CC BY
22УДК 666.973.6.572
Р.Г. ДОЛОТОВА, канд. техн. наук, В.И. ВЕРЕЩАГИН, д-р техн. наук, В.Н. СМИРЕНСКАЯ, канд. техн. наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Определение составов ячеистых бетонов различной плотности при использовании полевошпатово-кварцевых песков методом математического планирования
Современные потребности в эффективных строительных материалах определяют интенсивное развитие и использование неавтоклавных ячеистых бетонов. В качестве вяжущего в них используется портландцемент, а в качестве кремнеземистого заполнителя сырье с высоким содержанием свободного кварца не менее 90%). Поэтому решение задачи по замене кремнеземистых заполнителей на природные кремнеземсодержа-щие материалы с содержанием 65—79% SiO2 является своевременным и актуальным.
В строительной практике, использующей большое количество различных по природе, свойствам и назначению сырьевых материалов доступными источниками местного кремнеземистого сырья как потенциального резерва минерально-сырьевой базы промышленности строительных материалов являются полевошпатово-кварцевые пески. Окончательное заключение о пригодности нетрадиционных кремнеземсодержащих природных и техногенных сырьевых материалов в составе ячеистых бетонов различного назначения делается после комплекса технологических исследований.
В настоящей работе выполнены исследования свойств и оценка пригодности полевошпатово-кварце-вых песков в качестве заполнителей для получения газобетона неавтоклавного твердения различной плотности. Методами математического планирования проведена оптимизация составов смеси для получения ячеистого бетона.
Выбор кремнеземсодержащего сырья производился исходя из предварительной оценки его свойств на соответствие требованиям ГОСТ 25485—89 «Бетоны ячеистые. Технические условия». Физико-механические свойства полевошпатово-кварцевого песка, представленные в табл. 1, в целом удовлетворяют основным требованиям стандарта к кремнеземистым заполнителям ячеистого бетона.
Анализ гранулометрического состава полевошпато-во-кварцевого песка позволяет классифицировать его как среднезернистый, что не обеспечит достаточной устойчивости (стабилизации) ячеисто-бетонных масс в процессе их вызревания, поэтому при подготовке кремнеземистого заполнителя производился помол до удельной поверхности 2500 см2/г, обеспечивающей необходимую степень дезинтеграции основных минералов исследуемого песка, позволяющую прогнозировать повышение их химической активности и возможности последующего фракционирования измельченного материала с достаточным уровнем выхода полезного продукта. По данным петрографического и рентгенофазового методов анализа, основными минералами песка являются в-кварц и минералы полевых шпатов в различном соотношении (ортоклаз, альбит, анортит), представленные зернами угловатой формы с шероховатой и раковистой поверхностью.
Химический анализ (табл. 2) полевошпатово-квар-цевого песка выявил несоответствия отдельным требованиям стандарта для заполнителей ячеистых бетонов по валовому содержанию в них кремнезема.
Наиболее важной характеристикой кремнеземсодер-жащего сырья для ячеистых бетонов является содержание в них активного (растворимого) кремнезема, определяющего реакционную способность сырья по отношению к извести и продуктам гидратации цемента. Комплексные исследования химической активности [1] песка полевошпатово-кварцевой минерализации свидетельствуют об их низкой силикатной активности. Однако они проявляют повышенную алюминатную и феррит-ную активность в цементо-содержащих системах с образованием растворимых форм гидросульфо-алюминатных (ферритных) соединений калия, натрия, кальция.
Учитывая особенности свойств используемого сырья, изучались силикатные системы на основе портландцемента и полевошпатово-кварцевого песка в сочетании с технологическими добавками. Разработка составов ячеистых бетонов весьма трудоемкая задача, требует значительного объема экспериментальных исследований. Применение математических методов планирования и обработка результатов эксперимента в области строительных материалов являются наиболее эффективным и целесообразным для многокомпонентных составов. Для проведения исследования с помощью математических методов необходимо: провести три этапа работы эксперимент ^ построение модели ^ интерпретация модели [2]; принять решения о дальнейшем направлении исследований.
Целью работы является определение закономерностей влияния компонентов ячеисто-бетонной смеси на свойства газобетона неавтоклавного твердения на основе портландцемента с использованием полевошпатово-кварцевых песков в качестве кремнеземистого заполнителя. Для сокращения продолжительности эксперимента и повышения надежности результатов было
Таблица 1
Материал Истинная плотность, кг/м3 Насыпная плотность, кг/м3 Пористость слоя материала, % Естественная влажность, %
Полевошпатово-кварцевый песок 2850 1600 44 5
Таблица 2
Материал Содержание оксидов, мас. %
SiO2 Fe2Oз CaO R2O ДМПр Прочие
Полевошпа-тово-кварце-вый песок 65,74 8,67 3,97 7,1 5,47 5,5 2,64 1,6
научно-технический и производственный журнал
1
671.Ш // /¿р.455 / /
'<////7//,
/ / г / Г / / " /V о,о Л
" *------
о
0 чо ей ^
1 5
о о
^ ф
§ ^
ш >2
О о
о р
(О о
Ез £
5 10 15
Количество извести в составе ячеисто-бетонной смеси, %
Л / V & ! 2556.636 V |\ 536.0 V , V 2К12 ' \ 1 X Л М ' \ 5 818 / 536.273 V V у \ ¥ 546.455 Л I \ Л'ш ■ ; \ ь '1)5' 2505. V 485.364 Г 495.545 Л „| 27 3.1У7 Л 475.1 Д. А »г
Г 536 273 V V Ш Ч 1 А [б]495.5458 85*364 2 №182197
5 10 15
Количество извести в составе ячеисто-бетонной смеси, %
2
20 40 60
Количество песка в составе ячеисто-бетонной смеси, %
20 40 60
Количество песка в составе ячеисто-бетонной смеси, %
15
20 40 60
Количество песка в составе ячеисто-бетонной смеси, %
20 40 60
Количество песка в составе ячеисто-бетонной смеси, %
прочность при сжатии, МПа
средняя плотность, кг/м3
Экспериментально-статистические модели неавтоклавного газобетона на основе портландцемента при использовании полевошпатово-кварцевого песка в сочетании с добавками асбестовых волокон и извести при минимальном (1) и максимальном (2) соотношениях компонентов
2
а
6
6
4
4
2
2
б
6
6
4
4
2
2
в
1
2
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® декабрь 2012 17~
Таблица 3
Уровни Портландцемент, мас. % Факторы
х1 полевошпатово-кварцевый песок, мас. % х2 известь, мас. % х3 асбестовые волокна, мас. %
Основной 46 40 10 4
Интервал варьирования - 20 5 2
Верхний 19 60 15 6
Нижний 70 20 5 2
применено математическое планирование по методу Бокса—Уилсона [2].
Для исследований свойств ячеистых бетонов изучались силикатные системы на основе портландцемента, извести с использованием кремнеземсодержащего компонента в виде полевошпатово-кварцевого песка и асбестовой пыли — попутного продукта обогащения ГОК «Туваасбест» (Республика Тыва). Определение оптимального состава производили по характеристикам, влияющим на прочностные свойства газобетона и обеспечивающим заданную плотность изделий, по плану трехфак-торного эксперимента на двух уровнях варьирования.
В качестве факторов варьирования принимались: х1 — содержание полевошпатово-кварцевого песка, мас. %; х2 — содержание извести, мас. %; х3 — содержание асбестовых волокон, мас. %. В качестве основных свойств определялись: прочность при сжатии газобетона (у1) и средняя плотность газобетона (у2). В табл. 3 представлены основные уровни и интервалы их варьирования.
После выбора факторов и их уровней варьирования составлялась матрица планирования (табл. 4), при этом принималось, что в данном эксперименте должны быть учтены все возможные комбинации значений факторов, варьируемых на верхнем и нижнем уровнях.
После проверки дисперсии воспроизводимости, гипотезы об адекватности линейной модели и значимости всех коэффициентов регрессии по доверительному интервалу для уровня достоверности 90—95% по результатам эксперимента получено два уравнения регрессии:
у1=2,17—0,66х1—0,61х2+0,11х3+ +0,16х1х2—0,23х1х3—0,07х2х3+0,12х1х2х3; (1)
у2=513—23х1—45х2+10х3—11х1х2—
—13х1х3—28х2х3+10х1х2х3. (2)
Адекватные линейные модели (1) и (2) имеют вид полинома первой степени, которые отражают поведение отклика функции регрессии от двух влияющих факторов и позволяют определять значение средней плотности и прочности газобетона в любой точке факторного пространства. Коэффициенты полинома являются частными производными функции отклика по соответствующим переменным. Величина коэффициента регрессии — количественная мера влияния каждого фактора на параметр оптимизации, и чем больше коэффициент, тем сильнее влияет фактор; о характере влияния факторов говорят и знаки коэффициентов: знак «+» свидетельствует о том, что с увеличением значения фактора растет величина параметра оптимизации, а при знаке «—» — убывает. Исходя из этого в соответствии с уравнениями (1) и (2) отрицательное действие на прочность при сжатии газобетона оказывают факторы х2 и х1, т. е. чем выше содержание вводимых в состав газобетона заполнителя и извести, тем ниже прочность готового изделия. Однако совместное влияние факторов х2 и х1 дает положительный результат на формирование прочного дисперсно-армированного ячеистого бетона. Известь, вводимая в состав ячеисто-бетонной массы, при перемешивании с заполнителем способствует по-
вышению его активности за счет активации поверхностного слоя зерен заполнителя. В процессе тепловлаж-ностной обработки ячеистых изделий пропариванием этот эффект усиливается, так как при повышении температуры все потенциально реакционные составляющие полевошпатово-кварцевого песка активизируются и тем быстрее и полнее протекают процессы нарастания структурной прочности газобетона.
Положительное влияние (судя по значениям коэффициентов) на прочность при сжатии газобетона оказывает содержание асбестовых волокон — фактор Х3, которые в составе ячеисто-бетонной смеси выполняют роль армирующего компонента, располагаясь в межпоровых перегородках газобетона; волокна улучшают условия стабильности процесса поризации, что приводит к улучшению свойств готового изделия, и благодаря гибкости и эластичности они выполняют функцию барьеров на пути распространения трещин и сообщающихся пор. При совместном перемешивании полевошпатово-кварцевого песка и асбестовых волокон в растворе гидроксида кальция, волокна асбеста насыщаются раствором с образованием активной контактной зоны на поверхности волокон с частицами заполнителя и продуктами гидратации цемента [3]. В результате формируется прочный каркас межпоровых перегородок из волокон, покрытых плотным слоем гидратных образований при твердении цемента, что упрочняет готовые изделия, о чем свидетельствует положительное влияние факторов х1, х2 и х3.
Для изменения независимых переменных пропорционально величинам коэффициентов регрессии было предпринято крутое восхождение в направлении градиента линейного приближения. Анализ уравнений проводился методом сечений, используя математический пакет Mathcad, с помощью которого построены графики линий равного уровня. Для получения качественных факторов одному из варьируемых факторов задавалось постоянное значение, а по двум другим строились зависимости изменения плотности и прочности газобетона при минимальном и максимальном содержании компонентов ячеистых масс, которые представлены на рисунке. Графический анализ экспериментально-статистических зависимостей позволяет оценить влияние любого заданного в границах эксперимента компонента
Таблица 4
№ Планирование
опыта Х1 х2 х3 х1х2 х1х3 х2х3 х1х2х3
1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1
2 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1
3 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1
4 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1
5 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1
6 +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1
7 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1
8 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
научно-технический и производственный журнал
Таблица 5
Расчетная плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Класс прочности Открытая пористость, % Морозостойкость, циклы Усадка при высыхании, мм/м Коэффициент теплопроводности, Вт/м°С
500 2,65 В2; В2,5 20,08 35 0,45 0,12
800 4,3 В3,5 19,28 35 0,43 0,23
1100 6,15 В5 17,68 35 0,3 0,35
ячеисто-бетонной смеси на свойства готового изделия. По представленным на рисунке моделям зависимостей можно выделить область оптимального содержания полевошпатово-кварцевого песка, извести и асбестовых волокон.
Введение оптимального количества компонентов в состав ячеисто-бетонной смеси способствует образованию прочного каркаса за счет хорошего сцепления цементного камня и наполнителя.
Оптимальными по свойствам ячеисто-бетонных материалов являются области, соответствующие содержанию, мас. %: полевошпатово-кварцевого песка 30<х1<50; извести 5<х2<10; асбестовых волокон 2<х1<6. При этом содержание портландцемента находится в пределах 34—63 мас. % Введение таких количеств компонентов в состав ячеисто-бетонных масс способствует образованию прочной матрицы (каркаса) межпоровых перегородок за счет сцепления цементного камня, полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста. На поверхности зерен полевошпатово-кварцевого песка и волокон асбеста, обработанных в растворе гидроксида кальция, образуется многослойная модифицированная
система из продуктов гидратации портландцемента, состоящая из контактного слоев, промежуточного и переходного слоя к цементному камню с высоким химическим сродством во всех зонах контакта. В этих условиях реализовываются так называемые эффекты армирования ячеистого бетона наполнителем — полевошпатово-кварцевым песком и микроармирования — асбестовым волокном. По результатам проведенных исследований были получены ячеистые бетоны различной плотности. В табл. 5 приведены технические свойства изделий.
Методом математического планирования рассчитано соотношение компонентов в газобетонной смеси содержащей портландцемент, полевошпатово-кварцевый песок, добавки извести и асбестовых волокон, которые обеспечивают увеличение прочности изделий на 15— 20% при снижении расхода портландцемента на 5—10%. При изменении плотности газобетона от 500 кг/м3 до 1100 кг/м3 прочность изменяется от 2,6 до 6,2 МПа, что выше требований стандарта для соответствующих плотностей ячеистых бетонов.
Ключевые слова: математическое планирование эксперимента, неавтоклавный газобетон, факторы варьирования.
Список литературы
1. Долотова Р.Г., Смиренская В.Н., Верещагин В.И. Оценка активности низкокремнеземистого сырья и его пригодности в качестве заполнителя ячеистого бетона // Строительные материалы. 2008. № 1. С. 40—42.
2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.
3. Долотова Р.Г., Верещагин В.И., Кара-сал Б.К. Сырьевая смесь для получения газобетона неавтоклавного твердения. Пат. 2410362 РФ // Опубл. 27.01.2011 Б.И. № 3. 8 с.
Г; научно-технический и производственный журнал
V.'■^У^АГЬ:® декабрь 2012 19
