ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДРЕВЕСНОГО ВОЛОКНА НА СВОЙСТВА КОМПОЗИТА ИЗ ЦЕМЕНТА И КОРЫ

 

STUDY OF WOOD FIBER ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE OF CEMENT AND BARK

 

Руденко Б.Д., Прокопьева Д.П., Плотников С.М., Изотов В.Т.

(СибГТУ, г. Красноярск, РФ)

Rudenko B.D., Prokopeva D.P., Plotnikov S.M., Izotov V.T.

(SibGTU, Krasnoyarsk)

 

Увеличение содержания древесного волокна от 10 до 20 % в формуемой смеси приводит к увеличению прочности получаемых композитов до 2,71 МПа, что несколько больше, чем у подобных материалов.

 

Increased content of wood fiber from 10 to 20% of the moldable mixture increases the strength of the resulting composite to 2.71 MPa, which is slightly longer than similar materials.

 

Ключевые слова: композит, кора, волокно, прочность, эффективность

Key words: composite bark fiber, strength, efficiency

 

Композиционный материал из коры при использованием цемента, имеет название королит, технология которого разработана ЦНИИМОДом [1].  Свойства королита соответствуют характеристикам арболита класса до В 3,5 [2] при некотором перерасходе цемента (до 420 кг/м3). Следует признать, свойства подобных материалов нуждаются в некотором совершенствовании, впрочем, как и их технологические операции изготовления.

Для рассмотрения вариантов увеличения прочности цементно-древесных материалов, или королита, интерес представляет использование волокон [3]. Такое упрочнение основано на предположении о том, что материал матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих на поверхности раздела имеющихся фаз. Если модуль матрицы меньше модуля волокна, то основную долю приложенных напряжений воспринимают волокна, а общая прочность композиции пропорциональна их объемному содержанию [3].

В качестве армирующего элемента, рассмотрим древесные волокна, которые используются в производстве волокнистых плит. Их характеристики соответствуют [4]. 

Так как поверхность заполнителя получила новые характеристики свойств, требуется исследовать, как это влияет на формирование свойств изучаемого композита при изменении количества компонентов: цемента, древесного волокна и воды.

Наиболее удобным инструментом для данного исследования является постановка эксперимента в системе диаграммы «состав-свойство», которые наглядно отображают взаимосвязь исследуемых факторов и характеристик композита.

Для выбора интервала варьирования компонентов, используем данные [1,2, 5, 6], и определим их границы в пределах, указанных в таблице 1.

Такой диапазон наилучшим образом характеризует исследуемую область существования факторов при формировании прочности образцов.

Образцы формовались размером 4´4´16 см, выдерживались в форме 28 суток, затем производилось определение прочности на изгиб, ГОСТ 310.4-81, плотности,   ГОСТ 12730.1-78 и другие показатели механических свойств.

Для обработки экспериментальных данных по методике [7,8], использовались: пакет - STATGRAPHICS; Тип экспериментального плана - Mixture (смесь); план - Simplex-Ctntroid (Симплекс-центроидный план); тип модели для описания свойств смеси - Quadratic (квадратичная модель). Графическая иллюстрация полученных результатов представлена на рисунках 1, 2, где указаны максимальные граничные для рассматриваемого случая содержания компонентов.

 

Таблица 1 – Значение факторов

Наименование факторов

Обозначение фактора

Уровни варьирования факторов,  % в смеси

 

Верхний

+1

Средний

0

Нижний

-1

 1 Цемент

Х1

80

55

45

 2 Кора

Х2

50

30

10

 3 Волокно

Х3

30

20

10

C:\Users\Владелец\Documents\1-Лаборатория\публикации\сборники\БГИТА\2014БГИТА\май2014\рис1.wmf

Рисунок 1 – Поверхность отклика для прочности

 

Если рассматривать влияние соотношения выбранных компонентов на прочность, рисунок 1, то можно видеть возрастание прочности при увеличении содержания древесных волокон в смеси. Однако такое возрастание прочности имеет локальный максимум, который соответствует 20 % содержания волокна в смеси. Дальнейшее увеличение волокна, при рассматриваемых условиях, не приводит к увеличению прочности, что можно объяснить не оптимальностью в этом диапазоне структуры получаемого композита.

На рисунке 2 показаны значения разности предсказанных значений прочности по модели и полученных в результате эксперимента. Из чего видно, что наибольшая ошибка соответствует 30 %, а в оптимальном  диапазоне не превышает 5 %.

C:\Users\Владелец\Documents\1-Лаборатория\публикации\сборники\БГИТА\2014БГИТА\май2014\рис2.wmf

Рисунок 2 – Разность предсказанных значений прочности по модели и полученных

 

Выводы

1.     Увеличение количества волокна от 10 до 20 % приводит к увеличению прочности получаемых композитов до 2,71 Мпа

2.     Плотность получаемых образцов при таких значениях прочности составляет от 800 кг/м3 до 840 кг/м3.

3.     Если сравнивать с подобными материалами из коры [6], где прочность не превышает 1,8 Мпа, то эффективность использования волокна очевидна.

4.     Следует отметить, что эффективность использования древесного волокна в таких материалах недостаточно изучена и может быть значительно повышена. Варианты такого повышения эффективности являются предметом дальнейших исследований в этой области.

 

Список использованных источников

1.    Цывин, М.М. Использование древесной коры [Текст]/ М.М. Цывин, - М.:, 1973. – 93 с.

2.    Коротаев, Э.И Производство строительных материалов из древесных отходов [Текст] / Э.И. Коротаев, М.И. Клименко, М.: Лесная промышленность. – 168 с.

3.    Волокнистые композиционные материалы [Текст] / под ред. С.И. Бокштейна. – М.: МИР, 1967. – 278 с.

4.    Ребрин, С.П. Технология древесноволокнистых плит [Текст] / С.П. Ребрин, Е.Д. Мерсов, В.Г. Евдокимов. – М.: Лесная промышленность, 1982. – 272 с.

5.    Михайлов, Г.М. Пути улучшения использования вторичного сырья [Текст] / Г.М. Михайлов, Р.А. Серов. – СМ.: Лесная промышленность, 1988. – 224 с.

6.    Патент 2 374 196 RU  Российская федерация, МПК СО4В 20/02  18/26. Способ подготовки древесного корозаполнителя для бетонов / А.С. Денисов, В.Ф. Хританков, В.В. Авраменок, А.П. Пичугин; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Новосибирский Государственный Аграрный Университет» - заявка №2008116959/03; заявл. 28.04.2008; опубл. 27.11.2009, бюл. № 29.

7.    Пен, Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics [Текст]/ Р.З. Пен. – Красноярск. СибГТУ-Кларетианум, 2003. – 246 с.

8.    Дюк, В. Обработка данных на ПК в примерах [Текст] / В.Дюк. – СПб.: Питер, 1997. – 240 с.