «цементных ядов». Это открывает перспективу повышения производительности технологического процесса за счет сокращения времени достижения распалубочной прочности, расширения породного состава древесины и исключения химических добавок, используемых для борьбы с «цементными ядами» .

В настоящее время возрастает интерес к подобным вяжущим как в сфере производства, так и в сфере потребления готовой продукции, но производство сдерживается в связи с отсутствием технологии их производства и применения.

Целью работы является отработка параметров технологического процесса получения цеменгно-стружечной плиты с применением высокомодульных силикатных композиций.

Выводы и заключение.

1. Проведены предварительные эксперименты по исследованию адгезионных свойств KSW-Binder с древесиной и цементом. Было выявлено, что цемент имеет низкую адгезионную прочность к древесине по сравнению с жидким стеклом и KSW-Binderадгезионная прочность системы KSW-Binder + отвер-дитель с древесиной выше, чем у цемента, но недостаточна, это можно объяснить высокой вязкостью адгезива и недостаточной степенью смачиваемостипри введении жидкого стекла в композицию KSW-Binder с отвердителем адгезионная прочность выросла с 0,84 до 1,25 МПаобработка древесины композицией KSW-Binder + жидкое стекло + отвердитель улучшает совместимость наполнителя с цементом и прочность адгезионного соединения возрастает с 0,035 до 0,75 МПа.

2. Осуществлено исследование зависимости адгезии от свойств минеральных вяжущих.

На основе феррохромового шлака и жидкого стекла можно получить шла-кощелочное вяжущее активностью более 50 МПа. Причем, варьируя свойства жидкого стекла: модуль и плотность, можно получить изменение прочности в несколько раз. Изучено влияние соотношения жидкого стекла и феррохромового шлака.

Наиболее высокую активность (54,7 МПа) имеет вяжущее, полученное с соотношением жидкого стекла и шлака 1:1,5. Шлакощелочное вяжущее имеет на порядок большую адгезию по сравнению с цементом. Оно способно создавать прочные покрытия на древесине.

Адгезия к древесине шлакощелочных вяжущих ниже, по сравнению с KSW-Binder и жидким стеклом.

Однако эти композиции обладают рядом достоинств: тестообразную консистенцию, соответствуют требованиям технологичности, обеспечивают получение заданного древесно-минерального соотношения.

Вследствие высокой вязкости KSW-Binder использование феррохромового шлака в качестве отвердителя невозможно. Поэтому рекомендовано использовать кремнефтористый натрий.

3. Проводились эксперименты по изучению динамики твердения KSW-Binder по прибору Вика.

Было установлено, что увеличение содержания жидкого стекла замедляет процесс твердения. На основании полученных данных установлено, что при снижении содержания жидкого стекла от 20% до 10% наблюдается сокращение времени твердения и был реализован В-план. Было определено, что количество жидкого стекла в смеси должно быть не более 10%.

Уравнения регрессии:

Y — bo + bixi +b2x2 +bnxi2 + b22×22 + bi2xix2 Yi = 193,25 — 622,576xi + 46,426×2 + 589,25xi2 + 4,25×22+ 3,25xix2 Y2 = 365 — 617,9x!+ 58,45×2 + 485xi2 — 10×22- 15xix2 Оптимальные значения времени схватывания и твердения композиции: Время схватывания —Ylmm = 127 мин. Время твердения — Y2mjn = 210 мин.

Оптимальный состав композиции следующий: содержание отвердителя (кремнефтористого натрия) равно 2%, содержание жидкого стекла равно 10%.

4. Была проведена сравнительная оценка различных вяжущих. Анализ данных показывал, что в случае применения силикатных вяжущих происходит быстрый набор прочности в течение первых суток твердения. Окончательная прочность плит на 24 сутки сопоставима и несколько превышает прочность стандартных ЦСП. Композиция на основе KSW-Binder имеет заметное преимущество по сравнению со шлакощелочным вяжущим по себестоимости сырья и материалов.

5. Изучено влияние температуры на скорость твердения древесно-минеральной композиции на основе KSW-Binder и цемента. Влияние температуры существенно при сроках твердения до 7 часов. К истечению 24 часов образцы значительно меньше зависят от термообработки. Контрольный образец с портландцементом без добавок KSW-Binder при t=80°C уступает по прочности композиции на основе KSW-Binder + цемент, твердевшей при t=20°C и одинаковой продолжительности твердения. Это позволяет сделать вывод, что исследуемая композиция достигает распалубочную прочность при t=20 +40°С в те же или более короткие сроки, чем сравниваемая композиция на цементе при t=80°C. Это позволяет отказаться от процедуры термообработки.

6. В теоретической части работы рассматривался метод повышения качества древесно-минеральных композиционных материалов путем создания межфазного слоя. Теоретически и экспериментально обоснован метод повышения качества древесно-минеральных композиционных материалов путем создания промежуточного слоя между минеральной матрицей и древесным наполнителем.

Предложен механизм образования межфазного слоя на молекулярном уровне за счет возникновения водородных связей между новым вяжущим KSW-Binder и целлюлозным комплексом древесины, участвующими в адгезионном взаимодействии.

Предложена модель физико-химического взаимодействия в системе цемент — вяжущее — древесина, схема микроструктуры системы древесный наполнитель — вяжущее — цементное вяжущее — вода, представлена последовательность реакции образования водородных связей, подсчитано количество водородных связей, приходящихся на погонный см. длины, определена теоретическая адгезионная и когезионная прочность связи на границе раздела фаз. Показано влияние повышения адгезии ЖС и KSW-Binder на адгезию к древесному наполнителю.

7. Исследование взаимодействия компонентов древесины и KSW-Binder путем пропитки древесины растворами водорастворимых силикатов.

Из результатов эксперимента видно, что KSW-Binder впитывается в древесину. После кипячения пропитанных образцов древесины KSW-Binder прочно уд ерживается в ней в количестве 69% от впитавшегося количества. Это обстоятельство дает основание утверждать, что KSW-Binder входит в химическое взаимодействие с древесиной.

Анализ свидетельствует о том, что KSW-Binder внедряется в стенки клетки древесины и задерживается с образованием химической связи с лигно-углеводным комплексом древесины, тем самым, образуя промежуточный слой, улучшающий совместимость фаз: минеральной и древесной.

8. Оценено влияние качества стружки на свойства ЦСП. Результаты испытаний на изгиб показывают, что аюг выше у плит, которые изготовлены из специальной резаной стружки. Причем, выше показатели тех плит, фракционный состав стружки которых 7/5. Анализ результатов на водопоглощение показал, что лучшие результаты у плит, изготовленных из игольчатой стружки, но только малых фракций: 5/3 и 7/5. Результаты эксперимента показали низкое разбухание Ah у плит со специально резаной стружкой, причем результат ухудшается от фракции 5/3 к 10/7.

Полученные закономерности аналогичны закономерностям известным из технологии производства ЦСП, т. е. можно рекомендовать оптимальные режимы получения и параметры наполнителя для изготовления плит по предложенной технологии.

9. Была определена зависимость свойств плиты от различного содержания цемента и вяжущего на основе KSW-Binder. На основании исследований было установлено, что большее влияние на свойства оказывает вяжущее KSW-Binder.

Анализ полученных данных показывает, что оптимальные факторы по прочностным показателям несколько не соответствуют наилучшим показателям по разбуханию и водопоглощению.

Был выполнен эксперимент на основе ПФЭ В-плана с двумя факторами. В процессе работы была получена математическая модель:

Yr=l 1,525 + 0,2672xi+ 0,6513×2 — 4,175xj2 — 0,525×22 + 0,375xix2 Y2=l 1,025 -4,225xj- 3,073×2 + 0,375x!2 + 5,025×22 + l, 075xix2 Y3=3,6 — 0,768xi- 0,401×2 — 0,4xj2 — 0,6×22 — 0,5x², где Yj — показатель прочности на изгибY2 — разбухание по толщинеY3 — водо-поглощениеХу — количество цементах2 — количество KSW-Binder.

В качестве целевой функции для оптимизации состава композиции был выбран предел прочности при изгибе при условии соблюдения требований ГОСТа 26 816−86 по показателям разбухания и водопоглощения. Оптимум соответствует экстремуму графика по изгибу (см. рис. 5.19.).

Проводя анализ уравнений и графиков, можно сказать, что оптимальная рецептура ЦСП на 1 м³ будет следующей:

Стружка — 300 кгЦемент — 600 кгKSW-Binder — 350 кгЖидкое стекло — 35 кгКремнефтористый натрий — 7 кгВода — 360 кг.

10. Предложены технологические схемы ЦСП с применением KSW-Binder и жидкого стекла, отработаны технологические режимы производства плитных материалов с использованием KSW-Binder. Проведен технико-экономический расчет производства ЦСП с использованием KSW-Binder. Экономический эффект достигается за счет отказа от процедуры термообработки плит и сокращения расходов на сырье и материалы. При этом рентабельность производства возрастает на 10%, себестоимость продукции снижается на 5344 тыс. руб. по сравнению со стандартной технологией.

Предпосылками для широкого применения жидкого стекла и KSW-Binder в различных отраслях народного хозяйства являются следующие: 1. Высокий уровень вяжущих свойств, обеспечивающий получение необходимых технических характеристик композиционного материала при небольшом расходе связующего. Возможность получения широкого диапазона технических свойств композиционных материалов на основе жидкого стекла: водостойкости, химической стойкости, атмосферостойкости, термических свойств и др.

2. Дешевизна и недефицитность исходного сырья для производства растворимого и жидкого стекла (кварцевый песок, сода, поташ), сравнительная простота технологии. Эти обстоятельства делают жидкое стекло и KSW-Binder доступным и недорогим материалом.

3. Нетоксичность жидкого стекла и KSW-Binder обеспечивает хорошие санитарно-гигиенические условия труда рабочих как при производстве стекла, так и при получении композиционных материалов на его основе.

4. Абсолютная негорючесть и отсутствие выделения каких-либо газообразных веществ (кроме водяных паров) при нагреве до сравнительно высоких температур (выше 600°С), возможность использования жидкого стекла и KSW-Binder для получения термостойких и огнеупорных материалов.

Негорючесть и нетоксичность жидкого стекла делают его конкурентоспособным по сравнению со связующими органического происхождения. В некоторых случаях эти обстоятельства предопределяют выбор жидкого стекла в качестве связующего даже в ущерб уровню технических свойств композиционного материала.

5. Жидкие стекла и KSW-Binder являются единственным широко доступным источником растворимого кремнезема, необходимого для синтеза неорганических и кремнеорганических соединений. Такой источник растворимого кремнезема не имеет природных аналогов.

Современные области применения водорастворимых силикатов в промышленности и строительстве обширны: машиностроение (связующие для литейных формовочных смесей и противопригарных красок) — целлюлозно-бумажная промышленность (пропитка бумажной массы, склеивание) — производство жароупорных (растворы и бетоны) и кислотоупорных материалов, а также катализаторов, цеолитов, силикагеля, белой сажи, синтетических моющих средств, электросварочных материалов (штучных сварочных электродов и керамических флюсов), силикатных лакокрасочных материаловприготовление инъекционных составов для укрепления грунтов при строительстве и т. д.