В производстве композитов с целлюлозосодержащим заполнителем наиболее широкое применение нашли различные хвойные и лиственные породы древесины. Это объясняется большей доступностью древесного сырья и сосредоточенностью его в больших количествах в отходах на местах переработки в виде вторичных ресурсов.

Все древесные отходы, которые могут быть использованы для получения ДЦК по месту их образования можно разделить на три группы:

отходы лесозаготовительной промышленности -образуются на делянках при заготовке леса и на нижних складах; к ним относятся вершины, ветви, тонкомер, сучья, откомлевки, дровяное долготье (дровяная древесина), козырьки, опилки, кора;

отходы лесопильного производства —образуются при переработке деловой древесины; к ним относятся горбыли, рейки, срезки, отрезки, опилки, кора;

отходы деревообрабатывающей промышленности — образуются при изготовлении строительных конструкций, изделий и деталей, а также столярных изделий и мебели; имеют место отходы в виде отдельных кусков цельной древесины, а также «мягкие» отходы — станочная стружка и опилки (горбыль, рейки, отрезки, срезки, карандаши — отход фанерного производства, отструг — часть бруса или ванчеса, образуемого при получении строганого шпона, шпон-рванина, обрезки шпона, стружки, опилки).

В производстве ДЦК при возможности выбора отходам деревообрабатывающих предприятий отдается предпочтение по сравнению с такими же отходами лесопильного производства, так как при изготовлении строительной и мебельной продукции древесину сначала подвергают воздушной и камерной сушке, что существенно влияет на снижение содержания в ней легкогидроли-зуемых водорастворимых веществ, а следовательно, улучшает структурно-механические свойства ДЦК.

Отечественными и зарубежными специалистами отмечалось, что в силу неодинакового содержания легкогидролизуемых веществ в разных породах древесины и ее различной морфологи­ческой структуры для получения высококачественных ДЦК выбор породы древесины имеет принципиальное значение.


Зандерман и Ден в своих работах на примере фибролита установили степень пригодности различных пород древесины для изготовления ДЦК (табл. 2.1).

Древесный заполнитель является сложным материалом, так как в отличие от стабильного минерального заполнителя, применяемого для производства различных видов бетона, способен при изменении влажностных условий среды изменять свойства ДЦК.

Свежесрубленная древесина вообще считается не пригодной для изготовления фибролита и других ДЦК, поэтому древесное сырье необходимо длительное время выдерживать в естественных условиях, для того чтобы в древесине протекали процессы перекристаллизации, а также био- и физико-химические процессы, снижающие содержание вредных водорастворимых химических веществ.

Как показали отечественные специалисты, наиболее пригодными древесными породами для изготовления ДЦК являются ель, пихта, сосна, тополь, осина, береза, бук, дуб, лиственница. Существенное влияние на технологию и качество ДЦК оказывают физико-механические, анизотропные свойства и микроскопическое строение древесины.

Классификация древесных отходов, применяемых в производстве ДЦК, приведена на рис. 2.1.

Малоценная древесина — хворост (маломерная древесина), здоровый валежник и обломки стволов в процессе заготовки леса.

Отходы кроны —сучья, вершинки, ветви, древесная зелень; отходы раскряжевки — опилки, козырьки, откомлевки. Физико-механические й химические свойства древесины отходов раскряжевки такие же, как и стволовой древесины соответствующей породы.

Пни и корни остаются при валке деревьев на лесосеке; по своему строению, физико-механическим и химическим свойствам древесины они мало отличаются от древесины ствола. Строение корня отличается от строения древесины ствола тем, что в древесине корня содержится меньшее количество волокон.

Неделовая древесина должна удовлетворять требованиям ОСТ 13-76—79. Сырье древесное для технологической переработки. Диаметр сырья устанавливается от 2 см и выше, длина от 1 до 6 м с градацией через 1 м. В зависимости от качества сырье делится на три сорта — I, II, III. В сырье не допускаются такие


дефекты, как наружная трухлявая гниль, обутленность; ядровая гниль ограничивается в зависимости от сорта; остальные пороки и дефекты допускаются.

Сырье поставляется любых хвойных и лиственных пород, с корой и в окоренном виде. Обмер и учет древесного сырья длиной до 3 м производят по ГОСТ 3243—46 **, а длиной более 3 м —по ГОСТ 2292—74*. Допускается геометрический метод определения объема древесины. Сырье поставляется в пакетированном и непакетированном виде; при длине лесоматериалов менее 2 м -только в пакетах.

Дровяная древесина (ТУ 13-01-06—66) и кусковые отходы лесозаготовок и лесопилыю-деревообрабатывающих производств толщиной не менее 8 см, длиной 47±3 см могут быть использованы для производства фибролита (для других ДЦК размеры кусковых отходов не регламентируются).

Тонкомерная древесина получается в основном при проведении рубок ухода и представляет собой круглый, неокоренный, с обрубленными ветками лесоматериал. Диаметр в верхнем отрубе тонкомера хвойных пород 2...6 см, лиственных 2...8 см, длина 1...3 м с градацией через 0,5 м.

Из сучьев может быть получена технологическая щепа (ТУ 13-396—77). Размеры щепы: длина 10...60 мм, толщина не более 20 мм. В щепе допускается содержание коры до 25%, гнили до 3%, зелени (хвоя, листья) до 5%, минеральных примесей

до 1%. Содержание кондиционной щепы 70%. Разрешается поставка щепы смешанных пород.

Кусковые отходы лесопиления и деревообработки — горбыли, рейки, отрезки бревен и пиломатериалов, обрезки фанеры и плит.

Горбыль представляет собой отпиленную периферийную часть бревна, у которой с одной стороны пропиленная пласть, с другой — необработанная поверхность. Количество горбылей зависит от метода раскроя, диаметра и сбега бревен, правильности расчета поставок, подбора бревен по диаметрам и многих других факторов.

Рейки являются отходами лесопиления и деревообработки, получающимися при обрезке и раскрое пиломатериалов по ширине.

Отрезки получаются при поперечном раскрое, когда размеры пиломатериалов не кратны размерам заготовок по длине, при торцовке бревен и пиломатериалов или при вырезке дефектов и пороков древесины.

Обрезки получаются при раскрое фанеры, лущеного и строганого шпона, древесных плит на заготовки.

Отходы фанерного производства — карандаш, отструг, отрезки чураков, шпон-рванина.

Карандаши — часть фанерного чурака, остающаяся после лущения шпона.

Шпон-рванина представляет собой куски шпона, получающиеся в процессе лущения, строгания, сушки, сортировки и рубки шпона по формату.

Отструг — часть бруса или ванчеса, остающаяся после строгания, в виде досок нестандартных размеров при изготовлении строганого шпона.

Мягкие отходы лесопиления и деревообработки — опилки, стружка, шлифовальная пыль.

Опилки — частицы древесины, образующиеся при поперечной и продольной распиловке круглых лесоматериалов, пиломатериалов, при раскрое плит и фанеры.

Стружка станочная образуется при строгании, фрезеровании и сверлении пиломатериалов, заготовок и деталей на фуговальных, рейсмусовых, фрезерных и других станках. Форма и размеры стружек зависят от типа станков и характера обработки.

Кора по своему химическому составу резко отличается от древесины. В ней содержится большое количество минеральных экстрактивных веществ, лигнин. Кора многих древесных пород (дуба, ели, лиственницы, ивы) содержит растительные тан-ниды.

Древесный заполнитель как частица цельной древесины, являясь по строению одновременно гетеропорозным телом и эластичным гелем, представляет собой капиллярно-пористый коллоидный материал и обладает свойствами как капиллярно-пористых, так и коллоидных материалов.

В состав древесины естественном состоянии входят субстанция древесного вещества и многочисленные пустоты, капилляры в виде полостей клеток и сосудов.

Эти полости весьма малы по своим размерам и многочисленны, их удельная внутренняя поверхность составляет около 32 м2 на I г древесины. Вся система полостей и сосудов древесного заполнителя сообщается между собой определенными путями. Стенки клеточных полостей и сосудов эластичны и при поглощении влаги формоизменяются (увеличиваются в размерах), что усугубляется высокой степенью анизотропности.

Если наличие пустот характерно для капиллярно-пористых тел, то эластичность свойственна коллоидным. Это и является одним из специфических отличий органического целлюлозного заполнителя от минерального пористого заполнителя.

Так как одним из важных условий адгезии цементного теста (камня) с древесиной является смачивание, а также В/Ц в контактной зоне, то водопроводящие свойства древесного заполнителя могут оказывать большое влияние на структурную проч-|ность арболита. Миграция влаги и растворов в древесном заполнителе в процессе приготовления смеси и твердения ДЦК происходит по широкоразвитой водопроеодящей системе макро-, микро- и субмикроскопического строения, которое зависит от проницаемости и проводимости древесины.

Специфичность анатомического строения различных пород и частей дерева (заболони, ядровой или спелой древесины) необходимо учитывать во всех технологических переделах (миграция влаги и жидкой фазы в процессе «минерализации» и приготовления арболитовой смеси, формирования и твердения арболитовых изделий).

Микроскопическая структура древесины хвойных и лиственных пород принципиально различается (рис. 2.2 и 2.3).

Основными проводящими элементами древесины хвойных пород служат трахеиды, которые, по данным О. И. Ванина, составляют 90,4...95,3% общего объема. Л. А. Иванов приводит следующие данные о размерах трахеид хвойных пород: длина — 2,6...4,4 мм, ширина полости — 0,024...0,075 мм (рис. 2.4).

Даже в пределах одного годичного слоя трахеиды ранней и поздней древесины значительно отличаются друг от друга формой и размерами полости. В ранней древесине трахеиды имеют форму неправильного многоугольника, средний размер ширины полости которого равен 20...40 мкм (в тангенциальном направлении), а в поздней—округлопрямоугольную.

Водогазообмен между трахеидами зависит от размера не их
полостей, а окаймленных пор (рис. 2.5), через которые трахеиды сообщаются. Диаметр отверстий таких пор колеблется от 4 до 8 мкм (по данным Л. М. Перелыгина). Согласно данным Л. И. Джапаридзе и Н. Н. Брегадзе, количество закрытых пор в древесине ели и пихты уменьшается в направлении от спелой древесины к заболони. Ширина заболони у сосны довольно значительна, у деревьев в возрасте 120—150 лет она составляет 25...33% радиуса ствола. С возрастом увеличивается процент ядровой древесины. Таким образом, решающее влияние на проницаемость хвойных пород в процессе «минерализации» и приготовления арболитовой смеси оказывает суммарная площадь отверстий окаймленных пор и их состояние.

В практике производства арболита и других ДЦК из лиственных пород нашли применение рассеянпососудистые породы — бук, частично береза и осина, используемые в качестве примеси до 20...30% к хвойной древесине [5—8, 10, 17, 41], а также коль-цесосудистые породы — дуб в виде отдубины (отход экстрактивного производства).

Древесина лиственных пород имеет весьма сложное, неоднородное строение. Основные анатомические элементы ее—сосуды, которые в основном выполняют проводящие функции (см. рис. 2.4). У лиственных пород диаметр мелких сосудов колеблется в пределах от 0,005 до 0,1 мм, у крупных — от 0,2 до 0,4 мм, в ранней древесине дуба диаметр сосудов почти 0,5 мм. Объем сосудов в зависимости от породы древесины составляет от 7 до 43% ее общего объема.

Проницаемость древесины лиственных пород может сильно понижаться в результате закупоривания сосудов и сосудистых трахеид тиллами — выростами клеток древесной паренхимы, внедряющимися в полость проводящих элементов. Проницаемость древесины хвойных пород по сравнению с лиственными меньше как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. Это может быть объяснено почти полным отсутствием пор на боковых стенках элементов хвойных пород, состоянием горизонтальных смоляных ходов, а также смолистостью.

Установлено значительное различие проницаемости древесины разных пород, а в пределах одной породы - проницаемости заболони и ядра (спелой древесины). У хвойных пород прони­цаемость ядровой и спелой древесины значительно ниже проницаемости их заболони: например, у ели — в 200, у кедра в 76 раз [12, 16|. Это следствие структурной анизотропии древесины, с которым следует считаться на разных стадиях технологии производства арболита и других ДЦК (особенно в процессах замачивания и «минерализации»). Дробленка из заболонной части древесины чаще всего получается из отходов лесопильного производства (горбыль, срезки), из ядровой (или спелой) —из отходов деревообработки (торцы, срезки, отбракованные детали, станочная стружка), хотя может содержать до 20...25% дробленки из заболонной части.

Высокая степень анизотропности механических свойств древесины (и другого целлюлозосодержащего сырья) является следствием ее анатомического строения.

Механические свойства древесины изменяются в большем диапазоне, чем у других природных и искусственных материалов. Это обусловливается различными причинами: неоднородностью строения в разных направлениях, изменчивостью плотности в зависимости от возраста дерева, места в стволе, условий роста, влияния влажности, наличия пороков и др.

Анизотропность свойств наблюдается не только в различных частях древесины (корни, ствол, ветви, заболонь, ядро), но и в пределах одного годичного слоя (для ранней и поздней древе­сины).

Исследованиями Яхонтова, Баумана и др. показано, что механические свойства древесины хвойных пород зависят от процента содержания поздней древесины. По опытам Яхонтова со­противление древесины сосны на сжатие вдоль волокон увеличивается с ростом процента содержания поздней древесины:

Однако, как показал В. Е. Вихров [16], у сосны при влажности более 30% с увеличением процента содержания поздней древесины временное сопротивление на сжатие увеличивается в значительно меньшей степени, чем при влажности до 30%.

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 сопротивлений составляет соответственно 5,8 МПа и 41,8 МПа).

Предел прочности при разрыве поперек волокон в радиальной плоскости выше, чем при разрыве в тангенциальной плоскости (для сосны соответственно 3,2 МПа и 2,5 МПа). Очевидно, в последнем случае разрыв происходит преимущественно по слабой ранней зоне годичных слоев, тогда как по радиальной плоскости он идет по ранней и плотной поздней зонам. Учитывая эти свойства древесины, дробленку из нее надо использовать по возможности меньших размеров в радиальном направлении, а учитывая большую набухаемость и усушку — в тангенциальном на­правлении (по нашему мнению, дробленка должна иметь минимальное сечение в двух поперечных направлениях).

Древесина слабо сопротивляется скалыванию вдоль волокон. Работа ее на скалывание носит хрупкий характер: для сосны в
радиальном направлении оно равно 6. .8, в тангенциальном — 5,9..7,7 МПа.

По исследованиям Баумана и Мелехова, поздняя и ранняя древесины сильно различаются по своей прочности на разрыв. Так, например, 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 неодинаковы. Поздняя древесина более чем в два раза тяжелее ранней (плотность ранней древесины составляет 0,383, поздней — 0,863 г/см3), имеет почти вдвое большую усушку. Прочность поздней древесины по сопротивлению статическому изгибу в 4—5 раз выше, чем ранней древесины (соответственно 151 и 44,2 МПа). Поверхностная пористость ранней древесины (в %), наоборот, больше более чем в 3 раза (66 и 21%), а объемная пористость — почти в 2 раза (75,3 и 46,7%) Плотность поздней древесины сосны в 2 раза выше чем ранней (соответственно 0,775 и 0,383 г/см3).

Различие в усушке ранней (7,87%) и поздней (13,87%) древесины лиственницы значительно больше, чем у сосны и ели (соответственно 8,05 и 11,26%; 8,1 и 10,1%). Абсолютные значения усушки поздней древесины у лиственницы гораздо больше чем у сосны и ели. Это в значительной степени объясняет наличие в древесине лиственницы при высыхании сравнительно больших скалывающих напряжений вдоль годичного слоя. Обусловливается это тем, что в единице объема поздней древесины древесного вещества содержится около 53%, в ранней — только 25%.

При насыщении древесины водой в единице объема поздней древесины гигроскопической влаги разместится по объему больше, чем в ранней, а это приведет к большому абсолютному снижению прочности и значительному разбуханию поздней древесины. По этим причинам, а также из-за большого содержания легкогидролизуемых веществ в древесине лиственницы ее применение при производстве арболита в качестве заполнителя затруднительно.

Таким образом, изучение анатомического строения трахеид, толщины оболочек, поверхностной пористости древесины позволяет в первом приближении объяснить ряд явлений, связанных с изменением формы и размеров частиц древесины, а также сделать вывод о том, что при прочих равных условиях стабильность элементарных частиц хвойных пород (лиственницы и др.) будет более высокая, если эти частицы получены из радиальной древесины (ствола, т. е. заполнитель из отходов столярного производства, а не лесопильного). При этом чем тоньше частицы заполнителя. тем стабильность их выше при переменных влажно-стных режимах.

Древесина представляет собой капиллярно-пористоколлоидное тело или ограниченно набухающий гель [56, 57). Благодаря такому ее строению возможно введение в нее инородной жидкости, т. е. пропитка химическими растворами.

Вода, проникая в волокна древесины, разрыхляет мицеллир-ные ряды, разрывает водородные связи между гидроксидами смежных молекул и тем самым изменяет структуру волокна (одновременно повышая химическую активность древесного заполнителя). Таким образом, присутствие сорбированной жидкости в древесине не только меняет ее механические характеристики, но и обусловливает проводимость древесины жидкостями.

11аличием в древесине полярных гидроксильных групп объясняется ее связь с молекулами воды: целлюлоза и ее спутники поглощают из атмосферы пары воды до тех пор, пока не наступит равновесие. Явление сорбции отражает гетерогенность физической структуры волокна, внутренняя поверхность которой, имея значительную площадь (32 м2 на 1 г древесины), содержит валентные или полярные группы, способные адсорбировать влагу.

Процесс адсорбции воды на активных участках внутренней поверхности сопровождается тремя характерными явлениями: выделением теплоты адсорбции, возникновением давления набухания, проявлением объемного сжатия. Все эти явления определенным образом влияют на структурообразование ДЦК.

Одним из значительных недостатков качества целлюлозосо-держащего заполнителя надо считать самопроизвольные (объемные) вынужденные деформации, которые возникают под воздействием изменений среды (влажности, температуры, экзотермии цемента, влияния агрессивных сред и т. п.). К ним относятся усадка (усушка заполнителя), набухание, линейное расширение, температурные деформации и т. д.

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, размещаемая в капиллярах или полостях клеток, а также между клетками, достаточно легко мигрирует и удаляется из древесины. Одна часть связанной влаги образует на мицеллах целлюлозы адсорбированные пленки, другая — 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 обратно древесина изменяет свои линейные размеры, а следовательно, и объем. Только в абсолютно сухом состоянии и при влажности, равной точке насыщения волокна (№=27...30%) и выше, объем древесины становится постоянным.

Такое изменение размеров древесины обусловливается раздви-жением межминеллярной структуры водными прослойками.

Работы, проведенные К. М. Ханмамедовым по изучению закономерностей разбухания древесины, показали, что, начиная с 14...16%-ной влажности, набухание возрастает не только за счет раздвижки мицелл, но и вследствие капиллярной конденсации.

Наличие влаги в древесине и влажностные деформации отрицательно влияют на процессы структурообразования арболита, поэтому основным направлением получении его со стабильными физико-механическими показателями надо считать стабилизацию объема древесного заполнителя.

Структурно-механические свойства ДЦК отражают структурное состояние, леформативность и сопротивляемость в процессе формования — уплотнения ее в изделии и конструкции (структу-рообразование, закономерность распределения и релаксации напряжений, текучесть).