Dřevocementové kompozity modifikované odpadním prachem z opracování cementotřískových desek

Analyzovány byly vlastnosti tří typů desek – referenční (portlandský a portlandský směsný cement) a dále modifikované prachem (plnivo i matrice – na bázi portlandského směsného cementu, substituce odpadním prachem v množství 8 %). Desky byly exponovány v prostředí o proměnlivé relativní vlhkosti vzduchu (0 % do 96 %), s gradientem nárůstu a poklesu 10 %. Výstupem tohoto měření jsou sorpční křivky. Následně byly na zkušebních tělesech testovány mechanické vlastnosti (pevnostní charakteristiky a modul pružnosti). Získané sorpční izotermy potvrdily rozdílné chování jednotlivých kompozitů v reakci na změny okolní relativní vlhkosti. Výsledky naznačují, že složení směsi má nezanedbatelný vliv nejen na sorpční procesy, ale i na samotnou stabilitu dřevního plniva, konkrétně smrkových třísek, obsažených v materiálu. Nicméně, chování analyzovaných typů desek z hlediska hygroskopicity je velmi podobné. V případě všech testovaných variant desek byl zaznamenán nárůst pevností a modulu pružnosti. Toto zjištění je pozitivním signálem pro další využití stabilizované alternativní suroviny v cementotřískových deskách. Ve využití odpadního prachu lze shledat významný potenciál, kdy dojde k příznivému ovlivnění environmentální situace, tj. konsumpce odpadu, který by jinak představoval zátěž pro životní prostředí.

1. Úvod

Obr. 1 Struktura dřevní buňky – orientační [1]

Obr. 2 Sorpční izotermy hemicelulózy, vybraných dřevin a dřevotřískových desek [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]

Dřevocementové kompozity se skládají ze smrkových třísek a cementu. Tyto materiály (ve formě desek) se běžně používají ve stavebnictví jako podlahové systémy, fasádní obklady, střešní krytiny, protipožární aplikace, podhledy, ztracené bednění, výplně zábradlí a další. Dřevocementové kompozity jsou velmi oblíbené díky své příznivé kombinaci výkonnostních vlastností (pevnost, trvanlivost, požární odolnost atd.). Ve stavebnictví jsou tyto kompozitní materiály obecně vystaveny vlhkosti. Kolísající vlhkost může mít negativní vliv na vlastnosti dřevěné složky těchto kompozitů. Při kolísání obsahu vlhkosti se mění rozměry a hmotnost dřevěných štěpků. To vede k vyvíjení tlaku na okolní cementovou matrici a ke celkové změně rozměrů a hmotnosti kompozitu. Objemové změny v kompozitním materiálu jsou významné jak z hlediska vlivu na jeho vlastnosti, tak z hlediska jeho funkčnosti v rámci konstrukční jednotky. Dřevo se skládá z celulózy, hemicelulózy, ligninu a případně dalších menších složek. Některé složky dřeva mohou do určité míry nepříznivě ovlivňovat vlastnosti dřeva (viz obr. 1) a tím i cementového kompozitu z dřevotřískových desek. Je proto vhodné upravit vlastnosti nebo stabilizovat složení dřeva. Stabilizace, někdy také mineralizace, nevratně mění strukturu a chemické složení dřeva. Primárním cílem je obvykle odstranění hemicelulózy, následované změnou struktury celulózy nebo depolymerizací dlouhých uhlovodíkových řetězců a ligninu. Hemicelulóza je problematická nejen z hlediska absorpce zvýšeného množství vody, ale také kvůli svému negativnímu vlivu během zrání cementové matrice. Existuje několik typů mineralizace, například: mechanická, chemická, tepelná, hydrotermální a biologická. Hlavním cílem je zlepšit odolnost proti absorpci vody a zvýšit rozměrovou stabilitu dřeva. Dřevo a kompozitní materiály obsahující dřevo podléhají objemovým (rozměrovým) a hmotnostním změnám souvisejícím s hygroskopičností. Změny obsahu vlhkosti (hmotnostní změny) vybraných dřevěných hmot, materiálů a komponentů jsou znázorněny na následujícím obrázku (viz obr. 2). Z křivek je patrné, že smrk může vykazovat změny obsahu vlhkosti (hmotnosti) až o 15–20 %, což není zanedbatelné například u velkoplošných fasádních panelů.

Obr. 3 Cyklická změna tloušťky při saturaci vodou a vysychání pro cementotřískové desky [10]

Hystereze dřeva je jev, ke kterému dochází při změně obsahu vlhkosti. Dřevo je hygroskopické, což znamená, že může absorbovat a uvolňovat vlhkost z okolního vzduchu. Když se změní vlhkost v prostředí, dřevo buď vlhkost přijímá, nebo ztrácí, dokud nedosáhne rovnováhy. V praxi to vede k nevratné změně objemu a hmotnosti dřeva, viz obr. 3. U cementových dřevotřískových desek lze tento jev odvodit jako uvolnění zbytkových tlakových napětí ve struktuře dřeva v důsledku lisovacího procesu[9].

Jednou z možností, jak zlepšit stabilizaci dřevní hmoty, je použití alternativní suroviny, která již obsahuje stabilizovanou dřevní hmotu. Z tohoto hlediska se jeví jako velmi výhodné použití prachu vznikajícího při zpracování cementových dřevotřískových desek. Tento prach se zachycuje v části výrobní linky určené pro formátování desek a broušení jejich povrchu. Jedná se o relativně jemný částicový materiál, který je produkován v množství přibližně 7 000 tun ročně. Vzhledem k přirozené vlhkosti prostředí, kterému je prach vystaven dochází ke tvorbě hrudek (viz Obr. 4).

Obr. 4 Výrobní proces cementotřískových desek ze společnosti CIDEM Hranice, a.s. se zaměřením na produkci odpadního prachu:
1 – roztřískování; 2 – míchání směsi; 3 – vrstvení desek; 4 – lisování a vytvrzování pod tlakem; 5 – zrání a sušení; 6 – formátování,
7 – skladování, 8 – expedice [11]

Výrobu cementotřískových desek lze shrnout do několika bodů. Zpracování dřevěných kmenů na štěpky. Smíchání štěpek s portlandským cementem CEM I 42,5 R (nebo smíšeným portlandským cementem CEM II 42,5 R), hydratačními přísadami a vodou. Po smíchání se směs dávkuje na linku pro vrstvení. Horní a spodní vrstva obsahují jemné štěpky pro hladší povrch, zatímco střední vrstva obsahuje hrubší štěpky pro lepší mechanické vlastnosti. Tato vrstvená směs se lisuje na ocelové desky, které se poté dopravují do lisu. Hydraulický lis stlačuje vrstvenou směs na 1/3 tloušťky rozprostření. Po zhutnění se desky znovu uzavřou v parní komoře na 8 hodin při teplotě 60 °C a relativní vlhkosti 95 %. Tím se dosáhne požadované pevnosti. Po vytvrzení se desky umístí na 7 dní do klimatizační komory. Poté se desky vysuší na maximální vlhkost 9 % a naformátují na požadovanou velikost, nebo se povrch a hrany desek opracují (brousí), přičemž vzniká výše zmíněný prach (viz Obr. 4 – DU 1 až 5). Tento odpadní prach je tedy přímo při opracování cementotřískových desek zachytáván odsávacím zařízením a transportován do zásobníků, určených k tomuto účelu (viz horní část Obr. 4).

Přehled literatury (např. 22–28) neprokázal, že by se vědci zabývali otázkou zpětného získávání prachu z výroby cementových dřevotřískových desek z hlediska jeho opětovného použití při výrobě těchto desek s hodnocením hygroskopičnosti desek. Znalosti o tomto tématu jsou studovány pouze stručně ruskými vědci (odpad CPBP použitý v betonu)[13]. Cílem této práce proto bylo posoudit vlastnosti cementovo-dřevěných kompozitů modifikovaných odpadním prachem a zkoumat vliv chování při zvyšující se a snižující se vlhkosti vzduchu.

2. Vstupní suroviny, navržené hmoty a metodika experimentů

Cementotřískové desky pro experimenty byly vyrobeny v závodu spol. CIDEM Hranice, a.s. Referenční receptury se skládaly z 63 % dřeva ve formě třísek, 25 % portlandského cementu nebo cementu směsného (CEM I 42,5 R a CEM II 42,5 R), 10 % vody a 2 % hydratačních přísad. Dále byla navržena receptura s přidáním prachu vznikající při opracování cementotřískové desky. U této receptury byl nahrazen portlandský směsný cement v 6 % a náhrada smrkových třísek v 2 %. Pro výzkum byly navrženy tyto receptury:

• Receptura 01PO – standardní referenční receptura na bázi portlandského cementu CEM I 42,5 R;
• Receptura 02SM – receptura na bázi portlandského směsného (struskového) cementu CEM II/A–S 42,5 R;
• Receptura 03PR – receptura na bázi portlandského směsného cementu CEM II/A–S 42,5 R a prachu vznikajícího při opracování cementotřískových desek (6% náhrada cementu a 2% náhrada smrkových třísek).

Publikace [10], [14], [15] se zabývají vlastnostmi a složením prachu vznikajícího při zpracování cementových dřevotřískových desek.

Cílem zde představeného výzkumu bylo posoudit chování modifikovaných desek při změnách relativní vlhkosti okolního prostředí. Konkrétně se jednalo o stanovení absorpčních a desorpčních křivek během zvyšování a snižování vlhkosti s následným srovnáním fyzikálních a mechanických vlastností (před a po vystavení vlhkosti). Tímto způsobem byl také nepřímo ověřen vliv na stabilizační vlastnosti z hlediska kolísání vlhkosti.

Postup zkoušky pro ověření hygroskopicity byl inspirován technickou normou ČSN EN 318, která definuje zkušební tělesa o rozměrech (300 ± 2) mm × (50 ± 2) mm × t. Pro účely experimentu byl postup upraven použitím zkušebních těles o rozměrech, které lépe charakterizují skutečné cementové dřevotřískové desky používané ve stavebních konstrukcích. Kompozity cementových dřevotřískových desek byly vyrobeny s rozměry 350 mm × 150 mm × 12 mm. Z každého receptu byly připraveny 4 pevné látky pro každý studovaný parametr.

Norma ČSN EN 318 stanoví podmínky pro stanovení adsorpce v rozmezí relativní vlhkosti 65 % až 85 % a desorpce v rozmezí 65 % až 30 %. Tyto limity byly upraveny, aby poskytovaly podrobnější popis a pochopení chování desek v širším rozmezí změn relativní vlhkosti. Konkrétně byly zkoušky prováděny v intervalech 10% změny relativní vlhkosti, v rozmezí od 0 % (vysušená tělesa) do 90 % a 96 %. Z takto stanovených hodnot (rozměry, hmotnosti atd.) byly pro každý sledovaný parametr vytvořeny sorpční izotermy. Pro každou změnu relativní vlhkosti byly vlastnosti stanoveny po stabilizaci hmotnosti zkušebních těles. Stav zkušebního tělesa se považuje za ustálený, pokud se hmotnost po 24 hodinách (2 po sobě jdoucí stanovení) nemění o více než 0,1 %.

Měření změn objemu bylo provedeno pomocí mechanického dilatometru s mosaznými terči s kuželovitými otvory pro umístění hrotů dilatometru. Terče byly upevněny lepidlem Sikadur CF31 na přesně změřených místech ve vzdálenosti 300 mm v podélném směru a 100 mm v příčném směru tělesa. Přesnost měření byla 0,001 mm.

Modul pružnosti v ohybu a pevnost v ohybu se stanoví zatížením zkušebního tělesa v jeho středu, podepřeného dvěma podpěrami. Rozteč podpěr se vypočítá jako 20násobek tloušťky + 50 mm. Je třeba zdůraznit, že pro zkoušky objemové hmotnosti, pevnosti a modulu pružnosti byly použity zkušební tělesa podle normy ČSN EN 310, tj. 290 × 50 mm. Rychlost zatěžování byla nastavena tak, aby maximální zatížení bylo dosaženo během 60 ± 30 s. [16]

Pevnost v tahu kolmo k rovině desky se stanoví zatížením zkušebního tělesa až do porušení ve směru kolmém k rovině tělesa, která se shoduje s rovinou desky. Pevnost v tahu kolmo k rovině se stanoví z maximální síly působící na povrch zkušebního tělesa. Zkušební těleso musí mít čtvercový tvar s délkou strany 50 ± 1 mm. Rychlost zatěžování se nastaví tak, aby maximální zatížení bylo dosaženo během 60 ± 30 s. [17]

Hustota byla stanovena podle normy ČSN EN 323 jako poměr hmotnosti zkušebního tělesa k jeho objemu, přičemž obě měření byla provedena při stejném obsahu vlhkosti. Pro měření délky a šířky byla použita posuvná stupnice s přesností 0,01 mm. Měření tloušťky bylo provedeno pomocí mikrometru s přesností 0,001 mm. Hmotnost byla měřena s přesností 0,01 g. [17]

Mikrostruktura byla analyzována optickým a skenovacím elektronovým mikroskopem, tj. Keyence VHX-950F a skenovacím elektronovým mikroskopem TESCAN MIRA3 XMU s rozlišením 1,2 až 1,5 nm při 30 kV v režimu SE a 2 nm při 30 kV v režimu BSE.

3. Výsledky a jejich diskuse

Obr. 5 Absorpční, desorpční křivky a hystereze – změna hmotnosti

Změny relativní vlhkosti vedly k absorpci a desorpci, přičemž nejvýznamnější změny byly zaznamenány u parametru hmotnosti, a to až přibližně 18 %. Výsledky naznačují, že vliv složení není z hlediska hygroskopicity zanedbatelný. Nejlépe hodnoceny jsou desky 01PO, tj. referenční desky na bázi portlandského cementu. Naopak nejvýznamnější změna hmotnosti v důsledku kolísání relativní vlhkosti byla zaznamenána u desek obsahujících prachové částice ze zpracování cementových dřevotřískových desek (03PR). Graf (viz obr. 5) také ukazuje, že k nejvyššímu nárůstu hmotnosti došlo při relativní vlhkosti 80 % a více. Trendy sorpčních křivek jsou podobné, ale lze zaznamenat rozdíly, které se vyznačují hysterezí, kdy se určité množství vody z vlhkosti vzduchu váže do struktury cementových dřevotřískových desek (v rozmezí od 2,3 % do 3,1 %) a ani při vysychání se tato vlhkost nerozkládá. Směrodatná odchylka se pohybovala v rozmezí 0,002 až 0,229 % u desek 01PO, 0,009 až 0,360 % u desek 02SM a 0,012 až 0,525 % u desek 03PR.

Obr. 6 Absorpční, desorpční křivky a hystereze – změny stanovené dilatometrem ve směru délky

Dalším sledovaným a vyhodnocovaným parametrem byly rozměrové změny v podélném směru desek na úsecích vymezených mosaznými terči rozmístěnými ve vzdálenosti 300 mm od sebe, a to jak na zadní, tak na přední straně. V následujícím grafu (viz obr. 6) jsou uvedeny pouze průměrné hodnoty pro každou sadu. Desky 01PO, tj. 0,30 %, jsou nejlepší pro hodnocení s maximální změnou v lineárním směru. Na druhé straně desky 03PR, tj. 0,33 %, byly nejvíce náchylné ke změnám relativní vlhkosti. Sorpční křivky jsou relativně plynulé, s výjimkou nárůstu z 90 % na 96 %. Zde je patrné strmější roztažení v podélném směru u všech receptur. Směrodatná odchylka se pohybovala v rozmezí 0,003–0,013 % u desek 01PO, 0,005–0,025 % u desek 02SM a 0,004–0,032 % u desek 03PR.

Obr. 7 Absorpční, desorpční křivky a hystereze – změny určené dilatometrem ve směru šířky

Byly také zohledněny rozměrové změny v příčném směru desek na úsecích definovaných mosaznými terči rozmístěnými ve vzdálenosti 100 mm od sebe na zadní i přední straně. V následujícím grafu (viz obr. 7) jsou uvedeny pouze průměrné hodnoty pro každou sadu. Trend vyhodnocených křivek ukazuje podobnost lineárních změn testovaných desek v příčném směru. Desky 01PO, tj. 0,29 %, jsou nejlepší s maximální změnou v příčném směru. Na druhé straně desky 03PR vykazovaly nejvyšší změnu relativní vlhkosti, tj. 0,35 %. Směrodatná odchylka se pohybovala v rozmezí 0,001–0,007 % u desek 01PO, 0,003–0,010 % u desek 02SM a 0,005–0,013 % u desek 03PR.

Obr. 8 Absorpční, desorpční křivky a hystereze – změny určené mikrometrem ve směru tloušťky

Rozměrové změny ve směru tloušťky jsou nejvyšší (viz obr. 8). Z hlediska rozměrových změn a jejich relativních rozdílů je důležitá orientace smrkových třísek v cementových dřevotřískových deskách. To je poměrně jasně popsáno v [20]. Autoři předkládají obrázky, které ukazují, že orientace radiálního a tangenciálního směru třísek je převážně kolmá k rovině desky, což může ospravedlňovat největší rozměrové změny ve směru tloušťky. Významné rozměrové nebo objemové změny dřeva v radiálním a tangenciálním směru byly zkoumány a zjištěny autory v [12], [20]. Směrodatná odchylka se pohybovala u desek 01PO v rozmezí 0,002–0,006 %, u desek 02SM v rozmezí 0,003–0,007 % a u desek 03PR v rozmezí 0,002–0,009 %.

U všech testovaných receptur dochází k největší změně mezi 90 % a 96 % relativní vlhkosti, přičemž maximální změna tloušťky byla stanovena na 1,5 % (receptura 03PR). Opět je nejlepší referenční deska 01PO, tj. změna 1,3 %. Je však patrné, že rozdíly nejsou tak výrazné ve srovnání s ostatními změnami rozměrů. Hysterezní efekt byl u tloušťky přibližně dvakrát tak výrazný jako u ostatních hodnocených rozměrových změn.

Obr. 9 Absorpční, desorpční křivky a hystereze – objemové změny

Sorpční izotermy charakterizující objemové změny (viz obr. 9) dosahují maxima, když jsou desky vystaveny relativní vlhkosti 96 %. Maximální změny objemu se pohybují v rozmezí 1,9 % až 2,3 %, přičemž hystereze nepřesahuje 0,18 %. Z křivek je zřejmé, že referenční desky, tj. 01PO, jsou nejodolnější vůči změnám relativní vlhkosti. Nejvýznamnější změny objemu lze pozorovat u receptury používající prach 03PR. Nahrazení cementu prachovými částicemi má nejvýznamnější negativní vliv na chování desek za proměnlivých vlhkostních podmínek. Směrodatná odchylka se pohybovala v rozmezí 0,002–0,020 % pro desky 01PO, 0,005–0,032 % pro desky 02SM a 0,007–0,037 % pro desky 03PR.

Výsledky ukazují, že složení cementových dřevotřískových desek může významně ovlivnit jejich hygroskopičnost, která souvisí s chováním desek a změnami jejich vlastností, zejména změnami objemu při kolísající relativní vlhkosti okolí. Nejodolnější vůči změnám objemu a hmotnosti je standardní dřevotřísková deska na bázi portlandského cementu (receptura 01PO). Naopak desky obsahující částice cementového dřevotřískového prachu jako náhradu za primární složky směsi jsou nejvíce náchylné ke změnám. Nejvýznamnější změny byly pozorovány v případě hmotnosti (ve srovnání se změnami jednotlivých rozměrů a objemu). Hystereze dřeva byla pozorována u všech receptur – 01PO, 02SM a 03PR a pohybovala se kolem 0,09, 0,12 a 0,15 % změny objemu a změna hmotnosti byla kolem 2,3, 2,7 a 3 % pro jednotlivé receptury. Složení směsi pro výrobu cementových dřevotřískových desek má mimo jiné vliv na stabilizaci smrkových třísek, což bylo patrné při testování hygroskopicity desek.

Vystavení desky vlhkosti vedlo ke zvýšení parametrů (obr. 10 – obr. 12). Dodatečný přísun vody pomohl cementové matrici v pokračující hydrataci, což mělo pozitivní vliv na zpevnění struktury matrice a tím i na rozvoj vlastností cementové dřevotřískové desky. Kromě toho během nasycení smrkových třísek vodou došlo k jejich roztažení a do určité míry také k uvolnění zbytkových pnutí vzniklých během výroby desek, což mohlo přispět ke zhuštění a zpevnění struktury desek. Důležité je, že mez pevnosti uvolnění zbytkového napětí nebyla překročena. V takovém případě by došlo ke snížení parametrů, které by bylo nejvíce patrné v lámavosti, která charakterizuje pevnost v tahu kolmo k rovině desek.

Nebyla pozorována žádná závislost změny parametrů v důsledku vlhkosti vzduchu na složení desek, přičemž parametry se zvýšily v řádu jednoho procenta. Parametry podléhaly změnám v závislosti na typu a množství modifikačních složek, matrice a třísek. Ačkoli receptura 03PR vykazovala nejhorší výkon, rozdíly ve vlastnostech nebyly ve srovnání s referenční recepturou významné.

Požadavek na pevnost v ohybu podle normy EN 634-2 [21] byl splněn pro všechny typy a prostředí instalace, tj. všechna zkušební tělesa vykazovala pevnost v ohybu ≥ 9 N/mm². Podobně byl splněn požadavek na modul pružnosti v ohybu, konkrétně pro třídu 1, kde desky vykazovaly hodnoty ≥ 4500 N/mm². Pro pevnost v tahu kolmo k rovině desky norma EN 634-2 stanoví požadavek na hodnoty ≥ 0,5 N/mm², který byl také splněn. Testované desky vykazovaly výrazně vysoké hodnoty pevnosti v tahu, protože minimální požadavek normy EN 634-2 byl překročen přibližně o 100 %.

Obr. 10 Pevnost v ohybu testovaných hmot

Obr. 11 Modul pružnosti v ohybu testovaných hmot

Obr. 12 Pevnost v tahu kolmo na rovinu desky testovaných hmot

Analýza struktury pomocí optického mikroskopu potvrzuje, že struktura dřevocementových kompozitů je kompaktní, a to i v případě modifikovaných materiálů (viz obr. 13 a obr. 14). Na základě vyhodnocení snímků je zřejmé, že ve struktuře materiálů jsou již z výrobního procesu viditelné malé mikrotrhliny. V kontextu pevnostních charakteristik je však zřejmé, že tyto drobné poruchy nemají žádný vliv na konečné vlastnosti. Je také významné, že tyto malé nevýznamné poruchy byly identifikovány ve struktuře jak referenčních, tak modifikovaných materiálů. Z průběhu identifikovaných trhlin je také zřejmé, že tyto poruchy se vyskytují náhodně v matrici a také v mezifázové přechodové zóně cementové matrice a smrkových štěpků (dále jen ITZ). Na povrchu hmot nasycených vzdušnou vlhkostí a následně vysušených byly pozorovány výluhy nebo krystalizované soli (nejspíše hlavně na bázi iontů vápníku). Podrobná analýza těchto výluhů bude předmětem následného výzkumu. I když byl pozorován jev hystereze (u všech rozměrů), dřevocementové hmoty obsahovaly po vysušení a následném temperování mikrotrhliny.

Obr. 13 Mikrostruktura referenčního materiálu 01PO – před (vlevo) a po (vpravo) vystavení prostředí s proměnlivou relativní vlhkostí

Obr. 14 Mikrostruktura referenčního materiálu 02SM – před (vlevo) a po (vpravo) vystavení prostředí s proměnlivou relativní vlhkostí

Obr. 15 Mikrostruktura modifikovaného materiálu 03PR – před (vlevo) a po (vpravo) vystavení prostředí s proměnlivou relativní vlhkostí

Následující obrázky ukazují mikrostrukturu vybraných typů testovaných dřevocementových materiálů (viz obr. 16 až obr. 18). Při analýze mikrostruktury byla pozornost zaměřena na kompaktnost cementové matrice, a to i v okolí smrkových třísek. Bylo také hodnoceno propojení buněčné struktury třísek s cementovou matricí a pronikání hydratačních produktů do smrkových třísek, jakož i vývoj struktury v důsledku vystavení rostoucí relativní vlhkosti. Posouzení mikrostruktury ukázalo, že testované dřevocementové kompozity se vyznačují kompaktní strukturou. Cementová matrice velmi dobře interaguje se smrkovými třískami. Je důležité, že vystavení desek zvýšené vlhkosti vede k další hydrataci cementu. Prach je kompatibilní se svým původem a velmi dobře interaguje ve struktuře analyzovaných hmot. Na obrázku níže (viz obr. 18) je vidět detail kompaktní struktury, když jsou částice prachu použity jako alternativní pojivo a plnivo. Struktura desek 03PR se také jeví jako hutná a kompaktní. Tato struktura se jeví jako hutnější s ohledem na vliv vlhkosti, což potvrzují mikroskopické snímky. Částice prachu (ze zpracování cementových dřevotřískových desek) jsou kompatibilní s cementovou matricí nebo směsí surovin pro výrobu dřevocementových materiálů. To potvrzuje mimo jiné skutečnost, že ITZ cementové matrice a odpadního prachu nelze jednoznačně identifikovat.

Obr. 16 Mikrostruktura desek 01PO před (vlevo) a po (vpravo) vystavení proměnlivé relativní vlhkosti okolního prostředí

Obr. 17 Mikrostruktura desek 02SM před (vlevo) a po (vpravo) vystavení proměnlivé relativní vlhkosti okolního prostředí

Obr. 18 Mikrostruktura desek 03PR před (vlevo) a po (vpravo) vystavení proměnlivé relativní vlhkosti okolního prostředí

4. Závěr

S ohledem na dosažené výsledky je evidentní, že modifikace složení dřevo-cementových kompozitů ovlivňuje jejich vlastnosti a chování. Změny hygroskopického chování a fyzikálních vlastností jsou do značné míry ovlivněny použitím alternativní suroviny, tj. odpadního prachu pocházejícího z opracování cementových dřevotřískových desek. Složení receptur má vliv mimo jiné také na stabilizaci obsažených smrkových třísek.

Průběh sorpčních izoterm prokázal odlišné chování analyzovaných hmot během postupného zvyšování a snižování relativní vlhkosti okolního vzduchu. Desky byly vždy vystaveny dané úrovni vlhkosti po dobu dostatečnou k tomu, aby se jejich hmotnost stabilizovala.

Nejlepší odolnost vůči změnám objemu a hmotnosti vykazují běžně vyráběné dřevotřískové desky na bázi portlandského cementu (receptura 01PO). Desky obsahující prachové částice jako náhradu za primární pojivo a částečně za plnivo směsi jsou nejvíce náchylné ke změnám souvisejícím s proměnlivou relativní vlhkostí vzduchu.

Nejvýznamnější změny byly pozorovány v případě hmotnosti (ve srovnání se změnami jednotlivých rozměrů a objemu). Rozdíly mezi jednotlivými recepturami nejsou významné, což zhruba odpovídá kompatibilitě a množství surovin ve směsi pro výrobu cementových dřevotřískových desek. Hodnota hystereze v případě změny objemu je mírně nižší ve srovnání s výsledky prezentovanými jinými autory. Je však třeba poznamenat, že se jednalo o desky s vyšším obsahem alternativních složek a často s nižší kvalitou složek.

Složení směsi pro výrobu cementových dřevotřískových desek má vliv na stabilizaci smrkových třísek, což bylo patrné při analýze hygroskopického chování desek.

Optimalizace dávkování prachu představuje zásadní krok před implementací této alternativní složky do průmyslové výroby (např. cementotřískových desek – CIDEM Hranice, a.s.). Z hlediska současného tlaku na snižování spotřeby primárních surovin, a naopak maximalizace využití různých vedlejších produktů či odpadů bude snaha o co nejvyšší možnou dávku jako náhrady současně využívaného pojiva (portlandského či směsného cementu). Zajímavou cestou pro dosažení tohoto cíle může být mechanická nebo mechano-chemická modifikace složení prachu. Taková vhodná úprava složení prachu by mohla zajistit jeho vyšší aktivitu při participaci během hydratačních reakcích cementu. V případě takového zásahu do složení cementotřískových desek je také možné, že by se změnilo jejich chování z hlediska jejich hygroskopicity, což by bylo rovněž nutné podrobně posoudit. Podstatné je také ověření a detailní analýza trvanlivosti, resp. vývoje užitných vlastností a mikrostruktury v dlouhodobém časovém horizontu (až několik let), aby bylo možné jednoznačně rozhodnout o vhodnosti odpadního prachu jako vhodné alternativy ke konvenčně využívaným surovinám při produkci cementotřískových desek.

5. Literatura

1. Jenny CARLSSON, Per Isaksson. Simulating fracture in a wood microstructure using a high resolution dynamic phase field model. Engineering Fracture Mechanics 232 (2020) 107030
2. PELAEZ-SAMANIEGO, M.R., YADAMA, V., LOWELL, E. et al. A review of wood thermal pretreatments to improve wood composite properties. Wood Sci Technol 47, 1285–1319 (2013). Available at: https://doi.org/10.1007/s00226-013-0574-3
3. CHRISTENSEN GN, Kelsey KE (1959) Die Sorption von Wasserdampf durch die chemischen Bestandteile des Holzes. Holz Roh Werkst 17:189–203. Available at: https://www.proholz.at/zuschnitt/22/wechselwirksam-holz-und-feuchtigkeit
4. SKAAR C (1984) Wood-water relationships. In: Rowell R (ed) The chemistry of solid wood. Advances in Chemistry Series, American Chemical Society, Washington, DC, pp 127–172.
5. NIEMZ P (2010) Water absorption of wood and wood-based panels–significant influencing factors. In: Thoemen H et al (eds) Wood-based panels. An introduction for specialists. Brunel University Press, London. Available at:
   https://www.research-collection.ethz.ch/handle/20.500.11850/27899
6. SKAAR C (1972) Water in wood, 1^st edn. Syracuse University Press, NY.
7. SUCHSLAND O (2004) The swelling and shrinking of sood. A practical technology primer. Forest Products Society, Madison, WI
8. ECKELMAN CA (1998) The shrinking and swelling of wood and its effect on furniture. Forest Natural Resources 163:1–26. Available at: https://www.extension.purdue.edu/extmedia/fnr/fnr-163.pdf
9. Eleni Makarona, Chara Koutzagioti, Constantinos Salmas, George Ntalos, Maria-Christina Skoulikidou, Christos Tsamis, Enhancing wood resistence to humidity with nanostructured ZnO coating, Nano-Structures & Nano-Objects 10 (2017) str. 57-68.
10. Joseph Adeola Fuwape, James Sunday Fabiyi, Edward Olusola Osuntuyi, Technical assessment of three layered cement-bonded boards produced from wastepaper and sawdust, Waste Management, Volume 27, Issue 11, 2007, Pages 1611-1616, ISSN 0956-053X, Available at: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2006.09.005.
11. Melichar, T., Bydzovsky, J., Dvorak, R., Topolar, L., & Keprdova, S. (2021). The Behavior of Cement-Bonded Particleboard with Modified Composition under Static Load Stress. Materials, 14(22).
12. ZONGYING Fu, YONGDONG Zhou, XIN Gao, HONGHAI Liu, FAN Zhou, Changes of water related properties in radiata pine wood due to heat treatment, Construction and Building Materials, Volume 227, 2019, 116692, ISSN 0950-0618, Available at: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116692.
13. Ezerskiy V., Kuznetsova N. V., Seleznev A. D., Evaluation of the use of the CBPB production waste products for cement composites, Construction and Building Materials, Volume 190 (2018) 1117-1123.
14. Melichar, T.; Venhodová, E.; Bydžovský, J. Analyzing of alternative raw materials for production of cement-bonded particle boards. Advanced Materials Research 2014, Volume 923, pp. 108–111.
15. Melichar, T.; Bydzovsky, J. Influence of dust waste containing a silicate matrix and organic filler onproperties of cement composites [Vliv prachového odpadu s obsahem silikátové matrice a organickéhoplniva na vlastnosti cementových kompozitů]. Waste Forum 2019, Volume 4, pp. 378–390.
16. ČSN EN 310 Desky ze dřeva. Stanovení modulu pružnosti v ohybu a pevnosti v ohybu, ČNI, 1995.
17. ČSN EN 319 Trieskové a vláknité dosky. Stanovenie pevnosti v ťahu kolmo na rovinu dosky, ČNI 1994.
18. ČSN EN 323 Dosky z dreva. Zisťovanie hustoty, ČNI, 1993
19. MELICHAR, T.; LÉDL, M.; BYDŽOVSKÝ, J.; DUFKA, A. Effect of use of non-traditional raw materials on properties and microstructure of cement-bonded particleboards. Waste forum, 2020, vol. 2020, no. 4, p. 254-262. ISSN: 1804- 0195
20. Melichar, T., Meszarosova, L., Bydzovsky, J. et al. The effect of moisture on the properties of cement-bonded particleboards made with non-traditional raw materials. J Wood Sci 67, 75 (2021).
    https://doi.org/10.1186/s10086-021-02008-z.
21. ČSN EN 634-2 Cementotřískové desky – Specifikace – Část 2: Požadavky pro třískové desky pojené portlandským cementem pro použití v suchém, vlhkém a venkovním prostředí, ČNI, 2007.
22. Wang L., Chen S. S., Tsang D. C. W., Poon Ch. S., Shih K. Value-added recycling of construction waste wood into noise and thermal insulating cement-bonded particleboards, Construction and Building Materials, Volume 125 (2016) 316-325.
23. Ashori A., Tabarsa T., Sepahvand S.: Cement-bonded composite boards made from poplar strands, Construction and Building Materials, Volume 26, Issue 1 (2012) 131-134.
24. Cabral M. R., Nakanishi E. Y., Mármol G., Palacios J., Godbout S., Lagacé R., Savastano H., Fiorelli J.: Potential of Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) stalks to produce cement-bonded particleboards, Industrial Crops and Products, Volume 122 (2018) 214-222.
25. Cavdar A. D., Yel H., Boran S., Pesman E. Cement type composite panels manufactured using paper mill sludge as filler, Construction and Building Materials, Volume 142 (2017) 410-416.
26. He P., Hossain M. U., Poon Ch. S., Tsang D. C. W. Mechanical, durability and environmental aspects of magnesium oxychloride cement boards incorporating waste wood, Journal of Cleaner Production, Volume 207 (2019) 391-399.
27. Caprai V., Gauvin F., Schollbach K., Brouwers H.J.H. Influence of the spruce strands hygroscopic behaviour on the performances of wood-cement composites, Construction and Building Materials, Volume 166 (2018) 522-530.
28. Wang B. Z., Wang H., Nanjing X. L. Wood-cement compatibility revie. China. Forestry University College of Materials Science and Engineering (2014).

Poděkování

Výzkum prezentovaný v článku byl financován Grantovou agenturou České republiky (GA ČR), projekt 22-06991S „Stabilizace vlastností a struktury smrkového dřeva s ohledem na trvanlivost dřevocementových kompozitů“.