Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

SAWDUST-CEMENT COMPOSITES AS SOUND INSULATION MATERIALS

Research article
Taranov D.K.
Isayeva E.S.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.103.2.015
Issue: № 2 (104), 2021
Published:
2021/02/17
PDF

ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИТЫ КАК ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Обзорная статья

Таранов Д.К. 1, *, Исаева Е.С.2

1 ORCID: 0000-0002-9902-7275;

2 ORCID: 0000-0003-0365-8505;

1, 2 Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (daniil5879[at]mail.ru)

Аннотация

Древесно-цементные композиты широко используются во многих странах как для внутренних, так и для наружных работ. Прочностные свойства позволяют использовать их как строительные материалы (например, сайдинг, кровля, облицовка, ограждение и др.), а акустические, как звуковые барьеры на шоссе. Данные композиты обладают уникальными преимуществами перед другими обычными материалами. Как правило, эти продукты сочетают в себе свойства цемента (относительно высокую устойчивость к воде, грибку и заражению термитами в сочетании с хорошей звукоизоляцией) и древесины (высокое соотношение прочности и веса, обрабатываемость). Такие продукты как бетон или кирпич просто отражают звуковые волны от своей поверхности в разных направлениях. Изделия из цементно-связанных частиц фактически поглощают или полностью устраняют ударяющие по ним звуковые волны, что значительно снижает общий шум.

Ключевые слова: древесно-цементные композиты, цемент, шум, звук, город, защита, акустика.

SAWDUST-CEMENT COMPOSITES AS SOUND INSULATION MATERIALS

Review article

Taranov D.K.1, *, Isayeva E.S.2

1 ORCID: 0000-0002-9902-7275;

2 ORCID: 0000-0003-0365-8505;

1, 2 Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (daniil5879[at]mail.ru)

Abstract

Sawdust-cement composites are widely used in many countries for both indoor and outdoor applications. Their strength properties allow them to be used as building materials (siding, roofing, cladding, fencing, etc.) and their acoustic capabilities prove to be useful as highway sound barriers. These composites have unique advantages over other conventional materials. Usually, these products combine the properties of cement (relatively high resistance to water, fungus, termite infestation and significant sound insulation) and wood (high strength-to-weight ratio, workability). Products such as concrete or brick simply reflect sound waves from their surface in different directions, while the products made of cement-bonded particles absorb or completely eliminate the incoming sound waves, which significantly reduces the overall noise level.

Keywords: sawdust-cement composites, cement, noise, sound, city, protection, acoustics.

Введение

Из Государственного Доклада “О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2019 году ” следует, что среди объектов – источников шума, являющихся основанием для жалоб, лидирующее значение, как и в предыдущие годы, занимают предприятия общественного питания и торговли, имеющие значительное количество вентиляционного оборудования, холодильного оборудования, наружные блоки системы кондиционирования и охлаждения, встроенные (пристроенные) к жилым домам спортивно-оздоровительные учреждения, предприятия отдыха и развлечения (бильярдные, клубы и т. д.) [1]. Возведение массивных и долговечных стен и перегородок не всегда является возможным. Возникает необходимость использовать лёгкий и недорогостоящий материал, который будет отвечать требуемым звукоизоляционным характеристикам. Очевидно, что появляется потребность в исследованиях не только физико-механических свойств строительных материалов, но и в исследовании их звукопоглощающих и звукоотражающих свойств. 

Основная часть

Древесно-цементные композиты обычно представляют собой нити, частицы или волокна древесины, смешанные вместе с портландцементом в качестве минерального связующего и производимые в панели, кирпичи, плитки и другие продукты, используемые в строительной отрасли. Chittenden делит древесные композиты на минеральной связке на две отдельные группы: композиты, в которых древесина входит в состав минеральной матрицы (в виде волокон, опилок, стружки или частиц) и композиты, в которых цемент (или другое минеральное связующее) действует исключительно как связующее, например древесноволокнистая цементная плита или древесно-стружечная плита [8]. Они имеют гораздо более высокую устойчивость к разрушению (т.е. плесень, гниль, бурильные молотки и термиты) и горению, чем плиты, склеенные смолой, или цельная древесина. Они могут быть изготовлены из древесины или растительных отходов, не подходящих для производства пиломатериалов, или обычных древесных композитов на связующей смоле. Древесно-цементные композиты намного лучше подходят для использования в местах с высокой степенью возгорания. При их производстве не выделяется токсичных отходов, а использование инертного связующего позволяет создать производство без риска для здоровья, связанного с использованием композитных материалов на полимерной связке. Хотя древесно-цементные композиты имеют высокую плотность, относительно низкая прочность панелей ограничивает их использование для неструктурных панелей или кровли.

Древесно-цементные композиты тяжелее, чем композиты на полимерной связке, но в то же время они легче бетона, что позволяет применять их в сборных конструкциях, в элементах, которые не подвергаются нагрузкам, например, в не несущих стенах и перегородках. Производство древесно-цементных композитов может быть перспективным способом утилизации древесных остатков, таких как отходы строительства, древесные элементы, вышедшие из строя, остатки древесины от сельского хозяйства или пищевой промышленности.

Некоторые целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы могут проявлять некоторую степень несовместимости с цементом, существуют общепринятые методы оценки степени несовместимости, которые основаны на тепловых характеристиках процесса схватывания цемента или на физических свойствах композитов, изготовленных в лаборатории, в сравнении с контрольными образцами без добавок. Когда портландцемент используется в качестве связующего, такая совместимость может быть выражена в показателях гидратации цемента при смешивании с данной породой древесины [9]. Изотермическая титрационная калориметрия - надежный метод исследования гидратации цемента [10], [11], [14]. Преимущество этого метода заключается в обеспечении мгновенного измерения потока свободного тепла и полной энергии реакций гидратации.

Проблема химической совместимости дерева и цемента иногда приводит к задержке или полному отсутствию схватывания. В случае неприемлемой совместимости может применяться разбавленный щелочной раствор, его может быть достаточно для повышения качества исходного материала до желаемого уровня. Кроме того, некоторые обычные ускорители отверждения цемента, такие как хлориды олова, железа, алюминия, магния или кальция, улучшают совместимость. Их можно применять с целью ускорения схватывания цемента, улучшения физических свойств композита или придания видам древесины особой пригодности для изготовления композитов.

Известно, что технологии производства и промышленного применения различного типа древесностружечных, древесноволокнистых и прочих органоволокнистых плит на различных минеральных и органических вяжущих были разработаны и успешно внедрены в крупнотоннажное производство в СССР в 60-70 годах 20 века. Тем не менее такие авторы, как Ребиндер П. А., Баженов Ю. М., Елшина Л. И., Мощанский Н. А., Солматов В. И., Иващенко Ю. Г. не поднимали вопросы звукоизоляционных свойств данных композитов [12], [13], [14]. Прочностные характеристики, которые были тщательно изучены, показывают перспективность данного материала. Основные вопросы, рассматриваемые авторами – комплексы мероприятий, повышающие надежность защитной обработки; определение влияния вида мелкого неорганического заполнителя на адгезионное сцепление цементного раствора с древесиной; изучение влияние водно-экстрактивных веществ древесины на прочность при сжатии цементного камня и твердение цементного теста и др. Поднятие таких вопросов только подтверждает необходимость в дальнейшем исследовании данного материала.

За рубежом были разработаны некоторые передовые методы, которые позволяют производить древесно-цементные композиты в гораздо более короткие сроки, чем при использовании обычных процедур. В отличие от сегодняшнего метода, где могут потребоваться сутки на схватывание и 28-дневный период на отверждение, такие методы, как введение двуокиси углерода в тесто, в его различных состояниях, позволяют значительно уменьшить время его производства [3]. Добавки кремнеземной или изоцианатной смолы, извести гидротатной, жидкого стекла также продемонстрировали улучшение свойств продукта.

Сейчас задача состоит в том, чтобы перенести эти разработки в промышленный сектор. Следует также отметить, что, хотя сообщалось о многих вкладах в этой области, их внедрение другими исследователями или промышленными компаниями должно осуществляться с осторожностью. Это связано с тем, что из-за высокой вариабельности природных материалов, древесины и лигноцеллюлозы, обобщения в области науки о дереве часто затруднены, подчеркивают многие отечественные и зарубежные исследователи. Испытание материалов, определение методов производства и изменение свойств — все это должно быть выполнено заново, если сырье поступает из других видов растений.

Все строительные материалы обладают некоторыми акустическими свойствами, так как все они поглощают, отражают или передают ударяющий по ним звук. Условно говоря, акустические материалы – это материалы, разработанные и используемые с целью поглощения звука, который в противном случае мог бы быть отражен. Когда звуковая волна ударяется о акустический материал, звуковая волна заставляет волокна или частицы поглощающего материала вибрировать. Эта вибрация вызывает небольшое количество тепла из-за трения, и, таким образом, звукопоглощение достигается за счет преобразования энергии в тепло. Чем более волокнистый материал, тем лучше впитывается волна и наоборот, более плотные материалы менее абсорбируются. Звукопоглощающие характеристики акустических материалов значительно зависят от частоты. Обычно низкочастотные звуки очень трудно поглощать из-за их большой длины волны. С другой стороны, люди менее восприимчивы к звукам низкой частоты, что во многих случаях может быть полезно для человека. Для подавляющего большинства обычных акустических материалов толщина материала оказывает наибольшее влияние на звукопоглощающие свойства материала. Хотя и собственный состав акустического материала определяет его акустические характеристики, для улучшения или влияния на акустические характеристики могут использоваться и другие факторы. Включение воздушного пространства или слоя звукопоглотителя в композитную панель часто служит для улучшения низкочастотных характеристик.

При оценке характеристик звукопоглощения шумоизоляционных экранов в целом принимаются во внимание значения частот, при которых человеческое ухо наиболее чувствительно, а не значения в каждом частотном диапазоне. Индекс шумоподавления (звукопоглощения) - Noise Reduction Сoefficient (NRC) берется как среднее арифметическое значений суммы коэффициентов звукопоглощения при частотах 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц и 2000 Гц, результат округляется с точностью до 0,05 дБ. Другими словами, коэффициент шумоподавления – это средний показатель того, сколько звука может поглотить акустическое изделие. Индекс измеряется от нуля до единицы. Ноль указывает на идеальное отражение, что означает, что продукт не поглощает звук. Единица указывает на идеальное поглощение, что означает, что продукт поглощает весь звук полностью. Чем выше NRC, тем лучше звук поглощается изделием. В общем смысле, если значение NRC меньше 0,3, эти типы материалов называются отражающими материалами. Толщина и плотность продукта являются двумя основными факторами при расчете коэффициента шумоподавления. Например, акустический продукт с рейтингом 0,95 NRC означает, что 95% звука в помещении поглощается, а остальные 5% отражаются.

Согласно исследованиям, значение NRC для цементно-стружечных плит с плоской поверхностью составляет 0,025 при толщине плиты 10 мм. Для плиты толщиной 12 мм и 18 мм значения NRC были определены как 0,030 и 0,035 соответственно. С другой стороны, значение NRC для цементно-стружечных плит с текстурированной поверхностью определяется как 0,035 при толщине плиты 10 мм. Для плиты толщиной 12 мм и 14 мм значения NRC были определены как 0,040 и 0,045 соответственно. Для сравнения, гладкая бетонная стена имеет значение близкое к 0, кирпичная кладки с заделкой швов в районе 0,45, минеральная вата близкое к 1. Таким образом некоторые цементно-стружечные композиты можно считать звукоотражающими [2].

Lutfullah Gunduz и Sevket Onur Kalkan в своих исследованиях приводят показатели снижения воздушного шума от 30 до 37 дБ в диапазоне частот 100-3150 Гц в зависимости от толщины панелей из цементно-стружечных плит. Также использование определенных конструкций в разделительных стойках могут показывать снижение снижения более чем на 60 дБ [5].

Согласно экспериментальному исследованию Андреева А. А и др., при одноосном сжатии прочность и жесткость образцов древесно-цементного композита меняется в зависимости от состава смеси. Образцы материала проявляли разнонаправленные тенденции изменения прочности с увеличением скорости деформирования V. Если V = 5 мм/мин, то увеличение концентрации таких добавок, как стеатит с 10 до 15 % от массы цемента уменьшает прочность с 3,68 до 3,43 МПа. С увеличением скорости деформирования до 30 мм/мин прочность возрастает. Если V = 90…120 мм/мин, то прочность всех образцов почти одинакова: 3,62…3,72 МПа. При V = 180 мм/мин наибольшую прочность обеспечивают добавки стеатита и микрокремнезема [7]. Исходя из проведенных исследований в Петрозаводском государственном университете следует, что изменение компонентов образцов влияет на их прочность и жесткость, а как следствие может оказывать влияние на акустические свойства композитов. При проведении экспериментальных исследований можно получить нужные эксплуатационные характеристики цементно-стружечных композитов.

Заключение

Отечественными авторами написано много научных работ по изучению свойств цементно-стружечных плит, но никто ранее не рассматривал применения их в качестве звукоизоляционных материалов. Современные потребности показывают необходимость в более детальном исследовании акустических свойств цементно-стружечных плит. Зарубежных авторы видят необходимость применения данного материала, что демонстрируется на растущем количестве научных исследований. Сейчас задача состоит в том, чтобы перенести эти разработки в промышленный сектор. Следует отметить, что внедрение разработок другими исследователями или промышленными компаниями должно осуществляться с осторожностью. Это связано с тем, что из-за высокой вариабельности природных материалов, древесины и лигноцеллюлозы, обобщения в области науки о дереве часто затруднены, как подчеркивают многие, как отечественные, так и зарубежные исследователи. Испытание материалов, определение методов производства и изменение свойств — все это должно быть выполнено снова, если в состав сырья были внесены изменения. Данные материалы являются экологичными, что позволяет использовать их в гражданском строительстве без боязни за негативные последствия. Удешевление стоимости готового продукта, за счет включения отходов, позволяет производителям получить больше выгоды, а потребителям сэкономить свои финансовые средства. Отличные прочностные, звукоизоляционные и звукоотражающие характеристики позволяют использовать данный материал в качестве перегородок в жилых домах и промышленных зданиях, в которых встает вопрос о повышенном уровне шума.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2019 году: Государственный доклад.– М.: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2020.– 299 с.
  2. Lutfullah Gunduz Effects of using Cement-Bonded Particle Boards with a Composite Component in Terms of Acoustic Performance in Outdoor Noise Barriers / Lutfullah Gunduz, Sevket Onur Kalkan, A. Munir Isker, // International Conference on Technology, Engineering and Science (IConTES), October 26 - 29, 2018 Antalya/Turkey.
  3. Lan, H.F. Manufacturing of cement-bonded wood particle composites and acoustic characteristics / Lan, H.F. and Huang, Y.F. // Forest Products Industries (Taiwan) 19(1), 85-99.
  4. Semple, K.E. Wood-cement composites – Suitability of Western Australian mallee eucalypt, blue gum and melaleucas / Semple, K.E. and Evans P.D. // A report for the RIRDC / Land and Water Australia / FWPRDC / MDBC. RIRDC Publication No 04 / 101
  5. Jorge, F.C. Wood–cement composites: A review / Jorge, F.C., Pereira, C. and Ferreira, J.M.F. // Holz als Roh und Werkstoff, 62(5):370-377.
  6. Мерсов, Е.Д. Производство древесноволокнистых плит / Е.Д. Мерсов. – М.: Высшая школа, 1999 – 232 с.
  7. Андреев А. А. Древесно-цементный композит с добавкой стеатита как конструкционный и деформирующий материал / А. А. Андреев, Г. Н. Колесников, А.А Чалкин //Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер.: «Естественные и технические науки». 2014. № 6 (143) – 4 с.
  8. Chittenden, A.E. 1972. Wood and cement: past and future / A.E. Chittenden // in Proceedings 7 th World Forestry Congress 4-10 Oct. 1972 Buenos Aires. Vol V, pp 6128-6133.
  9. Moslemi, A.A. Compatibility of southern hardwoods with Portland cement / Moslemi, A.A. and Y.T. Lim. 1984. // Forest Prod. J. 34(718):22-26.
  10. American Society for Testing and Materials. 1982. Heat of hydration of hydraulic cement. ASTM C 186-82. ASTM, West Conshohocken, Pa.
  11. Sauvat, N. A study of ordinary Portland cement hydration with wood by isothermal calorimetry / Sauvat, N., R. Sell, E. Mougel, and A. Zoulalian. // Holzforschung 53(1): 104-108
  12. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества / П.А. Ребиндер. М. 1961.
  13. Баженов Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов. Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1987.-414 с. •
  14. Мощанский, H.A. Плотность и стойкость бетонов / H.A. Мощанский. -М.: Госстройиздат, 1951. - 176 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. O sostojanii sanitarno-jepidemiologicheskogo blagopoluchija naselenija v Rossijskoj Federacii v 2019 godu: Gosudarstvennyj doklad [On the state of sanitary and epidemiological welfare of the population in the Russian Federation in 2019: State report]. - Moscow: Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare, 2020. - 299 p. [in Russian]
  2. Lutfullah Gunduz Effects of using Cement-Bonded Particle Boards with a Composite Component in Terms of Acoustic Performance in Outdoor Noise Barriers / Lutfullah Gunduz, Sevket Onur Kalkan, A. Munir Isker, // International Conference on Technology, Engineering and Science (IConTES), October 26 - 29, 2018 Antalya/Turkey.
  3. Lan, H.F. Manufacturing of cement-bonded wood particle composites and acoustic characteristics / Lan, H.F. and Huang, Y.F. // Forest Products Industries (Taiwan) 19(1), 85-99.
  4. Semple, K.E. Wood-cement composites – Suitability of Western Australian mallee eucalypt, blue gum and melaleucas / Semple, K.E. and Evans P.D. // A report for the RIRDC / Land and Water Australia / FWPRDC / MDBC. RIRDC Publication No 04 / 101
  5. Jorge, F.C. Wood–cement composites: A review / Jorge, F.C., Pereira, C. and Ferreira, J.M.F. // Holz als Roh und Werkstoff, 62(5):370-377.
  6. Mersov, E. D. Proizvodstvo drevesnovoloknistyh plit [Fiberboard production] / E.D. Mersov. - M.: Higher school, 1999 - 232 p. [in Russian]
  7. Andreev AA. Drevesno-cementnyj kompozit s dobavkoj steatita kak konstrukcionnyj i deformirujushhij material [Wood-cement composite with the addition of steatite as a structural and deforming material] / A. A. Andreev, G. N. Kolesnikov, A.A Chalkin //Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. Ser.: «Estestvennye i tehnicheskie nauki» [Scientific notes of Petrozavodsk State University. Ser.: "Natural and technical sciences."] 2014. No. 6 (143) - 4 p. [in Russian]
  8. Chittenden, A.E. 1972. Wood and cement: past and future / A.E. Chittenden // in Proceedings 7 th World Forestry Congress 4-10 Oct. 1972 Buenos Aires. Vol V, pp 6128-6133.
  9. Moslemi, A.A. Compatibility of southern hardwoods with Portland cement / Moslemi, A.A. and Y.T. Lim. 1984. // Forest Prod. J. 34(718):22-26.
  10. American Society for Testing and Materials. 1982. Heat of hydration of hydraulic cement. ASTM C 186-82. ASTM, West Conshohocken, Pa.
  11. Sauvat, N. A study of ordinary Portland cement hydration with wood by isothermal calorimetry / Sauvat, N., R. Sell, E. Mougel, and A. Zoulalian. // Holzforschung 53(1): 104-108
  12. Rebinder, P.A. Poverhnostno-aktivnye veshhestva [Surfactants] / P.A. Rebinder. M. 1961. [in Russian]
  13. Bazhenov, Yu.M. Tehnologija betona [Concrete technology] / Ju.M. Bazhenov. A textbook for universities. - M .: Higher. shk., 1987.-414 p. [in Russian]
  14. Moshchansky, Kh.A. Plotnost' i stojkost' betonov [Density and resistance of concrete] / Kh.A. Moschanskiy. -M.: Gosstroyizdat, 1951. - 176 p. [in Russian]