Vliv alternativní suroviny obsahující mineralizované smrkové třísky na vlastnosti dřevocementových kompozitů

1. Úvod

Cílem výzkumu bylo především studium sorpčních mechanismů z hlediska rozměrových a objemových změn vč. posouzení užitných vlastností kompozitních materiálů (hustota, pevnostní charakteristiky a modul pružnosti). Tímto byl také částečně, nepřímo analyzován vliv stabilizace smrkových třísek z hlediska rozdílného složení matrice kompozitů. Byly testovány 3 varianty kompozitů – 2 typy referenční (na bázi portlandského a směsného cementu); 1 varianta s modifikací pojiva i plniva částicovou směsí vznikající při výrobě cementotřískových desek (4% substituce cementu, 4% substituce primárních třísek). Pro stanovení každého bodu sorpčních křivek byla vždy zkušební tělesa vystavena dané vlhkosti po takovou dobu, aby došlo k ustálení jejich hmotnosti. Sorpční izotermy poukazují na rozdílné chování desek během nárůstu a poklesu okolní vzdušené vlhkosti. Diference byly zaznamenány i v případě hystereze. Modifikace složení směsi pro výrobu cementotřískových desek má vliv mimo jiné i na stabilizaci smrkových třísek. Změny fyzikálních a mechanických vlastností jsou z hlediska praktického využití desek modifikované receptury prakticky zanedbatelné.

Obr. 1: Schéma výroby cementotřískových desek s vyznačením vzniku jednotlivých vedlejších produktů (odpadů) [1], [14]

Kompozitní materiály kombinující cementovou matrici a dřevěné třísky (resp. částice) jsou poměrně známé a rozšířené pro nejrůznější typy aplikací. Využití je patrné především ve formě cementotřískových desek. Tyto desky lze uplatnit např. při opláštění budov (předsazené fasády), v podlahových konstrukcích, podhledech, jako ztracené bednění apod. Dominantním a jediným tuzemským producentem těchto desek je spol. CIDEM Hranice, a.s. s ročním objemem produkce desek cca 55 tis. m³. Během produkce cementotřískových desek vzniká nezanedbatelné procento vedlejších produktů, které prozatím nenalézají dalšího uplatnění v plném míře a je tak třeba hledat jejich další využití. Tyto vedlejší produkty tedy nyní představují odpad. Jedním z těchto odpadů je i částicová směs vznikající při míchání směsi pro výrobu desek, vrstvení této směsi a dále lisování (viz Obr. 1).

Obecně jsou dřevo-cementové kompozity jsou poměrně populární zejména s ohledem na příznivou kombinaci užitných vlastností (pevnost, trvanlivost, požární odolnost atd.). V konstrukci jsou zpravidla tyto kompozitní materiály vystaveny kontaktu s vlhkostí (fasády, výplně zábradlí, ztracené bednění atp.). Výkyvy vlhkosti se zpravidla negativně projeví změnami vlastností dřevěných třísek, které jsou v tomto ohledu diametrálně odlišné od cementové matrice.

Z hlediska působení vlhkosti na dřevo jsou podstatné principy a důsledky působení vlhkosti:

• Vzdušné – relativní vlhkost ve vzduchu okolního prostředí, kdy se uplatňuje hygroskopicita dřeva;
• Kapalné – kontakt kapalné vody s dřevní hmotou (déšť, ponoření při zaplavení konstrukce apod.).

Kromě způsobu saturace dřeva vlhkosti je také podstatná doba působení dané vlhkosti, a zda se toto opakuje cyklicky. Pak totiž může docházet k cyklické saturaci dřeva vlhkostí a následně vysychání, což se projeví na změnách struktury dřeva. Zde jsou podstatné také faktory, jako rychlost nasycení dřeva vlhkostí, stejně jako vysychání či okolní teplota při změnách vlhkosti. Důležitou vlastností dřeva je MNBS, tj. mez nasycení buněčných stěn, která je zobrazena na následujícím obrázku (viz Obr. 6), spolu se specifikací vody ve dřevě. Důležitou oblastí je již zmíněná mez nasycení buněčných stěn, která udává do 30 % obsahu vlhkosti. Zde je chování dřeva ovlivněno zejména přítomností amorfní celulózy a hemicelulózy, která přitahuje více kapalin a chemicky váže molekuly vody. V důsledku toho jsou vlastnosti, a tedy i rozměry a objem ovlivněny zejména v této oblasti. Na rozdíl od oblasti přesycení buněčných stěn, kde jsou buněčné stěny již plně nasycené vodou a dochází k vyplnění mezibuněčných míst tzv. lumenech. Zde dochází při zvyšování obsahu vlhkosti k zvyšování hmotnosti a nedochází k výrazným rozměrovým změnám. [2] Mechanismy hygroskopicity popisují poměrně podrobně autoři mimo jiné v publikacích [4] až [9], kde je uvedena např. komparace závislosti obsahu vody na relativní vlhkosti pro různé složky dřeva, dřeviny samotné a částicové desky.

Obr. 2: Znázornění mechanismu meze nasycení buněčných stěn smrkového dřeva (MC – obsah vlhkosti; Oven dry conditions – vysušený stav; Hygroscopic region – oblast hygroskopicity; Chemical water absorption – absorpce chemicky vázané vody; Fibre saturation point – mez nasycení buněčných stěn; Over-hygroscopic region – přesycení; Physical water absorption – absorpce fyzikálně vázané vody; Fully staturated fibres – plně nasycený stav) [2]

Při změnách vlhkosti dochází především k dimenzionálním, resp. objemovým změnám a dále pak změnám hmotnosti dřevěných třísek. Postupnou saturací buněčné struktury dřeva vodou (v plynném či kapalném skupenství) dochází mimo jiné také ke vzniku tlaků, které působí na okolní cementovou matrici a tím nastává změna rozměrů a hmotnosti kompozitního materiálového systému. Objemové změny kompozitního materiálu jsou podstatné jak z hlediska vlivu na jeho vlastnosti, tak s ohledem na jeho bezproblémovou funkčnost v konkrétní stavební konstrukci. Při výkyvech vlhkosti (v reálných podmínkách zpravidla v kombinaci s teplotními změnami) může postupně docházet k narušování struktury jednak dřevěných částic (třísek), cementové matrice obklopující tyto částice a v neposlední řadě také k poruchám kontaktní zóny těchto dvou fázi dřevo-cementového kompozitu. Takovéto poruchy se navenek mohou projevit vznikem mikroskopických trhlinek, které se postupně v čase rozšiřují v takové míře, až jsou dobře zpozorovatelné okem.

Obr. 3: Zjednodušený strukturální vzorec hemicelulózy [3]

Dřevo (bez dodatečné modifikace vlastností, resp. struktury) je tedy silně hygroskopické. Hlavními komponentami dřeva je celulóza, hemicelulóza, lignin a příp. další minoritní složky. Nejvíce se z hlediska negativních změn souvisejících s výkyvy vlhkosti projevuje hemicelulóza (zjednodušený strukturální vzorec – viz Obr. 3).

Obr. 4: Struktura smrkového dřeva – A) surový stav; B) a C) stabilizovaná struktura [10]

Tato složka ve dřevu je nejvíce náchylná na přítomnost vody, tj. je zdrojem dimenzionálních, resp. objemových a hmotnostních změn. Hemicelulóza se také mimo jiné velmi dobře rozkládá za přítomnosti vody, zásad i kyselin. Cukry pak negativně ovlivní průběh utváření kompaktní struktury cementové matrice. Z tohoto důvodu je snaha tuto složku alespoň parciálně eliminovat. Dále je z hlediska omezení negativních účinků vody (vlhkosti) vhodné zamezit jejímu průniku do buněčné struktury dřeva. Dřeva je zpravidla proto stabilizováno (smrkové dřevo – viz Obr. 4). Stabilizace, někdy také mineralizace, nevratně změní strukturu či chemické složení dřeva a tím i ve výsledku jeho vlastnosti. Prvotním záměrem je zejména odstranění hemicelulózy, dále změna struktury celulózy nebo depolymerace uhlovodíků s dlouhými řetězci a ligninu. Způsobů stabilizace/mineralizace je poměrně mnoho. Konkrétně se jedná o mechanickou, chemickou, tepelnou, hydrotermální a biologickou stabilizaci.

Jako jedna z možností docílení lepší stabilizace dřevěných třísek (částic) v cementovém kompozitu se nabízí využití dřevěných částic, které jsou již stabilizované v rámci jiného výrobního procesu, tj. zužitkování např. vedlejšího produktu z výroby cementotřískových desek. Výše zmíněná částicová směs, která vzniká v nezanedbatelném množství při výrobě cementotřískových desek, totiž obsahuje smrkové třísky stabilizované cementem, Al₂(SO₄)₃.18H₂O a Na₂SiO₃. Využitím této směsi obsahující stabilizované třísky a parciální náhradou třísek primárních pro výrobu desek může být docíleno vyššího stupně stabilizace struktury použitých třísek smrkového dřeva. Protože tato částicová směs obsahuje také cement lze uvažovat o parciální náhradě pojiva směsi pro výrobu nových desek.

2. Vstupní suroviny, navržené hmoty a metodika experimentů

Pro experimenty byly vyrobeny cementotřískové desky. Výroba desek a následně zkušebních těles proběhla 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 odpadní částicové směsi (z výroby cementotřískových desek). V případě této receptury byl nahrazen portlandský směsný cement v 4 % a náhrada smrkových třísek v 4 %. Konkrétně byly pro výzkum tedy navrženy tyto receptury:

• Receptura P-R – standardní referenční receptura na bázi portlandského cementu CEM I 42,5 R;
• Receptura S-R – receptura na bázi směsného portlandského cementu CEM II 42,5 R;
• Receptura S-M – modifikovaná receptura na bázi směsného cementu (struskoportlandský) pevnostní třídy 42,5 R a částicové směsi (detail mikrostruktury – viz Obr. 5) vznikající při výrobě cementotřískových desek (4% náhrada cementu a 4% náhrada smrkových třísek).

Vlastnosti a složení zmíněné alternativní suroviny je předmětem publikací [11] a [14].

Obr. 5: Mikrostruktura částicové směsi – detail smrkové třísky pokryté zbytky cementové matrice

V rámci prezentovaného výzkumu byla dále pozornost zaměřena na posouzení chování tří typů (vč. modifikovaných) desek při změnách relativní vlhkosti okolí. Stanoveny byly absorpční a desorpční izotermy v průběhu nárůstu a poklesu relativní vlhkosti vzduchu s následnou komparací fyzikálně-mechanických vlastností (před a po vystavení vlhkosti). Takto bylo možné nepřímo ověřit mimo jiné i vliv stabilizace použitých smrkových třísek s ohledem na výkyvy vzdušné vlhkosti okolí, kde byly cementotřískové desky exponovány.

Expozice a testování hygroskopicity principiálně vycházelo z relevantní technické normy. Konkrétně byly využity postupy normy ČSN EN 318 [15]. Tato norma specifikuje požadavky na zkušební tělesa, podmínky testování a způsob vyhodnocení rozměrových změn. Norma definuje požadavek na rozměry zkušebních těles – (300 ± 2) mm × (50 ± 2) mm × t mm. Z hlediska lepší vypovídající hodnoty, tj. přiblížení se reálným rozměrům desek (ve stavebních konstrukcích) byl postup dle normy pro účely prováděného experimentu modifikován. Byla proto zhotovena zkušební tělesa. Byla tedy zhotovena zkušební tělesa s rozměry 350 mm × 150 mm × 12 mm (pro hodnocení hygroskopicity).

ČSN EN 318 uvádí podmínky pro stanovení lineární expanze při adsorpci v rozmezí relativní vlhkosti 65 % až 85 % a lineární kontrakce při desorpci pak v intervalu 65 % až 30 %. S ohledem na získání podrobnějších informací o chování cementotřískových desek byly tyto limitní hodnoty upraveny. Tímto bylo možné získat detailnější popis a pochopení chování desek v širším rozsahu výkyvů relativní vlhkosti. Expozice desek byla realizována v krocích po 10 % změny relativní vlhkosti, což probíhalo v intervalu 0 % (vysušená tělesa) až 90 % s posledním krokem expozice při 96 % (maximum, které umožnilo použité zařízení – komora CTS). Stejně tak zmíněná norma uvádí pouze sledování lineárních změn, přičemž v rámci prezentovaného výzkumu byly posouzeny změny všech rozměrů desek včetně hmotnosti a dodatečného stanovení objemu. Pro tyto sledované charakteristiky byly sestaveny sorpční izotermy, a to vždy pro jednotlivý sledovaný parametr separátně. Vlastnosti byly při každé změně relativní vlhkosti stanoveny až po ustálení hmotnosti zkušebních těles. Stav zkušebního tělesa byl považován za stabilizovaný při rozdílu hmotností ≤ 0,1 % po 24 hodinách. Hodnocení se provádí pro 2 po sobě následující měření.

Stanovení dimenzionálních, resp. objemových změn bylo realizováno analogovým dilatometrem na mosazných terčích s kuželovými otvory pro umístění hrotů tohoto dilatometru. Fixace terčů proběhla pomocí epoxidového lepidla Sikadur CF31 na přesně vytyčené body (300 mm ve směru délky těles; 100 mm ve směru šířky těles). Tloušťka byla stanovena digitálním mikrometrem. Všechny rozměry byly stanoveny s přesností 1 µm.

Pevnost a modul pružnosti v ohybu byla testována zatížením zkušebního tělesa v jeho středu. Těleso bylo uloženo na dvou podpěrách a uspořádání zkoušky odpovídalo tříbodovému ohybu. Vzdálenost podpěr byla stanovena jako 20násobek tloušťky + 50 mm. Podstatné je, že pro zkoušky pevnosti a modulu pružnosti (vč. hustoty, resp. objemové hmotnosti) byla využita zkušební tělesa dle normy ČSN EN 310 [16], tj. tělesa o rozměrech 290 mm × 50 mm × 12 mm. Rychlost zatěžování byla nastavena tak, aby bylo maximální zatížení (tj. porušení tělesa) vyvozeno v čase 60 ± 30 s od začátku zatěžování.

Sledovaným a hodnoceným parametrem byla také pevnost v tahu kolmo na rovinu desky (neboli rozlupčivost). Tato pevnost v tahu byla stanovena při zatížení působícím na zkušební čtvercové zkušební těleso do jeho porušení ve směru kolmo na rovinu tělesa, shodnou s rovinou desky. Dle technické normy ČSN EN 319  [17] je tvar a rozměry zkušebních těles definován tak, že tělesa musí být ve tvaru čtverce s délkou hrany 50 ± 1 mm. V tomto konkrétním případě byla tedy zhotovena zkušební tělesa o rozměrech 50 mm × 50 mm × 12 mm. Požadavek na rychlost zatěžování je stejný jako v případě ohybové pevnosti, tj. tak, aby bylo maximální zatížení vyvozeno do 60 ± 30 s od počátku zatěžování.

Pro každý typ desek (recepturu) byla vyhrazena 4 tělesa, a to pro každou testovanou vlastnost, čímž bylo možné objektivně vyhodnotit všechny podstatné parametry a jejich změny.

3. Výsledky a jejich diskuse

V první fázi výzkumu byly sledovány a hodnoceny sorpční mechanismy cementotřískových desek se zaměřením na vliv složení pojiva a využití alternativní složky obsahující již jednou stabilizované smrkové třísky.

Obr. 6: Sorpční izotermy cementotřískových desek – změna hmotnosti

Při výkyvech relativní vlhkosti vzduchu byla zaznamenána absorpce a následně desorpce vč. jevu hystereze. Hmotnost byla změnami okolní vlhkosti vzduchu zasažena v nejvyšší míře, kdy maximální změna byla stanovena na přibližně 18 %. Výsledky poukazují na skutečnost, že vliv složení není z hlediska hygroskopicity zanedbatelný. Z hlediska maximální dosažené změny hmotnosti lze nejlépe hodnotit desky S-R, tj. referenční na bázi směsného cementu. Na straně druhé se proměnlivá relativní vlhkost projevila v největším měřítku změnou hmotnosti v případě desek obsahujících částicovou směs vznikající při průmyslové produkci cementotřískových desek (S-M). Z grafu (viz Obr. 6) je také patrné, že k nejvyššímu nárůstu hmotnosti došlo při relativní vlhkosti 80 %, 90 % a 96 %. Trendy sorpčních křivek jsou podobné, ale lze zaznamenat diference, které jsou mimo jiné charakterizovány hysterezí. Tato hystereze se projeví tak, že jisté množství vody ze vzdušné vlhkosti je do struktury cementotřískových desek navázáno (v rozmezí 2,33 % až 3,08 %) a ani při vysušení tato vlhkost není z desek odstraněna. Na průběhy sorpčních izoterem je ovšem nutné pohlížet i komplexněji. To znamená, že i přes zaznamenaná maxima změn hmotnosti se nejlépe jeví desky P-R, kdy jsou zaznamenány nejmenší změny při relativní vlhkosti 40 % až 90 % (absorpce), resp. 90 % až 0 % (desorpce). Dále je podstatné, že průběhy sorpčních izoterem desek S-R a S-M se prakticky kopírují a jejich diference jsou minimální.

Obr. 7: Sorpční izotermy cementotřískových desek – změny stanovené dilatometrem ve směru délky

Sledovaným a hodnoceným parametrem byly dále také rozměrové změny v podélném směru desek na úsečkách definovaných mosaznými terči vzájemně vzdálenými 300 mm. Pro zohlednění kroucení deskových zkušebních těles byly tyto úsečky vytyčeny jak na rubové, tak na lícové ploše těles. Graficky (viz Obr. 7) jsou znázorněny pouze průměrné hodnoty, a to pro každou sadu desek. Nejlépe lze s ohledem na maximální změnu v lineárním směru hodnotit desky na bázi portlandského cementu P-R, tj. 0,30 %. Naopak nejvíce podléhaly změnám relativní vlhkosti desky S-M tj. 0,32 %. Sorpční křivky jsou poměrně plynulé, vyjma nárůstu vlhkosti v oblasti 90 % až 96 %. V tomto úseku je zřejmá prudší expanze v podélném směru, a to v případě všech typů testovaných cementotřískových desek. Z průběhů křivek je patrné, že desky S-R a S-M podléhaly expanzi znatelně výrazněji v oblasti zvyšování relativní vlhkosti okolí nad 80 %. Hystereze byla zaznamenána v nejnižší míře pro desky P-R a to konkrétně 0,018 %, kdežto desky S-R a S-M se již blížily hodnotě 0,03 %.

Obr. 8: Sorpční izotermy cementotřískových desek – změny stanovené dilatometrem ve směru šířky

Posuzovaným parametrem byly také rozměrové změny v příčném směru desek na úsečkách definovaných mosaznými terči vzájemně vzdálenými 100 mm. Stejně jako pro hodnocení změn ve směru délky, i pro případ hodnocení ve směru šířky byly terče osazeny na rubové i lícové ploše. V grafickém znázornění vyhodnocení (viz Obr. 8) jsou vyneseny pouze průměrné hodnoty pro jednotlivé typy desek. Trendy vyhodnocených křivek prokazují podobnost průběhu lineárních změn testovaných desek v příčném směru. Nejlépe lze s maximální změnou v příčném směru hodnotit desky P-R, tj. 0,29 %. Naprotitomu nejvýrazněji změny relativní vlhkosti zasáhly expanzi desek modifikovaných částicovou směsí z výroby cementotřískových desek S-M, tj. 0,33 %. V porovnání se změnami ve směru délky deskových těles jsou diference mezi jednotlivými typy desek z hlediska změny rozměru ve směru šířky výraznější. Tento jev může mít souvislost s heterogenitou složení desek, která pravděpodobně souvisí mimo jiné se směrem vrstvení směsi při výrobě cementotřískových desek.

Obr. 9: Sorpční izotermy cementotřískových desek – změny stanovené mikrometrem ve směru tloušťky

Expanze a kontrakce ve směru tloušťky dosahují nejvyšších změn (viz Obr. 9). S ohledem na rozměrové změny a jejich vzájemné rozdíly je signifikantní orientace smrkových třísek v cementotřískových deskách. Poměrně názorně je toto popsáno v [11], kde je z uvedených CT snímků patrná orientace radiálního a tangenciálního směru třísek převážně kolmo na rovinu desky, čímž lze odůvodnit největší rozměrové změny právě ve směru tloušťky. Významné rozměrové, resp. objemové změny dřeva v radiálním a tangenciálním směru zkoumali a zjistili autoři v [11], [12]. Se změnami ve směru tloušťky souvisí také uvolňování reziduálních tlaků a působení saturovaných třísek tlakem na okolní matrici, což podporují výsledky prezentované např. v publikaci [19]. V případě všech testovaných receptur se největší změna odehrává v rozmezí relativní vlhkosti 90 % a 96 %, kdy maximální stanovená změna tloušťky byla 1,52 % (receptura S-M). Nejlépe je možné hodnotit opět desky na bázi portlandského cementu P-R, tj. změna 1,26 %. Jev hystereze se u tloušťky projevil výrazněji, tj. pro desky S-M bylo možné zaznamenat ireverzibilní změnu tloušťky 0,13 %.

Obr. 10: Sorpční izotermy cementotřískových desek – změny objemu

Křivky sorpčních izoterem charakterizující změny objemu (viz Obr. 10) zaznamenala maxima při expozici desek v prostředí o relativní vlhkosti 96 %. Nejvyšší expanzní změny se pohybují v intervalu 1,52 % až 2,21 %, kdy hystereze nepřekračuje 0,16 %. Průběhy křivek potvrzují nejvyšší rezistenci vůči výkyvům relativní vlhkosti v případě referenčních desek P-R. Nejvíce patrné změny objemu lze evidovat pro desky obsahující částicovou směs S-M. Náhrada cementu alternativní surovinou má tedy mírně negativní vliv na chování cementotřískových desek při výkyvech relativní vlhkosti okolního vzduchu.

Dosažené výsledky indikují výraznější vliv složení cementotřískových desek na jejich hygroskopicitu. Tento aspekt je spjat s chováním desek včetně změn jejich parametrů, především pak dimenzionálních a objemových změn během výkyvů relativní vlhkosti okolního vzduchu. Nejlépe je v tomto případě schopna odolávat zmíněným vlivům deska na bázi portlandského cementu, což souvisí s efektivitou mineralizace/stabilizace obsažených smrkových třísek. Nejlépe rezistentní je tedy vůči objemovým a hmotnostním změnám standardně vyráběná cementotřísková deska na bázi portlandského cementu S-M. Nejméně odolné jsou vůči vlivům proměnlivé vlhkosti na straně druhé desky s obsahem částicové směsi (jako substituentu pojiva a třísek) z průmyslové výroby cementotřískových desek. Největší procentuální změny byly evidovány při hodnocení hmotnosti. Jev hystereze byl zaznamenán pro všechny typy testovaných desek – P-R, S-R a S-M.

Lze se domnívat, že složení směsi pro výrobu cementotřískových desek má vliv mimo jiné i na stabilizaci struktury a vlastností smrkových třísek, což se projevilo při testování hygroskopicity cementotřískových desek.

Vyhodnocením výsledků testování základních užitných vlastností bylo zjištěno, že vlivem vystavení desek postupně rostoucí a následně klesající vlhkosti došlo k nárůstu parametrů. Saturace desek vodou tedy napomohla cementové matrici v pokračující hydrataci, což se pozitivně projevilo utvořením více kompaktní a pevné struktury matrice desek, a tedy i zlepšení vlastností cementotřískových desek. Rovněž také v průběhu saturace smrkových třísek vodou došlo k jejich expanzi a v určité míře i uvolnění reziduálních napětí vnesených při výrobě desek [13]. Tento jev také mohl přispět k zpevnění struktury exponovaných desek. Podstatné je, že nedošlo k překročení meze pevnosti uvolnění reziduálního napětí. Pokud by k tomu totiž došlo, tak by bylo možné zaznamenat výraznější pokles parametrů. Z hlediska způsobu namáhání by se tento jev nejvíce projevil při stanovení pevnosti v tahu kolmo na rovinu desky, což je vlastnost, která se posuzuje právě ve směru tloušťky.

Souvislost změny užitných vlastností vlivem vzdušené vlhkosti a složení desek nebylo evidováno, kdy nárůst dosahoval hodnot na úrovni jednotek procent. Změny vlastností korespondovaly s typem matrice (druh použitého pojiva) a množství alternativní suroviny (substituentu). Přesto, že nejnižších parametrů dosahovaly desky S-M, tak tento negativní vliv nebyl příliš výrazný a v porovnání s referenčními deskami se jednalo převážně o pokles či odchylky drobného charakteru.

Vyhodnocením hodnot bylo zjištěno, že všechny testované typy desek vyhovují požadavkům na vlastnosti kladeným technickou normou ČSN EN 634-2 [18], tj. všechna zkušební tělesa vykazovala pevnost v ohybu ≥ 9 N/mm². Stejně tak byl splněn požadavek na modul pružnosti v ohybu, a to konkrétně pro třídu 1, kdy desky vykazovaly hodnoty ≥ 4500 N/mm². Pro pevnost v tahu kolmo na rovinu desky je v EN 634-2 uveden požadavek na hodnoty ≥ 0,5 N/mm², což bylo rovněž splněno. Testované desky vykazovaly značně vysoké hodnoty pevnosti v tahu, neboť minimální požadavek EN 634-2 byl překročen o cca 100 %.

Při porovnání dosažených hodnot jednotlivých vlastností s parametry deklarovanými výrobcem cementotřískových desek, tj. CIDEM Hranice, a.s. je patrné, že v případě hustoty a pevnosti v ohybu byly stanoveny průměrné hodnoty na obdobné úrovni (fialová úsečka v grafech – viz Obr. 11). Naproti tomu pevnost v tahu kolmo na rovinu desky byla v porovnání s běžně dosahovanou hodnotou 0,63 N/mm² překročena o cca 65 % až 75 %, což je přínosné zjištění. Rovněž při vyhodnocení modulu pružnosti v ohybu bylo zjištěno, že tento parametr byl nejen splněn (dle relevantní technické normy), ale překročen i s ohledem na hodnoty výrobcem deklarované v technickém listu cementotřískových desek (viz Obr. 12).

Obr. 11: Hustota a pevnost v ohybu před a po vystavení desek změnám vlhkosti

Obr. 12: Pevnost v tahu kolmo na rovinu desky (rozlupčivost) a modul pružnosti v ohybu před a po vystavení desek změnám vlhkosti

Následující snímky zobrazují mikrostrukturu vybraných typů testovaných cementotřískových desek (viz Obr. 13 a Obr. 14). Během analýzy mikrostruktury byl důraz kladen na celistvost cementové matrice, včetně kontaktní zóny smrkových třísek a cementové matrice, penetraci hydratačních produktů cementu do buněčné struktury smrkových třísek a v neposlední řadě také vývoj struktury vlivem expozice desek při zvyšující se relativní vlhkosti okolního vzduchu.

Provedená analýza mikrostruktury rastrovacím elektronovým mikroskopem poukazuje na skutečnost, že struktura testovaných desek je kompaktní a cementová matrice synergicky spolupůsobí se smrkovými třískami.

Obr. 13: Mikrostruktura desky S-R po expozici v prostředí o proměnlivé relativní vlhkosti vzduchu

Na obrázku níže (viz Obr. 14) lze patrný detail kompaktní struktury při použití částicové směsi jako substituentu (alternativní složky) pojiva i plniva. Struktura desek S-M se také jeví jako hutná a kompaktní. S ohledem na expozici v prostředí o zvýšené relativní vlhkosti okolního vzduchu lze strukturu těchto desek hodnotit jako hutnější, což potvrzuje studium mikrostruktury. Částice použité alternativní složky (pocházející z průmyslové výroby cementotřískových desek) jsou plně kompatibilní s cementovou matricí, resp. surovinovou směsí pro výrobu desek, což je potvrzeno právě skutečností, že není jednoznačně možné rozlišit kontaktní zónu / hranici mezi touto partikulární látkou a matricí či třískami testovaných desek.

Obr. 14: Mikrostruktura desky S-M po expozici v prostředí o proměnlivé relativní vlhkosti vzduchu

4. Závěr

Na základě výsledků a zjištění lze konstatovat, že složení cementotřískových desek (především pojiva – matrice) ovlivňuje jejich chování z hlediska hygroskopicity. Rovněž je patrná souvislost se změnami užitných vlastností desek (hustota, pevnost a modul pružnosti). Výkyvy relativní vlhkosti okolního vzduchu mají tedy v tomto ohledu nezanedbatelný vliv. Složení matrice cementotřískových desek souvisí krom dalšího také se stabilizací vlastností a struktury obsažených smrkových třísek. Stejně tak se z hlediska stabilizace/mineralizace projeví alternativní surovina (substituent matrice a třísek) obsahující již jednou stabilizovanou dřevní hmotu.

Stanovené sorpční izotermy prokázaly diference v chování desek v průběhu nárůstu a poklesu relativní vlhkosti okolního vzduchu, jíž byly desky vystaveny vždy po takovou dobu, aby došlo k stabilizaci hmotnosti. Stanovené hodnoty a učiněná zjištění potvrzují, resp. poukazují na následující:

• Nejvíce rezistentní je vůči objemovým a hmotnostním změnám standardně vyráběná cementotřísková deska na bázi portlandského cementu (receptura P-R).
• Naproti tomu desky obsahující částicovou směs jako substituent primárního pojiva a třísek podléhají změnám ve větší míře.
• Největší procentuální změny byly stanoveny v případě hmotnosti – až cca 18 %.
• Rozdíly mezi hodnocenými typy desek nejsou příliš signifikantní, což přibližně odpovídá kompatibilitě a množství alternativních surovin ve směsi pro výrobu cementotřískových desek.
• Jev hystereze byl zaznamenán v rozmezí 0,09 % až 0,12 % (změny objemu), což je při komparaci s výstupy prezentovanými jinými autory nižší hodnota (např. [13]).
• Nepřímo bylo potvrzeno, že složení směsi pro výrobu cementotřískových desek má vliv mimo jiné i na stabilizaci smrkových třísek. Aspekt stabilizace vlastností a struktury smrkových třísek se projevil zejména při posouzení hygroskopicity.
• Z hlediska pokračujícího výzkumu bude třeba navázat na optimalizaci množství částicové směsi, kdy by bylo možné aplikovat do směsi pro výrobu cementotřískové desky vyšší dávky této alternativní složky. Rovněž by bylo vhodné ověřit trvanlivost s ohledem na náhlé výkyvy vlhkosti a teploty současně, neboť dřevo-cementové kompozity jsou poměrně choulostivé zejména na vyšší gradienty změn teploty.

Tento výsledek byl realizován za finanční podpory projektu GA ČR číslo 22-06991S s názvem „Stabilizace vlastností a struktury smrkového dřeva s ohledem na trvanlivost dřevo-cementových kompozitů“.

5. Literatura

1. Cetris. [online]. [cit. 2023-02-25]. Dostupné z: https://www.cetris.cz/pagedata_cz/download/511_ppp_kap-02.pdf.
2. Caprai, F. Gauvin, K. Schollbach, H.J.H. Brouwers, Influence of the spruce strands hygroscopic behaviour on the parformances of wood-cement composites, Construction and building materials 166 (2018) str. 522-530.
3. Jun Rao, Ziwen Lv, Gegu Chen, Feng Peng, Hemicellulose: Structure, chemical modification, and application, Progress in Polymer Science, Volume 140, 2023, 101675, ISSN 0079-6700, https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101675.
4. Christensen GN, Kelsey KE (1959) Die Sorption von Wasserdampf durch die chemischen Bestandteile des Holzes. Holz Roh Werkst 17:189–203.
5. 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.
6. 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.
7. Skaar C (1972) Water in wood, 1^st edn. Syracuse University Press, NY.
8. Suchsland O (2004) The swelling and shrinking of sood. A practical technology primer. Forest Products Society, Madison, WI.
9. Eckelman CA (1998) The shrinking and swelling of wood and its effect on furniture. Forest Natural Resources 163:1–26.
10. Anugwom, I., Mäki-Arvela, P., Virtanen, P., Willför, S. Sjöholm, R., Mikkola, J.-P. Selective extraction of hemicelluloses from spruce using switchable ionic liquids, Carbohydrate Polymers, Volume 87, Issue 3, 2012, Pages 2005-2011, ISSN 0144-8617, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.10.006.
11. 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.
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 227 (2019) 116692.
13. Joseph Adeola Fuwape, James Sunday Fabiyi, Edward Olusola Osuntuyi. Technical assessment of three layered cement-bonded boards produced from wastepaper and sawdust. Waste Management 27 (2007) 1611-1616.
14. Tomas Melichar, Jiri Bydzovsky, Richard Dvorak, Libor Topolar, Sarka Keprdova, The behavior of Cement-Bonded Particleboard with Modified Composition under Static Load Stress, Materials (2021) 14, 6788.
15. ČSN EN 318 Desky ze dřeva – Stanovení rozměrových změn v závislosti na změnách relativní vlhkosti vzduchu, ČNI, 2003.
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 634-2 Cementotřískové desky – Specifikace – Část 2: Požadavky pro třískové desky pojené portlandským cementem pro použití v suchém, vlhkém a venkovním prostředí, ČNI, 2007.
19. Rowell RM (2004) Chemical Modification, Solid Wood Processing/Chemical Modification. In. Burley J, Evans J and Youngquist JA (ed.) Encyclopedia of Forest Sciences, Elsevier Ltd., Oxford, United Kingdom, str. 1269–1274.