mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2023.9.1394-1407mgssuvest-48Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringИсследование влияния термической модификации древесины на адгезионные и прочностные свойства древесно-цементной композицииEffect of thermal modification of wood on adhesion and strength properties of wood-cement compositionhttps://orcid.org/0000-0001-9496-7340ЧерновВ. Ю.ChernovV. Yu.

Василий Юрьевич Чернов — кандидат технических наук, доцент кафедры стандартизации, сертификации и товароведения

424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. им. Ленина, д. 3

РИНЦ ID: 725875, ResearcherID: X-4439-2019

Vasilij Yu. Chernov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Standardization, Certification and Merchandising

3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, 424000, Republic of Mari El

ID RSCI: 725875, ResearcherID: X-4439-2019

chernovvy@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0002-6500-5377ШараповЕ. С.SharapovE. S.

Евгений Сергеевич Шарапов — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения

424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. им. Ленина, д. 3

РИНЦ ID: 610570, ResearcherID: B-8151-2014

Evgenij S. Sharapov — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Building Structures and Water Supply

3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, 424000, Republic of Mari El

ID RSCI: 610570, ResearcherID: B-8151-2014

sharapoves@volgatech.netМальцеваЕ. М.Mal’cevaE. M.

Елена Михайловна Мальцева — магистр, научный сотрудник

424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. им. Ленина, д. 3

Elena M. Mal’ceva — master, researcher

3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, 424000, Republic of Mari El

lenkamalek@mail.ruПегушинаЕ. Н.PegushinaE. N.

Екатерина Николаевна Пегушина — магистрант

424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. им. Ленина, д. 3

Ekaterina N. Pegushina — master’s student

3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, 424000, Republic of Mari El

ekaterinanick-60@yandex.ruПоволжский государственный технологический университет (ПГТУ)РоссияVolga State University of Technology (VSUT)Russian Federation20232909202318913941407Copyright © Чернов В.Ю., Шарапов Е.С., Мальцева Е.М., Пегушина Е.Н., 20232023Чернов В.Ю., Шарапов Е.С., Мальцева Е.М., Пегушина Е.Н.Chernov V.Y., Sharapov E.S., Mal’ceva E.M., Pegushina E.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/48Введение

Введение. Исследуются адгезионные показатели и факторы, оказывающие влияние на формирование композиции термически модифицированной древесины (ТМД) и цемента. Результаты направлены на создание нового материала с улучшенными эксплуатационными свойствами, который получил название термодревбетон (ТДБ).

Материалы и методы

Материалы и методы. Применены адаптированные стандартные методики исследования адгезии (сцепления) цементно-песчаного раствора с основанием из ТМД и прочности на сжатие цементно-песчаного раствора, полученного на водах, настоянных на различных видах древесины и ТМД. Рассмотрено влияние следующих факторов: интенсивности (классы) термической модификации, породы древесины, способов формования раствора, содержания цементного вяжущего, степени очистки и влажности поверхности ТМД, наличия финальной тепловлажностной обработки образцов.

Результаты

Результаты. Наилучшими показателями сцепления с ТМД обладал цементно-песчаный раствор с повышенным содержанием цементного вяжущего, небольшое улучшение прочности адгезии показало дополнительное применение раствора ПВА-эмульсии. В целом при одинаковых условиях натуральная древесина имела более высокую адгезию по сравнению с ТМД. К негативным факторам были отнесены предварительное увлажнение термически модифицированной древесины, очистка и выравнивание (строжка) ее поверхности, использование хвойной ТМД. В исследованиях прочности цементно-песчаного раствора наименьший показатель имел раствор с добавлением ПВА-эмульсии, по остальным факторам, а именно по степени очистки воды после настаивания на ТМД и натуральной древесине, выявлено несущественное отличие по сравнению с раствором, полученным на чистой технической воде.

Выводы

Выводы. ТМД цементная композиция имеет меньшее усилие сцепления в сравнении с натуральной древесиной. Это связано с совместным влиянием низкой гигроскопичности и низкой смачиваемости (отталкивающей способности) поверхности ТМД. Промывка термически модифицированного заполнителя нецелесообразна ввиду ухудшения адгезионных свойств заполнителя в ТДБ. Для повышения сцепления компонентов рекомендуется применять растворы с повышенным содержанием цементного вяжущего.

Introduction

Introduction. The adhesion properties and factors influencing the formation of the composition of thermally modified timber (TMT) and cement are investigated. The results were focused on the creation of a new material with improved service properties, which is named thermo-wood concrete (TWC).

Materials and methods

Materials and methods. Adapted standard methods to assess the adhesion of sand-cement mortar with TMT and compressive strength of sand-cement mortar obtained on waters infused with different types of wood and TMT were applied. The influence of the following factors was considered: the intensity (classes) of wood thermal modification, wood species, mortar formation method, cement binder content, wood surface conditions and moisture content of TMT, the presence of final steam curing of specimens.

Results

Results. The sand-cement mortar with a high content of cement binder had the highest adhesion with TMT. PVA-emulsion solution resulted in additional slight improvement of the sand-cement mortar and TMT adhesion. In general, unmodified (natural) wood had higher adhesion in comparison with TMT under the same conditions. Negative factors included premoistening of thermally modified timber surface, cleaning and leveling of its surface and the use of coniferous species for TMT specimens. The strength of sand-cement mortar was the lowest for specimens with addition of PVA-emulsion. Factor of water purification after infusion with TMT and unmodified wood had insignificant effect on strength of sand-cement mortar.

Conclusions

Conclusions. TMT-cement composition had a lower adhesive force in comparison with unmodified wood. This is due to the combined effect of low hygroscopicity and wettability of the TMT surface. Water washing of the TMT is inappropriate due to deterioration of adhesion properties of the filler in TWC. To increase the adhesion of the components, it is recommended to use mortars with a high content of cement binder.

адгезия цементно-песчаного растворапрочность цементно-песчаного растворатермодревбетонТДБтермически модифицированная древесинаТМДТМД цементная композицияadhesion of sand-cement mortarstrength of sand-cement mortarthermo-wood concreteTWCthermally modified timberTMTTMT-cement compositionИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-00098 (URL: https://rscf.ru/project/22-79-00098/) с использованием оборудования ЦКП «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Поволжского государственного технологического университета, г. Йошкар-Ола, соглашение № 075-15-2021-674/3.The research work was supported by the Russian Science Foundation (RSF, No. 22-79-00098) (URL: https://rscf.ru/en/project/22-79-00098/) using equipment of the Core Facility Centre “Ecology, biotechnologies and processes for obtaining environmentally friendly energy carriers” of Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola (No. 075-15-2021-674/3).ReferencesГорностаева Е.Ю., Ласман И.А., Федоренко Е.А., Камоза Е.В. Древесно-цементные композиции с модифицированной структурой на макро-, микро- и наноуровнях // Строительные материалы. 2015. № 11. С. 13−16.Gornostaeva E.Yu., Lasman I.A., Fedorenko E.A., Kamoza E.V. Wood-cement compositions with structures modified at macro-, micro-, and nano-levels. Construction Materials. 2015; 11:13-16. (rus.).Наназашвили И.Х. Быстровозводимые малоэтажные монолитные дома из арболита. Часть 1 // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2009. № 11 (130). С. 14–15. EDN WCYJFU.Nanazashvili I.Kh. The “Quick-to-erect” low-rise monolith buildings from the arbolite. Part 1. Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. 2009; 11(130):14-15. EDN WCYJFU. (rus.).Наназашвили И.Х., Марданов М.К. Производство арболита из древесных отходов. М. : ЦБНТИ Минпромстроя СССР, 1974. 47 с.Nanazashvili I.Kh., Mardanov M.K. Production of wood concrete from wood waste. Moscow, TsBNTI Minpromstroya SSSR, 1974; 47. (rus.).Al-Akhras N., Abu Alfoul B. Effect of wheat straw ash on mechanical properties of autoclaved mortar // Cement and Concrete Research. 2002. Vol. 32. Issue 6. Pp. 859–863. DOI: 10.1016/S0008-8846(02)00716-0Al-Akhras N., Abu Alfoul B. Effect of wheat straw ash on mechanical properties of autoclaved mortar. Cement and Concrete Research. 2002; 32(6):859-863. DOI: 10.1016/S0008-8846(02)00716-0Badilla P., Letelier G.V., Aros P., Careau F. Analysis of the mechanical and thermal behaviour of mortars manufactured with combined use of different waste products // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 503. Issue 1. P. 012017. DOI: 10.1088/1755-1315/503/1/012017Badilla P., Letelier G.V., Aros P., Ca-reau F. Analysis of the mechanical and thermal behaviour of mortars manufactured with combined use of different waste products. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020; 503(1):012017. DOI: 10.1088/1755-1315/503/1/012017Крутов П.И., Склизков Н.И., Наназашвили И.Х., Сироткина Р.Б. и др. Использование отходов древесины для получения эффективных строительных материалов : обзор. М. : ОНТИ ЦНИИЭПсельстроя, 1978. 24 с.Krutov P.I., Sklizkov N.I., Nanazashvili I.Kh., Sirotkina R.B. et al. The use of wood waste to produce efficient building materials : review. Moscow, ONTI TsNIIEPsel’stroya, 1978; 24. (rus.).Sanaev V.G., Zaprudnov V.I., Gorbacheva G., Oblivin A.N. Factors affecting the quality of wood-cement composites // Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Series II: Forestry, Wood Industry, Agricultural Food Engineering. 2016. Vol. 9. Issue 2. Pp. 63–70. EDN YVARJX.Sanaev V.G., Zaprudnov V.I., Gorbacheva G., Oblivin A.N. Factors affecting the quality of wood-cement composites. Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Series II: Forestry, Wood Industry, Agricultural Food Engineering. 2016; 9(2):63-70. EDN YVARJX.Ramdane R., Kherraf L., Abdelouahed A., Belachia M. Influence of biomass ash on the performance and durability of mortar // Civil and Environmental Engineering Reports. 2022. Vol. 32. Issue 2. Pp. 53–71. DOI: 10.2478/ceer-2022-0019Ramdane R., Kherraf L., Abdelouahed A., Belachia M. Influence of biomass ash on the performance and durability of mortar. Civil and Environmental Engineering Reports. 2022; 32(2):53-71. DOI: 10.2478/ceer-2022-0019Verma Sh., Singh A., Gupta R., Sundriyal S. The Effect of Wood Ash on the Workability, Water Absorption, Compressive Strength in Cement Mortar // International Journal for Modern Trends in Science and Technology. 2023. Vol. 9. Issue 4. Pp. 368–373. DOI: 10.46501/IJMTST0904054Verma Sh., Singh A., Gupta R., Sundriyal S. The effect of wood ash on the workability, water absorption, compressive strength in cement mortar. International Journal for Modern Trends in Science and Technology. 2023; 9(4):368-373. DOI: 10.46501/IJMTST0904054Liu Z., Han Ch., Li Q., Li Xi., Zhou H., Song Xi. et al. Study on wood chips modification and its application in wood-cement composites // Case Studies in Construction Materials. 2022. Vol. 17. P. e01350. DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01350Liu Z., Han Ch., Li Q., Li Xi., Zhou H., Song Xi. et al. Study on wood chips modification and its application in wood-cement composites. Case Studies in Construction Materials. 2022; 17:e01350. DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01350Liu Z., Han Ch., Li Xi., Zhou H., Song Xi., Zu F. Study on wood chips modification and its effect on the mechanical properties of wood-cement composite material // SSRN Electronic Journal. 2022. DOI: 10.2139/ssrn.4020085Liu Z., Han Ch., Li Xi., Zhou H., Song Xi., Zu F. Study on Wood chips modification and its effect on the mechanical properties of wood-cement composite material. SSRN Electronic Journal. 2022. DOI: 10.2139/ssrn.4020085Song X., Liu Z., Li X., Zhou H., Han C. Surface modification of wood and its effect on the interfacial bonding properties of cement-based wood composites // European Journal of Wood and Wood Products. 2023. Vol. 81. Issue 4. Pp. 897–909. DOI: 10.1007/s00107-023-01926-7Song X., Liu Z., Li X., Zhou H., Han C. Surface modification of wood and its effect on the interfacial bonding properties of cement-based wood composites. European Journal of Wood and Wood Products. 2023; 81(4):897-909. DOI: 10.1007/s00107-023-01926-7Altgen M., Adamopoulos S., Militz H. Wood defects during industrial-scale production of thermally modified Norway spruce and Scots pine // Wood Material Science & Engineering. 2017. Vol. 12. Issue 1. Pp. 14–23. DOI: 10.1080/17480272.2014.988750Altgen M., Adamopoulos S., Militz H. Wood defects during industrial-scale production of thermally modified Norway spruce and Scots pine. Wood Material Science & Engineering. 2017; 12(1):14-23. DOI: 10.1080/17480272.2014.988750Boonstra M.J., van Acker J., Kegel E.M. Optimisation of a two-stage heat treatment process: durability aspects // Wood Science and Technology. 2007. Vol. 41. Issue 1. Pp. 31–57. DOI: 10.1007/s00226-006-0087-4Boonstra M.J., van Acker J., Kegel E.M. Optimisation of a two-stage heat treatment process: durability aspects. Wood Science and Technology. 2007; 41(1):31-57. DOI: 10.1007/s00226-006-0087-4Cai Ch., Heräjärvi H., Haapala A. Effects of environmental conditions on physical and mechanical properties of thermally modified wood // Canadian Journal of Forest Research. 2019. Vol. 49. Issue 11. Pp. 1434–1440. DOI: 10.1139/cjfr-2019-0180Cai Ch., Heräjärvi H., Haapala A. Effects of environmental conditions on physical and mechanical properties of thermally modified wood. Canadian Journal of Forest Research. 2019; 49(11):1434-1440. DOI: 10.1139/cjfr-2019-0180Hill C. Wood Modification: Chemical, thermal and other processes. John Wiley & Sons, 2006. P. 239.Hill C. Wood Modification: Chemical, thermal and other processes. John Wiley & Sons, 2006; 239.Hill C., Altgen M., Rautkari L. Thermal modification of wood — a review: chemical changes and hygroscopicity // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. Issue 11. Pp. 6581–6614. DOI: 10.1007/s10853-020-05722-zHill C., Altgen M., Rautkari L. Thermal modification of wood — a review: chemical changes and hygroscopicity. Journal of Materials Science. 2021; 56(11):6581-6614. DOI: 10.1007/s10853-020-05722-zMilitz H. Thermal treatment of wood: European processes and their background. The 33rd annual meeting of The International Research Group on Wood Preservation. Cardiff-Wales, 2002.Militz H. Thermal treatment of wood: European processes and their background. The 33rd annual meeting of The International Research Group on Wood Preservation. Cardiff-Wales, 2002.Hakkou M., Petrissans M., Gerardin P., Zoulalian A. Investigations of the reasons for fungal durability of heat-treated beech wood // Polymer Degradation and Stability. 2006. Vol. 91. Issue 2. Pp. 393–397. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2005.04.042Hakkou M., Petrissans M., Gerardin P., Zoulalian A. Investigations of the reasons for fungal durability of heat-treated beech wood. Polymer Degradation and Stability. 2006; 91(2):393-397. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2005.04.042Чернов В.Ю., Гайсин И.Г., Палкин А.А., Мальцева Е.М. Бетон на основе наполнителя из ТМД: особенности материала и перспективы использования // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса : мат. IV Междунар. науч.-практ. конф. 2021. С. 103–106. EDN PELBFA.Chernov V.Yu., Gaisin I.G., Palkin A.A., Maltseva E.M. The concrete based on TMW filler: features of the material and prospects of use. Actual problems and prospects for the development of the timber industry : IV International scientific-practical conference. 2021; 103-106. EDN PELBFA. (rus.).Сафин Р.Г., Степанов В.В., Хайруллина Э.Р., Гайнуллина А.А., Степанова Т.О. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 20. С. 123–128. EDN SYAHCX.Safin R.G., Stepanov V.V., Khairullina E.R., Gainullina A.A., Stepanova T.O. Modern building composite materials based on wood waste. Bulletin of the Kazan Technological University. 2014; 17(20):123-128. EDN SYAHCX. (rus.).Хасаншин Р.Р. Термическое модифицирование древесного наполнителя в производстве композиционных материалов : дис. … д-ра техн. наук. Казань, 2019. 424 с.Hasanshin R.R. Thermal modification of wood filler in the production of composite materials : doctoral dissertation. Kazan, 2019; 424 . (rus.).Guo A., Aamiri O.B., Satyavolu J., Sun Z. Impact of thermally modified wood on mechanical properties of mortar // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 208. Pp. 413–420. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.016Guo A., Aamiri O.B., Satyavolu J., Sun Z. Impact of thermally modified wood on mechanical properties of mortar. Construction and Building Materials. 2019; 208:413-420. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.016Fu Q., Yan L., Thielker N.A., Kasal B. Effects of concrete type, concrete surface conditions and wood species on interfacial properties of adhesively-bonded timber — Concrete composite joints // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2021. Vol. 107. P. 102859. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2021.102859Fu Q., Yan L., Thielker N.A., Kasal B. Effects of concrete type, concrete surface conditions and wood species on interfacial properties of adhesively-bonded timber — Concrete composite joints. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2021; 107:102859. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2021.102859Kostic S., Merk V., Berg J., Hass P., Burgert I., Cabane E. Timber-mortar composites: The effect of sol-gel surface modification on the wood-adhesive interface // Composite Structures. 2018. Vol. 201. Pp. 828–833. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.06.108Kostic S., Merk V., Berg J., Hass P., Burgert I., Cabane E. Timber-mortar composites: The effect of sol-gel surface modification on the wood-adhesive interface. Composite Structures. 2018; 201:828-833. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.06.108Giv A.N., Fu Q., Yan L., Kasal B. The effect of adhesive amount and type on failure mode and shear strength of glued timber-concrete joints // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 345. P. 128375. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128375Giv A.N., Fu Q., Yan L., Kasal B. The effect of adhesive amount and type on failure mode and shear strength of glued timber-concrete joints. Construction and Building Materials. 2022; 345:128375. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128375

The authors declare that there are no conflicts of interest present.