Пенобетон на экструдированных древесных волокнах

Малоэтажное индивидуальное жилье по сравнению с многоэтажным обладает рядом преимуществ: возможностью использования экономичных технологий строительства, доступной инженерной инфраструктурой и экологичными условиями проживания [1]. Одним из важнейших аспектов такого строительства является создание комфортного микроклимата. Теплоизоляция играет ключевую роль в поддержании оптимальной температуры [2], влажности и вентиляции внутри помещений. В последнее время возникает необходимость в новых теплоизоляционных материалах, которые могли бы обеспечить комфортные тепло-влажностные условия. Однако традиционные теплоизоляционные материалы не всегда способны обеспечить необходимые характеристики [3, 4]. Поэтому необходимы новые технологические решения. Нами было предложено создание композиционного материала с применением древесины и пенобетона. Древесина известна своими превосходными характеристиками [5], необходимыми для поддержания благоприятного микроклимата внутри жилого дома. Благодаря высокой паропроницаемости создается оптимальная влажность в помещении и предотвращается накопление влаги в конструкциях, что особенно важно для деревянных строений, подверженных гниению, но одной древесины не может быть достаточно для создания высокоэффективной конструкции, поэтому следует ее рассмотреть в композиции с другим материалом. Пенобетон на основе быстротвердеющего магнезиального вяжущего представляет собой эффективный строительный материал [6], что позволяет строить здания различного назначения в сжатые сроки [7].

Данная работа посвящена исследованию проблемы дефицита экологически чистого современного теплоизоляционного материала, обладающего характеристиками, аналогичными древесине, для создания однородной системы в деревянном каркасном домостроении и являющимися безопасными для здоровья жильцов, не выделяющих токсичных веществ и не вызывающих аллергических реакций.

Цель исследований – изучение возможности использования экструдированного древесного волокна с применением его как заполнителя для магнезиального пенобетона в качестве утепления стен для быстровозводимых каркасных домов. Ключевые задачи исследования: анализ физических характеристик экструдированного волокна и его свойств в совместной работе с магнезиальным пенобетоном, определение эффективного способа создания пор в материале без дорогостоящей и энергоемкой технологии.

Материалы и методы исследования

Для получения теплоизоляционного пенобетона с применением экструдированного древесного волокна были использованы: магнезиальное вяжущее - композиционная магнезиальная сухая строительная смесь МАГцемент (ООО «Стромэкс») ТУ 5745-001-91580724-2016 (табл. 1), и экструдированное древесное волокно из опилок хвойных пород древесины (г. Томск), синтетический пенообразователь Rospena (ООО «СтройКомп»). Для сравнительной оценки пористости образцов был получен газобетон с аналогичными сырьевыми материалами и с применением алюминиевой пудры ПАП-2 (ООО «Порошковая металлургия»).

Таблица 1

Химический состав композиционной магнезиальной сухой строительной смеси МАГцемент

№	Наименование показателя	Нормативные требования, %
1	Внешний вид	двухкомпонентный набор сухих материалов: -    компонент № 1 (60 масс. %): тонкодисперсионный порошок, цвет от молочно-белого до буро-коричневого; -    компонент № 2 (40 масс. %): чешуйки или гранулы, цвет от белого до светло-серого с оттенками от желтоватого до светло-коричневого
2	Массовая доля MgO	не менее 49,8
3	Массовая доля MgCl 2 x6H 2 O	не менее 39,6
4	Массовая доля CaO	не более 2,44
5	Массовая доля Fe 2 O 3 +SiO 2 +Al 2 O 3	не более 4,8
6	Массовая доля Na+K	не более 0,32
7	Массовая доля сульфатов	не более 0,04
8	П.П.П. (для компонента № 1)	не более 4
9	Зерновой состав: проход через сетку № 0,09 (для компонента № 1)	не менее 80

В химической структуре волокна, пропущенного через экструдер (рис. 1), происходит измельчение древесного сырья, что уменьшает его плотность, а также частично решается проблема взаимодействия цемента и сахаридов в древесине, которые являются ингибиторами реакции кристаллизации цемента, адсорбируясь на частицах цемента и образовывая на них пленку, что делает цементный камень менее плотным [8]. В древесных опилках в процессе экструзии под воздействием давления 50 атмосфер и температуры 160 ° С происходит частичное разрушение сахаридов (табл. 2). Приведенный способ получения волокна не применяется в производстве строительных материалов и многократно превосходит традиционные способы получения целлюлозного волокна, по количеству энерго- и трудозатрат в экономически выгодную сторону [9, 10].

Рисунок 1 – Процесс экструдирования

Таблица 2

Продукты разрушения сахаридов

Наименование сахаридов	Температура разрушения, °С	Продукт получения
Глюкоза	160 - 200	уксусная кислота, формальдегид, гидроксиметилфурфурол, углекислый газ, вода
Манноза	160 - 200	уксусная кислота, формальдегид, фурфурол, угарный газ, вода
Ксилоза	140 - 180	фурфурол, уксусная кислота, углекислый газ, угарный газ, вода
Арабиноза	140 - 180	фурфурол, уксусная кислота, углекислый газ, угарный газ, вода
Уксусная кислота	200	при более высоких температурах - угарный газ, углекислый газ, вода
Фурфурол	170 - 250	метан, угарный газ, углекислый газ, ацетальдегид
Гемицеллюлоза	180 - 260	уксусная кислота, фурфурол, углекислый газ, угарный газ, вода, легкие углеводороды

Удельная поверхность древесного волокна, измеренная на приборе ПСХ-2, составила 3531 см²/г. Гранулометрический состав экструдированного древесного волокна был получен с использованием набора сит (табл. 3).

Таблица 3

Процентное соотношение частиц экструдированного волокна

Фракция, мм	Процентное соотношение, %
2 - 1	3
1 - 0,5	24
0,5 - 0,25	19
0,25 - 0,125	23

Характеристики пенообразователя и алюминиевой пудры указаны в таблицах 4 и 5.

Таблица 4

Химическое наименование	Массовая доля, %
Протеин	25
⅀ (Сульфат меди+ хлорид кальция+ хлорид натрия)	4
Этиленгликоль	5
Вода	66

Таблица 5

Марка	О О к S о Q Д й \ 3 к 2 о о д	Гранулометрический состав			Химический состав, %						PQ
		остаток на ситах, %, не более (номера сеток по ГОСТ 6613)			примеси, не более
		+008	+0056	+0045	железа	кремния	меди	марганца	вла ги	жировых добавок
ПАП-2	10000	-	0,3	0,5	0,5	0,4	0,05	0,01	0,2	3,8	80

Химический состав синтетический пенообразователя Rospena S-1

Состав алюминиевой пудры ПАП-2 ГОСТ 5494-95

Результаты исследования и их обсуждение

Проведены серии экспериментов с экструдированным волокном на основе разных вяжущих и способов образования пор. Были исследованы составы газо- и пенобетонов с определением основных физических и механических свойств (табл. 6).

Составы исследуемых материалов и их характеристики

Таблица 6

к!	Компоненты								Средняя плотность , кг/м³	Прочность на сжатие, МПа, в возрасте			PQ &
	О Й L S g « о и п ч	вода, л	1 ч"	h д <7 и < 3 н 2	К о св	MgO, кг	о ЧО X О ьо 2	к Д
										о		сю
1	133	778	3	-	-	-	-	139	286	0,0	0,0	0,1	0,17
2	167	558	-	-	-	237	167	-	633	1,2	1,3	1,3	0,55
3	83	496	-	14	50	165	165	-	520	0,7	0,8	0,8	0,32
4	107	533	4	-	-	133	92	-	430	0,6	0,7	0,7	0,207
5	107	578	6	-	-	30	30	-	258	0,0	0,1	0,2	0,144

Для сравнительной оценки с составами на магнезиальном цементе первый состав был разработан на основе портландцемента и синтетического пенообразователя, аналогичного теп- лоизоляционному пенобетону марки М15. Основным недостатком данного состава стал длительный срок набора прочности: при использовании портландцемента этот процесс занимает 28 сут.

Для ускорения твердения было принято решение о разработке составов пено- и газобетонов на основе магнезиального вяжущего. Были разработаны составы, различающиеся способом создания пористой структуры, расходом компонентов и физико-механическими характеристиками.

Состав № 2 был получен для сравнительной оценки без пено- и газообразующей добавки. Полученный материал показал высокую плотность. Набор прочности оказался менее быстрым, чем заявлено в паспортных характеристиках магнезиального цемента, однако все же значительно превосходил по этому показателю портландцементный аналог. При этом материал продолжительное время оставался влажным, что свидетельствовало о замедленном структурообразовании магнезиального вяжущего.

Анализ свойств состава газобетона (состав № 3) с использованием алюминиевой пудры и гидроксида натрия отличался неоднородной структурой и высокой сложностью производства. Таким образом, данный метод порообразования является нецелесообразным для цели исследования.

Следующим этапом стало создание пор с использованием синтетического пенообразователя (составы № 4 и 5), введенного при смешивании на скорости 800 об/мин [11]. Это позволило снизить среднюю плотность материала по сравнению с составом № 2 до 200 кг/м ³ . Для оптимизации себестоимости материала была снижена доля вяжущего компонента, а пенооб-разование осуществлялось с помощью пеногенератора, что обеспечило более качественное образование пор (рис. 2). При этом уменьшение количества вяжущего позволило добиться лучших показателей по плотности и себестоимости. Однако прочность состава № 5 и скорость набора прочности намного меньше по сравнению с составом № 4.

Рисунок 2 – Структура образца от пеногенератора состава № 4

Заключение

Применение магнезиального вяжущего совместно с древесным волокном явилось обоснованным благодаря скорости набора прочности, в 3 раза превосходящей результат на портландцементе. В связи с большим водопоглощением древесного волокна для создания удобо-укладываемого раствора необходимо увеличение количества воды в 7 раз по сравнению с аналогичным раствором без него, также схлопывание пузырьков [11, 12] приводило к потере 20 % объема.

На основании проведенного исследования следует, что в разработанном нами пенобетоне при введении в него древесного волокна наблюдалось снижение средней плотности материала [13 - 15].