CC BY
33УДК 666.973.6
Л.И. ДВОРКИН, д-р техн. наук, О.В. БЕЗУСЯК, канд. техн. наук,
И.В. КОВАЛЫК, инженер, Национальный университет водного хозяйства
и природопользования (Ровно, Украина)
Проектирование состава пеногипса
Пеногипс относится к эффективным строительным материалам. Он имеет низкую плотность и теплопроводность, высокую огнестойкость. Свойства пеногипса зависят от качественных и количественных показателей составляющих его материалов и добавок, а также от их соотношений. Обычно проектирование состава пеногипса проводят путем трудоемкого экспериментального подбора.
Для разработки расчетно-экспериментального метода проектирования состава пеногипса были проведены необходимые теоретические и экспериментальные исследования [1].
В качестве расчетной схемы (рис. 1) рассматривали массив, состоящий из гипсового камня и макропор, образованных пеной. В свою очередь, гипсовый камень включает дополнительно микропоры, образованные избыточной водой.
Прочность массива пеногипса пропорциональна минимальной активной (условно беспористой) площади поперечного сечения твердой фазы гипсового камня:
(1)
п _Р _ -^т.ф Л.ф _ ^т.ф (Т-^щр) 1 " 1 ,
где Р — несущая способность массива пеногипса, МН; F — площадь поперечного сечения массива пеногипса, м2; Лт.ф — прочность твердой фазы гипсового камня, МПа; Яг.ф — минимальная активная площадь поперечного сечения твердой фазы гипсового камня в массиве пеногипса, м2; -РПОр — суммарная площадь микро- и мак-ропор в поперечном сечении массива пеногипса.
Выразив площадь микропор через пористость гипсового камня, образуемую избыточной водой Пг.к, площадь макропор через пористость пеногипса, образуемую пеной Ппг, уравнение (1) приведем к виду [2]:
д„Т=Дт.ф(1 -Аг.к(Пг.к)2/3) (1 -Аш (Пш)2'3),
(2)
где Аг.к — коэффициент, учитывающий особенности порового пространства гипсового камня (равномерность распределения пор, их размеры, форму и др.); Аш — коэффициент, учитывающий особенности поро-вого пространства пеногипса.
Прочность пеногипса также можно выразить через отношение плотностей исходных фаз:
т.ф
1-А,
1 Рг.Е
г.к| 1 р0
2/3
1-Апг 1-
Рг.1
2/3
(3)
где Рг.к — плотность гипсового камня, г/см3; Ро — плотность твердой фазы гипсового камня, Ро « 2,3 г/см3 [3]; Рпг — плотность пеногипса, г/см3.
Расчетные параметры, которые необходимы при использовании формулы (3), приведены в табл. 1.
В соответствии с полученными экспериментальными данными при применении строительного гипса марок Г-2—10 и синтетического пенообразователя на основе высокомолекулярного олефинсульфоната — Hostapur OSB, Аг.к ~ Апг ~ 1,27, пеногипс получали методом сухой минерализации пены [4].
Согласно уравнению (3) построены графики зависимости прочности пеногипса при сжатии при различных
Таблица 1
1
1ЖЖ5
Рис. 1. Расчетная схема массива пеногипса: 1 - твердая фаза гипсового камня; 2 - микропора в гипсовом камне, образованная избыточной водой;3 - макропора, образованная пеной; 4 - возможная поверхность разрушения массива пеногипса; а - размер массива пеногипса
Показатели Единицы измерения Значение
Прочность твердой фазы гипсового камня МПа ^т.ф. = ^аАЯ АПАВ
Плотность гипсового камня г/см3 Рг.к. = Ах/(1/Рг.в. + В/Г)
Плотность пеногипса кг/м3 Рпг = т„г/Ц„г
Масса пеногипса кг т„г = Г(Ах + 0/Г)
Объем пеногипса(пеногипсовой смеси) .,3 м = Г(1/Рг.в. + В/Г + 0/Г + 1000^/0/1000
Объем пор в пеногипсе ..3 м Ц„СЖ = 1675т„ / т0(„г.с1а„г.Л(„г.ЫС„г.с
Масса раствора пены кг т„ = Г(В/Г + 0/Г)
Масса раствора пеногипсовой смеси кг тп(„г.ы = Г(1 + В/Г + 0/Г)
Поверхностное натяжение воды в пеногипсовой смеси Н/м о„г, = (72,8 - 3,96тр / т^ Ш(1 + 3,2514С„г,))/1000
Объем раствора пеногипсовой смеси м Ц,,„г„ = Г(1/Рг, + В/Г + 0/Г)/1000
Концентрация ПАВ в пеногипсовой смеси % С„г.с = 1000/(Г(1 + В/Г + 0/Г))
Коэффициент (для синтетического пенообразователя) Апав = 1 - 1,7-1030/Г + 8,4-105(0/Г)2
Примечания. Ва - прочность гипсового вяжущего при сжатии через 2 ч, МПа, при стандартном испытании; Ад - коэффициент, учитывающий переход от образцов призм 40x40x160 мм к образцам-кубикам 100x100x100 мм после высушивания, Ад~8,1; Апав - коэффициент, учитывающий уменьшение прочности гипсового камня в результате влияния пенообразующего ПАВ; Ах - коэффициент, учитывающий массу воды, которая вступила в химическую реакцию (зависит от особенностей гипсового вяжущего и условий прохождения реакции гидратации), определяется опытным путем, Ах~1,17; Г - масса гипсового вяжущего, кг; 0 - масса пенообразующего ПАВ на сухое вещество, кг; В - расход воды, л.
Р
научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~J\ilj■\i>\Z То июнь 2011
Rпr МПа 5 '
> \ж
±- "А4—
— ж —X;-- V ^ —*
^ 1 ♦ -♦ 1
0,3
0,5
0,7
0,9
Рис. 2. Графики зависимости Япг от В/Г и рпг: ♦ - рпг: х - рпг=600 кг/м3; А - 700 кг/м3; ■ - 800 кг/м3; ж - 900 кг/м3; -•нению (6)
значениях плотности и использовании гипсового вяжущего с прочностью Ra = 2—10 МПа. На рис. 2, 3 в качестве примеров приведены графики зависимости прочности пеногипса различной плотности от В/Г и Q/Г при использовании гипсового вяжущего с прочностью Ra = 6 МПа.
Анализ графиков на рис. 2, 3 показывает, что максимальному значению прочности для определенной плотности пеногипса отвечают оптимальные значения В/Г и Q/Г. Согласно графикам рис. 2, 3 прочность пеногипса более чувствительна к изменению Q/Г, чем В/Г.
Оптимальные значения В/Г и Q/Г при использовании гипсовых вяжущих различной прочности в зависимости от плотности пеногипса можно определить из соответствующих расчетных выражений:
Таблица 2
Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования
натуральный вид кодированный вид -1 0 +1
Плотность пеногипса рпг, кг/м3 Х1 500 700 900 200
Прочность гипсового вяжущего при сжатии через 2 ч, Яа, МПа Х2 2 6 10 4
Впг МПа 5 '
4
2
1
В/Г
=500 кг/м3; - по урав-
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1
0/Г103
Рис. 3. Графики зависимости Япг от О/Г и рпг: ♦ - рпг=500 кг/м3; х - рпг=600 кг/м3; А - 700 кг/м3; ■ - 800 кг/м3; ж - 900 кг/м3; -•- - по уравнению (7)
Ла=2МПа, В/Г=1,513 -1,65 • Ю^р,,!, - 0,929 -10"^, <2/Г = 1,627 - 3,042 ■ 10"3Рпг+1,459"6р^; (4)
Да= 6 МПа, В/Г = 1,581 -1,89 ■ 10"^+1,071 ■ 10"6р
0/Г=1,119-1,851 10-3Рпг+0,759"бРпГ; (5)
г'пг >
Да= 10 МПа, В/Г=1,634 - 2,11 • 10"3рпг -1,214 • 10"6р^,
О/Г = 0,918-1,438 • 10"3Рпг+0,55" рдГ.
(6)
Выполненные исследования и полученные формулы (4)—(6) дают возможность также рассчитать оптимальные значения В/Г и Q/Г, обеспечивающие максимальную прочность пеногипса заданной плотности при использовании гипсовых вяжущих различной прочности. Для получения соответствующих уравнений В/Г=/(рпг;-Яа) и б/Г =/(Рпг; Ла) применили метод математического планирования. В соответствии с условиями планирования по трехуровнему плану для k=2 (табл. 2) определены расчетные значения В/Г, Q/Г и Rпr (табл. 3) и получены уравнения регрессии [5]:
В/Г = 1,588 -1,845 • 10^-1,5 • 10"3Да+ + 1,075-10-6р^-7,5-10-6РпА;
(7)
Таблица 3
4
3
3
2
0
№ Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов Выходные параметры
Х1 Х2 Рпг, кг/м3 Яа, МПа В/Г, по моделям (4) - (6) 0/ГЧ03, по моделям (4)-(6) Япг, МПа, по уравнению (3)
1 1 1 900 10 0,718 0,07 7,276
2 1 -1 900 2 0,781 0,071 1,349
3 -1 1 500 10 0,882 0,337 1,031
4 -1 -1 500 2 0,921 0,471 0,139
5 1 0 900 6 0,747 0,069 4,265
6 -1 0 500 6 0,903 0,384 0,542
7 0 1 700 10 0,752 0,182 3,459
8 0 -1 700 2 0,813 0,213 0,618
9 0 0 700 6 0,783 0,196 1,955
10 0 0 700 6 0,783 0,196 1,955
11 0 0 700 6 0,783 0,196 1,955
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
11
Rnr МПа
можность улучшения свойств пеногипса за счет использования гипсоцементно-пуццолановых, композиционных, гипсополимерных вяжущих и других технологических приемов.
На основе выполненных исследований получены расчетные зависимости для определения оптимальных значений В/Г, Q/Г и Rпr для пеногипса различной плотности и прочности гипсовых вяжущих. Построена номограмма, позволяющая при заданных показателях качества пеногипса определить необходимую марку гипсового вяжущего и оптимальные значения В/Г, Q/Г и RПг.
0,45 О/Г .
0,8 0,85 0,9
0,951-
В/Г
Рис. 4. Номограмма определения В/Г и О /Г для проектирования пеногипса: ♦ - Яа=10 МПа; • - Яа=8 МПа; А - Яа=6 МПа; ■ - Яа=4 МПа; ж - Яа=2 МПа
О/Т = 1,411-2,328 ■ Ю"3^ - 31,38 • 10" % + 0,9 ■ 10"6р^ -- 0,375 • 10-3Л^+41,25 • 10-6РпгЛа; (8)
Дпг= 5,022- 0,01511рш - 0,74638/?а+ 0,0107 • 10"3р^. +
+3,938 • 10"3^+1,5738 • 10-3Рпг Ла. (9)
На основе полученных уравнений построена номограмма (рис. 4), которая дает возможность по заданным значениям плотности и прочности пеногипса определить необходимую марку гипсового вяжущего, оптимальные значения В/Г и Q/Г и ожидаемую прочность пеногипса.
Например, при заданной плотности Рпг = 750 кг/м3 и прочности пеногипса Rпr = 3 МПа требуется определить оптимальные значения В/Г и Q/Г.
По номограмме (рис. 4) на графиках Rпг — /(Рит, Ra) находим точку пересечения 1, отвечающую заданной плотности и прочности пеногипса. Эта точка показывает, что для обеспечения необходимой прочности прочность гипсового вяжущего должна быть не менее 7,2 МПа. Принимаем ближайшую марку гипсового вяжущего Г-8 (^ — 8 МПа), что отвечает точке 2. По точке 2 на графиках Q/Г — /^пг, Ra) находим точку пересечения 3 с Ra — 8 МПа. Ордината точки 3 отвечает искомому значению Q/Г — 0,14-10-3. Дальше, по точке 2 на графиках В/Г — /(Рпг, Ra) находим точку пересечения 4 с Ra — 8 МПа. Ордината точки 4 отвечает искомому значению В/Г — 0,75. Ордината точки 2 также отвечает прочности пеногипса при принятых В/Г, Q/Г, Ra и составляет Rпr — 3,4 МПа. Таким образом, при проектировании оптимального состава пеногипсовой смеси при заданных значениях плотности и прочности пеногипса необходимо принять В/Г — 0,75 и Q/Г — 0,14-10-3.
Выполненные экспериментально-теоретические исследования дают возможность предложить расчетно-экспериментальный метод проектирования состава пеногипса при использовании гипсовых вяжущих различной прочности.
Задача проектирования состава пеногипса состоит в определении при заданных значениях плотности и прочности материала необходимой марки и массы гипсового вяжущего, расхода воды и синтетического пено-образующего ПАВ на 1 м3.
В случае, когда за счет изменения прочности гипсового вяжущего получить пеногипс с заданными показателями невозможно, необходимо рассматривать воз-
Ключевые слова: состав пеногипса, прочность пеногипса, плотность пеногипса, макропоры пеногипса, микропоры гипсового камня.
Список литературы
1. Дворкин Л.И., Безусяк А.В., Ковалык И.В. Расчет искусственного гипсового камня: В сб. науч. раб. «Гидромелиорация и гидротехническое строительство» Вып. 34. Ровно: НУВХП, 2009. С. 361-367.
2. Дворкин Л.И., Безусяк А.В., Ковалык И.В. Проектирование пены при получении поризован-ных материалов // Популярное бетоноведение. 2010. № 4. С. 40-46.
3. Пащенко А.А., Сербин В.П., Старчевськая Е.А. Вяжущие материалы. Киев: Вища школа, 1985. 440 с.
4. Меркин А.П. Пенобетоны «сухой минерализации» для монолитного домостроения // Известия вузов. Строительство. 1993. № 9. С. 56-58.
5. Рекомендации по применению методов математического планирования эксперимента в технологии бетона. М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1982. 103 с.
1_У
СТРОИТЕЛЬСТВО
2011 выставка- форум
9-11 ДЕНЬ СТРОИТЕЛЯ
августа шш®mm
г. Челябинск _
Выстаогафоруи -Сгрои1еп«тво-20И" продгмнярноют достижении atri учшиаш строители»» ярлке«. от стадии мауч*к puptiom до рчменм hj на производив«, от правстньи рвлвннн я производства строительных ИаГСДНЗПО! Р.П ГОТОВЫ! обьигое.
Основные взздел ы выставки:
- Смененные rciHOficHH в ощитсльстк
- Строительные тжтрщцрч изделии
- Приыышпнннйс cipöHiijKraü
- Грйидлн£и>гсгрйн1гльсгпй
- НИИ ИР—ВИ
- Мин г акт* строительство
- Строительные иатермлы и обчицованив Алл их производства
- Строительные пнплввш. машины и нЁ1йнн)ны
- Hnyia ■ сгрйн1£пь£гвЁ
- Ннимсме евтк водо-. тепло-, гззо-.
ЗИИЦРОИНвЖЕННЕ
- Бенпя^ия. ионртионировзнн«
- ODopvüoishhc лит и »орулении
- Дсроянк стртвштн
- С:ришепьнй.дцроиная Чин}
- Сипремйнные ре t)ptM6t pci ажщне
1 ElhOOÜI ни ■ мазерилы к СГрйН1ЕЛЬСГВЁ
- Эклогня • (TpCiMlüMfTti
- Авмиетнззцр« * етроительетвв н зкеплщаци жилья
- Инвспиц^нниеи инновации*» лщпш
ЗйцКСна ■ apipnüsifpS
П|Ш шчлии».» ижпфе 14 с ш^»'!'!»!«» » и"»«™
НнпнГим мял 15^пж:гн, ЩУПЛИ, МП i: ipy« 1«нм к0«ииилм ^ У|шпл я
Мктп прдидаии: i.monn. Дворец СИОЦТ1 »Юность». Снрцмаий гр. S1
Гн: PS11И1-ЗГ-41, HWH р«оГ4 ш
12
научно-технический и производственный журнал
июнь 2011
iA ®
