Алексеева Л.Л. Инновационные технологии и материалы в строительной индустрии

Подождите немного. Документ загружается.

К древесным композитам на органическом (синтетическом) связующем от-

носятся древесностружечные и древесноволокнистые плиты различного назначе-

ния.

К древесным композитам на минеральном связующем относятся древесно-

цементные композиты: фибролит и арболит.

В производстве древесных композитов на синтетических связующих ак-

туальной задачей является улучшение их санитарно-гигиенических свойств, по-

скольку эти материалы

экологически небезопасны.

Древесно-стружечные плиты (ДСП) изготовляют путем горячего прессова-

ния специально приготовленных древесных стружек с термореактивными жидки-

ми полимерами (карбамидными или фенолформальдегидными). Расход полимера

составляет 8…12% (по массе). Стружку получают на специальных стружечных

станках, используя сырье в виде отходов деревообработки, фанерного и мебель-

ного производства, а также неделовую древесину. Средний

слой трехслойных

плит состоит из относительно толстых стружек (толщина до 1 мм), наружные

слои выполняют из тонких стружек (толщина до 0,2 мм), которые повышают

прочность изделий.

В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажнения и ис-

тирания, применяют полимерные пленочные материалы, бумагу, пропитанную

смолами. Нередко поверхность плит (предварительно отшлифованную) покрыва-

ют водостойкими

фенольными или эпоксидными лаками.

Выпускают древесностружечные плиты с различной плотностью (г/см

очень высокой - 0,81…1,0; высокой - 0,66…0,8; средней - 0,51…0,65; малой -

0,36…0,5; очень малой - 0,35. Плиты с высокой плотностью применяют как кон-

струкционный и отделочный материал. Плиты с малой плотностью служат тепло-

и звукоизоляционным материалом. Для придания плитам биостойкости в поли-

мерно-стружечную массу добавляют антисептики (фторид и кремнефторид на-

трия, буру и другое). В качестве антипиренов используют

добавку сульфата ам-

мония и диаммонийфосфат. С целью уменьшения набухания плит во влажном

воздухе в исходную массу вводят гидрофобизующие вещества (парафиновую

эмульсию, раствор кремнийорганического полимера и др.). Размеры плит: длина

1800…3500 мм, ширина 1220…1750 мм, толщина 4…100 мм.

Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования

волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, поли-

мера и специальных добавок (антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих ве-

ществ).

Древесные волокна получают из отходов деревообрабатывающих произ-

водств и неделовой древесины. Древесину на рубильных машинах перерабатыва-

ют в щепу, которую проваривают в 1…2 %-ном растворе едкого натра

для ней-

трализации смолистых и сахаристых веществ. Затем щепу размельчают в дефиб-

раторах до состояния тонких волокон. После дополнительной обработки паром

при температуре 150

С и давлении 0,6…1 МПа волокна смешивают с водой и

указанными добавками. При изготовлении сверхтвердых плит в смесь вводят фе-

нолформальдегидный полимер. Приготовленная масса передается на отливочную

машину, имеющую бесконечную металлическую сетку и вакуумную установку.

Здесь масса обезвоживается, уплотняется, разрезается на плиты, которые направ-

ляются в роликовую сушилку, если формуются высокопористые плиты

. Для по-

лучения твердых плит массу прессуют на гидравлических прессах при температу-

ре 150… 165

С под давлением 1…5 МПа. Горячее прессование ускоряет отвер-

дение полимерного связующего. Изменяя давление прессования, можно получить

плиты разной плотности и с различными физико-механическими свойствами.

Выпускают плиты пяти видов: сверхтвердые плотностью более 950 кг/м

пределом прочности при изгибе более 50 МПа; твердые - более 850 кг/м

и более

40 МПа; полутвердые - более 400 кг/м

и более 15 МПа; изоляционно-отделочные

– 950…350 кг/м

и более 2 МПа; изоляционные - до 250 кг/м

и более 1,2 МПа.

Плиты имеют длину 1200…3600 мм, ширину 1000…1800 мм. Твердые плиты

имеют толщину 3…8 мм, изоляционные – 8…25 мм.

Твердые плиты применяют для устройства перегородок, подшивки потол-

ков, настилки полов, для изготовления дверных полотен и встроенной мебели.

Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой

текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных

пород. Их также вы-

пускают с матовой поверхностью, окрашенной водоэмульсионными поливинил-

ацетатными красками. Плиты, окрашенные эмалями, имеют глянцевую поверх-

ность и они более водостойки. Эти плиты применяют для облицовки стен и по-

толков в медицинских учреждениях, продуктовых магазинах.

Крупноразмерность, красивый внешний вид и невысокая стоимость предо-

пределяют высокую технико-экономическую эффективность плит.

Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое применение в

виде тепло- и звукоизоляционного материала.

Производство древесностружечных и древесноволокнистых плит быстро

увеличивается, чему способствуют обширные ресурсы разнообразного органиче-

ского сырья в виде отходов деревообработки, неделовой древесины и др.

Но в эксплуатации таких изделий синтетическое связующее выделяет в ок-

ружающую среду вредные для здоровья людей вещества.

Кардинальное решение этой проблемы видится в использовании природных

клеящих веществ, которые можно взять в самом древесном сырье, применяя для

ее обработки биотехнологию.

Древесина и другие растительные остатки представляют собой комплекс

сложных органических

веществ. Основные компоненты, присутствующие в клет-

ке древесины всех видов, - это три структурных полимера: целлюлоза, лигнин,

гемицеллюлоза. Конструкционно лигнин выполняет функции клея, целлюлоза -

армирующего компонента. В клеточной стенке целлюлоза и лигнин связаны меж-

ду собой в основном через гемицеллюлозу.

Лигнина как клеящего вещества в лиственных породах содержится до 30%,

в хвойных

до 50%.

Для получения древесных композитов без применения синтетических вя-

жущих материалов необходимо предварительно гидролизовать гемицеллюлозу и

освободить из клетки лигнин.

Для осуществления этих целей предложены дереворазрушающие грибы-

ксилотрофы, которые интенсивно синтезируют гидролитические и окислительные

ферменты и освобождают лигнин.

Освобожденный лигнин благодаря своей биостойкости экранизирует поли-

сахариды и не позволяет

лигнинразрушающим грибам удалить их из растительно-

го сырья. Таким образом, в древесном сырье после воздействия лигнинразру-

шающих грибов создаются все условия для образования пластика без применения

синтетических вяжущих.

Один из дереворазрушающих грибов - базидиальный гриб, представитель

рода «Рanus»-«полилистник тигровый».

Базидиальные грибы – базиомицеты - класс высших грибов с особыми орга-

нами размножения - базидиями. К таким грибам относятся белый гриб, груздь,

мухомор, бледная поганка и др. Чистая культура этого гриба – белый слегка пу-

шистый налет.

Сама биотехнология обработки древесного сырья представляет собой сле-

дующие этапы:

- в емкости готовится питательная среда для

гриба;

- после стерилизации в автоклаве она подается в ферментор, где осуществля-

ется засев среды нужного штамма и культивируется микроорганизм;

- готовую культивированную жидкость перемешивают с измельченной

стружкой или древесным волокном в смесителе и ведут биообработку до дости-

жения заданной степени модификации биополимера;

- после просушивания обработанное сырье смешивают с основной массой

древесного сырья и прессуют (либо формуют другим способом) изделия при

температуре 180

С.

Исходную культурную жидкость можно использовать многократно, что

обеспечивает замкнутость технологического цикла и безопасность производства.

Получаемые изделия (ДСП, ДВП) представляют собой экологически безопасные

продукты, вносимые свой вклад в охрану окружающей среды благодаря примене-

нию инновационной технологии.

Древесноцементные композиты, к коим относятся фибролит и арболит,

широко используются в строительной практике.

Фибролит - плитный материал из древесной шерсти и неорганического вя-

жущего вещества. Древесную шерсть (стружку длиной 200…500 мм, шириной 2

5 мм, толщиной 0,3…0,5 мм) получают на специальных станках, используя ко-

роткие бревна ели, липы, осины, сосны. Вяжущим чаще всего служит портланд-

цемент и раствор минерализатора - хлористого кальция. Формы с массой после-

довательно проходят камеру

начеса, прессовочный вал, пост разделки на плиты,

камеру твердения и сушки. Плиты выпускают плотностью 300…350 кг/м

, тепло-

проводностью 0,1…0,15 Вт/(м·

С), с пределом прочности при изгибе 0,4…1,2

МПа. Толщина плит - 25, 50, 75, 100 мм. Плиты применяют для теплоизоляции

ограждающих конструкций, для устройства перегородок, каркасных стен и пере-

крытий в сухих условиях. Фибролит хорошо обрабатывается - его можно пилить,

сверлить, в него можно вбивать гвозди.

Арболитовые изделия изготовляют из портландцемента и органического

коротковолокнистого сырья (древесных опилок, дробленой станочной стружки

или щепы, сечки соломы или камыша, костры и др.), обработанного раствором

минерализатора. Химическими добавками служат: хлористый кальций, раствори-

мое стекло,

сернокислый глинозем. Применяют теплоизоляционный арболит

плотностью до 500 кг/м

в стенах, перегородках, покрытиях зданий различного

назначения. Конструкционно-теплоизоляционный арболит плотностью до 700

кг/м

используют для возведения навесных и самонесущих стен и перегородок.

Древесноцементные композиты отличаются низким качеством из-за нали-

чия в растительном сырье углеводов.

Углеводы лигноцеллюлозного сырья подразделяются на несколько групп:

- первая группа - свободные моно, -ди, -трисахариды. Это редуцирующие

вещества: сахароза, глюкоза, фруктоза. Редуцирующие вещества (редуценты) -

это вещества, разлагающие органическое вещество

и превращающее его в неорга-

ническое; они могут усваивать другие органические вещества;

- вторая группа - растворимые в воде коллойдные полисахариды: декстри-

ны, инулин, слизи, танниды, пектиновые вещества ( некоторая часть):

- третья группа - пектиновые вещества (в большом количестве) и гемицел-

люлоза;

- четвертая группа- крахмал, некоторое количество гемицеллюлозы, прочно

удерживающееся в составе целлюлозы

Первые три группы углеводов – это так называемые «цементные яды», ко-

торые ухудшают свойства древесноцементных композитов.

С целью уменьшения отрицательного влияния этих веществ разработана

технология удаления сахаров из растительного сырья лигноразрушающими гри-

бами.

Технология заключается в том, что производят ферментацию сырья в под-

готовленной структуре лигноразрушающего гриба в течении трех

суток, затем

сырье отмывают в проточной воде. В результате такой обработки количество са-

харов в водной вытяжке уменьшается в 35…60 раз, а древесноцементные компо-

зиты имеют прочность при сжатии в 4 раза выше чем композиты из необработан-

ного сырья.

4.3 Биотехнологии в производстве модификаторов для

строительных материалов

В производстве строительных материалов для улучшения их свойств нахо-

дят широкое применение различные модификаторы, в частности поверхностно-

активные вещества (ПАВ). Они используются как пластификаторы, гидрофобиза-

торы, ускорители или

замедлители твердения, а также как гидравлические добав-

ки, пенообразователи и в других качествах.

Все эти материалы синтетические, экологически опасные, вызывающие ал-

лергические реакции у человека, а в ряде случаев являются канцерогенами. По-

этому сейчас стратегической задачей является замена синтетических ПАВ на био-

логические ПАВ.

Био-ПАВ являются экономически более выгодными

в силу их меньшей

стоимости и количественной нормы применения в материалах, экологически без-

вредными и высокоэффективными для свойств материалов.

В настоящее время известны пять классов БИО-ПАВ. На их основе синтези-

рованы гликолипиды, липопротеины, липополисахариды. Они опробованы в ка-

честве пластификаторов бетонов и растворов. Эти БИО-ПАВ оказались эффек-

тивнее

широко известного суперпластификатора С-3- продукта, получаемого на

основе натриевых солей конденсацией нафталинсульфокислоты и формальдегида.

Количество БИО-ПАВ, необходимое для пластификации растворных и бетонных

смесей, в три раза меньше, чем С-3,а эффект пластификации выше.

На основе БИО-ПАВ был разработан эффективный пенообразователь для

производства ячеистых бетонов.

Ячеистый бетон получают

в результате затвердевания предварительно

вспученной смеси вяжущего вещества, кремнеземистого компонента и воды.

Структура такого бетона характеризуется наличием большого количества пор-

ячеек диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. Такую структуру

называют ячеистой. Благодаря большой пористости ячеистый бетон обладает ма-

лой теплопроводностью. Это делает его эффективным материалом для ограж-

дающих конструкций.

Ячеистая структура пенобетона образуется при механическом смешивании

теста вяжущего с устойчивой пеной. Пену получают энергичным взбиванием

водного раствора поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностное

натяжение воды.

Качество пены оценивают кратностью, прочностью, устойчивостью во вре-

мени.

Кратность пены – это отношение ее объема к объему водного раствора пе-

нообразователя. Чем выше кратность пены

, тем больший объем ячеистой массы

может быть получен из данного количества пенообразователя.

Прочность и устойчивость (стабильность) пены определяются ее способно-

стью не осаждаться и не расслаиваться, по крайней мере, в начальный период

схватывания ячеистобетонной массы.

Для получения пены применяют в основном синтетические пенообразова-

тели, например сульфанол.

Пенообразователь на основе

БИО-ПАВ имеет кратность пены не ниже 15

(синтетический – 5…10), устойчивость не менее 24 ч (это намного больше приме-

няемых сейчас пенообразователей). Исследования в этой области продолжаются.

4.4 Применение биотехнологий в производстве

биоцидных растворов и бетонов

Микроскопические организмы, выполняющие позитивные функции в био-

логических процессах получения строительных материалов, подвергают биокор-

розии строительные

изделия и конструкции, работающие в различных условиях, в

составе:

- гидротехнических сооружений;

- животноводческих и птицеводческих помещений;

- предприятий мясомолочной и рыбной промышленностей;

- овощехранилищ;

- хлебозаводов;

- плавательных бассейнов;

- библиотек;

- архивов;

- музеев;

- ритуальных залов;

- медицинских учреждений (лабораторий, хирургических отделений).

Практически все строительные материалы имеют ограниченное сопротив-

ление биологическим воздействиям, в результате чего поверхность конструкций

покрывается пигментными пятнами, в материале накапливаются биоповреждения,

приводящие к его деградации, в зданиях и сооружениях ухудшается санитарно-

экологический климат.

Многочисленными исследованиями было установлено, что не только деко

ративные качества материала ухудшаются, но и «съедается» цементный камень в

бетонах, а это значит, что встает вопрос о работоспособности конструкций в зда-

ниях и сооружениях. Выявлено вредное влияние биокоррозии на здоровье людей,

работающих в зараженных помещениях или проживающих в них. Выявлены не-

которые продукты коррозии, относящиеся к токсинам.

Биокоррозия наблюдается

у стен и перекрытий жилых домов, особенно в

плохо вентилируемых подвальных помещениях (многие из них сейчас реконст-

руируются под офисы, развлекательные центры и рестораны).

Поскольку бетон и железобетон – это основной ведущий материал 21 века,

то именно ему уделено особое внимание в изучении биокоррозии.

Оказалось, что бетонные и железобетонные конструкции поражаются

мик-

роскопическими плесневелыми грибами, которые насчитывают 40 рядов.

Поскольку это в основном мицелевые грибы, то они своими мицелиями –

тонкими ветвящимися нитями – гифами проникают с поверхности внутрь конст-

рукции по порам, трещинам, пустотам. Строительные конструкции обрастают

грибами в большей степени, если на их поверхностях имеются загрязнения. Оп-

тимальная температура развития грибов – 20…25

С. Некоторые грибы могут су-

ществовать и развиваться в пределах температур от -20

С до +80

С.

Материал конструкции подвергается разрушительному действию метаболи-

тов грибов.

Метаболиты – это промежуточные продукты обмена в живых клетках.

Наиболее распространен грибок Gladosporium – коричневого, оливкового

или черного цвета.

Грибки, проникая в поры бетонов и растворов, выделяют кислоты. Одни из

них выделяют уксусную и муравьиную кислоту, другие – лимонную, молочную,

яблочную.

Кислоты взаимодействуют со щелочами цементного камня, с гидросилика-

тами и гидроалюминатами, образуя соли, не обладающие вяжущими свойствами.

Цементный камень перерождается и теряет свои строительно-технические свой-

ства. Замечено, что

грибки, изменяют рН среды и создают оптимальную для себя

кислотность.

Рост биомассы грибков приводит к тому, что, например, штукатурный или

кладочный раствор превращается в сухую осыпающуюся массу.

Установлено, что грибки нормально живут и при нормальной и при повы-

шенной влажности (даже если нет капельно-жидкой влаги).

Споры плесневых грибков

имеют размеры 1…10 мкм и, следовательно, хо-

рошо проникают при капиллярном всасывании воды бетоном. Следовательно, чем

плотнее бетоны, тем меньше спор попадает в него.

Плотные бетоны разрушаются грибками медленно, но за 30…50 лет экс-

плуатации происходит серьезное разрушение поверхностного слоя и внутренних

слоев. Споры грибков переносятся не только водой, но и воздухом

, поэтому они

есть везде, в любой среде.

Воздействовать на биокоррозию бетонов и растворов можно разными путя-

ми. Разработаны три группы методов защиты от поражающего действия грибков:

- эксплуатационно-профилактические;

- конструктивные;

- строительно-технологические.

Эксплуатационно-профилактические меры сводятся к дезинфекции поверх-

ности конструкции, регулированию тепло-влажностного режима в помещении,

вентиляции помещения

Конструктивные меры – это придания конструкциям формы, при которой

снижается увлажнение и накопление пыли.

Строительно-технологические меры – это использование материалов, стой-

ких к действию грибков.

Практика показала, что третья мера оказалась самой действенной. Она за-

ключается во введении в состав материалов фунгицидных добавок.

100

Фунгициды – от латинских слов fungus – гриб и caedo – убиваю – это хими-

ческие препараты для уничтожения или предупреждения развития патогенных

грибов.

Фунгициды влияют на метаболизм грибов, угнетают их дыхание, нарушают

их клеточные структуры.

Фунгицидные препараты называются биоцидами. Сейчас разработаны со-

ставы бетонов и растворов с добавлением биоцидов.

Для биоцидных бетонов и растворов

разработана биоцидная добавка под

названием катапин – бактерицид. Она экологически безопасна, эффективно по-

давляет развитие грибов, не ухудшает строительно-технологических свойств це-

ментных материалов. Исследования по вопросам биокоррозии бетонов, растворов

и других материалов продолжаются.

Микологическими исследованиями занимается НИИ экологии человека и

гигиены окружающей среды имени А.Н. Сысина.

4.5 Применение биотехнологий

в обработке сырьевых материалов

Основными элементами технологий любых строительных материалов яв-

ляются сырье, энергия, оборудование. Они тесно связаны между собой и обуслав-

ливаются экономикой, состоянием и уровнем научно-технического прогресса.

Одной из наиболее емких по сырью является керамическая промышлен-

ность, основу сырьевой базы которой составляют пластичные материалы – глины.

Глины

представляют собой осадочные горные породы тонкоземлистого

строения, которые независимо от их минерального и химического состава спо-

собны при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, переходящее по-

сле обжига в водостойкое и прочное камневидное тело. Образовавшись в резуль-

тате выветривания главным образом полевошпатовых пород, глины состоят из

плотной смеси различных глинистых

минералов, представляющих собой алюмо-

силикаты со слоистой кристаллической структурой. Наиболее распространенны-

ми из них являются каолинитовые (каолинит Al

·2SiO

·2H

O и галлуазит Al

·2SiO

·4H

O), монтмориллонитовые (монтмориллонит Al

·4SiO

·nH

O) и гид-

рослюдистые (в основном продукты разной степени гидратации слюд).

Качество керамических изделий во многом зависит от состава и свойств

глинистых материалов. Все глинообразующие минералы в составе глин находятся