CC BY
2А.В. Яновская, магистрант, e-mail: [email protected] Н.А. Джамбеков, магистрант, e-mail: [email protected] С.А. Джамалдинов, магистрант, e-mail: [email protected] П.Б. Костюков, магистрант, e-mail: [email protected] Д.А. Павлов, магистрант, e-mail: [email protected] А.В. Сердюкова, студент, e-mail: [email protected] Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
УДК 691.327.333
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ УЛУЧШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОРИСТОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕНО- И ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ
В статье приведены результаты ряда экспериментальных исследований, направленных на получение теплоизоляционных пенобетонов и фибропенобетонов c улучшенными физико-механическими свойствами за счет подбора рационального количества фибры и применения малоэнергоемкой активации переменным электрофизическим воздействием, а также на исследование показателей пористости теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов под влиянием активации. Подобрано наиболее рациональное количество фибры в процентах от массы вяжущего - 4. При данной степени армирования наблюдается наиболее положительный эффект от электрофизической активации фибропенобетона, а физико-механические свойства материала имеют наибольшие значения. Установлено, что малоэнергоемкая электрофизическая активация приводит к незначительному (до 5 %) увеличению общей пористости пено- и фибропенобетона. В то же время открытая капиллярная пористость уменьшается на 12-20 %, что свидетельствует об упрочнении межпоровых перегородок пено- и фибропенобетона, при этом плотность остается практически неизменной. Исследование полной и дифференциальной пористости подтвердило факт уменьшения открытой капиллярной пористости пено- и фибропенобетона в результате малоэнергоемкой электрофизической активации.
Ключевые слова: фибропенобетон, малоэнергоемкая активация, переменное электрофизическое воздействие, фибра, общая пористость, открытая пористость, межпоровая перегородка.
A.V. Yanovskaya, undergraduate N.A. Dzhambekov, undergraduate S.A. Dzhamaldinov, undergraduate P.B. Kostyukov, undergraduate D.A. Pavlov, undergraduate A.V. Serdyukova, student
SOME ASPECTS OF IMPROVEMENT OF PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS AND REGULATION OF POROSITY INDICATORS OF HEAT-INSULATING FOAM- AND FIBER FOAM-CONCRETES
The article presents the results of a series of experimental studies aimed at obtaining heat-insulating foam concrete and fiber concrete with improved physical and mechanical properties due to the selection of a rational amount offiber and the use of low-energy-intensive activation by variable electrophysical effects, as well as the study ofporosity indicators of heat-insulating foam and fiber foam concrete under the influence of activation. The most rational amount of fiber was selected as a percentage of the binder mass - 4. At this degree of reinforcement, the most positive effect is observed from the electrophysical activation offiber-rein-forced concrete, and the physicomechanical properties of the material have the greatest values. It was found that low-energy electrophysical activation leads to an insignificant (up to 5%) increase in the total porosity of foam and fiber concrete. At the same time, open capillary porosity decreases by 12-20%, which indicates
hardening of inter-pore partitions offoam and fiber foam- concrete, while the density remains almost unchanged. The study of total and differential porosity confirmed the fact of a decrease in the open capillary porosity offoam and fiber concrete as a result of low-energy electrophysical activation.
Key words: fiber-reinforced concrete, low-energy activation, variable electrophysical effects, fiber, total porosity, open porosity, inter-pore septum.
Введение
Наиболее эффективный способ повышения стабильности пенобетонных смесей контроля их агрегативной устойчивостью, а также повышения скорости их структурообразования - армирование фибровыми волокнами. Применение данного способа ведет к уменьшению деформаций усадки в несколько раз, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики фибропенобетонов [1-7].
Теоретические основы технологии производства и особенностей структурообразования диспесрсно-армированных пенобетонов были заложены в работах Г.П. Сахарова, В.Т. Пер-цева, Г.А. Айрапетова, И.А. Лобанова, Л.В. Моргун, Г.В. Несветаева и др. [1-5].
В работах [3, 4] установлено, что применение дисперсных волокон в пенобетоне ведет к уменьшению числа дефектов структуры в готовых пенобетонах. Экспериментально доказана эффективность полиамидной фибры как структурообразующего компонента, регулирующего свойства межпоровых перегородок на ранней стадии структурообразования.
В результате этого улучшается трещиностойкость, уменьшается теплопроводность, стабилизируются гидрофизические свойства дисперсно-армированных пенобетонов в сравнении с пенобетонами аналогичной плотности. При этом вследствие увеличения прочности уменьшается материалоемкость фибробетонных строительных конструкций.
Л.В. Моргун экспериментально подтвердил снижение паропроницаемости и водопогло-щения по объему у фибропенобетона по сравнению с пенобетоном аналогичной плотности. Также фибропенобетоны имеют большие модуль упругости и предельную растяжимость в сравнении с равноплотным пенобетоном [3, 4].
В работе [6] автор приходит к выводу, что агрегативная устойчивость пенобетонных смесей зависит от действия алюмосодержащих компонентов вяжущего и расширяющей добавки. При этом вяжущее и расширяющая добавка существенно ускоряют явление коалесценции, но способствуют контролю собственных деформаций твердеющего пенобетона [6].
Автор приходит к заключению о том, что объем пенобетонов, армированных фиброй, с расширяющей добавкой остается неизменным в течение одного года с момента начала формирования структуры, что позволяет получить фибропенобетон неавтоклавного твердения с компенсированной усадкой.
А.Ю. Богатина анализировала возможность использования конструкционных фибропенобетонов неавтоклавного твердения в несущих элементах жилых и общественных зданий [7]. Установлено, что достичь максимальной прочности на растяжение при изгибе можно при использовании фибры в количестве 1,5 % от объема твердой фазы. При этом наиболее рациональная длина фибровых волокон, применяемых при изготовлении конструкционного пенобетона, варьируется от 20 до 30 мм, так как большая длина вызывает комкование волокон. Использование фибропенобетонов, обладающих достаточно высокой морозостойкостью, более экономически целесообразно, нежели использование многослойных конструкций с утеплителями.
При помощи воздействия на пенобетонную смесь переменным электрическим полем можно достигать более плотной упаковки частиц в материале межпоровых перегородок путем ликвидации в них капиллярной пористости и повышения площади контактов между частицами. Данный способ может быть достаточно эффективен в технологии пено- и фибропенобе-тона.
Целью данных экспериментальных исследований являлось улучшение физико-механических характеристик и детальное изучение характера изменения показателей пористости за
счет рациональной дозировки компонентов фибропенобетонных смесей и активации этих смесей малоэнергоемким электрофизическим воздействием с оптимальными значениями его параметров.
Объекты и методы исследований
В лабораториях кафедры «Технология вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики» Донского государственного технического университета была проведена серия экспериментальных исследований, направленных на получение теплоизоляционного пенобетона и фибропенобетона с улучшенными физико-механическими свойствами за счет подбора рационального количества фибры и применения малоэнергоемкой активации переменным электрофизическим воздействием, а также на исследование показателей пористости теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов под влиянием активации [8].
Пено- и фибропенобетоны подвергались малоэнергоемкой электроактивации с оптимальными параметрами, установленными авторами ранее, а именно:
- напряженность электрического поля - 3 В/см;
- частота - 50 кГц;
- продолжительность активации - 1 мин.
Для анализа влияния количества фибры на свойства активированных фибропенобетонов использовались бездобавочный цемент ЦЕМ I 42,5Н и пенообразователь «ПБ-Люкс». В качестве заполнителей применялся молотый песок смеси двух фракций - 0,08-0,16 мм и 0,160,315 мм. Во всех опытах оставались постоянными: соотношение цемент/заполнитель, вязкость пенобетонной смеси (около 300-320 мм расплыва шликера на вискозиметре Суттарда), а также условия приготовления смесей, их укладки и обработки. Твердение всех образцов происходило в естественных условиях до проектного возраста 28 сут. Применялась полипропиленовая фибра [9-11].
Общую пористость определяли по формуле:
V
П = -п
vo
где Vп - объем пор в материале; Vо - объем материала в естественном состоянии.
Открытая пористость По определяется как отношение суммарного объема пор, насыщающихся водой, Упвод к объему материала Уо, т.е.
тувод
П0 = ^.
0 V у 0
Результаты и их обсуждение
Результаты влияния количества фибры на физико-механические показатели фибропенобетонов приведены в таблице 1 и на рисунках 1 -3.
Таблица 1
Влияние степени армирования фиброй на изменение физико-механических свойств пенобетона
и эффекта от электрофизической активации
Количество фибры, % (от массы цемента) Прочность при сжатии/ при изгибе, МПа Средняя плотность, кг/м3 Сорбционная влажность при относ. влаж. возд. 75%, % Сорбционная влажность при относ. влаж. возд. 97%, % Теплопроводность, Щм'С) Паропрони-цаемость, мг/(мчПа)
Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт.
0 1,09 / 0,14 0,97 / 0,12 501 515 2,08 2,19 3,09 3,25 0,115 0,122 0,164 0,155
3 1,49/0,19 1,27/0,16 511 521 2,05 2,17 3,05 3,24 0,116 0,124 0,161 0,152
4 1,60/0,22 1,32/0,17 506 518 2,02 2,20 3,03 3,29 0,111 0,122 0,162 0,154
5 1,44/0,18 1,25/0,15 517 525 2,01 2,11 3,03 3,17 0,121 0,127 0,159 0,150
1,6 1,4
ей
S S
Й
*
о
с С 1,2
^ .
н ' о о
X
g
а С
1
4 5
Количество фибры, %
• Активированный фибропенобетон
Рисунок 1 - Сравнение прочности при сжатии активированного и неактивированного фибропенобетонов в зависимости от количества фибры
3
• Активированный фибропенобетон
• Неактивированный фибропенобетон
Рисунок 2 - Сравнение прочности при изгибе активированного и неактивированного фибропенобетонов в зависимости от количества фибры
Л
т с о н
8 в
о р
п о л п е
н
о
о
т
са
0,13 0,12 0,11 0,1
45 Количество фибры, %
3
• Активированный фибропенобетон
• Неактивированный фибропенобетон
Рисунок 3 - Сравнение теплопроводности активированного и неактивированного фибропенобетонов в зависимости от количества фибры
Результаты влияния электроактивации пено- и фибропенобетона на изменение показателей их пористости приведены в таблицах 2-3 и на рисунках 4-7.
46
Таблица 2
Влияние активации на изменение показателей пористости пенобетона (фибропенобетона)
Пенобетон (фибропе-нобетон) Средняя плотность пенобетонной (фибропенобетонной) смеси, кг/м3 Средняя плотность Предел прочности при сжатии / при изгибе при W = 10 % Пористость, %
кг/м3 Вариация v(po), % МПа Вариация v(Rb), % Общая Открытая
Актив. 640 (650) 501 (512) 1,8 1,29 / 0,15 (1,42 / 0,19) 10,7 82,5 (74,2) 42,6 (38,3)
Без актив. 518 (529) 3,7 1,09 / 0,12 (1,2 / 0,16) 14,4 81,5 (73,4) 48,1 (43,3)
Актив. 520 (530) 402 (409) 1,8 1,06 / 0,13 (1,17 / 0,17) 10,7 86,2 (77,6) 45,9 (41,2)
Без актив. 414 (425) 3,7 0,97 / 0,10 (1,07 / 0,13) 14,4 85,5 (77,0) 49,8 (44,8)
Актив. 750 (765) 606 (619) 1,8 1,58 / 0,17 (1,74 / 0,22) 10,7 78,5 (70,7) 41,9 (37,4)
Без актив. 624 (638) 3,7 1,43 / 0,14 (1,57 / 0,18) 14,4 77,7 (69,9) 45,2 (40,7)
£ 88 л
8 86
н о к
Л 84
о
X
5 82
ю
О 80
78 76 74
400 500 600
Средняя плотность, кг/м3 Активированный пенобетон • Неактивированный пенобетон
Рисунок 4 - Сравнение общей пористости активированного и неактивированного пенобетонов
в зависимости от их средней плотности
52 50 48
л h О О
Ö 46 s а о
с
§
И 40 и h О
44 42
400
500 600
Средняя плотность, кг/м3
Активированный пенобетон
Неактивированный пенобетон
Рисунок 5 - Сравнение открытой пористости активированного и неактивированного пенобетонов
в зависимости от их средней плотности
ь т с о т с
s
р
о п
§
EÏ ю О
78 76 74 72 70 68
400
500 600
Средняя плотность, кг/м3
• Активированный фибропенобетон
• Неактивированный фибропенобетон
Рисунок 6 - Сравнение общей пористости активированного и неактивированного фибропенобетонов
в зависимости от их средней плотности
46
ь т с о т с
s
р
о п
т
M
р
к т
о
44 42 40 38 36 34
400 500 600
Средняя плотность, кг/м3
• Активированный фибропенобетон
• Неактивированный фибропенобетон
Рисунок 7 - Сравнение открытой пористости активированного и неактивированного фибропенобетонов в зависимости от их средней плотности
Таблица 3
Характеристики структуры пенобетонов и фибропенобетонов, выявленные с использованием оптического микроскопа
Пенобетон Пористость, %
(фибро-пено- Пп Пд по размерам пор, мкм
бетон) До 200 200-400 400-600 600-800 800-1000 1000- 2000 и
Б500 2000 более
Без акт. 82,5 (74,2) 10,5 (12,2) 18,2 (21,1) 25,2 (28,6) 29,3 (31,1) 10,2 (5,4) 5,6 (1,1) 2,0 (0,5)
Активир. 81,5 7,5 14,8 22,5 28,6 13,6 8,2 (4,6) 4,8 (2,5)
(73,4) (11,0) (18,5) (24,2) (29,4) (9,8)
Пп, Пд - соответственно полная и дифференциальная пористость пенобетона и фибропенобе-
тона.
Для сохранения вынужденных колебаний в среде с вязким трением должна быть затрачена определенная мощность, поглощаемая пенобетонной смесью при электроактивации, называемая мощностью потерь, так как она затрачивается на силы сопротивления среды при колебаниях заполнителя и в итоге преобразуется в тепло.
Поглощение энергии смесью будет иметь резонансный характер. Именно в этом случае режим малоэнергоемкой электроактивации оптимален для достижения максимального эффекта от регулирования структурообразования и характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных переменным электрическим полем.
Полученные активированные пено- и фибропенобетоны по сравнению с неактивированными обладают улучшенными физико-механическими характеристиками и могут применяться в качестве тепло- и звукоизоляции стен, полов, плит перекрытий. При этом малоэнергоемкая электроактивация способствует уменьшению количества брака при транспортировании и монтаже изделий из теплоизоляционного пено- и фибропенобетона.
Выводы
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы.
Наиболее рациональное количество фибры в процентах от массы вяжущего - 4. При данной степени армирования наблюдается наиболее положительный эффект от электрофизической активации фибропенобетона, а физико-механические свойства материала имеют наибольшие значения.
Малоэнергоемкая электрофизическая активация приводит к незначительному (до 5 %) увеличению общей пористости пено- и фибропенобетона. В то же время открытая капиллярная пористость уменьшается на 12-20 %, что свидетельствует об упрочнении межпоровых перегородок пено- и фибропенобетона, при этом плотность остается практически неизменной.
Исследование полной и дифференциальной пористости подтверждает факт уменьшения открытой капиллярной пористости пено- и фибропенобетонов в результате малоэнергоемкой электрофизической активации.
Библиография
1. Сахаров Г.П. Новая эффективная технология неавтоклавного поробетона // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI века. - 2002. - № 6. - С. 28-29.
2. Перцев В.Т. Управление процессами раннего формирования структуры бетонов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2002. - 41 с.
3. Моргун Л.В. Влияние формы компонентов на интенсивность межчастичных взаимодействий в пенобетонных смесях // Строительные материалы. - 2007. - № 4 . - С. 29-31.
4. Моргун Л.В. Научные принципы агрегативной устойчивости пенобетонных смесей // Технологии бетонов. - 2008. - № 1. - С. 26.
5. Несветаев Г.В. Расчет состава ячеистых бетонов // Популярное бетоноведение. - 2004. - N° 2.-С.75-76.
6. Моргун В.Н. Структурообразование и свойства фибропенобетонов неавтоклавного твердения с некомпенсированной усадкой: дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д., 2004. - 178 с.
7. Богатина А.Ю. Конструкционные фибропенобетоны для зданий гражданского типа: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д.: Изд-во РГСУ, 2005. - 24 с.
8. Патент на изобретение РФ. №2538567 от 10.01.2015. Способ изготовления строительных изделий и пенобетона / Гольцов Ю.И., Стельмах С.А., Щербань Е.М, Явруян Х.С. - Бюл. № 1.
9. Щербань Е.М. Регулирование структурообразования и свойств теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, технологическими и рецептурными факторами: дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д., 2014. -216 с.
10. Стельмах С.А. Влияние параметров малоэнергоемких переменных электрических полей на свойства активированных теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов: дис. ... канд. техн. наук. -Ростов н/Д., 2014. - 185 с.
11. Павлов А.Н., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А. и др. Прочность пенобетона при воздействии переменного электрического поля // Научное обозрение. - 2015. - № 10-1. - С. 147-150.
Bibliography
1. Sakharov G.P. New effective technology for non-autoclaved aerated concrete // Building materials, technologies, equipment of the 21st century. - 2002. - N 6. - P. 28-29.
2. Pertsev V.T. Management of processes of early formation of concrete structure: Extended abstract of Doct. Diss (Engineering). - Voronezh: VSUACE, 2002. - 41 p.
3.MorgunL.V. The influence of the shape of the components on the intensity of interparticle interactions in foam concrete mixtures // Building Materials. - 2007. - N 4. - P. 29-31.
4. Morgun L.V. Scientific principles of aggregative stability of foam concrete mixtures // Concrete Technologies. - 2008. - N 1. - P. 26.
5. Nesvetaev G.V. Calculation of the composition of cellular concrete // Popular Concrete Science. -2004. - N 2. - P. 75-76.
6. Morgun L.V. Structuring and properties of non-autoclaved fibropenobetons with uncompensated shrinkage: Diss. ... Cand. tech. Sciences. - Rostov-on-Don, 2004. - 178 p.
7. BogatinaA.Yu. Structural fiber-reinforced concrete for civil type buildings: Extended abstract of PhD diss. (Engineering). - Rostov-on-Don: RSSU, 2005. - 24 p.
8. Patent for the invention of the Russian Federation. N 2538567 dated 01/10/2015. A method of manufacturing construction products and foam concrete / Goltsov Yu.I., Stel'makh S.A., Shcherban E.M, Ya-vruyan Kh.S. - Bull. N 1.
9. Shcherban E.M. Regulation of structure formation and properties of heat-insulating foam and fiber concrete activated by low-energy variable electrophysical effects, technological and prescription factors: Diss. ... Cand. tech. Sciences. - Rostov-on-Don, 2014. - 216 p.
10. Stel'makh S.A. Influence of parameters of low energy-intensive alternating electric fields on the properties of activated heat-insulating foam and fiber concrete: Diss. ... Cand. tech. Sciences. - Rostov-on-Don, 2014. - 185 p.
11. Pavlov A.N., Goltsov Yu.I., Stelmakh S.A., Shcherban E.M. The strength of foam concrete under the influence of an alternating electric field // Scientific Review. - 2015. - N 10-1. - P. 147-150.
