Улучшение структуры и повышение долговечности арболитамодификацией дробленки

Арболит — это легкий бетон, получаемый на минеральном вяжущем, органическом целлюлозном заполнителе растительного происхождения и водных растворах химических добавок. Он биостоек и трудносгораем, имеет хорошие показатели тепло- и звукоизоляционных свойств, хорошо отделывается цементным раствором, пилится, гвоздится, легко обрабатывается режущими инструментами.
Повышение нормативных требований к показателям теплозащиты ограждающих конструкций зданий вызывает перестройку всего строительного комплекса России. Новые нормы фактически запретили проектирование традиционных для страны конструкций — однослойных стен из кирпича, легких и ячеистых бетонов, дерева и других хорошо зарекомендовавших себя материалов. В свете этого арболит может стать альтернативой плитным утеплителям, ячеистому бетону и полистиролбетону.
Однако такие специфические свойства древесного заполнителя, как его повышенная химическая активность к цементу, высокие показатели сорбции и водопоглощения, усушки и набухания, теплопроводности при эксплуатационной влажности, резко выраженная анизотропия и низкая адгезия органического заполнителя к цементному камню затрудняют получение теплоизоляционного и конструкционного арболита требуемого качества.
Первые попытки связать древесные частицы цементом не увенчались успехом: цемент либо совсем не твердел, либо твердел очень медленно, и изделия получались недостаточно прочными. Начало научных исследований древесно-цементных композиций относится к 1924 г. Уже тогда было очевидно, что древесина содержит вещества, отрицательно влияющие на процессы гидролиза и гидратации цемента.
К числу компонентов древесины, которые могут отрицательно воздействовать на цемент, следует отнести гемицеллюлозу, крахмал и экстрактивные вещества.
Гемицеллюлоза представляет собой полисахарид, близкий по своему строению и химическому составу к клетчатке. Однако она более доступна воздействию разбавленных кислот и щелочей, под влиянием которых способна гидролизоваться и переходить в простейшие сахара-гексозы и пентозы.
Поскольку цементное тесто представляет собой щелочную среду с рН = 11-12, способность гемицеллюлозы гидролизоваться щелочью и переходить в сахара, а затем растворяться в воде может играть серьезную роль в производстве цементного арболита.
Крахмал в древесине находится в виде гранулированных зерен, не растворимых в холодной воде. При повышении температуры зерна частично растворяются.
Экстрактивными веществами, содержащимися в древесине, являются танниды (дубильные вещества), некоторые растворимые моносахара, органические кислоты, минеральные соли и кислоты, жирные и смоляные кислоты, летучие масла. Растворимые сахара (сахароза, глюкоза, фруктоза), обладая малым размером частиц (до 1 мк), легко диффундируют через стенки клеток древесины и легко вымываются водой. Поэтому они наиболее опасны для цементного арболита и других бетонов с древесным заполнителем.
Борьба с влиянием этих веществ составляет одну из основных задач технологии цементного арболита. Вследствие этого вопросу о химическом взаимодействии древесины с цементом и способам соответствующей обработки древесины необходимо уделять особое внимание.
Для устранения отрицательного влияния экстрактивных веществ древесины (ЭВД) на процессы твердения цементного теста применяются химические добавки, которые условно можно разбить на три группы. Первая из них — это добавки, действие которых основано на ускорении твердения цементного теста. Вторая — добавки, способные образовывать с ЭВД труднорастворимые соединения. Третья — добавки, способные кольматировать поры древесины или образовывать пленки на поверхности частиц. Не менее важным фактором, отрицательно влияющим на физико-механические свойства арболита, является структура, а именно пористость древесных частиц.
Древесина представляет собой сложное капиллярно-пористое тело, включающее продольные, идущие вдоль ствола сосуды, поперечные поры — капилляры и различного рода микро- и макрополости.
Количество воды, которое может поглотить древесина, складывается из максимального количества связанной (гигроскопической) и свободной (капиллярной) влаги. Связанная влага находится в толще клеточных оболочек, а свободная — в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Кроме свободной и связанной влаги, различают влагу, входящую в химический состав веществ, которые образуют древесину (химически связанная влага). Эта влага имеет значение только при химической переработке древесины.
Максимальное количество связанной влаги называется пределом гигроскопичности, или пределом насыщения волокон древесины и составляет 28-30% массы древесной влаги. Дальнейшее увеличение влажности может происходить только за счет свободной влаги, т.е. путем заполнения пустот в древесине.
Набухание древесного заполнителя происходит при увеличении влажности до предела насыщения волокон древесины, т.е. до 30%; дальнейшее увеличение влажности не приводит к набуханию древесины. Усушка происходит не на всем протяжении процесса испарения влаги, а начиная с 28-30-процентной влажности древесины. Установлено, что линейная усушка вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях существенно различается. Усушка вдоль волокон составляет 0,1%, в радиальном направлении — 2-8,5%, в тангенциальном — 2,2-14%. Это может привести к нарушению макроструктуры материала и появлению трещин на контакте древесных частиц и матрицы из-за несовместимости влажностных деформаций компонентов материала.
Из-за высокой пористости древесной дробленки между ней и матрицей — цементным тестом (камнем) идет постоянное перераспределение воды затворения. Это позволяет предположить существование градиентов водосодержания и концентрации новообразований в различных зонах композиционного материала, что предопределяет дефектность и неоднородность структуры строительного композита типа арболита еще на стадии формирования его строения.
Измельченная древесина впитывает в себя максимальное количество влаги в первые 1,5 часа. Исследования свидетельствуют, что сухой древесный заполнитель в бетоне может поглотить воды в 4-5 раз больше, чем требуется для гидратации цемента. Как следствие арболит характеризуется высокой капиллярной пористостью, высоким водопоглощением, низкой морозостойкостью и стойкостью к попеременному намоканию и высушиванию. Для твердения матрицы в спокойном состоянии и возникновения равнопрочных связей по всему объему необходимо ликвидировать или свести к минимуму градиенты водосодержания матрицы. Этому может способствовать применение древесного заполнителя с минимальной величиной водопоглощения. Для этого предпочтение должно отдаваться третьей группе добавок, которые могут кольматировать поры древесины или создавать в них противокапиллярное давление. Предлагается решать эту проблему модификацией органического заполнителя.
На основании поисковых работ выбраны добавки на основе акриловых полимеров (сополимеры) и полиизоцианатов.
Вид активных веществ для модификации измельченной древесины (дробленки) подобран по литературным данным. Критериями оценки эффективности модификации выбрана величина водопоглощения заполнителя при полном погружении в воду и в среде арболитовой смеси, а также улучшение или сохранение физико-механических свойств арболита.
Кольматируют поры и капилляры дробленки водоминеральной суспензией или водным раствором полимера. Обработка измельченной древесины предлагаемыми добавками существенно изменяет величину ее водопоглощения, хотя характер кинетики водопоглощения остается прежним. С увеличением расхода добавок на обработку заполнителя водопоглощение последнего снижается. При расходе добавки в количестве 20-40% от массы дробленки водопоглощение последней снижается в 2-2,5 раза. Экспериментально установлено, что увеличение расхода добавки свыше 20% несущественно влияет на величину водопоглощения дробленки. Модификация дробленки позволила существенно снизить величину водопотребности в равноподвижных арболитовых смесях. Величина водоцементного отношения на модифицированной дробленке в равноподвижных арболитовых смесях снизилась с 0,9-1,1 до 0,5-0,65.
Модификация дробленки существенно повысила однородность арболитовых смесей по водопотребности и по удобоукладываемости: коэффициент вариации ниже в 1,3-1,5 раза.
Снижение водоцементного отношения в арболитовой смеси на модифицированной дробленке позволило в 1,3-1,7 раза повысить прочность арболита на сжатие при одинаковом расходе портландцемента.
Теплопроводность арболита в сухом состоянии как на обычной, так и на модифицированной дробленке практически одинакова. Величина ее в существенной степени зависит от влажности материала, а модификация дробленки снижает ее на 27-32%. Поэтому коэффициент теплопроводности арболита на модифицированной дробленке при эксплуатационной влажности на 21-37% ниже по сравнению с арболитом на обычной дробленке.
Свойства арболита, физически взаимодействующего с водой, выгодно отличаются в случае применения модифицированного заполнителя, т.к. последний позволяет уменьшить величину капиллярного всасывания арболита, водопоглощение (на 17-32%), остаточную влажность (на 22-28%), повысить в 1,3-1,6 раза стойкость арболита при попеременном увлажнении и высушивании, а в 1,5-2,6 раза — его морозостойкость.

Владимир САВИН,старший научный сотрудник, к.т.н., ГУП НИИЖБ, г. Москва
Василий ПЯТИКОП,инженер, ГУП НИИЖБ, г. Москва