Спосіб виготовлення арболіту

Корисна модель відноситься до виробництва арболіту (бетону на основі мінерального в'яжучого та органічних заповнювачів – здрібненої деревини від відходів лісозаготівлі, деревообробки хвойних та листяних порід, костриці конопель та льону, здрібненої соломи, тощо). Винахід може бути використано для виготовлення будівельних матеріалів та виробів, що застосовуються в будівництві споруд різного призначення. З огляду на склад, незначну енергоємність виробництва та екологічну чистоту такий легкий бетон може використовуватись як енерго-, ресурсозберігаючий будівельний матеріал, особливо з урахуванням такого важливого чинника, як наявність поновлюваного джерела органічної сировини, і може становити собою конкурентний товар на ринку будівельних матеріалів. Відомий спосіб виготовлення деревинно-цементного матеріалу, що включає попередню обробку органічного заповнювача водним розчином одного чи декількох неорганічних речовин - хлориду кальцію, сульфату кальцію або хлориду натрію з подальшим витримуванням обробленого заповнювача на повітрі протягом 24-48 годин, змішуванням з цементом та водою, формуванням та термообробкою [див. а.с. СРСР №1756303А1, бюл.№31 від 23.08.92p.]. До вад цього способу можна віднести наступне: 1. Вищезазначені речовини, що застосовуються як модифікуючі, є слабкими біоцидами і, як наслідок, не здатні забезпечити хімічний захист органічного заповнювача від подальшого біологічного руйнування та надати біостійкості виробам з арболіту на тривалий термін. 2. Витримування деревини в атмосферних умовах після її обробки у розчині модифікатора позитивно впливає на процес гідролізу розчинних екстрактивних речовин деревини та сприяє виведенню продуктів гідролізу під час витримування. Проте за відсутністю операції промивання залишків розчину модифікатора на поверхні заповнювача перед витримуванням та гідроізоляції його часток неможливо запобігти висолюванню водорозчинних хлоридів на поверхні виробів внаслідок капілярних підсосів вологи в бетон під час його експлуатації. Відомий спосіб виготовлення арболіту, який за технічною сутністю та кількістю загальних ознак щодо складу сировинної суміші та модифікуючої речовини є найбільш близьким до способу, що заявляється та обраний як прототип. Сировинна суміш за цим способом включає компоненти в наступних співвідношеннях (мас. ч.): портландцемент - (300-360); деревинний заповнювач - (200-220); вода - (300-400); модифікуючі добавки: окисне сірчанокисле залізо (III) Fe2(SО4)3 · 9 Н2О - (4,0-15,0), вапно - (3-12), хлористий кальцій - (4,0-12,0). Арболіт з зазначеної сировинної суміші виготовляють наступним чином. Приготовляють водний розчин окисного сірчанокислого заліза Fe2(SО4)3 · 9 Н2О густиною 1,1г/см3 та підігрівають його до температури 95-98°С. Одержаний розчин та деревинний заповнювач перемішують протягом 5 хвилин, після чого добавляють вапняне молоко, розчин СаСl2, цемент та залишкову воду [див. а.с. СРСР №697485, бюл. №42 від 15.11.1979р.]. Як зазначено в обгрунтуванні способу, використання в суміші для одержання арболіту окисного сірчанокислого заліза Fe2(SО4)3 · 9 Н2О у вигляді водного розчину сприяє окисленню та руйнуванню екстрактивних речовин деревини та утворює плівку на поверхні деревинних часток, яка перешкоджає виділенню в цементне тісто екстрактивних речовин. Таким чином, основна мета використання сірчанокислого заліза (III), яка пов'язана з його основною дією як модифікуючої добавки в даному способі, полягає лише в запобіганні процесу, що уповільнює тужавлення цементного каменю під впливом цукристих речовин деревини. Це в певній мірі повинно сприяти сумісності деревинного заповнювача з цементним в'яжучим. Проте, незважаючи на сприятливий механізм дії сульфату заліза (III) на заповнювач з метою запобігання шкідливого впливу цукристих речовин деревини та очікуваний позитивний ефект модифікації арболіту, спосіб, що розглядається, має істотні вади як з погляду обраних модифікуючих сполук, так і з погляду їх застосування. До однієї з них відносяться режим обробки зазначеними добавками та спосіб їх введення в бетонну суміш. Дійсно, надто мала тривалість операції (стадії) обробки заповнювача розчином сульфату заліза є явно недостатньою не тільки для повного протікання окислювально-відновлювальних процесів за участю сульфату заліза, але й для забезпечення основної та необхідної умови наскрізного просочування часток заповнювача розчином. Як показують досліди та практика, достатній час повного зволоження деревинних часток відповідних розмірів розчинами з великоюпроникною здатністю становить не менше ніж 15 хвилин. Наступна операція виготовлення арболіту з одночасним введенням інших добавок, цементу та води за відсутністю проміжного витримування обробленого заповнювача з метою фіксації модифікатора та продуктів гідролізу цукристих речовин сприяє їх вимиванню в цементне тісто під час тужавлення цементного каменю. В умовах експлуатації внаслідок капілярних підсосів вологи та конденсаційного зволоження це призводить до значних висолювань в об'ємі та на поверхні виробів з арболіту у вигляді хлоридів та сульфатів натрію та калію. Як наслідок, такі вироби, якщо вони попередньо не гідроізольовані, характеризуються низьким рівнем екологічної та гігієнічної чистоти. Таким чином, застосування модифікуючих добавок при виготовленні арболіту за даним способом з урахуванням вищезазначених негативних чинників призводить лише до часткового вирішення поставленої задачі та не забезпечує повного досягнення мети винаходу. Не менш важливим є те, що окисне сірчанокисле залізо (III) Fe2(SО4)3 · 9 Н2О не володіє широким спектром біозахисних властивостей та не забезпечує достатньо високу біостійкість виробів із такої бетонної суміші. Крім того, за умови наскрізного просочування деревинних часток заповнювача завдяки утворенню в них мінеральних плівок гіпсу та гідроксиду заліза (III) – продуктів взаємодії сульфату заліза (III) та гідроксиду кальцію – вироби з арболіту можуть набувати в значній мірі вогнезахисних властивостей та вогнестійкості. Але, зважаючи на умови проведення обробки заповнювача та неглибоке просочування його часток, вироби з арболіту за даним способом вогнестійкості істотним чином не набувають. Таким чином, зазначений спосіб не забезпечує отримання арболіту з високим рівнем екологічної чистоти та з стабільними показниками біо- та вогнестійкості в умовах експлуатації, що значно звужує сферу застосування такого матеріалу. Крім того, спосіб передбачає нагрівання розчину модифікатора до досить високих температур, що ускладнює технологію виготовлення арболіту та робить її енергоємною. В основі корисної моделі, що пропонується, поставлена задача усунення вказаних вад шляхом комплексного захисту органічного заповнювача хімічним засобом комбінованої біо-, вогнезахисної дії, з достатньою хімічною активністю для позбавлення шкідливого впливу розчинних екстрактивних речовин заповнювача на тужавлення цементу та, як наслідок, надання підвищеної сумісності органічного заповнювача з цементним в'яжучим , а виробам з арболіту - стабільних показників біо-, вогнестійкості, міцності та екологічної чистоти. Додаткова задача, що вирішується, - можливість переробки та модифікації органічного заповнювача в місцях його скупчення (на полях, токах, місцях лісозаготівлі, тощо) та доставка до місць виготовлення виробів з арболіту. Поставлена задача в способі виготовлення арболіту, що включає перемішування органічного заповнювача з мінеральним в'яжучим та водою з наступним твердінням суміші, вирішена шляхом того, що органічний заповнювач попередньо модифікують водним розчином залізного купоросу концентрацією 20-150г/дм3 в перерахунку на безводну сіль за способом вимочування не менш ніж 20 хвилин з наступним промиванням та просушуванням заповнювача. Комплексний захист органічного заповнювача за способом, що пропонується, здійснюється наскрізним просочуванням часток заповнювача за методом вимочування в зазначеному розчині. Семиводний сульфат заліза (II), як ефективний біоцид, має широкий спектр біозахисних властивостей (фунгістатичних, фунгіцидних, бактерицидних). Наскрізне просочування заповнювача, тривалість витримування якого у розчині захисного засобу визначається розміром часток, їх просочуваністю, забезпечує надійний захист заповнювача рослинного походження від біологічного руйнування. Крім того, маючи властивості антипірену, сульфат заліза (II), з'єднуючись з елементами структури заповнювача по всьому перерізу часток заповнювача при наскрізному просочуванні, значно підвищує вогнестійкість органічного заповнювача та створює умови для комплексного захисту заповнювача та арболіту в цілому від двох несприятливих впливів - біологічного руйнування та руйнування від високих температур. Хімічно активний катіон заліза (II) в процесі окислювально-відновлювальних реакцій з елементами структури органічних заповнювачів, окислюючись до Fe3+, приєднується до цих елементів (наприклад, до целюлози, лігніну та цукрів), утворюючи з ними солеві комплекси та попереджуючи їх вимивання. Таким чином, відбувається фіксація солей заліза по всьому перерізу часток заповнювача, тобто перехід в деревині водорозчинних захисних засобів в нерозчинний стан. В розбавлених розчинах сульфат заліза гідролізується з утворенням сірчаної кислоти, яка в процесі вимочування та висушування заповнювача частково етеріфікує фенольні молекули лигнину, вуглеводні молекули целюлози та цукрів. Слабкокисле середовище, що утворюється в результаті гідролізу солі заліза (рН 3,5 - 4,5), створює сприятливі умови для часткового розкладання гемицелюлоз до простих цукрів, частина яких видаляється із заповнювача під час промивання та подальшого висушування, а інша частина переходить в нерозчинні солеві комплекси. Промивання заповнювача водою після вимочування здійснюють з метою уникнення висолювання солей заліза на поверхні часток заповнювача під час випаровування води в процесі висушування на повітрі. Атмосферне висушування заповнювача до повітряно-сухого стану проводять як з метою продовження процесів взаємодії сульфату заліза з лігновуглеводним комплексом заповнювача, тобто фіксації модифікатора, так і для створення вільної ємкості часток заповнювача в результаті втрати значної частки води та досягнення рівноважної вологості (10-14%) заповнювача. Це значно нижче точки насичення кліткових оболонок (межі гігроскопічності), наприклад, для деревини ця вологість становить біля 30%. В процесі перевірки практичних результатів обробки органічного заповнювача розчином залізного купоросу під час проведення дослідів винахідниками було встановлено, що для досягнення технічного результату, з істотним проявом зазначених вище характеристик, режим вимочування повинен відповідати наступним показникам: - концентрація розчину залізного купоросу (FeSO4 · 7H2O), що залежить від виду органічного заповнювача повинна знаходитись в межах 20-150г/дм3 в перерахунку на безводну сіль; - час обробки заповнювача розчином залежить від розмірів часток заповнювача та їх придатності до просочування і не може бути менше ніж 20 хвилин та збільшується в залежності від розмірів частик наповнювача. Слід зазначити деякі особливості розповсюдження, доступності та економічної доцільності використання залізного купоросу як захисного засобу для речовин органічного походження. Семиводний (гептагідрат) сульфат закисного заліза (II) FeSO4 · 7H2O в природі утворюється в результаті окислення сульфідів заліза, зокрема піриту, і зустрічається у вигляді домішкового мінералу під назвою мелантеріта. Основним та важливим джерелом надходження залізного купоросу (ГОСТ 6981-94) є хімічна промисловість, де він утворюється в значній кількості у вигляді відходів виробництва пігментного діоксиду титану сірчанокислотним методом. Іншим, не менш важливим джерелом утворення техногенного залізного купоросу, є процес травлення залізних напівфабрикатів сірчаною кислотою для очищення їх від окалини. До існуючих напрямків утилізації залізного купоросу можна віднести використання його у виробництві залізно-окисних пігментів та сірчаної кислоти. З погляду ж безпосереднього відношення до винаходу більш важливе значення має застосування цієї сполуки в сільському господарстві як антисептичного засобу захисту рослин від хвороб з широкою біоцидною дією та для дезинфекції органічних відходів в комунальному господарстві. Отже застосування залізного купоросу за способом, що пропонується у винаході, поряд із вищезазначеними напрямками утилізації сприяє вирішенню питання комплексного використання промислових надходжень цієї сполуки та нагальної проблеми знешкодження місцевих хімічних забруднень. Процес виготовлення арболітового бетону та виробів із нього за способом, що пропонується, включає три основні стадії: 1. Наскрізне просочування заповнювача (наприклад здрібненої деревини) певного гранулометричного складу розчином залізного купоросу за способом вимочування в спеціальній ванні при нормальній температурі та наступна промивка заповнювача. 2. Витримування обробленого заповнювача в атмосферних умовах до повітряно-сухого стану - не менше ніж 24 години. 3. Дозування та змішування компонентів бетонної суміші: портландцементу, обробленого деревинного заповнювача і води до однорідної маси у співвідношенні, вказаному в прикладах виконання винаходу та формування зразків для випробування розмірами 150х150х150мм. Одночасно виготовляють контрольні зразки арболіту із заповнювачем, що не зазнав попередньої обробки розчином купоросу, та зразки бетону за способом прототипу. Характеристика заповнювачів у вигляді здрібнених деревинних відходів, що були використані для виготовлення бетонних сумішей в прикладах реалізації винаходу, представлена в таблиці 1. Режими обробки деревинного заповнювача розчином залізного купоросу та склади бетонних сумішей, що були застосовані в прикладах 1-7 реалізації заявленого способу, наведені в таблиці 2. В прикладах 8, 9 вказані склади бетонних сумішей, що виготовляли за прототипом. Всі зразки арболіту, включаючи контрольні, після затвердіння в віці 28 діб випробовувались на міцність відповідно до ГОСТ 10180-90, а також додатково на біостійкість (грибкостійкість) відповідно до ГОСТ 9.049-9 (метод 3) та вогнестійкість за методом випробовування на займистість згідно з ДСТУ Б В. 1.1 -2-97 для класифікації їх за групами займистості. Технічні показники випробувань зразків арболіту наведені в таблиці 3. Досліди по просочуванню заповнювача (наприклад здрібненої деревини різних порід) розчином залізного купоросу при різних концентраціях та тривалості вимочування показали, що збільшення маси заповнювача після повного циклу просочування в повітряно-сухому стані становило від 4 до 5% і не переважало 5,5% при максимальних концентраціях розчину та тривалості просочування. Це говорить про те, що частки заповнювача досягали кожного разу насиченого стану, а кількість осадженої солі була максимальною. За даними таблиці 3 можна зробити висновок, що задача, яка була закладена в основу винаходу, досягнута, а саме: всі зразки з обробленим заповнювачем за способом, що пропонується, в порівнянні з контрольними та за прототипом набули високої біостійкості (0 балів), тобто матеріал бетону має сильний фунгістатичний ефект. Арболіт набув також високої вогнестійкості, тобто всі зразки за винаходом відносяться до важко займистих (група В 1). Спостерігається також стійкість показників міцності всіх зразків та дотримується відповідність між марками арболітового бетону за середньою густиною і за міцністю на стиск. Таблиця 1 Деревинний склад 1. Хвойні породи 2. Суміш хвойних (2/3ч.) та листяних (1/3ч.) порід Гранулометричний склад, мас. % фракції (мм) Насипна Пористість, % густина, кг/м3 від об'єму 20...30 10...20 5...10 2,5...5 5 30 45 20 180 70,8 5 40 35 20 175 72,0 Таблиця 2 Приклади 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Концентрація Тривалість розчину вимочування, просочування, хв.. г/дм3 б/в солі 40 30 80 25 40 30 80 25 80 25 100 20 120 20 Fe2(SO4)3·9H2O 15кг/4,5кг Вапно-6кг/12кг Са(Сl)2-6кг/12кг 12кг/4,5кг Кількісний вміст компонентів, кг/м3 бетонної суміші Заповнювач (№ за табл.. 1) Цемент М400 Вода 220 (1) 330 290 225 (1) 350 310 240 (2) 380 345 240 (2) 240 380 360 350 400 220 300 300 Таблиця 3 Зразки Середня густина, кг/м3 Межа міцності при стиску, МПа 1 625 3.1 Біостійкість (грибостійкість), ПГххз, бали 0 2 627 3,2 0 Вогнестійкість, група займистості (кВт/м2) B1 (>35) B1 Контрольний (1-2) 3 620 3,1 1 640 3,3 0 4 640 3,4 0 Контрольний (3-4) 5 640 3,3 1 680 3,45 0 6 680 3,6 0 Контрольний (5-6) 7 675 3,5 2 685 3,7 0 Контрольний (7) 8 680 3,6 2 690 3,9 1 9 630 2,0 1 (>35) В2 (20-35) B1 (>35) B1 (>35) В3 (35) B1 (>35) В2 (20-35) B1 (>35) В2 (20-35) B1 (>35) B1 (>35)