УДК 674.2:624.011.15                             

ВЕЛИЧИНА КОЭФФИЦИЕНТАПОКАЗАТЕЛЯ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА ЗАПОЛНИТЕЛЯ

 

THE VALUE OF THE COEFFICIENT OF THE INDEX OF THE PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS DEPENDING ON THE VALVE OF THE FILLER

 

Руденко Б.Д., Плотников С.М.

(Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, г.Красноярск, РФ)

 

Рациональное использование древесных отходов является важной проблемой, а структурные характеристики материала отражают качественный уровень такого использования. При рассмотрении механических свойств композиционных материалов с конгломератным типом структуры, таких как бетоны на различных заполнителях, цементно-стружечные плиты, арболиты, требуется корректировка вида используемой зависимости свойств от факторов изготовления. Особенно это касается цементно-древесных композитов.  

 

Ключевые слова: древесина, бетон, свойства, структура, прочность, заполнитель, оптимальная структура, арболит, цементно-стружечная плита

Key words: wood, concrete, properties, structure, strength, aggregate, optimal structure, arbolite, cement-particle board

 

Рациональное использование древесных отходов является важной проблемой, а структурные характеристики материала отражают качественный уровень такого использования.  Механические свойства материалов определяют степень их пригодности для тех или иных видов использования. Механические свойства – это способность сопротивляться нагрузкам, воздействующим на изделие в процессе эксплуатации, таким как силовым, тепловым, усадочным, осмотическим, кристаллизационным, разбухания  и другим внутренним напряжениям при условии сохранения своей структуры и сплошности. Показателями таких свойств являются прочность и деформативность древесного композита.

В древесном композите содержится большое количество различных нарушений сплошности материала, таких как микро- и макротрещин, пор, пустот, каверн, макро- и микрокапилляров и др. Для того, чтобы материал мог успешно противостоять механическим воздействиям, он должен иметь два основных свойства: выдерживать возможную эксплуатационную нагрузку как статическую, так и динамическую; деформации, возникающие в материале под воздействием таких усилий должны затухать [1]. Эти свойства зависят от компонентов материала, от его структурных элементов и технологии изготовления, а также эксплуатационных характеристик и состояния композита.

Следует отметить теорию наименьших нормальных напряжений; теорию набольшей упругой деформации; теорию наибольших касательных напряжений; теорию прочности Мора и др. Имеющиеся разработанные теории получили направленность, применительно к однофазным изотропно упругим и континуальным системам, что нельзя для реальных условий признать соответствующими действительности. В силу этих обстоятельств, применимость их к типичным строительным конгломератам, бетонам и другим материалам осуществлялась применительно к вопросам отражения структуры вещества, физических и физико-химических процессов, определяющих их структурные особенности [2,3]. 

Если использовать зависимости в виде прямой функции связи прочности бетона и водоцементным отношением, то они более всего не соответствуют закону водоцементных отношений. Такие формулы действуют в ограниченной области их факторного пространства и подвержены некоторым условностям (ограничены) графического выпрямления (сглаживания)  имеющихся криволинейных функций. Поэтому они выражают только часть общей закономерности изменения свойств.

А.С. Щербаков сделал два вывода относительно механических свойств арболита [4]:

1 Прочность арболита прямо пропорциональна активности цемента Rц и его расходу на 1 м3 этого материала, его плотности, коэффициенту уплотнения (или степени уплотнения арболитовой массы при формовании), адгезии древесного заполнителя к цементному вяжущему, прочности заполнителя (при одинаковом содержании водорастворимых веществ), коэффициенту формы заполнителя;

2 Прочность арболита обратно пропорциональна содержанию водорастворимых веществ древесины в органическом заполнителе, на основе которого он приготовлен, его усадке, удельной поверхности заполнителя, расходу воды и объемному содержанию древесного заполнителя.

Зависимость прочности от указанных факторов представлена в виде [8]:

 

Rа = f(Rц, Rз, Ц, dа, А, kф.ч., Э-1, eу-1, Fу.п.-1, В-1, D-1),          (1)

 

где  Rа – прочность арболита, МПа;

Rз – прочность заполнителя, МПа;

Rц - активность цемента;

 Ц – расход цемента на 1 м3арболита, кг;

dа – плотность арболита, равная g/g0 (g - удельная, g0 – объемная масса арболита;

А – адгезия древесного заполнителя к цементному вяжущему, МПа; 

kф.ч – коэффициент формы частиц древесного заполнителя;

Э – содержание водорастворимых веществ в заполнителе, %;

eу – усадка арболита, мм/м; Fу.п – удельная поверхность заполнителя, кг/м3;    

 В – расход воды на 1 м3арболита, кг;

D – расход древесного заполнителя, кг.

Для описания прочности И.Х. Наназашвили [5] предлагает эмпирическое выражение:

 

R* = 15[FЦ/Д(1,5 – В/Ц)]n,                                   (2)

 

где  R* - прочность арболита оптимальной структуры; 1,5 и 15 - эмпирические коэффициенты;  показатель сцепления (адгезионная прочность) древесного заполнителя с цементным камнем; Ц/Д – цементно-древесное отношение; В/Ц – водоцементное отношение; n – показатель степени (характеризует свойства древесного заполнителя; зависит от коэффициента формы частиц, их удельной поверхности , шероховатости, степени химической агрессивности и анизотропии древесной породы); для портландцементного арболита n = 0,82 – 0,98.

В работе [6] автором рассматриваются цементно-стружечные плиты из древесины лиственницы. В этой работе, применительно к конкретным исходным материалам (портландцемент М500, древесные частицы из древесины лиственницы, исследованный минерализатор и др. технологические факторы) и принятой технологии уравнение для прочности при изгибе имеет вид:

 

,                                            (3)

 

где sизг – прочность при изгибе плиты, исследуемой конструкции, МПа; s* - прочность вяжущего, оптимального состава, МПа;  , где В/Ц водоцементное отношение при изготовлении плиты, В*/Ц водоцементное отношение оптимального состава; - показатель структурного изменения прочности, определен  в диапазоне от -0,45 до -0,55.

Рассмотрим показатели степени n для строительных материалов. На рисунке 1 приведена диаграмма распределения предлагаемых показателей степени n для композиционных материалов, цементно-стружечных плит, арболита и бетонов на разных заполнителях. Показатели n взяты для щебня и гравия по [1], для стружки по [6], для дробленки по [5].

В случае изготовления плитных материалов, их структура может формироваться по слоям, в этом случае изменение свойств будет определяться с учетом слойности изделия. Размеры древесных частиц, особенно их форма, активно влияют на изменение свойств древесного композита. В отличие от минеральных заполнителей, у древесных заполнителей имеется большое разнообразие форм, стереометрических показателей и других характеристик. Модель для описания свойств, также будет отличаться, она может быть выбрана в соответствии с характеристиками используемого заполнителя [7,8].

Рисунок 1 –Диаграмма распределения показателей степени n композиционных материалов в зависимости от вида заполнителя

 

Как видно из рисунка 1, формирование величины показателя n, в зависимости от предлагаемых авторами зависимостей, не имеет системы.

Для их сопоставления требуется некоторая корректировка вида зависимости, особенно это касается цементно-древесных композитов.

 

Список использованных источников

1          Рыбьев, И. А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ [Текст]  / И. А.  Рыбьев.  М.: Высшая школа, 1978.  309 с.

2          Ахвердов, И. Н. Высокопрочный бетон [Текст] / И. Н. Ахвердов.  М.: Госстройиздат, 1961. 320 с.

3          Мчедлов-Петросян, О. П. Химия неорганических строительных материалов [Текст] / О.П. Мчедлов-Петросян.  М.: Стройиздат, 1971.  360 с.

4          Щербаков, А. С. Арболит. Повышения качества и долговечности. [Текст] / А. С. Щербаков, Л. П. Хорошун, В. С. Подчуфаров.  М.: Лесная промышленность, 1979.  160 с.

5          Наназашвили, И. Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции [Текст] / И. Х. Наназашвили.  Л.: Стройиздат, 1990.  415 с.

6          Руденко, Б. Д. Исследование процесса и разработка технологии цементно-стружечных плит из древесины лиственницы [Текст] :дис. … канд. техн. наук: 05.21.05: защищена 17.10.80/ Б. Д. Руденко.  Красноярск, 1980.  143 с.

7          Руденко, Б. Д. Уравнение обобщенной кривой прочности цементно-стружечных плит / Б. Д. Руденко // Актуальные проблемы современной науки. Строительство и архитектура: сб. ст.  Самара, 2006.  С. 18-20.

8          Руденко, Б. Д. Модель формы древесных частиц для искусственных строительных конгломератов / Б. Д. Руденко, В. Т. Изотов, О. С. Шумакова // Материалы и технологии XXI века: сб. ст.  Пенза, 2010.  С.118 – 120.