CC BY
38
Таблица 3
Значения коэффициентов a, b, c после циклов ультрафиолетового старения
Основа Связующие Материал декоративного слоя Коэффициенты
a b c
ЦСП Полиэфирная смола Керамзитовый песок 0,0224 -1,348 51,282
Древесные опилки 0,0592 -2,4291 51,256
Песок 0,0126 -0,7671 44,783
Эпоксидная смола Керамзитовый песок 25,232e"°,°29S"
Древесные опилки 27,761e"u,°34"
Песок -0,0563 0,5609 22,395
ДСП Полиэфирная смола Керамзитовый песок -0,0663 1,247 41,216
Древесные опилки -0,0127 0,0883 34,928
Песок 0,0473 -1,8249 53,791
Эпоксидная смола Керамзитовый песок 0,0116 -0,2948 18,462
Древесные опилки 19,696e-u,°34/"
Песок 0,0283 -0,9346 19,407
ДВП Полиэфирная смола Керамзитовый песок 0,2369 -9,3629 116,23
Древесные опилки 0,0453 -2,1225 53,19
Песок 0,077 -3,2364 63,793
Эпоксидная смола Керамзитовый песок -0,0504 0,8625 13,486
Древесные опилки -0,0355 0,3072 19,856
Песок -0,0536 1,0525 13,008
Фанера Полиэфирная смола Керамзитовый песок 52,499e-°,°23B
Древесные опилки 0,0323 -1,7074 51,352
Песок 0,0192 -0,8608 40,234
Эпоксидная смола Керамзитовый песок -0,0457 0,5036 21,088
Древесные опилки 0,0237 -1,0761 25,642
Песок 19,671e-°,°226B
Полученные результаты позволяют в зависимости от вида декоративной плиты и времени ее эксплуатации в условиях действия неблагоприятных атмосферных воздействий прогнозировать падение твердости декоративного слоя.
Литература
1. Ерофеев, А.В. Технология изготовления декоративно-защитных плит покрытия / А.В. Ерофеев, В.П. Ярцев // Современные твердофазные технологии: теория, практика
и инновационный менеджмент: Материалы III Международной научно-инновационной молодежной конференции 31 октября - 2 ноября 2011 г. - Тамбов, 2011. - С. 79 - 82.
2. Ерофеев, А.В. Эксплуатационные характеристики декоративно-защитных плит покрытия зданий и сооружений / А.В. Ерофеев // ACADEMIA. Архитектура и строительство. Вып. 3. - М., 2011. - С. 112 - 113.
3. Ярцев, В.П. Прогнозирование поведения строительных материалов при неблагоприятных условиях / В.П. Ярцев, О.А. Киселева. - М., 2009.
УДК 69.691.3
О.В. Ефремова, С.В. Демидов, В.С. Грызлов
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО ДРЕВОШЛАКОВОГО
КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Статья посвящена исследованию физико-механических и теплофизических свойств нового строительного материала на основе граншлака и древесных опилок посредством методов математического планирования эксперимента. Подобран рациональный состав и произведен сравнительный анализ наиболее распространенных строительных материалов и древошла-кового композиционного материала, в результате которого установлено существенное преимущество последнего.
Древошлаковый композиционный материал, математическое моделирование, рациональный состав, прочность при сжатии, плотность и теплопроводность в сухом состоянии, сравнительный анализ.
The article is devoted to the study of physico-mechanical and thermophysical properties of new construction materials on the basis of slag and sawdust by means of the methods of mathematical planning of the experiment. Rational composition has been selected
and a comparative analysis of the most common building materials and timber-slag composite material has been made, resulting in a considerable advantage of the latter.
Timber-slag composite material, mathematical modeling, rational composition, compressive strength, specific gravity and heat conductivity in dry condition, comparative analysis.
Улучшение современного уровня строительства, в частности - решение задач энергосбережения, долговечности и экономичности на всех этапах от производства строительных материалов, изделий и конструкций до строительства и эксплуатации зданий -первостепенная задача. В связи с этим значимым является создание современных, эффективных, экономичных строительных материалов с улучшенными теплоизоляционными, физико-механическими свойствами и рациональными технологиями их получения, к которым относится модифицированный дре-вошлаковый композиционный материал (ДШКМ). При его создании и выборе исходного сырья необходимо ориентироваться не на природные ресурсы, которые с каждым годом «тают» и не успевают воспроизводиться, а на крупнотоннажные отходы металлургического и лесо-, деревообрабатывающих производств, требующих больших затрат на хранение или утилизацию.
ДШКМ является конгломератом, основные составляющие которого - древесные опилки и гранулированный доменный шлак. Актуальной задачей является разработка методов оптимизации его структуры и свойств с целью создания бетона повышенной прочности и морозостойкости с одновременно низкой плотностью и теплопроводностью по сравнению с существующими деревобетонами.
Наиболее значимым критерием для большинства стройматериалов является правильное соотношение компонентов смеси. В состав композиционной дре-вошлаковой смеси входят: молотый гранулированный доменный шлак £уд = 400 м2/кг, цемент ПЦ 400-Д20 ГОСТ 10178-85, древесные опилки фракции 0 -1,25 мм, модернизированный натриевый силикат, вода водопроводная.
Для определения рационального состава ДШКМ использовался метод математического планирования эксперимента с обработкой результатов методами математической статистики. В работе применен трехфакторный эксперимент. При проведении опытов все факторы варьировались на трех уровнях -основном (0), верхнем (+1) и нижнем (-1). Кодирование факторов и условия вариьрования приведены в табл. 1.
Критерием оптимизации приняты следующие характеристики:
- предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут., МПа;
- плотность в естественном состоянии в возрасте 28 сут., кг/м3;
- плотность в сухом состоянии, кг/м3;
- теплопроводность в сухом состоянии, Вт/(м-К);
- водопоглощение по массе, %.
МОп* - модифицированные опилки - это смесь, состоящая из опилок, прошедших химическое модифицирование модернизированным натриевым силикатом [Пат], и нужного количества образовавшегося при этом щелочного раствора.
Для определения прочности при сжатии, водопо-глощения, плотности в естественном и сухом состоянии использовались образцы - кубы с ребром 100 мм, а теплопроводности - плиточки размером 21^100x100 мм. Все образцы хранились в течение 28 сут. в камере нормального твердения при влажности 95±5 % и температуре 20±30 °С.
Испытания образцов на кратковременное действие нагрузки осевого сжатия производили на гидравлических прессах МС-500 и ПС-125, отвечающих требованиям ГОСТ 8905-82. Испытания плиточек для определения теплопроводности осуществлялись на приборе ИТП-МГ4 «100». Определение прочностных характеристик и плотности проводились согласно требований ГОСТ 24452, ГОСТ 12730.0, ГОСТ 12730.1, ГОСТ 10180; теплопроводности -ГОСТ 7076. Результаты математического планирования приведены в табл. 2.
Расслоения бетонной смеси и раствороотделения в процессе проведения ряда экспериментов не наблюдалось. Фактические составы композиционной смеси были близки к заданным (отклонение не превышало 1 - 2 %), что дало возможность вести математическую обработку результатов эксперимента по планируемым показателям.
Рассчитаны уравнения регрессии в виде полиномов второй степени, выражающие зависимость исследуемых свойств композита от исходных факторов:
у = Ь0 ± I,Ьixi ± 2ЬЙ х2 ± xiх,,
где Ь0, Ь, Ьи, Ь, - коэффициенты регрессии; х, х, -значение фактора в опыте.
Расчет коэффициентов регрессии в соответствии с заданной матрицей планирования проводился с помощью ЭВМ, проверка значимости коэффициентов регрессии осуществлялась по критерию Стью-дента, проверка адекватности полученных уравнений - по критерию Фишера.
После обработки экспериментальных данных для ДШКМ получены следующие полиномиальные квадратичные зависимости по некоторым критериям оптимизации (предел прочности при сжатии, плотность в сухом состоянии, теплопроводность в сухом состоянии):
Я28ит = 120 + 23,9x1 - 50,9х3 - 19х22 - 37,2х32 -
- 5,2 х1х2 +21,9х2х3 , - 0,05х32 + 0,02х2х3 .
Р28нтсух = 1256 + 29,3х1 - 118,1х3 + 158х12 - Для данных уравнений построены графические
- 147х32 + 51,75х1х3 + 70,5х2х3, зависимости прочности, плотности и теплопровод-
ности от варьируемых факторов, которые представку = 0,23 + 0,03х1 - 0,03х3 + 0,02х12 - лены на рис. 1, 2, 3.
Таблица 1
Значения интервалов варьирования факторов
Условия кодирования и варьирования факторов
Фактор, вид Уровни варьирования Интервал варьирования
Натуральный Кодированный -1 0 +1
Количество цемента от массы граншлака в композиционной смеси, % (Ц/Гр) Х1 3 7 11 0,04
Отношение модифицированных опилок (МОп*) к составному вяжущему смеси (МОп/В) Х2 0,36 0,41 0,46 0,05
Количество опилок, содержащихся в модифицированных опилках, от массы молотого граншлака, % (Оп/Гр) Х3 6 10 14 4
Таблица 2
Результаты математического планирования эксперимента
Номер опыта План эксперимента Я сж, МПа р в ест/сост., кг/м3 р в сух/сост., кг/м3 к, Вт/(м-К) Ш по массе, %
XI х2 Х3
1 + + + 5,64 1467 1282 0,224 35,17
2 - + + 1,24 1299 1094 0,148 45,77
3 + - + 1,96 1231 1120 0,204 44,59
5 + + - 11,58 1595 1450 0,230 35,35
6 - + - 7,56 1724 1187 0,158 33,63
7 + - - 19,28 1762 1425 0,270 27,67
8 - - - 13,06 1742 1397 0,250 29,19
9 + 0 0 14,83 1713 1378 0,252 28,54
10 - 0 0 7,06 1650 1297 0,215 32,94
11 0 + 0 13,03 1590 1340 0,261 35,12
12 0 - 0 3,11 1374 1095 0,167 38,74
13 0 0 + 2,22 1302 956 0,121 53,46
14 0 0 - 10,43 1544 1180 0,202 33,37
15 0 0 0 14,20 1687 1307 0,249 31,25
16 0 0 0 14,75 1685 1288 0,249 31,60
17 0 0 0 14,52 1689 1295 0,248 31,37
Рис. 1. Зависимость прочности ДШКМ на 28 сутки НТ от: а - отношения МОп/В; б - содержания опилок; в - количества цемента
в
Рис. 2. Зависимость плотности в абсолютно сухом состоянии от: а - отношения МОп/В; б - содержания опилок; в - количества цемента
Рис. 3. Зависимость теплопроводности в сухом состоянии от: а - отношения МОп/В; б - содержания опилок; в - количества цемента
Как видно из графических моделей, представленных на рис. 1, при Ц/Гр от 3 до 11 % прочность максимальна, если МОп/В = 0,41. При градации МОп/В от 0,36 до 0,46 прочность возрастает с увеличением количества опилок и минимальном Ц/Гр. При повышении содержания опилок прочность увеличивается при МОп/В = 0,41 и увеличении количества цемента. Таким образом, практически во всех вариациях прочность максимальна при МОп/В = 0,41 и количестве цемента 7 % от массы граншлака.
При анализе полученных зависимостей на рис. 2 сделаны следующие выводы. При содержании в ДШКМ древесных опилок Оп/Гр=10 % и количестве цемента Ц/Гр=7 % плотность минимальная. МОп/В не влияет на плотность составов при вариациях Оп/Гр и Ц/Гр, если Оп/Гр=10 %.
При повышении содержания в материале цемента, опилок и МОп/В теплопроводность материала в сухом состоянии увеличивается. Анализ полученных зависимостей позволил установить граничные значения варьируемых факторов, обеспечивающих наилучшие физико-механические и теплофизические свойства ДШКМ. Рациональная структура представлена оптимальными факторами:
- Ц = 7 % от массы молотого граншлака;
- МОп/В = 0,41
- Оп = 10 % от массы молотого граншлака, содержащихся в МОп.
Смесь подвижная - марка по удобоукладываемо-сти П1, П2 (осадка конуса составляет 4 - 7 см). Смесь отвечает требованиям ГОСТ 10181, ГОСТ 7473.
По прочности на сжатие полученные бетоны подразделяются на классы:
— теплоизоляционные - В 0,75, В 1, В 1,5, В 2;
— конструкционно-теплоизоляционные - В 2,5, В 3,5, В 5, В 7,5, В 10;
— конструкционные бетоны - В 12,5, В 15.
По значениям средней плотности в сухом состоянии (950 - 1450 кг/м3) ДШКМ относится к группе легких бетонов.
При данных значениях факторов материал обладает минимальной плотностью (рсух/сост = = 1300 кг/м3), обеспечивающей наибольшие прочностные показатели на 28 сут. нормального твердения (Ясж = 14 МПа) и наилучшие показатели теплопроводности (ксух/сост =0,249 Вт/(м-К).
Оптимальный состав ДШКМ приведен ниже:
Наименование компонента Расход материалов на 1 м3 смеси
Вяжущее: в том числе молотый граншлак 1100 кг + цемент 77 кг 1177
Древесные опилки 110
Модернизированный натриевый 770
силикат
Согласно техническим требованиям, предъявляемым к легким бетонам, исследуемый материал относится к конструкционным и конструкционно-теплоизоляционным легким бетонам. Материал удовлетворяет нормативным требованиям ГОСТ 258202000 по прочности на осевое сжатие (класс не менее В 2,5), марке по морозостойкости (не менее Г25).
Анализ результатов наблюдений за образцами из ДШКМ, хранившихся в условиях воздействия мороза, солнца, атмосферных осадков, динамических и статических нагрузок, позволяет сделать главный вывод: его эксплуатационные свойства превышают эксплуатационные свойства традиционных деревобетонов.
Сравнительный анализ бетонов на древесных заполнителях и других равноплотных конструкционно-теплоизоляционных бетонов с ДШКМ (табл. 3) показывает преимущество последнего.
Таблица 3
Сравнительный анализ материалов
Наименование материала Плотность Рсух , кг/м3 Класс бетона или марка изделия Коэффициент теплопроводности Хсух , Вт/(м- К) Морозостойкость, цикл
Арболит: 1 - стены, перегородки, блоки 300 - 900 В0,35 - В3,5 0,07 - 0,19
элементы несъемной опалубки: 15 - 50
- СЦП типа Велокс - пустотелые блоки типа Дюрисол 700 - 800 300 - 450 В2,5 - В3,5 В 1,5 - В2,5 0,14 - 0,16 0,07 - 0,075
Фибролит2 280 - 570 В0,35 - В0,75 0,06 - 0,07 15 - 50
Опилкобетон 2,3 400 - 1100 В1 - В3,5 0,08 - 0,32 50 - 100
ШЩБ 4 на органическом заполнителе 1200 - 1400 В3,5 - В7,5 нет данных более 100
Ячеистые бетоны:
- Газобетон5,6 газобетонные блоки - Пенобетон5,6 пенобетонные блоки 500 - 900 1000 - 1200 В1 - В7,5 В5 - В15 0,10 - 0,24 0,23 - 0,38 15 - 100 15 - 50
ДШКМ - констр-теплоизоляц., и конст-рукц., бетон 1180 - 1420 В5 - В15 0,15 - 0,27 не менее 200*
Примечание: * - Морозостойкость ДШКМ указана для класса В10.
1 Согласно ГОСТ 54854-2011 «Бетоны легкие на органических заполнителях растительного происхождения. Технические условия».
2 Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И.Х. Наназашвили. - Л., 1990.
3 URL: www.opilkobeton.ru
4 Бабийчук, И.П. Шлакощелочные бетоны на органических заполнителях / И.П. Бабийчук // Цемент. - 1991. - № 3 - 4. - С. 46 - 49.
5 Согласно ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия».
6 Согласно ТУ 5870-001-21655395-2000 «Пенобетон. Технические условия», а также согласно ГОСТ 21520-89 «Блоки из ячеистых бетонов. Стеновые мелкие. Технические условия» и ГОСТ 31359-2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия».
Литература ва, А.Ф. Акопян // Строительные материалы. - 2010. -
№ 11. - С. 28 - 29.
1. ГОСТ 25820-2000 Бетоны легкие. Технические условия. - Введ. 2001-09-01. - М., 2000.
2. Шляхова, Е.А. Оценка границ применимости сырья для производства шлакощелочных вяжущих / Е.А. Шляхо-
В сравнительном аспекте доказано, что бетоны из древошлакового композита имеют улучшенные физико-механические и теплофизические параметры, чем аналогичные равноплотные бетоны и деревобетоны. Кроме того, новый строительный материал экологически безопасен для использования в производстве широкой номенклатуры конструкций (стеновые блоки, камни, перегородки, панели) гражданского, сельскохозяйственного и промышленного строительства. Экологическая безопасность обусловлена соответствием требованиям стандартов, в том числе по определению мощности гамма-фона и эффективной активности ЕРН. ДШКМ относится к первому классу строительных материалов в соответствии с критериями для принятия решения об использовании строительных материалов (ГОСТ 30108-94).
