CC BY
8УДК 691.322.7
ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ, ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫЕ ОТХОДАМИ ЩЕЛОЧЕСТОЙКОЙ СТЕКЛОСЕТКИ
канд. техн. наук, доц. Л.М. ПАРФЁНОВА; В.А. ХВАТЫНЕЦ (Полоцкий государственный университет)
Приведены данные по влиянию дисперсного армирования отходами щелочестойкой стеклосетки на прочность и плотность пено-, газо- и полистиролбетонов. Определено оптимальное количество и длина волокон щелочестойкой стеклосетки. Показано, что длина волокон в составе стеклосетки должна составлять 20... 30 мм. Количество щелочестойкой стеклосетки для пенобетонов плотностью 300... 400 кг/м3 должно быть не более 1% от массы вяжущего, для полистиролбетона плотностью 400... 500 кг/м3 - 10%; для газобетона плотностью 1050 кг/м3 - 5... 8%. Установлено, что дисперсное армирование отходами щелочестойкой стеклосетки увеличивает прочность пенобетонов на 42,9%, газобетонов - на 15,4 и полистиролбетонов - на 5,9%. Методами микроскопического анализа определено наличие гидратационных образований на площади от 10 до 20% поверхности волокон стекло-сетки, извлеченных из пенобетона.
Ключевые слова: пенобетон, газобетон, полистиролбетон, прочность, щелочестойкая стеклосетка, длина волокон, дисперсное армирование.
Введение. Развитие малоэтажного и каркасного домостроения требует постоянного совершенствования стеновых материалов, изготавливаемых по ресурсо- и энергосберегающим технологиям. К числу таких материалов относятся блоки и монолитные конструкции стен из неавтоклавных легких бетонов: пенобетонов, газобетонов, полистиролбетонов. Факторами, сдерживающими применение неавтоклавных легких бетонов, являются низкая прочность и усадка при твердении, трещинообразование.
В качестве мер, позволяющих исключить возможность проявления усадочных деформаций и повысить прочность легкого бетона при низких показателях плотности, широко применяется дисперсное армирование волокнами, отличающимися по своему составу от материала матрицы и способными в процессе работы бетона воспринимать более высокие по сравнению с матрицей растягивающие напряжения. Дисперсное армирование может осуществляться базальтовой, полиамидной, стеклянной, полимерной фиброй или смесью разных волокон.
Эффективность фибрового армирования зависит от объемного содержания фибры и их механических и термохимических свойств, от соотношения между параметрами фибровой арматуры и параметрами структуры бетонной матрицы, длины фибры и уровня дисперсности армирования. Длина и дозировка волокон оказывают существенное влияние на прочностные свойства бетона [1].
Практика показывает, что при производстве и эксплуатации конструкций из дисперсно-армированных бетонов сталкиваются с проблемами низкой химической стойкости волокон в среде твердеющего цементного теста, высокой стоимости и дефицита волокон, ухудшения технологических характеристик бетонной смеси. В этой связи представляют практический интерес отходы щелочестойкой стеклосетки ОАО «Полоцк-Стекловолокно».
Материалы и методика проведения исследований. Отходы представляют собой обрезки кромки щелочестойкой стеклосетки ССШ-160(100)-1800/1800. Номинальная масса стеклосетки составляет 160 г/м2; разрывная нагрузка - 1800 Н; стеклосетка характеризуется высокой химической устойчивостью и низкой электрической проводимостью. Для получения фибры кромку нарезали на отдельные отрезки, получая «мини-сетки» размером 15*15 мм; 15*20 мм; 10*15 мм; 10*20 мм (рисунок 1).
Для изучения влияния дисперсного армирования отходами щелочестойкой стеклосетки на макроструктуру и прочность легких бетонов были изготовлены образцы пенобетона плотностью 300... 400 кг/м3, полистиролбетона плотностью 400.500 кг/м3 и газобетона плотностью 1050 кг/м3. Образцы формовались с различным процентным содержанием стеклосетки относительно массы цемента. Образцы в форме куба с ребром 100 мм через 28 суток нормально-влажностного твердения испытывались на сжатие по ГОСТ 10180-2012 [2] на испытательном прессе ПГМ-500МГ4А, скорость нагружения 0,2 кН/с.
Для изготовления легких бетонов использовались: портландцемент ОАО «Белорусский цементный завод» СЕМ I 42,5H; песок карьера «Боровое»: модуль крупности Мр = 2,1, насыпная плотность 1650 кг/м3, плотность зерен 2650 кг/м3, содержание пылеватых и глинистых частиц 2,8%, пустотность 39,2%, влажность 0,01%; протеиновый пенообразователь FoaminC с показателем кратности пены, равным 80; воздухо-вовлекающая добавка - алюминиевая пудра ПАП-2 и пенополистирольная крошка фракции 1.7 мм.
Рисунок 1. - Отходы щелочестойкой стеклосетки
Экспериментальные исследования. Расход материалов для получения образцов пенобетона составил: цемент - 300 кг/м3; вода - 120 кг/м3; пенообразователь - 3,3 кг/м3, содержание отходов стекло-сетки - 1%, 1,5 и 2% от массы цемента. Влияние дисперсного армирования отходами стеклосетки на прочность и плотность пенобетона представлено на рисунках 2 и 3.
0,9
пз 0,8
с
2 0,7
*
си 0,6 0,5
0 1 1,5 2 2,5 0 1 1,5 2 2,5
Процентное содержание фибры, % Процентное содержание фибры, %
Рисунок 2. - Влияние дисперсного армирования Рисунок 3. - Влияние дисперсного армирования
отходами щелочестойкой стеклосетки отходами щелочестойкой стеклосетки
на прочность пенобетона на плотность пенобетона
Экспериментально установлено увеличение плотности с увеличением в составе пенобетона количества стеклосетки. Данный эффект связан с тем, что плотность стеклосетки превышает плотность пенобетона. Прочность пенобетона на сжатие увеличилась при содержании стеклосетки в количестве 1% на 42,9%, при дальнейшем увеличении процентного содержания стеклосетки до 2% прочность снижается, но при этом остается выше значение прочности контрольного неармированного образца на 10,4%. Очевидно, что дальнейшее увеличение количества стеклосетки нецелесообразно.
Дисперсное армирование отходами стеклосетки изменило характер разрушения образцов пенобетона - оно стало менее хрупким. После силового воздействия образцы сохраняли свою первоначальную форму тем лучше, чем больше содержалось стеклосетки в их составе. Волокна стеклосетки тормозили развитие микродефектов в цементном камне. Это происходило до тех пор, пока не было преодолено сопротивление волокон на разрыв или не нарушено их сцепление с цементной матрицей.
Для изучения степени сцепления волокон стеклосетки с цементным камнем пенобетона из образца механическим путём было извлечено волокно. Исследование волокон под микроскопом Альтами ПОЛАР3 с 200-кратным увеличением показало наличие гидратационных образований, которые в результате адгезии покрывают от 10 до 20% поверхности (рисунок 4). Данный показатель является косвенной характеристикой величины сцепления стеклосетки с цементной матрицей и свидетельствует о его низком значении.
Для получения газобетона использовались: портландцемент - 267 кг/м3; песок - 333 кг/м3; вода -267 кг/м3; алюминиевая пудра ПАП-2 - 0,8 кг/м3. Содержание отходов стеклосетки - 2%, 5 и 8% от массы цемента. Порядок приготовления раствора для получения газобетона включал два этапа: сначала в одной
чаше смешивались цемент, песок, стеклосетка и 80% объёма воды, а в другой - алюминиевая пудра и оставшиеся 20% объема воды. Затем в содержимое второй чаши добавлялось содержимое первой и тщательно перемешивалось в течение двух минут. После перемешивания смесь разливалась по формам, при этом наблюдался процесс увеличения в объёме. После выдержки 24 часа срезался верхний слой образцов.
Рисунок 4. - Скопление продуктов гидратации на поверхности волокон стеклосетки
Результаты определения прочности газобетона, дисперсно-армированного отходами стеклосетки, представлены на рисунке 5.
1,6
го 1,4
1=
^ 1,2
сI 1,0 0,8
0 2 4 6 8 10 Процентное содержание фибры, %
Рисунок 5. - Влияние дисперсного армирования отходами щелочестойкой стеклосетки на прочность газобетона
Экспериментально установлено, что при содержании стеклосетки в газобетоне в количестве 2% от массы цемента прочность на сжатие уменьшается на 23,8%. При дальнейшем увеличении процентного содержания стеклосетки прочность газобетона на сжатие увеличивается и достигает максимального значения 1,4 МПа при содержании стеклосетки в количестве 8% от массы цемента, что превышает прочность контрольного образца на 15,4%.
Таким образом, определено, что введение отходов производства стеклосетки в газобетонную смесь в количестве не менее 5% от массы цемента позволяет увеличить прочность на сжатие газобетона, при этом плотность газобетона, которая составляла для контрольного образца 1050 кг/м3, осталась без изменений.
Изучение влияния дисперсного армирования отходами щелочестойкой стеклосетки на прочность при сжатии и плотность полистиролбетона выполнялось путем проведения двухфакторного эксперимента. В качестве варьируемых параметров приняты: длина волокон в составе стеклосетки (Х1) и процентное содержание стеклосетки по отношению к массе цемента (Х2) (таблица 1).
Таблица 1. - Уровни варьирования факторов
Уровни варьирования Входные параметры
длина волокон в составе стеклосетки (Х1), мм процентное содержание стеклосетки по отношению к массе цемента (Х2), %
-1 10 5
0 20 10
+1 30 15
Для приготовления полистиролбетона использовался портландцемент - 600 кг/м3, вода - 300 кг/м3 и пенополистирольная крошка - 1 м3. План эксперимента и полученные результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2. - План эксперимента и результаты определения прочности и плотности полистиролбетона, дисперсно-армированного отходами стеклосетки
Состав План эксперимента Плотность, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа, в возрасте 28 сут
Х1 Х2
1 -1 -1 437,8 1,838
2 -1 0 416,0 1,227
3 -1 +1 457,1 1,498
4 0 -1 479,5 2,870
5 0 0 480,6 3,071
6 0 +1 486,9 2,755
7 +1 -1 479,5 2,864
8 +1 0 461,4 2,861
9 +1 +1 471,3 2,946
10 0 0 520,5 2,901
По полученным данным в программе STATISTICA 10 построены поверхности отклика прочности на сжатие (рисунок 6) и плотности полистиролбетона (рисунок 7).
m
m
Рисунок 6. - Влияние дисперсного армирования отходами щелочестойкой стеклосетки на прочность полистиролбетона
■ з.з : 3,3 : 2.9 : 2.5 : 2,1 : 1.7 : 1.3 : 0.9 0.5
■ мзо
П<460 □ <440 ' ] < 420 ГП< 400
Рисунок 7. - Влияние дисперсного армирования отходами щелочестойкой стеклосетки на плотность полистиролбетона
Экспериментально установлено (см. рисунок 6), что при армировании полистиролбетона стекло-сеткой с длиной волокон 20 мм в количестве 10% от массы вяжущего прочность на сжатие достигла максимального значения и составила 3,07 МПа. Армирование полистиролбетона стеклосеткой с длиной волокон 10 мм не только не дает положительного эффекта, а, наоборот, приводит к потере прочности на сжатие. Оптимальной является длина волокон, равная 20. 30 мм.
Результаты эксперимента показали, что армирование полистиролбетона отходами стеклосетки может приводить как к снижению, так и к увеличению плотности полистиролбетона (см. рисунок 7). При введении 10% стеклосетки с длиной волокон 10 мм получена плотность, равная 416 кг/м3. При введении 15% стеклосетки с длиной волокон 20 мм плотность составила 485 кг/м3.
Заключение. Отходы производства щелочестойкой стеклосетки ОАО «Полоцк-Стекловолокно» могут использоваться для дисперсного армирования лёгких бетонов.
Дисперсное армирование отходами щелочестойкой стеклосетки увеличивает прочность пенобе-тонов плотностью 300.400 кг/м3 на 42,9%, газобетонов плотностью 1050 кг/м3 - на 15,4% и полисти-ролбетонов плотностью 400.500 кг/м3 - на 5,9%.
Оптимальное для повышения прочности легких бетонов количество щелочестойкой стеклосетки для пенобетонов плотностью 300.400 кг/м3 составляет 1% от массы вяжущего; для полистиролбетона плотностью 400.500 кг/м3 - 10% от массы вяжущего; для газобетона плотностью 1050 кг/м3 - 5.8% от массы вяжущего.
ЛИТЕРАТУРА
1. Парфенова, Л.М. Эффективность армирования бетонов волокнами нитрона / Л.М. Парфенова // Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. F, Строительство. Прикладные науки. -2012. - № 8. - С. 72-77.
2. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам : ГОСТ 10180-2012. -Введ. 01.07.2013. - М. : НИИЖБ - филиал ФГУП «НИЦ "Строительство"», 2013. - 37 с.
Поступила 04.06.2018
LIGHTWEIGHT CONCRETE DISPERSED-REINFORCED WASTE ALKALI-RESISTANT GLASS MESH
L. PARFENOVA, V. KHVATYNEC
The article presents data on the effect of disperse reinforcement with alkali-wool glass waste on the strength and density of foam, gas and polystyrene concrete. The optimal number and length of fibers of alkali-resistant glass mesh is determined. It is shown that the length of the fibers in the glass mesh should be 20... 30 mm, the amount of alkali-resistant glass mesh for foam concrete density 300.400 kg/m3 should be no more than 1% of the binder mass, for polystyrene concrete, density 400... 500 kg/m3 - 10% of the weight of the binder; for aerated concrete, with a density of 1050 kg/m3 - 5... 8% of the mass of the binder. It has been established that disperse reinforcement with waste of alkali-resistant glass mesh increases the strength of foam concrete by 42,9%, aerated concrete by 15,4% and polystyrene concrete by 5,9%. By the methods of microscopic analysis, the presence of hydration formations on an area of 10 to 20% of the surface of the fiber glass fibers extracted from the foam concrete was determined.
Keywords: foam concrete, aerated concrete, polystyrene concrete, strength, alkali-resistant fiberglass mesh, fiber length, dispersed reinforcement.
