CC BY
14Строкова В. В., советник РААСН, д-р техн. наук, проф., Лозовая С. Ю., д-р техн. наук, проф., Соловьева Л. Н., ст. преп. Огурцова Ю. Н., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ
strokova@intbel.ru
Установлены закономерности изменения свойств конструкционно-теплоизоляционного бетона в зависимости от содержания гранулированного наноструктурирующего заполнителя и воды.
Полученные результаты позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора на физико-механические свойства бетона, а также определить его состав.
Ключевые слова: конструкционно-теплоизоляционный бетон, гранулированный нанострукту-рирующий заполнитель, рациональный состав, оптимальная структура, пористость._
Одним из эффективных строительных материалов является легкий бетон, применение которого позволяет снизить массу и повысить теплозащитные свойства конструкций, а также снизить трудоемкость и стоимость строительства. Снижение материалоемкости и теплопроводности строительных конструкций без потери их несущей способности и других эксплуатационных свойств является одной из целей повышения эффективности строительства [1]. Одним из практических путей ее достижения является разработка и применение легких и прочных бетонов с пониженными теплопроводностью и водопроницаемостью .
В данной работе проводились исследования зависимости основных свойств конструкционно-теплоизоляционного бетона, полученного на основе гранулированного наноструктурирующе-го заполнителя (ГНЗ) [2], от содержания основных компонентов.
Разработка оптимальных составов конструкционно-теплоизоляционных бетонов с использованием ГНЗ и исследование влияния отдельных компонентов на физико-механические свойства бетона производились с использованием метода математического планирования эксперимента второго порядка.
На физико-механические характеристики разрабатываемого бетона влияет множество параметров, такие как состав кремнеземистого компонента ГНЗ, размер и количество вводимого активного заполнителя, количество воды, время предварительной выдержки перед пропа-риванием, температура тепловлажностной обработки.
Для упрощения математического планирования экспериментов и уменьшения числа варьируемых факторов нами опытным путем было установлено, что в качестве наиболее значимых параметров оптимизации, характеризующих плотность, пористость, прочность при сжатии, теплопроводность и водопоглощение можно принять: количество вводимого гранулированного наноструктурирующего заполнителя и количество воды [3].
Математической моделью физико-механических свойств конструкционно-теплоизоляционных бетонов являются функции (1), связывающие параметры оптимизации р, Ясж, Л, П, W с переменными факторами.
р, ЯСж, Л, П^ = /(2, V) .
(1)
где г - количество гранулированного заполнителя, %; V - количество воды, %; р - плотность бетона, кг/м3; - прочность бетона на сжатие, МПа; X - теплопроводность бетона, Вт/м-К; П -пористость бетона, %; W - водопоглощение бетона, %.
Для сравнения и определения влияния указанных факторов на процесс уплотнения приведем формулы преобразования с учетом данных таблицы 1 получим:
г - 37,5
V - 27,5
=
19
*2 =
4,4
(2)
Таблица 1
Условия планирования эксперимента
Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования
натуральный вид кодированный вид - 1,68 -1 0 1 +1,68
Количество гранулированного заполнителя, % X] 5 18,5 37,5 56,5 70 19
Количество воды, % Х2 20 23,1 27,5 31,9 35 4,4
В соответствии с принятым планом установлено пять уровней варьирования факторов: 1 - минимальный; 0 - средний; +1 - максимальный; - 1,68, +1,68 - звездные (табл. 1).
Таблица 2
Для удобства планирования эксперимента составим матрицу двухфакторного эксперимента (табл. 2), в соответствии с которым и проводили исследование.
Таким образом, нами были выбраны необходимые уровни варьирования факторов так, чтобы любое их сочетание, которое предусмотрено планом, было реализуемо на разработанных моделях и учитывало реальные технологические условия.
Для выявления механизма создания оптимальной структуры и определения рационального состава конструкционно-теплоизоляционного бетона, полученные гранулы из опоки вводились в бетон в различном процентном содержании (табл. 3).
№ точки плана Х1 Х2 Х12 Х22 Х1Х2
1 -1 -1 1 1 1
2 1 -1 1 1 -1
3 -1 1 1 1 -1
4 1 1 1 1 1
5 -1,682 0 2,829 0 0
6 1,682 0 2,829 0 0
7 0 -1,682 0 2,829 0
8 0 1,682 0 2,829 0
9 0 0 0 0 0
Таблица 3
Составы и физико-механические характеристики конструкционно-теплоизоляционного
бетона на основе ГНЗ
№ состава п/п Факторы, % Физико-механические характеристики бетона
Заполнитель Вода Пористость, % Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности на сжатие, МПа Теплопроводность, Вт/м-К Водопоглоще- ние по массе, %
1 18,5 23,1 30 1800 38 0,9 11,4
2 56,5 23,1 48 1300 12 0,28 5,5
3 18,5 31,9 35 1830 30 0,95 11,8
4 56,5 31,9 52 1280 10 0,38 6,5
5 5 27,5 23 1920 43 0,98 11,6
6 70 27,5 52 1200 10 0,17 3,8
7 37,5 36,3 40 1580 23 0,62 10,7
8 37,5 36,3 45 1480 18 0,68 11,8
9 37,5 27,5 43 1540 20 0,65 11,2
На основании результатов испытаний были получены уравнения регрессии, выражающие зависимость кинетики изменения пористости, плотности, прочности, теплопроводности и во-допоглощения в зависимости от количества гранулированного заполнителя и воды.
В кодированном виде уравнение регрессии для пористости при использовании гранулированного наноструктурирующего заполнителя имеет вид:
у=16,48-1,56хг1,88х2- (3)
-0,4х1х2+8,1х12+9,84х22
Значение коэффициента регрессии при Х1Х2 по критерию Стьюдента является не значимым и исключается из уравнения:
у=16,48-1,56х! - 1,88х2+8,1х!2+9,84х22 (4)
Подставляя в уравнение (4) формулы преобразования (2) получим:
П=447,237-1,765Е--28,382v+0,00224z2+0,508v2
(5)
В кодированном и декодированном виде уравнение регрессии для плотности при использовании гранулированного наноструктурирую-щего заполнителя имеет вид:
у=607,89+354,89х!2+344,28х22
(6)
pCр=15447-73,73z-978v+0,98z2+17,78v2 (7)
Для прочности на сжатие с использованием гранулированного наноструктурирующего заполнителя уравнение регрессии в кодированном и декодированном виде имеет вид:
у=8,45-1,56х:-1,88х2--0,4х!х2+6,49х!2+4,36х22
^.=213,94-1^-12^-
0,005zv+0,02z2+0,22v2
(8) (9)
В кодированном виде уравнение регрессии для теплопроводности с использованием гранулированного наноструктурирующего заполнителя имеет вид:
у=0,25-1,56хг1,88х2-0,4х:х2+0,12х:2+0,15х22
X=16,47+0,024z-0,67v-0,0048zv+0,00033z2+0,0077v2
(10) (11)
В кодированном и декодированном виде уравнение регрессии для водопоглощения (по массе) с использованием гранулированного на-ноструктурирующего заполнителя имеет вид:
у=3,87-1,56хг1,88х2-0,4х:х2+1,36х:2+2,62х22
(12)
W=121,4-0,23z-7,69v--0,0048zv+0,0037z2+0,135v2
(13)
На рис. 1 изображены графики отклика изменения физико-механических свойств конструкционно-теплоизоляционного бетона в соответствии с полученными уравнениями регрессии. Трехмерные графики, отображающие влия-
ние основных факторов на характеристики бетона являются поверхностями 2-го порядка, ориентированы на оси изменения количества гранулированного заполнителя и воды.
Основной целью получения математической модели и построения трехмерных графиков, а также разрезов в различных плоскостях являлось прогнозирование физико-
механических свойств конструкционно-теплоизоляционного бетона для различных составов.
Для разработанного вида бетона наиболее важным показателем является пористость, варьируемая от 50 до 60 %. Анализ графика (рис. 1, а) показал, что для данной пористости количество гранулированного заполнителя варьируется от 36 до 70 %, а количество воды от 20 до 25 и от 30 до 35 %. Далее на графиках (рис. 1, б, в, г, д) для других физико-механических характеристик были отмечены зоны изменения варьируемых факторов в тех пределах как и для пористости (зона 1 рис. 1). При этом, целесообразное значение предела прочности на сжатие (10-15 МПа) можно достигнуть в интервалах варьируемых факторов от 50 до 70 % заполнителя, а значение водопогло-щения (6-8 %) ограничено по количеству воды от 21 до 25 %, поэтому для получения бетона с характеристиками удовлетворяющим всем параметрам одновременно варьируемые факторы должны изменяться в следующих пределах: гранулированный заполнитель - от 51 до 70 %, вода
- от 21 до 25 % (зона 2 рис. 1).
Например, бетон с пористостью равной 50 % получен при введении гранулированного наноструктурирующего заполнителя в количестве 61 % и 22 % воды. При данном составе конструкционно-теплоизоляционный бетон имеет следующие характеристики: среднюю плотность
- 1200 кг/м3, прочность на сжатие - 15 МПа, во-допоглощение (по массе) - 5 % и теплопроводность - 0,3 Вт/м-К. Таким образом, задавая один из интересующих параметров можно определить состав бетона и спрогнозировать остальные физико-механические свойства.
В результате проведенной работы были выявлены закономерности изменения свойств бетона, получены математические зависимости и графические интерпретации этих зависимостей, которые позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности, а также в их совокупности на изменение системы «состав - свойства» и могут быть использованы для производственных рецептур бетона и прогнозирования его физико-механических свойств.
а
б
в
г
д
Рисунок 1. Влияние количества вводимых заполнителя и воды на физико-механические свойства
легкого бетона: а - пористость, б - плотность, в - прочность на сжатие, г - водопоглощение (по массе), д - теплопроводность
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Иванов, И.А. Легкие бетоны на искусственных пористых заполнителях - М.: Строй-издат, 1993.- 182 с.
2. Строкова, В.В. Конструкционные легкие бетоны на основе активных гранулированных заполнителей / В.В. Строкова, Л.Н. Соловьева, В.И. Мосьпан, А.П. Гринев // Строительные материалы, - М., 2009. - № 10. - С. 23-25.
3. Бондарь, А.Г. Планирование эксперимента в химической технологии / А.Г. Бондарь, Г.А. Статюха. - Киев: Вища школа, 1976. - 181 с.
