Исследование влияния термической модификации древесины на адгезионные и прочностные свойства древесно-цементной композиции

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. 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. 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. 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.

1. Горностаева 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.

2. 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.

3. Наназашвили И.Х., Марданов М.К. Производство арболита из древесных отходов. М. : ЦБНТИ Минпромстроя СССР, 1974. 47 с.

4. 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)00716-0

5. Badilla 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: 10.1088/1755-1315/503/1/012017

6. Крутов 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.

7. 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.

8. 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-2022-0019

9. Verma 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/IJMTST0904054

10. Liu 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.e01350

11. Liu 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.4020085

12. Song 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/s00107-023-01926-7

13. Altgen 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: 10.1080/17480272.2014.988750

14. Boonstra 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/s00226-006-0087-4

15. Cai 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-2019-0180

16. Hill C. Wood Modification: Chemical, thermal and other processes. John Wiley & Sons, 2006. P. 239.

17. 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-z

18. 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.

19. 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.2005.04.042

20. Чернов 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.

21. 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.

22. Хасаншин Р.Р. Термическое модифицирование древесного наполнителя в производстве композиционных материалов : дис. … д-ра техн. наук. Казань, 2019. 424 с.

23. 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.2019.03.016

24. Fu 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.2021.102859

25. Kostic 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.2018.06.108

26. Giv 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.2022.128375