автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии использования отходов лесопиления как сырья для изготовления древесно-цементных материалов

На правах рукописи

Андреев Александр Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ЛЕСОПИЛЕНИЯ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005556852

I

Петрозаводск - 2014

005556852

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Колесников Геннадий Николаевич

доктор технических наук, профессор

Бурмистрова Ольга Николаевна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технологии и машины лесозаготовок»

Ведущая организация:

Баклагин Вячеслав Николаевич

кандидат технических наук, ФГБУН Институт водных проблем Севера Карельского научного центра Российской академии наук, научный сотрудник лаборатории географии и гидрологии

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита состоится 21 ноября 2014 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе Петрозаводского государственного университета по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

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

Автореферат разослан сентября 2014 г.

А/

Ученый секретарь диссертационного совета / Р.В.Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа содержит материалы исследования, объединенные ведущей идеей совершенствования технологий использования отходов лесопиления как сырья для изготовления древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства.

Актуальность темы исследования. Проблема рационального использования отходов лесопильных предприятий сохраняет свою актуальность на протяжении длительного времени. Масштаб проблемы характеризуют следующие данные. Как известно1, в настоящее время объем мирового производства пиломатериалов составляет примерно 400 млн. м3 в год. В том числе 87,5 млн. м3 приходится на долю США. На долю России приходится около 20 млн. м3. При этом, в зависимости от способа пиления, от 9 до 19% объема пиловочного сырья превращается в опилки (рис. 1).

Рис. 1. Отходы лесопиления

Из приведенных выше данных следует, что лесопромышленный комплекс России ежегодно производит более 2,2 млн. м3 опилок. 35-45% опилок используются как топливо на котельных самих предприятий. Около 10% опилок используются в гидролизной промышленности, примерно 2% -в производстве древесных плит. Кроме того, опилки влажностью до 15 % используются в производстве топливных брикетов и гранул (пеллет). Использование измельченной древесины, в том числе опилок, для изготовления строительных теплоизоляционных и конструкционных материалов известно не один десяток лет. Однако проблемы совершенствования технологий использования отходов лесопиления сохраняют свою актуальность, на что указывает интенсивность публикаций, в том числе Интернет-ресурсов (рис.1).

1 Падерин В. Рентабельность лесопиления и проблемы развития лесопиления в России // ЛесПромИнформ.

2014. №1(99). URL: www.lesprorninform.ru/jarchive/articles/itemshow/3572

Неиспользуемые отходы лесопиления являются потенциально опасными с экологической точки зрения. Совершенствование технологий использования отходов лесопиления необходимо для перехода к зеленой экономике2. Работа соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Рациональное природопользование».

350 §■ 300

Годы

Рис. 1. Распределение публикаций с ключевым словом "wood-cement" [http://schoIar.google.ru]

Степень разработанности темы исследования. Анализ публикаций по теме исследования, в том числе Интернет-ресурсов, показал, что к настоящему времени остаются недостаточно изученными вопросы влияния гранулометрического состава отходов лесопиления при их использовании в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства.

Цель работы: совершенствование технологии использования отходов лесопиления с учетом их гранулометрического состава в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного домостроения.

Задачи, решение которых необходимо для достижения цели:

1. Исследовать гранулометрический состав отходов лесопиления двух основных типов производств.

2. Исследовать целесообразность использования отходов лесопиления с добавлением стружки, обосновать рациональное соотношение (по массе) опилок и стружки как основы древесно-цементного материала.

3. Исследовать влияние гранулометрического состава отходов лесопиления двух основных типов производств на прочность древесно-цементного материала.

" Svendsen, G. T. Environmental Reviews and Case Studies: From a Brown to a Green Economy: How Should Green Industries Be Promoted? // Environmental Practice. 2013, no. 15(01), 72-78.

4. Исследовать влияние упрочняющих добавок на физико-механические свойства древесно-цементного материала с учетом гранулометрического состава используемых отходов лесопиления.

5. Экспериментально исследовать прочность и жесткость древесно-цементного композита при одноосном сжатии как ортотропного материала при скоростях деформирования образцов 5... 180 мм/мин.

Объект исследования: образцы древестно-цементного материала, изготовленные с применением отходов лесопиления двух типов деревообрабатывающих производств, для малоэтажного строительства.

Предмет исследования: влияние гранулометрического состава отходов лесопиления с добавлением стружки и упрочняющих компонентов на физико-механические свойства древесно-цементного материала на примере двух типов деревообрабатывающих производств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. По результатам исследования уточнены данные о гранулометрическом составе отходов лесопиления и их влиянии на свойства древесно-цементного материала для двух типов деревообрабатывающих производств.

2. Экспериментальными исследованиями древесно-цементного материала установлено, что смесь стружки и опилок при соотношении 0,2:0,8 (по массе) обеспечивает максимум прочности в испытаниях на сжатие.

3. Получены новые данные об эффективности известных добавок (микрокремнезем и полимерно-минеральная добавка «Nicoflok»). Установлен гранулометрический состав отходов деревообработки, обеспечивающий наибольшую эффективность применения данных добавок.

4. Исследованы закономерности влияния добавки отходов камнеобработки в виде порошка талькохлорита (стеатита) на прочность и жесткость древесно-цементного композита при одноосном сжатии как ортотропного материала при скоростях деформирования образцов 5... 180 мм/мин.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Указанный выше (п. 2) эффект увеличения прочности при определенном соотношении (по массе) опилок и стружки может быть использован в целях совершенствования технологии использования отходов лесопиления в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства.

2. Использование экспериментально установленного влияния гранулометрического состава опилок, зависящего от конструктивных особенностей пильных дисков, на прочность древесно-цементного материала позволит повысить эффективность использования упрочняющих добавок.

3. Исследована предложенная модификация древесно-цементного материала, отличающаяся тем, что содержит добавку отходов камнеобработки в виде порошка талькохлорита (стеатита).

4. Полученные новые данные о закономерностях влияния добавок на прочность и жесткость древесно-цементного композита с добавкой талькохлорита при одноосном сжатии как ортотропного материала при скоростях деформирования образцов 5... 180 мм/мин могут быть использованы при обосновании применения древесно-цементного материала в конструкциях стен малоэтажных зданий при сейсмических и техногенных динамических воздействиях.

5. Определены перспективы развития темы, ориентированные на уменьшение стоимости древесно-цементного материала за счет предварительной обработки измельченной древесины, применения пластификаторов, совершенствования режимов уплотнения древесно-цементной смеси, поиска и дозирования добавок.

Работа выполнена в рамках реализации научных мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 г. и государственного задания Минобрнауки РФ по госбюджетной теме 126-12, проект 7.6185.2011 (руководитель темы проф. Г.Н. Колесников).

В рамках диссертационного исследования выполнен патентный поиск, выявлена существенная новизна разработанного технологического решения по рациональному использованию отходов лесопиления, оформлены и зарегистрированы в Роспатенте две заявки на изобретения3.

Методология и методы исследования. Методология исследования базируется на использовании теоретических и экспериментальных работ российских и зарубежных авторов в области рационального использования отходов лесопиления. Исследование выполнено с применением методологии функционально-технологического анализа, методов экспериментальных исследований с применением испытательной машины SHIMADZU AG50kNX, элементов анализа данных. В качестве инструмента исследования использован, в частности, пакет «Анализ данных» Microsoft Excel 2010. При анализе структуры материалов использованы микрофотографии, полученные на сканирующем электронном микроскопе SU-15104.

Положения, выносимые на защиту: 1. Результаты исследования закономерностей изменения прочности древес-но-цементного материала в зависимости от соотношения опилок и стружки как основы данного материала.

3 Андреев A.A., Колесников Г.Н. Древесно-цементный дисперсно-армированный строительный блок // Заявка №2014114457 от 11.04.2014.

Андреев A.A., Колесников Г.Н. Древесно-цементная смесь для изготовления теплоизоляционных и конструкционных строительных материалов // Заявка № 2014118281 от 06.05.2014.

4 Поддержку в получении микрофотографий оказали: В.П. Чугин, кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники (зав. кафедрой профессор Г.Б. Стефанович), Центр коллективного пользования научным оборудованием ПетрГУ (директор центра A.C. Штыков).

2. Исследованные закономерности влияния гранулометрического состава отходов лесопиления для двух основных типов оборудования на прочность и жесткость древесно-цементного материала с добавками микрокремнезема и полимерно-минеральной композиции «Nicoflok».

3. Разработанная модификация древесно-цементного материала, отличающаяся тем, что содержит добавку отходов камнеобработки в виде порошка талькохлорита (стеатита) и имеет повышенную прочность и жёсткость.

4. Результаты исследования закономерностей изменения прочности и жесткости древесно-цементного композита при одноосном сжатии как ортотроп-ного материала при скоростях деформирования образцов 5... 180 мм/мин.

5. Результаты апробации предлагаемой технологии в производственном эксперименте и рекомендации по использованию полученных данных.

Достоверность результатов исследования подтверждена их непротиворечивостью и согласованностью с известными по литературе экспериментальными и теоретическими данными, физической адекватностью результатов, а также их апробацией, в том числе в рамках производственного эксперимента.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования были представлены на следующих конференциях: Научно техническая конференция I «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции», Петрозаводск, 17 апреля 2013 г.; Региональная научно техническая конференция «Ресур-i сосберегающие технологии, материалы и конструкции», Петрозаводск, 3> 18 апреля 2014 г.; Семинар с международным участием «Продвижение энер-. гоэффективных технологий для повышения конкурентоспособности малого * и среднего бизнеса, работающего на приграничных территориях», г. Оулу, Финляндия, 13-14 мая 2014 г.; Региональная конференция «Деревянное -> малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии», Петрозаводск, Институт экономики КарНЦ РАН, 23-27 июня 2014 г.; Международная заочная научно-практическая конференция «Акту" альные направления научных исследований XXI века: теория и практика», Воронеж, Воронежская государственная лесотехническая академия, 2014 г.; » Multidisciplinary Scientific Conferences SGEM 2014 (Section 15, Architecturc and Design). Albena, Bulgaria (2-9 September, 2014)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них четыре статьи в журналах, указанных в списке ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы (143 наименования), имеет общий объем 138 страницы, содержит 36 рисунков, 8 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи, определены объект, предмет и методы исследования,

перечислены основные результаты, научная новизна, практическая значимость работы, представлена структура диссертации.

Первая глава «Некоторые особенности лесопильного оборудования и отходов лесопиления» содержит обзор публикаций по теме диссертации. По результатам анализа публикаций, в том числе представленных в виде Интернет-ресурсов, конкретизированы подходы к решению задач, сформулированных во введении. Отмечено, что подходы к решению многоплановой проблемы рационального использования отходов лесопиления развивались в течение десятков лет. Авторами работ, относящихся к данной области прикладных исследований, являются: Ф.В. Пошарников, М.В. Филичкина;

A.A. Шевляков, В.И. Панферов, С.А. Шевляков, А.П. Маркин; Э.И. Коротаев, М.И. Клименко; Aigbomian, Е. P., Fan, M.; F.C. Jorge, С. Pereira, J.M.F. Ferreira (древесно-цементные материалы на основе вторичных ресурсов), В.Г. Санаев,

B.И. Запруднов (макроскопические свойства древесно-цементных композитов), JI.B. Алексеева, В.В. Амалицкий (исследование оборудования и состава отходов лесопиления), С.Б. Васильев (рациональное использование древесины), И.Т. Глебов (резание древесины), И.Х. Наназашвили, Е.Ю. Горностаева, Н.П. Лукутцова, Е.Г. Карпиков, C.B. Поляков, O.P. Петров; В.В. Бозылев, А.Н. Ягубкин; В.А. Борванов; Е.В. Баранов, О.М. Незнамова, Е.М. Чернышов, А.П. Пустовгар (древесно-цементные композиции, в том числе с модификаторами), И.В. Григорьев (моделирование резания древесины), В.А. Цепаев,

A.И. Один (прочность древесно-цементных материалов с учетом анизотропии),

B. Падерин; Шевчук Д.Н. (экономика отходов лесопиления), Суровцева Л.С. (технология древесных композитов), А. Чубинский (подбор круглопиль-ных станков), И.Р. Шегельман (функционально-технологический анализ), A.C. Щербаков, И.А. Гамова, Л.В. Мельникова, В.М. Бутерин, B.C. Подчуфаров (технология древесных композитов). Известны работы других авторов. Однако проблема эффективного использования отходов как основы древесно-це-ментных материалов сохраняет свою актуальность по причинам сложности объекта исследования и недостаточной его изученности.

Закономерно, что лесопильное оборудование разрабатывается в целях повышения конкурентоспособности выпускаемых пиломатериалов. Характеристики отходов лесопиления как сырья для древесно-цементных смесей не интересуют разработчиков данного оборудования. Однако именно эти характеристики важны для обоснования рекомендаций по рациональному использованию отходов лесопиления. Особенности конструкций пильных дисков двух станков показаны на рис. 2 и 3. Влияние этих особенностей на характеристики опилок отражает рис. 4. Более подробные данные приведены в диссертации.

Рис. 2. Пильный диск, лесопильный цех 1

Рис. 3. Пильный диск, лесопильный цех 2

Рис. 4. Опилки, лесопильный цех 1, размеры частиц не превышают 2 мм. (слева) и цех 2, размеры частиц - толщина до 1,5 мм., длина до 50 мм. (справа)

Вторая глава «О рациональном соотношении опилок и стружки в древесно-цементной смеси» логически связана с материалом первой главы, частично представленным на рис. 4. Приведена методика подготовки древесно-цементной смеси и испытания образцов на сжатие. Исследован вопрос о рациональном соотношении (по массе) опилок и стружки в древесно-цементном материале. В качестве объекта исследования приняты образцы в форме куба с ребром 10 см, изготовленные из древесно-цементной смеси

и различающиеся только соотношением количества опилок и стружки. Предмет исследования - влияние количественного соотношения стружки и опилок на прочность образцов при сжатии. Были изготовлены образцы с соотношениями стружки и опилок (по массе): 1:0; 0,8:0,2; 0,5:0,5; 0,2:0,8; 0:1. В возрасте 28 суток образцы испытаны на сжатие (рис. 5).

Рис. 5. Образец в испытательной машине

Доля опилок в смеси Рис. 6. Прочность древесно-цементного материала

Результаты испытаний показаны на рис. 6, линия тренда >>=-47,97л;4 +89,95х3-51,35х2 +10,01х+0,22 (тонкая линия).

Акцентируя внимание на физических аспектах задачи, обозначим С, и С2=1-С], соответственно, массовую долю наполнителя вида 1 (стружка) и вида 2 (опилки). Пусть и Я2 - прочность композита с наполнителем только вида 1 и, соответственно, только вида 2. Тогда по правилу аддитивности5 прочность композита будет равна (пунктир на рис. 6) ^0 = Л1С,+Л2С2. В этой формуле игнорируется механическое взаимовлияние частиц вида 1 и 2. Для оценки взаимовлияния предложено эвристическое соотношение:

5 Наумова Ю.А. Синергизм и синергические эффекты в технологии переработки полимеров И Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2013. № 3. С. 76-86.

Я=7?, С\ ехр(а2 С2)+-К 2 <-2 ехр(а] С]), где :а\=ак{',а2= ак2; а=(Л2 - Л |) /(/?2 + Л,); 0<7г,</г2. =0.22 МРа; Л2=0.84МРа; Л, =-1.58; £2 =11.07. Зависимость Я(С2) показана на рис. 6 утолщенной линией.

Экспериментально изучено влияние известной добавки «№соПок» на прочность древесно-цементного материала в зависимости от соотношения массы опилок и стружки в данном композите. В древесно-цементной композиции использовались: отходы древесины хвойных пород; портландцемент марки «400». Добавки: сульфат алюминия технический, очищенный, ГОСТ 12966-85; жидкое стекло по ГОСТ 13078-81, плотность 1,45 г/см3, силикатный модуль 2,6. Были определены средние значения прочности для пяти серий образцов (маркеры на рис. 7).

Максимум прочности без добавки и с добавкой равен, соответственно, 1,7 и 2,3 МПа. Влияние добавки уменьшается с увеличением доли опилок (рис. 7).

2.5 2.0

1,0

I

Л 0,5 0

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Percentage of sawdust *Nikoflok:Percentage"Nikoflok" by mass of cement

Рис. 7. Влияние добавки «Nicoflok» на прочность древесно-цементного материала в зависимости от доли опилок в смеси «опилки-стружка»

Известно, что добавка хлорида кальция по сравнению с сульфатом алюминия повышает прочность древесно-цементного материала, что обусловлено особенностями микроструктуры частиц древесины, а также свойствами ионов кальция и алюминия6. Диссертантом получены новые данные о структуре древесно-цементного материала, отличающиеся тем, что содержат сравнительные данные о связях между частицами материала с добавками двух видов (рис. 8).

Установлено: замена сульфата алюминия хлоридом кальция приводит к уменьшению длины и увеличению толщины нитевидных связей (рис. 8). При этом более однородная структура предопределяет более высокую

6 Субботина Н.В., Саркисов Ю.С., Горленко Н.П.. Чернов Е.Б. Влияние состава и структуры жидкости затворения на свойства древесно-цементных композиций // Вестник науки Сибири. 2012. № 5 (6). С. 261-268. Пошарников Ф.В., Филичкина М.В. Анализ структуры смеси для опилкобетона на основании многофакторного планирования эксперимента // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2010. № 1.С. 111-114.

прочность древесно-цементного материала, подтвержденную на макроуровне результатами механических испытаний стандартных образцов (рис. 5). Эти данные подтверждают преимущества и целесообразность использования хлорида кальция в древесно-цементных материалах.

Рис. 8. Частицы и связи частиц древесно-цементного материала с добавкой сульфата алюминия (слева) и хлорида кальция (справа)

В третьей главе «Влияние технологических факторов древесно-цементного материала на его функциональные характеристики» для оценки влияния компонентов древесно-цементного материала на его прочность, плотность и жесткость использована линейная регрессионная модель вида Y— а0 + а1Х1 + —I- апХп. Для вычисления коэффициентов а0,---,ап использован стандартный инструмент «Регрессия» пакета «Анализ данных» Microsoft Excel 2010. Качество модели определялось коэффициентом детерминации R, показывающим, какая доля вариации изучаемого параметра Y учтена в модели и обусловлена влиянием факторов Хг,- Х2 • ■•• Хп. Чем ближе R к 1, тем выше качество модели7. Применение линейной модели объясняется тем, что исследовались небольшие вариации факторов. При этом внимание фокусировалось на менее изученном в литературе вопросе о раздельном влиянии каждого из факторов на прочность (и другие параметры). Для оценки такого влияния использованы коэффициенты эластичности9, которые учитывают то обстоятельство, что из-за различия единиц измерения и вариабельности факторов коэффициенты регрессии невозможно использовать для непосредственной оценки влияния факторов на зависимую переменную. Коэффициент эластичности фактора i равен9 Et = a^JY, показывает, на сколько процентов изменится Y при изменении Xt на один процент. Например, в одной из смесей для древесно-цементного материала на основе опилок из цеха 1 (рис. 4) Хг - соотношение «талькохлорит:цемент», Х2 - соотношение

7 Орлова И.В.. Половников В.А. Экономико-математические методы и модели: компьютерное моделирова-

ние - Учебное пособие // М.: Издательство: «Вузовский учебник», 2007. 365 с.

«микрокремнезем МК85:цемент», Y - прочность. По рассмотренной выше методике получим регрессионную модель и коэффициенты EltE2: У = 7,131 - 6,185 Х1 - 23,072 Х2, R2 = 0,975; Еу = -0,279; Е2 = -0,065. Вывод: модель достаточно адекватна; влияние микрокремнезема на прочность незначительно по сравнению с влиянием талькохлорита.

Для оценки степени взаимосвязи величин использованы также коэффициенты корреляции. Корреляционные матрицы определялись по стандартной методике7 пакета «Анализ данных» Microsoft Excel 2010. Границы сильной, средней и слабой степени взаимосвязи определены значениями коэффициентов корреляции ±0,3 и ±0,7. В диссертации приведены составы древесно-цементных смесей испытанных образцов, построены корреляционные матрицы влияния компонентов смеси на функциональные и технологические характеристики вариантов древесно-цементного материала.

Образцы (рис. 9) набирали прочность при температуре 15-20°С в условиях естественной влажности. Изменение массы образцов регистрировалось каждые три дня в течение 28 суток. Зафиксирована закономерность изменения массы образцов, заключающаяся в том, что на графике (рис. 9) эта закономерность может быть аппроксимирована кусочно-линейной функцией с точкой перелома, соответствующей возрасту образца примерно девять суток. Знание этой закономерности важно с практической точки зрения. А именно, можно прогнозировать, что физико-механические свойства древесно-цементного материала при указанных условиях примерно на 70 % формируются в течение первых девяти суток, что необходимо учитывать в технологии временного хранения после распалубки. Эта закономерность не противоречит известным данным для обычного бетона8.

Испытание на сжатие (рис. 5) выполнялось до разрушения, если деформация не превышала 10% (10 мм). Полученные данные (рис.10) показывают, что при сжатии в направлении, параллельном к слоям укладки смеси при значениях скорости деформирования жесткость материала больше, чем при сжатии по нормали к слоям укладки смеси.

Таким образом, в зависимости от направления действия сжимающей силы относительно слоев укладки смеси (рис. 10.1), могут быть получены два варианта блоков для стен малоэтажных зданий: 1) более жесткие, но менее прочные; 2) более прочные, но менее жесткие блоки.

8 Баженов Ю. М. Технология бетона // М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.

1300 1200 — 1100 5 1000 900

Рис. 9. Образцы и график

Возраст образцов (сутки)

изменения массы с течением времени

1 у—.,180 мм/с / /

г "Х^ЗОмм/с

S3 5мм/с / я

1 '>мм/с

/

/

л;

Деформация (мм) 10.1

ЗОмм/с /

1

Деформация (мм) 10.2

Деформация (мм)

10.3

Рис. 10. Диаграммы сжатия образцов 10x10x10 см из древесно-цементного композита (10.1) и газобетона D500 (10.2 и 10.3)

По функциональному назначению аналогом рассматриваемого древесно-цементного материала является газобетон. Для газобетона марок D600 и D500 прочность при сжатии равна, соответственно, 3,2 МПа и 2,5 МПа (по ГОСТ 31360-2007). Диаграммы сжатия образцов из газобетона аналогичны диаграммам сжатия образцов из предлагаемого материала с добавкой талькохлорита (рис. 10). Эти диаграммы позволяют получить сравнительные оценки (коэффициенты) жесткости материала (аналог коэффициента жесткости пружины). Для газобетона D500 (рис. 10.3 и 10.3) коэффициент жесткости равен Cd5oo=20000/0,767=26075 Н/мм (только для образца в форме куба с ребром 100 мм).

Аналогично, для предлагаемого древесно-цементного материала при скорости деформирование 30 мм/с Cwc=20000/0,827=24183 Н/мм, что составляет 93% от CD5oo- Для рассматриваемого древесно-цементного материала данная характеристика при сжатии в направлении, параллельном слоям укладки в формы, почти не зависти от скорости деформирования в интервале 5 ... 180 мм/мин (рис. 10.1). Данная характеристика при сжатии

в направлении, перпендикулярном слоям укладки в формы и интервале деформации 8. ..10 мм (рис. 10.1), существенно меньше: 7500/2=3750 Н/мм. Эта вспомогательная характеристика жесткости не заменяет собой модуль упругости, определяемый по более сложной методике СП 52-101-2003.

Практическое значение коэффициентов жесткости образцов древесно-цементного материала заключается в возможности их использования для сравнения и обоснования технологии изготовления древесно-цементного материала рассматриваемого класса, в частности, за счет дозирования компонентов.

Сравнение диаграмм на рис. 10.1 и 10.2 показывает, что газобетон при одноосном сжатии проявляет при разрушении свойства, характерные для хрупких материалов. На практике разрушение происходит внезапно, без видимых деформаций, что характерно для жестких материалов.

Принимая во внимание, что при сжатии в направлении, параллельном к слоям укладки смеси, среднее значение прочности предлагаемого материала находится в интервале от 3,2 до 3.8 МПа (рис. 10.1), что достаточно для малоэтажных строений, можно рекомендовать древесно-цементные блоки к использованию в конструкциях стен данных строений. Тем самым будет обеспечена достаточная прочность (3,2 МПа) и жесткость конструкции.

Установленный рост прочности с увеличением скорости деформирования в исследованном интервале (рис. 10, 11) с технической точки зрения обеспечивает конкурентоспособность данного древесно-цементного материала при строительстве в сейсмических районах или при динамических техногенных воздействиях.

Результаты испытаний на прочность четырех серий образцов при сжатии по направлению, параллельном слоям укладки смеси, приведены на рис. 11. Смесь 1: опилки хвойных пород влажностью 32-38%, портландцемент (М50000), порошок талькохлорита, жидкое стекло, хлорид кальция, волокно полипропиленовое (отрезки длиной 18 мм). Смесь 3 отличается от смеси 1 только добавкой микрокремнезема (5 % от массы цемента). Смесь 2 отличается от смеси 1 только добавкой талькохлорита (15 % от массы цемента). Смесь 4 отличается от смеси 2 только добавкой микрокремнезема (5 % от массы цемента).

Из числа исследованных образцов древесно-цементного материала только для образцов с добавкой талькохлорита (15%) и микрокремнезема (5%) установлено повышение прочности с увеличением скорости деформирования в диапазоне 5...30 мм/с.

Теплопроводность определена зондовым методом, пропорциональна плотности материала и составляет 0,13...0,19 Вт/(м-°С).

Рис. 12. Технологическое оборудование и древесно-цементные блоки

40000

39000

38000

32000

О 30 60 90 120 150

Скорость деформирования (мм/мин)

Рис. 11. Разрушающая сила для образцов древесно-цементного материала с добавками талькохорита (ТХ) и микрокремнезема (МК) в звисимости от скорости деформирования

Влияние пильных дисков и, соответственно, характеристик опилок (рис. 2, 3, 4) подтверждено также тем, что экспериментально установлено: добавка извести (11% от массы цемента) в смесь с талькохлоритом с опилками из цеха 1 повышает прочность древесно-цементного материала и снижает прочность при использовании опилок цеха 2. Добавка микрокремнезема МК85 (3% от массы цемента) в те же смеси изменяет картину на зеркально противоположную: прочность материала на основе опилок из цеха 2 повышается, а на основе опилок из цеха 1 снижается.

Четвертая глава «Технико-экономическая эффективность использования опилок как основы древесно-цементных блоков» содержит описание соответствующего технологического оборудования9 (рис. 12), таблицы балансовой стоимости оборудования, амортизационных отчислений, расчет сроков окупаемости и другие данные.

— 37000 х

га 36000 х

" 35000 34000 33000

—о— Смесь 1 —х— Смесь 2 --•— Смесь 3 —Смесь 4

у Производственный эксперимент выполнен на ООО «Интеркам», г. Петрозаводск (апрель, 2014 г.)

Установлено, что по своим функциональным характеристикам предлагаемый древесно-цементный материал не уступает газобетону. Однако по результатам технико-экономического анализа определено, что перспективы дальнейших разработок по теме работы должны быть ориентированы на уменьшение стоимости древесно-цементного материала, например, за счет применения пластификаторов и совершенствования режимов уплотнения смеси. При этом необходим контроль качества выпускаемой продукции по результатам производственных испытаний.

Заключение. В качестве заключения в диссертации сформулированы итоги исследования, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы исследования.

Итоги:

1. Исследовано влияние гранулометрического состава отходов двух типов лесопильных производств на физико-механические свойства древесно-цементного материала, изготовленного на основе этих отходов. Исследовано влияние добавки стружки к опилкам и соотношения опилок и стружки (по массе) на прочность древесно-цементного материала; установлено, что при соотношении 0,2:0,8 увеличивается прочность при сжатии (до двух раз в исследованном случае, рис. 6).

2. Исследовано влияние полимерно-минеральной добавки «МсоЯок», которая ранее в древесно-цементных материалах не использовалась. Установлено, что если количество добавки равно 5% от массы цемента, то с увеличением доли опилок от 0 до 100% (с уменьшением доли стружки от 100% до 0) прочность древесно-цементного материала возрастает. Максимум прочности без добавки и с добавкой равен, соответственно, 1,7 и 2,3 МПа (возрастает на 35%, если массовая доля опилок равна 80%, рис. 6). Влияние данной добавки уменьшается с увеличением доли опилок, причем эта доля, как отмечено в п.1, зависит особенностей конструкции пильного диска.

Если количество добавки равно 10% от массы цемента, то с увеличением доли опилок от 0 до 70% прочность возрастает. С увеличением доли опилок от 70 до 100%, прочность уменьшается. При этом изменение прочности непропорционально количеству добавки. Передозировка добавки может уменьшить прочность материала. Нецелесообразно увеличивать долю данной добавки сверх 5 % от массы цемента.

3. Предложен новый вариант древесно-цементного материала, отличающийся тем, что содержит добавку отходов камнеобработки в виде порошка талькохлорита (стеатита). С применением регрессионных соотношений и коэффициентов корреляции получены новые данные о закономерностях изменения прочности и жесткости древесно-цементного композита при одноосном сжатии как ортотропного материала при скоростях деформиро-

вания образцов 5... 180 мм/мин и с учетом особенностей гранулометрического состава, обусловленного конструкцией пильного диска.

4. Установлены закономерности влияния скорости деформирования в интервале 5... 180 мм/мин на прочность образцов двух типов с добавками микрокремнезема и талькохлорита. С использованием этих закономерностей сформулированы рекомендации по применению исследованного древесно-цементного материала при динамических воздействиях (рис. 11).

5. С использованием микрофотографий (рис. 8) получены новые данные структуре древесно-цементного материала с добавками хлорида кальция и сульфата алюминия. Новые данные отличаются от известных данных тем, что: материал с добавкой хлорида кальция более однороден, состоит из менее крупных частиц, а сами частицы соединены нитевидными связями меньшей длины и большей толщины. Эти полученные на микроуровне данные согласуются с результатами механических испытаний на макроуровне.

6. Выполнен патентный поиск, выявлена существенная новизна разработанного технологического решения по рациональному использованию отходов лесопиления, зарегистрированы в Роспатенте две заявки на изобретения № 2014114457от 11.04.2014 и № 2014118281 от 06.05.2014.

7. Материалы работы использованы в рамках НИРС при подготовке студентами докладов на конференции ПетрГУ в 2011-2014 г.г.

Рекомендации:

8. Установлено, что добавка талькохлорита эффективна, если древесно-цементная смесь не содержит частиц стружки (что зависит от особенностей конструкции пильного диска). При этом наибольший эффект достигается при использовании опилок с содержанием частиц, длина которых превышает толщину в 5 и более раз (рис. 4). Рекомендуемая доля талькохлорита равна 15... 16% от массы цемента; при этом прочность древесно-цементного материала повышается с 2,261 до 5,549 МПа (образцы № 509...514, серия 11.3 и №342...347, серия 4.3).

9. Установлено, что по функциональным характеристикам предлагаемый древесно-цементный материал с добавкой талькохлорита аналогичен газобетону. При этом предлагаемый материал отличается меньшей хрупкостью (рис. 10). Рекомендуется использование разработанного материала в несущих конструкциях стен в малоэтажном строительстве.

10. С использованием новых результатов диссертационного исследования разработаны технические условия № 5768-004-01256084-14, которые переданы и рекомендованы для дальнейшего использования на предприятие по производству древесно-цементных материалов ООО «Интеркам» (г. Петрозаводск).

Перспективы дальнейшей разработки темы исследования:

11. Перспективы дальнейших разработок по теме работы должны быть ориентированы на уменьшение стоимости древесно-цементного материала за счет применения пластификаторов, совершенствования режимов уплотнения смеси применения новых добавок и заполнителей.

12. Необходимо так же уточнение влияния содержащихся в древесине полисахаридов на прочность получаемого композита с новыми микро-и наномодификаторами в зависимости от породы и возраста древесины, условий хранения.

Список работ автора по теме диссертации

Статьи в журналах, указанных в перечне ВАК:

1. Андреев А. А. 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. Андреев А. А. О рациональном соотношении количества опилок и стружки в древесно-цементном композите / А. А. Андреев, Г. Н. Колесников // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2014. -№4(141).-С. 85-87.

3. Андреев А. А. Совершенствование технологии использования отходов лесопильных предприятий в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства / А. А. Андреев, Г. Н. Колесников // Фундаментальные исследования. - 2014. -№6-6.-С. 1139-1143.

4. Андреев A.A. Древесно-цементный материал: влияние добавки отходов переработки стеатита на прочность и жёсткость / A.A. Андреев, Г.Н. Колесников, А.А.Чалкин // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. - 2014. - № 6 (143). - С. 75-78.

Другие публикации:

5. Андреев А. А. Применение измельчённой древесины для изготовления стеновых строительных материалов / А. А. Андреев // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции: материалы научно-технической конференции (17 апреля 2013 г.). - Петрозаводский государственный университет. - Петрозаводск - 2013. - С. 6-8.

6. Андреев А. А. Древесно-цементный композит как ортотропный материал: прочность в экспериментах на одноосное сжатие / А. А. Андреев, Г. Н. Колесников // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции: материалы научно-технической конференции (18 апреля 2014 г.). — Петрозаводский государственный университет. - Петрозаводск - 2014. - С. 6-10.

7. Колесников Г. Н. Влияние водоцементного отношения на прочность и жесткость древесно-цементного композита как ортотропного материала в экспериментах на одноосное сжатие / Г. Н. Колесников, А. А. Андреев // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции: материалы научно-технической конференции (18 апреля 2014 г.). - Петрозаводский государственный университет. - Петрозаводск- 2014. - С. 67-71.

8. Андреев А. А. Древесно-цементный материал для малоэтажного строительства: применение добавки отходов переработки стеатита для повышения прочности при одноосном сжатии / А. А. Андреев, Г. Н. Колесников, А. А. Чалкин // Ресурсосберегающие технологии, материалы

и конструкции: материалы научно-технической конференции (18 апреля 2014 г.). - Петрозаводский государственный университет. - Петрозаводск - 2014. - С. 11-16.

9. Андреев А. А. Фрактальная размерность изображения древесного Композита и характеристики процесса разрушения / В.Б. Ефлов, A.A. Андреев, Г.Н. Колесников // «Современные проблемы анализа динамических систем. Приложения в технике и технологиях». Материалы Международной открытой конференции, 18 июня - 19 июня 2014 г. Воронеж: Воронежская государственная лесотехническая академия. - 2014. - С. 51-54.

10. Андреев А. А. Уточнения к статье «влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства» / А. А. Андреев, С. Б. Васильев, Г. Н. Колесников, В. С. Сюнёв // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 3-4 (8-4). - С. 267-268.

11. Суханов М.А. Сравнительная прочность при сдвиге клеевых и цементно-песчаных швов, соединяющих блоки из древесно-цементного материала [Электронный ресурс] / М. А. Суханов, А. А. Андреев, Г. Н. Колесников // Современные научные исследования и инновации. - 2014. -№ 7 - Режим доступа: http://web.snauka.ru/issues/2014/07/36938

12. Андреев А. А. Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства / А. А. Андреев, С. Б. Васильев, Г. Н. Колесников, В. С. Сюнёв // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции: Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - № 2-2 (7-2). - С. 292-296.

13. Андреев А. А. Влияние гранулометрического состава измельченной древесины для древесно-цементного материала на его прочность / А. А. Андреев // Технические науки - от теории к практике. -2014. - № 32. - С. 71-76.

14. Андреев А. А. Древесно-цементный материал: эффект добавки доломитовой муки на прочность и жёсткость / А. А. Андреев // Технические науки - от теории к практике. - 2014. - № 4. -С. 135-140.

15. Андреев А. А. Прочность и жесткость древесно-цементного материала: влияние добавки отходов переработки талькохлорита / А. А. Андреев А. А. Чалкин // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции в Воронежской государственная лесотехнической академии. - Воронеж. - 2014. - № 3, часть 2 (8-2) - С. 14-17.

16. Андреев А. А. Ресурсосбережение и использование отходов заготовки и переработки древесного сырья / А. А. Андреев // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. - 2014.-№ 10. - С. 148-155.

17. Wood-cement material for low-rise building: use of the additive waste soapstone processing for increased strength at uniaxial compression / Aleksandr Andreev, Gennady Kolesnikov, Andrey Chalkin, Maria Zaitseva II Multidisciplinary Scientific Conferences SGEM 2014 (Section 15, Architecture and Design). Albena, Bulgaria (2-9 September, 2014). - Режим доступа: http://sgemsocial.org/sgem_lightbox/ programme/_Publ ish_Programme_PUBLISH.pdf

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим высылать по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

Ученому секретарю диссертационного совета Д212.190.03 Воронову Р.В.

Подписано в печать 17.09.2014. Формат 60x84 71б. Бумага офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 110 экз. Изд. № 263

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33