Меню

Адгезия древесины с цементным камнем



Адгезия древесины с цементным камнем

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

Вид обработки и размер древесных образцов

Величина сцепления, МПа, по данным

В.П.Петрова и И.М.Пушкина

Сухая древесина без обработки

Выдергивание бруска из бетона

Сухая и увлажненная древесина без обработки размером 20х20х500 мм:

Выдергивание бруска из бетона

Пластины 100х100х10 мм (ель строганная), пропитанные 4% раствором CaCl 2

Отрыв (пластины склеены цементным тестом нормальной густоты)

Бруски 20х20х140 мм (сосна строганная)

Продавливание брусков через цементный и цементно-песчаный кубик размером 100х100х100 мм

Пластины 40х40х20 мм (ель, сосна строганные)

Отрыв, формование цементного бруса 40х40х160 мм с заделкой в середину пластины из дерева

Значения, близкие к нулю

Пластины 120х100х100 мм из ели, пропитанные:

10% раствором CaCl2,

10% раствором экстрактивного вещества,

10% раствором сахарозы

Отрыв, площадь сцепления 100 см 2

Примечание: перед чертой – после первых суток, за чертой – в возрасте 28 сут.

В ЦНИИМЭ опробовалась методика [ 12 ] испытывались образцы, полученные методом формования цементной призмы 40x40x160 мм, с деревянной пластинкой 40x40x20 мм (образцы до распалубки хранились 14 суток), расположенной в середине. Однако зарегистрировать приборами величину сцепления не удалось [ 9 ]. 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 см 2 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 [ 59 ] (измененная позднее Г.А. Евсеевым [ 11 ] для определения адгезионной прочности при склеивании двух деревянных пластин (с площадью склеивания 100 см 2 ) 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.

Читайте также:  Цемент с жидким стеклом время твердения

Источник

IV. Пути повышения прочности арболита и интенсификация процесса его твердения

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 см 2 . Склеенные образцы испытывали на разрыв на приборе ДШ-ЗМ-1 (рис. 13), предназначенном для определения прочности хлопкового и штапельного волокна.

Рис.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 содержание в ней легкогидролизуемых веществ [ 59 ]. 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.

Источник

IV. Пути повышения прочности арболита и интенсификация процесса его твердения

4. Адгезия ранней и поздней древесины с цементным камнем

Чтобы выявить закономерности сцепления органического целлюлозного заполнителя с цементным камнем в структуре конгломерата, приняты две структурные модели арболита, в которых роль заполнителя выполняли деревянные пластины размерами 39x20x20 и 39x39x20 мм (модель 1). Первая модель арболита, имитировавшая бетон с оптимальным расходом вяжущего, состояла из двух пластин размером 39x20x20 мм, склеиваемых цементным тестом нормальной густоты. Вторая модель арболита, имитировавшая жирный бетон с большим расходом вяжущего — из деревянной пластины (размером 39x39x20 мм), размещалась в середине формуемой призмы размером 40x40x160 мм из цементного теста нормальной густоты (модель 2). Эта модель с некоторыми изменениями, учитывающими специфические свойства древесины, заимствована у Н.П. Штейерта, исследовавшего адгезию минеральных заполнителей с цементным камнем [ 12 ].

Читайте также:  Резистор цементный что такое

Образцы склеенных деревянных пластин и призмы из цементного камня с серединкой из деревянной пластинки испытывали на растяжение (отрыв) и изгиб. Исследования адгезионной прочности (проведенные на универсальном приборе) модели первого типа показали (рис. 14), что характер разрушения на участках с неодинаковым морфологическим строением (ранняя и поздняя древесина) различен. Это особенно четко прослеживается при испытании на отрыв модели второго типа из цементной балочки с помещенной в середину пластиной из древесины сосны (рис. 15).

Рис.14. Универсальный измерительный прибор Ц1У. Показано испытание на адгезию (определение предела прочности при растяжении перпендикулярно плоскости сцепления древесины с цементным камнем)

Рис.15. Универсальный измерительный прибор Ц1У. Показано испытание на адгезию (определение предела прочности при растяжении при изгибе древесины с цементным камнем)

На участках ранней древесины преобладает смешанное разрушение, а на участках с поздней древесиной — адгезионное. Такой характер разрушения мы объясняем особенностями морфологического строения древесины сосны. В годичных слоях ее четко различаются ранняя и поздняя древесина; трахеиды (клетки) ранней части широкополостные и относительно тонкостенные более приспособлены к водопроводящей функции, трахеиды поздней части — узкополостные и относительно толстостенные. Плотность участков поздней древесины значительно больше, чем ранней и, как показали наши исследования, характеризуется более низким значением сцепления с цементным камнем, тогда как на участках ранней древесины преобладает смешанный характер разрушения, что указывает на большую силу сцепления. Это, видимо, можно объяснить прониканием в открытые полости трахеид цементного геля из-за более высокой поверхностной пористости ранней древесины по сравнению с поздней, благодаря чему адгезионная прочность увеличивается за счет механического сцепления.

Исследования показали, что с увеличением шероховатости древесины до некоторого предела величина адгезии возрастает до тех пор, пока отдельные относительно крупные гребни (более 0,1—0,4 мм) не противодействуют образованию непрерывной прослойки из цементного камня, т.е. не нарушают одного из главных условий образования оптимальной структуры [ 45 ]. Оптимальная толщина цементного камня составила 0,3—0,6 мм в зависимости от шероховатости образцов древесины.

Сцепляемость пластин моделей древесного заполнителя тангенциального и радиального среза с цементным камнем неодинакова. Сопротивление отрыву в моделях тангенциального среза на 30—40% выше, чем у моделей радиального среза, что может быть объяснено наличием большего количества поздней древесины и особенностями ее сцепления с цементным камнем. С увеличением площади поздней древесины на склеиваемых поверхностях моделей наблюдается значительное снижение адгезионной прочности, что можно объяснить низкой сцепляемостью этих участков с цементным камнем и возможностью развития больших влажностных деформаций, чем на участках ранней древесины.

Низкую сцепляемость древесины лиственницы с цементным камнем, по нашему мнению, можно объяснить не только большим содержанием легкогидролизуемых и экстрактивных веществ, но и большей разницей влажностных деформаций ранней и поздней древесины, чем у ели и сосны. Таким образом, для получения объективных сопоставимых результатов при определении адгезии древесины с цементным камнем для каждой породы следует учитывать плоскость среза модели (тангенциальная, радиальная, поперечная) и процентное содержание на склеиваемых поверхностях ранней и поздней древесины, толщину прослойки цементного камня, а также условия хранения образцов.

Источник

IV. Пути повышения прочности арболита и интенсификация процесса его твердения

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:

Читайте также:  Как сделать раствор жидкого стекла с цементом

— 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 [ 1 ].

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 [ 6 ].

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.

Источник