Систематизация факторов влияющих на формирование адгезионной прочности в системе «цемент–древесина»

Определение факторов адгезионного взаимодействия в системе «цемент-древесина» позволит оптимизировать параметры сцепления компонентов в этом композитном материале.

Адгезия (лат. adhaesio — прилипание, сцепление, притяжение) — поверхностное явление, которое заключается в возникновении механической прочности при контакте поверхностей двух разных тел (конденсированных фаз). Причиной адгезии является молекулярное притяжение контактирующих фаз или их химическое взаимодействие. Явление адгезии лежит в основе образования прочного контакта (склеивания) между твердым телом — субстратом и клеящим агентом — адгезивом, являющимися основными компонентами адгезионного соединения [1].

Прочность адгезионного соединения определяет основные механические свойства композиционных материалов.

Один из основополагающих факторов упрочения структуры бетона — улучшение сцепления заполнителя с прослойками цементного камня. Это предопределяет необходимость глубокого изучения процессов и явлений, имеющих отношение к сцеплению древесины с цементным камнем, так как рассматриваемое свойство двух разных по своей природе материалов является важным условием, определяющим прочность и долговечность ЦДК. Адгезия является многофакторным показателем, зависящим от природы связующего и наполнителя, свойств их поверхностей площади контакта, условий формирования композита и др.

Процесс склеивания состоит из двух стадий — прилипания и собственно склеивания. Первая стадия должна обеспечить наилучший контакт и взаимодействие со склеиваемой поверхностью, вторая — гарантировать нормальную работу клеевого шва под воздействием влаги, температуры и других факторов [3].

Различают несколько механизмов (и, соответственно, теорий адгезии) в зависимости от природы взаимодействующих тел и условий, при которых происходит адгезия. Механическая адгезия осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела жидкого адгезива, который затем затвердевает, обеспечивая механическое зацепление с твердым телом.

Согласно молекулярному (адсорбционному) механизму адгезия возникает под действием межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей. Для такой адгезии применимо известное правило сходства веществ по полярности: чем ближе по полярности адгезив и субстрат, тем более прочен контакт между ними.

Электрическая теория связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела между адгезивом и субстратом. Отслаивание, как и раздвижение обкладок конденсатора, вызывает увеличение разности электрических потенциалов, которое обусловливает прочность адгезионного контакта.

Диффузионный механизм предусматривает взаимное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодействующих фаз. Процесс диффузии приводит как бы к размыванию границы раздела фаз, взаимному их растворению в местах контакта. Отдельно выделяется механизм, обусловленный химическим взаимодействием при адгезии. В конкретных условиях один из механизмов может преобладать, чаще же механизм адгезии является смешанным [1].

Проблему сцепления древесины с цементным камнем в нашей стране изучали [2] проф. И.Л. Кириенко, М.Л. Киения (1930–1931 гг.), Г.Д. Цискрели (1933 г.), В.П. Петров и И.М. Пушкин (1935–1937 гг.). Было установлено, что сцепление древесины с цементным раствором и бетоном зависит от водно-цементного отношения (В/Ц) смеси, условий хранения конструкций, влажности, шероховатости и формы деревянных древесных частиц.

До настоящего времени в лабораторной практике не существует общепринятой методики определения величины сцепления древесины с минеральными вяжущими веществами.

Понимание специфических особенностей сцепления композиции «древесина – цементный камень» помогает правильно ориентироваться при выборе способов повышения адгезионной прочности в структуре ЦДК.

В статье нами рассмотрены факторы, влияющие на адгезионную прочность в системе «цемент – древесина» на примере арболита.

При исследовании адгезии древесины с цементным камнем И.Х. Наназашвили [2] изучалось влияние различных факторов на величину их сцепления, в том числе породы древесины; характера ее поверхности; толщины прослойки цементного камня; способа химической и физической обработки; вида добавки в цементное тесто; направление среза склеиваемых поверхностей (радиальный, тангенциальный срезы); направление волокон; площадь, занимаемая поздней древесиной; а также условия изготовления и хранения заполнителя.

При уменьшении удельной поверхности древесного заполнителя до некоторого предела прочность арболита растет. Снижение прочности при значительной крупности заполнителя отчасти может быть объяснено влиянием больших влажностных деформаций, вызывающих развитие напряжений в контактных зонах в процессе твердения и сушки, а при использовании мелкой фракции — значительным уменьшением толщины цементных прослоек в структуре из-за большой удельной поверхности заполнителя.

С ростом шероховатости поверхности адгезионная прочность сцепления древесины цементным камнем увеличивается. Рост адгезионной прочности, вероятно, связан с появлением большого числа активных центров, увеличением истинной площади контакта и механическим сцеплением ворсинок и углублений, выполняющих функцию своеобразных шпонок и заклепок.

С увеличением площади поздней древесины на склеиваемых поверхностях моделей заполнителя наблюдается значительное снижение адгезионной прочности, что можно объяснить более низкой сцепляемостью этих участков с цементным камнем и возможностью развития значительных влажностных деформаций из-за повышенной плотности поздней древесины.

На участках поздней древесины наблюдается адгезионный вид разрушения, тогда как на участках ранней древесины происходит смешанное, или когезионное (по древесине или цементному камню) разрушение. Преимущественное проникание цементного геля в трахеиды ранней древесины ели и сосны может быть объяснено ее анатомическим строением.

Деформативность разных участков хвойных пород неодинакова. Это дает основание предположить, что в контактных зонах структуры ЦДК на участках поздней древесины могут наблюдаться большие влажностные деформации, чем на участках ранней древесины. Наименьшая разность таких деформаций характерна для древесины ели.

Предпочтение, которое отдавали древесине ели при производстве цементно-древесных материалов, объяснялось ранее меньшим содержанием в ней легкогидролизуемых веществ. Заполнитель из ели имеет еще и то преимущество, что величина его сцепления с цементным камнем выше, чем у других пород древесины, и в процессе твердения и сушки арболита в контактных зонах его структуры образуются меньшие влажностные деформации вследствие более высокой, чем у других пород, однородности структуры.

В годичных слоях сосны четко различаются ранняя и поздняя древесина; широкополостные и относительно тонкостенные трахеиды (клетки) ранней части более приспособлены к водопроводящей функции, чем узкополостные и относительно толстостенные трахеиды поздней части.

Участки поздней древесины имеют значительно бóльшую плотность, чем ранней, и характеризуются более низким значением сцепления с цементным камнем, тогда как на участках ранней древесины преобладает смешанный характер разрушения, что указывает на большую величину сцепления. Это можно объяснить прониканием в открытые полости трахеид цементного геля из-за более высокой поверхностной пористости ранней древесины по сравнению с поздней, благодаря чему адгезионная прочность увеличивается и за счет механического сцепления.

Адгезионная прочность моделей тангенциального среза древесины на склеиваемых поверхностях больше, чем у моделей той же породы радиального среза. Это может быть объяснено большим содержанием поздней древесины на поверхности пластин. Для моделей тангенциального среза склеиваемых поверхностей из разных пород древесины адгезионная прочность различна: у ели она выше, чем у сосны, вследствие разного содержания ранней и поздней древесины. Так, у ели площадь поздней древесины в тангенциальном срезе составляет 13%, а у сосны — 30%.

При одинаковой шероховатости деревянных моделей адгезионную прочность можно изменять обработкой поверхности, что подтверждает наличие межмолекулярного взаимодействия на границе «вяжущее – древесина».

При химическом модифицировании поверхности древесного заполнителя эти соединения вступают в химическую реакцию с гидроксильными группами древесины. Даже незначительное модифицирование вызывает изменение химического взаимодействия вяжущего и древесины.

Деревянные пластины моделей, прошедшие высокотемпературную сушку, показали большую прочность сцепления с цементным камнем, чем модели без термообработки, но меньшую, чем модели, обработанные раствором хлористого кальция и хлористого алюминия.

Значительное повышение адгезионной прочности у термообработанных моделей частично может быть объяснено стабилизацией их объема, обусловливаемой образованием эфирных связей, сопровождающих потерю связанной воды, и переходом легкогидролизующихся веществ (простейших сахаров) «цементных ядов» в более труднорастворимые соединения.

Предполагается, что адгезия системы «древесина – цементный камень» обусловливается взаимодействием гидрата оксида кальция, образующегося при твердении портландцементного теста в контакте с полярными функциональными группами компонентов древесины — целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы.

Величина сил связи между цементным тестом (в дальнейшем преобразуемого в цементный камень) и стенками клеток древесины может быть объяснена положениями адсорбционной теории адгезии. Известно, что составные части древесины, в первую очередь целлюлоза, обладают структурной поляризацией (поверхность молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина несут заряд) [4], поэтому должны хорошо соединяться полярными веществами.

Однако различные участки годичных слоев (ранней и поздней древесины) и стенок клеток содержат неодинаковое количество целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и других веществ и обладают разной степенью полярности, вследствие чего показатели адгезии составных частей древесины с цементным камнем различны. По степени полярности целлюлоза занимает первое место, затем идет гемицеллюлоза и, наконец, лигнин [5]. Отсюда вывод: чем больше древесина содержит целлюлозы, тем лучше ее сцепление с цементным камнем. Для повышения сцепления древесного заполнителя с цементным камнем наиболее эффективным оказывается введение химикатов и добавок, которые более полярны.

В работе [3] А.С. Щербаков, с глубоким пониманием процессов структурообразования арболита, предложил описывать прочность от структурных факторов зависимостью, где определил некоторые факторы как прямо пропорционально влияющие на прочность, а другие как обратно пропорционально влияющие. Однако такое деление справедливо лишь на некоторых участках их диапазонов, которые не указаны в работе. Он также отмечает влияние породы древесины, ее химического состава, введение в состав химических добавок, влияние выдержки древесного заполнителя в естественных условиях его биологической обработки, фракционного состава на адгезию в арболите.

Необходимо отметить, что на адезионную прочность влияет густота цементного теста и его химическая активность. Чем выше вязкость раствора, тем на меньшую глубину он может проникнуть в поры древесины. Чем ниже реакционная способность компонентов цемента, тем меньше вероятность возникновения адгезии посредством химической связи.

Следует уточнить влияние факторов на структурную прочность в более широком диапазоне их изменения. Кроме того, используя результаты более поздних исследований, следует уточнить также и сами факторы.

Не учитывая влияния технологических факторов, взаимосвязь параметров структуры арболита и влияние их на формирование прочности в общем виде можно представить:

1. Адгезионная прочность в системе «цемент — древесина» зависит от удельной поверхности заполнителя, коэффициента формы частиц, шероховатости древесного заполнителя, пористости, химической активности компонентов композита, В/Ц, площади, занимаемой ранней зоной древесины, расхода цемента на единицу объема, количества химически активных добавок, содержания целлюлозы в древесине, от степени протекания процессов преобразования структурных и химических характеристик древесины в процессе ее выдержки в естественных или иных условиях. Эти факторы выражаются возрастающей функцией.
2. Прочность в системе «цемент –  древесина» зависит от анизотропии древесины (усушка, разбухание), плотности древесины, площади, занимаемой поздней зоной древесины, количества легкогидролизуемых веществ, усилия контактирования. Эти факторы выражаются убывающей функцией:

R_цд = f (F_уд, К_ф, R_а, R_ц, R_д, n_цел, (В/Ц), F_ран.д, Ц, А, C, X, h, ρ, F_поз.д, Э, σ)   (1)

где:
R_цд — прочность в системе «цемент — древесина», МПа;
F_уд — удельная поверхность заполнителя, кг/м³;
К_ф — коэффициент формы частиц;
R_а — шероховатость древесного заполнителя, мкм;
C — пористость древесины, %;
R_ц, R_д — химическая активность компонентов композита;
В/Ц — отношение количества воды к количеству цемента, %;
F_ран.д — площадь, занимаемая ранней зоной древесины, %;
Ц — расход цемента на единицу объема, кг;
А — количество химически активных добавок, %;
n_цел — содержание целлюлозы в древесине, %;
X — степень протекания процессов преобразования структурных и химических характеристик древесины в процессе ее выдержки в естественных или иных условиях, %;
h — анизотропия древесины (усушка, разбухание), %;
ρ — плотность древесины, кг/м³;
F_поз.д — площадь, занимаемая поздней зоной древесины, %;
Э — количество легкогидролизуемых веществ, %;
σ — усилие контактирования, МПа.

Влияние этих факторов на адгезионную прочность нелинейно, имеет различный характер, зависимость следует представить в некоторой форме, вид которой — предмет отдельного рассмотрения.

Список использованных источников

1. Богданова, Ю.Г. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов [Текст] : Учебное пособие / Ю.Г. Богданова — Москва 2010 — 68 с.
2. Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции [Текст] / И.Х. Наназашвили — Ленинград: «Стройиздат» 1990 г. — 414 с.
3. Щербаков, А.С. Арболит повышение качества и долговечности [Текст] / А.С. Щербаков, Л.П. Хорошун, В.С. Подчуфаров — М.: «Лесная промышленность» 1979 г. — 160 с.
4. Рязанова, Т.В. Химия древесины [Текст] / Т.В. Рязанова, Н.А. Чупрова, Е.В. Исаева — Красноярск 1996 г. — 356 с.
5. Вольхин, В.В. Общая химия [Текст] / В.В. Вольхин — С.-П., М., Краснодар: «Лань» 2008 г. — 464 с.

Д.П. Прокопьева, Б.Д. Руденко
(СибГТУ, г. Красноярск, РФ) По материалам доклада на VI Международном Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», Екатеринбург, РФ, 2011 г.