CC BY
6
РАЗДЕЛ III
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья
УДК 691.555 ГР) Check for updates
DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-1-126-137 EDN: QFWFGG
СМЕШЕНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СМЕСЕЙ В ПНЕВМАТИЧЕСКОМ СМЕСИТЕЛЕ СО СПИРАЛЬНОЙ ЭНЕРГОНЕСУЩЕЙ ТРУБКОЙ
Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, О. М. Шеметова, Л. Х. Загороднюк, А. Л. Бочарников*
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г Шухова г. Белгород, Россия
[email protected], https://orcid.org/0000-0001-6827-6976 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8916-499X [email protected],https://orcid.org/0000-0001-9840-4414 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7477-803X
ответственный автор
АННОТАЦИЯ
Введение. Смешение сухих компонентов в смесительных аппаратах является одним из важнейших этапов любого технологического процесса при изготовлении композиционного материала. К настоящему времени в различных технологиях используется самое разнообразное смесительное оборудование, которое характеризуется различными принципами смешения и конструктивными решениями. Особый интерес для приготовления качественных и однородных смесей теплоизоляционного назначения представляет пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой. В статье приведены результаты исследований с использованием метода математического планирования полнофакторного эксперимента ПФЭЦКРП24, позволяющего наиболее адекватно оценить происходящие процессы при минимизации систематических ошибок.
Материалы и методы. В работе в качестве сырьевых материалов для проведения испытаний использовали портландцемент ЦЕМ 0 42,5Н ГОСТ 31108-2020 с удельной поверхностью 308 м2/кг, песок Вольского месторождения. В качестве легкого наполнителя использовали вспученный вермикулит, полученный в результате термообработки природного вермикулита при температуре около 700 °С. Результаты. Теплоизоляционные смеси, приготовленные в пневматическом смесителе со спиральной энергонесущей трубкой, обеспечивают получение теплоизоляционных растворов со стабильными показателями по плотности 1420 кг/м3, имеющие достаточные прочностные показатели при сжатии 3,3 МПа, гарантируют высокие теплозащитные свойства в строительных конструкциях.
Заключение. Разработанная конструкция и проведенные исследования позволили установить высокую эффективность предлагаемого смесителя, обеспечивающего равномерное распределение смешиваемых частиц, высокую гомогенизацию и создание условий для ускорения физико-химических взаимодействий в создаваемой смеси при последующем затворении приготовленной смеси водой и формирование требуемой внутренней структуры создаваемых композитов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: смешение, вяжущая композиция, вермикулит, портландцемент, пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой
БЛАГОДАРНОСТИ: исследование выполнено за счет гранта РНФ № 22-19-20115, https://rscf.ru/ project/22-19-20115/ и Правительства Белгородской области, Соглашение №3 от 24.03.2022.
Статья поступила в редакцию 26.12.2022; одобрена после рецензирования 15.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Прозрачность финансовой деятельности: авторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах и методах. Конфликт интересов отсутствует.
Для цитирования: Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, Шеметова О. М., Загороднюк Л. Х., Бочарников А. Л. Смешение теплоизоляционных смесей в пневматическом смесителе со спиральной энергонесущей трубкой // Вестник СибАДИ. 2023. Т 20, № 1 (89). С. 126-137. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-1-126-137
© Аль Мамури Саад Кхалил Шадид, Шеметова О. М., Загороднюк Л. Х., Бочарников А. Л., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE
Origin article
DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-1-126-137 EDN: QFWFGG
MIXING OF HEAT-INSULATING MIXTURES IN PNEUMATIC MIXER WITH SPIRAL ENERGY CARRYING TUBE
ABSTRACT
Introduction. Mixing of dry components in mixers is one of the most important stages of any technological process in the manufacture of a composite material. To date, various technologies use a wide variety of mixing equipment, which is characterized by different principles of mixing and design solutions. Of particular interest for the preparation of high-quality and homogeneous mixtures for heat-insulating purposes is a pneumatic mixer with a spiral energycarrying tube. The article presents the results of studies using the method of mathematical planning of the full-factor ПФЭЦКРП24 experiment, which makes it possible to most adequately assess the ongoing processes while minimizing systematic errors.
Materials and methods. In the work, ЦЕМ 0 42,5Н ГОСТ 31108-2020 Portland cement with a specific surface area of 308 m2 /kg, sand of the Volsky deposit were used as raw materials for testing. Expanded vermiculite obtained as a result of heat treatment of natural vermiculite at a temperature of about 700°C was used as a light filler.
Results. Heat-insulating mixtures prepared in a pneumatic mixer with a spiral energy-carrying tube ensure the production of heat-insulating mortars with stable density values of 1420 kg/m3, having sufficient compressive strength of 3.3 MPa, and guarantee high heat-shielding properties in building structures.
Conclusion. The developed design and the conducted studies made it possible to establish the high efficiency of the proposed mixer, which provides a uniform distribution of the particles to be mixed, high homogenization and the creation of conditions for accelerating the physicochemical interactions in the created mixture with subsequent mixing of the prepared mixture with water and the formation of the required internal structure of the created
KEYWORDS: mixing, binder composition, vermiculite, Portland cement, pneumatic mixer with a spiral energycarrying tube
ACKNOWLEDGEMENTS: the study was supported by the RSF grant No. 22-19-20115, https://rscf.ru/ project/22-19-20115/ and the Government of the Belgorod Region, Agreement No. 3 from 03/24/2022.
The article was submitted 26.12.2022; approved after reviewing 15.02.2022; accepted for publication 20.02.2023.
The authors have read and approved the final manuscript.
Financial transparency: the authors have no financial interest in the presented materials or methods. There is no conflict of interest.
For citation. Al Mamuri Saad Khalil Shadid, Shemetova Olga M., Zagorodnuk Lilia Kh., Bocharnikov Andrey L. Mixing of heat-insulating mixtures in pneumatic mixer with spiral energy carrying tube. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2023; 20 (1): 126-137. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-1-126-137
© Al Mamuri Saad Khalil Shadid, Shemetova O. M., Zagorodnuk L. Kh., Bocharnikov A. L., 2023
Al Mamuri Saad Khalil Shadid, Olga M. Shemetova, Lilia Kh. Zagorodnuk, Andrey L. Bocharnikov*
V. G. Shukhov Belgorod State Technological University
Belgorod, Russia
[email protected], https://orcid.org/0000-0001-6827-6976 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8916-499X [email protected],https://orcid.org/0000-0001-9840-4414 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7477-803X
Corresponding author
composites.
Content is available under the license Creative Commons Attribution 4.0 License.
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
127
РАЗДЕЛ III
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Получение высококачественных сухих теплоизоляционных смесей представляет важную задачу для современных строительных технологий1, 2, 3 [1, 2, 3, 4, 5]. От качества приготовления сухих смесей зависят технологические, физико-механические и эксплуатационные характеристики приготавливаемого продукта4, 5 [6, 7, 8]. В настоящее время ученые ищут новые пути создания строительных композитов с регулируемыми свойствами, способными выдерживать физико-механические, теплотехнические и эксплуатационные нагрузки6, 7 [9, 10, 11, 12].Смешение сухих компонентов в ограниченном объеме смесителя является одним из существенных элементов технологического процесса, создающего условия для равномерного распределения смешиваемых частиц, дополнительное диспергирование, гомогенизацию, в нередких условиях досушку сырьевых ингредиентов и создание потенциальных условий для ускорения физико-химических взаимодействий в смешиваемой системе при последующем затворении приготовленной смеси водой и формирование дальнейших фазовых контактов при образовании внутренней структуры композитов8, 9.
К настоящему времени имеется значительное количество самых разнообразных смесителей для перемешивания различных сыпучих материалов. В технологических процессах стоимость смесителей может составлять до 40% стоимости всего оборудования.
Несмотря на положительные факторы, существующие смесители имеют определенные
недостатки. В связи с тем, что используемые сырьевые материалы и составы приготавливаемых смесей, имеющих самый широкий спектр назначения, постоянно совершенствуются и в соответствии с поставленными задачами требования к смесителям также повышаются и требуют разработки новых конструкций и технологических решений.
Смешение сухих компонентов при приготовлении различных материалов является одной из важнейших технологических операций, определяющих физико-механические и технико-экономические показатели, создаваемого композита. Эффективное развитие строительной отрасли требует создания нового эффективного оборудования, обеспечивающего высокие технико-экономические, технологические и физико-механические показатели создаваемым материалом.
Особое место среди смесителей занимают пневматические смесители. В связи с вышеизложенным особый интерес представляет пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой, отвечающий требованиям современных стандартов и безопасности труда в строительстве.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе в качестве сырьевых материалов для проведения испытаний использовали портландцемент ЦЕМ 0 42,5Н ГОСТ 31108-2020 с удельной поверхностью 308 м2/кг, песок Вольского месторождения (таблица 1).
1 Фадин Ю. М., Шеметова О. М., Шеметов Е. Г., Загороднюк Л. Х., Аль Мамури Саад Кхалил Шадид. Пневмосмеситель для сухих сыпучих материалов. Патент RU 214199 U1 14.10.2022. 7 с.
2 Айнштейн В. Г, Захаров М. К., Носов Г. А., Захаренко В. В., Зиновкина Т В., Таран А. Л., Костанян А. Е. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник: в 2 кн. М.: Логос, 2002. 912 с.
3 Альтамуро В. Оборудование предприятий строительных производств. Нью-Йорк: The City University of New-York, 2003. 738 с.
4 Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 томах, Том 2. М.: Машиностроение, 2001.912 с.
5 Анциферов С. И., Пахотин Е. Г. Анализ современного рынка оборудования для производства сухих строительных смесей // Сборник. Образование, наука, производство БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. С. 1402-1405.
6 Кальянов Н. Н., Мерзляк А. Н. Вермикулит и перлит - пористые заполнители для теплоизоляционных изделий // Москва: Госстройиздат. 1961. 155 с.
7 Zhang H. Building Materials in Civil Engineering // Woodhead Publishing. UK. 2011. Vol. 1. Pp 440.
8 Дергунов С. А., Рубцова В. Н. Модификация сухих строительных смесей // материалы 6-й Международной научно-технической конференции «Современные технологии сухих смесей в строительстве MixBUILD». М.: АЛИТ,2004.
С. 30-35.
9 Орехова Т. Н., Уваров В. А. Анализ конструкций пневмосмесителей для производства сухих строительных смесей // Интерстроймех - 2010: Сб. докладов Международной научно-практической конференции. Белгород. Изд-во БГТУ, 2010.С. 92-94.
128
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE
PART III
Таблица 1
Характеристики кварцевого песка Вольского месторождения
Источник: составлено авторами.
Table 1
Characteristics of quartz sand from the Volskoye deposit
Source: compiled by the authors.
Показатель Значение
Насыпная плотность 1468 кг/м3
Содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц 0,72 мас. %
Потеря массы при прокаливании не более 0,5%
Содержание глинистых частиц не более 1%
Модуль крупности
2,5
Химический состав
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O CaO K2O TIO2 P2O5 ZrO2
96,2 2,84 0,139 0,024 0,144 0,07 0,287 0,054 0,023 0,013
Таблица 2
Химический состав вспученного вермикулита (% по массе)
Источник: составлено авторами.
Table 2
The chemical composition of expanded vermiculite (% by mass)
Source: compiled by the authors.
Химический состав, %
SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O Прочее, %
43,3 15,3 13,4 2,2 17,4 1,3 0,4 2,6 4,1
В качестве легкого наполнителя использовали вспученный вермикулит, полученный в результате термообработки природного вермикулита при температуре около 700°С. Химический состав приведен в таблице 2.
Вермикулит имеет переслаивающиеся фазы, такие как вермикулит, флогопит и гидробиотит. Гранулы вспученного вермикулита представлены тончайшими слюдистыми пластинками, при нагревании они значительно увеличиваются в объеме, что является предпосылками для эффективного использования вермикулита в качестве наполнителя и заполнителя теплоизоляционных растворов и бетонов [4, 5].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
До недавнего времени смешение считалось механическим процессом, в последние
годы исследователи установили закономерности в процессе перераспределения частиц при гидродинамическом воздействии. При получении сухих смесей отмечается образование вторичных агрегаций отдельных зерен смешиваемого порошка вследствие различий химических, физических и гранулометрических особенностей компонентов, их насыпной плотности, строением частиц, сцеплением между отдельными частицами, текучестью порошка, его абразивностью, наличием электростатического заряда и так далее.
Особое место среди существующих смесителей занимает пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой.
С целью приготовления сухих теплоизоляционных смесей была разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования процессов смешения сыпучих материалов (рисунок 1).
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
129
РАЗДЕЛ III
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Рисунок 1 - Пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой: 1 - камера;
2 - загрузочный патрубок; 3 - спиральная энергонесущая трубка; 4 - держатели;
5 - коническое днище; 6 - выгрузочный патрубок;
7 - труба; 8 - бункер;
9 - вентилятор; 10 - фильтр; 11 - рама Источник: составлено авторами.
Figure 1 - Pneumatic mixer with a spiral energy-carrying tube: 1-chamber; 2 - loading pipe;
3 - spiral energy-carrying tube; 4 - holders; 5 - conical bottom; 6 - unloading pipe;
7 - pipe; 8 - bunker; 9 - fan; 10 - filter; 11-frame Source: compiled by the authors.
Пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой характеризуется высокоэкологическими и производственными показателями. Учитывая разные показатели по плотности смешиваемых сырьевых компонентов, различные характеристики пористости и шероховатости исследуемых ингредиентов смесей, использование этого пневмосмесите-
ля предполагает получение смесей с высокими показателями по качеству и однородности. Смешиваемые материалы, поступающие в корпус смесителя в хаотично вихревом потоке, обеспечивают равномерное смешение всех компонентов смесей, включая и мелкодисперсные частицы. Вследствие особенностей строения вермикулита предполагается, что этот смеситель будет препятствовать оседанию цементных зерен в порах материала, а также равномерно распределяться по всей поверхности заполнителя, кроме того, высокие скорости энергоносителя будут способствовать лучшему смешению компонентов смеси [1].
Для проведения экспериментальных исследований была спроектирована и изготовлена лабораторная установка, в которой изучались процессы смешения различных сырьевых композиций, в том числе разработанная сухая строительная смесь для теплоизоляционных растворов.
Схема лабораторной установки и фото пневматического смесителя со спиральной энергонесущей трубкой приведена на рисунке 1 и 2.
Рисунок 2 - Лабораторная установка пневматического смесителя со спиральной энергонесущей трубкой Источник: составлено авторами.
Figure 2 - Laboratory setup of a pneumatic mixer with a spiral energy-carrying tube Source: compiled by the authors.
130
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE
PART III
Принцип работы пневматического смесителя со спиральной энергонесущей трубкой заключается в использовании энергоносителя, представленного сжатым воздухом, поступающим из компрессора 4ВУ1-5/9М, оснащенного электродвигателем, ресивером и реле давления [ 13, 14, е 5]. Воееуе, поступ ающе В с ресивера, подается в рабочую камеуу пнео-матического зсйсителв.Пеоизвадител еность компрессора Т,5И м3/мин,дтвление а иамере 0,8 МПа. В при^нт^^онптдЕ1^гатг^л1и
мощностью 22 -Дт Чдиет шпековыП eia> птсори сухие комп он енты для лмелле неа постувсюо е корпус 1 пневм0СУ5Д054Сй, ИЬ|Н^0 ИС5"П)^^И)О0 5д1-грузки 2. В ребочей зоае мааеутал сонатдатпам сжатого вовд^ П5дxвисы^4нтc^- т омноиое-менно с сырьёд, посенпающию из отвеесиис спиральной ноу^ии — пнргмещиотсе н! кo||иг^т',c смесителя. ^седстнзн сиераптанй формы энергонесущи- ипибме асидaоння (оень,1.а<пе гкси верхность мзозмo1дбГечиис ежатого дсдиуса с сырьевыми кялиувентaчlд, что еанмааоитсе ни повышении i^^t^6^r^H^b^a рнeумешитaутя коо^чно-го продукта тм^ь^^ ульеошенис а^ессси смеинн-ния. В днищн5, l^ь^^юы4сa(с соничбеную фстму создается до^лнитееиаос paзpяжсзвe ипо завершению процесса смсшегтя получснная смесь разгружается оия^доивом оп^чр)^бк^ т, предназначенного ллн тыфсики. лутем смссо перемещается через идиаи 7, н^к^пли^абзтвя д бункере 8. Сжатый иоздон йOоaс етопгилято|:) 9, очищаясь, постуг^^еи^фл^^йе 10. Пеуемнмаи= ный материал чер^ез^1^л^ф[^ь^(^й истр-уок снаво-вывается и складирупесе . Пзиблеомeоочллз о бункером устан овленеа чаме ТС.
При смешении нpa=оеeй кимиии йневмисме-сителя происходит равномер-ю pиеноонссо-ние частиц сырьевых компонентой, петорыс те-ред смешением могут находитьсе м состоянии. Цель процесса смешения збключо-ется в получеоои гомогиппoHi смееи, нозЧ'^ г любой точке смесителя частиaывcелкoмпoалптов равномерно распредилчютсс с н. щуИ мнесе смесителя в заапcилустиoт п5-1тято-a отстпo-шения сыр ьевых компонезтов.
При прогомоо-1иекспсоамeнтoвистлимеe-мая смесь вз1етУо-aлaaь пe|-^гoп^шнl^cJ^^^^ю нув различных режимамработы пг5ил5пвсa5оa-го смесителя со спираластй энер—жесущсН трубкой. Для определения eдисоалиссти готовой смеси после смошениям снсимосмеси-теле были проведены апопepилситы с шс|эу но варьируемыюи параметрбмп: обоффoцзеит загрузки - ^, %; шаг снизив ж н, ммl иошс^-. ство отверстий на нсщэ^с^и н л,шч; девленпн и камере смешоивя - Р, l^a [16, "17, 18, "Ш].
В работе использовался метод математического планирования эксперимента, который позволил при проведении минимального количества опытов получить максимальную информацию по выходным параметрам, прочности в илтогo5ти [2Щ 21ц 22, 20 ^ иЬ].
ДЩсошло-ще диисувсесусб модили ияeв-несичбодстт яlтосиоeля со сииралмвоВ пнерг-aсзоcyщоВ тр^япя псеиолтет ио oaиупо ляби-мaевпоaяегo влaниоонеиио б медeлн5унеияу рсв-иити падечу ониимпвaL-тo ияевс^санта. Длс этой дслн осптлье-ечся колг^озичнеивыя плап пoлго-(- Maтоооаoгo пнеиеpимтзиеl кото-гэ^1й иснзсляeт полутоне сaлпитйныс 1\-<зпс1\ла-истоиизa мощнлн нссаноски сяоямaсстоткa-о смошеиия иг?Г5].
Для выголнесия нlO-[5|:)^тo|-)Hl:эlн: иoф^ояи-
М^НТСМ! Пн)ИНИ1\-^^М ПНМ1Н ПОЛВО1'Т ф5l<TO0ПO-C
етcпоапмeнтa ПФЭЦKPПЛ-. Донныи пни внс-н<ппт фeитс>опто5 экспбсимизнс<н вaзисoaст нои-болес ^[цек1^aено п^мссоим для поcмолoвсис-г oчoиcxoдял-и)- иaoоеcе5п пт)и lтиними;гaL-ии систе1'и^иии^ск^^ oшиЗi-лll Щотeюйтитяйьий oпlacaинe ияaно .иогинвенп енcпооимeнсa ееги-o->iг^^-^лс^a в пнсм лlвопнeнинг peгсeccлс2б:
м = ао а 1]^=! а,- • х,- а
гднн у о фопк4яя отклидв;
ло я- уияЯсдный коэффициент уравнения регрессии;
а. - коэффициенты при линейной зависи-маати;
аи- коэффициенты при парном взаимодей-ствииЖецтoсов;
аи - и5сффпциeвт ы при квадратичном вза-нмолеНстзип ^окесссв;
хы.х.-иccлалтямыe ниниоиуимью перемен-ныо;
- = ь,Л, ...О; плм квадратичныеэффекты.
Coичплясть коэффициентов проверяется ис критеро ю Cоиюдeийс [ЛЦ:
где а. - коэффициент при факторах варьиро-ваниявуравнениирегрессии;
S{b]} - квадратичная ошибка коэффициента регрессии.
Для проверки адекватности математической модели используется критерий Фишера [5]. Во время проведения экспериментов требуется определенное количество измерений и есть вероятность возникновения как случайной погрешности, так и погрешности на кон-трольно-измерительныхприборах.
131
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
21 2004-2=23 Вестник СибАДИ
ине еооsiaнAпtяrыоВilк
and еiпНмaк lnKнstм Jo-e^nl
РАЗДЕЛ III
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Суммарную погрешность можно опреде-еить как4:
л* = ^(Дхслуч)2 + Криб)2, (3)
где Дх - случайная погрешность измерений;
апри6 - приборная погрешность.
В качестве исследуемых факторов при проведении экспериментов при смешении сухих строительных смесей в пневматическом смесителе со спиральной энергонесущей трубкой принимается:
Р (x.,) - давление сжатого воздуха, 50-250 кПа;
n (х2) - количество отверстий на спирали, 15-55 шт;
p (х3) - коэффициент загрузки материала, 50-90%;
Н (х4) - шаг спирали, 10-50 мм.
В качестве функций отклика на воздействие факторов, определяющих характер протекания процесса, выбраны: часовая производительность Q (кг/ч), однородность распределения компонентов Vc, %, предел прочности на сжатие образцов 5сж (МПа), плотность р (кг/м3).
В соответствии с планом принято пять уровней факторов: 1 - нижний; 0 - средний; +1 - верхний; -2 и +2 - звёздные точки. Указанные уровни варьирования сопоставляются с реальными условиями результатов пневматического смесителя со спиральной энергонесущей трубкой при смешении полидисперсных смесей.
Исследуемые факторы и уровни их варьирования приведены в таблице 3.
В соответствии с матрицей планирования для ПФЭЦКРП24 проводились экспери-
ментальные исследования. При проведении экспериментов физико-химический состав материалов оставался неизменным. Изучался процесс смешения сырьевых компонентов портландцемента и вермикулита при различных соотношениях: цемент (90...70°%), вермикулит (10...30%о), кварцевый песок (10.30%).
Предварительно подготовленные сухие те -плоизоляционные смеси: цемент, вермикулит засыпали в загрузочный люк смесителя, после чего ингредиенты попадали в смесительную камеру, где под действием сжатого воздуха происходило смешение компонентов. Готовые перемешанные смеси засыпали в сухие бумажные пакеты и герметично упаковывали.
Из приготовленных теплоизоляционных смесей формовали образцы - кубики размером 30 х 30 х 30 мм по четыре-пять образцов каждого состава. Образцы хранили в воздушно-сухом состоянии в течение 28 сут при температуре 20 °С и относительной влажности воздуха 50%.
Определение плотности образцов , кг/м3 проводили в сухом состоянии и вычисляли показатель как среднее значение испытаний всех образцов. Определение прочности затвердевших образцов проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 58767-2019.
При определении качества смешения в пневмосмесителе применялся метод точечного отбора проб, который позволяет установить наличие застойных зон в данном смесителе.
В работе использовался метод контроля распределения сырьевых компонентов в смеси, предложенный А. М. Ластовцевым для определения коэффициента неоднородности по одному ключевому компоненту2
ТаблицаЗ
Исследуемые факторы и уровни варьирования ПФЭЦКРП24
Источник: составлено авторами.
Table 3
Studied factors and ПФЭЦКРП24 levels of variation
Source: compiled by the authors.
Исследуемые факторы Обозначение Уровни варьирования
-2 -1 0 1 +2 Интервал
Давление в пневматическом смесителе, кПа X 1 50 100 150 200 250 50
Количество отверстий на спирали, шт. X 2 15 25 35 45 55 10
Коэффициент загрузки материала, % X 3 50 60 70 80 90 10
Шаг спирали, мм X 4 10 20 30 40 50 10
132
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE
PART III
v = 100 • !z?-i(Ci-Co)2 (4)
c C0 n— 1 ’
где C0 - концентрация по массе компонента при идеальном его распределении; С. - значения концентрации ключевого компонента по массе одного из компонентов в пробах; п -число проанализированныхвзятых проб.
В результате проведения лабораторных исследований по смешению сырьевых компонентов в пневматическом смесителе со спираль-
ной энергонесущей трубкой были получены результаты, представленные в таблице 4. Изменяя варьируемые факторы, можно оценить исследуемые параметры: производительность пневматического смесителя - Q, кг/ч, коэффициент неоднородности смеси - Vc, %, предел прочности при сжатии - 5сж, МПа; плотность растворов - р, кг/м3.Исследования проводили с полиминеральной смесью, включающей портландцемент, вспученный вермикулит и кварцевый песок.
Таблица 4
Полученные результаты экспериментальных исследований
Источник: составлено авторами.
Table 4
The results of experimental studies
Source: compiled by the authors.
№ опыта Варьирование фактора Исследуемые параметры
Р, кПа n, шт Ф, % Н, мм Q, кг/ч Vc, % МПа kg/m3
1 100 25 60 20 13,4 8 3,7 1570
2 200 25 60 20 13,35 9 3,1 1419
3 100 45 60 20 13,7 6 3,5 1510
4 200 45 60 20 13,9 5 3,1 1320
5 100 25 80 20 13 13 3,4 1515
6 200 25 80 20 13,02 11 3,3 1501
7 100 45 80 20 14,65 2 3,6 1540
8 200 45 80 20 13,5 8 3,8 1550
9 100 25 60 40 12,8 12 3,5 1210
10 200 25 60 40 12,2 16 3 1290
11 100 45 60 40 13,25 9 3,2 1457
12 200 45 60 40 13,5 8 3,3 1405
13 100 25 80 40 10,3 37 3,6 1635
14 200 25 80 40 12,7 27 3,4 1545
15 100 45 80 40 15,2 9 3,5 1579
16 200 45 80 40 15,4 7 4 1650
17 50 35 70 30 15,1 9 3,9 1565
18 250 35 70 30 14,8 10 4 1573
19 150 15 70 30 16,6 2 4,1 1509
20 150 55 70 30 15,3 8 3,8 1501
21 150 35 50 30 15,8 4 3,3 1450
22 150 35 90 30 14,1 3 3,7 1570
23 150 35 70 10 14 4 4 1510
24 150 35 70 50 14,6 2 3,3 1420
25 150 35 70 30 13,8 5 3 1290
26 150 35 70 30 13,7 6 2,8 1205
27 150 35 70 30 13,7 6 2,7 1198
28 150 35 70 30 13,3 6 3 1203
29 150 35 70 30 13,6 7 3,1 1150
30 150 35 70 30 13,7 6 3,15 1223
31 150 35 70 30 14,1 3 3,1 1310
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
133
РАЗДЕЛ III
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованиями по изучению оптимальных режимов смешения сухой теплоизоляционной смеси, проведенными в пневматическом смесителе со спиральной энергонесущей трубкой, установлено, что наилучшим режимом является режим при давлении сжатого воздуха P = 150 кПа; количестве отверстий на спирали n = 35; при коэффициенте загрузки материала у = 70%; с шагом спирали Н = 50 мм. При таких условиях работы пневматического смесителя часовая производительность составила Q = 14,6 (кг/ч); с однородностью распределения компонентов Vc = 2%. Образцы растворов, отформованные из приготовленных смесей, характеризуются пределом прочности при сжатии образцов 5сж = 3,3 МПа; с плотностью р = 1420 кг/м3.
Теплоизоляционные смеси, приготовленные в пневматическом смесителе со спиральной энергонесущей трубкой, обеспечивают получение теплоизоляционных растворов со стабильными показателями по плотности 1420 кг/м3, имеющие достаточно прочностные показатели при сжатии 3,3 МПа, гарантируют высокие теплозащитные свойства в строительных конструкциях.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют об эффективном смешении сырьевых компонентов и позволяют рекомендовать разработанный пневматический смеситель со спиральной энергонесущей трубкой для приготовления теплоизоляционных растворов с использованием легких заполнителей.
Исследование выполнено за счет гранта РНФ № 22-19-20115, https://rscf.ru/ project/22-19-20115/ и Правительства Белгородской области, Соглашение № 3 от 24.03.2022.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Ясинская Е. В., Никулин Н. М., Кривцов Е. Е. Исследование характеристик наномодифицированных сухих строительных смесей // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2 (20). С. 29-32.
2. Zagorodnyuk L., Sumskoy D., Lesovik V., Fediuk R. Modified heat insulating binder using jet-grinded waste of expanded perlite sand // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 260. Pp. 120440. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2020.120440.
3. Schackow A., Effting C., Folgueras M. V., Guths S., Mendes G.A. Mechanical and thermal properties of lightweight concretes with vermiculite and
EPS using air-entraining agent // Construction Building Materials. 2014. Vol. 57. Pp. 190-197.
4. Шкарин А. В., Загороднюк Л. Х., Щеки-на А. Ю., Лугинина И. Г Получение композиционных вяжущих в различных помольных агрегатах // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2012. № 9. С. 89-92.
5. Шкарин А. В., Перепечин С. А., Завгород-ний А. А., Парасоцкая О. М., Соломина И. В. Смешение сухих строительных смесей в роторно-рециркуляционном смесителе // Успехи современного естествознания. 2012. № 6. С. 68-70.
6. Sengul O., Azizi S., Karaosmanoglu F., Tasdemir M.A. Effect of expanded perlite on the mechanical properties and thermal conductivity of lightweight concrete // Energy Buildings. 2011. Vol. 43. Iss. 2. Pp. 671-676.
7. Degirmenci N., Arin N. Y. Use of pumice fine aggregate as an alternative to standard sand in production of lightweight cement mortar //Indian Journal of Engineering & Materials Sciences. 2011. Vol. 18.Pp. 61-68.
8. Unal O., Uygunoglu T., Yildiz A. Investigation of properties of low-strength lightweight concrete for thermal insulation //Building and Environment. 2007. Vol. 42. Pp. 584-590.
9. Koksal F., Gencel O., Brostow W., HaggLobland H. E. Effect of high temperature on mechanical and physical properties of lightweight cement based refractory including expanded vermiculite // Materials Research Innovations.2012. Vol. 16.Iss. 1. Pp. 7-13.
10. Lanzon M.,Garcia-Ruiz PA. Lightweight cement mortars: advantages and inconveniences of expanded perlite and its influence on fresh and hardened state and durability // Construction Building Materials. 2008. Vol. 22.Iss. 8. Pp. 1798-1806.
11. Сумской Д. А. Теплоизоляционный раствор на основе композиционного вяжущего // Вестник ВГУИТ. 2018. Т 80. № 2 (76). С. 283-289. DOI 10.20914/2310-1202-2018-2-283-289.
12. Загороднюк Л. Х., Рахимбаев Ш. М., Сумской Д. А., Рыжих В. Д. Особенности процессов гидратации вяжущих композиций с использованием отходов вспученного перлитового песка // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2020. № 11. С. 75-88. DOI 10.34031/2071-7318-2020-5-11-75-88.
13. Abu-Jdayil B., Mourad A.-H., Hittini W., Hassan M., Hameedi S. Traditional, state-of-the-art and renewable thermal building insulation materials: an overview // Construction Building Materials. 2019. Vol. 214. Pp. 709-735.
14. Fediuk R.S., Lesovik V.S., Svintsov A. P, Gladkova N.A., Timokhin R.A., et al., Self-compacting concrete using pretreatmented rice husk ash // Magazine Civil Engineering. 2018. Vol. 79. Iss. 3. Pp. 66-76.
15. Villasmil W., Fischer L.J., Worlitschek J. A review and evaluation of thermal insulation materials and methods for thermal energy storage systems //
134
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE
PART III
Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 103. Pp. 71-84.
16. Ramezanianpour A. A., Mahmoud Motahari Karein S., Vosoughi P, Pilvar A., Isapour S., Moodi F. Effects of calcined perlite powder as a SCM on the strength and permeability of concrete // Construction Building Materials. 2014. Vol. 66. Pp. 222-228.
17. Kim Hung Mo, Hong Jie Lee, Michael Yong Jing Liu, Tung-Chai Ling. Incorporation of expanded vermiculite lightweight aggregate in cement mortar // Construction Building Materials. 2018. Vol. 179. Pp. 302-306.
18. Koksal F., Mutluay E., Gencel O. Characteristics of isolation mortars produced with expanded vermiculite and waste expanded polystyrene // Construction Building Materials. 2020. Vol. 236. Pp. 117789.
19. Khoukhi M. The combined effect of heat and moisture transfer dependent thermal conductivity of polystyrene insulation material: impact on building energy performance // Energy Build. 2018. Vol. 169. Pp. 228-235.
20. Perre P, Challansonnex A., Colin J. On the importance of heat and mass transfer coupling for the characterization of hygroscopic insulation materials // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 133. Pp. 968-975.
21. Rosti B., Omidvar A., Monghasemi N., Optimum position and distribution of insulation layers for exterior walls of a building conditioned by earth-air heat exchanger // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 163. Pp. 114362.
22. Abirami T., Loganaganandan M., Murali G., Fediuk R., VickhramSreekrishna R., Vignesh T., Januppriya G., Karthikeyan K. Experimental research on impact response of novel steel fibrous concretes under falling mass impact // Construction Building Materials. 2019. Vol. 222. Pp. 447-457.
23. Hunter N.J.R., Weinberg R.F., Wilson C. J. L., Luzin V., Misra S. Quartz deformation across interlayered monomineralic and polymineralic rocks: a comparative analysis // Journal of Structural Geology. 2019. Vol. 119. Pp. 118-134.
24. Pachta V., Papadopoulos F., Stefanidou M. Development and testing of grouts based on perlite byproducts and lime // Construction Building Materials. 2019. Vol. 207. Pp. 338-344.
25. Kapeluszna E., Kotwica L., Pichor W., Nocun-Wczelik, Cement-based composites with waste expanded perlite - structure, mechanical properties and durability in chloride and sulphate environments // Sustainable Materials and Technologies. 2020. Pp. e00160.
26. Zagorodnyuk L. Kh., Sumskoy D. A., Leso-vik V. S., Fediuk R. S, Modified heat-insulating binder using jet-grinded waste of expanded perlite sand // Construction and Building Materials. 2020. Vol. P. 260. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120440.
REFERENCES
1. Yasinskaya E. V., Nikulin N. M., Krivtsov E. E. Study of the characteristics of nanomodified dry building mixtures [Issledovanie harakteristik nanomodificirovannyh suhih stroitel'nyh smesej]. Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. 2011; 2 (20): 29-32. (In Russ.)
2. Zagorodnyuk L., Sumskoy D., Lesovik V.,
Fediuk R. Modified heat insulating binder using jet-grinded waste of expanded perlite sand. Construction and Building Materials. 2020; 260: 120440.
DOI 10.1016/j.conbuildmat.2020.120440.
3. Schackow A., Effting C., Folgueras M. V., Guths S., Mendes G.A. Mechanical and thermal properties of lightweight concretes with vermiculite and EPS using air-entraining agent. Construction Building Materials. 2014; 57:190-197.
4. Shkarin A. V., Zagorodnyuk L. Kh., Shcheki-na A. Yu., Luginina I. G. Obtaining composite binders in various grinding units [Poluchenie kompozicionnyh vyazhushchih v razlichnyh pomolnyh agregatah]. Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2012; 9: 89-92. (In Russ.)
5. Shkarin A.V., Perepechin S.A., Zavgorod-niy A. A. Parasotskaya O. M., Solomina I.V Mixing of dry building mixes in a rotary recirculation mixer [Smeshenie suhih stroitelnyh smesej v rotorno-recirkulyacionnom smesitele]. Uspehi sovremennogo estestvoznanija. 2012; 6: 68-70. (In Russ.)
6. Sengul O., Azizi S., Karaosmanoglu F., Tasdemir M.A. Effect of expanded perlite on the mechanical properties and thermal conductivity of lightweight concrete. Energy Buildings. 2011; 43. Iss. 2: 671-676.
7. Degirmenci N., Arin N.Y. Use of pumice fine aggregate as an alternative to standard sand in production of lightweight cement mortar. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences. 2011; 18: 61-68.
8. Unal O., Uygunoglu T, Yildiz A. Investigation of properties of low-strength lightweight concrete for thermal insulation. Building and Environment. 2007; Vol. 42: 584-590.
9. Koksal F., Gencel O., Brostow W., Hagg Lobland H. E. Effect of high temperature on mechanical and physical properties of lightweight cement based refractory including expanded vermiculite. Materials Research Innovations. 2012; Vol. 16. Iss. 1: 7-13.
10. Lanzon M., Garcia-Ruiz PA. Lightweight cement mortars: advantages and inconveniences of expanded perlite and its influence on fresh and hardened state and durability. Construction Building Materials. 2008; Vol. 22. Iss. 8: 1798-1806.
11. Sumskoy D. A. Heat-insulating mortar based on composite binder [Teploizolyacionnyj rastvor na osnove kompozicionnogo vyazhushchego]. Vestnik VGUIT. 2018; V. 80. No. 2 (76): 283-289. DOI 10.20914/2310-1202-2018-2-283-289. (In Russ.)
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
135
РАЗДЕЛ III
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
12. Zagorodnyuk L. Kh., Rakhimbaev Sh. M., Sumskoy D. A., Ryzhykh V. D. Features of the processes of hydration of binder compositions using waste expanded perlite sand. Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2020; 11: 75-88. DOI 10.34031/2071-7318-2020-5-11-75-88. (In Russ.)
13. Abu-Jdayil B., Mourad A.-H., Hittini W., Hassan M., Hameedi S. Traditional, state-of-the-art and renewable thermal building insulation materials: an overview. Construction Building Materials. 2019; Vol. 214: 709-735.
14. Fediuk R.S., Lesovik V.S., Svintsov A.P, Gladkova N.A., Timokhin R.A., et al., Self-compacting concrete using pretreatmented rice husk ash. Magazine Civil Engineering. 2018; Vol. 79. Iss. 3: 66-76.
15. Villasmil W., Fischer L.J., Worlitschek J. A review and evaluation of thermal insulation materials and methods for thermal energy storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019; Vol. 103: 71-84.
16. Ramezanianpour A. A., Mahmoud Motahari Karein S., Vosoughi P., Pilvar A., Isapour S., Moodi F. Effects of calcined perlite powder as a SCM on the strength and permeability of concrete. Construction Building Materials. 2014; Vol. 66: 222-228.
17. Kim Hung Mo, Hong Jie Lee, Michael Yong Jing Liu, Tung-Chai Ling. Incorporation of expanded vermiculite lightweight aggregate in cement mortar. Construction Building Materials. 2018; Vol. 179: 302306.
18. Koksal F, Mutluay E., Gencel O. Characteristics of isolation mortars produced with expanded vermiculite and waste expanded polystyrene. Construction Building Materials. 2020; 236: 117789.
19. Khoukhi M. The combined effect of heat and moisture transfer dependent thermal conductivity of polystyrene insulation material: impact on building energy performance. Energy Build. 2018; Vol. 169: 228-235.
20. Perre P, Challansonnex A., Colin J. On the importance of heat and mass transfer coupling for the characterization of hygroscopic insulation materials. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019; 133: 968-975.
21. Rosti B., Omidvar A., Monghasemi N., Optimum position and distribution of insulation layers for exterior walls of a building conditioned by earth-air heat exchanger. Applied Thermal Engineering. 2019; Vol. 163: 114362.
22. Abirami T., Loganaganandan M., Murali G., Fediuk R., Vickhram Sreekrishna R., Vignesh T, Januppriya G., Karthikeyan K. Experimental research on impact response of novel steel fibrous concretes under falling mass impact. Construction Building Materials. 2019; 222: 447-457.
23. Hunter N.J.R., Weinberg R.F., Wilson C.J.L., Luzin V., Misra S. Quartz deformation across interlayered monomineralic and polymineralic rocks: a comparative analysis. Journal of Structural Geology. 2019; 119: 118-134.
24. Pachta V., Papadopoulos F., Stefanidou M. Development and testing of grouts based on perlite by-products and lime. Construction Building Materials. 2019; 207: 338-344.
25. Kapeluszna E., Kotwica L., Pichor W., Nocun-Wczelik, Cement-based composites with waste expanded perlite - structure, mechanical properties and durability in chloride and sulphate environments. Sustainable Materials and Technologies. 2020. Pp. e00160.
26. Zagorodnyuk L. Kh., Sumskoy D. A., Leso-vik V. S., Fediuk R. S, Modified heat-insulating binder using jet-grinded waste of expanded perlite sand. Construction and Building Materials. 2020. Vol. P. 260. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120440.
ВКЛАД СОАВТОРОВ
Аль Мамури Саад Кхалил Шадид. Подбор теоретической базы для проведения эксперимента. Проведение эксперимента. Апробация полученных результатов, написание статьи.
Шеметова О. Л. Подбор теоретической базы для проведения эксперимента. Проведение эксперимента. Апробация полученных результатов.
Загороднюк Л. Х. Формулировка направления и темы исследования, подбор теоретической базы для проведения эксперимента. Контроль и консультирование по вопросам проведения эксперимента и написанию статьи.
Бочарников А. Л. Проведение эксперимента, написание, редактирование и оформление статьи.
AUTHOR CONTRIBUTION STATEMENT
Al MamuriSaad Khalil Shadid - Selection of the theoretical base for the experiment. Conducting an experiment. Approbation of the obtained results, writing an article.
Olga M. Shemetova - Selection of the theoretical base for the experiment. Conducting an experiment. Approbation of the obtained results.
Lilia Kh. Zagorodnuk - Formulation of the direction and topic of the research, selection of the theoretical basis for the experiment. Supervising and advising on the conduct of the experiment and the writing of the paper.
Andrey L. Bocharnikov - Carrying out the experiment, writing, editing and layout of the article.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Аль Мамури Саад Кхалил Шадид - аспирант кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций.
Шеметова Ольга Михайловна - аспирантка кафедры механического оборудования, SPIN-код: 2117-1054.
Загороднюк Лилия Хасановна - д-р техн. наук, проф., проф. кафедры строительного материа-
136
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE
PART III
ловедения, изделий и конструкций, SPIN-код: 12050982.
Бочарников Андрей Леонидович - студент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, SPIN-код: 6866-8437.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Al Mamuri Saad Khalil Shadid, Postgraduate Student of the Building Materials Science for Products and Structures Department.
Olga M. Shemetova, Postgraduate Student of the Mechanical Equipment Department, SPIN-код: 21171054.
Lilia Kh. Zagorodnuk - Dr. of Sci., Professor, Professor of the Building Materials Science for Products and Structures Department, SPIN-код: 1205-0982.
Andrey L. Bocharnikov, Student of the Building Materials Science for Products and Structures Department, SPIN-код: 6866-8437.
Том 20, № 1.2023
Vol. 20, No. 1.2023
© 2004-2023 Вестник СибАДИ
The Russian Automobile
and Highway Industry Journal
137
