CC BY
88
Фиброгипсовермикулитобетонные композиты с применением вулканического пепла
Т.А. Хежев, Т.З. Матаев, И.А. Гедгафов, Р.Х. Дымов Кабардино-Балкарский государственный университет, Нальчик
Аннотация: Рассматриваются фиброгипсовермикулитобетонные композиты с применением гипса, портландцемента, вулканического пепла, вспученного вермикулита и базальтовых фибр. Приведены результаты исследований составов и физико-механических свойств фиброгипсовермикулитобетонных композитов, зависимости характеристик композита от армирования базальтовыми фибрами. Представлены графические интерпретации уравнений регрессии прочности на сжатие и изгиб композитов. Ключевые слова: гипс, портландцемент, вулканический пепел, вспученный вермикулит, базальтовое волокно, фиброгипсовермикулитобетонные композиты, коэффициент размягчения, предел прочности при изгибе и сжатии.
Снижение себестоимости строительной продукции является главной задачей строительства. Использование отходов промышленного производства и местного сырья для создания композиционных материалов позволит снизить себестоимость и улучшить их свойства.
Результаты исследований по разработке новых композиционных вяжущих с применением гипса, а также благоприятные экологические и технико-экономические аспекты их производства и применения свидетельствуют о том, что созданы предпосылки для расширения области применения их в новом строительстве, а также при реконструкции и капитальном ремонте существующих зданий и сооружений [1, 2, 3, 4]. Наряду с рядом положительных технических свойств материалы из гипса обладают такими недостатками: относительно высокая хрупкость, низкий коэффициент размягчения, большая ползучесть гипсобетона во влажных условиях эксплуатации [5].
Устранение недостатков материалов из гипса возможно путем создания композитов с применением отходов промышленного производства, местного сырья и армирования фибрами. Фибробетоны по сравнению с обычным
бетоном имеют повышенные прочностные характеристики, трещиностойкость и ударостойкость [6]. Для гипсобетонов в качестве заполнителя и активной минеральной добавки эффективно могут быть использованы материалы естественного и техногенного происхождения [7, 8]. Одним из таких материалов являются вулканические пеплы Кабардино-Балкарской республики, ранее недостаточно исследованные для применения в гипсобетонных композитах [9].
В ранее проведенных исследованиях нами были разработаны гипсовермикулитобетонные композиты с применением негашеной извести и отходов пиления вулканического туфа [8]. Использование в композитах вулканического пепла, базальтовых волокон и портландцемента позволит расширить сырьевую базу для получения композитов с улучшенными физико-механическими характеристиками.
В исследованиях для разработки огнезащитных
фиброгипсовермикулитобетонных композитов применялись:
- гипсовое вяжущее Усть-Джегутинского гипсового комбината марки Г-5 Б11 по ГОСТ 125-79 с характеристиками по ГОСТ 23789-79: нормальная густота - 50 %; начало схватывания - 12 мин, конец схватывания - 17 мин; прочность на сжатие и изгиб соответственно - 5,3 МПа и 2,6 МПа;
- портландцемент ПЦ500-ДО завода «Белгородский цемент»;
- вермикулит, вспученный фракции 0,16-5 мм с насыпной плотностью 150 кг/м3;
- базальтовая фибра изготовления ОАО «Ивотстекло» марки РНБ-9-1200-4с.
В качестве заполнителя и активной минеральной добавки применялся вулканический пепел Заюковского месторождения с максимальной крупностью зерен 0,14 мм.
Балочки размерами 4х4х16 см из композита формовались литьевым способом из смеси нормальной густоты. Фиброгипсовермикулитобетонная смесь готовилась в смесителе принудительного действия. Вспученный вермикулит добавлялся в заранее перемешанную смесь гипса, портландцемента, пепла, базальтовых волокон и воды. Хранение балочек проходило в естественных условиях. Характеристики композитов определялись по ГОСТ 23789-79.
Вначале было определено оптимальное соотношение компонентов гипса, пепла и портландцемента, которое обеспечило бы получение композита с улучшенными физико-механическими свойствами при меньшем расходе вяжущего вещества. Одновременно исследовалось влияние зернового состава пепла на свойства гипсоцементнопуццоланового композита.
Выявлено, что влияние гранулометрического состава пепла на прочностные свойства композита неоднозначно, в составах с большим содержанием пепла целесообразно использование более крупных фракций, а с содержанием менее 50 % пепла в композите - мелких фракций. Предложена сырьевая смесь для изготовления гипсобетонного композита, позволяющая снизить расход гипса на 30,0 % без снижения прочности композита. Выявлено оптимальное соотношение компонентов для изготовления гипсобетонного композита: гипс : пепел - 1:1, портландцемент - 10-20 % от массы гипса. Разработанный гипсобетонный композит имеет повышенный коэффициент размягчения - 0,75.
Далее было исследовано влияние соотношения компонентов в смеси на прочность и плотность гипсовермикулитобетонных композитов (табл. 1).
Таблица 1
Состав смеси и характеристики гипсовермикулитобетонных
композитов
№№ образцо в Состав смеси Средняя плотность р, кг/м3 Предел прочности, МПа
Гипс: вермикулит по объему Расход цемента в % от массы гипса Добавк а пепла в % от массы цемента на изгиб в возрасте на сжатие в возрасте
2 ч 28 сут 2 ч 28 сут
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 1:2 — - 6,31 0,7 1,4 1,0 2,5
2 1:2 20 30 6,19 0,5 1,1 0,9 2,8
3 1:3 - - 5,29 0,4 0,77 0,6 1,6
4 1:3 20 30 4,8 0,4 0,75 0,8 1,5
5 1:4 — - 4,29 0,3 0,49 0,6 0,9
6 1:4 20 20 3,63 0,35 0,53 0,78 0,89
Из таблицы 1 следует, что до 30 % портландцемента можно заменить вулканическим пеплом без существенного снижения прочности гипсовермикулитобетонного композита.
Разработанные гипсовермикулитобетонные композиты обладают такими недостатками: хрупкость, относительно небольшие прочностные характеристики. Свойства композитов с базальтовыми фибрами было изучено с применением метода математического планирования эксперимента [10].
Соотношение компонентов в гипсовермикулитобетонной матрице и ее характеристики для дисперсного армирования фибрами даны в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические свойства гипсовермикулитобетонной матрицы
Соотношение гипс : вермикулит по объему Расход цемента в % от массы гипса Добавка пепла в % от массы цемента Свойства композита
средняя плотность в возрасте 28 сут, кг/м3 предел прочности при изгибе (МПа) в возрасте предел прочности при сжатии (МПа) в возрасте
2 ч 28 сут 2 ч 28 сут
1 2 3 4 5 6 7 8
1:3 20 30 4,8 0,4 0,75 0,8 1,5
Варьируемые факторы: X1 - процент армирования по объему /иу, %; X 2 - отношение длины фибры к их диаметру ¡/ё. Параметры оптимизации: У1 - предел прочности при сжатии Кж, МПа; У2 - предел прочности при изгибе Яизг, МПа. Матрица эксперимента представлена в табл. 3.
Таблица 3
Матрица эксперимента
№ п/п Натуральные переменные Матрица эксперимента
Х2 X! X 2 X ^ X 22 X1 X 2
1 0,30 1444 -1 0 + 1 0 0
2 0,90 1444 + 1 0 -1 0 0
3 0,75 2221 +0,5 +0,87 +0,25 +0,75 +0,43
4 0,75 667 +0,5 -0,87 +0,25 +0,75 -0,43
5 0,45 2221 -0,5 +0,87 +0,25 +0,75 -0,43
6 0,45 667 -0,5 -0,87 +0,25 +0,75 +0,43
7 0,60 1444 0 0 0 0 0
В результате обработки данных эксперимента получены математические модели фиброгипсовермикулитобетонного композита через 2 часа схватывания в кодированном виде:
71 = 1,75 - 0,19Х1 - 0,07Х^2 - 0,48Х^ + 0,03Х1Х2 ; У2 = 1,36 + 0,03Х1 - 0,24х2 - 0,38Х| + 0,004Х1Х2 ; По математическим моделям строим поверхности отклика (рис. 1).
Рис. 1. Поверхности отклика через 2 часа схватывания композита: Ясж — прочность на сжатие, МПа; Яизг - прочность при изгибе, МПа; ¡¡ё — отношение длины фибр к их диаметру; /лу - процент армирования по
объему
Из полученных результатов следует, что максимальные значения прочностных характеристик при сжатии достигаются в области плана с
:
Я- 0,30 - 0,65% и = 1444, а прочности на изгиб - я- 0,55 - 0,90% и
'ё
У^ = 1444. Большее содержание базальтовых фибр уменьшает прочностные
характеристики композита.
В результате обработки данных эксперимента получены математические модели фиброгипсовермикулитобетонного композита на 28-е сутки твердения в кодированном виде:
У1 = 0,94 - 0,10Х1 - 0,03х2 - 0,26х| + 0,03Х1 X2 ; Г2 = 064 + 0,03Х1 - 0,14х2 - 0,15х| + 0,01Х1 Х2 ; По математическим моделям строим поверхности отклика (рис. 2).
Рис. 2. Поверхности отклика на 28-е сутки твердения композита: Я - прочность на сжатие, МПа; Я - прочность при изгибе, МПа;
сж г 5 5 изг г Г 5 5
1/ё - отношение длины фибр к их диаметру; я - процент армирования по
объему
Из полученных результатов следует, что максимальные значения прочностных характеристик композита на 28-е сутки твердения от процента
армирования и соотношения длины волокон к диаметру аналогичны характеристикам композита через 2 часа схватывания.
Таким образом, выявлено, что максимальные значения параметров оптимизации наблюдаются в центральной области плана с ¡uv « 0,30 - 0,65% и
У^ = 1444. Прочность на сжатие фиброгипсовермикулитобетонного
композита повышается в 1,16-1,18 раза, при изгибе - в 1,62-1,73 раза по сравнению c прочностью матрицы. Разработанные композиты позволяют сократить расход портландцемента на 30 % и повысить коэффициент размягчения до 0,8. Дальнейшие исследования направлены на исследования огнезащитных свойств разработанных композитов.
Литература
1. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение): справочник под общ. ред. А.В. Ферронской. М.: АСВ, 2004. 488 с.
2. Ферронская А.В., Волков Ю.С. Роль строительства в решении экологических проблем современной цивилизации // Строительный эксперт. 2003. № 13 (152). С. 7.
3. Journal of Materials Science Letters. 1987. Vol. 6. № 5. PP. 562-564.
4. Bulletin des Avis Techniques du CSTB. 1984, Spec. Novembre. Avis technique. № 9/84. S. 323.
5. Гипс: исследование и применение гипсовых строительных материалов / пер. с нем. под ред. В.Б. Ратинова. М.: Стройиздат, 1981. 223 с.
6. Моргун Л.В. Размышления об эффективности стеновых материалов // Инженерный вестник Дона, 2008. №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2008/97.
7. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Развитие теории формирования структуры и свойств бетонов с техногенными отходами // Изв. вузов. 1996. №7. С. 13-15.
8. Хежев Х.А., Хежев Т.А., Кимов У.З., Думанов К.Х. Огнезащитные и
жаростойкие композиты с применением вулканических горных пород // Инженерный вестник Дона, 2011. №4 URL: ivdon.ru /magazine/archive/n4y2011/710.
9. Ахматов М.А. Эффективность применения местных строительных материалов и бетона. Нальчик: Эльбрус, 1986. 160 с.
10. Карпов В.В., Коробейников А.В., Малышев В.Ф., Фролькис В.А. Математическая обработка эксперимента и его планирование. Учеб. пособие М.: АСВ, СПб., СПбГАСУ, 1998. 100 с.
References
1. Gipsovye materialy i izdeliya (proizvodstvo i primenenie) [Gypsum materials and article (production and application)]: spravochnik pod obshch. red. A.V. Ferronskoy. M.: ASV, 2004. 488 p.
2. Ferronskaya A.V., Volkov Yu.S. Stroitel'nyy ekspert. 2003. № 13 (152). S. 7.M.: ASV, 2004. 488 p.
3. Journal of Materials Science Letters. 1987. Vol. 6. № 5. PP. 562-564.
4. Bulletin des Avis Techniques du CSTB. 1984, Spec. Novembre. Avis technique. № 9/84. S. 323.
5. Gips: issledovanie i primenenie gipsovykh stroitel'nykh materialov [Gypsum: a study and the application of gypsum building materials]. Per. s nem. pod red. V.B. Ratinova. M.: Stroyizdat, 1981. 223 p.
6. Morgun L.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2008. №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2008/97.
7. Bazhenov Yu.M., Alimov L.A., Voronin V.V. Izv. vuzov. 1996. №7. PP. 13-15.
8. Khezhev Kh.A., Khezhev T.A., Kimov U.Z., Dumanov K.Kh. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011. №4 URL: ivdon.ru /magazine/archive/n4y2011/710.
9. Akhmatov M.A. Effektivnost' primeneniya mestnykh stroitel'nykh materialov i betona [Effectiveness of the application of local building materials and concrete]. Nal'chik: El'brus, 1986. 160 p.
10. Karpov V.V., Korobeynikov A.V., Malyshev V.F., Frol'kis V.A. Matematicheskaya obrabotka eksperimenta i ego planirovanie [Mathematical working of experiment and its planning]. Ucheb. posobie M.: ASV, SPb., SPbGASU, 1998. 100 p.
