Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы из древесных отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Целлюлоза является основным веществом древесины, обеспечивающим ее упругость и механическую прочность.

Молекулы целлюлозы объединены в так называемые мицеллы, которые в свою очередь образуют фибриллы. Между   фибриллами   и   мицеллами   целлюлозы,   обладающей коллоидными свойствами, могут размещаться вода н ионизированные растворы.

Целлюлоза обладает достаточной стойкостью к тепловым воздействиям. Кратковременное нагревание до 200° С не вызывает ее разложения.

Пронес разложения целлюлозы начинается лишь при 275° С. При определенных условиях целлюлоза гидролизуется, превращаясь в моносахариды.

Лигнин обеспечивает повышенную твердость и жесткость древесины. Он является коллоидным веществом и при определенных условиях приобретает функции связующего вещества. При нагреве лигнин приобретает свойства пластичности. Присутствие в лигнине гидроксильных групп и их взаимодействие с едкими щелочами ведет к образованию соединений типа фенолятов. Присухой перегонке лигнина  образуется  фенол,  состоящий   в  основном  из  двух- и трех атомиых фенолов и их производных. Гемнцеллюлозы   состоят   из   смеси   полисахаридов.  Они легко гидролизуются слабыми  кислотами  и  экстрагируются  слабыми растворами щелочей.

Пентозаны при гидролизе дают пентозы — сахара, которые в процессе брожения образуют спирт. Пентозаны усиливают эластичность и гибкость древесины. Пентозаны и гексозаны, являясь коллоидными веществами, при нагреве в воде приобретают свойства клеящих веществ.

В некоторых клетках древесины и коры содержатся смолы. По данным К. Н. Короткова [32], содержание смол в сосне составляет 6,4, в ели 1,9, березе 1,2, осине 1,5% от веса абсолютно сухой древесины. По виду и составу смолы подразделяются на три группы: собственно смолы в твердом виде, бальзамы, или жидкие смолы, и, наконец, камеди, которые содержат растворимые в воде гуммиобразные вещества и дают коллоидные растворы клеящего типа.

Смолы хорошо растворяются в спирте, ацетоне и водных рас-•творах щелочей. При нагревании они плавятся, превращаясь в пластическую массу, затвердевающую при охлаждении. Это свойство смол используют при прессовании измельченных отходов без добавления связующих веществ.

Во время прессования нагретой древесной массы расплавленные смолы заполняют пространства между древесными частицами.

Дубильные вещества (танниды) содержатся в древесине дуба (в ядровой части больше, чем в заболони), в коре сосны и ели. Подвергнутые окислению и конденсации, они превращаются в нерастворимые в воде вещества — флобабены. Такой процесс происходит при нагревании измельченной древесины и коры в период сушки и прессования при высокой температуре без доступа воздуха.

В результате проведенных в СССР и за рубежом исследований установлено, что чем выше температура и давление прессования и продолжительнее их воздействие на измельченную древесную массу, тем значительнее физико-химические изменения, происходящие в ней.

На основе исследований, проведенных ЦНИЛХИ, установлено, что при нагревании древесины до 150°С химический состав ее почти не изменяется. При нагревании от 150 до 200° С происходит распад углеводов с образованием продуктов, растворимых в едком натре и спиртобензоле. При нагревании древесины до 250° С одни продукты распада превращаются в летучие вещества, а другие конденсируются в высокомолекулярные вещества. Длительное воздействие   тепла   вызывает   химические   изменения   даже   при 100° С. Скорость этих изменений возрастает при 170—200° С.

С повышением температуры обработки древесины увеличивается выход сахара. По данным В. И. Шаркова [74], при гидролизе сосновой древесины 1%-ной серной кислотой при 160° С количество сахара не превышает 28%, а при 200°С — 42%. Чем выше температура обработки, тем меньше времени требуется для получения максимального количества сахара.

При обработке древесины горячей водой или паром под давлением лигнин переходит в раствор, образуя коллоидный лигнин, который при высокой температуре размягчается, превращаясь в смолообразное пластичное вещество. Смолы, входящие в состав частично гидролизованной древесины, обладают термореактивпыми свойствами. Повышение пластичности древесины и способность ее продуктов к термореактивному превращению достигаются частичным гидролизом при обработке горячей водой, водяным паром или разбавленной кислотой под давлением.

На изменение химического состава древесины, как показали исследования, помимо температурных факторов, большое влияние оказывает влажность древесного сырья, удельное давление и продолжительность прессования материала. При повышенной влажности древесины процесс гидролиза более интенсивен и сопровождается пол иконденсацией продуктов распада. С увеличением давления прессования от 25 до 400 кгс/см? при высокой температуре скорость химических процессов в древесной массе увеличивается.

Многие строительные материалы и изделия из древесных отходов изготовляются с применением цемента в качестве вяжущего. Еще в 20-х годах в результате проводимых исследований было отмечено, что древесина содержит вещества, отрицательно влияющие на процессы твердения изделий на основе цемента. К ним относятся в первую очередь гемицеллюлозы, крахмал и экстрактивные вещества.

Так как цементное тесто представляет собой щелочную среду с рН И—12. способность гемицеллюлозы гидролизоваться щелочью и переходить в сахара, растворимые в воде, отрицательно влияет на процесс твердения изделий, изготовляемых из древесных отходов на основе цемента.

В зимнее время года крахмал, находящийся в древесине, превращается в сахара и масла, являющиеся питательной средой для растения. Масла — смесь жиров пальметина и стеарина — способны образовывать тонкие пленки на поверхности древесных частиц, препятствующих их сцеплению с цементным тестом.

Дубильные вещества, или танниды, некоторые растворимые моносахара, органические кислоты, минеральные соли и кислоты, жирные и смоляные кислоты и др. являются экстрактивными веществами. При экстрагировании водой из древесины извлекаются дубильные и сахаристые вещества, органические кислоты, минеральные соли, причем дубильные вещества извлекаются лишь горячей водой,  а  жиры, смолы, воскн,  эфирные масла  могут быть выделены только органическими растворителями (серным эфиром, спиртом  и др.).

Наибольшую опасность для легких бетонов с древесным заполнителем представляют растворимые в воде сахара (сахароза, глюкоза, фруктоза и т. д.), которые легко диффундируют через стенки клеток древесины и вымываются водой. Наибольшее количество редуцирующих "Сахаров находится в осине, наименьшее — в ели. В ветвях ели содержится в 3,5 раза больше водорастворимых веществ, чем в других частях дерева. В основании ствола сосны и осины содержится значительно больше Сахаров, чем в середине ствола. Неодинаковое содержание растворимых в воде Сахаров в древесине различных пород по-разному влияет на цементное тесто, вступающее в контакт с древесными частицами. Это положение подтверждается результатами опытов Т. Ваврина [86], изучавшего    сроки    схватывания цементно-опилочной смеси.

Наименьшие сроки схватывания с цементом наблюдаются у опилок ели, наибольшие — лиственницы.

Экстрактивных веществ выделяется в цементное тесто значительно меньше, чем сахаристых. Интенсивность поступления экстрактивных веществ ослабевает с момента начала    схватывания   цемента и прекращается к концу периода схватывания. Отрицательное действие экстрактивных веществ на цементное тесто проявляется в значительно меньшей степени, чем действие Сахаров.

Для локализации водорастворимых веществ древесину обрабатывают физическим или химическим способами. К физическим способам обработки относятся воздействие на древесину кислорода (окисление), солнечных лучей, тепла и воды. Химическая локализация достигается путем обработки древесных частиц специальными веществами для перевода Сахаров в нерастворимые или безвредные для цемента соединения, а также для создания на поверхности древесных частиц непроницаемых пленок.

Наиболее простой способ локализации водорастворимых веществ— их окисление в естественных условиях. При выдерживании древесины на воздухе, особенно под солнечными лучами, дубильные вещества окисляются и впитываются в стенки древесных клеток. Водорастворимые сахара подвергаются действию различных бактерий, бродят и частично окисляются, а также остекловываются в процессе высыхания или кристаллизуются, переходя в нерастворимые формы. В гемицеллюлозах в процессе выдерживания уменьшается количество легкогидролнзуемых веществ, которые переходят в лигнины.

В. Сареток [85] считает возможным ускорять естественный процесс окисления древесных частиц добавлением к ним катализаторов, например некоторых видов бактерий или неорганических солей, дающих щелочную реакцию, так как в щелочной среде сахара быстро окисляются.

Основной недостаток локализации водорастворимых веществ древесины в естественных условиях—длительность процесса. К физическим способам локализации относится также обработка древесины водой. Например, в сплавном лесе содержится значительно меньше водорастворимых Сахаров, чем в древесине, доставленной железнодорожным транспортом. В древесине, длительное время находящейся под дождем, водорастворимых веществ значительно меньше, чем в древесине, находящейся под навесом. Значительный эффект можно получить путем вымачивания измельченных древесных отходов в специальных бассейнах.

Несмотря на действенность физических способов обработки древесины, осуществить их в производственных условиях трудно в связи с отсутствием необходимых складских площадей. В настоящее время более широкое распространение получили различные химические способы обработки древесины, иногда в сочетании с физическими. Например, в Англии предложен способ, включающий кипячение древесных частиц в течение 10 мин и промывку их в воде для удаления водорастворимых Сахаров и последующее кипячение в 20%-ном растворе железного купороса (с промывкой в воде) для осаждения таннидов с помощью сульфата железа.

Не менее эффективно вымачивание древесных частиц в течение 5—24 ч в жидком стекле, последующая их промывка и просушка. Один нз способов локализации водорастворимых веществ включает в себя кипячение древесных частиц в растворе буры, последующее обезвоживание в центрифугах и двухчасовую обработку в кипящем растворе хлористого железа, а затем в растворе уксуснокислого глинозема. Однако все эти способы обработки очень сложны. В настоящее время для нейтрализации цементных ядов пользуются обычной пропиткой (минерализацией) древесных частиц одним каким-либо раствором непосредственно перед смешиванием этих частиц с цементом. Т. Ваврин [86] рекомендует применять в качестве минерализатора древесных частиц 4—10%-нын раствор хлорной извести или глиняное молоко. А. Карлсон [82] предлагает пропитывать древесину в течение 5—10 мин 1—2%-ным раствором хлорной извести.

Однако наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом получил способ обработки древесных частиц растворами хлористого кальция и жидкого стекла. Жидкое стекло обеспечивает быстрое твердение изделий, но конечная прочность их снижается примерно вдвое по сравнению с прочностью изделий, минерализованных хлористым кальцием. Исследованиями, проведенными ВНИИНСМ, было доказано, что хлористый кальций позволяет получать изделия высокого качества только в случае использования выдержанной древесины хвойных пород, в то время как жидкое стекло и сернокислый глинозем дают возможность использовать древесину любой породы  и с любой степенью  выдержки.

Локализация древесных ядов сернокислым глиноземом заключается в том, что древесные сахара под его воздействием частично переводятся в безвредные для цемента вещества, а частично адсорбируются на поверхности дисперсных частиц глинозема. Жидкое стекло воздействует на сахара, как щелочь, а также образует на поверхности древесных частиц пленки кремневой кислоты, которые препятствуют проникновению экстрактивных веществ в цемент. Хлористый кальций, осаждая таиииды, также локализирует их действие на цемент.

Хлористый кальций, жидкое стекло и сернокислый глинозем — ускорители схватывания и твердения цемента. Благодаря ускорению процесса схватывания сокращается период взаимодействия водорастворимых веществ древесины с цементом, что ведет также к снижению отрицательного влияния древесных ядов.