CC BY
28il
ЭКСПЕРТ: 2020 No 1 Ш EXPERT:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ^ Iv THEORY AND PRACTICE
УДК 691 DOI 10.24411/2686-7818-2020-10003
МРНТИ 67.09.55
ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ АРБОЛИТОВЫХ КОМПОЗИТОВ
ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ*
© 2020 Б.Р. Исакулов, М.В. Акулова, Ж.О. Конысбаева, С.И.Шалабаева, А.М. Сартова, А.Б. Исакулов**
В статье рассматривается вопросы по исследованию прочностных и деформативных характеристик серосодержащих арболитовых композитов с использованием вторичных ресурсов, которая является актуальным в регионах с жарким и резко континентальным климатом. Это один из самых легких строительных материалов, обладающий низкой теплопроводностью и хорошей звукоизоляционной способностью. Целью данного исследования является определение механизма формирования прочности и разрушение серосодержащих арболитовых композитов при различных длительных нагрузках и обоснование эффективности их использования в жилищном строительстве.
Ключевые слова: серосодержащие арболитовые композиты, прочность, фаза твердения, длительная нагрузка, модуль деформации, растворная составляющая, разрушения.
Введение. В связи с бурным развитием строительной отрасли и с расширением промышленного и гражданского строительства в регионах Казахстана с каждым днем возрастает потребность в строительных материалах и конструкциях, что создание конструкционно-теплоизоляционных материалов с применением вторичных ресурсов является актуальным. Особое место в производстве строительных материалов в регионах с жарким климатом занимает арболитобетон, который сочетает в себе легкость, экологичность, высокие теплоизоляционные качества и может содержать в своем составе растительные отходы сельского хозяйства, которыми богаты степ-
ные районы. Также в регионах Казахстана имеются также огромные сырьевые ресурсы в виде многотоннажных отходов промышленности, утилизация их в составе строительных материалов является первоочередным решением народного хозяйства страны. Однако возросшие требования к качеству арболита ставят задачу по дальнейшему повышению его строительно-эксплуатационных, технологических и прочностных показателей. Целью исследования является разработка высокоэффективных арболитобетонов на основе композиционных серосодержащих вяжущих, разработка научных основ формирования их структуры, состава и свойства при использо-
* Исследование выполнено при поддержке научного гранта в соответствии с решением Национального научного совета о грантовом финансировании Министерством образований и науки Республики Казахстан «Рациональное использование природных ресурсов, переработка сырья и продукции» от 23.01. 2017 года.
** Исакулов Байзак Разакович ([email protected]) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Дизайн и строительства», «Баишев Университет», Актобе Казахстан; Акулова Марина Владимировна ([email protected]) - доктор технических наук, профессор, Советник РАССН, заведующая кафедрой «Строительного материаловедения, специальных технологии и технологических комплексов», Ивановский государственный политехнический университет, Россия; Конысбаева Жанна Онгаровна ([email protected]) - аспирант, Ивановский государственный политехнический университет, Россия; Шалабаева Сауле Изтлеуовна - аспирант, Ивановский государственный политехнический университет, Россия; Сартова Асима Мусаевна ([email protected]) - аспирант, Ивановский государственный политехнический университет, Россия; Исакулов Абил-хаир Байзакович ([email protected]) - преподаватель кафедры «Строительство», Актюбинский региональный государственный университет им. К. Жубанова, Актобе, Казахстан.
вании в качестве стенового материала для жилищного строительства. Для достижения цели исследованы влияния добавок серосодержащих отходов нефтехимической промышленности на структурообразование и физико-химические свойства композиционных вяжущих, влияния их основных компонентов на физико-механические свойства серосодержащего арболита с использованием фибры измельченного тростника, механизма формирования прочности и разрушения серосодержащего арболита в зависимости от вида и способа нагружения, анализ использования арболита в строительных конструкциях.
Исследованиями установлено, что улучшить свойства, упростить технологию изготовления и повысить эффективность производства арболита можно целенаправленным изменением его свойства и структуры с различными добавками промышленных и растительных отходов в состав [1-2; 4; 7-8]. Анализа многочисленных данных [1; 3; 5-6] показывает, что в отличие от обычного арболита на основе древесной дробленки, где органический целлюлозный заполнитель чаще всего является наименее прочной составляющей, серосодержащие компоненты растворной части оказывают существенное влияние наего прочностные и деформатив-ные характеристики.
Материалы: Объектом исследования являются промышленные отходы предприятий в регионе Казахстана в виде шламов и твердых веществ.
1. Портландцемент марки 400 Чимкентского цементного завода.
2. В качестве дополнительной добавки использованы пиритные огарки бывшего АО «Фосфорхим», состоящие главным образом из смеси оксидов железа (II, III) Fe3O4 (Fe2O3), с пересчетом на содержание железа 40 - 63 %, и примесей серы 1-2 %. Остальное - оксиды цветных металлов.
3. В качестве модифицирующей добавки использовалась техническая сера - вторичный продукт переработки высокосернистой нефти месторождений Республики Ка-
захстан. Сера представляет собой гранулированный продукт, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 127.1-93.
В качестве исходных пористых заполнителей для получения серосодержащих арболитов использовались измельченные фибры тростника. Физико-химические свойства тростника, его химический и фракционный состав установлены опытным путем в соответствии с требованиями ГОСТ 19222, ГОСТ 25820-2000, а также на основании справочных и литературных данных [1 - 11].
Методы. Характеристики исходного и активированноговяжущего определяли в соответствии с ГОСТ 30515-97, ГОСТ 311082003 и ГОСТ 7473-2010.Определение предела прочности серосодержащих вяжущих на растяжение и при изгибе производилось на образцах-балочках размерами 40x40x160 мм на приборе ИП 2710.С помощью рентгено-фазового анализа определяли фазовый состав активированного серосодержащего вяжущего. Рентгенографическая съемка выполнялась на дифрактометре «ДРОН-3». При проведении съемки был выбран интервал углов дифракции от 2 до 32е. Расшифровка рентгенограмм осуществлялась на основании эталонных рентгенограмм составляющих минералов.Дифференциально-терми-ческий анализ гидратированныхсеросодержащих цементных порошков проводили на фоторегистрирующем дериватографе фирмы МОМ Будапешт (Венгрия) постандартной методике. Характер формирования прочности и причины разрушения серосодержащего арболита изучали с помощью тензомет-рической аппаратуры и глубинных тензодат-чиков с базой 10-50 мм, наклеенных на фибры тростника с помощью быстротвердеюще-го клея «Момент», ориентированных, вдоль и перпендикулярно прилагаемой нагрузке к призмами, установленных до бетонирования. Задача испытаний состояла в том, что глубинные тензометрические датчики были установлены как на фибрах измельченного тростника, так и в серосодержащей растворной составляющей материала, что давало возможность определить первопричину пос-
il
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 1 (4)
Рис. 1 - Схема установки глубинных тензодатчиков:
1- датчик на фибрах тростника; 2 - датчик в растворной составляющей
ледовательности разрушения отдельных составляющих серосодержащего материала (рис. 1) [см. подр. 1].
Исследования проводились на образцах серосодержащего арболита в 7-ми, 28-ми и 90 суточном возрасте. Изучение влияния возникающих деформаций на предел прочности при сжатии серосодержащего арболита основывалось на определенных моделях структуры бетона. Серосодержащий арболит рассматривался как двухкомпонентная система, состоящая из фибры измельченного тростника и серосодержащей растворной составляющей, при этом прочность растворной части была величиной переменной.
Для проведения исследования было изготовлены четыре серии образцов из серосодержащего арболита, а пятая серия, для сравнения - из серосодержащего керамзи-тобетона. Каждая серия состояла из шести образцов призм размером 150х150х600 мм, три из которых (модель I) состояли только из серосодержащей растворной части (отношение серы к пиритному огарку 1:3), а в трех других призмах (модель II) в середину помещались фибры измельченного тростника диаметром около 18-20 мм.
Все образцы после тепловой обработки до испытаний хранились в естественных условиях лаборатории. Интервал максимальной нагрузки на испытуемые образцы варьировался от 60 до 120 кН, что определялось предельным уровнем нагружения образцов, равным 0,75Rпр ^пр-призменная прочность серосодержащего арболита).
Известно [8-11], что ползучесть серосодержащего керамзитобетона, в основном определяется ползучестью геля, входящего в состав цементного камня, поэтому было сделано предположение, что эти закономерности применимы и к серосодержащему арболиту. Составы серосодержащего арболита и серосодержащего керамзитобетона для изготовления опытных образцов приведены в табл. 1 и 2 [см. подр. 1].
Результаты. Наши исследования показали следующие результаты:
1. Глубинные тензометрические датчики, расположенные в серосодержащей растворной составляющей материала, фиксируют момент его разрушения и достижение
Таблица 1 - Состав серсодержащих арболитовых призм-образцов
№ серий образцов Состав арболитобетона (по массе), % Водоцементное отношение, В/Ц Расход цемента на 1м3 бетона, кг
1 Цемент 33,3%: измельченные фибрытростника 22,4%: добавки в виде технической серы и пиритного огарка 10,8% :вода 33,5% 1,34 321
2 Цемент 34,4% : измельченные фибрытростника 21,4%: добавки в виде технической серы ипиритного огарка 10,8% : вода 33,4% 1,37 335
3 Цемент 34,9%: измельченные фибрытростника 20,6%: добавки в виде технической серы ипиритного огарка 10,94% : вода 33,56% 1,4 345
Таблица 2 - Состав серсодержащих керамзитовых призм-образцов
№ серий образцов Состав керамзитобетона (по массе), % Водоцементное отношение, В/Ц Расход цемента на 1м3 бетона, кг
1 Цемент 37,8%: керамзит 20,9%: добавки в виде технической серы ипиритного огарка 10,8% : вода 30,5% 0,97 390
2 Цемент 38,2%: керамзит 21,8%: добавки в виде технической серы ипиритного огарка 10,8% : вода 29,2% 1,2 400
3 Цемент 38,6%: керамзит 22,7%: добавки в виде технической серы ипиритного огарка 10,8%:вода 27,9% 1,1 410
предельной растяжимости серосодержащего арболита в призмах перпендикулярно
м м п
действующей нагрузки пресса. В этом случае стрелка манометра пресса падает, то есть всегда наблюдается первоначальное разрушение серосодержащего материала. При этом тензометрические датчики, закрепленные, на фибрах измельченного тростника и ориентированные вдоль и поперек действующей нагрузки продолжают показывать рост деформаций, а стрелка манометра прессе продолжает показывать рост напряжений. Эти эффекты не выявляются в серосодержащем арболите пористого или крупнопористого строения низкой плотности менее 500 кг/м3.
2. При испытаниях серосодержащего арболита плотного строения одновременного разрушения серосодержащей растворной составляющей и органического заполнителя не происходило. Обычно наблюдалось последовательное разрушение, связанное с заполнителем, затем с серосодержащей растворной составляющей, но только во второй фазе твердения. Разрушение же серосодержащего материала по растворной составляющей происходило только в первой фазе твердения.
При испытании серосодержащего арболита плотного, пористого и крупнопористого строения, существенное значение имеет поверхность сцепления фибры измельченного тростника с серосодержащей растворной составляющей, при этом для материала плотного строения прочность сцепления растворной составляющей меньше чем, прочность органического заполнителя. Для пори-
стого и крупнопористого материала прочность сцепления растворной составляющей больше чем, прочность органического заполнителя.
Обсуждения. Проведенные исследования дают основание для уточнения гипотез формирования прочности и причины разрушения серосодержащего арболита. Теория прочности А. И. Ваганова [5] приемлема для объяснения процесса нарастания прочности серосодержащего материала при твердении, когда деформативность серосодержащей растворной составляющей меньше де-формативности кольматированных фибр измельченного тростника. Для объяснения повышения прочности серосодержащего арболита плотного строения во второй фазе твердения, данная теория твердения требует дополнительного уточнения, так как одновременного разрушения органического заполнителя и растворной составляющей не наблюдается. Разрушение серосодержащего материала во второй фазе твердения происходит ступенчато, сначала органический заполнитель, затем серосодержащий раствор. Конечная прочность серосодержащего арболита плотного строения во всех испытанных образцах определялась прочностью растворной составляющей. Так при меньшей прочности серосодержащего раствора по сравнению с прочностью заполнителя происходит однофазное твердение и одноступенчатое разрушение - по раствору. При большой прочности серосодержащего раствора по сравнению с прочностью органического заполнителя происходит двухфазное твердение и двухступенчатое разрушение.
ф
Прочность серосодержащего арболита пористого строения формируется в одну фазу, разрушение происходит одноступенчатое - по кольматированному органическому заполнителю, прочность которого и определяет в основном прочность материала [см. 1].
Проведенные исследования позволяют направлено планировать получение серосодержащего арболита различной прочности в зависимости от фракции зерна или длины фибры органического заполнителя.
Библиографический список
1. Исакулов Б.Р. Получение высокопрочных арболитобетонов на основе композиционных шлакощелочных и серосодержащих вяжущих: дис... доктора технических наук / 05.23.05. - Строительные материалы и изделия. - Иваново: 2015.
2. Легкие бетоны на основе безобжиговых цементов / К.А. Бисенов и др. - Алма-Ата, 2005. - 300 с.
3. Технология сухих строительных смесей: учеб. пособие для вузов / Ю.М. Баженов. - М.: АСВ, 2003. - 95 с.
4. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Баженов, С.В. Демьянова, И.В. Калашников. - М.: АСВ, 2006. - 368 с.
5. Зависимость прочности легкого бетона от свойств раствора и заполнителей / А.И. Ваганов // Строительная промышленность. - 1950. - №5. - С. 15-18.
6. Строительные композиты на основе шлаковых отходов / А.Д. Корнеев, Н.Ф. Сапронов, М.А. Гончарова // Современные проблемы строительного материаловедения: материалы пятых акад. чтений РААСН. - Воронеж: ВГАСА, 1999.
7. Строительные композиционные материалы на основе шлаковых отходов / А.Д. Корнеев, М.Ю. Гончарова, Е.А. Бондарев. - Липецк, 2002. - 120 с.
7. Строительное материаловедение / И.А. Рыбьев. - М.: Высш. шк., 2007. - 435 с.
8. Физико-химические процессы структуро-образования в строительных материалах из минеральных отходов промышленности / С.Т. Су-лейменов - М.: Науч.-исслед. и изд. фирма "Манускрипт", 1996. - 298 с.
9. Разработка и исследование свойств вяжущих на основе отходов промышленности / М.В. Акулова, Б.Р. Исакулов и др. // Вестник РААСН. -Курск; Воронеж, 2013. - С. 256-260.
10. Комплексная электромеханическая активация золошламовых вяжущих для получения легких арболитобетонов / М.В. Акулова, Б.Р. Исакулов и др.// Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 1. - С. 45-49.
11. Разработка состава и исследование характера формирования прочности арболитовых композитов на основе различных отходов промышленности и растительного сырья / Ю.А. Соколова и др. // Научное обозрение. - 2017. - №2. - С. 6-15.
Поступила в редакцию 12.01.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 1 (4)
FORMATION OF STRENGTH OF SULFUR-CONTAINING ARBOLITE COMPOSITES UNDER LONG-TERM LOADS
© 2020 B.R. Isakulov, M.V. Akulova, J.O. Konysbaeva, S.I. Shalabaeva, A.M. Sartova, A.B. Isakulov*
The article discusses the study of the strength and deformation characteristics of sulfur-containing arbolite composites using secondary resources, which is relevant in regions with a hot and sharply continental climate. This is one of the lightest building materials with low thermal conductivity and good sound insulation ability. The aim of this study is to determine the mechanism of strength formation and the destruction of sulfur-containing arbolite composites under various long-term loads and to substantiate the effectiveness of their use in housing construction.
Keywords: Sulfur-containing arbolite composites, strength, hardening phase, long-term load, deformation modulus, mortar component, fracture.
Received for publication on 12.01.2020
* B.R. Isakulov ([email protected]) - Doctor of Technical, Professor, Head of the Department of Design and Construction, Baishev University, Aktobe Kazakhstan; M.V. Akulova ([email protected]) -Doctor of Technical, Professor, Advisor to RAABS, Head of the Department of Building Materials, Special Technologies and Technological Complexes, Ivanovo State Polytechnic University, Russia; J.O. Konysbaeva ([email protected]) - postgraduate, Ivanovo State Polytechnic University, Russia; S.I. Shalabaeva -postgraduate, Ivanovo State Polytechnic University, Russia; A.M. Sartova ([email protected]) -postgraduate, Ivanovo State Polytechnic University, Russia; A.B. Isakulov ([email protected]) - Lecturer, Department of "Construction", Aktobe Regional State University named after K. Zhubanova, Kazakhstan.
