О рациональном соотношении количества опилок и стружки в древесно-цементном композите

Как известно [5], Р. Б. Фуллер, независимо от основателя синергетики Г. Хакена [6], определил синергетические эффекты как поведение целого, которое нельзя предсказать на основе изучения отдельных его частей. В качестве примера Р. Б. Фуллер привел хромоникелевый сплав, который при растяжении демонстрирует прочность, превышающую прочность каждого из его компонентов. Эти данные позволяют сформулировать предположение о латентном существовании других проявлений синергетического эффекта, имеющих перспективу технического применения.

В данной работе на эмпирическом уровне рассматривается композитный материал с наполнителем в виде смеси древесных частиц, различающихся формой и размерами. Эти частицы объединены связующим, изготовленным на основе цемента с добавками жидкого стекла и сульфата алюминия. Из подобных материалов производят теплоизоляционные и конструкционные блоки для малоэтажного строительства [1]. Несмотря на большой объем многолетних исследований [3], [4], [7] некоторые проблемы в данной области остаются недостаточно изученными. К их числу относится проблема рационального использования отходов переработки древесного сырья и, как следствие, вопрос о количественном соотношении опилок и стружки в древесно-цементной смеси. Поиск ответа на эти вопросы является целью данной работы.

В качестве объекта исследования приняты образцы в форме куба с ребром 10 см, изготов- ленные 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. Гранулометрический состав опилок и стружки определен ситовым методом (см. таблицу).

Гранулометрический состав компонентов

Ячейка сита, мм	Опилки, %	Стружка, %
10	0,13	7,02
7	0,49	15,38
5	2,51	15,72
3	11,55	23,41
2	29,67	16,05
1	53,49	17,39
0,5	1,71	1,07
0,25	0,32	2,41
Поддон	0,13	1,54
Всего	100	100

Использовалась смесь при следующем соотношении компонентов в единицах массы: портландцемент (М400D20): 100; смесь опилок и стружки: 100; жидкое стекло (натриевое, по ГОСТ 13078-81): 15; сульфат алюминия (по ГОСТ 30515-97): 7. Наиболее однородная структура материала имеет место при соот-

ношении опилок и стружки (по массе) 0,8:0,2. Инструментальное подтверждение различий в прочности получено при испытаниях на сжатие [1], [2]. Образцы в возрасте 28 суток испытывались на испытательной машине SHIMADZU AG50kNX (рис. 1).

Рис. 1. Образец в испытательной машине

Экспериментальные данные показаны маркерами на рис. 2. Уравнение линии тренда y = -47,97 x ⁴ + 89,95 x ³- 51,35 x ² + 10,01 x + 0,22.

Обозначим C ₁ и C ₁ = 1 – C ₁ массовую долю наполнителя вида 1 (стружка) и вида 2 (опилки) соответственно. R ₁ и R ₂ – прочность композита с наполнителем только вида 1 и только вида 2 соответственно. Тогда по правилу аддитивности [3] прочность композита R ₀ = R ₁ C ₁ + R ₂ C ₂ (пунктир на рис. 2). В этой формуле игнорируется взаимовлияние армирующих элементов 1 и 2.

Рис. 2. Прочность композита без учета (пунктир) и с учетом синергии. Экспериментальные данные обозначены маркерами

Для оценки взаимовлияния армирующих элементов на прочность композита при сжатии R может быть использовано соотношение [1]:

R = R ₁ C ₁ exp ( a ₂ C ₂ ) + R ₂ C ₂ exp ( a ₁ C ₁ ),     (1)

где a ₁ = ak ₁ ; a ₂ = ak ₂ ; a = ( R ₂ – R ₁ ) / ( R ₂ + R ₁ ); 0 <  R ₁ ≤ R ₂ . Для композита с наполнителями 1 и 2 по таблице эмпирически определено:

R ₁ = 0,22 MPa; R ₂ = 0,84 MPa; k ₁ = –1,58; k ₂ = 11,07. Результаты вычислений R (1) и экспериментальные данные показаны на рис. 2 сплошной лини-

ей и маркерами соответственно.

Разрушение сопровождалось разрывом нитевидных связей между частицами композита (рис. 3). Микрофотография получена на сканирующем электронном микроскопе SU-1510.

Рис. 3. Разрыв нитевидных связей между частицами композита (×6500)**

Таким образом, установлено, что применение смеси стружки и опилок при определенном их соотношении (0,2:0,8 для исследованного композита) позволяет существенно увеличить прочность при сжатии, что может быть использовано для совершенствования технологии производства древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства с применением отходов деревообрабатывающих предприятий.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.

** Микрофотография получена на сканирующем электронном микроскопе SU-1510: В. П. Чугин, кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники (зав. кафедрой профессор Г. Б. Стефанович), Центр коллективного пользования научным оборудованием ПетрГУ (директор центра А. С. Штыков).

О рациональном соотношении количества опилок и стружки в древесно-цементном композите