автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование технических решений переработки отходов древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината в строительные материалы

На правах рукописи

/а, мл

Копарев Владимир Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ДРЕВЕСНО-ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЦЕХА ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО КОМБИНАТА В СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559084

Петрозаводск - 2014

005559084

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель: Васильев Сергей Борисович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Беленький Юрий Иванович

доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова», профессор кафедры технологии лесозаготовительных производств

Филичкина Мария Васильевна

кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия», старший преподаватель кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 17:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе Петрозаводского государственного университета по адресу: 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Петрозаводского государственного университета http://www.petrsu.ru.

Автореферат разослан «070 » октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Р- В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Приоритетным направлением развития лесопромышленного комплекса России является совершенствование технологий глубокой переработки древесины. Технологические решения в области реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на полуфабрикаты для производства целлюлозы относятся к данному направлению. Окоренный баланс и щепа являются продукцией древесно-подготовительных цехов целлюлозно-бумажных комбинатов, из которой в дальнейшем изготавливаются бумага и целлюлоза.

В этой связи появляются задачи совершенствования не только каждого из звеньев технологической цепи по переработке круглых лесоматериалов, но и поиска новых технологий переработки древесных отходов в продукцию. Актуальность этих задач объясняется тем, что рост выпуска продукции глубокой переработки древесины (целлюлоза, бумага) предполагает наращивание объемов заготовки и переработки круглых лесоматериалов. В ЦБП на выпуск одной тонны целлюлозы требуется от 4 до 6 м3 древесины, до 450 кВт-ч электроэнергии, до 180 м3 воды.

Древесно-подготовительный цикл целлюлозно-бумажного производства включает в себя следующие операции: раскряжёвка (опилки), окорка в корообдирочном барабане (кора, кора с древесиной, древесина, скоп), измельчение в рубительной машине (после сортирования выделяется отсев). Эти отходы в настоящее время сжигают для получения тепловой энергии. Исследования свойств древесно-цементных композиций показывают, что такие древесные частицы могут обеспечить высокие физико-механические свойства, изготавливаемых из них строительных материалов. Таким образом, исследование возможности использование упомянутых отходов для изготовления блоков древесно-цементной композиции является актуальной задачей, позволяющей обосновать новые пути использования древесных отходов.

Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени в ряде учреждений (МГУЛ, ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, Северный (Арктический) федеральный университет, ПетрГУ, Воронежская ГЛТА, Марийский технический университет, и др.) многими авторами [119, 129 и др.] исследованы возможности производства различных видов продукции из отходов лесного комплекса. В то же время вопросы, связанные с переработкой отходов древесно-подготовительного производства целлюлозно-бумажного комбината, изучены слабо. Во многом это обусловлено тем, что на комбинатах отходы с незапамятных времен сжигаются. В данной работе внимание сосредоточено на изучении возможности использования практически всего комплекса древесных отходов, образующихся в производстве бумаги и целлюлозы на стадии подготовки древесного сырья к переработке. При этом основное внимание уделено недостаточно проработанной в существующей литературе проблемы использования упомянутых отходов в качестве заполнителя для изготовления строительных материалов на основе древесно-цементной композиции. Это направление исследований позволяет оценить перспективы нового использования отходов древесно-подготовительного производства целлюлозно-бумажного комбината.

Объеет исследования: отходы переработки круглых лесоматериалов в технологическую щепу и балансы в условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината.

Предмет исследования: технические решения, обеспечивающие переработку отходов древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината в строительные материалы.

Цель работы: обоснование технологии переработки отходов древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината в строительные материалы.

Задачи, решение которых необходимо для достижения цели:

1. Разработать методику изготовления образцов строительных материалов на основе отходов древесно-подготовительного цеха с использованием в качестве вяжущего цемента.

2. Разработать методику оценки однородности структуры полученных образцов.

3. Определить прочность полученных образцов при сжатии перпендикулярно грани по направлению формования образца.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) определен комплекс возможностей по ресурсосбережению при подготовке круглых лесоматериалов к их переработке на щепу и технологический баланс в условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината;

2) установлена возможность качественной оценки прочности и плотности образцов древесно-цементной смеси по фрактальной размерности;

3) определены составы древесно-цементных смесей на основе отходов переработки круглых лесоматериалов в технологическую щепу и балансы в условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината, обеспечивающие наибольшую прочность при сжатии перпендикулярно грани по направлению формования образцов;

4) обоснованы рекомендации по реализации комплекса предложенных новых технологических решений по ресурсосбережению при подготовке круглых лесоматериалов к переработке на технологическую щепу и балансы.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Показано, что отходы переработки круглых лесоматериалов в технологическую щепу и балансы в условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината по своим свойствам и размерным характеристикам соответствуют используемым при производстве известных древесно-цементных композитов: фибролит, арболит, цементно-стружечные плиты, скопобетон, ксилолит (эта часть работы представляет практический интерес для использования в учебном процессе при подготовке и переподготовке специалистов для ЛПК).

2. Разработана новая методика качественной оценки прочности и плотности образцов древесно-цементного композита по фрактальной размерности изображения поверхности грани.

3. Обоснованы составы древесно-цементных смесей на основе отходы переработки круглых лесоматериалов в технологическую щепу и балансы в условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината, позволяющие использовать полученные материалы в качестве конструкционных и теплоизоляционных при строительстве.

Методология и методы исследования. Методология исследования базируется на системном анализе взаимосвязи технологических операций с учетом достижений современной науки в данной области прикладных исследований, отраженных в работах российских и зарубежных ученых. Для достижения цели диссертационной работы и решения сформулированных задач использованы методы экспериментальных исследований, включая методы технической фотографии; методы анализа экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты и анализ эксперимента по установлению влияния доли скопа, отсева и отходов окорки в общем объеме древесно-цементной смеси на прочность полученного композита при сжатии по направлению формования образца;

2) методика проведения фотосъемки и оценки полученных изображений на предмет определения фрактальной размерности структуры поверхности древесно-цементных композитов;

3) результаты сопоставления прочностных показателей образцов древесно-цементных композитов со значениями фрактальной размерности структуры поверхности;

4) рекомендации по выбору параметров древесно-цементной смеси, обеспечивающие получение строительных материалов разного назначения из отходов

переработки круглых лесоматериалов в технологическую щепу и балансы в условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината.

Степень достоверности результатов исследования, изложенных в диссертации, подтверждена их непротиворечивостью. Результаты экспериментов согласуются с результатами, известными по литературе. Использованные методики хорошо зарекомендовали себя при проведении стандартных испытаний в строительстве. Апробация разработанной методики показала, что полученные с ее помощью результаты, хорошо согласуются с полученными ранее при помощи стандартных методик.

Апробация работы осуществлена на следующих научных конференциях. Научно-практические конференции «Механика технологических процессов» (г. Петрозаводск, 2011), «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (г. Петрозаводск, 2012), «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (г. Петрозаводск, 2013), Международная научно-практическая конференция «Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии» (г. Петрозаводск, 2013), X Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (г. Новосибирск, 2014), Региональная научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (г. Петрозаводск, 2014).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в т.ч. 2 статьи в изданиях по списку ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем диссертации 153 страницы, в том числе 47 рисунков, 47 таблиц. Список использованной литературы включает 170 источников, из них 16 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика диссертации, обоснована актуальность темы исследования, определены цель и задачи исследования, положения, выносимые на защиту основные.

Глава 1. Аналитический обзор по теме диссертационного исследования.

В главе рассматриваются литературные материалы по теме исследования, дан анализ технологий, машин и оборудования для подготовки и переработки круглых лесоматериалов на щепу. Авторами, включенными в обзор литературы являются: Бойков С. П. (теория очистки древесины от коры); Лаутнер Э. М. (теория получения технологической щепы); Вальщиков H. М., Лицман Э.П. (технологии измельчения древесины); Наназашвили И.Х. (перспективы арболита), Васильев С. Б., Симонова И.В. (технологии производства щепы, совершенствование рубительных машин); Шегельман И.Р. (перспективные технологические процессы подготовки биомассы дерева к переработке на щепу, функционально-технологический анализ); Суровцева Л.С., Иванов Д.В., Царева М.М. (анализ параметров технологической щепы), Hartmann H. (методы фракционирования древесной щепы) и др.

Оценивая технологическую последовательность обработки круглых лесоматериалов на древесно-подготовительном производстве ЦБК, можно выделить следующие группы отходов: смесь измельченной древесины и коры, образующаяся в результате окорки, мелкие древесные частицы, образующиеся при раскрое бревен на слешере и при измельчении древесного сырья в рубительной машине. Существуют разнообразные пути использования этих отходов. В настоящее время отходы в основном сжигаются с целью получения тепловой энергии. Однако

все большее распространение находит их использование для производства конструкционных материалов для строительства.

В настоящее время существует большое количество древесных композитов на цементном вяжущем (ДЦК), производимых на новом техническом уровне, таких как фибролит, арболит, цементно-стружечные плиты (ЦСП), скопобетон, ксилолит. Отходами для их производства могут являться тонкомер, фаунтная и дровяная древесина, отходы лесозаготовки и лесопильно-деревообрабатывающих предприятий, сучья, ветви, горбыль, срезки, торцы, а также мягкие отходы в виде отсевок щепы, станочной стружки и лесорамных опилок.

В этой главе также рассмотрены методы определения однородности образцов. Одними из немногих методов, используемых на производствах, являются акустические методы проверки однородности образца, которые основаны на использовании звуковых и ультразвуковых колебаний, характеризующихся длиной, частотой и скоростью волны.

Глава 2. Методика изготовления образцов

Рассмотрены отходы древесно-подготовительного цеха ЦБК. В работе использовались отходы в виде коры с корообдирочных барабанов, отсева с поддона сортировочной машины и скопа уловленного сеткой фильтра. Отсев представляет собой мелкие частицы, которые невозможно использовать для варки целлюлозы. Причиной этого может быть несовершенство как отдельных технологических операций, так и резко снизившееся качество сырья. В результате сложившейся к настоящему моменту технологии производства щепы для варки целлюлозы последняя операция - сортирование щепы - сопровождается удалением из дальнейшего производства большого количества древесного сырья в виде отсева.

Кора с корообдирочных барабанов попадает на транспортерную ленту. Она включает в себя кору с деревьев хвойных пород и мелкий древесный лом и щепки. Скоп - сгусток из мелких кусочков коры древесины, уловленный сеткой фильтра для воды, содержащей кору, от окорочных барабанов. Он представляет собой спрессованную массу толщиной около 20 мм и влажностью 78,1%. Фракционный анализ коры и отсева на крупность частиц проводили по ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая Технические условия» и ГОСТ 18320-78 «Опилки древесные технологические для гидролиза. Технические условия (с Изменением №1)» Результаты анализа представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Диаметр отверстий сита, мм 30 20 10 5 3 2 1 поддон

Массовая доля остатков на ситах, % 0,00 7,17 38,46 27,26 17,42 6,86 2,22 0,61

Общие результаты фракционного анализа отсева

Таблица 2

Диаметр отверстий сита, мм 30 20 10 5 3 2 1 поддон

Массовая доля остатков на ситах, % 0,00 0,00 38,46 1,67 45,67 13,73 17,97 1,49

Представлена методика определения пригодности отходов древесно-подготовительного цеха ЦБК для древесно-цементных композитов. Согласно ГОСТ 19222-84 «Арболит и изделия

из него» для каждого вида отходов рассчитаны составы для 3 серий по 4 образца. Серии отличаются друг от друга процентным содержанием заполнителя в тесте (табл. 3,4,5).

Для 3 образцов каждой серии методом сжатия по ГОСТУ 10180-90. «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» определяли прочность. Для 1 образца каждой серии проведен расчет фрактальной размерности изображений образцов. Обработка изображений проводилась как в среде операционной системы Windows 7, так и в среде Linux Debían 7.4.

Таблица 3

_Состав смеси для скопа_

Серия Скоп, кг Цемент, кг Вода, кг Добавка, кг Жидкое стекло, кг

1 0,377 0,486 0,241 0,011 0,049

2 0,377 0,543 0,303 0,011 0,054

3 0,377 0,600 0,366 0,011 0,060

Таблица 4

Состав смеси для коры __

Серия Кора, кг Цемент, кг Вода, кг Добавка, кг Жидкое стекло, кг

1 0,203 0,486 0,411 0,006 0,049

2 0,203 0,543 0,473 0,006 0,054

3 0,203 0,600 0,536 0,006 0,060

Таблица 5

Состав смеси для отсева_

Серия Отсев, кг Цемент, кг Вода, кг Добавка, кг Жидкое стекло, кг

1 0,234 0,486 0,405 0,007 0,049

2 0,234 0,543 0,467 0,007 0,054

3 0,234 0.600 0,530 0,007 0,060

Изготовление образцов производилось по разработанной методике: необходимое количество заполнителя укладывалось в емкость, в которой производился замес. Взвешивалось 3 % от массы заполнителя АЬгСБО^з и разводилось в воде до момента полного растворения (примерно 3 часа). В емкость с заполнителем заливалась вода с растворенным А1.2(804)з. Заполнитель вымачивался сутки. После этого в эту емкость добавлялся цемент, и все перемешивалось до однородной консистенции. Взвешивалось 10% от массы цемента жидкого стекла и перемешивалось с водой, необходимой для раствора. Раствор должен представлять собой однородную массу.

Форма заполнялась раствором на 1/3 и трамбовалась болванкой с высоты 150мм. В качестве болванки использовался стальной брусок размером 200*50*50мм. После этого укладывался еще один слой раствора такой же по толщине и трамбовался. Раствор укладывался и трамбовался до того момента пока высота утрамбованной смеси не будет равной высоте стенки опалубки или выше. Распалубка образцов производилась через сутки. Образцы укладывались на прокладки. На 28-е сутки образцы испытывались на прочность сжатием.

По результатам испытаний на прочность методом сжатия, определены наилучшее соотношение заполнителя и цемента (табл. 6).

Таблица 6

Наилучшие соотношения заполнителя и цемента_

Заполнитель Серия Среднее значение максимальной силы нагружения, Н

Скоп 1 8419,81

Отсев 3 15295,91

Кора 1 4466,60

После этого изготавливались образцы, в которых в качестве заполнителя смесь отходов древесно-подготовительного цеха ЦБК. В зависимости от процентного содержания того или иного отхода в заполнителе рассчитывались составы смеси. В таблицах 7, 8, 9 представлены результаты расчетов.

Таблица 7

Состав смеси в зависимости от процентного содержания коры в образцах_

Процент, % Кора, кг Цемент, кг Вода, кг Химическая добавка, кг Жидкое спекло, кг

25 0,051 0,122 0,103 0,002 0,012

50 0,102 0,243 0,205 0,003 0,024

75 0,152 0,365 0,309 0,005 0,036

Таблица{

Состав смеси в зависимости от процентного содержания отсева в образцах

Процент, % Отсев, кг Цемент, кг Вода, кг Химическая добавка, кг Жидкое стекло, кг

25 0,059 0,150 0,132 0,002 0,015

50 0,117 0,300 0,265 0,004 0,030

75 0,176 0,450 0,398 0,005 0,045

Таблица 9

Состав смеси в зависимости от процентного содержания скопа в образцах

Процент, % Скоп, кг Цемент, кг Вода, кг Химическая добавка, кг Жидкое стекло, кг

25 0,094 0,122 0,061 0,003 0,012

50 0,188 0,243 0,120 0,006 0,024

75 0,283 0,365 0,181 0,008 0,036

Глава 3. Обоснование применимости оптических методов оценки однородности образца

Установлено, что изменение морфологии композита за счет изменения фракционного состава включений, может приводить к изменениям их механических, функциональных свойств в достаточно широком диапазоне изучаемых, а также требуемых параметров конечного продукта. Рассматриваются некоторые цифровые методы обработки изображений, позволяющие оценить характеристики композитов на основе древесины, выделяющие структурные особенности материала, которые, в свою очередь, могут влиять на его механические свойства.

Для оценки анизотропии в направлении сжатия образца при его изготовлении, используются эмпирические функции распределения интенсивности в верхних и нижних слоях изображения - строках матрицы по заданным каналам. Проведенные тесты показали, что для сравнения средних значений оптических плотностей в каналах для оценки анизотропии образца, необходимо использовать непараметрические методы оценивания.

Дальнейшие оценки продемонстрировали, что полученные фрактальные размерности практически не отличаются для различных боковых граней образца. Линейные преобразования

контрастирования не приводят к изменению фрактальной размерности изображений и демонстрируют устойчивость метода к подобного рода преобразованиям. Различие во фрактальной размерности боковых и верхней и нижней грани можно связать со способом формирования образца, т.к. при утрамбовке включений в цементе, в боковых гранях происходит упорядочивание элементов в горизонтальные слои.

Глава 4. Результаты исследований Результаты определения пригодности отходов древесно-подготовителыюго цеха ЦБК для древесно-нементных композитов. По данным исследования установлено, что объем серий полученных образцов со скопом в качестве заполнителя варьирует от 0,0003332 до 0,0003430 м3 (табл. 10). У образцов серии 3 определены как наименьшая масса (0,298 - 0,302 кг) образцов, так и их плотность (877,55 - 881,40 кг/м3). Образцы 1 серии отличаются наибольшей массой (от 0,324 до 0,327 кг, соответственно и более высокой плотностью (от 953,35 до 972,39 кг/м3). Следует отметить, что серии образцов между собой отличались количеством цемента в их составе.

Таблица 10

Характеристика образцов со скопом в качестве заполнителя

Серия № образца Объем, м3 Масса, кг Плотность, кг/м3

1 0,0003430 0,327 953,35

1 2 0,0003332 0,324 972,39

3 0,0003381 0,325 961,25

1 0,0003381 0,310 916,89

2 2 0,0003430 0,312 909,62

3 0,0003332 0,308 924,37

1 0,0003430 0,302 880,47

3 2 0,0003381 0,298 881,40

3 0,0003430 0,301 877,55

Полученные образцы методом сжатия испытывались на прочность. Анализ данных показал, что образцы серии 1 выдерживают действие максимальной силы нагружения в среднем 8419,81±46,95 Н (табл. 11). Прочность образцов определяли с помощью испытательной машины SHIMADZU AGS-X (50кН). Первичные результаты испытания образцов-кубов получены в единицах измерения Н, т.е. испытательная машина показывает максимальную нагрузку, при которой происходит разрушение образца. Эти значения переведены в МПа с учетом масштабного коэффициента согласно ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определение прочности по контрольным образцам». Определено, что наибольшая плотность определена для образцов серии 1.

На рисунке 1 представлена зависимость максимальной силы нагружения от массовой доли скопа в тесте. Установлено, что чем больше содержание скопа в тесте, тем сила максимального нагружения больше. На рисунке 2 показана зависимость прочности образцов от плотности. Выявлена, что чем выше плотность, тем выше прочность.

Статистическая зависимость прочности образцов от их плотности, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим образом:

у = 0,0062х2 + 0,05х + 0,6093 (1)

Таблица 1

Серия № образца Максимальная сила, Н Среднее значение силы, Н Прочность, МПа

1 8348,25 1,45

1 2 8508,11 8419,81±46,95 1,48

3 8403,08 1,46

1 5677,57 0,98

2 2 5651,85 5673,53±11,54 0,98

3 5691,18 0,99

I 4196,21 0,73

3 2 4286,82 4173,08±73,3 0,74

3 4036,21 0,70

9000

= 8000

£. 7000

| 6000

р 5000 в

£ 4000 | 3000

г 2000 I 1000

3 О

27 29 29 29 32 32 Мяссовяядоля ?яполннтеля в тесте °о

Рис. 1. Зависимость максимальной силы нагружения от массовой доли скопа в тесте

1.5

Я-= 0.908

■-

877,55 880.47 881,4 909.62 916.89 924.37 Плотность кг мЗ

953,35 961.25 972.39

Рис. 2. Зависимость прочности образцов от плотности

Аналогичные исследования проведены для образцов, в качестве заполнителя в которых использовались отсев и кора. Объем образцов составляет от 0,0003332 до 0,0003430 м3. Анализ данных о полученных образцах, в которых в качестве заполнителя использовался отсев, показал, что наибольшие масса (0,310 - 0,316 кг) и плотность (921,28 - 930,37 кг/м3) установлены у образцов серии 3. У образцов серии 1 определены наименьшие значения этих показателей (0,268 - 0,274 кг и 792,66 - 798,83 кг/м3 соответственно). Образцы серии 3 выдерживают действие максимальной силы нагружения, среднее значение которой составляет 15295,91±40,33 Н, и характеризуются наибольшей прочностью (2,64 - 2,66 МПа). Установлена обратная зависимость максимальной силы наг-ружения от массовой доли отсева в тесте: чем меньше количество отсева в тесте, тем максимальная сила нагружения больше (рис. 3).

о--

16 16 16 18 18 18 20 20 20 Массовая доля заполнителя в тесте %

Рис. 3. Зависимость максимальной силы нагружения от массовой доли отсева в тесте

Выявлена прямая зависимость прочности образцов от плотности. Статистическая зависимость, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим уравнением у = -0,0094х2 + 0,3163х + 0,6855 (2).

Для образцов, в которых в качестве заполнителя использовалась кора, получены следующие данные. Образцы серии 2 отличаются наиболее высокими значениями массы (0,294 - 0,302 кг) и плотности (875,48 - 882,35 кг/м3). Образцы серии 3 характеризуются наименьшими значениями массы (0,275 - 0,278 кг) и плотности (810,50 - 822,24 кг/м3). Образцы серии 1 выдерживают максимальную силу нагружения в среднем 4466,60±52,47 Н и обладают наибольшей прочность 0,76 - 0,79 МПа. Определены прямые зависимости максимальной силы нагружения от массовой доли коры в тесте и прочности образцов от плотности. Статистическая зависимость прочности образцов от плотности: у = 0,0007х2 + 0,054х + 0,2845 (3)

Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси отходов древесно-нодгоговительного цеха ЦБК на прочность методом сжатия. По данным исследования установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, у которых в качестве заполнителя использовали смесь скопа и коры в процентном соотношении 25/75 (1,47 МПа), смесь отсева и скопа в процентном соотношении 75/25 (4,47 - 4,48 МПа), смесь коры и отсева в соотношении 25/75 (3,07-3,08 МПа).

Влияние состава заполнителей на прочность образцов. В ходе проведения исследования определено, что наиболее высокой прочностью характеризуются следующие образцы. При добавлении отсева к заполнителю на основе скопа в соотношении 25/75 и при добавлении скопа к заполнителю на основе отсева в соотношении 75/25 прочность образцов составляет 4,48 МПа (рис. 4, 5). При добавлении отсева к заполнителю на основе коры в соотношении 25/75 прочность образцов - 3,07 МПа (рис. 6).

Методом наименьших квадратов получены следующие статистические зависимости:

• прочности образцов от процентного соотношения объема скопа и коры в заполнителе:

у = -0,1092х3 + 0,9175х2 - 2,2933х + 2,946 (4)

• прочности образцов от процентного соотношения объема отсева и скопа в заполнителе:

у = 0,3975х3 - 3,8375х2 + 10,405х - 4,284 (5)

• прочности образцов от процентного соотношения объема коры и отсева в заполнителе:

у = -0,0467х3 + 0,1829х2 + 0,8195х - 0,178 (6) По данным, полученным после обработки уравнений (4, 5, 6) с помощью программы «XMaxima» и верификации в web-интерфейсе «Wolframalfa», установлено, что максимальное значение прочности образцов для смеси скопа и коры в пределах процентного соотношения объемов 32/68; для смеси отсева и скопа - 76,50/23,50; для смеси коры и отсева - 23,75/76,25.

В

из

с

. 1.5

Скоп Кора25 Кора50 Кора 75 Кора ЮООтсев 25 0тсев 500тсев 75 Отсев

100°о "о °о «о °.ъ "о % % 100««

Процент содержания шполннтелей в тесте

Рис. 4. Влияние добавки отсева и коры к заполнителю на основе скопа на прочность образцов

Рис. 5. Влияние добавки коры и скопа к заполнителю на основе отсева на прочность образцов

Рис. 6. Влияние добавки отсева и скопа к заполнителю на основе коры на прочность образцов

Расчет фрактальной размерности изображений образцов. Для ряда серий испытаний проведен расчет фрактальной размерности изображений образцов. В частности, для смесей, в сериях содержащих скоп и отсев в различном процентном отношении, а также в сериях для чистых типов включений, т.е. только скоп, только кора и только отсев. Оценивались элементарные статистики интенсивностей изображения в различных каналах формата raw (NEF). На графике (рис. 7) приведены примеры расчетов, которые выполнены в среде GNU/R.

Скоп, Отсев (25/75) (2 серия) Скоп, Отсев (25/75) (3 серия)

1 - А D=V81 * .--о* 0=1.71

■5 Ц- S с Ü

I о £ «

7 Ж-'""

0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 log(lags = [1:2Ц 0.0 0-1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 О.Т logflags = [1:21)

Рис 7. Фрактальная размерность для образцов с заполнителем в виде смеси скопа и отсева

в цементной матрице.

Изменение морфологии композита, за счет изменения фракционного состава включений, может приводить к изменениям их механических, функциональных свойств в достаточно широком диапазоне изучаемых, а также требуемых параметров конечного продукта. В силу того, что механические и оптические свойства связаны со структурой материла, было высказано предположение о связи инвариантных характеристик изображений, а именно фрактальной размерности изображений, с предельными нагружениями материла на разрушение. Продемонстрируем, что для ряда серий данная гипотеза подтверждается.

В таблицах 12, 13, 14 приведены результаты вычислений фрактальной размерности образцов для серий образцов и испытаний, в которых дисперсии изображений в различных каналах были достаточно устойчивы - дисперсия интенсивностей по различным каналам не превышала 20% от среднего значения.

Таблица 12

Результаты вычислений фрактальной размерности образцов _с заполнителем в виде смеси отсева и скопа_

Соотношение, % Фрактальная размерность Максимальная сила, H Прочность, МПа

25/75 1,62 8657,20 1,50

1,71 8598,49 1,49

1,59 8624,47 1,50

50/50 1,54 16941,75 2,94

1,51 16972,65 2,94

1,49 16988,97 2,95

75/25 1,39 25824,02 4,48

1,41 25785,57 4,47

1,49 25846,58 4,48

Результаты вычислений фрактальной размерности образцов

Таблица 13

Соотношение, % Фрактальная размерность Максимальная сила, Н Прочность, МПа

25/75 1,60 17748,24 3,08

1,57 17721,07 3,07

1,59 17690,08 3,07

50/50 1,64 14956,75 2,59

1,61 15297,87 2,65

1,62 15103,35 2,62

75/25 1,72 10703,14 1,86

1,71 10639,52 1,85

1,69 10682,64 1,85

Таблица 14

Результаты вычислений фрактальной размерности образцов

Соотношение, % Фрактальная размерность Максимальная сила, Н Прочность, МПа

25/75 1,37 8484,92 1,47

1,34 8467,92 1,47

1,39 8501,39 1,47

50/50 1,42 7892,35 1,37

1,40 7873,20 1,37

1,41 7946,28 1,38

75/25 1,43 6694,82 1,16

1,45 6754,56 1,17

1,42 6656,62 1,15

Установлено, что при понижении доли скопа (табл. 12), отсева (табл. 13) и коры (табл. 14) уменьшается фрактальная размерность образца, увеличивается прочность образцов и максимальная сила нагружения на разрушение.

Сравнение испытанных образцов с арболитом разных классов по прочности. В

таблице 15 представлены данные об испытании образцов на прочность и соответствии их классам арболита по прочности на сжатие в соответствии с таблицей 1 ГОСТа 19222-84 «Арболит и изделия из него».

Таким образом, согласно полученным данным все образцы, испытанные в ходе исследования, соответствуют разным классам арболита по прочности на сжатие.

Таблица 15

Соответствие испытанных образцов с классами арболита по прочности на сжатие

Вид арболита Класс по прочности на сжатие Испытанные образцы, подходящие по значению Прочность, МПа

Теплоизоляционный В 0,35 Кора 3 серия 0,38

Кора 2 серия 0,57

Скоп 3 серия 0,72

В 0,75 Кора 1 серия 0,78

Скоп 2 серия 0,98

В 1 Скоп + кора 75/25 1,16

Отсев 1 серия 1,18

Скоп + кора 50/50 1,37

Скоп 1 серия 1,46

Скоп + кора 25/75 1,47

Конструкционный В 1,5 Отсев + скоп 25/75 1,50

Кора + отсев 75/25 1,85

В 2,0 Отсев 2 серия 2,08

В 2,5 Кора + отсев 50/50 2,62

Отсев 3 серия 2,65

Отсев + скоп 50/50 2,94

Кора + отсев 25/75 3,07

В 3,5 Отсев + скоп 75/25 4,48

Заключение

1. Отходы древесно-подготовительного производства ЦБК по своему виду, составу и физическим свойствам сходны с древесным сырьем, используемым в настоящее время для изготовления материалов на основе древесно-цементной смеси.

2. Разработана методика изготовления образцов для определения прочности при сжатии

3. Анализ оптической плотности изображений образца подтверждает наличие анизотропии.

4. С помощью анализа изображений можно оценить анизотропию повторное™ образцов.

5. Фрактальная размерность позволяет оценить распределение дефектов

6. По результатам определения пригодности скопа в качестве наполнителя для изготовления древесно-цементных блоков установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из скопа 0,377кг, цемента 0,486 кг, воды 0,241 кг, AI^SO^ 0,011 кг, жидкого стекла 0,049 кг.

7. По результатам определения пригодности отсева в качестве наполнителя для изготовления древесно-цементных блоков установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из отсева 0,234 кг, цемента 0,600 кг, воды 0,530 кг, AI^SO^ 0,007 кг, жидкого стекла 0,060 кг.

8. По результатам определения пригодности коры в качестве наполнителя для изготовления древесно-цементных блоков установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из коры 0,203 кг, цемента 0,486 кг, воды 0,411 кг, AL2(S04b 0,006 кг, жидкого стекла 0,049 кг.

9. По результатам определения прочности образцов со смесью скопа и коры в качестве заполнителя установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из скопа 0,094 кг, коры 0,152 кг, цемента 0,487 кг, воды 0,370 кг, АЬгСЭО^з 0,008 кг, жидкого стекла 0,048 кг.

10. По результатам определения прочности образцов со смесью отсева и скопа в качестве заполнителя установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из отсева 0,176 кг, скопа 0,094 кг, цемента 0,572 кг, воды 0,459 кг, AL2(S04)3 0,008 кг, жидкого стекла 0,057 кг.

11. По результатам определения прочности образцов со смесью коры и отсева в качестве заполнителя установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы состав которых состоит из коры 0,051 кг, отсева 0,176 кг, цемента 0,572 кг, воды 0,501 кг, ALjCSO^ 0,007 кг, жидкого стекла 0,057 кг.

12. После обработки данных определено, что максимальное значение прочности для смеси коры и скопа будет при соотношении заполнителей в тесте в окрестностях 68/32, для коры и отсева это соотношение будет 23,75/76,25, а отсева и скопа 76,5/23,5.

13. Статистические зависимости прочности от плотности, полученные методом наименьших квадратов, реализованные в табличном процессоре EXCEL, представлены следующим образом:

для скопа у = 0,0062х2 + 0,05х +0,6093,

для отсева у = -0,0094х2 + 0,3163х + 0,6855,

для коры у = 0,0007х2 + 0,054х + 0,2845,

для смеси скопа и коры у = -0,0032х2 + 0,0789х + 1,0426,

для смеси отсева и скопа у = 0,0025х2 + 0,4223х + 0,781,

для смеси коры и отсева у = -0,0091х2 + 0,2757х + 1,4264.

14. Максимальное значение прочности 4,48 МПа, полученное в ходе исследования, достигает образец с заполнителем в виде смеси отсева и скопа (процентное соотношение 75/25), превосходит наименьшее значение конструкционного арболита класса В 3,5 на 27 %.

15. Наименьшее значение прочности 0,38 МПа, полученное в ходе исследования, достигает образец с заполнителем в виде коры (3 серия), превосходит наименьшее значение теплоизоляционного арболита класса В 0,35 на 8,6 %.

16. Образцы, в которых в качестве заполнителей использовались скоп, кора и отсев не уступают по прочности арболиту. Меняя процентное соотношение заполнителей в тесте, можно получать материал необходимой прочности.

17. В ходе исследования на качественном уровне было установлено, что прочность образцов обратно пропорциональна фрактальной размерности. Это можно объяснить классической теорией хрупкого разрушения, в соответствии с которой, материал, содержащий много дефектов, подвержен образованию трещин.

Список работ автора по теме диссертации

Публикации в журналах, указанных в перечне ВАК РФ:

1. Андреев A.A. Анализ технологических операций получения древесной щепы / А. А. Андреев, Н. А. Доспехова, В. С. Копарев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета = Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University. — 2012. —№ 81. — C. 374—389.

2. Модель разрушения древесностружечных плит при растяжении перпендикулярно пласти / Питухин А. В., Васильев С. Б., Колесников Г. Н., Панов Н.Г, Копарев B.C. // Ученые записки ПетрГУ. — 2013. — № 6 (135). — С. 68—72.

Другие публикации:

3. Васильев С. Б. Оптические оценки анизотропии древесного композита / С. Б. Васильев, В. Б. Ефлов, В. С. Копарев //Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сб. науч. тр. по материалам междунар. заочной науч.-практ. конф.

— Воронеж, 2014. — Т. 2, № 4. — С. 213—216.

4. Васильев С. Б. Учет реперных изображений для обработки образцов древесных композитов / С. Б. Васильев, В. Б. Ефлов, В. С. Копарев // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции: сб. ст. по материалам регион, науч.—практ. конф., 18 апреля 2014 г.

— Петрозаводск: Изд-во Петропресс, 2014. —С. 56—61.

5. Доспехова Н. А. Повышение эффективности переработки лесоматериалов в измельчаемую древесину технологического назначения / Н. А. Доспехова, В. С. Копарев // Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии: сб. ст. по материалам науч.—практ. конф., 23—28 июня 2013 г. — Петрозаводск, 2013, —С. 15—19.

6. Копарев В. С. Методы определения фракционного состава щепы / В. С. Копарев // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции: материалы науч.—практ. конф., 4 апреля 2012 г. — Петрозаводск: Изд—во Петропресс, 2012. — С. 54—56.

7. Копарев В. С. Перспективы использования древесных отходов целлюлозного производства в качестве сырья для изготовления строительных материалов / В. С. Копарев // Сборник научных трудов Sworld. — 2014. — Т. 2, № 1. — С. 35—41.

8. Копарев В. С. Перспективы использования скопа в качестве сырья для производства древесно-цементной композиции / В. С. Копарев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сб. науч. тр. по материалам междунар. заочной науч.—практ. конф. — Воронеж, 2014. — Т. 2, № 3—2 (8—2). — С. 92—95.

9. Копарев B.C. Перспективы использования низкокачественной древесины и отходов лесопиления / В. С. Копарев // Механика технологических процессов: материалы науч.—практ. конф. — Петрозаводск: Изд—во ПетрГУ, 2011. — С. 26—29.

10. Копарев В. С. Пути повышения эффективности использования отходов переработки лесоматериалов / В. С. Копарев // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты: сб. материалов X междунар. науч.—практ. конф., 25 февраля 2014 г. — Новосибирск: Издательство ЦРНС, 2014. — С. 160—165.

11. Панов Н.Г. Использование наномодификаторов в производстве древесностружечных плит (ДСтП) / Н. Г. Панов, В. С. Копарев, О. В. Фирюлина // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции: материалы науч.—практ. конф., 17 апреля 2013 г. — Петрозаводск: Изд—во ПетрГУ, 2013. — С. 89—93.

12. Титова С. А. Некоторые закономерности влияния крупности древесных частиц на теплопроводность, плотность и прочность щепоцементных блоков для малоэтажного строительства / С. А. Титова, А. А. Андреев, В. С. Копарев // Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. науч.—практ. конф., 23—28 июня 2013 г. — Петрозаводск, 2013. — С. 65—70.

Подписано в печать 20.10.2014. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Изд. № 323

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33