Разработка состава и технологии древошлакового композиционного материала

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» на кафедре строительных технологий и экспертизы недвижимости

Защита диссертации состоится «12» ноября 2013 г. в 16 ⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Email: rector@spbgasu.ru

Автореферат разослан «09» октября 2013 г.

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Казаков Юрий Николаевич

1. 
   ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
   

Промышленность строительных материалов – одна из ведущих отраслей народного хозяйства, которая достаточно эффективно использует вторичные продукты многих отраслей промышленности для выпуска различных строительных материалов. Развитие производства строительных материалов в этом направлении связано с многими аспектами: истощаемостью природных ресурсов, высокой энергоемкостью ряда технологических процессов добычи и переработки сырья; угрозой экологической безопасности РФ; отсутствием мест захоронения отходов; негативным влиянием на окружающую воздушную, водную и растительную среду, на здоровье человека и животных.

В Вологодской области на сегодняшний день имеется большое количество лесо- и деревообрабатывающих производств, являющихся лидерами по выпуску ДСП, фанеры, деловой древесины и пиломатериалов, а также крупнейшее металлургическое предприятие Центральной металлургической базы России - Череповецкий металлургический комбинат (ЧерМК ОАО «Северсталь»). В целом по России доменные шлаки и древесные отходы являются широко распространенными видами отходов, занимающими пятое и шестое место соответственно. К настоящему времени доказана возможность высокоэффективного вовлечения шлаков металлургического производства и опилок в промышленный оборот, что позволяет решить комплексные задачи энергосбережения, снижения загрязненности городов и окружающей среды в целом для большинства регионов, имеющих подобные производства.

Создание нового строительного древошлакового композиционного материала (название предложено автором впервые) на основе молотого гранулированного доменного шлака и модифицированных древесных опилок позволит устранить большинство отрицательных свойств деревобетонов за счет использования химического метода модифицирования органического заполнителя.

Исходя из вышеизложенного следует, что актуальным направлением в области строительных материалов и технологий являются исследования по созданию и многостороннему изучению новых композиционных материалов на вторичных материальных ресурсах, отвечающих современным нормативным требованиям, требованиям энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности, экономической эффективности, конкурентоспособности, а также долговечности и надежности.

Теоретическими основами диссертационной работы стали труды таких российских и зарубежных ученых в области композиционных строительных материалов и технологии их производства, как: Е. Адлер, И.П. Бабийчук, Ю.М. Баженов, П.И. Боженов, С. Браунс, Г.А. Бужевич, А.В. Волженский, В.И. Горчаков, В.С. Грызлов, Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, В.Ф. Завадских, П.В. Комохов, П.В. Кривенко, Л.В. Мельникова, И.Х. Наназашвили, В.М. Никитин, А.В. Оболенская, Н.А. Оснач, Т.М. Петрова, В.В. Прокофьева, Ю.В. Пухаренко, П.А. Ребиндер, И.А. Рыбьев, В.И. Савин, Н.Б. Фельдман, А.В. Ферронская, К.Е. Фремер, К. Фрейденберг, Е.М. Чернышов, А.С. Щербаков, К. Форс, и др., а также труды научно-исследовательских и проектных институтов.

Рабочая гипотеза - получение синергетического эффекта синтеза физико-технических свойств полиструктурных композитов при комплексном совмещении и сочетании химического и фазового состава сырьевых компонентов.

Цель и задачи исследования.

Цель диссертационного исследования состоит в разработке энерго- и ресурсосберегающего, экологически безопасного композиционного материала на вторичных ресурсах металлургической и деревоперерабатывающей промышленности с пониженной себестоимостью, улучшенной структурой и, как следствие, с улучшенными физико-механическими, теплофизическими свойствами, используемого для производства широкой номенклатуры конструкций гражданского, сельскохозяйственного и промышленного строительства.

Объектом исследования является новый строительный древошлаковый композиционный материал.

Предмет исследований - физико-химические процессы структуро- и фазообразования материала и их влияние на свойства композита.

Задачи исследования:

1. Изучить и обобщить имеющиеся литературные данные о деревобетонах, их составе и технологии получения; провести сравнительный анализ.

2. Теоретически обосновать химическое взаимодейст­вие компонентов системы древошлакового композиционного материала: композиционное вяжущее – модифицированные: волокна полисахаридов и лигнин.

3. Исследовать и оценить физико-механические и теплофизические свойства материала при кратковременных и длительных нагрузках в соответствии с требованиями ГОСТов.

4. Теоретически доказать улучшение характеристик материала за счет особенностей его структуро- и фазообразования; обосновать армирование матрицы композита химически модифицированными волокнами фрагментов целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнином.

5. Разработать технологию изготовления изделий из древошлакового композиционного материала; составить рекомендации по применению; произвести сравнительный анализ древошлакового композита с существующими деревобетонами, равноплотными конструкционно-теплоизоляционными бетонами с точки зрения полученных экспериментальных данных.

1. Разработан новый способ химического модифицирования органического заполнителя деревобетонов, позволяющий улучшить физико-механические, теплофизические и эксплуатационных свойства древошлакового композиционного материала за счет армирования матрицы композита химически модифицированными волокнами полисахаридов и лигнином.

2. Определены рекомендуемые составы материала, позволяющие получать конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные виды с пределом прочности при сжатии от 7,0 до 19,5 МПа, со средней плотностью от 950 до 1500 кг/м³, теплопроводностью в сухом состоянии от 0,12 до 0,27 Вт/(м∙К), морозостойкостью более 200 циклов для класса композита В10; доказано, что основные свойства композитов зависят от метастабильного аморфно-кристаллического состояния.

3. Доказано, что древошлаковый композиционный материал является лабильной термодинамически открытой системой и благодаря наличию аморфной фазы способен, для сохранения своей целостности, изменять свои свойства в зависимости от внешних условий окружающей среды в течение многих лет.

4. Разработана малоотходная технология производства изделий из древошлакового композиционного материала; обосновано преимущество нового энерго- и ресурсосберегающего, конкурентоспособного материала с пониженной себестоимостью; даны рекомендации по его использованию в строительстве.

Практическая ценность результатов исследований:

1. Разработан эффективный способ комплексного использования отходов лесо- и деревообрабатывающей промышленности (древесных опилок) и попутного продукта ЧерМК «Северсталь» (гранулированного доменного шлака) в технологии производства строительных материалов.

2. Разработанный способ химического модифицирования органического заполнителя позволяет улучшить физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства древошлакового композиционного материала по сравнению с деревобетонами и равноплотными конструкционно-теплоизоляционными бетонами.

3. Разработана технологическая схема производства изделий из древошлакового композиционного материала, подобрано новое современное оборудование; определены рациональные области его использования.

4. Получен патент № 2413703 РФ «Способ получения строительного древошлакового композита».

5. Составлены технические условия на изготовление древошлаковых изделий в соответствии с существующими нормативными требованиями.

2. 
   ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
   

1. 
   Разработан новый способ химического модифицирования органического заполнителя деревобетонов, позволяющий улучшить физико-механические, теплофизические и эксплуатационных свойства древошлакового композиционного материала за счет армирования матрицы композита химически модифицированными волокнами полисахаридов и лигнином.
   

Таким образом, в научно-исследовательской работе при получении древошлакового композиционного материала (далее ДШК) используется первый способ обработки органического заполнителя – щелочной гидролиз. В результате щелочного гидролиза образуются модифицированные опилки и щелочной раствор (плотность раствора 1015 кг/м³). Щелочной раствор – это раствор, содержащий частично вышедшие из древесной частицы в процессе обработки химически модифицированные фрагменты целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, а также другие низкомолекулярные компоненты.

Механизм щелочного гидролиза древесного заполнителя древошлакового композита заключается в последовательности следующих процессов:

1. 
   начинается диффузия молекул воды и щелочного раствора в пористую структуру древесной частицы;
   
2. 
   происходит набухание высокомолекулярных соединений древесной частицы;
   
3. 
   протекают термическая и химическая деструкция полимеров с изменением степени полимеризации полисахаридов, с их последующей перегруппировкой внутри древесной частицы;
   
4. 
   частично растворяется лигнин;
   
5. 
   осуществляется диффузия из набухшей древесной частицы в реакционную смесь фрагментов полисахаридов, фенолятов лигнина, алкоголятов целлюлоз и гемицеллюлоз;
   
6. 
   увеличивается число активных групп органического заполнителя для химического связывания с неорганическими компонентами древошлакового композита.
   

Предложенный способ позволяет изменить природу актив­ных функциональных групп высокомолекулярных компонентов древеси­ны путем замещения гидроксильных групп целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина на ОNa-группы. Также при щелочном гидролизе происходит выделение из древесины низкомолекулярных органических поверхностно-активных соединений в жидкую фазу реакционной смеси, что способствует увеличению жизнеспособности композиционной древошлаковой смеси и повышению ее удобоукладываемости.

Особенность такого физико-химического многоточечного взаимодействия обуславливает: возможность получения прочных и долговечных древошлаковых композитов с пониженной теплопроводностью; улучшение основных свойств материала: R_сж = 7,0 ÷ 19,5 МПа, морозостойкость древошлакового композита В10 – не менее F200,теплопроводность и плотность в сухом состоянии – 0,12 ÷ 0,27 Вт/(м∙ К) и 950 ÷ 1500 кг/м³ соответственно; возможность расширения области применения деревобетонов в строительстве.

Исходя из вышеизложенного следует, что актуальным направлением в области строительных материалов и технологий является исследование по созданию и многостороннему изучению новых древошлаковых композиционных материалов, отвечающих современным нормативным требованиям, требованиям энерго- и ресурсосбережения, экологической безопасности, экономической эффективности, конкурентоспособности, а также долговечности. Получение композита с улучшенными свойствами стало возможно за счет армирования матрицы материала химически модифицированными волокнами полисахаридов и лигнином.

2. Определены рекомендуемые составы материала, позволяющие получать конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные виды с пределом прочности при сжатии от 7,0 до 19,5 МПа, со средней плотностью от 950 до 1500 кг/м³, теплопроводностью в сухом состоянии от 0,12 до 0,27 Вт/(м∙К), морозостойкостью более 200 циклов для класса композита В10; доказано, что основные свойства композита зависят от его метастабильного аморфно-кристаллического состояния.

I этап. Проведены исследования характеристик исходных материалов; математическое моделирование эксперимента; изучены физико-механические, теплотехнические, деформационные свойства древошлакового композита; изучено влияние способа его изготовления на основные свойства.

При проведении экспериментальных исследований использовались следующие материалы:

1. 
   гранулированный доменный шлак, выпускаемый ЧерМК «Северсталь». Исходные фракции 0 – 5 мм. Насыпная плотность ρ_н = 800 ÷ 900 кг/м³. По химическому составу и коэффициенту качества граншлак относится ко 2-му сорту;
   
2. 
   органический заполнитель – древесные опилки, полученные путем распиловки лесоматериалов из сосны, ели, бука, ясеня, махагона, дуба и других пород. Размер опилок – менее 1,25 мм, насыпная плотность 130 ÷ 140 кг/м³;
   
3. 
   портландцемент – ПЦ 400-Д20 ГОСТ 10178;
   
4. 
   компонент «Монасил» плотностью равной 1015 ÷ 1017 кг/м³, силикатным модулем –2,1;
   
5. 
   вода водопроводная.
   

Критерии оптимизации ДШК:

- предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут R_сж, МПа;

- плотность в состоянии естественной влажности ρ_w, кг/м³;

- плотность в сухом состоянии ρ, кг/м³;

- теплопроводность в сухом состоянии λ_сух, Вт/(м∙ К);

- водопоглощение по массе W_m, %.
Таблица 1

Значения интервалов варьирования факторов


Примечание. В качестве переменных факторов приняты: Х₁ – количество цемента (Ц) в зависимости от массы молотого граншлака (Гр), %; Х₂ – отношение количества модифицированных опилок (МОп) к количеству композиционного вяжущего (В); Х₃ – количество отфракционированных опилок (Оп), содержащихся в (МОп), в зависимости от количества молотого граншлака (Гр), %.
Все испытания образцов производили согласно требованиям ГОСТов.

Результаты математического планирования приведены в табл. 2.

Расчет коэффициентов регрессии в соответствии с заданной матрицей планирования проводился с помощью ЭВМ, проверка значимости коэффициентов регрессии осуществлялась по критерию Стьюдента, проверка адекватности полученных уравнений – по критерию Фишера.

После обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии:
р = 1256 + 29,3х₁ - 118,1х₃ + 158х₁² - 147x₃² + 51,75x₁x₃ + 70,5x₂x₃ (2)

R_сж = 120 + 23,9х₁ - 50,9x₃ - 19x₂² - 37,2x₃² - 5,2х₁х₂ +21,9x₂x₃ (3)

λ_сух = 0,23 + 0,03x₁ - 0,03x₃ + 0,02x₁² - 0,05х₃² + 0,02x₂x₃, (4)

Анализ построенных графических зависимостей показал, что оптимальными составами являются составы №№ 15, 16, 17.

Анализ полученных результатов показал, что по прочности при сжатии полученные древошлаковые композиты подразделяются на классы:

• 
  теплоизоляционные – В0,75; B1; B1,5; B2;
  
• 
  конструкционно-теплоизоляционные – В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10;
  
• 
  конструкционные – В12,5; В15.
  

Оптимальная структура композита представлена рекомендуемым составом композиционной смеси, состоящей из молотого гранулированного шлака (S_уд = 400 м²/кг), цемента в количестве 7 % от массы молотого граншлака, древесных опилок (размер опилок менее 1,25 мм) в количестве 10 % от массы молотого граншлака, компонента «Монасил» в количестве 20 % от массы опилок. МОп/В = 0,41 – 0,50.

Древошлаковый композиционный материал рекомендуемого состава имеет класс В10 и обладает следующими характеристиками: R_сж = 13,6 МПа; ρ_w = 1700 кг/м³; ρ = 1300 кг/м³; П = 30 %; λ_сух = 0,27 Вт/(м∙ К); К_разм = 1; F 200; E_σ =

= 11,3∙10^-3 МПа; S_m = 0,53 МПа; V_m = 3,8 %.

В результате полученных экспериментальных данных установлено, что композиты являются равноплотными, однако прочность при сжатии образцов

на 28-е сутки, изготовленных по первому способу составляет 0,15 ÷ 0,25 МПа, а по второму способу – 13,00 ÷ 14,00 МПа. ∙

При повышении температуры бетонной смеси с 16 – 22 ^○С до 40 – 55 ^○С прочность при сжатии композита на 28-е сутки увеличивается на 68 ÷ 70 %, плотность – на 1 ÷ 2 %, теплопроводность в сухом состоянии – на 11 ÷ 13 %, прочность при сжатии на 550-е сутки – на 40 ÷ 43 %.

Установлено, что правильно подобранный способ формования позволяет получить композит с улучшенными характеристиками. Исследовались два способа: 1-й – встряхивание заполненных смесью форм 20 раз интенсивностью 1 раз в 1 с.; 2-й – уплотнение трамбованием всей площади смеси, занимаемой формы (100 см²) в два слоя по 10 раз. Удельная нагрузка 0,02 – 0,03 кг/см². Таким образом, увеличение удельной поверхности граншлака от 400 до 650 м²/кг позволяет повысить класс древошлакового композита с В5 до В7,5 при первом способе уплотнения и соответственно – с В10 до В15 при втором. Повышение прочности составляет 61 – 63 %.

II этап. Доказано, что физико-химические характеристики исследуемого материала обусловлены метастабильной аморфно-кристаллической структурой. Это связано с тем, что все его компоненты в исходном виде имеют в своем составе аморфную фазу. Рентгеновские исследования структурного состояния, фазо-минералогического состава проведены на пробах исходных компонентов:

- гранулированного доменного шлака, ЧерМК «Северсталь»;

- древесных опилок фракции менее 1,25 мм;

- щелочного раствора модифицированных опилок;

- компонента «Монасил».

Дифрактометрические исследования проведены и на образцах проб конечного продукта – строительного древошлакового композиционного материала в возрасте трех лет.

Результаты исследования:

1. Изучение гранулированного доменного шлака показало, что процесс его аморфизации при специальном охлаждении на ОАО «Северсталь» прошел не до конца. Наряду с аморфной фазой (два дифракционных гало в угловом интервале 2θ = 18 – 21^○ и 2θ = 27– 32^○) на дифрактограммах присутствуют рефлексы кристаллических фаз: α-кварц (d = 4,23; 3,33 Å), полевые шпаты (анортоклаз d = 4,12; 3,72; 3,23 Å), кальцит (d = 3.03 Å) и др.

2. Древесные опилки дают дифрактограмму, характерную для аморфного структурного состояния (дифракционное гало в угловом интервале 2θ = 12 – 26^○ максимум 19^○). Селективные рефлексы d = 4,13; 3,73 Å принадлежат парафину (СН₂)_х из связующего вещества. Кристалличность целлюлозы и ее степень в древесных опилках на дифрактограммах не обнаруживаются.

В композите могут быть использованы опилки любых пород, так как главными компонентами древесины, необходимыми для его структурообразования являются целлюлоза (40 ÷ 50 %), гемицеллюлоза (20 ÷ 30 %) и лигнин (20 ÷ 30 %).

3. Дифрактограмма щелочного раствора показало, что основное вещество пробы находится в аморфном структурном состоянии, дифракционное гало в угловом интервале 2θ = 14 – 28^○ составляет максимум 19,5^○. Рефлексы d = 4,13; 3,73 Å принадлежат парафину из связующего вещества; рефлекс d = 3,34 Å – α-кварц (производственное загрязнение пробы).

4. Дифрактометрическому исследованию было подвергнуто исходное вещество «Монасил». Структурное состояние, фазово-минеральный и элементный составы на момент исследования неизвестны. Можно видеть, что материал вещества представлен кристаллической и аморфной компонентами (дифракционное гало в интервале углов 2θ = 21 – 22^○). Кристаллическая компонента силиката с очень большой вероятностью представлена неорганическим веществом – Trona (Na₃H(CO₃)₂2H₂O; d = 4,898; 4,135; 3,194; 3,078; 2,648 Å). По данным химического анализа, в пробе компонента «Монасил» установлено наличие кремния (Si) в переводе на двуокись SiO₂ (содержание порядка 50 % по массе). На дифрактограмме исследуемого вещества рефлексов, принадлежащих каким-либо кристаллическим модификациям SiO₂, не обнаружено. Можно допустить, что кремний в пробе представлен аморфной структурной модификацией – SiO₂ (стекло).

5. Дифрактограмма пробы ДШК приведена на рис. 3. Материал пробы представлен аморфной структурной составляющей (два дифракционных гало 2θ = 17,5 – 19,5^○ и 2θ = 30 – 31^○) и кристаллическими фазами (селективные рефлексы). Анализ дифрактограммы показал, что кристаллическая компонента структурного состояния представлена в основном карбонатом кальция в модификации ватерит (сингония орторомбическая), а также кальцитом (сингония ромбоэдрическая). Ватерит – метастабильная, полиморфная модификация CaCO₃, кальцит – самая стабильная из известных полиморфных модификаций карбоната кальция.

Рис. 3. Дифрактограмма древошлакового композиционного материала

Можно предположить, что в исследуемом материале частицы ватерита образуются в результате формирования полых сфероидов за счет того, что агломераты исходных наночастиц карбоната кальция зарождаются на твердых частицах поверхности газовых пузырьков, чему способствует присутствие в щелочном растворе ПАВ, образованных в результате щелочного гидролиза органического заполнителя компонентом «Монасил». Основной причиной влияния на кристаллообразование карбоната кальция, его полиморфные формы, морфологию и размер частиц считают, как правило, их адсорбцию на макромолекулах полимеров (в случае ДШК это макромолекулы модифицированных полисахаридов, лигнина, вышедшие из древесных частиц при щелочном гидролизе, обладающих значительным количеством и типом функциональных групп и молекулярным весом).

Доказано, что с ростом рН от 7 до 9,5 и с увеличением содержания карбонат-ионов в растворе интенсивность образования и скорость роста кристаллов возрастают. В таких условиях процесс кристаллизации протекает очень быстро, что приводит к формированию и сохранению в растворе ватерита. По сравнению с другими полиморфными формами карбоната кальция кристаллы ватерита обладают максимально положительным ξ-потенциалом и по мере увеличения рН степень диссоциации карбоксильных групп в молекуле поверхностно-активных веществ растет. Можно предположить, что в ДШК (где рН > 10) поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхности ватерита за счет электростатического взаимодействия ионизированных карбоксильных групп с ионами Са²⁺, расположенными на поверхности кристалла. Такое взаимодействие, во-первых, сопровождается компенсацией поверхностного заряда, что затрудняет доступ карбонат-ионов к формирующейся поверхности кристалла, способствует замедлению его роста и изменению габитуса кристалла и, во-вторых, тормозит рекристаллизацию ватерита в более устойчивую форму – арагонит за счет снижения поверхностной энергии отдельных граней. Возможность формирования аморфных и кристаллических фаз (ватерита и кальцита) связана с его чувствительностью к содержанию органических и неорганических веществ композиционного материала.

Древошлаковый композиционный материал содержит кремнезем SiO₂ в аморфном (стекловидном) состоянии. Из опытов известно, что при 0 ^○С теплопроводность кристаллического кварца в 10 раз больше теплопроводности аморфного кварца. Растворимость аморфных форм кремнезема в воде составляет 0,007 ÷ 0,015 % по массе при температуре 25 ^○С, и он медленно растворяется в водных растворах щелочей (давая силикаты). А значит, присутствие аморфного SiO₂ в материале значительно снижает его теплопроводность, что не противоречит экспериментальным данным.

ДШК находясь в метастабильном состоянии, обладает способностью образовывать водостойкие структурные связи при сближении дисперсных частиц на расстояния действия поверхностных сил притяжения. Также материал способен повышать прочность во времени как на воздухе, так и в воде за счет возникновения контактов между слагающими его частицами органических и неорганических веществ. При изменении температурно-влажностных условий окружающего воздуха волокна целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнин скручиваются в пружины вокруг цепей и лент силикатных полимеров вяжущего, заполняя собой поры или формируя новые поры. Отношение аморфной фазы к кристаллической в возрасте 28 суток составляет (60±5) %/(40±5) %, а через 3 года – (35±5) %/(55±5) %. Изменения в аморфно-кристаллической структуре ДШК происходят постоянно не только за счет подобного вращения вокруг частиц, но и за счет постоянного перехода воды в различные состояния (из свободной в связанную), что приводит к снижению теплопроводности, повышению прочности и морозостойкости материала.

Таким образом, проведенные исследования доказали, что древошлаковый композиционный материал находится в метастабильном состоянии и имеет аморфно-кристаллическую структуру. Это связано с тем, что все его компоненты в исходном виде имеют в своем составе аморфную фазу, что позитивно влияет на формирование теплоизоляционных свойств композиционного материала. Благодаря действию сил взаимного притяжения происходит равновесный переход аморфного состояния в кристаллическое, однако время кристаллизации композита очень велико, поэтому его метастабильность на прочностных свойствах очевидно не проявляется.

Важным моментом в рекомендациях по применению древошлакового композита в ограждающих конструкциях является оценка его равновесной влажности. Полученные кривые динамики сорбции показали, что установление равновесного влагосодержания ДШК может быть описано известным в теории сорбции уравнением _{ω = a∙ t}^b, где t – время; a, b – константы, зависящие от вида материала и значений относительной влажности окружающей среды. В пределах эксплуатационных требований (относительная влажность 50 – 60 %) равновесная влажность композита составила 2 ÷ 3 % и приращение теплопроводности за счет влажности не превысило 3 %.

Материал обладает низкой сорбционной влажностью, которая позволяет сохранять низкие значения его теплопроводности в условиях повышенной влажности.

Равновесная влажность композита – его способность естественно коррелировать с характеристиками наружного воздуха (температурой, давлением, влажностью). После ряда проведенных испытаний по определению прочности при сжатии композитов классов В10 и В15 рекомендуемого состава в течение полутора лет (рис. 4) было установлено, что прочность при сжатии материала к полутора годам повысилась по сравнению с марочной: для класса В10 – на 76 ÷ 78 %, а для класса В 15 – на 46 ÷ 48 %.

Анализ результатов наблюдений за образцами из древошлакового композита, хранившимися в условиях воздействия мороза, солнца, атмосферных осадков, динамических и статических нагрузок, позволяет сделать главный вывод: его эксплуатационные свойства превышают эксплуатационные свойства традиционных деревобетонов.

Рис. 4. Рост прочности при сжатии во времени образцов-кубов ДШК классов:

- -▲- - – В15; —— – В10

Гелевидная фаза материала со временем уплотняется и вместе с пронизывающей ее гидросиликатной фазой и непрореагировавшей частью шлаковой составляющей создает прочную, монолитную структуру, что не противоречит литературным данным. Внутри микроструктуры материала происходит увеличение объема новообразований и древошлаковый композит прочнеет.

При изменении температурно-влажностных условий окружающего воздуха меняется пространственная упаковка полимеров и волокна фрагментов целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина приходят в движение: скручиваются или разворачиваются в пружины вокруг цепей и лент силикатных полимеров вяжущего, заполняя собой поры, изменяя их размер или формируя новые поры. В зависимости от погодных условий сворачивание и развертывание фрагментов полисахаридов в пространстве микроструктуры композита не заканчивается в течение всего времени существования образцов до их полного разрушения.

С увеличением влажности среды происходит раскручивание глобулов полисахаридов; увеличение количества органоминеральных связей, что ведет к увеличению прочности и морозостойкости композита. При повышении температуры окружающей среды происходит частичная глобулизация органических полимеров, при этом они не возвращаются к исходной величине и положению глобул. Вышерассмотренные процессы являются равновесными и объясняют особенность микроструктуры древошлакового композиционного материала. Изменения, происходящие в теле композита, являются результатом его корреляции с характеристиками окружающего воздуха.

Таким образом, можно сделать вывод, что древошлаковый композиционный материал обладает равновесной влажностью и является термодинамически открытой системой, способной для сохранения своей целостности изменять свою внутреннюю микроструктуру. Это является его главным отличием от деревобетонов и равноплотных легких бетонов.

4. 
   Разработана малоотходная технология производства изделий из древошлакового композиционного материала; обосновано преимущество нового энерго- и ресурсосберегающего, конкурентоспособного материала с пониженной себестоимостью; даны рекомендации по его использованию в строительстве.
   

Рис. 5. Сравнительный анализ теплопроводности некоторых видов конструкционно-теплоизоляционных бетонов: -- – ДШК; -- – шлакопемзопено- и шлакопемзогазобетон;

-- – керамзитопенобетон; -▲- – газо- и пенобетон
Таким образом, исследуемый композит является взаимозаменяемым строительным материалом с улучшенными физико-механическими и теплофизическими характеристиками.
Технологическая схема производства изделий из древошлакового композиционного материала на основе гранулированного доменного шлака и модифицированных опилок представлена на рис. 6.

Рис. 6. Технологическая схема производства стеновых блоков из ДШК

Сравнительный анализ показал очевидную конкурентоспособность нового материала на строительном рынке, а также его взаимозаменяемость с существующими современными строительными материалами.

1. 
   Разработан и исследован новый ресурсо- и энергосберегающий, экологически безопасный строительный материала на основе граншлака и модифицированных древесных опилок пониженной себестоимости, отвечающий требованиям стандартов, в том числе по определению мощности гамма-фона и эффективной активности естественных радионуклидов. Древошлаковый композит относится к первому классу строительных материалов в соответствии с критериями для принятия решения об использовании строительных материалов (ГОСТ 30108–94).
   
2. 
   Доказано, что физико-механические характеристики исследуемого материала обусловлены метастабильной аморфно-кристаллической структурой. Это связано с тем, что все его компоненты в исходном виде имеют в своем составе аморфную фазу.
   
3. 
   Доказано, что новый материал имеет улучшенные физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства по сравнению с конкурирующими строительными материалами. Коэффициент теплопроводности конструкционных древошлаковых композитов находится в диапазоне λ_сух = 0,25 ÷ 0,28 Вт/(м∙К), а конструкционно-теплоизоляционных – в диапазоне 0,16 ÷ 0,25 Вт/(м∙К), что на 30…36 % ниже значений СП 23–101–2004 для шлакопемзопено- и шлакопемзогазобетонов, газо- и пенобетонов, кирпичной кладки керамического кирпича равной плотности в сухом состоянии. Прочностные и деформативные характеристики соответствуют требованиям СП 52–101–2003. Как следствие, исследуемый древошлаковый композит является конкурентоспособным и взаимозаменяемым строительным материалом.
   
4. 
   Разработан новый способ химического модифицирования древесного заполнителя. Теоретически доказано улучшение характеристик древошлакового композиционного материала за счет особенностей его структуро- и фазообразования и армирования матрицы древошлакового композита химически модифицированными волокнами фрагментов целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнином.
   
5. 
   Доказано, что древошлаковый композиционный материал является лабильной термодинамически открытой системой и благодаря наличию аморфной фазы способен, для сохранения своей целостности, изменять свои свойства в зависимости от внешних условий окружающей среды в течение многих лет.
   
6. 
   Разработана малоотходная технологическая схема производства изделий из древошлакового композита, подобрано современное оборудование, произведен ее экономический расчет; даны рекомендации по применению древошлакового композита в строительной области. Себестоимость 1 м³ композита составляет от 1500 до 1830 р. в зависимости от класса.
   
7. 
   Разработаны технические условия на производство древошлаковых изделий, получен патент РФ № 2413703 «Способ получения строительного древошлакового композита».
   

3. 
   ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ:
   

1. Ефремова, О.В. Модифицированный древошлаковый композит [Текст] / О.В. Ефремова, В.С. Грызлов, А.Г. Каптюшина, Б.Д. Свиридов // Строительные материалы. – 2010. – № 2. – С. 66–68.

2. 
   Ефремова, О.В. Особенности фазообразования древошлакового композиционного материала [Текст] / О.В. Ефремова, В.С. Грызлов, Б.Д. Свиридов // Строительные материалы. – 2013. – № 3. – С. 66–67.
   
3. 
   Ефремова, О.В. Математическое моделирование строительного древошлакового композиционного материала [Текст] / О.В. Ефремова, В.С. Грызлов, С.В. Демидов // Вестник «ЧГУ», 2013. – Т. 2. – № 1 (46). – С.17–22.
   

2. 
   Пат. 2413703 РФ. Способ получения строительного древошлакового композита [Текст] / Ефремова О.В., Свиридов Б.Д., Ефремов В.В., Каптюшина А.Г.; патентообладатели Ефремова О.В., Свиридов Б.Д., Ефремов В.В. – № 2009107207/03; заявл. 27.02.2009; опубл. 10.03.2011, Бюл. № 7. – 5 с.
   

2. 
   Ефремова, О.В. Композиционный материал на основе отходов деревообрабатывающей промышленности [Текст] / О.В. Ефремова // Вузовская наука – региону: материалы VI всерос. науч.- техн. конф: в 2 т. – Вологда: ВоГТУ, 2008. – Т. 1. – С. 300–301.
   
3. 
   Ефремова О.В. Разработка древошлакового композита на основе граншлака и древесных опилок [Текст] / О.В. Ефремова, В.В. Ефремов // Молодые исследователи – регионам: материалы всерос. науч. конф. студентов и аспирантов: в 2 т. – Вологда: ВоГТУ, 2009. – Т. 1. – С. 238–240.
   
4. 
   Ефремова, О.В. Строительный материал «Древоглинобетон» [Текст] / О.В. Ефремова, В.В. Ефремов // Молодые исследователи – регионам: материалы всерос. науч. конф. студентов и аспирантов: в 2 т. – Вологда: ВоГТУ, 2009. – Т. 1. – С. 236–238.
   
5. 
   Ефремова, О.В. Строительный древошлаковый композит на основе граншлака и древесных опилок [Текст] / О.В. Ефремова // Аспирантские записки – 2009: Сб. науч. ст.: в 3 ч. Ч. 1: Естественные, технические и экономические науки – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2009. – С. 11–16.
   
6. 
   Ефремова, О.В. Древошлаковый композит – строительный материал на вторичном сырье [Текст] / О.В. Ефремова // Череповецкие научные чтения – 2009: материалы всерос. науч.- практ. конф. в 3 ч. Ч. 3: Современные проблемы технических, естественных и экономических наук / Отв. ред. Н.П. Павлова. – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2010. – С. 70-72.
   
7. 
   Ефремова, О.В. Модифицированный строительный древошлаковый композит [Текст] / О.В. Ефремова // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки: Сб. аннотаций науч.- исслед. работ победителей и призеров всерос. конкурса. – М.: РИО МГУДТ, 2011. – С. 193–203.