Оформи тендер на блоки и получи лучшие цены на блоки от производителей!
Close

Арболит – эффективный строительный материал

Книга Наназашвили Исаака Хисковича, Стройиздат. Ленинград. 1984
книга про арболит Наназашвили
Журнал KBLOK делится с читателями полной версией электронного издания книги Исаака Наназашвили. Развернутый анализ свойств арболита, зависимости характеристик от тонкостей производства и возможностей материала в частном и промышленном строительстве — все здесь. Верстка максимально адаптирована для удобного чтения, а данные — для использования.

Читайте, делитесь с друзьями, вступайте в нашу группу Вконтакте.
Содержание

Введение

Арболит – легкий бетон крупнопористой структуры, получаемый подбором состава смеси из органического целлюлозного заполнителя (растительного происхождения), минерального вяжущего, воды и химических добавок. Особенность арболита по сравнению с такими аналогичными материалами, как фибролит, деревобетон, ксилолит и др., состоит в том, что для его получения пригодна более широкая номенклатура органических целлюлозных заполнителей различной природы (древесная дробленка, костра льна и конопли, сечка тростника, стеблей хлопчатника, рисовой соломы и др.), т.е. отходы производства, запасы которых в нашей стране практически неограниченны.

В сельскохозяйственном строительстве изделия из арболита широко применяются в виде стеновых панелей и блоков. Haкоплен определенный опыт применения арболита при строительстве промышленных сооружений, жилых и культурно-бытовых зданий. На основе арболита можно также получать плиты покрытия и перекрытия, плиты основания под линолеум и паркет, теплоизоляционные изделия, пространственные конструкции и др.

За рубежом использование отходов деревообработки для получения строительных материалов, подобных арболиту, на минеральном вяжущем и органическом целлюлозном заполнителе получило широкое распространение. Эти материалы, вырабатываемые по различным технологиям, имеют фирменные названия: «дюризол» в Швейцарии, «вундстроун» в США, «пилинобетон» в ЧССР, «чентери-боад» в Японии, «дурипанель» в ФРГ, «велокс» в Австрии. Изделия хорошо зарекомендовали себя и широко применяются при возведении одноэтажных и высотных зданий различного назначения. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что по строительным, экономическим и эксплуатационным свойствам арболит является эффективным строительным материалом. Поэтому арболиту в нашей стране уделяется большое внимание. В постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 23 июня 1976 г. «О неотложных мерах по созданию важнейших предприятий производственной базы строительства, осуществляемого в сельской местности Нечерноземной зоны РСФСР», и от 27 октября 1979 г. «О дальнейшем развитии заводского производства деревянных панельных домов и комплектов деревянных деталей для домов со стенами из местных материалов для сельского жилищного строительства» перед машиностроителями поставлена задача создать комплекты оборудования для производства конструкций и изделий из арболита и приступить к их серийному изготовлению, а также увеличить объемы производства и поставки жилых домов из арболита для сельского строительства.

Госстрой СССР совместно с Госпланом СССР в августе 1979 г. разработали «Мероприятия по организации крупномасштабного производства и массового внедрения в практику строительства в 1980-1985 гг. конструкций и изделий из арболита», которыми предусматривается довести к 1985 г. проектную мощность предприятий по производству конструкций и изделий из арболита до 1,38 млн. м3 в год. В соответствии с этим была разработана целевая комплексная научно-техническая программа ОЦ.0.31, утвержденная постановлением Госстроя СССР, Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 31 декабря 1980 г. Эта программа предусматривает дальнейшее развитие производственной базы по выпуску индустриальных конструкций и изделий из арболита и повышение его качества. На всесоюзной конференции по развитию производства и применения в строительстве эффективных конструкций и изделий из арболита (12-14 августа 1981 г.) была подтверждена актуальность расширения производства и применения эффективных ограждающих конструкций из арболита, получаемых на базе отходов лесопильно-деревообрабатывающих предприятий.

Производство и применение арболита позволяет снизить материалоемкость, энергоемкость, массу здания и удельные капитальные затраты на изготовление 1 м2 стенового материала по сравнению с бетоном на пористых заполнителях. Одновременно решается и другая важная народнохозяйственная задача – защита окружающей среды от загрязнения отходами промышленного и сельскохозяйственного производства.

При современных темпах развития капитального строительства наблюдается интенсивный рост потребления местных материалов и продуктов их переработки. В то же время рост перерабатывающей промышленности опережает рост объема лесозаготовок, что истощает запасы леса в традиционных районах лесозаготовок, а освоение лесов в северных и восточных районах страны требует больших дополнительных капитальных вложений на строительство дорог. Поэтому неотложной становится задача комплексного использования сырья, максимальной утилизации отходов древесины. В стране ежегодно образуется более 110 млн. м3 отходов от лесопильного и деревообрабатывающего производства и 36 млн. м3 от лесозаготовок, а используют их далеко не полностью. Только в основных строительных министерствах объем неиспользуемых древесных отходов ежегодно составляет около 16 млн. м3. Значительны сырьевые ресурсы и в сельском хозяйстве, где объем неиспользуемых отходов составляет ежегодно: костры льна и конопли около 0,9 млн. т, стеблей хлопчатника 2-2,5 млн. т и рисовой соломы 1 млн. т.

Неполное использование отходов лесоматериалов – большая экономическая потеря для народного хозяйства. Известно, что коэффициент выхода продукции при переработке древесины крайне низок. Так, для получения 1 м3 погонажных изделий расходуется 2,8–3,3 м3, для выработки 1 м3 фанеры – 4 м3, на изготовление мебельных изделий, соответствующих в пересчете 1 м3 древесины, более 5 м3, а на изготовление несущих клееных деревянных конструкций (КДК), содержащих 1 м3 древесины, расходуется 2,6–2,8 м3 бревен 2-го и 3-го сорта. Необходимо изыскивать пути рационального и эффективного использования древесных отходов, в том числе и для создания строительных материалов, тем более что из 1 мЗ отходов древесины (в плотных м3) можно получить более 2 м3 строительных материалов, например фибролита, арболита, древесно­стружечных плит и др.

Один из наиболее эффективных и рентабельных способов использования древесных отходов – выпуск арболита, так как технология его относительно несложна, а производство не требует больших капитальных вложений. Эффективность применения арболита и практически неограниченные сырьевые возможности дают право рассматривать развитие производства арболита не как временную меру для ликвидации дефицита в стеновых материалах, а как одно из важных направлений в освоении местных строительных материалов. Применение арболита обеспечивает снижение расхода цемента. На изготовление 1 м2 стены из арболита (приведенной толщины по теплозащите) требуется цемента на 30–35 кг меньше, чем при использовании керамзитобетона (хотя расход вяжущего на 1 м3 конструкций у арболита несколько больше), что обусловлено значительным уменьшением толщины стены из этого материала из-за его более высоких теплофизических свойств. Применение арболита для ограждающих конструкций позволяет также сократить энергозатраты. Арболитовая стена благодаря крупнопористой структуре материала обеспечивает высокое термическое сопротивление конструкции, а это дает возможность тратить меньше энергии на отопление. Последнее обстоятельство имеет особое значение для животноводческих помещений, где для поддержания нормальных условий требуются большие эксплуатационные затраты на вентиляцию.

Эффективность применения конструкций и изделий из арболита определяется возможностью существенного снижения массы зданий и сооружений и повышения их теплозащиты, уменьшения перевозок за счет использования местных материалов, снижения стоимости строительства. 1 м3 древесных отходов, использованных при производстве арболита, заменяет в строительстве 1,5 м3 пиловочника. При приведенной толщине стены по условиям теплопередачи масса ее 1 м2 из арболита в 7–8 раз меньше, чем из кирпича, и в 2–3 раза меньше, чем из керамзитобетона. Стоимость 1 м2 стены меньше соответственно на 3-4 у.е. и на 6-7 у.е.

Эффективность применения арболита обусловлена также уменьшением удельных капитальных вложений на создание производственной базы, которые в 2 раза меньше, чем при организации выпуска панелей из бетона на пористых заполнителях. Изделия из арболита небольшой средней плотности (400-800 кг/м3) обладают ценными строительными свойствами: они хорошо пилятся, гвоздятся, держат штукатурку и шурупы, обрабатываются режущим инструментом, трудно сгораемы и биостойки. Большое народнохозяйственное значение имеет развитие производства арболитовых конструкций в нефтедобывающих районах Западной и Восточной Сибири, а также в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, где осваиваются богатые природные ресурсы, а жилищное и промышленное строительство сдерживается из-за недостатка природных и искусственных минеральных пористых заполнителей для изготовления бетона. По данным Госстроя СССР при строительстве малоэтажных зданий конструкции и изделия из арболита эффективно заменяют кирпич, керамзитобетон, ячеистые бетоны и древесину, а по ряду эксплуатационных свойств превосходят их. Интересно сопоставить стены из разных материалов, имеющие эквивалентную толщину, обеспечивающую одинаковую теплозащиту (табл.1).

Таблица 1. Сравнительные технико-экономические показатели разных материалов на 1 м2 стены

Цены указаны в условных единицах – у.е.
Все эти достоинства арболита способствовали широкому его применению при строительстве одноэтажных и двухэтажных жилых домов, гражданских и сельских производственных зданий. Дальнейшее расширение и совершенствование производства и применения арболитовых изделий и конструкций в строительстве позволяет решить такую неотложную задачу, как улучшение качества, повышение долговечности, обеспечение стабильных физико-механических свойств арболита при эксплуатации и повышение индустриальности конструкций из него.

Большой вклад в изучение технологических свойств арболита и влияния «агрессивности» (в частности, отрицательное влияние легкогидролизуемых сахаров на твердение цемента) компонентов древесины на процессы твердения портландцемента, а также внедрение арболита в строительство внесли отечественные и зарубежные исследователи: А.А. Акчабаев, Г.А. Батырбаев, Б.И. Бухаркин, Г.Е. Евсеев, М.И. Клименко, Е.Д. Маев, И.П. Мещерякова, А.И. Минас, Б.Н. Пономаренко, И.А. Рыбьев, В.И. Савин, С.Г. Свиридов, Н.И. Склизков, Б.Н. Смирнов, А.С. Щербаков, Д.Пакер, А. Карлсон, В. Сареток и др.

Автором исследовано влияние специфических свойств древесного заполнителя на процессы структурообразования арболита, изучались особенности адгезии древесины с цементным камнем и способы повышения сцепления между ними, а также пути повышения прочности и стойкости арболита при попеременном воздействии, увлажнения и высыхания. Изложенные в книге научные положения и практические рекомендации могут быть использованы исследователями и производственниками при совершенствовании технологии и повышении качества арболита, изделий и конструкций из него, а также сельскими тружениками, осуществляющими индивидуальное строительство жилых домов усадебного типа и хозяйственных надворных построек различного назначения (коровник, свинарник, птичник, сарай-хранилище, гараж и др.).

I. Строительные и физико-механические свойства арболита

Арболит – легкий бетон, получаемый на минеральном вяжущем и органическом целлюлозном заполнителе растительного происхождения. Поэтому арболиту присущи прочность, огнестойкость, биостойкость бетона и небольшая плотность, теплопроводность, легкость обработки режущим инструментом, гвоздимость древесины.

Поскольку больше всего изготовляется арболитовых изделий и конструкций на древесном заполнителе, наиболее изучен этот вид арболита. Средняя плотность этого материала (высушенного до постоянной массы) в зависимости от его марки и вида древесного заполнителя приведена в табл. 2.

Таблица 2. Средняя плотность арболита, кг/м3 в зависимости от наполнителя

Арболит, отвечающий требованиям ГОСТ 19222–73 «Арболит и изделия из него», имеет марки 5, 10, 15, 25, 35. Арболит марок 5 и 10 (со средней плотностью до 550 кг/м3) является теплоизоляционным, а марок 15, 25 и 35 – конструкционно-теплоизоляционным материалом. Его механическая характеристика приведена в табл. 3.

Таблица 3. Техническая характеристика арболита из дробленки отходов

Как видно из этой таблицы, у арболита со средней плотностью 400-800 кг/м3 предел прочности при сжатии 0,5–3,5 МПа. Такие невысокие прочностные характеристики могут объясняться химической агрессивностью заполнителя и его подверженностью значительным влажностным объемным деформациям. Установлено, что на прочность арболита значительно влияет его влажность.

Особенно сильно изменяется его прочность при влажности от 0 до 25%, т.е. в пределах водонасыщения древесного волокна. Максимальную прочность имеет арболит, влажность которого равна 16–17%.

Прочность сцепления арболита с металлической арматурой в зависимости от марки арболита, вида профиля стержней (гладкий, периодический) и защитной обмазки равна от 0,1 до 0,4 МПа. Сцепление же фактурного слоя из цементно-песчаного раствора 1:3 (цемент, песок) составляет 1,5–1,6 МПа. Деформация арболита при кратковременной нагрузке (показатель сжимаемости) примерно в 8–10 раз больше, чем у бетонов на минеральных пористых заполнителях. Показатель сжимаемости равен 7,5–10,3, коэффициент Пуассона – 0,15–0,2.

Сорбционное увлажнение арболита зависит от его средней плотности, вида применяемого органического целлюлозного заполнителя и введенных добавок и при относительной влажности воздуха 40–90% находится в пределах 4–12%. Так как сорбционное увлажнение арболита невелико, материал – негигроскопичен. Он характеризуется достаточно большим значением водопоглощения, однако преимущество его заключается в том, что он легко отдает поглощенную воду, т.е. быстро высыхает. Уменьшить водопоглощение арболита в конструкциях можно, защитив его открытые поверхности различными покрытиями.

С учетом повышенной усадки, изделия из арболита до монтажа должны иметь минимальную влажность, чтобы в зданиях не было усадочных деформаций. Долговечность ограждающих конструкций из арболитовых изделий характеризуется III степенью. По биостойкости арболит относится к V группе в соответствии с классификацией, предложенной ЦНИИСК. Арболит со средней плотностью выше 400 кг/м3 трудносгораем. Применяют его для изготовления изделий, эксплуатируемых в сборных и монолитных зданиях различного назначения. Наружная поверхность ограждающих конструкций из арболита, соприкасающихся с атмосферной влагой, независимо от влажностного режима внутренних помещений должна иметь защитный отделочный слой. С внутренней стороны панели предусматривается фактурный слой из цементно-песчаного раствора толщиной до 2 см. Арболит обладает более высокими теплозащитными и звукоизоляционными свойствами, чем бетоны на минеральных пористых заполнителях.

II. Специфические свойства органического целлюлозного заполнителя и их влияние на качество арболита

1. Химическая агрессивность заполнителя растительного происхождения по отношению к цементу

Древесный заполнитель, как и многие другие органические целлюлозные заполнители, наряду с присущими им ценными свойствами (малая средняя плотность, хорошая смачиваемость, легкость обработки, в частности, дроблением и др.) имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение материала высокой прочности из высокопрочных компонентов (цементный камень и древесина). К специфическим особенностям органического целлюлозного заполнителя, отрицательно влияющим на процессы структурообразования, прочность и стойкость арболита к влагопеременным воздействиям, относятся: повышенная химическая агрессивность; значительные объемные влажностные деформации и развитие давления набухания; резко выраженная анизотропия; высокая проницаемость; низкая адгезия по отношению к цементному камню; значительная упругость при уплотнении смеси.

Наиболее изучена химическая агрессивность. Исследование свойств композиции «древесина – цементный камень» началось с 1924 г. Было выдвинуто предположение, что низкая прочность этой композиции связана с химическим составом древесины (табл. 4). Первые исследования показали, что древесина содержит легкогидролизуемые и экстрактивные вещества – «цементные яды», вредные для цемента, которые и замедляют набор прочности изделий. Поэтому все усилия исследователей и практиков были направлены на нейтрализацию их вредного влияния. Позднее работами, проведенными отечественными и зарубежными исследователями, было установлено, что наиболее вредное воздействие оказывают легкорастворимые простейшие сахара: сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способной в определенных условиях превратиться в эти сахара, и в меньшей степени опасны крахмал, тонниды и смолы. Щелочная среда цементного теста способствует выделению «цементных ядов», количество которых колеблется в значительных пределах в зависимости от породы древесины, условий и сроков ее хранения.

Таблица 3. Техническая характеристика арболита из дробленки отходов

Было выявлено, что воздействие водорастворимых веществ древесины на твердеющий цемент проявляется в стабилизирующем эффекте. «Цементные яды», состоящие в основном из углеводных групп НОСН, осаждаясь на поверхности частичек минералов цемента 3CaO∙SiO2 (трехкальциевый силикат) и ЗСаО∙Аl2О3 (трехкальциевый алюминат), образуют тончайшие оболочки, которые затрудняют ход процессов гидратации цемента. Для уменьшения отрицательного влияния водорастворимых экстрактивных и легкогидролизуемых веществ на прочность деревоцементных композиций были предложены различные способы и технологические приемы, сущность которых заключалась в частичном удалении этих веществ из древесного заполнителя, в переводе простейших cахаров в нерастворимые или безвредные для цемента соединения, в ускорении твердения портландцемента (т.е. в сокращении времени их воздействия на процессы твердения). В большинстве своем предложенные способы «минерализации» древесного заполнителя предусматривают достаточно сложные технологические процессы, требующие многоступенчатой обработки заполнителя различными химикатами с последующим кипячением или промывкой, выдержки для стабилизации в силосах или сушки и др.

Из многочисленных добавок, опробованных в отечественной и зарубежной практике приняты такие, при которых «минерализатором» органического целлюлозного заполнителя служат хлористый кальций и жидкое стекло (исключение составляет технология, используемая фирмами «Велокс» и «Дюризол»).

Однако применяемые в отечественной и зарубежной практике способы «минерализации» древесного заполнителя, хотя и повышают скорость нарастания прочности в начальный период, но все же, как видно из табл. 5, не позволяют получать достаточно прочный материал.

Таблица 5. Прочность и расход компонентов в композиции «древесина–цементный камень»

Проведенные исследования показали, что при почти полном удалении легкогидролизуемых веществ из древесного заполнителя удается увеличить прочность арболита лишь на 10–15% по сравнению с прочностью арболита на необработанном заполнителе. Следовательно, наличие легкогидролизуемых веществ можно рассматривать лишь как один из недостатков древесного заполнителя.

Это означает, что кроме химической агрессивности (содержание экстрактивных и легкогидролизуемых веществ) древесный заполнитель обладает и другими специфическими свойствами, которые отрицательно воздействуют на структурную прочность арболита.

2. Влажностные деформации древесного заполнителя и развитие давления набухания

Один из существенных недостатков древесного заполнителя, как и других органических целлюлозных заполнителей, отрицательно влияющих на прочность арболита и стойкость при переменном влажностном режиме – объемные влажностные деформации, которые изменяются в широких пределах в зависимости от влажности и температуры среды. К таким деформациям относятся: усадка–усушка вдоль волокон (0,1–0,3%) в радиальном (от 3 до 5%) и в тангенциальном направлении (6–12%), набухание, изменение формы (коробление). Для сравнения укажем, что усадка цементного камня из портландцементного клинкера составляет всего лишь 0,3–0,4%.

В процессе твердения и сушки арболита, а также и при эксплуатации конструкций из него древесный заполнитель подвержен объемным деформациям – может попеременно усыхать и набухать в зависимости от атмосферных условий, изменять форму и размеры, что способствует возникновению внутренних напряжений и деструкции контактных зон, снижению прочности структуры конгломерата. Взаимосвязанное стеснение деформаций твердеющего минерального вяжущего – цементного камня и самих частиц древесного заполнителя может, по-видимому, является основным источником возникновения начального напряженного состояния твердеющего арболита. Однако суммарное напряженное состояние, возникающее в процессе структурообразования в конгломерате типа арболита, не ограничивается действием только усадочных напряжений клеевой прослойки – цементного камня и древесного заполнителя. На определенных этапах на образование структуры арболита могут также повлиять влажностные, температурные напряжения от упругого действия органического целлюлозного заполнителя, особенно на стадии уплотнения и формирования изделий. Эти составляющие напряженного состояния арболита и их количественные значения изучены пока мало.

Наиболее значительными самопроизвольными объемными деформациями древесного заполнителя являются влажностные (усушка, набухание), которые сильно разнятся в различных направлениях его морфологического строения из-за анизотропности древесины и могут достичь соотношения 1:120. При этом объемная усушка древесного заполнителя достигает 15–20%, тогда как объемная усадка цементного камня составляет всего 0,9–1,2%. Можно предположить, что напряженное состояние в структуре конгломерата типа арболит зависит в большей мере от напряжений, возникающих в результате усушки и набухания древесного заполнителя, чем от усадки или набухания цементного камня (так как усадка древесного заполнителя в десятки раз больше, чем цементного камня), в то время, как у многих бетонов на минеральном заполнителе – это состояние обусловлено деформациями цементного камня.

Целесообразность уменьшения усадочных деформаций арболита обусловливается и тем, что отпускная влажность арболитовых изделий и конструкций, регламентированная ГОСТ 19222-73, принята равной 25%, а древесный заполнитель интенсивно усыхает при удалении гигроскопической влаги, т.е. при снижении влажности от 27–30% до нуля, что может вызвать усадку арболита в уже возведенных зданиях. Обследование стеновых панелей из арболита в животноводческих и птицеводческих зданиях, проведенное ЦНИИЭПсельстроем в разное время года, подтвердило высказанные нами опасения. Его результаты показали (табл. 6), что к концу зимнего и началу весеннего периода влажность арболита в стеновых панелях составила в среднем 9–23% (по СНиП 11-3-79 допустимое значение влажности арболита во влажных условиях эксплуатации – 15%). В летнее время за счет естественного высушивания содержание влаги в арболите снижалось до 7,5–15,6%. Большой градиент влажности внутри слоев арболита от 7,8% (наружный слой) до 26,2% (внутренний слой) в панелях коровника (см. табл. 6) показывает, что при высыхании в арболите могут развиваться значительные влажностные напряжения, вызывающие вследствие неравномерной усадки слоев деструкционные процессы. Следовательно, резервом получения арболита высокой прочности со стабильными физико-механическими показателями можно считать уменьшение отрицательного влияния влажностных деформаций древесного заполнителя, т.е. уменьшение влажностных напряжений.

Таблица 6. Влагосодержание стеновых панелей зданий различного назначения

Коровник на 200 голов, совхоз «Рассвет» Калужской области
Коровник на 200 голов, совхоз «Красный партизан» Горьковской области
Коровник на 200 голов, совхоз «Блиновский» Краснодарского кра
Телятник на 400 голов, совхоз «Нахимовский» Смоленской област
Птичник на 5000 кур, совхоз «Приволжский» Саратовской област

3. Анизотропные свойства древесины

Древесный заполнитель представляет собой анизотропный, ортотропный материал неоднородного строения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (поперечный, радиальный, тангенциальный срезы). Исследование технологических свойств древесного заполнителя, влияющих на качество арболита, затруднено не только из-за анизотропности различных частей дерева (комель, ствол, ветви, заболонь, ядро), но и вследствие неоднородности строения в пределах одного годичного слоя ранней и поздней древесины.

Рыхлые клетки древесины образуются весной в период роста дерева, более плотные клетки поздней древесины – осенью. В единице объема поздней древесины содержится больше древесного вещества, чем в ранней, поэтому поздняя древесина подвержена большим влажностным деформациям, вызываемым изменением содержания гигроскопической (связанной) влаги. Высокая степень анизотропности механических свойств древесины (и другого органического целлюлозного сырья) является также следствием ее морфологического строения.

В зависимости от породы и направления нагрузки сопротивление древесины сжатию поперек волокон в 6–18 раз меньше сопротивления сжатию вдоль волокон (для сосны среднее значение соответственно 5,8 МПа и 41,8 МПа).

Предел прочности при разрыве поперек волокон в радиальной плоскости у всех пород выше, чем при разрыве в тангенциальной плоскости (для сосны соответственно 84,1–11,5 МПа и 3,2–2,5 МПа). Очевидно, что в последнем случае разрыв происходит преимущественно по слабой ранней зоне годичных слоев, тогда как при разрыве по радиальной плоскости он идет по ранней и плотной поздней зоне. С учетом этих свойств древесины с нашей точки зрения целесообразно, чтобы получаемая из нее дробленка имела бы по возможности меньшие размеры в радиальном направлении, а если принять во внимание набухание и усушку в тангенциальном направлении, то сечение ее должно быть минимальным в двух поперечных направлениях. Древесина слабо сопротивляется скалыванию вдоль волокон. При работе на скалывание для древесины характерна хрупкость. Для сосны в радиальном направлении сопротивление скалыванию равно 6–8 МПа, в тангенциальном направлении 5,9–7,7 МПа.

Установлено, что поздняя и ранняя древесина сильно различаются по прочности на разрыв; поздняя древесина ели почти в три раза прочнее на разрыв, чем ранняя. По данным В.Е. Вихрова, физико-механические свойства ранней и поздней древесины лиственницы также неодинаковы. Поздняя древесина более чем в 2 раза тяжелее ранней (плотность второй 383 кг/м3, первой – 863 кг/м3); для нее характерна почти вдвое большая усушка. Прочность поздней древесины по сопротивлению на статический изгиб в 4–5 раз выше, чем ранней древесины (250,9 МПа и 48,3 МПа), а по сопротивлению растяжению выше более чем в 2 раза (151,0 МПа и 44,2 МПа). Поверхностная пористость в %, наоборот, у ранней древесины выше более чем в 3 раза (66 и 21%), а объемная пористость почти в 2 раза (75,3 и 46,7%). Плотность поздней древесины в два раза выше ранней (775 и 383 кг/м3).

В табл. 7 дана тангенциальная усушка элементов годичного слоя древесины хвойных пород.

Таблица 7. Сравнительная деформативность элементов годичного слоя

*УП и УР – соответственно усушка поздней и ранней древесины
Как видно из таблицы, различие между ранней и поздней древесиной у лиственницы значительно больше, чем у сосны и ели, причем абсолютные значения усушки поздней древесины у лиственницы гораздо выше, чем у сосны и ели. Это в значительной степени объясняет, почему в древесине лиственницы возникают сравнительно большие скалывающие напряжения вдоль годичного слоя при высыхании. В.Е. Вихров мотивирует это тем, что в единице объема поздней древесины древесного вещества содержится около 53%, а в ранней – только 25%.

Видимо, одна из причин малопригодности заполнителя из лиственницы – наибольшая, по сравнению с другими хвойными породами, анизотропность ранней и поздней древесины, способствующая развитию различных по величине влажностных деформаций в контактных зонах, что нарушает целостность структуры арболита. Между тем до настоящего времени получение арболита низкой прочности на дробленке из лиственницы объясняли исключительно большим содержанием в ней легкогидролизуемых веществ, замедляющих твердение цемента.

4. Проводимость и проницаемость древесного заполнителя

Древесина представляет собой капиллярно–пористое коллоидное тело или ограниченно набухающий гель. Это позволяет вводить в нее инородную жидкость, т.е. возможна ее пропитка растворами. Вода, проникая в волокна древесины, разрыхляет мицеллярные ряды, разрывает водородные связи между гидроксилами смежных молекул и этим разрыхляет структуру волокна. Таким образом, присутствие сорбированной жидкости в древесине не только меняет ее механические характеристики, но и обусловливает проводимость древесиной жидкостей.

Изменение влажности арболита прежде всего связано с миграцией влаги в древесном заполнителе. Находящаяся в древесине влага в зависимости от местонахождения и степени связи по-разному проявляет себя. Свободная влага размещается в капиллярах или полостях клеток, а также между клетками, достаточно легко мигрирует и удаляется из древесины. Связанная влага частично образует на мицеллах целлюлозы адсорбированные пленки, частично вклинивается между мицеллами в виде субмикроскопических прослоек. Химически же связанная влага входит в состав древесного вещества самих клеточных оболочек.

При изменении влажности древесины за счет связанной влаги в пределах от абсолютно сухого состояния до точки насыщения волокна и наоборот древесина изменяет линейные размеры, а следовательно, и объем. Только в абсолютно сухом состоянии и при влажности, равной точке насыщения волокна и выше (W=30%), объем древесины становится постоянным. Такое изменение размеров древесины обусловливается раздвижкой межмицеллярной структуры водными прослойками.

Из-за сравнительно высокой проницаемости органический целлюлозный заполнитель обладает большим водопоглощением, чем любой минеральный пористый. Поэтому, чтобы предотвратить отбор воды из приготовленной смеси и обезводить контактную зону (что противоречит основополагающим положениям теории прочности бетона), при приготовлении арболитовой смеси, приходится поддерживать высокие значения В/Ц (1–1,3), а это ведет к значительным усадочным деформациям и снижению прочности материала. Наличие влаги в древесине и влажностные деформации отрицательно влияют на процессы структурообразования арболита, поэтому одним из направлений получения арболита со стабильными физико-механическими показателями следует считать стабилизацию объема древесного заполнителя.

5. Низкая адгезия древесины с цементным камнем

Крупнопористая структура арболита с незаполненным межзерновым пространством (80–90% объема твердого тела занимает древесный заполнитель и только 10–20% приходится на цементный камень) характеризуется тем, что объем цементного камня оказывается недостаточным для заполнения пустот между частицами органического целлюлозного заполнителя. Прочность и долговечность неплотной структуры арболита в значительной степени обусловливается сцеплением древесного заполнителя с минеральным вяжущим, т.е. адгезией древесины с цементным камнем. Поэтому получение арболита на древесном заполнителе марок М5–М35 (ГОСТ 19222–73) при расходе цемента 260–400 кг на 1 мЗ предположительно может быть объяснено недостаточным использованием прочности его компонентов, что обусловлено ослаблением структуры конгломерата из высокопрочных компонентов, вызываемого нарушением сцепления между ними.

Представление об арболите как о конгломератной структуре, у которой непрерывный каркас образует тонкие пленки цементного камня, согласуется с общей теорией искусственных строительных конгломератов, разработанной И.А. Рыбьевым и его учениками, а также с результатами исследований В.Н. Юнга, Б.Г. Скрамтаева, Н.А. Попова, Ю.Б. Корниловича, И.А. Иванова, которые считают одним из основополагающих факторов упрочнения структуры бетона улучшение сцепления заполнителя с прослойками цементного камня. Это предопределило необходимость глубокого изучения процессов и явлений, имеющих отношение к сцеплению древесины (заполнителя со специфическими свойствами) с цементным камнем, так как именно сцепление этих двух разных по своей природе материалов (органического целлюлозного заполнителя и цементного камня) является одним из важных условий, определяющих прочность и долговечность арболита. Особое значение для повышения структурной прочности арболита может иметь изучение прочности сцепления древесины с цементным камнем во взаимосвязи со склонностью древесного заполнителя к значительным влажностным деформациям, так как в процессе твердения и сушки арболита эти деформации влияют определенным образом на структурную прочность системы «древесина – цементный камень».

В настоящее время нет общепризнанной теории адгезии, поэтому объяснение природы адгезионных процессов для таких сложных по своему составу материалов, как портландцемент и древесина, представляется затруднительным. Результаты, полученные разными исследователями, весьма разноречивы и из-за отсутствия единой методики испытаний практически неcопоставимы.

В нашей стране первые работы по определению сцепления древесины с цементным камнем были связаны с изучением возможности применения деревобетона (бетон с деревянной арматурой) в строительстве. Деревобетон представляет собой конструктивное соединение двух материалов, характеризующихся различными структурно-механическими свойствами.

Проблема деревобетона упирается в необходимость обеспечить совместную работу его составляющих. Трудность решения этой задачи в том, что при тепловой обработке и применении насыщенной водой арматуры возникает опасность нарушения сцепления между бетоном и древесиной (деревянной арматурой) из-за усушки последней и образования вокруг нее сквозного зазора, а при сухой арматуре – опасность образования в бетоне трещин в связи с разбуханием дерева.

Проблему сцепления древесины с цементным камнем в нашей стране изучали, начиная с 1927 г. профессор И.А. Кириенко, М.А. Киеня (1930-1931 гг.), Г.Д. Цискрели (1933 г.), В.П. Петров и И.М. Пушкин в 1935-1937 гг.

Было установлено, что сцепление древесины с цементным раствором и бетоном зависит от В/Ц смеси, условий хранения конструкций, влажности, шероховатости и формы деревянных стержней (брусков). В зависимости от принятых условий величина сцепления колебалась от 0,05 до 1,25 МПа (из-за несовершенства принятой методики «истинное» сцепление значительно меньше). Г.А. Евсеевым было показано существенное влияние водорастворимых сахаров, содержащихся в древесине, на ее сцепление с цементным камнем. Аналогичный вывод был сделан в 1960 г. Л.М. Шмидтом. Было получено значение адгезии древесины с цементным камнем в пределах 0,26–0,3 МПа. К сожалению, результаты этих исследований значительно различаются (табл. 8) и трудно сопоставимы по следующим причинам: в опытах использовались разные методики; применялась древесина неодинаковых пород, плотности, направления волокон в зоне склеивания и начальной влажности; виды и качество обработки древесины (шероховатость) были различными, неодинаковы размеры склеиваемых образцов и характер разрушения сцепления, активность и степень помола вяжущего, а также толщина клеевого шва, влияние на величину сцепления помимо сил адгезии, сил защемления (трения при выдергивании деревянных стержней). До настоящего времени в лабораторной практике не существует общепринятой методики определения величины сцепления древесины с минеральными вяжущими веществами. Методы определения сцепления арматурной стали (выдергивание или выдавливание стержней из затвердевшего бетона) при замене стержня деревянным бруском не могут быть приняты нами из-за того, что при вытягивании бруска из затвердевшего раствора фиксируется не только сила, необходимая для нарушения сцепления материалов благодаря склеиванию, но также сила трения материала о затвердевший раствор, на которую влияет защемление, вызываемое набуханием деревянного бруска или его короблением.

Таблица 8. Влияние различных факторов на силу сцепления древесины с бетоном, раствором и цементным камнем

М.А.Киеня
В.П.Петрова и И.М.Пушкина
Л.М.Шмидт
В.И.Бухаркина
Г.А.Евсеева
В ЦНИИМЭ опробовалась методика испытывались образцы, полученные методом формования цементной призмы 40×40×160 мм, с деревянной пластинкой 40×40×20 мм (образцы до распалубки хранились 14 суток), расположенной в середине. Однако зарегистрировать приборами величину сцепления не удалось. По нашему мнению, это связано с тем, что в этих экспериментах не исключалось нарушение сцепления вследствие усадочных процессов в начальные сроки, так как силы трения и сцепления частей цементной призмы со стенками формы в на­чальные сроки превышали величину сцепления призм с деревянной пластинкой. Поэтому в целях предотвращения отрыва деревянной пластинки от твердеющего тела призмы в принятой нами методике образцы рекомендовано распалубливать через 24 ч и в дальнейшем хранить в вертикальном положении во влажных опилках до испытания.

Определение сцепления путем помещения в форму деревянной пластины в виде стандартной восьмерки сечением 5 см2 с последующим заполнением формы цементным раствором из-за неточности показаний также не может быть рекомендовано, так как возможно нарушение сцепления вследствие разницы объемных деформаций материалов в местах наибольшей кон­центрации напряжений по периферии (опасного сечения восьмерки).

Методика Л.М.Шмидта (измененная позднее Г.А. Евсеевым для определения адгезионной прочности при склеивании двух деревянных пластин (с площадью склеивания 100 см2) портландцементом также не может быть рекомендована, так как на результаты существенно влияют деформативные и анизотропные свойства крупных образцов (100×100 мм). Неэффективно и определение силы сцепления древесины с цементным камнем по ГОСТ 3056–74 и ГОСТ 10636–78 (определение прочности клеевого шва при склеивании древесины на ма­шине «УМ–5»), поскольку затруднена регистрация малых величин, а в начальные сроки цементный камень слабо сцепляется с древесиной (в первые сутки сила удельного сцепления равна 0–0,005 МПа), из-за чего образцы, склеенные цементным тестом, разрушались, когда их помещали в приспособление для испытания.

Таким образом, возникла необходимость разработки методики, учитывающей все специфические особенности древесины. Нами была предложена методика определения адгезии системы «дерево-цементный камень», которая позволила определить величину сцепления, обусловленную только способностью данных материалов к склеиванию и исключающую возможность повышения сцепления вследствие защемления древесины раствором вяжущего. Она дает также возможность выявить специфическую адгезию элементов годичного слоя (ранней и поздней древесины).

В результате изучения специфической адгезии древесины с цементным камнем для получения сопоставимых результатов была предложена методика, учитывающая особенности древесины: содержание ранней древесины в контактной зоне, плоскость среза (радиальная или тангенциальная), направление волокон, шероховатость поверхности, толщину прослойки цементного камня, условия изготовления и хранения моделей.

В гл. 4 представлены результаты исследования адгезии древесины с цементным камнем с учетом анизотропных свойств субстрата, влажностных деформаций и повышенной проницаемости древесины.

6. Проявление упругих свойств при уплотнении арболитовой смеси

Арболитовая смесь представляет собой сыпучее тело, которое можно определить как дискретную систему, включающую: частицы древесины, связующее – цементное тесто, влагу (внутри заполнителя) и воздух. Древесина проявляет упруговязко–пластические свойства. Арболитовая смесь, состоящая на 80–90% по объему из древесного заполнителя, в процессе формования и уплотнения также проявляет эти свойства. Податливость – сжимаемость при формовании арболитовой смеси зависит от доли свободного объема. Арболитовая смесь до ее уплотнения содержит значительное количество воздуха между частицами заполнителя и внутри них, поэтому смесь обладает очень высокой сжимаемостью, чему способствует эластичность тонких нежестких частиц древесины.

В процессе структурообразования с изменением влажности древесного заполнителя меняются такие его свойства, как жесткость, пластичность, что естественно отражается на его структуре и прочности. Известно, что древесина характеризуется сравнительно большой жесткостью – способностью сопротивляться упругому деформированию (значением модуля упругости). С увеличением влажности жесткость древесных частиц заполнителя уменьшается, а с увеличением плотности древесины – увеличивается.

Наибольшее влияние на процессы уплотнения и структурообразование арболита оказывает такое свойство древесного заполнителя, как упругость. При динамической нагрузке в процессе уплотнения арболитовой смеси упругость ее может характеризоваться следующими значениями живого упругого сопротивления: 20–30; ель 50–100; береза 50.

Упругость древесины зависит от породы (морфологического строения) и средней плотности породы. Такое свойство древесины, как пластичность (обратное упругости), существенно зависит от ее влажности. Пластичность при изгибе сильно возрастает при увлажнении и особенно резко при вымачивании в горячей воде. Пластичность древесного заполнителя зависит также от его морфологического строения. Хвойные породы обладают меньшей пластичностью, чем лиственные, из которых более пластичными оказываются породы с пористым строением древесины. Древесный заполнитель, полученный из заболонной части древесины (отходы лесопиления – горбыль, срезки и др.), обладает более высокой пластичностью, чем древесина ядра (твердые и мягкие отходы деревообработки).

В процессе уплотнения – прессования арболитовой смеси, частицы древесины проявляют, кроме пластичности при изгибе, пластичность при давлении (податливость). На ее величину также существенно влияет влажность древесины. Со снижением влажности частиц древесины повышается их сопротивление сжатию, так как уменьшение количества воды между мицеллами повышает коэффициент внутреннего трения.

В связи с тем что древесина проявляет упругопластические свойства, арболитовая смесь проявляет такие же свойства. Поэтому процесс ее уплотнения сопровождается редеформацией (распрессовкой) отформованного изделия после снятия приложенной нагрузки. В зависимости от средней плотности формуемых арболитовых изделий и фракции древесного заполнителя коэффициент уплотнения варьируется от 1,2 до 1,8 и более, что также влияет на редеформацию. Поэтому для восприятия упругой составляющей при уплотнении арболитовой смеси применяют формы с фиксированными крышками (по способу вибропрессования). Используют и другие способы: силовой вибропрокат, послойное уплотнение (укатка). Однако во всех случаях наблюдается отрицательное влияние упругости арболитовой смеси на структурообразование и на напряженное состояние отформованного изделия из арболита.

В целях оптимизации процесса уплотнения арболитовых, изделий и улучшения их физико–механических свойств необходимо изучать структурно–механические процессы, возникающие при формовании и уплотнении изделий из упругой арболитовой смеси в зависимости от высоты формуемых изделий и их плотности. В связи с этим значительный интерес представляют исследования Г.И. Горчакова, Б.В. Гусева, Ю.М. Баженова и ряда других ученых, изучавших уплотнение различных видов бетонов на минеральных заполнителях во взаимосвязи со структурными особенностями, которые они приобретают в процессе уплотнения.

III. Особенности технологии арболитовых изделий и конструкций

Арболит состоит из портландцемента, древесного заполнителя, химических добавок (облагораживающих органический заполнитель и улучшающих реологические свойства смеси) и воды. Для рекомендуемых составов РУК–74 НИИЖБ («Руководство по проектированию и изготовлению арболитовых изделий и конструкций») древесноцементное отношение в арболите принимается равным 0,6, а В/Ц в пределах от 1,1 до 1,3. Средний расход компонентов на 1 мЗ арболита приведен в табл. 9.

Таблица 9. Средний расход компонентов в кг на 1 м3 арболита.

Перед чертой – расход портландцемента, древесной дробленки и воды для древесины хвойных пород, а за чертой – для древесины смешанных пород. Взамен хлористого кальция могут быть использованы и другие добавки. Другие составы для арболита с улучшенными свойствами приведены в тексте.

Технологическая схема производства изделий из арболита

В производственных условиях число компонентов и вид добавок выбирают исходя из конкретных условий: качества применяемого древесного заполнителя, назначения и условий эксплуатации изделий и конструкций. Технология арболита в основном включает те же операции, что и технология обычного бетона на пористых заполнителях. Однако органический целлюлозный заполнитель как специфический материал вносит свои коррективы во все технологические операции.

Технологический процесс изготовления арболитовых изделий и конструкций в большинстве действующих цехов состоит из следующих переделов: дробление и подготовка заполнителя по гранулометрическому составу, обработка заполнителя, дозировка компонентов арболита, приготовление арболитовой смеси, укладка ее в формы и уплотнение, термообработка отформованных изделий, вызревание при положительных температурах, транспортировка изделий на склад (рис. 1). Технологическая схема производства изделий из арболита:
  1. рубительная машина;
  2. циклон;
  3. бункер щепы;
  4. барабанный дозатор;
  5. молотковая дробилка;
  6. бункер дробленки;
  7. виброгрохот;
  8. сетчатый контейнер;
  9. кран-балка;
  10. дозатор химических растворов;
  11. емкость для химических растворов;
  12. центробежный насос;
  13. перфорированная труба;
  14. шиберный затвор;
  15. шнековый конвейер;
  16. бункер для песка или минеральных добавок;
  17. бункер для цемента;
  18. автовесы;
  19. смеситель для приготовления раствора для фактурного слоя;
  20. смеситель для приготовления арболитовой смеси;
  21. раздатчик;
  22. ровнитель;
  23. металлическая форма;
  24. цепной конвейер;
  25. формовочный пост;
  26. захват;
  27. накопитель;
  28. камера термообработки.
Важнейший из технологических факторов, влияющий на физико-механические свойства арболита и экономические показатели его производства – способ формования и уплотнения. От него прежде всего зависит макроструктура и такие ее функции, как средняя плотность тепло– и звукопроводность, влагостойкость. В отличие от производства искусственных минеральных пористых заполнителей, которое связано со значительными затратами энергии, получение заполнителя для арболита сводится к измельчению древесины до получения нужного фракционного состава. В ряде случаев может быть использован заполнитель в виде станочной стружки и лесорамных опилок, который требует только рассева на фракции. Однако получение качественного арболита на этих заполнителях затруднено в связи с тем, что они имеют большую удельную поверхность, и нормируемого количество цемента оказывается недостаточно для создания высокопрочной структуры. Лучшие результаты дает специально приготовленная дробленка из кусковых отходов древесины дровяного сырья, получаемая по типовой двухступенчатой схеме: получение щепы на рубительных машинах, а затем измельчение щепы и ее гомогенизация в молотковых мельницах.

Древесина – анизотропный материал, поэтому древесная дробленка должна иметь игольчатую форму с коэффициентом формы (отношение наибольшего размера к наименьшему), равным 5–10, толщину 3–5 мм и максимальную длину до 25 мм. Частицы такой формы обладают более близкими по абсолютному значению влажностными деформациями вдоль и поперек волокон, и поэтому в отличие от заполнителя с меньшим коэффициентом формы могут снизить отрицательное воздействие влажностных деформаций древесного заполнителя на структурообразование и прочность арболита. При наличии станочной стружки и лесорамных опилок в арболитовую смесь взамен древесной дробленки можно вводить до 30% этих отходов после пропуска их через молотковую мельницу для гомогенизации и отделения на виброгрохоте пылевидных фракций. Получают арболитовую смесь практически на том же оборудовании, что и обычный бетон на пористых заполнителях. Наиболее пригодный тип смесителя – бетономешалка С-773, или С-209.

Большое влияние на качество смеси оказывает дозирование и способ введения воды и химических добавок. Нестабильная влажность органического целлюлозного заполнителя обусловила необходимость на ряде предприятий замачивать заполнитель в воде (холодной или горячей) или в растворе химических добавок в течение 7–10 мин перед подачей в смеситель. Однако при этом не удается точно дозировать воду, а также нейтрализовать химически агрессивные вещества заполнителя. Исследования, проведенные в ЦНИИЭПсельстрое, и производственная проверка способов введения воды и химических веществ позволяют рекомендовать их совместное введение непосредственно в смеситель путем дождевания с помощью дозатора и системы перфорированных трубок – распылителей. В этом случае можно точно дозировать воду и добавки и равномерно распределить их, что позволяет улучшить физико–механические свойства арболита. Узел приготовления и введения химических добавок, разработан в ЦНИИЭПсельстрое и внедрен в цехе арболита на Горийском ДОЦе.

На большинстве технологических линий арболитовые конструкции и изделия формуются в стальных формах. Для заполнения стальных форм могут быть рекомендованы двухбункерные бетоноукладчики, например типа С–166А. Главная задача при укладке массы в форму – равномерно распределить ее по всей форме. Это достигается заполнением формы в уровень с бортами или в уровень с насадкой. Из-за упругости арболитовой смеси высоту бортоснастки формы выбирают с учетом коэффициента уплотнения, ее можно определить по формуле

НФу∙δизд

где НФ – высота бортоснастки формы, см; КУ – коэффициент уплотнения; δизд – проектная толщина изделия, см.

Коэффициент уплотнения назначается в зависимости от требуемой средней плотности арболита и составляет 1,2–1,6. Для средней плотности 700 кг/мЗ при использовании дробленки хвойных пород он равен 1,5.

Самая ответственная операция при изготовлении арболитовых изделий — уплотнение смеси. Из-за упругих свойств к арболитовой смеси неприменимы общие закономерности, характерные для смесей на минеральных заполнителях. Обычная вибрация малоэффективна из-за низких гравитационных и упругих свойств арболитовой смеси, а прессование приводит к тому, что после снятия нагрузки упругая смесь распрессовывается и нарушается целостность структуры. Эти особенности арболитовой смеси объясняются свойствами древесного заполнителя, энергично поглощающего капельную влагу в смесителе в процессе приготовления смеси, в результате чего смесь получается малоподвижной даже при больших расходах воды. Поэтому на практике приходится поддерживать высокие значения В/Ц, равные 1,1–1,3.

Такие свойства арболитовой смеси заставили производственников и исследователей создавать новые способы уплотнения смеси. В результате появились самые различные технологии уплотнения: уплотнение в горизонтальных или вертикальных формах ручными или механическими трамбовками (Калужский Облмежколхозстрой, Шахунский леспромхоз в Горьковской области); прессование в горизонтальных или вертикальных формах (Угранский ДОЗ в Смоленской области, Калужский Облмежколхозстрой, Шемахинский леспромхоз Горьковской области и др.). Однако все эти способы трудоемки, слабо механизированы и применяются в настоящее время при небольших объемах производства арболита в пределах 2–10 тыс. м3 в год.

В последние 8–10 лет благодаря работам ЦНИИМЭ Минлесбумпрома СССР, Саратовского объединения «Росстройматериалы» Росколхозстройобъединения, ЦНИИЭПсельстроя Минсельстроя СССР, Гипростроммаша получили развитие новые механизированные способы уплотнения арболитовой массы, которые прошли практическую проверку, модернизацию и применяются на некоторых предприятиях. В соответствии с ними созданы и действуют технологические линии по формованию и уплотнению арболита. Каждая из них имеет как достоинства, так и недостатки. Анализ работы этих технологических линий позволяет дать рекомендации по их применению.

1. Способ силового вибропроката

Впервые применен в 1967 г. в Гузерипльском леспромхозе Адыгейской автономной области по проекту Гипролеспрома и ЦНИИМЭ (рис. 2). Сейчас линия модернизирована (ПД-З) и действует в поселке Октябрьский Архангельской области на Октябрьском ДСК. Такие линии широко используются на предприятиях Минлеспрома СССР. Упрощенный вариант формовочной технологической линии имеет один вибровалок диаметром 800 мм для уплотнения арболитовой смеси.
  1. натяжная станция;
  2. цепь;
  3. роликовый конвейер I;
  4. установка для нанесения фактурного слоя;
  5. укладчик арболитовой смеси;
  6. пути подвесные;
  7. виброплощадка;
  8. подъемная направляющая;
  9. бортоснастка продольная;
  10. приводная станция I;
  11. роликовый конвейер упругий;
  12. вибропрокатная секция;
  13. прокатная секция;
  14. приводная станция II;
  15. роликовый конвейер II
силовой вибропрокат для арболита
Формование изделий осуществляется в стальных формах (рис. 3), передний и задний борта которых имеют высоту, соответствующую толщине изделия, а высоту боковых бортов принимают с учетом коэффициента уплотнения. После заполнения формы смесью укладчик арболита осуществляет предварительное уплотнение смеси катком, при этом форма вибрируется на вибростоле. Далее форму подают под вибровалок и происходит окончательное уплотнение изделия в процессе ее движения. Нижний фактурный слой (раствор, плитку) укладывают в форму перед укладкой арболитовой смеси, а верхний слой после окончательного уплотнения на отдельном посту.
формование арболита в стальных формах
Рисунок 3
Формование арболитовых панелей в стальных формах на линии силового вибропроката
Готовое изделие в форме, передается по конвейеру в камеру тепловой обработки, где выдерживается при 40–50°С в течение 20–24 ч. После тепловой обработки снимают опалубку и изделия поступают на участок выдержки.

Вибросиловой прокат позволяет получать изделия хорошего качества и любой длины, осуществлять любое армирование (плоскими сетками, объемными каркасами), устанавливать закладные детали. Недостатками следует считать то, что ширина изделий ограничивается размером гусеничной секции и вибровалка (1200 мм); несмотря на модернизацию, оборудование остается довольно сложным в изготовлении; коэффициент уплотнения по этому способу составляет 1,3–1,4, а это затрудняет получение арболита с высокой средней плотностью. Такой способ может быть рекомендован для цехов большой производительности, более 12 тыс. м2 в год, выпускающих изделия небольшой номенклатуры для жилых зданий.

2. Способ вибропрессования

Разработан ЦНИИМЭ и внедрен впервые в Шеманихинском леспромхозе Горьковской области (рис. 4). В настоящее время по такому способу в модернизированном исполнении работают две линии формования арболитовых конструкций в Оятской сплавной конторе Ленинградской области (линии ЛВ–24М и ЛВ–125М). Изготовление арболитовых изделий осуществляется в стальных формах с фиксирующими крышками. Форма с уложенными фактурными слоями и арболитом, арматурой и закладными деталями накрывается фиксирующейся крышкой и подается на тележке в вибропрессовальную установку; под действием вибрации и сжатия гидродомкратов крышка утапливается в форму, уплотняет смесь и защелкивается. Изделие в форме с зафиксированной крышкой выдерживается в отапливаемом цехе до достижения распалубочной прочности. Этим способом могут быть получены изделия хорошего качества с любой требуемой средней плотностью.

Недостатки его – большой расход металла на формы и крышки, поскольку для сдерживания давления распрессовки упругой арболитовой смеси, находящейся в напряженно сжатом состоянии, требуется большая жесткость форм и крышек. Гидравлические домкраты при работе находятся под вибрацией, что снижает срок их службы. Такие недостатки препятствуют широкому внедрению этого способа.
формующая установка для арболита
Рисунок 4
Формующая установка, работающая по принципу вибропрессования

3. Способ вибрирования с пригрузом

Разработан в ЦНИИЭПсельстрое и применяется в поселке Майна Ульяновской области, а также на Горийском ДОЦе Объединения Грузсельстройдеталь (рис. 5). В основе этого способа лежит условие достижения максимально плотной упаковки частиц заполнителя арболитовой смеси в форме без создания напряженного состояния в отформованном изделии. Это достигается приложением небольшого внешнего усилия (0,01–0,02 МПа), обеспечивающего перемещение частиц в направлении силы гравитации. Под действием этих сил частицы заполнителя стремятся занять свободные места в объеме, а не сжиматься, т.е. происходит оптимальная упаковка заполнителя, что обеспечивает хорошее уплотнение смеси, а следовательно, наибольшее число контактов в уплотненной структуре. ЦНИИЭПсельстроем разработана соответствующая технологическая линия формования стеновых панелей для жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий (рис.6). Изделия из арболита изготавливают в стальных формах или в стальных формах на поддонах. Поддоны позволяют снизить металлоемкость парка форм. В этом случае на каждый типоразмер достаточно иметь две формы и парк поддонов на принятую номенклатуру изделий. Кроме того, при этом можно получать изделия различной толщины (меняя толщину – высоту поддонов).

Рисунок 6. Принципиальная схема производства арболитовых изделий способом вибрирования с пригрузом
получение арболита вибрированием с пригрузом
Рисунок 5
Формующая установка, работающая по способу вибрирования с пригрузом в цехе арболитовых изделий на Горийском ДОЦе
  1. узел подачи дробленки;
  2. циклон;
  3. расходный бункер дробленки;
  4. расходный бункер цемента;
  5. смеситель;
  6. укладчик арболитовой смеси;
  7. укладчик фактурного слоя;
  8. форма;
  9. пригруз подвижный;
  10. виброплощадка СМЖ-200А;
  11. привод перемещения формы;
  12. готовое изделие на поддоне;
  13. кран-балка;
  14. узел приготовления фактурного слоя.
схема производства арболитовых изделий способом вибрирования с пригрузом
Процесс изготовления изделий заключается в следующем: стальная форма с поддоном устанавливается на тележку, которая перемещается под бункер для укладки нижнего фактурного слоя из цементно–песчаного раствора. На посту в форму укладывается арматура и форма перемещается под бункер, где укладывается и разравнивается слой арболитовой смеси. При перемещении формы укладывается верхний фактурный слой. Перед уплотняющим блоком в форму кран–балкой укладывают пуансон. Тележка с формой и пуансоном тросовым конвейером перемещается на виброплощадку под пригруз. С помощью пневмоцилиндров форма и пригруз опускаются. Кронштейны пригруза, по которым перемещается форма, выходят из зацепления с тележкой и форма с тележкой опускаются на виброплощадку. При дальнейшем опускании пригруз ложится на пуансон, передавая через него усилие на формуемое изделие. Включается виброплощадка и в течение 3–5 мин происходит уплотнение. При вибрации под действием пригруза пуансон опускается в форме (до упоров), уплотняя смесь и обеспечивая заданную толщину изделия.

После уплотнения операции повторяются в обратном порядке – тележка выкатывается на пост распалубки, снимается пуансон, открываются борта формы и изделие на поддоне передается кран–балкой на рольганг камеры тепловой обработки. Тепловая обработка осуществляется при 40–50°С и относительной влажности воздуха 70–80% в течение 18–20 ч. Готовые изделия передаются на склад, где выдерживаются до набора отпускной прочности.

Технологическая линия ЦНИИЭПсельстроя экономична, проста в изготовлении и обслуживании и позволяет получать качественные арболитовые изделия в соответствии с ГОСТ 19222–73. Линия пригодна для изготовления изделий из арболита любого назначения. Следует отметить, что взамен виброплощадки обычного типа, более целесообразно применение виброударной установки. Этот способ наиболее близок к традиционным технологиям уплотнения бетона (вибрирование с пригрузом) и позволяет применять стандартные вибростолы, поэтому такое направление может считаться перспективным.

4. Способ послойной укладки и уплотнения арболитовой смеси

Предложен и разработан Саратовским объединением «Росстройматериалы» совместно с Гипростроймашем (рис. 7). Такая технологическая линия в 1979 г. пущена на ЭДСК в г. Издешково Смоленской области.

Изделие формуют на поддоне, который остается во время формования неподвижным. Формующий блок с тележкой уплотнения поднимается вверх на 1,5–2 см и в образовавшуюся форму из скользящей бортоснастки укладывается нижний фактурный слой и плоская сетка (при необходимости). Затем он поднимается еще на 5–7 см и укладывается в уровень с бортами слой арболитовой смеси. После этого блок опускается вниз на величину уплотнения смеси и осуществляется «укатка» за 2–4 прохода образовавшейся «горбушки». Процесс продолжается до набора требуемой толщины изделия. Последним укладывается верхний фактурный слой, который также укатывается. После завершения формования формующий блок (скользящая бортоснастка) опускается вниз, открывая изделие и поддон. Изделие на поддоне передается на конвейер термокамеры, а после термообработки направляется на склад для набора прочности.

Рисунок 7. Схема установки для послойного формования изделий из арболита СМЖ-506
  1. подвижная опалубка;
  2. изделие;
  3. поддон;
  4. укатывающая тележка;
  5. рычажная система «ножниц»;
  6. основание;
  7. стойка;
  8. гидропривод
Схема установки для послойного формования изделий из арболита СМЖ-506
Рассмотренная технология в принципе довольно проста, но пока еще имеет ряд недостатков: изделия можно армировать только плоскими сетками; верхняя сетка не фиксируется и, как показывает опыт, «всплывает»; сложна установка закладных деталей; затруднительно в процессе формования устройство пазов, что при монтаже панелей создает трудности при заделке вертикальных стыков. При незначительном нарушении технологического режима не исключено расслаивание изделия в процессе эксплуатации; затруднительно получение однородного по толщине и плотности фактурного слоя из цементно-песчаного раствора, так как приходится применять жесткие смеси; монтажные петли после формования необходимо освобождать от арболита. Кроме того, при переходе на выпуск изделий другой номенклатуры требуется довольно сложная и длительная переналадка формующего блока, да и процесс формования достаточно продолжителен, что ограничивает производительность установки. После модернизации и устранения этих недостатков такая линия может быть пригодна для выпуска арболитовых изделий небольшой высоты 200–250 мм.

В последние годы в НИИЖБ проведены исследования по улучшению реологических свойств арболитовой смеси (удобоукладываемости) путем введения в нее технической пены, что позволило формовать изделия на стандартном вибростоле. Выпущена опытная партия стеновых панелей из поризованного арболита на Октябрьском ДСК (Архангельской области). Технико-экономическая эффективность производства поризованного арболита в промышленных масштабах в определенной степени свидетельствует о его перспективности.

Ознакомление с наиболее перспективными технологическими линиями формования и уплотнения арболитовой смеси позволяет сделать следующие выводы:

Все рассмотренные способы дают возможность уплотнять арболитовую смесь при получении изделий требуемой величины в соответствии с ГОСТ 19222–73 «Арболит и изделия из него» при нормативном расходе сырьевых материалов и тем самым получать качественные изделия.

Лабораторные исследования и промышленный опыт доказывают, что для такого специфического вида бетона, как арболит, прочностные характеристики в большей мере находятся в зависимости не только от средней плотности и соотношения составляющих, но и от свойств заполнителя как физически и химически активного компонента материала. Получение более «инертного» в химическом и физическом отношении заполнителя (т.е. снижение содержания цементных «ядов», уменьшение подверженности влажностным деформациям) – главные направления повышения качества арболита.

Способ уплотнения и тип формующей установки выбирают при соответствующем технико–экономическом обосновании в зависимости от вида и номенклатуры конструкции и объема производства.

Завершающим этапом технологического процесса является тепловая обработка и твердение изделий до набора отпускной прочности. Проведенные исследования не дают возможности рекомендовать интенсифицированные режимы термообработки. Попытка пропаривать арболит, как обычный бетон, привела к потере прочности. Это объясняется тем, что при пропаривании в арболите возрастают внутренние напряжения за счет объемных деформаций заполнителя, которые нарушают целостность структуры арболита; одновременно увеличивается выделение сахаров из древесного заполнителя, что способствует «отравлению» цемента.

Наилучшие результаты получены при низкотемпературной обработке арболита по мягким режимам: температура сушки 40–50°С и относительная влажность воздуха 70–80%. При таком режиме арболит приобретает распалубочную прочность через 18–20 ч. Однако прочность его при этом не превышает 25–40% марочной прочности, а влажность остается в пределах 30–35%. Для дальнейшего набора прочности и снижения влажности до регламентируемых величин требуется дополнительная выдержка изделий на закрытом складе при 16–18°С не менее чем 7–14 дней. После этого изделия можно отправлять на склад с любым температурно–влажностным режимом (естественное хранение, исключающее увлажнение).

Нами установлено, что современные технологии обеспечивают получение арболитовых изделий заданной средней плотности, но не гарантируют при этом достижение требуемых прочностных показателей. Установлено, что основными факторами, определяющими прочность такого бетона, как арболит, являются: адгезионная прочность при сцеплении с цементным раствором отдельных частиц заполнителя и нормальные условия твердения цементного раствора. Органический целлюлозный заполнитель, деформируясь под воздействием переменной влажности в процессе твердения и сушки арболита, может нарушать целостность структуры цементного камня, а выделяемые экстрактивные вещества снижают адгезию и препятствуют нормальной гидратации цемента и замедляют процессы твердения. Поэтому повышения прочности и стойкости арболита к влагопеременным воздействиям можно достичь путем направленного структурообразования с учетом всех специфических особенностей древесного или другого органического целлюлозного заполнителя.

IV. Пути повышения прочности арболита и интенсификация процесса его твердения

1. Теоретические основы разработки способов повышения качества арболита

Рассмотрение арболита как крупнопористого конгломерата с контактирующей структурой позволяет, основываясь на закономерностях образования искусственных строительных конгломератов, разработанных проф. И.А. Рыбьевым и его последователями, и на выявленных в наших исследованиях специфических особенностях древесного заполнителя, влияющих на структурообразование, предложить способы повышения прочности арболита и его стойкости к влагопеременным воздействиям. Недостаточная изученность влияния особенностей структурно–механических и технологических свойств древесного заполнителя на качество арболита затрудняли возможность повышения эффективности используемого вяжущего (недобор марочной прочности) и управлять процессами структурообразования арболита и оптимизации структуры конгломерата.

Как показали наши исследования, такими специфическими особенностями древесного заполнителя являются:
  • значительные и неодинаковые влажностные деформации с проявлением анизотропности не только в структурных направлениях, но в пределах одного направления в годичных слоях ранней и поздней древесины (усадка и набухание для ели и сосны составляют от 0,1–0,3% вдоль волокна, до 12% в тангенциальном направлении, т.е. разница может составить до 120%; усушка ранней древесины равна 8,05%, поздней – 11,26%);
  • развитие значительного давления набухания, неодинакового как в радиальном и тангенциальном направлениях, так и в пределах годичного слоя ранней и поздней древесины (в радиальном направлении составляет от 0,82 до 0,94 МПа, а в тангенциальном от 1,44 до 2,05 МПа); для ранней древесины оно равно от 1,68 до 4,47 МПа, т.е. его значения близки к пределу пластического течения древесного заполнителя и к пределу прочности арболита;
  • повышенная шероховатость древесной дробленки, у которой высота отдельных гребней и впадин может достигать от 800 до 1600 мкм, что создает предпосылки для нарушения непрерывности прослойки цементного камня, имеющей толщину (при нормированных расходах портландцемента) от 54 до 365 мкм; при этом нарушаются условия оптимальности структуры конгломерата;
  • низкая адгезия древесного заполнителя с цементным камнем, влияние на величину сцепления в плоскости контактной зоны содержания ранней и поздней древесины в силу того, что величина сцепления ранней древесины в 1,6–2 раза больше, чем у поздней;
  • низкая когезия прочности прослоек из цементного камня, ослабленная присутствием древесного заполнителя, обусловленная недостаточной податливостью прослоек под воздействием в контактных зонах объемной влажностной деформации и меняющегося на участке ранней и поздней древесины давления набухания;
  • высокая полярность целлюлозы – основного компонента древесного заполнителя – обусловливает выбор добавок для облагораживания древесного заполнителя при модификации цементного камня с возможно большей полярностью;
  • проявление химической агрессивности древесного заполнителя при гидролизе и гидратации портландцемента, которое в достаточной мере изучено и в настоящей работе не рассматривается;
  • упруговязкопластические свойства древесного заполнителя, выражающиеся в такой отрицательной форме, как деформация уплотнения смеси, распрессовка отформованного изделия после снятия приложенного давления уплотнения.
Основу направленного структурообразования арболита с учетом специфических особенностей древесного заполнителя с целью повышения его качества могут составить следующие положения теории искусственных строительных конгломератов. Наибольшая прочность конгломерата достигается при оптимальной структуре, характеризующейся равномерным распределением заполнителя по объему, наличием непрерывной прослойки в виде пространственной сетки каркаса вяжущего вещества и минимальным значением фазового отношения, что соответствует минимальной толщине пленки среды – вяжущего вещества, а также при обеспечении плотной упаковки твердой фазы – древесной дробленки.

Для оптимизации структуры арболита первостепенное значение имеют следующие факторы: упрочнение цементного камня и повышение растяжимости (приближение его деформативности к влажностным деформациям анизотропного древесного заполнителя); повышение деформативной устойчивости (снижение влажностных деформаций и развиваемого давления набухания) древесного заполнителя и арболита; оптимизация качества древесного заполнителя за счет придания ему «изотропных» свойств путем изменения его формы, что обеспечивает непрерывность прослойки цементного камня; повышение адгезии цементного камня с древесным заполнителем, а также повышение плотности арболита путем введения минеральных добавок и улучшения качества упаковки твердой фазы (заполнителя).

В проведенной нами работе рабочей гипотезой послужило предположение о том, что повышение прочности и стойкости арболита влагопеременным условиям может быть достигнуто оптимизацией структуры путем направленного структурообразования следующими способами:
  • облагораживание древесного заполнителя (физическим или химическим путем), позволяющим снизить его влажностные деформации и давление набухания, а также увеличить сцепление с цементным камнем;
  • введение в состав смеси некоторого количества высокомолекулярного соединения, повышающего эластичность прослоек цементного камня, компенсирующего объемные влажностные деформации древесного заполнителя деформациями эластичного каркаса (эластичных швов в структуре);
  • введение в состав смеси минеральной добавки, позволяющей путем омоноличивания контактных зон упрочнить каркас структуры и повысить прочность арболита;
  • применение древесной дробленки оптимальной формы и размеров; улучшение уплотнения арболитовой смеси, что позволяет снизить отрицательное влияние редеформации (распрессовки) упругой арболитовой смеси при формовании изделий, заменить сжатие упругой смеси компактной упаковкой твердой фазы.
Из теории искусственных строительных материалов известно выражение, аппроксимирующее прочность материалов с конгломератной структурой, где:
R – прочность материала;
R* – прочность вяжущего оптимального состава;
δ/δ* – отношение усредненной толщины;
δ – пленка среды в вяжущем веществе к усредненной толщине;
δ* – пленка среды в вяжущем оптимального состава;
n – показатель степенной функции, зависящей от природы и характера зернистых компонентов смеси.
формула прочности материалов
Известно, что снижение фазового соотношения для оптимальных структур, т.е. утоньшение усредненной пленки, может быть достигнуто повышением дисперсности применяемого вяжущего и другой твердой фазы (минеральных добавок), введением пластифицирующих добавок, улучшением режима перемешивания и уплотнения смеси и других факторов.

Показатель степени (n) может быть снижен за счет повышения поверхностной активности увеличения шероховатости зерен заполнителя до необходимого предела, а также увеличения адгезии на границе раздела поверхности заполнитель – цементный камень.

Работами И.А. Рыбьева, М.И. Клименко, А.А. Акчабаева, М.М. Чернова показано, что такие древесноцементные материалы, как арболит и фибролит, подчиняются закономерностям, принятым для конгломератных структур. Как показали наши исследования, адгезионная прочность – сцепление древесного заполнителя с цементным камнем и когезионная прочность цементного камня – прослоек в структуре арболита – обусловливается степенью воздействия влажностных деформаций и давления набухания, зависящей от породы, формы частиц и ее удельной поверхности, а также шероховатости поверхности заполнителя.

Поэтому с учетом ряда специфических особенностей древесного заполнителя прочность арболита оптимальной структуры можно определить по предложенному нами эмпирическому выражению, где:
R*сж – прочность арболита оптимальной структуры;
1,5 и 15 – эмпирические коэффициенты;
F – показатель сцепления (адгезионная прочность) древесного заполнителя с цементным камнем;
Ц/Д – цементно-древесное отношение; водоцементное отношение;
n – показатель степени (характеризует свойства древесного заполнителя, зависит от коэффициента формы частиц, ее удельной поверхности, шероховатости, степени химической «агрессивности» и анизотропности древесной породы); для портландцементного арболита n=0,82-0,98.
формула прочности арболита
Использование этого выражения позволяет с большей достоверностью прогнозировать прочность арболита подбираемого состава с учетом свойств конкретного древесного заполнителя. Теоретические изыскания и поисковые эксперименты позволили выбрать для детальной проверки наиболее эффективные способы обработки древесного заполнителя и облагораживания арболитовой смеси – введение в ее состав минеральных и высокомолекулярных добавок.

2. Исследование контактной зоны в структуре арболита

Так как степень отрицательного воздействия влажностных деформаций древесного заполнителя на прочность арболита во многом определяется его сцеплением с цементным камнем, то изучать влияние этих факторов на прочностные характеристики арболита целесообразно во взаимосвязи. При изучении контактной зоны мы исходили из предположения, что при нормированных расходах портландцемента (260–390 кг на 1 м3) и большой удельной поверхности заполнителя прочность арболита обеспечивается сцеплением цементного камня с древесным заполнителем, а защемление его растворной частью (цементным камнем) может быть практически минимальным. Для оценки структуры конгломерата типа арболита с заполнителем, имеющим форму пластинок, толщина клеевой прослойки цементного камня – каркаса, значит больше, чем в случае, когда заполнитель в бетоне имеет примерно шаровидную форму, так как контакт между такими зернами носит точечный характер. Поэтому при изучении контактной зоны нами сделана попытка определить расчетным путем толщину прослойки цементного камня в структуре арболита.

Толщину прослойки цементного камня в контактной зоне в структуре арболита приближенно (без учета проникания геля в поры древесины) можно определить с помощью предложенного нами эмпирического выражения, где:
Ц и Д – соответственно расход цемента и древесной дробленки, кг на 1 м3 арболита;
а – коэффициент, учитывающий технологические свойства древесноцементной композиции;
ρц – средняя плотность цемента, кг/мЗ;
К – выход цементного теста нормальной густоты, в частях от единицы;
Fуд – удельная поверхность древесной дробленки, м2/кг.
формула толщины цементного камня
В наших исследованиях а, К, ρц, и Fуд имели следующие значения: а = 1,25; К = 0,5; ρц = 1198 кг/мЗ; Fуд1 = 2,57 м2/кг; Fуд2 = 3,01 м2/кг; Fуд3 = 3,45 м2/кг; Fуд4 = 4,79 м2/кг; Fуд5 = 17,56 м2/кг.

Удельную поверхность древесных частиц (Fуд, см2/г) заполнителя определяли по известной методике и по формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов, где:
ρ – средняя плотность древесины, г/смЗ;
l, b, a – соответственно длина, ширина и толщина единичного объекта, см.
формула удельной поверхности древесных частиц
Расчетная толщина прослойки цементного камня в структуре арболита различных марок (ГОСТ 19222–73) при нормированном расходе портландцемента, регламентированном «Руководством 6–74», и при использовании древесного заполнителя с постоянной удельной поверхностью (4,79 м2/кг) имеет близкие значения и зависит от Д/Ц (древесноцементного) отношения. При Д/Ц = 0,62–0,66 толщина прослойки цементного камня составляет 0,173–0,187 мм, а при Д/Ц=0,55–0,61 соответственно 0,188–0,209 мм.

Проведенные эксперименты при одном и том же составе арболитовой смеси по массе, например, применительно к марке М35, но при разной удельной поверхности древесного заполнителя (от 17,56 до 2,57 м2/кг), а следовательно, и разной толщине прослойки цементного камня в структуре, показали, что прочность арболитовых образцов существенно различается; значение ее приведено в табл. 10.

Из экспериментальных данных следует (см. табл. 10), что при уменьшении удельной поверхности древесного заполнителя до некоторого предела прочность арболита растет. Снижение же прочности при значительной крупности заполнителя (при Руд = 2,57 м2/кг) отчасти может быть объяснено влиянием больших влажностных деформаций, вызывающих развитие напряжений в контактных зонах в процессе твердения и сушки арболита. При использовании мелкой фракции снижение прочности объясняется значительным уменьшением толщины цементных прослоек в структуре (до 0,054 мм) из-за большой удельной поверхности заполнителя.

Таблица 10. Влияние удельной поверхности древесного заполнителя – дробленки и толщины прослойки цементного камня на прочность при сжатии арболита

Исследования обнаружили существенное влияние удельной поверхности древесного заполнителя на толщину клеевой прослойки (от 0,365 до 0,054 мм) и структурно–механические показатели арболита. Зависимость толщины клеевой прослойки цементного камня от удельной поверхности древесного заполнителя, ее влияние на предел прочности арболита при статическом сжатии представлена на рис. 8 и 9. Так, прочность арболита на заполнителе оптимальной фракции при удельной поверхности (3,01 м2/кг) на 1,55 МПа превышает прочность арболита такого же состава на мелкой фракции (17,56 м2/кг), что составляет 42,8% марочной прочности арболита М35.
график влияния удельной поверхности древесного заполнителя
Рисунок 8
Влияние удельной поверхности древесного заполнителя на расчетную толщину прослойки цементного камня в контактной зоне арболита
Определенная с помощью предложенного нами выражения (4) толщина прослойки между отдельными частицами древесного заполнителя и исследования под микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров подтвердили предположение о том, что при нормированном расходе портландцемента растворная часть цементного теста расходуется только на проклейку частичек, а защемление их практически несущественно. Толщина прослоек цементного камня в структуре арболита для средней фракции с удельной поверхностью 3,45–4,79 м2/кг составляет 0,19–0,27 мм. Для сравнения отметим, что в крупнопористых бетонах на минеральных заполнителях толщина прослойки в контактной зоне находится в пределах 1–2 мм, т.е. в 6–10 раз превышает эту величину в структуре арболита. Таким образом арболит можно рассматривать как конгломерат крупнопористой структуры с контактирующим заполнителем. Прочность и стойкость такого бетона в значительной степени обусловливаются силами сцепления между заполнителем и цементным камнем и прочностью каркаса в структуре арболита.
График влияния расчетной толщины прослойки цементного камня на прочность арболита
Рисунок 9
Влияние расчетной толщины прослойки цементного камня на прочность арболита при сжатии при постоянном составе компонентов и изменении удельной поверхности заполнителя в пределах от 17,56 до 2,57 м2/кг.
Определенная с помощью предложенного нами выражения (4) толщина прослойки между отдельными частицами древесного заполнителя и исследования под микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров подтвердили предположение о том, что при нормированном расходе портландцемента растворная часть цементного теста расходуется только на проклейку частичек, а защемление их практически несущественно. Толщина прослоек цементного камня в структуре арболита для средней фракции с удельной поверхностью 3,45–4,79 м2/кг составляет 0,19–0,27 мм. Для сравнения отметим, что в крупнопористых бетонах на минеральных заполнителях толщина прослойки в контактной зоне находится в пределах 1–2 мм, т.е. в 6–10 раз превышает эту величину в структуре арболита. Таким образом арболит можно рассматривать как конгломерат крупнопористой структуры с контактирующим заполнителем. Прочность и стойкость такого бетона в значительной степени обусловливаются силами сцепления между заполнителем и цементным камнем и прочностью каркаса в структуре арболита.

Для изучения характера сцепления цементного камня с древесиной на микроскопическом уровне и для проверки предположения, высказанного проф. И.А. Кириенко при изучении сцепления бетона с деревянной арматурой о возможном проникании геля цемента в поры древесины, мы провели исследования контактной зоны модели типа «M1» (две деревянные пластины с прослойкой из цементного камня) и отколов арболита, а также микросрезов, полученных с помощью замораживающего микротома.

Контактную зону (древесный заполнитель – цементный камень) изучали с помощью растровой электронной микроскопии. Напыленные серебром толщиной 150–200 А образцы исследовали визуально при увеличении в 26–1300 раз, а наиболее интересные участки фотографировали. В наших исследованиях энергия электронов падающего пучка на образец составила 20 кэВ при силе тока 10-10–10-11 А . Рабочий вакуум в камере для образца составлял 1,333∙10-3 Н/м2.

Характерной особенностью состояния адгезива – цементного камня – является его рыхлая структура, чем можно объяснить когезионный характер разрушения структуры арболитовых образцов при их испытании. Исследования под микроскопом с помощью окулярного и объективного микрометров показали, что толщина прослойки цементного камня в отколах арболита при расходе портландцемента 360–390 кг на 1 мЗ и при удельной поверхности древесного заполнителя 4,5–5 м2/кг в среднем не превышает 0,2–0,3 мм, что подтверждает справедливость предложенного выражения (5).
При изучении проникания цементного геля (цементного камня) в древесину, микросрезы на разном удалении от контактного слоя были получены с помощью замораживающего микротома модели «X», который позволил исключить выкрашивание из микропор затвердевших частиц геля цементного камня. В проведенных экспериментах толщина срезаемых слоев древесного заполнителя не превышала 10–20 мкм. Как видно из рис. 10 (поперечный срез ели), следы проникания цементного геля наблюдаются в клетках (трахеидах) в зоне ранней древесины.
поперечный микросрез арболита
Рисунок 10
Поперечный микросрез, полученный с помощью замораживающего микротома. В клетках виден цементный камень
Для сравнения представлена микрофотография (рис. 11), заимствованная у Н.Л. Коссовича. Преимущественное проникание цементного геля в трахеиды ранней древесины ели и сосны может быть объяснено анатомическим строением древесины. Трахеиды ранней части квадратные, пяти– или шестигранные по форме, имеют широкие полости, размером в поперечнике около 30 мкм. В поздней части трахеиды округло–прямоугольные, с узкими полостями размером 10 мкм и стенками толщиной от 3,5 до 6,1 мкм. Длина трахеид достигает 2–3 мм. Как показало изучение под микроскопом, цементный камень (цементный гель) проникает на глубину 1–1,5 мм, т.е. на половину длины клеток трахеид. Это подтверждает участие механических сил сцепления в адгезии цементного камня с древесиной.
поперечный срез древесины
Рисунок 11
Поперечный срез древесины ели, не обработанный цементным гелем. Полости клеток свободны

3. Влияние различных факторов на адгезионную прочность системы «древесина – цементный камень»

При изучении влияния различных факторов на адгезионную прочность системы «древесина – цементный камень» учитывалось, что адгезионные соединения, отличающиеся только формой, могут существенно отличаться по адгезионной прочности, хотя молекулярная связь между адгезивом (цементный камень) и субстрактом (древесина) одинакова. Поэтому моделями заполнителя в данных исследованиях служили образцы–пластины размером 20×20×40 мм, которые по коэффициенту формы близки к используемым фракциям древесного заполнителя. Экспериментально выявлена зависимость адгезионной прочности от толщины прослойки цементного камня и шероховатости поверх­ности (класса чистоты обработки) модели древесного заполнителя.

При заданных условиях все образцы обрабатывали раствором СаСl2; для строганных пластин наибольшая величина сцепления древесины с цементным камнем достигалась при толщине прослойки 0,3–0,4 мм. При толщине прослойки цементного камня 0,4 мм у моделей со строганными пластинами как сцепление с цементным камнем, так и предельная растяжимость были несколько больше, чем у моделей с колотыми пластинами.

Для колотых образцов наибольшее значение сцепления достигается при толщине клеевой прослойки 0,6 мм. В более толстых прослойках, по-видимому, проявляются большие усадочные деформации. Как показали эксперименты с ростом шероховатости поверхности адгезионная прочность сцепления древесины с цементным камнем увеличивается. Повышение адгезионной прочности, по-видимому, связано с появлением большого числа активных центров, увеличением истинной площади контакта и механическим сцеплением ворсинок и углублений, выполняющих функцию своеобразных шпонок и заклепок. Однако, когда шероховатость достигает некоторого предела (при высоте гребня больше 0,4 мм), в колотых образцах прочность сцепления снижается, видимо, из-за нарушения сплошности клеевой прослойки, вследствие внедрения в нее отдельных крупных гребней, т.е. нарушается одна из главных особенностей оптимальной структуры. В дальнейшем при изучении возможности повышения адгезионной прочности сцепления элементов моделей арболита во всех экспериментах толщина клеевой прослойки (цементного камня) для строганых пластин принималась 0,3 мм.
Данные об адгезионном сцеплении древесины с цементным камнем, приведенные исследователями (см. табл. 9), различаются из-за отсутствия учета специфических особенностей анатомического строения пород древесины. Поэтому при исследовании адгезионной прочности по предлагаемой нами методике учитывается: характер поверхности, направление среза склеиваемых поверхностей (радиальный, тангенциальный срезы), направление волокон и площадь, занимаемая поздней древесиной на склеиваемых поверхностях пластин моделей, а также условия изготовления и хранения (под свободно перемещаемым пригрузом в накопителе, рис. 12), исключающие влияние на процессы формирования адгезионного соединения влажностных деформаций (в первый период разбухания, а затем усушки).
Накопитель со свободно перемещаемым пригрузом для склеивания моделей древесного заполнителя
Рисунок 12
Накопитель со свободно перемещаемым пригрузом для склеивания моделей древесного заполнителя. Слева направо: пригруз постоянной массы; пригруз меняющейся массы; накопитель в сборе; накопитель с образцами в нагруженном состоянии
Испытание образцов моделей первого и второго типа осуществлялось на универсальном приборе, разработанном в ЦНИИЭПсельстрое. Исследования показали, что сопротивление отрыву в моделях тангенциального среза на 30–40% больше, чем у моделей радиального среза. Это можно объяснить неодинаковой сцепляемостью с цементным камнем ранней и поздней древесины, а при одинаковой площади, занимаемой поздней древесиной, более равномерным распределением ее на тангенциальном срезе.

С увеличением площади поздней древесины на склеиваемых поверхностях моделей заполнителя наблюдается значительное снижение адгезионной прочности, что объясняется, по-видимому, более низкой сцепляемостью этих участков с цементным камнем и возможностью развития значительных влажностных деформаций из-за повышенной плотности поздней древесины. При изучении характера отрыва адгезионного соединения моделей арболита было обнаружено, что адгезионная прочность моделей тангенциального среза древесины на склеиваемых поверхностях больше, чем у моделей той же породы радиального среза, что можно объяснить большим содержанием поздней древесины на поверхностях пластин. Для моделей с тангенциальным срезом склеиваемых поверхностей из разных пород древесины адгезионная прочность различна: у ели она выше, чем у сосны вследствие различного содержания ранней и поздней древесины. Так, у ели площадь поздней древесины в тангенциальном срезе составляет 13%, а у сосны – 30%.

В большинстве испытанных на отрыв моделей на участках поздней древесины наблюдается адгезионный вид разрушения, тогда как на участках ранней древесины разрушение смешанное или когезионное (по древесине или цементному камню). Поэтому адгезионная прочность, получаемая при испытании моделей может быть принята как усредненная величина сцепления на участках ранней и поздней древесины. Таким образом, для получения сопоставимых результатов нельзя говорить об адгезионной прочности для композиции «древесина – цементный камень», не указав, какую площадь занимает поздняя древесина на склеиваемой поверхности и какова шероховатость поверхности.

4. Адгезия ранней и поздней древесины с цементным камнем

В качестве рабочей гипотезы мы выдвинули предположение, что адгезионная прочность – сцепление разных участков древесины (ранней и поздней) с цементным камнем – носит неравномерный характер и разрушение (центры деструкции) адгезионных соединений в контактных зонах в структуре арболита возникает на участках поздней древесины, где возможны наибольшие влажностные деформации.

Для определения влияния содержания в контактных зонах плоскостей склеивания неодинаковых по морфологическому строению участков ранней и поздней древесины на их сцепление с цементным камнем разработан следующий метод. Из древесины отдельных годичных слоев вырезают пластины или кубы с цельным слоем на грани ранней и поздней древесины. Изготовляют образцы трех видов с различными поверхностями сторон, обращенных к прослойке цементного теста: ранняя – ранняя, ранняя – поздняя, поздняя – поздняя. Образцы, проклеенные цементным тестом нормальной густоты, укладывают накопитель под свободно перемещаемый пригруз, где они хранятся до испытания. Во всех образцах площадь склеивания составляла 1 см2. Склеенные образцы испытывали на разрыв на приборе ДШ–ЗМ–1 (рис. 13), предназначенном для определения прочности хлопкового и штапельного волокна.
Схема прибора ДШ–3М–1
Рисунок 13
Общий вид прибора ДШ–3М–1

1 – механизм подъема нижнего зажима;
2 – шкала;
3 – стрелка-указатель;
4 – груз;
5 – силоизмеритель маятниковый;
6 – подвеска;
7 – верхний зажим;
8 – нижний зажим;
9 – рейка;
10 – груз.
Результаты исследований выявили, что показатели адгезионной прочности для всех пород и видов обработки моделей с пластинами ранней древесины (ранняя-ранняя) больше, чем у моделей «поздняя–поздняя» и «ранняя–поздняя». Однако, если для сосны разница составляет соответственно 35 и 76%, то для ели она значительно меньше: 12 и 30%. Это можно объяснить тем, что морфологическое строение древесины ели отличается некоторыми особенностями из-за преобладания (87%) однотипных клеток трахеид ранней древесины и только 13% составляет поздняя.

Ель относится к породам с мягкой однородной древесиной. Из опубликованных данных видно (см. табл. 8), что деформативность разных участков хвойных пород неодинакова. Это дает основание предположить, что в контактных зонах структуры арболита, на участках поздней древесины могут наблюдаться гораздо большие влажностные деформации, чем на участках ранней древесины. Наименьшая разность таких деформаций наблюдается у древесины ели.

Предпочтение, которое отдавали древесине ели при производстве арболита и других древесноцементных материалов объяснялось ранее меньшим содержанием в ней легкогидролизуемых веществ. Наши исследования показали, что заполнитель из ели имеет еще и то преимущество, что величина силы его сцепления с цементным камнем выше, чем у других пород, а в процессе твердения и сушки арболита в контактных зонах его структуры образуются меньшие влажностные деформации вследствие более высокой, чем у других пород, однородности структуры.

Исследования микросрезов, полученных с помощью замораживающего микротома типа «X» из древесного заполнителя арболита, проведенные с применением растровой электронной микроскопии, показали, что цементное тесто проникает преимущественно в полости клеток (трахеид) на участках ранней древесины (см. рис. 10). Можно предположить, что более высокая адгезия цементного камня с ранней древесиной обеспечивается не только действием молекулярных сил сцепления, но еще и механических. Таким образом, невысокую прочность арболита можно объяснить специфической природой древесного заполнителя, неоднородным характером сцепления в контактных зонах на участках ранней и поздней древесины заполнителя, а также соответствующим влиянием неодинакового напряженного состояния в пределах каждой контактной зоны в силу возможности развития разных по величине влажностных деформаций на участках ранней и поздней древесины.

Учитывая анизотропные свойства древесного заполнителя, можно предположить, что при развитии напряжений, превышающих нормированные, центры деструкции в структуре арболита зарождаются преимущественно в контактных зонах на участках поздней древесины, а разрушение происходит уже затем по ослабленным контактам конгломерата.

5. Повышение сцепления древесины с цементным камнем в структуре арболита

Вследствие того, что прослойки цементного камня толщиной 0,054–0,365 мм, т.е. вяжущего, в основном расходуются на проклейку древесных частиц заполнителя и не в состоянии обеспечить их защемление, повышения прочности структуры арболита можно достичь следующими предлагаемыми нами способами:

  • физико–химической обработкой древесного заполнителя с целью повышения адгезионной прочности его сцепления с цементным камнем;
  • введением в состав арболитовой смеси химических и полимерных добавок с целью повышения (адгезионной и когезионной прочности) сцепления в системе «древесина – цементный камень» и увеличения предельной растяжимости адгезионного соединения;
  • повышением механического сцепления в структуре (защемление заполнителя), увеличением объема растворной части цементного камня путем ввода в состав арболитовой смеси тонкоизмельченных фракций минеральных добавок. Так как степень отрицательного воздействия влажностных деформаций древесного заполнителя на прочность арболита в большей мере определяется показателями сцепления двух различных по своей природе материалов (органического целлюлозного заполнителя и минерального вяжущего), то изучать влияние этих факторов целесообразно во взаимосвязи. Поэтому при выборе вида обработки древесного заполнителя моделей или модификации цементного камня с целью повышения сцепления в системе «древесина – цементный камень» ставилось такое условие. По возможности обеспечить также снижение влажностных деформаций путем стабилизации размеров (объема) заполнителя (т.е. снижать его гидрофильность) или повышать эластичность клеевой прослойки, увеличивающей растяжимость соединения.

При одинаковой шероховатости деревянных моделей адгезионную прочность можно изменять обработкой поверхности, что подтверждает наличие межмолекулярного взаимодействия на границе «вяжущее – древесина». При химической модификации поверхности древесного заполнителя эти соединения вступают в реакцию с гидроксильными группами целлюлозы и лигнина древесины. Даже незначительная модификация поверхности древесины вызывает изменение химического взаимодействия вяжущего и древесины.

В наших исследованиях были использованы следующие химические и полимерные вещества (соединения): хлорид кальция, хлорид алюминия, поливинилацетатная дисперсия, латекс СКС–65ГПБ, которые в той или иной мере влияли на упрочнение адгезионного соединения (древесина – цементный камень) . Были применены также высокотемпературная обработка моделей и уплотняющие минеральные добавки в виде тонкоизмельченных фракций известняка.

Исследования свидетельствуют о том, что наиболее эффективна пропитка раствором хлорида алюминия (плотностью 1,08). Увеличение адгезионной прочности наблюдалось во все сроки хранения. В 28–суточном возрасте прочность сцепления была на 67% выше, чем у моделей, обработанных раствором хлорида кальция равной плотности и на 570%, т.е. в 5,7 раза по сравнению с результатом, полученным, когда пластинки моделей замачивались в воде такое же время (15 мин), как и при пропитке в химических растворах.

Деревянные пластинки моделей, прошедшие высокотемпературную сушку при 160°С, показали повышенную прочность сцепления с цементным камнем (выше на 89%), чем без термообработки, но меньшую, чем при обработке раствором СаСl2 и AlCl3. Значительное повышение адгезионной прочности у термообработанных моделей может быть объяснено частично стабилизацией их объема, обусловливаемой образованием эфирных связей, сопровождающих потерю связанной воды, и переходом легкогидролизующихся веществ (простейших cахаров) «цементных ядов» и более труднорастворимые соединения.

Положительный эффект получен при обработке поверхности деревянных пластин моделей поливинилацетатной дисперсией или латексом совместно с одним из хлоридов (СаСl2 или AlCl3, а также при их введении в цементное тесто. При этом наряду с увеличением сцепления – сопротивления отрыву – значительно увеличивалась растяжимость адгезионного соединения вследствие повышения эластичности клеевой прослойки. Предполагается, что адгезия системы «древесина – цементный камень» обусловливается взаимодействием гидроксида кальция, обра­зующегося при твердении портландцементного теста в контактной зоне с полярными функциональными группами компонентов древесины – целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы.

Силы связи между цементным тестом (превращающегося в дальнейшем в цементный камень) и стенками клеток древесины, могут быть объяснены положениями адсорбционной теории адгезии. Известно, что составные части древесины, в первую очередь целлюлоза, характеризуются структурной поляризацией (поверхности молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина несут отрицательный заряд) и поэтому должны хорошо соединяться с полярными веществами.

Однако различные участки годичных слоев – ранней и поздней древесины и стенок клеток – содержат неодинаковое количество целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и других веществ и обладают разной степенью полярности, вследствие чего показатели адгезии составных частей древесины с цементным камнем различны. Поэтому при повышении сцепления древесного заполнителя с цементным камнем более эффективны те виды химикатов и добавок, которые более полярны.

6. Влияние давления набухания древесного заполнителя на структурообразование арболита

При изготовлении древесной дробленки для производства арболита предпочтение отдается тем породам древесины, в которых содержится меньше водорастворимых экстрактивных веществ – замедлителей твердения портландцемента. Поэтому в производстве арболита в основном применяют дробленку ели, сосны, пихты. Древесина же лиственницы из-за наибольшего содержания в ней экстрактивных веществ считалась малопригодной. Однако анализ имеющихся данных и проведенные нами исследования показали, что кроме химической агрессив­ности у лиственницы наблюдаются повышенные влажностные деформации по сравнению с другими хвойными породами (см. табл. 8).

Как видно из этой таблицы, не только различные породы древесины подвержены объемным влажностным деформациям (усушка, набухание) разной степени, но и в пределах одной породы свойства ранней и поздней древесины сильно отличаются (на 27–76%) в соответствии с их плотностью. Различие в усушке ранней и поздней древесины у лиственницы больше, чем у ели и сосны (соответственно на 40 и 28%). По степени подверженности влажностным объемным деформациям древесина ели является лучшей из пород для получения древесного заполнителя.

Видимо, одна из причин малопригодности заполнителя из лиственницы (при традиционных способах обработки) в том, что из-за наибольшей по сравнению с другими хвойными породами, резко выраженной анизотропности ранней и поздней древесины, развиваются разные по величине влажностные деформации в контактных зонах, что ведет в нарушению целостности структуры.

Наши исследования не только подтвердили факт развития значительного давления набухания, обусловленного объемными влажностными деформациями древесины (модель заполнителя), но и позволили дать им приближенную количественную оценку во взаимосвязи с абсолютной величиной их набухания. Эксперименты показали, что для древесины ели и сосны давление набухания колеблется в пределах от 0,7–1,5 МПа в радиальном направлении и 0,8–3,1 МПа в тангенциальном. Для ранней зоны годичного слоя древесины сосны оно составило 1,5 МПа, а для поздней – 4,4 МПа. Столь близкие значения давления набухания отдельных участков древесины в контактных зонах структуры конгломерата и прочность самого арболита определяют стойкость арболита к влагопеременным (эксплуатационным) условиям – целостность структуры.

Следовательно, один из существенных резервов повышения прочности и стойкости арболита к влагопеременным воздействиям – снижение влажностных деформаций и давления набухания древесного заполнителя. Результаты исследований снижения влажностных деформаций древесного заполнителя и связанного с ними давления набухания, представленные в табл. 11, показывают, что образцы древесного заполнителя, предварительно обработанные, набухают значительно медленнее и в них развиваются меньшие усилия набухания в условиях частично стесненной деформации, чем в контрольных необработанных образцах. Абсолютные деформации при набухании моделей древесного заполнителя и развиваемые ими давления набухания определялись с помощью универсального прибора Ц1У. Чем эффективнее способ облагораживания древесного заполнителя, тем больше тенденция к снижению отношения PН/ε от 0,186 до 0,181, т.е. на единицу величины набухания снижается развиваемое давление набухания. Таким образом, напряженное состояние твердеющей структуры арболита во многом определяется способностью древесного заполнителя к значительным по величине влажностным деформациям и развиваемым ими давлениям набухания, а в пределах контактных зон – возможностью возникновения неодинакового напряжения на отдельных участках ранней и поздней древесины, связанного с анизотропным ее строением. Поэтому при изыскании путей облагораживания древесного заполнителя и получения арболита повышенной прочности и стойкости к влагопеременным условиям необходимо учитывать такие отрицательные свойства древесины, как подверженность объемным влажностным деформациям и развитию давления набухания.

Таблица 11. Влияние обработки модели древесного заполнителя на развиваемое давление набухания

7. Влияние объемных влажностных деформаций древесного заполнителя на прочность и стойкость арболита к влагопеременным условиям

Приступая к исследованию, мы исходили из предположения о том, что изменение в диапазоне от 27–30 до 0% влажности арболита (состоящего на 80–90% по объему из древесного заполнителя), т.е. ниже точки насыщения древесных волокон (27–30%), должно отрицательно влиять на целостность его структуры вследствие таких объемных влажностных деформаций древесины, как набухание, усушка и коробление вследствие изменения количества гигроскопической влаги. Было установлено, что образование структуры арболита сопровождается наряду с конструкционными (твердение цементного камня и повышение его сцепления с заполнителем) также и деструкционными процессами, вызываемыми в основном влажностными деформациями и давлением набухания древесного заполнителя.
Оказалось, что прочность в процессе твердения арболита при изменении влажности нарастает неравномерно. Наибольшие структурные изменения наблюдаются при снижении общей влажности арболита ниже точки насыщения волокна (27–30%) древесного заполнителя. При этом максимальной прочности арболит разных составов достигает при влажности 15–17%. С дальнейшим снижением влажности прочность уменьшается, что объясняется влиянием деструкционных процессов. Снижение прочности арболита вследствие деструкционных процессов при уменьшении влажности арболита ниже 15–17% подтвердилось также исследованиями, которые показали, что в арболите, высушенном до абсолютно сухого состояния, а затем увлажненном до экстремального значения, первоначальная прочность не восстанавливается, т.е. снижение прочности не связано с известным положением о размягчении материала под воздействием влаги (рис. 16).
График кривых изменения прочности арболита
Рисунок 16
Кривые изменения прочности арболита при высушивании (1) и последующем увлаженении (2) и величина гистерезиса прочности (ΔR) в точке оптимальной влажности (W=16%) для арболита марки 35.
Учитывая то, что по ГОСТ 19222–73 отпускная влажность арболита может доходить до 25% и определяется после испытания образцов, а экстремальные значения прочности принимают при 15–17%, в целях более объективной оценки прочностной характеристики при подборе составов смеси мы предложили полученное эмпирическим путем выражение, определяющее максимальную прочность Rсж(16) для образцов (с влажностью от 5 до 25%), отличающейся от усредненной 16%–ной влажности, соответствующей максимальной прочности для разных составов арболита

Rсж(16) = Rсж(W)[1±α(W-16)]; (6)

где Rсж(16) – предел прочности при сжатии при влажности 16%; Rсж(W) – предел прочности при сжатии при влажности W, %; а – поправочный коэффициент на влажность, полученный эмпирическим путем: а1= 0,03 для составов смеси без добавок; а2= 0,02 для составов, рекомендуемых Руководством 6–74; а3= 0,015 для составов с минеральными добавками; а4 = 0,01 для составов с полимерными добавками. Поправочный коэффициент принимается со знаком плюс при W>16 и минус при W<16; W – влажность испытуемого образца; 16 – усредненная влажность, соответствующая максимальной прочности арболита для разных составов, %.

Установлено, что для арболита критерием прочности может служить не только коэффициент размягчения (Кразм), но и предлагаемый нами коэффициент сохранения прочности при полной усадке (КRу), который для разных составов арболита изменяется в пределах от 0,69 для арболита без добавок до 0,86 для арболита с полимерными добавками:

КRу=Rсж(а.с.)/Rсж(16) (7)

где Rсж(а.с.) – прочность образца, высушенного до постоянной массы, МПа.

Экспериментально показано, что процесс набухания древесного заполнителя и арболита сопровождается развитием значительного давления набухания, что является одной из основных причин его напряженного состояния.
Для обнаружения структурных изменений деструкционного характера в контактных зонах, вызванных объемными деформациями древесного заполнителя в процессе попеременного увлажнения и высыхания, испытывались одни и те же образцы через каждый цикл такой обработки на импульсном ультразвуковом дефектоскопе модели «ДУК»–20. С каждым последующим циклом регистрировалось уменьшение скорости прохождения ультразвука через испытуемый арболитовый образец, что свидетельствует о развитии дефектов структуры.

Исследования показали, что прочность и стойкость арболита на любом органическом целлюлозном заполнителе – функция следующих основных факторов:

R = f(К,А, Ц, εД.Н., Д-1, В-1, Fуд-1, εс.у.-1) (8)

где К – коэффициент формы заполнителя (отношение длины к ширине); А – адгезия древесного заполнителя к цементному камню; Ц – расход портландцемента на 1 м³ арболита; Д – расход древесного заполнителя на 1 м³ арболита; В – расход воды на 1 м³ арболита; Fуд – удельная поверхность древесного заполнителя, м²/кг; εс.у – свободная усадка арболита; εД.Н. – давление набухания.

Из приведенной функциональной зависимости видно, что резервом повышения структурной прочности и стойкости в эксплуатационных условиях (попеременное увлажнение и высыхание) может быть снижение объемных деформаций древесного заполнителя и усадочных деформаций арболита, а также повышение адгезии в системе дерево – цементный камень.
Схема влияния удельной поверхности древесного заполнителя на частично стесненную деформацию арболита
Рисунок 17
Влияние удельной поверхности древесного заполнителя на частично стесненную деформацию арболита (1) и развиваемое усилие набухания (2) при средней плотности 860 кг/м3

а – Fуд1 = 2,57 м2/кг;

б – Fуд2 = 4,79 м2/кг;

в – Fуд3 = 17,56 м2/кг.
Исследованиями было установлено влияние удельной поверхности древесного заполнителя на величину частично стесненной деформации и развивающегося усилия набухания для арболита со средней плотностью 680 кг/м3 (рис. 17). Также определена зависимость частично стесненной деформации и развивающегося усилия набухания (рис. 18) от различной средней плотности арболита. Значительное снижение частично стесненных влажностных деформаций для исследованных составов арболита, а также развиваемое давление набухания с каждым последующим циклом попеременного увлажнения и высыхания особенно в первых пяти циклах, указывают на целесообразность выдерживания изделий на открытых складах для стабилизации влажностных деформаций, что в значительной мере исключает возможность возникновения этих процессов в уже возведенных сооружениях.

В качестве дополнительного критерия оценки прочности и стойкости к влагопеременным условиям нами предложен «коэффициент стойкости»:

Кct=Rct(16) / Rст(5Ц)

равный отношению максимальной прочности (соответствующей влажности 16%) и прочности того же образца после пяти циклов попеременного увлажнения и высыхания в частично стесненных условиях. Состав может быть рекомендован, если стойкость арболита к влагопеременным воздействиям выше стойкости контрольного образца, изготовленного из смеси, состав которой регламентирован ГОСТ 19222–73 «Арболит и изделия из него» и «Руководство по проектированию и изготовлению изделий из арболита» (Руководство 6–74) на соответствующую марку и плотность, т.е. если Кст (предложенный состав) больше Кст (контрольный состав по Руководству 6–74).
Схема влияния средней плотности арболита при постоянной фракции на частично стесненную деформацию
Рисунок 18
Влияние средней плотности арболита при постоянной фракции Fуд = 4,72 м2/кг на частично стесненную деформацию (1) и развиваемое усилие набухания (2).

a – p1 = 550 кг/м3;

a – p2 = 700 кг/м3;

a – p3 = 800 кг/м3.

8. Снижение влажностных деформаций древесного заполнителя

Анализируя результаты исследования влияния физических и химических способов обработки древесного заполнителя на прочность арболита и его водопоглощение можно отметить следующее: хотя водная обработка – длительное вымачивание – не повышает стабильности размеров древесного заполнителя, однако позволяет до 15% повысить прочность арболита по сравнению с необработанным заполнителем. Происходит это вследствие улучшения сцепления заполнителя с цементным камнем из-за частичного удаления с его поверхности легкогидролизуемых веществ. Однако способ этот недостаточно эффективен, не обеспечивает высокой скорости нарастания первоначальной прочности и не может быть рекомендован несмотря на то, что нашел распространение в практике в виде предварительной обработки древесного заполнителя до минерализации его ускорителями твердения, так как водонасыщенный заполнитель хуже впитывает химические добавки. Гидрообработка горячей водой, хотя и усложняет технологию, может быть применена в цехах в северных районах страны, где дробленка может замораживаться.

Более высокие результаты получены при термической обработке древесной дробленки. В этом случае прирост прочности арболита в 28–суточном возрасте составил 26%, а водопоглощение снизилось на 15–20%. Уменьшение гидрофильности древесины и снижение ее влажностных деформаций после воздействия высокой температуры согласуется со свойствами других коллоидов, которые после высушивания при высокой температуре уменьшают поглотительную способность.

Причиной снижения гидрофильности древесины, представляющей собой ограниченно набухающий гель, после высокотемпературного нагревания является, по-видимому, необратимая коагуляция коллоидов, составляющих древесину, химическое взаимодействие ее высокомолекулярных компонентов и частичное превращение линейных полимеров в трехмерные. Оптимальные результаты термообработки древесного заполнителя были получены при t = 160°С в течение 14 мин.

Высокотемпературная обработка требует специального сушильного оборудования и ведет к дополнительным энергетическим затратам, поэтому применять термообработанную древесину целесообразно там, где возможно использование отходов от переработки пиломатериалов, прошедших камерную сушку. Обработка древесного заполнителя раствором хлорида алюминия позволила получить наиболее значительное снижение водопоглощения и повышение прочности арболита во все сроки твердения и в особенности в первые три дня. Так, в первый день прочность достигла 1,5 МПа, на третий день – 2,72 МПа, а в 28–суточном возрасте – 4,6 МПа. В сравнении с прочностью арболита на составах, рекомендуемых ГОСТ 19222–73 и Руководством 6–74 (марка 35) с соответствующей средней плотностью прочность возросла на 31,4%.

Повышение прочности арболита за счет снижения влажностных деформаций древесного заполнителя при обработке его раствором хлорида алюминия достигается, по-видимому, вследствие уменьшения отрицательного заряда древесины (гидрофильности) в результате блокирования полярных групп, в первую очередь, гидроксильных, расположенных на поверхности молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина древесного заполнителя. Соли алюминия гидролизуются в присутствии целлюлозы, образуя гидроксид алюминия (AlCl3 + ЗН20 = Аl(ОН)3 + 3НСl), который адсорбируется целлюлозой. Процесс «протравы» широко используется для повышения водонепроницаемости и придания водоотталкивающих свойств плащевым хлопчатобумажным тканям, состоящим из целлюлозных волокон. Адсорбирование целлюлозой гидроксида алюминия ведет к уменьшению ненасыщенных валентностей гидроксидов компонентов древесного заполнителя, а следовательно, к снижению гидрофильности отработанной древесины, что в свою очередь тормозит развитие влажностных деформаций.

Как показали исследования, у древесного заполнителя, обработанного раствором хлорида алюминия, резко снизилось набухание, особенно в первые часы. Снижение абсолютных деформаций древесного заполнителя и переменного давления, создаваемого им при набухании и усушке, положительно сказывается на прочности структуры арболита.

Предварительная обработка древесного заполнителя раствором хлорида алюминия имеет преимущество перед введением того же его количества в состав арболитовой смеси (Д/Ц = 0,6, В/Ц = 1,1, древесная дробленка 240 кг/м3, портландцемент 390 кг/мЗ) и позволяет повысить прочность арболита на 10–11%. Хлорид алюминия ускоряет также твердение портландцемента. В присутствии целлюлозы древесины протекает упомянутая выше реакция выделения соляной кислоты, которая гидролизует легко растворимые сахара в присутствии портландцемента, переводя их, по мнению ряда исследований, в менее растворимую форму – сахараты кальция. Поэтому можно признать обработку древесного заполнителя раствором AlCl3 эффективно и комплексно действующим на систему «древесина – цементный камень»: на древесный заполнитель – как стабилизатор размеров (снижающий набухание и усушку) и нейтрализатор легкогидролизующихся сахаров, а на твердение портландцемента – как ускоритель твердения (ранее эффективность добавки объяснялась ускорением твердения).

9. Влияние пленкообразующих добавок на физико–механические свойства арболита

Для снижения влажностных деформаций древесного заполнителя, как показали поисковые эксперименты, наиболее эффективны следующие пленкообразующие добавки: мочевиноформальдегидная смола КС–11 (наиболее дешевая и недефицитная); натриевое жидкое стекло и измельченный известняк – отходы камнепиления. Кроме того, для этих целей эффективны раствор полиакриламида, вводимого одновременно с хлоридом алюминия (а.с. № 624909) и гидроксид кальция, добавляемый совместно с карбонатом аммония (а.с. № 660966).

Анализ результатов исследований по выявлению воздействия обработки древесного заполнителя различными пленкообразующими составами на повышение прочностных характеристик арболита показал, что все подобранные составы позволяют в различной мере повысить прочность материала и снизить его водопоглощение. Целесообразность обработки древесного заполнителя маловязким раствором мочевиноформальдегидной смолы типа КС–11 обусловливается полярной природой этого высокомолекулярного соединения. Повышение гидрофобности древесного заполнителя, покрытого тонкой пленкой смолы, является следствием блокирования адсорбционноактивных в воде гидроксидов макромолекул целлюлозы и других компонентов древесины в результате образования водородных и химических связей между метальными группами (—СН2ОН) и гидроксидами древесины.

Наилучшие результаты были получены при последовательной обработке древесного заполнителя сначала раствором хлористого аммония (NH4Cl), а затем маловязким (30%–ной концентрации) раствором мочевиноформальдегидной смолы КС–11. Оптимальные значения прочности и водопоглощения получены при расходе смолы и NH4Cl по 4% массы портландцемента. При таком расходе компонентов предел прочности арболита при сжатии в 28–суточном возрасте составил 4,5 МПа при средней плотности 650 кг/м3, превысив прочность контрольного образца такой же плотности (ГОСТ 19222–73 и Руководство 6–74) на 80%. Эта полимерная пленкообразующая добавка в то же время обеспечила высокий темп набора начальной прочности. Так, за 1 сутки она составила 1,15 МПа, а за 3 суток – 2,1 МПа, что имеет большое практическое значение для ускорения оборачиваемости парка форм и формующей оснастки.

Положительный эффект при обработке заполнителя раствором смолы можно объяснить так. Если исходить из того, что набухание зависит от дипольности гидроксильных групп древесины, то снижение влажностных деформаций древесины можно объяснить соединением введенных в стенки клеток (при пропитке) дипольных молекул незаконденсированной смолы со свободными гидроксильными группами целлюлозы. Более мелкие неполимеризованные молекулы, диффундируя в поры структуры, лучше фиксируются и, обладая большой полярностью, легче могут проникать в решетку полярных групп древесины.

10. Упрочнение каркаса структуры арболита путем увеличения растворной части при введении минеральных добавок

Положительные результаты дала обработка древесного заполнителя композиционной добавкой, состоящей из измельченного известняка и натриевого жидкого стекла, вводимой в смеситель при приготовлении арболитовой смеси. Оптимальные значения предела прочности при сжатии и средней плотности арболита (рис. 19) получены при следующем количестве вводимых добавок: натриевое жидкое стекло – 2,5%, измельченный известняк – 25%. Так, в 28–суточном возрасте прочность арболита составила 5 МПа при средней плотности 800 кг/м3, что на 31,4% превышало прочность, регламентируемую ГОСТ 19222-73 для арболита марки 35 на древесной дробленке. Рост прочности наблюдается во все сроки твердения (через одни сутки – 0,9 МПа, через трое суток – 2,48 МПа).
Схема влияния добавки измельченного известняка на прочность и среднюю плотность арболита
Рисунок 19
Влияние добавки измельченного известняка на прочность и среднюю плотность арболита при нормальном режиме твердения.

1 – прочность при сжатии;
2 – средняя плотность.
Как показали исследования (рис. 20), оптимальный размер зерен известнякового штыба составил 0,05 мм, что не превышает минимальной толщины прослойки цементного камня в структуре арболита. При использовании более крупной фракции эффект применения добавки известнякового штыба снижается из-за ухудшения контактов отдельных частиц древесного заполнителя в структуре арболита.

При обработке древесного заполнителя композиционной добавкой поверхность его покрывается минеральной пленкой.

В результате взаимодействия дисперсной фракции известняка с натриевым жидким стеклом (с модулем не выше 2) образуется силикат кальция, ускоряющий кристаллообразование – твердение цементного теста (которое в присутствии органического целлюлозного заполнителя из-за присутствия в его составе легкогидролизуемых сахаров замедлено).

В процессе вызревания и высыхания арболита с добавками известняка пылевидной фракции и натриевого жидкого стекла, образующееся при их взаимодействии твердое вещество содействует упрочнению структуры. Предполагается, что процесс идет по реакции Na2O∙nSiO2 + СаСO3 = Na2CO3 (n – 1) SiO2 + CaSiO2 (10).

В то же время дисперсная фракция известняка и натриевое жидкое стекло, образуя минеральный слой на поверхности древесного заполнителя, уменьшают возможность диффундирования легкогидролизуемых cахаров из заполнителя в цементное тесто. Образование минеральной пленки на поверхности органического целлюлозного заполнителя одновременно улучшает сцепление в системе «древесина – цементный камень» за счет большего количества растворной части и увеличения площади контактной зоны между отдельными структурными элементами. Предложенный состав может быть рекомендован для районов, имеющих карьерные разработки известняка, в том числе в Крыму, УССР, АзССР и др., поскольку при этом эффективно используются отходы лесопереработки и камнепиления. Этот состав применен нами при производстве плит пола сборной стяжки в цех арболитовых изделий Главбакстроя (г. Баку). Плиты пола из арболита марки 50 нашли широкое применение в жилищном строительстве.
Схема влияния добавки измельченного известняка и размера его зерен на прочность арболита
Рисунок 20
Влияние добавки измельченного известняка и размера его зерен на прочность арболита при нормальном режиме твердения.

1 – количество известняка оптимальной фракции; 2 – размер зерен известняка.
Введение добавки известнякового штыба в количестве 25% массы вяжущего, рассчитанной на получение арболита марки 35, позволяет повысить эту марку до 50 или добиться экономии цемента до 15% при получении марки 35 за счет замены части цемента измельченным известняком (рис. 21).

Способ создания на поверхности «агрессивного» по своей природе по отношению к портландцементу органического целлюлозного заполнителя (древесина, камыш, сечка конопли, льна) минерального слоя из карбоната кальция защищен авторским свидетельством № 660966 (Бюллетень изобретений, 1979,№ 17).
Схема влияния добавки измельченного известняка на прочность и водопоглощение арболита
Рисунок 21
Влияние добавки измельченного известняка на прочность и водопоглощение арболита при нормативном расходе цемента для марки 35 и при снижении его расхода при нормальном режиме твердения

1 – прочность при сжатии;
2 – водопоглощение, %.
Как видно из рис. 22, введение в арболитовую смесь гидроксида кальция совместно с карбонатом аммония позволяет повысить марочную прочность арболита при расходе портландцемента, предусмотренном для марки 35, и снизить его водопоглощение, Такое улучшение свойств арболита можно объяснить образованием на поверхности древесного заполнителя минеральной пленки из карбоната кальция. Получается она в результате реакций между двумя веществами (см. реакцию), благодаря чему заполнитель становится менее «агрессивным» по отношению к цементу. Помимо этого улучшается адгезия к цементному камню (известно, что карбонат кальция имеет высокую адгезию к цементу).

Для R1,W1 – В/Ц=0,9; для R2, W2 – В/Ц=1,2; для R3, W3 – В/Ц=0,8;

Реакция на поверхности заполнителя протекает предположительно по следующей схеме:

Са(ОН)2 + (NH4)2CO3 = CaCO3 + 2H2O + 2NH3. (11)

Обрабатывают древесный заполнитель растворами гидроксида кальция и карбоната аммония в смесителе во время приготовления арболитовой смеси. При непрерывном перемешивании в смеситель подают сначала древесную дробленку, затем раствор Са(ОН)2 через короткий промежуток (NH4)2CO3 и последним – цемент.

Анализ полученных результатов (см. рис. 22) свидетельствует о том, что оптимальное количество добавки находится в пределах 5–6% массы цемента при таком соотношении компонентов (% по массе): гидроксид кальция – 67, карбонат аммония – 33. Присутствие комплексной добавки при оптимальном соотношении компонентов позволяет снизить водопотребность (из-за выделения воды в процессе реакции между компонентами), доведя В/Ц смеси до 0,9, что положительно влияет на свойства арболита предложенного состава.

Введение в арболитовую смесь пленкообразующей добавки раствора полиакриламида совместно с хлоридом алюминия позволяет увеличить прочность арболита (авторское свидетельство № 624909. Бюллетень изобретений, 1978, № 35). Полиакриламид – высокомолекулярное синтетическое вещество, представляющее собой сополимер акриламида и карбоксильных групп. Наличием большого числа полярных карбоксильных групп можно объяснить улучшение прочности сцепления древесины с цементным камнем в конгломерате «древесина – цементный камень». Водный раствор полиакриламида обладает флокулирующим действием, способен образовывать тонкие пленки, закупоривающие морфологическую пористость древесного заполнителя. В результате повышается его гидрофобность и уменьшается выход из древесины цементных «ядов», чему способствует также возрастание вязкости растворной части арболитовой смеси.

Как показали исследования, наибольшая прочность арболита при расходе портландцемента, принятом для марки 35, при введении добавки полиакриламида (оптимальное соотношение компонентов, % по массе: цемент – 40, древесный заполнитель – 22, полиакриламид – 0,24, хлористый алюминий – 0,8 и вода – 36) составила 5 МПа. Благодаря пластифицирующему действию полиакриламида удалось снизить В/Ц с 1,2 до 0,92; что способствовало повышению прочности арболита. Увеличение прочности арболита и снижение его водопоглощения может быть объяснено также способностью полиакриламида образовывать коагуляционные структуры в порах и «сшитые» нерастворимые в воде сополимеры.
Схема влияния В/Ц и соотношения компонентов комплексной добавки в арболите
Рисунок 22
Влияние В/Ц и соотношения компонентов комплексной добавки для обработки древесного заполнителя на прочность и водопоглощение арболита при нормативном расходе цемента и нормальном режиме твердения.

11. Повышение прочности арболита за счет модификации цементного камня

Один из способов повышения прочности и стойкости к влагопеременным условиям арболита – сближение деформативности цементного камня и древесного заполнителя путем повышения эластичности цементного камня модификацией его полимерами. В качестве полимерных добавок, позволяющих снизить отрицательное воздействие объемных влажностных деформаций древесного заполнителя, были использованы бутадиенстирольный и дивинилстирольный латексы СКС–30 и СКС–65ГП«Б» и поливинилацетатная дисперсия марки «ДБ47/7С», которые широко применяются в промышленном производстве и строительстве. Выбор этих латексов обусловлен тем, что они обладают хорошей механической и химической стойкостью, а их пленки – высокой адгезионной способностью по отношению к целлюлозе древесного заполнителя. Исследования показали, что химически активные латексы удерживаются на целлюлозном волокне не только за счет действия физической сорбции, но и вследствие образования с ним химических связей. Результаты экспериментов по повышению прочности арболита при введении полимерных добавок в состав арболитовой смеси и снижению его водопоглощения представлены на рис. 23.

Анализ показал, что интервал экстремальных значений прочности арболита имеет узкий диапазон и зависит от количества высокомолекулярной добавки. При введении латекса СКС–65ГП «Б» экстремальное значение предела прочности при сжатии было получено при содержании 9,6% (по сухому веществу) массы портландцемента, а при введении латекса СКС–30 – 9%. Дальнейшее увеличение количества латексной добавки отрицательно сказывалось на прочности арболита в силу того, что частицы полимера, заполняя пустоты между зернами цемента, улучшают связь между вяжущим и заполнителем. Однако сцепление улучшается только до тех пор, пока количество полимера не превысит объем имеющихся пустот. Избыток полимера, обволакивая частицы цемента, может препятствовать его гидратации.

Повышение прочности арболита с полимерной добавкой, как нам представляется, объясняется повышением адгезии между компонентами системы, увеличением контактной зоны, а главное повышением эластичности клеевых швов (между структурными элементами арболита), деформация которых позволяет компенсировать объемные деформации древесного заполнителя.

Важнейший показатель пригодности полимеров для полимерных композиций – адгезия. В этом отношении представляет интерес поливинилацетат – полимер с полярной структурой, обладающей высокими адгезионными свойствами. Максимальное значение прочности арболита при воздушно–сухом хранении было достигнуто при добавке поливинилацетатной дисперсии марки ДБ47/7С в количестве 12% массы портландцемента.

Полимерные добавки повышают гидрофобность арболита, так как при увлажнении частицы полимера набухают, плотно закупоривая поры и препятствуя дальнейшему прониканию влаги. Как показали исследования, полимерные добавки позволили не только снизить водопоглощение, но и значительно повысить стойкость арболита к попеременному увлажнению и высыханию. Значительное повышение предела прочности при сжатии арболита при введении полимерных добавок, повышающих эластичность клеевых швов (растворной части), свидетельствует косвенно о том, что в твердеющем арболите без полимерных добавок вследствие объемных влажностных деформаций древесного заполнителя могут развиваться деструкционные процессы.
Схема влияния вида и количества полимерной добавки на прочность и водопоглощение арболита
Рисунок 23
Влияние вида и количества полимерной добавки на прочность и водопоглощение арболита (1, 4 – поливинилацетат; 2, 6 – латекс СКС-65ГП «Б»; 3, 5 – латекс СКС-30)

1, 2, 3 – водопоглощение;
4, 5, 6 – предел прочности при сжатии.

12. Повышение качества формирования структуры арболита путем улучшения режима уплотнения упругой арболитовой смеси

Важнейший технологический фактор, влияющий на формирование структуры и физико-механические свойства арболита – способ формования – уплотнение. От него зависят средняя плотность, прочность, деформативность и другие важные свойства. Для определения путей оптимизации структурообразования при уплотнении арболитовой смеси необходимо детально рассмотреть их структурно–механические свойства.

Отличительная особенность арболитовой смеси – проявление ею, как и древесным заполнителем, при уплотнении упруговязко-пластических свойств. В арболитовой смеси между частицами заполнителя и внутри их (объем полостей в зависимости от породы древесины 55–72%) содержится значительный объем воздуха, поэтому она обладает очень высокой сжимаемостью, чему способствует и малая жесткость тонких пластин древесины. Частицы древесного заполнителя имеют различные размеры и занимают различное положение в пространстве. Однако на единицу длины в любом направлении в смеси приходится примерно одинаковое число частиц. В процессе уплотнения свойства формуемой смеси изменяются, она приобретает новую макроструктуру, предопределенную во многом выбранным способом уплотнения.

Различие в прочности арболита, получаемого при горизонтальном прессовании и вертикальном послойном уплотнении, заключается в том, что при растяжении и изгибе в первом случае древесные частицы работают на растяжение вдоль волокон, а сцементированные швы – на сдвиг, во втором – клеевые швы работают на разрыв, а частицы заполнителей – на растяжение поперек волокон, причем разрыв идет по швам связи. Прочность арболита во втором случае низка, так как адгезия цемента к древесине незначительна (0,25–0,35 МПа). Элементарные частицы заполнителя арболитовой смеси довольно велики по сравнению с тонким слоем вяжущего, нанесенного на их поверхность. Поэтому характер образования макроструктуры арболита может быть определен взаимодействием древесных частиц друг с другом. Важным свойством структуры арболита тонких плит является некоторая ее организованность, т.е. определенная закономерность расположения элементарных частиц заполнителя. При формовании арболитовых плит толщиной до 80 мм структура получается близкой к дискретной.

В процессе формования (прессования, вибропрессования) достаточно тонких арболитовых плит при коэффициенте уплотнения 1,8–2,0 и более между плоскими параллельными горизонтальными поверхностями одновременно с уплотнением смеси происходит перемещение частиц заполнителя. На частицы, занимающие наклонное положение, действуют моменты гравитационных сил, частицы, занимающие горизонтальное положение, сжимаются поперек волокон. При сжатии расположенные наклонно частицы стремятся расположиться горизонтально. Если же вертикальность частиц заполнителя нарушается из-за взаимодействия системы частиц, то они, пытаясь занять более устойчивое положение, ведут себя как наклонные. Если же вертикальность частиц не нарушается, то при осевом сжатии возникает продольный изгиб, при последующей деформации возможен излом, и эти частицы также стремятся занять горизонтальное положение.

Таким образом, при формовании достаточно тонких арболитовых плит при высоком коэффициенте уплотнения смеси создается структура, главная особенность которой такая организация частиц заполнителя, при которой они занимают преимущественно положение, параллельное рабочей поверхности формы, оказывающей давление на формуемую смесь. Поэтому при формовании (прессовании) арболитовых изделий небольшой толщины (до 80 мм) при немедленной распалубке редеформация (упругое восстановление сжатой смеси после снятия внешней нагрузки) незначительна. Такое структурообразование характерно для арболитовых изделий малой толщины (плиты пола – сборной стяжки, перегородочные и облицовочные плиты) и плиты «велокс» и «дурипанель».

Макроструктура теплоизоляционного арболита, где коэффициент уплотнения небольшой (1,2–1,35), и конструктивно теплоизоляционного арболита большой толщины с коэффициентом уплотнения до 1,8 значительно отличается от структуры тонких и плотных изделий. С увеличением толщины формуемого изделия из арболитовой смеси все меньше частиц заполнителя ориентируются параллельно прессуемым плоскостям. С утолщением арболитовых изделий дезориентированное их возрастает в связи с хаотичностью расположения частиц заполнителя.

В зависимости от фракции и породы насыпная масса древесной дробленки варьируется в пределах от 90–120 кг/м3, а на 1 м3 арболита (марок 5–35) расходуется от 160 до 240 кг древесной дробленки. Уплотнение обычной арболитовой смеси всегда связано с уменьшением объема формуемой смеси за счет обжатия и уменьшения межзернового пространства. Если учесть еще упругие свойства древесного заполнителя и малую подверженность гравитационному уплотнению за счет обычной вибрации из-за малой средней плотности заполнителя, то уплотнять арболитовую смесь традиционными способами затруднительно. Поэтому выбор способа и режима уплотнения упругой арболитовой смеси, позволяющих получить структуру арболита с минимальными остаточными напряжениями с высокой деформативной устойчивостью и обеспечивающих немедленную распалубку изделий, представляет большой практический интерес.

Применяются следующие способы уплотнения арболитовой смеси: циклическое прессование (немедленная распалубка), вибрирование с пригрузом (немедленная распалубка), вибропрессование с фиксирующей крышкой, силовой вибропрокат, послойная укладка и уплотнение и др. Каждый из этих способов имеет как преимущества, так и недостатки. Поскольку оптимизация процесса уплотнения арболитовой смеси может стать предметом особого исследования, мы ограничимся лишь рассмотрением структурно-механических процессов, протекающих при первых трех способах уплотнения, два из которых разработаны с нашим участием. Критерий оценки оптимальности уплотненной структуры следующий: чем оптимальнее уплотненная структура арболита, тем меньшими должны быть давление набухания и относительная величина деформации набухания. Результаты опытов приведены в табл. 12.

Таблица 12. Влияние способа уплотнения арболитовой смеси на относительные деформации и давление набухания арболита

Примечание: состав смеси принят по Руководству 6–74 и ГОСТ 19222–73 на марку 25.
Как видно из таблицы, наибольшая деформативная устойчивость свойственна арболитовым образцам, полученным вибрированием с пригрузом, и несколько меньшая – образцам, полученным циклическим прессованием. При виброуплотнении с пригрузом частицы древесного заполнителя, перемещаясь одна относительно другой, занимают в структуре арболита оптимальное положение, обеспечивающее наибольшую площадь контактных зон; при этом уменьшается редеформация – распрессовка. При обычном же способе прессования арболитовой смеси для получения изделий одинаковой средней плотности частицы древесного заполнителя сжимаются, вызывая упругие деформации, что ведет к распрессовке отформованного изделия и, в конечном итоге, к снижению конечной прочности.

Следовательно, для получения арболитовых изделий одинаковой средней плотности при уплотнении арболитовой смеси обычным прессованием необходимо приложить усилие в 10–20 раз больше, чем при прессовании вибропригрузом (причем эти усилия необходимо фиксировать жесткой крышкой, что связано с увеличением металлоемкости оснастки).
На рис. 24 приведены кривые зависимости степени уплотнения арболита от удельной величины пригруза; коэффициент уплотнения:

Куп= H/h,

где Н – высота заполнения формы, мм; h – проектная высота изделия, мм.

Значение уплотнения арболитовой смеси (коэффициент 1,27) при вибрировании, равное 0,01 МПа, соответствует уплотнению при прессовании с удельным давлением 0,1 МПа, а воздействие виброуплотнения при пригрузе 0,02 МПа (коэффициент 1,35) соответствует прессованию с усилием 0,35 МПа. Это достигается за счет эффекта псевдоразжижения арболитовой смеси при уплотнении вибрированием с пригрузом. Дальнейшее повышение величины пригруза (более 0,02 МПа) и времени воздействия вибрирования под пригрузом в меньшей степени способствует уплотнению арболитовой смеси. Так, при изменении пригруза с 0,01 до 0,02 МПа, т.е. вдвое, коэффициент уплотнения возрастает лишь с 1,27 до 1,34. Структура арболита, полученная при вибрировании с пригрузом при одинаковой средней плотности и прочности, менее подвержена влажностным деформациям (см. табл. 12), чем структура, полученная только прессованием, что объясняется, очевидно, наличием напряжений в изделии, характер и величина которых зависят от способа формования.

Совершенствуя режим уплотнения арболита, удалось подобрать режим циклического прессования арболитовой смеси с последующей немедленной распалубкой отформованного изделия, что позволило сократить металлоемкость формующей оснастки. "Упругость" арболитовой смеси удалось снизить практически до нулевых значений благодаря режиму многократного сжатия и сброса давления прессования до нуля и введения мелкой фракции известнякового штыба.

Число циклов попеременного сжатия и удельное давление зависят от таких технологических факторов, как фракция древесного заполнителя, толщина прессуемого изделия, а также количество уплотняющей добавки – известнякового штыба (при изготовлении плит пола сборной стяжки). В зависимости от средней плотности и толщины изготовляемых арболитовых плит режим уплотнения (прессования) при немедленной распалубке будет различаться. Для теплоизоляционных плит со средней плотностью 400–500 кг/м3 удельное давление при толщине 60–80 мм составляет 0,5 МПа, а при толщине 80–120 мм – 0,6 МПа. Режим уплотнения при этом следующий: арболитовую смесь сжимают и выдерживают при постоянной деформации 30 с, а затем усилие прессования снижают до нуля и выдерживают смесь еще 10 с. Цикл проводится три раза. Для конструктивно–теплоизоляционных изделий – плит пола сборной стяжки со средней плотностью 850–900 кг/м3 (при введении в арболитовую смесь до 25% уплотняющей добавки – известнякового штыба) при толщине 70 мм удельное давление равно 0,6– 0,7 МПа. Режим уплотнения такой: сжатие арболитовой смеси и выдерживание при постоянной деформации – 30 с, снижение усилия прессования до нуля, выдерживание без давления – 15 с, затем давление прессования восстанавливают до первоначального значения. Цикл повторяется три раза.

Деформация смеси, т.е. ее уплотнение, возрастает после каждого нагружения, несмотря на то, что повторная нагрузка не превышает начального значения. Относительная деформация возрастает и тогда, когда давление прессования, снижающееся вследствие релаксации (переход упругой деформации в пластическую), периодически восстанавливается до исходного значения. Как показал опыт, при многократном нагружении давление прессования может быть значительно уменьшено. Применение такого метода целесообразно не только при формовании с немедленной распалубкой, но и при традиционном прессовании в формах, когда для уплотнения крупноразмерных арболитовых изделий не хватает мощности пресса.

Экспериментально доказано, что эффективность способа немедленной распалубки с многократным прессованием при уменьшении толщины формуемого изделия возрастает. Объем укладываемой смеси в форму определяется коэффициентом опрессовки. Для конструктивно-теплоизоляционных плит он составляет 1,5–1,8. Колебания коэффициента уплотнения объясняются некоторой разницей фракционного состава древесной дробленки. Смесь на крупной дробленке имеет меньший коэффициент уплотнения, чем смеси на мелком заполнителе. В принятой технологии после многократного прессования форма сразу же после извлечения ее цепным конвейером из пресса распалубливается. Как видно из табл. 12, как при вибрировании с пригрузом, так и при циклическом прессовании структурно–механические и деформативные свойства арболита улучшаются по сравнению с полученными при обычном способе прессования, когда упругая смесь сжата до набора распалубочной прочности. Поэтому эти способы более предпочтительны.
Схема влияния удельной величины пригруза на степень уплотнения арболитовой смеси
Рисунок 24
Влияние удельной величины пригруза на степень уплотнения арболитовой смеси (коэффициент уплотнения Ку)

1 – пригруз 0,02 МПа;
2 – пригруз 0,01 МПа;
3 – пригруз 0,005 МПа;
4 – пригруз 0,003 МПа.

13. Улучшение формирования контактной зоны структуры арболита с учетом анизотропности и шероховатости древесного заполнителя

Для улучшения условий структурообразования с учетом развития разных по величине влажностных деформаций и давления набухания как в структурных направлениях (радиальное, тангенциальное), так и в пределах каждого годичного слоя на участках ранней и поздней древесины (см. табл. 7) прибегают к облагораживанию заполнителя или модификации цементного камня полимерными добавками. Стремятся также обеспечить коэффициент формы древесной дробленки, равный 1,8–2 – отношение ширины в радиальном направлении к толщине в тангенциальном направлении. Достижение оптимального коэффициента формы, позволяющего снизить отрицательные воздействия анизотропности древесного заполнителя, возможно лишь при модернизации дробильно–стружечного оборудования.

Проведенные нами определения зависимости сцепления древесного заполнителя с цементным камнем позволяют дать обоснованные рекомендации, касающиеся способа облагораживания или вида добавок в смеси для повышения адгезионной прочности структуры арболита. Для цехов с одностадийной подготовкой древесного заполнителя (рубленая дробленка с шероховатостью поверхности 1–3–го класса, или 1800–800 мкм) на рубильных машинах типа ДУ–2 эффективнее применять минеральные добавки (например, известняковые отходы камнепиления), позволяющие увеличить растворную часть арболитовой смеси.

Для дробленки с такой поверхностью при нормированных расходах портландцемента толщина прослойки цементного камня не превышает 0,3–0,4 мм (300–400 мкм, см. табл. 11). Поэтому отдельные гребни древесного заполнителя могут нарушить непрерывность прослойки и снижать адгезионную прочность в контактных зонах структуры. Получение проектных марок арболита на такой дробленке сопряжено с перерасходом цемента.

Для цехов, где древесную дробленку с чистотой поверхности с шероховатостью 5–8-го класса, или 320–60 мкм, получают двухстадийной подготовкой, сначала получают щепу на рубильной машине, а затем дробленку на стружечных станках типа ДС–3, ДС–5 (приспособленных в качестве дробильных агрегатов). Целесообразно применять химические добавки и высокомолекулярные соединения, позволяющие не только повысить сцепление с цементным камнем, но и в значительной степени увеличить растяжимость контактной зоны структуры арболита и таким образом увеличить прочность и стойкость арболита к влагопеременным воздействиям.

14. Интенсификация процесса твердения арболита и снижение коррозионной агрессивности среды арболита ингибиторами

Известно, что арболит не поддается традиционным способам интенсификации твердения. В сушильных камерах возможен термообогрев при температуре не свыше 40–50°С, по­скольку дальнейшее повышение температуры ведет к снижению прочности изделий вследствие неполной гидратации цемента (из-за быстрого обезвоживания арболита, особенно в перифе­рической зоне изделий). В силу всех этих причин одним из перспективных направлений интенсификации твердения арболита можно считать введение химических добавок, побуждающих процесс твердения.

ЦНИИЭПсельстроем рекомендован ряд эффективных химических комплексных добавок, позволяющих не только ускорить твердение арболита, но и значительно повысить его прочность. Это комплексная добавка, содержащая нитрит–нитрат натрия и хлорид аммония (а.с. № 675046) в количестве: на 1 мЗ арболита 6 кг нитрита натрия, 6–8 кг нитрата натрия и 6–8 кг хлорида аммония. Такая комплексная добавка рекомендуется для заполнителя из хвойных пород.

С целью повышения долговечности армированных арболитовых конструкций ставилась задача подобрать комплексные добавки, которые не только снижали бы коррозионную агрессивность арболитовой среды, но и позволили бы значительно интенсифицировать твердение арболита и повысить его прочностные показатели. В ЦНИИЭПсельстрое разработаны также комплексные добавки. Для арболита, применяемого для изготовления армированных изделий и конструкций на смешанном заполнителе (хвойном и лиственном) предложены комплексные добавки, содержащие хлорид кальция – 8 кг на 1 мЗ арболита и двухромовокислый аммоний – 4 кг на 1 мЗ (а.с. № 708081), в другой состав входит нитрит–нитрат кальция – 8–16 кг на 1 мЗ арболита и двухромовокислый аммоний – 4 кг на 1 мЗ (а.с. № 852846). Такие добавки позволяют снизить коррозионную агрессивность арболитовой среды, повысить прочность арболита до 5 МПа и интенсифицировать процесс твердения – получить отпускную прочность за 7–12 суток в зависимости от активности портландцемента и массивности конструкций.

V. Теплофизические свойства арболита

Изучение теплотехнических характеристик птицеводческих и животноводческих ферм показало, что хорошие теплофизические характеристики арболита позволяют ему с успехом конкурировать с другими бетонами на минеральных пористых заполнителях. Теплофизические характеристики арболита как теплоизоляционно–конструктивного материала для ограждающих конструкций регламентируются новой главой СНиП II–3–79 «Строительная теплотехника». Эти характеристики для арболита со средней плотностью 600 и 800 кг/м3 при условиях эксплуатации А и Б (определяемых по прил. 2 к главе СНиП 11–3–79) представлены в табл. 13.

Таблица 13. Теплофизические свойства арболита при условиях эксплуатации А и Б

А и Б – расчетная влажность по массе, %; КТПВ – расчетные коэффициенты теплопроводности, Вт/(м∙°С); КТПУ – расчетные коэффициенты теплоусвоения, Вт/(м2∙°С); КТП – расчетные коэффициенты паропроницаемости, мг/(м∙ч∙Па).
В зависимости от вида заполнителя и качества уплотнения арболитовой смеси, а также от условий эксплуатации стеновых панелей возможны некоторые отклонения их теплофизических характеристик от расчетных. С целью уточнения теплофизичес­ких характеристик стеновых панелей в совхозе «Нахимовский» Смоленской области при толщине панелей 29 см общее сопротивление теплопередаче ограждения достигало 1,19 м2∙°С/Вт при требуемом для данного типа зданий в климатических условиях Нечерноземной зоны 1,20 м2∙°С/Вт. Неплохие показатели сопротивления теплопередаче панелей отмечены в коровниках Калужской, Горьковской областей и Краснодарского края.

Внутренняя поверхность стеновых панелей и многих обследованных помещений сухая, без конденсации влаги на ограждениях. При осмотре стеновых арболитовых панелей в зданиях со сроком эксплуатации 10–12 лет не отмечено отслоения фактурных слоев от арболита (птичник совхоза «Приволжский», коровник колхоза «Рассвет»). Не обнаружены также трещины вертикальных стыков основных панелей нижнего ряда.

Деструкция арболита и наличие скоплений древоразрушающих грибков в местах отбора проб из панелей не отмечены. Структура и естественный цвет древесной дробленки, щепы и льняной костры сохранились. Аналогичное состояние стеновых панелей и в других зданиях, эксплуатируемых в течение 5–8 лет: в коровнике на 200 голов совхоза «Красный партизан», телятниках на 400 голов колхоза имени Ильича и совхоза «Свобода» Горьковской области, коровника на 200 голов совхоза «Блиновский» Краснодарского края.

Результаты натурных обследований перечисленных производственных зданий, построенных с применением стеновых арболитовых однослойных панелей с двумя фактурными слоями, указывают на возможность широкого применения таких ограждающих конструкций при возведении телятников, коровников, свинарников, птичников и ряда других из арболита в условиях эксплуатации. ЦНИИЭПсельстроем (руководитель работ Балыбердин Н.С.) были проведены натурные обследования ряда сельскохозяйственных производственных зданий в Калужской, Смоленской, Саратовской, Горьковской областях и Краснодарском крае. В процессе обследования определяли размеры панелей, толщину арболита и фактурных слоев, среднюю плотность материалов, состояние конструкций, условия и продолжительность эксплуатации помещений. Изучались теплотехнические характеристики стеновых панелей: сопротивление теплопередаче отражений, теплопроводность в условиях эксплуатации, влажностный режим арболита и фактурных слоев. Для выявления степени агрессивности воздушной среды исследовали микроклимат зданий, при этом учитывалась эффективность использования систем приточно-вытяжной вентиляции. Эти исследования проводились по общепринятой методике НИИстройфизики, Гипронисельхоза, ЦНИИЭПсельстроя.

Обследование объектов, построенных из арболита

В Калужской области первый коровник из арболита на 200 голов был построен в Мосальском районе, в колхозе «Рассвет», в 1970 г. по типовому проекту № 801–22/66, разработанному Белгипросельхозстроем. Размеры коровника в плане 18×72 м; высота стен – 3 м, площадь застройки 1550 м2. В процессе привязки проекта традиционные керамзитобетонные стеновые панели были заменены арболитовыми панелями, изготовленными Мосальской МПМК. Толщина арболитовых однослойных панелей 23 см, средняя плотность арболита – 700 кг/м3. В построечных условиях панели с внешней и внутренней стороны офактурены цементно–песчаным раствором (толщиной до 2 см). Высота основных стеновых панелей 1,2 м, длина – 3 м. Здание оборудовано вытяжными шахтами, приток воздуха неорганизованный, без подогрева.

Вторым обследованным объектом был телятник на 400 голов, построенный в совхозе «Нахимовский» Холм–Жарковского района Смоленской области. Основные технические решения здания приняты в соответствии с типовым проектом № 801–401 «Севкавгипросельхозстроя». Размеры телятника в плане 18×84 м, высота стен здания – 3,6 м, площадь застройки 1550 м2. Стены здания возведены из однослойных арболитовых панелей на древесной дробленке, изготовленных на Издешковском заводе ЭДСК Росколхозстройобъединения (Смоленская область). Толщина панелей – 29 см, толщина слоя арболита – 25 см и двух фактурных слоев из цементно–песчаного раствора по 2 см. Средняя плотность арболита 650 кг/м3. Высота и длина панелей нижнего ряда 1,2×6 м, верхнего ряда (с оконными блоками) – 2,4×6 м. Панели усилены арматурной сеткой из проволоки диаметром 3 мм с ячейками 15×15 см. К сетке приварены монтажные петли. В здании есть приточная побудительная система вентиляции, совмещенная с воздушным отоплением; вытяжка воздуха осуществляется с помощью коньковых шахт.

Третий объект – птичник на 8 000 кур колхоза «Приволжский», Татищевского района Саратовской области, построенный в 1968 г. В планировочном отношении здание птичника соответствует типовому проекту № 802–400/ЗП «Приволжгипросельхозстроя». Размер здания в плане 12×96 м; высота стен – 2,7 м, площадь застройки – 1192 м2. Стеновые панели – из арболита, толщиной 20 см (два фактурных слоя из цементно–песчаного раствора толщиной 2 см). Средняя плотность арболита 650 кг/м3, длина панелей – 3 м, высота – 1,2 м. Вентиляция птичника осуществляется с помощью шести коньковых шахт и люков в нижней части стен. Содержание птицы – напольное. Животноводческие здания, построенные в других областях конструктивно решены аналогично. Анализ результатов обследования показывает, что в сельскохозяйственных производственных зданиях при средней плотности арболита 650–700 кг/м3 теплопроводность в условиях эксплуатации составила соответственно 0,26–0,28 Вт/(м∙°С). Близкие значения его получены и при лабораторных испытаниях на приборе «Файтрон».

В весенний период в животноводческих постройках происходит накопление влаги: по некоторым зданиям до 22,4–24,6%. В летнее время за счет испарения влаги в панелях влагосодержание арболита снижается до 7,5–15,5%. По СНиП 11–3–79 «Строительная теплотехника. Нормы проектирования», утвержденным Госстроем СССР 14 марта 1979 г., для фибролитовых плит и арболита на портландцементе в зданиях с нормальным, влажным и мокрым режимами воздуха помещений допускается 15%-ная влажность материала. В зоне конденсации паров влаги в зимний период года максимально допустимое значение – 25%. Влажность внутреннего фактурного слоя панелей в конце лета составляла 2–6,5%, наружного – 1,6–4,2%. Важно отметить также, что в коровнике колхоза «Рассвет» за 11 лет его эксплуатации не отмечено прироста уровня влагосодержания, несмотря на неудовлетворительный микроклимат в помещениях. Влажностный режим для стеновых панелей в разное время года в зданиях различного назначения зависит от технологии их изготовления и вида содержащихся в здании животных (см. табл. 6). При достаточной толщине стеновых арболитовых панелей теплозащитные их качества были хорошими, в частности, в телятнике совхоза, при условиях их правильной эксплуатации в соответствии с технологическими нормами. С учетом полученных результатов по определению и уточне­нию эксплуатационных теплофизических характеристик арбо­литовых однослойных офактуренных панелей в ЦНИИЭПсельстрое были выполнены расчеты толщин панелей данного типа для обширной номенклатуры сельскохозяйственных помеще­ний с различными параметрами температуры (от 15 до 16°С), влажности воздуха (от 70 до 85%) для районов с разными наружными зимними расчетными температурами (наиболее хо­лодные три или пять дней от -13 до -50°С), назначаемых для таких ограждений с учетом степени их тепловой инерции и охватывающих фактически все природно-климатические зоны страны.


Использование представленных материалов позволяет точно подбирать толщины панелей при проектировании сельских зданий в различных районах страны. Расчеты подтверждают данные натурных наблюдений о возможности массового применения однослойных офактуренных арболитовых панелей в большинстве важнейших регионов. Для усиления парозащитных свойств панелей в зонах с длительным периодом влагонакопления, характеризующихся одновременно и наиболее низкими наружными температурами (Восточная Сибирь, часть областей Западной Сибири и Дальнего Востока) в животноводческих зданиях нецелесообразно применять также двухслойные панели, в которых внутренний фактурный слой заменен защитным из плотного бетона толщиной 5 см.

Конструктивные особенности арболитовых панелей в зависимости от номенклатуры, микроклимата зданий и климатических условий приведены в табл. 14. На основании анализа работы различных стеновых конструкций из арболита в ЦНИИЭПсельстрое разработаны стеновые арболитовые однослойные офактуренные панели длиной до 6 м с монтажной арматурой для производственных сельскохозяйственных сооружений. Использование арболитовых панелей в сравнении с традиционными керамзитобетонными позволяет снизить толщину стен сельскохозяйственных зданий более чем в 1,5 раза.

Таблица 14. Конструктивные особенности арболитовых панелей в зависимости от номенклатуры, микроклимата зданий и наружных температур

Сухой с повышенными температурами воздуха, выше -40
Умеренно влажный, с умеренными температурами воздуха, выше -40
Влажный с пониженными температурами воздуха и умеренными, ниже -40
Однослойные с одним фактурным слоем (ρ=2400 кг/м3) и штукатуркой (ρ=1400-1800 кг/м3)
Однослойные с двумя фактурными слоями (ρ=1600-1800 кг/м3), с монтажной арматурой
Двухслойные армированные с защитными и фактурными слоями (ρ=2400 кг/м3)

VI. Применение арболита в строительстве

Арболит – эффективный местный строительный материал и в отечественной практике широко применяется для строительства промышленных, сельскохозяйственных, жилых и культурно–бытовых зданий. Изделия из арболита, имея сравнительно небольшую среднюю плотность теплоизоляционные – 400–600 кг/мЗ, конструктивно-теплоизоляционные – 600–800 кг/м3), обладают хорошими строительными, физико–техническими и гигиеническими свойствами. Кроме того, они поддаются распиловке, сверлению, обработке режущим инструментом и оштукатуриванию. В них можно забивать гвозди и ввинчивать шурупы. Они трудносгораемы, морозо– и биостойки, негигроскопичны и малотеплозвукопроводны. Многолетняя эксплуатация зданий и сооружений из бетона на органическом целлюлозном заполнителе в нашей стране, а также за рубежом убедительно подтверждает долговечность арболита.

Арболитовые изделия используют в строительстве в виде панелей и блоков, плит покрытия для совмещенных кровель и плит перекрытия, усиленных железобетонными брусками или несущей основой, перегородочных плит, плит пола, тепло- и звукоизоляционных плит, объемно–пространственных конструкций, монолитов и т.п. Арболит показал себя отличным стеновым материалом. Благодаря крупнопористой структуре этот бетон обладает ценными, особенно для сельскохозяйственных построек, качествами: высокой теплоизоляцией, способностью поддерживать осушающий режим в помещениях, поскольку на его поверхности не конденсируется влага и не повышается содержание влаги в стенах.

Отечественный и зарубежный опыт применения арболита показал, что он по своим строительным, экономическим и эксплуатационным показателям при применении в ограждающих конструкциях не уступает, а в ряде случаев и превосходит бетоны на минеральных пористых заполнителях, в том числе и широко распространенный керамзитобетон. Применение арболита позволяет снизить стоимость 1 м2 стены на 5-7 у.е. по сравнению с кирпичной кладкой и керамзитобетоном. При этом значительно снижается масса здания. Так, масса 1 м2 арболитовой стены толщиной 20 см составляет 140 кг, а аналогичная по теплотехническим характеристикам керамзитобетонная от 350 до 420 кг. Замена кирпичной кладки арболитом снижает массу здания в 7–8 раз. Арболит в ограждающих конструкциях благодаря крупнопористой структуре имеет высокие теплотехнические показатели, которые позволяют существенно повысить термическое сопротивление стен и снизить расходы на отопление таких зданий.

Однако дальнейшее расширение применения арболита в качестве ограждающих конструкций в производственных сельскохозяйственных зданиях тормозится отсутствием утвержденных Госстроем СССР альбомов рабочих чертежей типовых животноводческих и птицеводческих зданий с применением арболита. В настоящее время для изготовления арболитовых стеновых панелей промышленных и сельскохозяйственных зданий имеется следующая документация:

«Стеновые панели из арболита производственных зданий». Рабочие чертежи, шифр 293–75, разработаны институтами ЦНИИпромзданий, НИИЖБ Госстроя СССР, ВНИИдрев Минлеспрома СССР при участии НИИСФ Госстроя СССР, треста «Лесстройдеталь» и одобрены Госстроем СССР для применения при проектировании и строительстве. Номинальные размеры панелей: длина 600 см, высота до 150 см, толщина 20, 25, 30 см. Они представляют собой однослойную плоскую плиту из арболита марки 25 со средней плотностью 650–700 кг/м3. С внутренней и наружной стороны имеются фактурные слои толщиной 20 мм из цементно–песчаного раствора марки 100. Панели армированы плоскими каркасами, защита арматуры от коррозии предусматривается обмазкой цементно–битумной мастикой в соответствии с СН 277–70. Такие панели предназначены для стен одноэтажных и многоэтажных отапливаемых зданий с нормальным температурно–влажностным режимом (при относительной влажности внутреннего воздуха не более 60%) без агрессивной среды.

«Панели стеновые из арболита для животноводческих и птицеводческих зданий». Рабочие чертежи, шифр 21–75, разработаны ЦНИИЭПсельстроем, допущены Госстроем СССР для экспери­ментального строительства зданий. Номинальные размеры панелей: длина до 300 см, высота до 150 см и толщина 20, 24, 30 см. Они состоят из слоя арболита марки 25 (на основе древесной дробленки) и двух фактурных слоев из цементно–песчаного раствора марки 100 толщиной 2 см (наружного) и М75 толщиной 2 см (внутреннего). Рабочей арматуры в панелях нет. Предназначены они для стен одноэтажных сельских производственных зданий с относительной влажностью воздуха не более 75% при расчетных температурах внутреннего воздуха от 8 до 24°С и наружного до -40°С. Эти панели могут быть рекомендованы для сельскохозяйственных зданий с шагом несущих конструкций 3 м, например в зданиях для содержания крупного рогатого скота с несущими клееными деревянными конструкциями или стальными фермами перекрытия указанного шага.

«Стеновые трехслойные панели и блоки из арболита». Альбом рабочих чертежей, выпуск 1 и 2, разработан институтом «Крайколхозпроект» Краснодарского Крайколхозобъединения. Номенклатура панелей и блоков включает изделия длиной до 600 см, высотой до 120 см и толщиной только 20 см. Конструкция панелей и блоков трехслойная. Конструктивно–теплоизоляционный слой из арболита марки 15 (на основе костры конопли), внутренний защитный слой из тяжелого бетона М200 толщиной 3,5 см, а с наружной стороны толщиной 2,5 см, также из тяжелого бетона М200 или цементно–песчаного раствора M100. Армирование осуществляется пространственными каркасами. Арматура защищается слоем бетона, в местах пересечения арматуры бетонный слой утолщен за счет выбора в этих местах арболитовой смеси (что осложняет технологию формования изделий). Панели и блоки предназначены для стен животноводческих зданий со среднеагрессивной средой и относительной влажностью воздуха внутри помещения до 75%. Разработаны они для сельскохозяйственных зданий в южных районах, поэтому не могут быть рекомендованы для других климатических зон.

В 1980 г. ЦНИИЭПсельстроем при участии НИИЖБ разработана номенклатура и альбом рабочих чертежей «Однослойные стеновые панели из арболита для сельскохозяйственных зданий» с шагом колонн 6 м, шифр 16–81, которые одобрены Госстроем СССР для применения в опытно–промышленном строительстве сельскохозяйственных зданий.

Однослойные стеновые панели из арболита предназначены для наружных стен животноводческих и птицеводческих зданий со слабо- и среднеагрессивной средой при относительной влажности воздуха внутри помещений не более 75%. Для изготовления панелей применяется арболит М35 со средней плотностью 750 кг/мЗ, отделочные слои из цементно–песчаного раствора толщиной 2 см M100. Номенклатура панелей из арболита включает прямоугольные изделия толщиной 20, 25 и 35 см. Номинальные размеры стеновых панелей: длина 600, 450, 300, 180, 170, 150, высота 60, 90 и 120 см. Самонесущие стеновые панели рассчитаны на нагрузки от собственной массы и ветра. Нормативный скоростной напор ветра принят равным 550 Н/м2.

Опытная партия однослойных стеновых панелей из арболита была изготовлена в цехе арболитовых изделий Издещковского ЭДСК Росколхозстройобъединения (Смоленская область) способом послойной укладки арболитовой смеси, разработанным Саратовским объединением Росстройматериалы совместно с Гипростроммашем. Изделия формовали на поддоне, который в это время остается неподвижным на жестких опорах. Формующий блок – бортоснастка, представляет собой скользящую опалубку вместе с тележкой уплотнения – катком из трех валов. Длительность формования опытных панелей более одного часа, что естественно сказывается на условиях структурообразования арболита. Поэтому при совершенствовании данной технологии особое внимание следует уделить сокращению цикла формования арболитовых изделий и конструкций.

Размеры опытных арболитовых стеновых однослойных панелей 600×120×20 см. Состоят они из слоя арболита марки 35 и двух фактурных слоев из цементно–песчаного раствора марки 100, толщиной 20 мм. В панелях нет рабочей арматуры, что снижает требования к защите плоского каркаса, предназначенного для крепления к нему подъемных петель. Отсутствие объемного каркаса арматуры в запроектированных однослойных арболитовых панелях позволяет формовать их на любой формующей технологической линии, в том числе и способом послойного уплотнения (на СМЖ 506), разработанным Гипростроммашем.

Применение однослойных стеновых арболитовых панелей для строительства сельскохозяйственных зданий по сравнению с двухслойной керамзитовой панелью имеет ряд технико–экономических преимуществ: снижение массы более чем в 2 раза, расхода арматурной стали более чем в 4 раза, уменьшение приведенных затрат, себестоимости «в деле» и трудоемкости изготовления и монтажа на 22%. Кроме того, однослойная конструкция панели существенно упростит технологию изготовления по сравнению с двух–, трехслойными панелями. Это обусловлено тем, что в этом случае не требуется щебневой заполнитель для защитных слоев и связанные с его применением дополнительные бетоносмесительные системы, склады щебня.

Применение однослойных стеновых панелей из арболита по сравнению с аналогами – панелями длиной 600 см – дает ряд экономических преимуществ (табл. 15).

Таблица 15. Технико-экономические показатели однослойных панелей и их аналогов

В отечественной практике накоплен значительный положительный опыт строительства из однослойных стеновых панелей (в основном длиной 300 см) зданий различного назначения в различных климатических районах. Обследование таких здании показало, что при соблюдении строительных норм и правил эти здания при длительной эксплуатации (10–12 лет) находятся в хорошем состоянии.

Примеры раскладки однослойных стеновых панелей, разработанных ЦНИИЭПсельстроем (шифр 16–81) применительно к типовому проекту коровника ТП801–314 и здания птичника ТП805–315, представлены на рис. 25 и 26, а спецификация панелей для этих зданий приведены в табл. 16 и 17.
раскладка коровника из арболитовых панелей
Рисунок 25
Фасад коровника ТП 801– 314. Раскладка арболитовых панелей продольных (а) и торцовых (б) стен.
Показать спецификацию в таблице 16

Таблица 16. Спецификация панелей на здание коровника ТП 801-314

Арболит широко применяют в Горьковской, Вологодской, Свердловской, Калужской, Архангельской областях, в Краснодарском крае и Адыгейской автономной области, где из него возведены различные объекты.

Особенно широко используют арболит в строительстве жилых зданий по типовым проектам, разработанным Гипролеспромом, ЦНИИЭПгражданстроем и Росколхозобъединением.
Фасад птичника ТП 805–315
Рисунок 26
Фасад птичника ТП 805–315. Раскладка арболитовых панелей продольных (а) и торцовых (б) стен.
Общий объем арболита, израсходованный на здание: 210,09 м3, в том числе на продольные стены 135,84; на торцовые – 74,25 м3
Показать спецификацию в таблице 17

Таблица 17. Спецификация панелей на здание птичника ТП 805-315

Общий объем арболита, пошедшего на здание 228,90 м3, в том числе на продольные стены 170,80; на торцовые – 58,10 м3
Одним из перспективных направлений является применение арболита в комбинированных несущих конструкциях плит покрытий и перекрытий, так как в существующих проектах еще большую долю занимают деревянные конструкции (покрытия и перекрытия, кровля, тамбур, лестничные марши), которые недолговечны и не огнестойки. В нашей стране и за рубежом имеется опыт жилищного и промышленного строительства с использованием арболита в совмещенных покрытиях в качестве несущих плит.

В производственном объединении Днепроэнергостройиндустрия было организовано изготовление для строительства жилых домов несущих конструкций из арболита в виде объемно–блочных элементов. Октябрьским ДСК Минлеспрома СССР были изготовлены трехслойные арболитовые плиты покрытия и перекрытия, верхний и нижний слой которых выполнен из тяжелого армированного бетона.

Плиты размером 360×120×18 см были использованы для строительства трехэтажного 8–квартирного дома для покрытия и перекрытия по экспериментальному проекту Гипролеспрома (пос. Октябрьский Архангельской области).

Арболитовые конструкции в покрытиях и перекрытиях имеют небольшие пролеты. Изгибаемые несущие элементы пролетом более 4,8 м в массовом масштабе не изготовляются. Это обусловлено недостаточной изученностью использования арболита в изгибаемых элементах и небогатым опытом их применения. Из-за невысоких прочностных показателей арболита использование его в изгибаемых несущих элементах покрытий и перекрытий может осуществляться в основном в виде комбинированных конструкций составного сечения в сочетании с тяжелым бетоном M100–300.

За рубежом для покрытий промышленных зданий и жилых домов с совмещенной кровлей с успехом применяют плиты из дюризола, армированные в растянутой зоне сталью. В зависимости от пролета и нагрузки плиты изготавливают толщиной 10 и 12 см, длиной 350 см, армирование осуществляется с помощью стержней арматуры, о бетонированных тяжелым бетоном.

НИИЖБ совместно с Союзнаучплитпромом разработаны плиты перекрытий из арболита для жилых и общественных зданий 115–й серии. Конструкция панели разработана для пролетов 3,6 и 4,8 м при толщине 18 см. Панель имеет слоистое сечение: нижний слой толщиной 3,5 см, верхний – 2,5 см из тяжелого бетона М200, средний – 14,5 см из арболита М25 или М35. Рабочая арматура, изготавливаемая из стали класса А-II или А-III, укладывается в виде сварных сеток (из стержней диаметром 10–12 мм). В нижнем слое панели средний слой из арболита М25 и М35 со средней плотностью 700–800 кг/м3 выполняет теплоизолирующие и звукоизолирующие функции. Масса 1 м2 такой арболитовой панели 253 кг. Экономический эффект от применения панелей перекрытий из арболита таков: стоимость материала перекрытий по сравнению со стоимостью деловой древесины снижается в два раза; трудоемкость работ на строительной площадке уменьшается на 30–40%, долговечность и огнестойкость конструкций перекрытий повышается.

По результатам выполненных исследований было разработано «Руководство по проектированию и изготовлению изделий из арболита», в котором дан метод расчета арболитовых элементов и приведены нормативные и расчетные характеристики арболита. Однако область их применения ограничена. Они не могут удовлетворять потребности промышленного и сельскохозяйственного строительства, где наиболее эффективно применение плит покрытий длиной 6 м. Изготовление и применение плит для пролета 6 м позволило бы полностью унифицировать несущие и ограждающие конструкции.

Проектной группой Пермского Облпотребсоюза разработаны рабочие чертежи «Плиты крупнопанельные арболитовые для покрытия КАП» размером 1,5x6,0 м. Конструктивные решения крупноразмерных арболитовых плит покрытия пролетом 6 м разработаны инж. Байдиным при участии ЦНИИЭПсельстроя.

Опыт экспериментального строительства зданий, в которых арболит использован в покрытиях и перекрытиях в качестве несущих элементов с пролетом 4 и 6 м, имеется в Пермской области. Например, в поселках Верхние Городки построен гараж и двухэтажный дом, в поселке Комарихинская – книжный магазин. При обследовании гаража и других зданий после двух лет эксплуатации было установлено, что арболитовые плиты пролетом 4 и 6 м в совмещенном покрытии не имеют сверхнормативных деформаций. По сравнению с железобетонными такие покрытия имеют ряд достоинств, в частности, они не требуют теплоизоляции.

Как показал пермский опыт, при утеплении кровель минераловатными плитами толщиной 10 см на каждые 100 м2 требуется по нормам 23 чел.–дня на укладку утеплителя и 7,35 чел.–дня на устройство пароизоляции, стяжки и битумной грунтовки. Общие трудозатраты составляют 42,13 чел.–дней. При использовании арболитовых плит покрытия, не требующих утеплителя трудозатраты на устройство кровли сокращаются более чем в 3,4 раза. В бесчердачных совмещенных кровлях из арболитовых плит сразу же после их укладки, заделки и выравнивания поверхностей швов можно наклеивать водоизоляционный ковер или пришивать шифер непосредственно к плитам. Внедрение в строительство арболитовых несущих покрытий позволит снизить массу зданий, уменьшить расход материалов, трудоемкость строительства, стоимость возведения объектов.

Эффективность применения арболита в строительстве проявляется в наибольшей мере в тех случаях, когда наряду с теплозащитными максимально используются его прочностные свойства.
Интересен опыт применения арболита высоких прочностей (марки 50 и выше) с улучшенной стойкостью к влагопеременным условиям в качестве основания под полы. Производство арболитовых плит (сборная стяжка) под линолеум и паркет было освоено на ДОЗе Главбакстроя в цехе арболитовых изделий (рис. 27) по проекту треста Оргтехстрой Минпромстроя АзССР. Подобранный нами состав арболитовой смеси (с добавкой известнякового штыба – отхода камнепиления) и выбранные технологические режимы позволили получить конструктивно–теплоизоляционный арболит М50 со средней плотностью 850–900 кг/м3.

Нестандартная технологическая оснастка изготовлена силами треста. Был применен эффективный способ формования арболитовых изделий – циклическое прессование с немедленной распалубкой, который позволяет резко сократить затраты на формующую оснастку. Сущность способа формования с немедленной распалубкой в принятой технологии заключается в том, что после многократного прессования (сжатия) арболитовой смеси по подобранному режиму отформованное изделие распалубливается и на щитовом поддоне переносится на конвейер термокамеры. Для предотвращения редеформации подобран специальный режим прессования. В результате экспериментов удалось за счет попеременных многократных сжатий, сброса давления до нуля и подбора циклов выдержек снизить упругость арболитовой смеси практически до нулевых значений. Число попеременных сжатий и удельное давление находятся в зависимости от таких факторов, как форма и размеры древесных частиц, водоцементное и деревоцементное отношения, толщина прессуемого изделия, а также от количества добавки известнякового штыба.

На Дарнагюльском ДОЗе в качестве органического целлюлозного заполнителя использовали станочную стружку, состоящую преимущественно из хвойных пород древесины с примесью до 20% лиственных пород (осины, березы). Для улучшения фракционного состава стружку пропускают через молотковую мельницу типа ДМ–1 и виброгрохот. Номенклатура выпускаемых в цехе плит сборной стяжки из арболита включает плиты размерами 2820×980; 1405×980 и 930×980 мм, толщиной 70 мм, используемые в качестве оснований под чистые полы (паркет или линолеум).

Рисунок 27
Общий вид цеха ДОЗа Главбакстроя по производству арболитовых плит пола (сборная стяжка).

VII. Производство и применение арболитовых плит для основания под полы

Впервые в отечественной практике в промышленных масштабах были изготовлены арболитовые плиты М50 (сборная стяжка) с улучшенной стойкостью к влагопеременным условиям (увлажнению и высыханию) и применены в качестве теплого основания пола под покрытие из линолеума и паркета на девятиэтажном многоблочном жилом доме серии 1–Аз–400АС в г. Баку квартал № 1911 по улице Мичурина). Отделочным трестом № 1 Главбакстроя уже в конце 1973 г. только на этом доме было уложено более 2000 м2 арболитовых плит. Арболитовые плиты пола, кратные размерам комнат, укладывали на песчаную подсыпку, швы заполнялись цементно–песчаным раствором, в состав которого входили просеянные (отделенные от пыли) длинноволокнистые лесорамные опилки (рис. 28). Паркет крепили к арболитовому основанию гвоздями или мастикой, линолеум наклеивали при помощи мастики.

Принятая конструкция пола со сплошной звукоизолирующей прослойкой из песка вместо ленточной, предусмотренной СНиП II-B.8–71 (6–12 и С–13), исключает поперечный изгиб сборной стяжки из арболита и позволяет снизить марку бетона сборной стяжки с М75 до М50. Статический расчет пола подтвердил такую возможность. Замена армированных легкобетонных плит теплого основания на минеральных пористых заполнителях (керамзитобетонных) арболитовыми неармированными плитами пола М50 (сборная стяжка) дала хорошие результаты. Арболитовые плиты М50 в системе Главбакстроя применялись в панельном домостроении в качестве основания в конструкции пола.

Устройство полов в жилых домах с применением арболитовых плит М50 взамен легкобетонных армированных плит на минеральном пористом заполнителе – керамзитобетонных, что предусмотрено проектом, позволило снизить затраты на 1 м2 полов по сравнению со сметной стоимостью на 1,39 у.е. при покрытии из линолеума и 1,29 у.е. при покрытии из паркета. Уложено более 27000 м2 арболитовых плит пола М50, изготовленных на Дарногюльском ДОЗе Главбакстроя, что обеспечило экономический эффект из расчета 1,34 у.е. на 1 м2 более 36 000 у.е. в результате замены армированных легкобетонных плит из керамзитобетона.

Длительная эксплуатация в жилых зданиях в течение 10–11 лет арболитовых плит пола высокой прочности (М50) с улучшенной стойкостью к влагопеременным условиям показала их высокое качество. Обследование полов из арболита и отсутствие рекламаций от жильцов подтвердили их хорошее состояние и надежность.
Арболитовые плиты в квартире с разделанными швами.
Рисунок 28
Арболитовые плиты марки 50 сборных стяжек пола, уложенные в квартире с разделанными швами.

VIII. Применение арболита для строительства жилых и общественных зданий на селе

Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1981–1985 годы и на период до 1990 года, июньским и ноябрьским (1982 г.) Пленумами ЦК КПСС предусмотрено значительное расширение заводского производства малоэтажных домов усадебного типа для сельского строительства по новым, технически более совершенным проектам, что будет способствовать значительному повышению благосостояния сельских жителей и закреплению кадров на селе.

Практически все специалисты в области жилищного строительства признают, что для сохранения преимуществ сельской жизни, которые во многом и удерживают человека на селе, доля квартир в многоэтажных домах не должна превышать 20–25%, 75–80% сельских квартир должны строиться в виде индивидуальных домов усадебного типа с надворными хозяйственными постройками.
План одноэтажного дома с одной квартирой
Рисунок 29
Одноэтажный одноквартирный трехкомнатный жилой дом.
Важной проблемой массового жилищного строительства на селе является повышение комфортабельности и качества жилища, снижение материалоемкости и стоимости строительства при использовании эффективных местных строительных материалов.

Как уже говорилось, арболит широко применяется в строительстве жилых зданий. Имеются типовые проекты, разработанные Гипролеспромом (рис. 29, 30), ЦНИИЭП граждансельстроем и Саратовским ПТПО «Сельстройматериалы» Росколхозстройобъединения.
План двухэтажного жилого дома с двухуровневыми четырехкомнатными квартирами
Рисунок 30
Двухэтажный двухквартирный жилой дом с четырехкомнатными квартирами в двух уровнях.
Сравнение технико–экономических показателей проектов жилых домов (табл. 18, 19) позволяет рекомендовать для строительства жилого дома в сельской местности проект одноэтажного одноквартирного трехкомнатного жилого дома 35–й серии, переработанного Саратовским ПТПО «Сельстройматериалы» Росколхозстройобъединия в арболитовом исполнении.

Разработана соответствующая формующая оснастка, которую поставляет в комплекте с формующей установкой СМЖ–506 Черкасский машиностроительный завод.
Показать таблицу 18

Таблица 18. Технико–экономические показатели типовых проектов жилых зданий, разработанных Гипролеспромом

Показать таблицу 19

Таблица 19. Технико-экономические показатели типовых жилых домов из арболита, разработанных ЦНИИЭПгражданстроем и Росколхозстройобъединением

Домами серии 35 усадебного типа из арболитовых конструкций широко застраивают села в системе Росколхозстройобъединения (рис. 31, 32).
одноэтажный жилой дом из арболита
Рисунок 31
Одноэтажный одноквартирный жилой дом из арболитовых конструкций.
Усадьба включает одноэтажный одноквартирный трехкомнатный жилой дом из арболита, хозяйственную постройку с гаражом, земельный участок для подсобного хозяйства и ограждение участка. Дом имеет улучшенную планировку: увеличены площади кухни и передней, предусмотрены подсобные и летние помещения. Под верандой расположен подвал для хранения овощей. В доме запроектированы водопровод, канализация, центральное отопление, горячее водоснабжение, газоснабжение от поселковых инженерных сетей.

Хозяйственная постройка, сблокированная с гаражом, удобно расположена на территории усадьбы. Из гаража предусмотрен прямой выезд на улицу. Специальный выход из дома функционально связан с хозяйственной постройкой.

В такой постройке есть помещения для коровы с приплодом, птицы, свиньи, овец, кормопроход и кладовая. Все несущие и ограждающие конструкции зданий усадьбы (цокольные панели, плиты перекрытия, стеновые панели, межкомнатные перегородки) запроектированы из арболита. Крыша чердачная, двускатная; кровля – из асбестоцементных листов, уложенных по деревянным стропилам. Проектом предусмотрено применение цокольных арболитных панелей и стеновых крупноразмерных панелей размером «на комнату». Масса зданий из арболита в 2,2 раза меньше, чем масса зданий из железобетона и керамзитобетона.
одноэтажный жилой дом усадебного типа из арболита
Рисунок 32
Одноэтажный одноквартирный жилой дом усадебного типа с хозяйственными надворными постройками.
Усадьба из арболита комфортабельна; применение проекта этой усадьбы позволяет разнообразить композиционные при­емы застройки сельских населенных пунктов.

Разработаны проекты общественных зданий из арболитовых конструкций:

общеобразовательной средней школы на 10 классов на 392 учащихся с продленным днем для части учащихся; здание детского сада–яслей на 140 мест двухэтажное, скомпоновано из трех блоков, объединенных лестничными клетками (ТП 211–1–156); клуб с залом на 300 мест; столовая на 75 мест (ТП 271–20–82); магазины продовольственные и товаров повседневного спроса площадью 90, 150 и 250 м2 для поселков на 1, 2 и 3 тыс. жителей (ТП 271–33–4, ТП 271–33–6, ТП 271–33–7).

IX. Производство и применение мелкоштучных арболитовых блоков в малоэтажном строительстве

Для индивидуального строительства жилых домов усадебного типа и хозяйственных надворных построек (коровник, свинарник, птичник, сарай–хранилище, гараж и др.) достаточно эффективны мелкоштучные арболитовые блоки. На организацию их производства необходимы незначительные капиталовложения и оно экономически целесообразно уже при небольших мощностях цехов или участков полигонного типа от 2 до 3 тыс. м3 изделий в год.

На Волоколамском экспериментальном заводе строительных конструкций (ЭЗСК г. Волоколамск Московской обл.) организован экспериментальный участок по производству мелкоштучных блоков из арболита М35. Технологическая линия (рис. 33) разработана ПТБ Мособлстройматериалы Мособлисполкома на базе механизированной бетонорастворосмесительной установки СБ–119–1М, изготавливаемой Житомирским опытно–механическим заводом Минсельстроя СССР (рис. 34). Номенклатура мелкоштучных блоков из арболита М35 принята с учетом возможности возведения одноэтажного четырехкомнатного дома-усадьбы, разработанного ЦНИИЭП граждансельстроя (в варианте из газосиликатных блоков, общая площадь 85,25 м2, жилая площадь 52,1 м2). Изготавливаемые на Волоколамском ЭЗСК мелкоштучные арболитовые блоки М35 имеют следующие размеры: 290×290×590 мм, 290×290×890 мм и др., возможно изготовление блоков типа «крестьянин» размером 188×190×390 мм. На территории Волоколамского ЭЗСК строится жилой дом–усадьба из арболитовых мелкоштучных блоков.

В качестве древесного заполнителя применяется щепа, полученная одностадийным дроблением кусковых отходов хвойных пород (горбыль, срезки, торцы, тонкомер и др.) на рубительной машине типа ДУ–2. Принятый состав смеси для изготовления арболитовых блоков М35 со средней плотностью 700 кг/м3 на 1 м3 блоков приведен ниже.
линия производства мелкоштучных блоков из арболита
Рисунок 33
Технологическая линия участка по производству мелкоштучных блоков из арболита. Открытый склад для древесной дробленки.
Технология изготовления арболитовых мелкоштучных блоков такова. Древесная дробленка (щепа), полученная из отходов в лесопильном цехе, поступает на открытый склад участка (полигона) по производству арболитовых блоков. С помощью грейферного устройства дробленка со склада подается в объемный дозатор, а затем скиповым подъемником загружается в смеситель. Сюда же через весовые дозаторы поступают цемент и растворы химикатов и технической пены. Полный цикл перемешивания продолжается 8 мин.
цех для приготовления и формовки арболита
Рисунок 34
Смесительное отделение для приготовления арболитовой смеси и пост формовки блоков.
Технология изготовления арболитовых мелкоштучных блоков такова. Древесная дробленка (щепа), полученная из отходов в лесопильном цехе, поступает на открытый склад участка (полигона) по производству арболитовых блоков. С помощью грейферного устройства дробленка со склада подается в объемный дозатор, а затем скиповым подъемником загружается в смеситель. Сюда же через весовые дозаторы поступают цемент и растворы химикатов и технической пены. Полный цикл перемешивания продолжается 8 мин.

Поризованную арболитовую смесь получают следующим образом. В смеситель, загружают сначала древесную дробленку (щепу), а затем раствор геля, полученного предварительным смешиванием хлористого кальция, жидкого стекла и 1/3 воды затворения. Щепа с гелем и водой перемешивается в течение 5 мин. Затем в смеситель загружают цемент и оставшуюся часть воды. Перемешивание продолжается 2–2,5 мин. В приготовленную таким образом смесь вводят пену, полученную с помощью центробежного насоса типа 15К–6, и продолжают перемешивание еще 30 с. Готовая смесь через течку–раздатчик поступает в металлическую форму, установленную на вибростоле (смонтированном на самоходной тележке), где происходит формование. Вибростол представляет собой металлическую плиту, опирающуюся на четыре резиновые опоры, к тыльной стороне которой прикреплен вибратор серии «И». После завершения уплотнения блоков тележка с формой выкатывается и с помощью тельфера форму с изделиями переносят на пост вызревания. Через 1–3 сут в зависимости от атмосферных условий осуществляют распалубку и изделия переносят на участок естественного дозревания, где они хранятся 7 сут. Блоки укладывают в штабель на деревянные прокладки по 4 блока по высоте. Вместимость склада готовой продукции рассчитана на десятидневное хранение арболитовых блоков до отпуска их на строительную площадку (рис. 35).
склад для вызревания арболита
Рисунок 35
Склад естественного вызревания мелкоштучных арболитовых блоков.
Характеристика участка (полигона) по производству мелкоштучных блоков из арболита: время одной формовки 13 мин; производительность: суточная 12 м3 или 220 штук блоков, или 77 формовок (при 3 блоках в форме), годовая 1800 м3 или 33000 штук блоков (в качестве расчетного принят блок размером 0,3×0,3×0,6 м = 0,54 м3).

В ряде случаев в теплое время года из арболитовой смеси целесообразно возводить жилые дома и хозяйственные надворные постройки в монолитном исполнении с использованием установки СБ–119–1М. Такой способ особенно эффективен, когда строительство ведет индивидуальный застройщик. Можно применять скользящую опалубку, а также деревянные щиты, покрытые кровельным железом, пластиком или водостойкой фанерой.

Значительный опыт изготовления мелкоштучных блоков типа «крестьянин» накоплен в Солнечногорском леспромхозе Московского управления лесного хозяйства и охраны леса по технологии, разработанной ЦНИИМЭ, а также на Звенигородском цехе арболитовых изделий, где формирование мелкоштучных блоков из арболита размером 188×190×390 мм осуществляется на виброформовочном станке СМ–647.

Технология изготовления арболитовых блоков такова. Древесные отходы лесопильного цеха (в виде горбылей, реек, дровяного долготья) перерабатывают на рубительной машине ДУ–2 в щепу, которая пропускается через молотковую мельницу типа ДМ–1. Длина получаемой древесной дробленки 1,75–15 мм, толщина от 2 до 5 мм. Перемешивают арболитовую смесь в растворомешалке вместимостью 325 л в течение 4–5 мин. В Звенигородском цехе блоки изготовляют без пустот, что сокращает брак. В качестве заполнителя кроме древесной дробленки используются до 20% опилок.

Отформованные блоки на деревянных поддонах укладывают на стеллажи, находящиеся в цехе, где выдерживают 4 сут. Затем изделия на тележке направляют в отделение твердения, где хранят в штабелях при положительной температуре 7 сут, после чего вывозят на склад готовой продукции. Прочность блоков 0,1–0,2 МПа.

Выпуск опытно–промышленной партии мелкоштучных блоков из поризованного арболита размером 180×200×390 мм в 1982 г. был налажен на Шеманихинском Леспромхозе Горьковского Облмежколхозстройобъединения. Поризованная арболитовая смесь отличается повышенной подвижностью и удобоукладываемостью, что позволяет уплотнять смесь на обычных виброплощадках. Расход материалов на 1 м3 поризованного арболита: портландцемент – 380 кг; древесная дробленка –180 кг; хлористый кальций – 5 кг; жидкое стекло – 10 кг; паста УСП – 1 кг. Поризованные арболитовые блоки характеризовались прочностью на сжатие – 3,5 МПа, морозостойкостью – 35 циклов, средней плотностью – 690 кг/м3. По данным НИИЖБ экономический эффект от применения 1 м3 поризованного арболита составляет 5,84 у.е.

ЦНИИЭПсельстроем разработаны и изготовлены две формующие установки по производству стеновых панелей и блоков из арболита, одна из них смонтирована на Горийском ДОЦе Объединения «Грузсельстройдеталь» Минсельстроя ГрузССР, вторая эксплуатируется с 1979 г. на Майнском лесокомбинате Ульяновского управления лесного хозяйства. В 1981 г. выпущено 7 тыс. м3 арболитовых блоков размером 200×250×500 мм, а в 1983 г. изготовлено более 10 тыс. м3 таких изделий. Часть арболитовых блоков используется Майнской ПМК–17 треста Ульяновсксельстрой Минсельстроя СССР для строительства малоэтажных зданий усадебного типа и производственных сельскохозяйственных зданий.

X. Технико–экономические показатели производства и применения арболитовых изделий и конструкций

Как уже говорилось, производство арболита и его применение имеет ряд преимуществ перед традиционными строительными материалами:

утилизируются неиспользованные отходы деревообработки для получения заполнителя; снижается масса зданий и упрощается монтаж конструкций при их строительстве; отсутствует необходимость в высококвалифицированных монтажниках и в механизмах большой грузоподъемности для монтажа зданий; снижается трудоемкость производства и монтажа; сравнительно низки удельные капиталовложения на изготовление 1 м2 конструкций и невысоки приведенные затраты. Кроме того, появляется возможность изготовления панелей полной заводской готовности размером на комнату с вмонтированными оконными и дверными блоками, т.е. обеспечивается полносборность строительства.

Сравнительно небольшая масса изделий (самая большая стеновая панель из арболита размером 600×300×20 см при р = 700 кг/м3 весит 2,7 т и ее монтаж может быть осуществлен любыми выпускаемыми серийно передвижными кранами средней грузоподъемности).

Наблюдается заметная экономия цемента (применение арболита по сравнению с керамзитобетоном снижает расход цемента на 35–55 кг на 1 м2 ограждения при одинаковых теплозащитных характеристиках). Существенно снижается стоимость арболитовых конструкций в «деле» (стоимость панелей в 1,5–2 раза ниже, чем деревянных облегченных: 6,5 – 9 у.е./м2 против 12 – 15 у.е./м2). Для арболитовых конструкций не требуется таких дефицитных материалов, как для деревянных (древесно­стружечные плиты, асбестоцемент, фанера, пиломатериал, шуру­пы, минеральная вата, полиэтиленовая пленка, антисептики и др.).

В нашей стране есть опыт строительства зданий с конструкциями из арболита, свидетельствующий о том, что применение его экономически целесообразно в малоэтажном жилищном строительстве, а также при строительстве зданий сельскохозяйственного производственного назначения (табл. 21).

Таблица 21. Сравнительные технико-экономические показатели стеновых материалов

Арболит показал себя хорошим стеновым материалом. Благодаря своей структуре этот бетон на органическом целлюлозном заполнителе обладает высокими теплоизоляционными ка­чествами. Широкое его применение в сельском строительстве позволяет решить один из наиболее важных вопросов экономики строительства – снижение массы здания. Например, в ряде сооружений замена арболитом традиционных материалов позволяет снизить ее в 1,5 раза и более. Применение арболита в строительстве решает также одну из важнейших народнохозяйственных задач – снижение материалоемкости, особенно расхода цемента в сравнении с применением традиционного керамзитобетона. Ежегодная экономия цемента (при освоении к 1985 г. новых мощностей по арболиту в объеме 1,4 млн. м3, намеченных Госстроем СССР) может быть равна 240 тыс. т. В денежном выражении экономический эффект составит 3 млн. 840 тыс. у.е.

Производство и применение арболита в качестве ограждающих конструкций также позволяет снизить энергозатраты как в процессе изготовления материалов, так и при эксплуатации конструкций из него по сравнению с материалами, получаемыми на искусственных пористых заполнителях. С точки зрения энергоемкости, трудозатрат и удельных капиталовложений в производстве легких бетонов, органический целлюлозный заполнитель экономичнее искусственных пористых заполнителей, так как они требуют создания карьерного хозяйства, строитель­ства специальных заводов по вспучиванию керамзита, перлита, аглопорита и других заполнителей с энергоемким и дорогостоящим оборудованием.

Приготовление и подготовка органического целлюлозного заполнителя практически сводится к измельчению древесного сырья и его фракционированию, а в ряде случаев (костра льна и конопли, станочная стружка) простому отделению пылевидных фракций. Изготовление же и подготовка искусственного пористого минерального заполнителя для легкого бетона сопряжены со значительным расходом тепла, вредными условиями труда, большими транспортными издержками и др. Поэтому очевидна эффективность производства и применения арболитовых конструкций, особенно в тех районах страны, где обеспечение материально–техническими ресурсами затруднено.

При эквивалентной толщине стены, обеспечивающей одинаковую теплопередачу, масса 1 м2 ограждений из арболита в 7–8 раз ниже, чем из кирпича и в 2–3 раза ниже, чем из керамзитобетона; стоимость 1 м² стены соответственно на 3–4 и 6–7 у.е. меньше. Эффективность арболита в наибольшей мере проявляется в тех случаях, когда наряду с теплозащитными свойствами максимально используется также его прочность, например, в индустриальных бескаркасных стеновых конструкциях, где он может конкурировать с современными бетонами на пористых заполнителях и ячеистыми бетонами.

Важнейший фактор, определяющий высокую технико–экономическую эффективность применения арболита – значительное уменьшение капитальных вложений на создание сырьевой базы производства арболитовых конструкций по сравнению с соответствующими затратами на производство бетонов на минеральном пористом заполнителе.

Опыт показывает, что при строительстве малоэтажных зданий конструкции и изделия из арболита эффективно заменяют кирпич, керамзитобетон, ячеистые бетоны. Сравнительные технико-экономические показатели изготовления 1 м2 глухой наружной стены из различных материалов приведены в табл. 22. В ней даны расчетные технико–экономические показатели крупных блоков из арболита марок 25–35, изготовленных комплектно и отвечающих всем требованиям ГОСТ 19222–73 в отношении отделки, армирования, теплопроводности, прочностных и прочих характеристик. Эти данные могут быть использованы для более широкого применения в практике проектирования, планирования и анализа производства, а также для обоснований планов развития и размещения производства арболита.

Таблица 22. Технико–экономические показатели производства арболитовых блоков. Цеха годовой производственной мощности, тыс. м3

Себестоимость производства арболитовых блоков определена на основании калькуляций, составленных для цехов принятой мощности по элементам и статьям затрат, исходя из усредненных нормативных показателей расхода материальных ресурсов и полученных значений удельных капитальных вложений. Расход технологической щепы на 1 м3 арболита с учетом наиболее характерного состава породы, потерь при хранении, дроблении, принят в размере 0,6 м3. В затратах на производство арболита она учтена как полуфабрикат по ее цеховой себестоимости, составляющей при использовании в качестве сырья отходов лесозаготовок и неокоренных отходов лесопильных производств для условий Горьковской области 7 у.е./м3.

Дальнейшее снижение себестоимости производства арболитовых изделий и повышение эффективности его применения должно основываться на совершенствовании технологии, снижении металлоемкости формующей оснастки, уменьшении расхода цемента и дальнейшей механизации процессов.

При строительстве новых цехов по производству арболитовых изделий и конструкций существенным экономическим показателем являются объем капитальных вложений и удельные показатели, которые в большой мере зависят от правильного подхода к выбору места для строительства. Большинство цехов построено на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях и леспромхозах, где есть возможность рационально готовить древесный заполнитель (подбор отходов по породам, дробление, фракционирование), но там возникают трудности при выполнении бетонных и арматурных работ.

Представляется, что наиболее целесообразно строить арболитовые цеха на комбинатах производственных предприятий (КПП), сельских строительных комбинатах (ССК), домостроительных комбинатах, где есть производство деревообрабатывающее и сборного железобетона (там можно частично или полностью использовать склады цемента, песка, арматурное хозяйство, а в ряде случаев бетоносмесительные узлы и склады готовой продукции), а также на территориях промышленных зон, где лесопильно–деревообрабатывающие предприятия соседствуют с заводами сборного железобетона. С целью сокращения трудозатрат, транспортных операций и рационального использования рабочих и ИТР дробильно–сортировочное отделение следует размещать в зоне цехов, перерабатывающих древесину, а готовую фракцию древесного заполнителя {дробленку) пнемотранспортом направлять в расходный бункер цеха арболитовых изделий. Последний же целесообразно приблизить к цехам сборного железобетона или сблокировать с пролетами таких цехов.

Для скорейшего решения задачи широкого внедрения в строительство арболита представляется необходимым:

ускорение массового производства серийного оборудования для формования изделий и конструкций из арболита; центра­лизация комплектования по заявкам министерств и ведомств дробильно-сортировочного оборудования, складов цемента и бетоносмесительных узлов; выпуск типовых проектов для строи­тельства цехов разных мощностей (12, 18 и 24 тыс. м3 в год) на базе различных органических целлюлозных заполнителей. Кроме того, следует совершенствовать технологию арболита, исследуя возможности использования различных пород древесины и их смесей, добиваться снижения деформативности арболита, защиты арматуры и закладных деталей от коррозии, улучшения формовочных свойств арболитовой смеси, ее удобоукладываемости, с целью приближения условий формования из нее изделий к принятым в технологии обычного бетона на минеральном заполнителе. Возникла также настоятельная потребность в разработке и издании каталога изделий и конструкций из арболита, а также жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с применением конструкций из арболита для разных климатических районов.

В условиях всевозрастающего объема потребления в строительстве лесоматериалов и изделий из них проблема использования отходов древесины становится актуальной народнохозяйственной задачей. Наиболее эффективное направление использования отходов древесины – получение на их основе арболита. Эффективность арболита реализуется наиболее полно при одновременном максимальном использовании его теплозащитных и прочностных свойств в малоэтажном жилищном строительстве и в сельскохозяйственных производственных зданиях. Применение арболита в строительстве, как уже говорилось, снижает массу здания, сокращает стоимость и улучшает условия эксплуатации возведенных помещений.

Расширение производства арболита диктуется необходимостью снизить удельные затраты на строительство, максимально утилизировать отходы древесины и способствовать решению задачи защиты окружающей среды от загрязнения производственными отходами.
Получите предложения от производителей качественного арболита из каталога KBLOK