CC BY
11УДК 666.9
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-27-30
Л.В. МОРГУН1, д-р техн. наук (konst-lvm@yandex.ru), Д.А. ВОТРИН1, преподаватель-исследователь (rstvnd@gmail.com); В.Н. МОРГУН2, канд. техн. наук (vlad_morgun@bk.ru)
1 Донской государственный технический университет (344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1)
2 Академия архитектуры и искусств Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42)
Влияние диаметра дисперсной арматуры на скорость фазового перехода в фибропенобетонных смесях
Показана актуальность решения одной из проблем технологии пенобетонов, заключающаяся в сокращении периода фазового перехода пенобетонных смесей из вязко-пластичного состояния в упругое. Научно обоснована возможность достижения поставленной цели путем уменьшения диаметра армирующего волокна. Данное явление объяснено взаимосвязью между параметрами дзета-потенциала на поверхности волокон и величиной диаметра дисперсной арматуры, а также разницей в количестве фибры при разных диаметрах на единицу массы. В проведенных исследованиях использовано несколько типов фибры в качестве армирующей добавки в пенобетон, которые были равны по длине, но отличались по диаметру сечения - 18, 100, 150 мкм. Экспериментально установлено, что уменьшение диаметра волокна (на примере полиамидной фибры) на порядок, обеспечивает повышение пластической прочности смесей в пять раз в конце третьего часа твердения. Представлены фото примененных типов фибры после разрушения экспериментальных образцов. Визуально установлено (при увеличении в 200 раз), что использование фибры минимального диаметра обеспечивает наилучшую адгезию новообразований цементного камня к поверхности волокна. Рассмотрена взаимосвязь между общим количеством армирующих волокон и начальной пластической прочностью пенобетонной смеси. Экспериментально установлено, что при уменьшении диаметра дисперсной арматуры в пять раз, начальное значение пластической прочности повышается на 39%.
Ключевые слова: кинетика пластической прочности, фибропенобетонная смесь, диаметр волокна, дзета-потенциал.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К.-2016» (договор № 0033960).
Для цитирования: Моргун Л.В., Вотрин Д.А., Моргун В.Н. Влияние диаметра дисперсной арматуры на скорость фазового перехода в фибропенобетонных смесях // Строительные материалы. 2018. № 11. С. 27-30. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-27-30
L.V. MORGUN1, Doctor of Sciences (Engineering) (konst-lvm@yandex.ru), D.A. VOTRIN1, Engineer (rstvnd@gmail.com); V.N. MORGUN2, Candidate of Sciences (Engineering) (vlad_morgun@bk.ru)
1 Don State Technical University (1, Gagarin Square, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
2 Academia of Architecture and Arts of the Southern Federal University (105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation)
Influence of the Disperse Reinforcement Diameter on the Speed of Phase Transfer in Fibro-Foam Concrete Mixes
The actuality of solving one of the problems of foam concrete technology, which consists in reducing the period of phase transfer of foam concrete mixes from visco-plastic to elastic state, is shown. The possibility of achieving this goal by reducing the diameter of the reinforcing fiber is scientifically substantiated. This phenomenon is explained by the interrelation between the parameters of the zeta potential on the surface of the fibers and the size of the diameter of the disperse reinforcement, as well as the difference in the number of fibers at different diameters per mass unit. In the conducted studies several types of fiber were used as a reinforcing additive in foam concrete, which were equal in length, but differed in cross -section diameter - 18, 100, 150 microns. It is experimentally established that the reduction of the fiber diameter (on the example of polyamide fiber) by an order, provides an increase in the plastic strength of the mixtures by 5 times at the end of the third hour of hardening. Photos of the applied types of fiber after destruction of experimental samples are presented. It is visually established (at an increase in 200 times) that the use of fiber of the minimum diameter provides the best adhesion of new formations of a cement stone to a fiber surface. The interrelation between the total number of reinforcing fibers and the initial plastic strength of the foam concrete mixture is considered. It is experimentally established that with a decrease in the diameter of the disperse reinforcement by 5 times, the initial value of the plastic strength increases by 39%.
Keywords: kinetics of plastic strength, fibro-foam concrete mix, fiber diameter, zeta potential, polyamide fiber, adhesion of hard phase particles.
The work was financially supported by the Federal Fund for the Promotion of the Development of Small Forms of Enterprises in Scientific-Technical Sphere within the program "U.M.N.I.K.-2016" (contract № 0033960).
For citation: Morgun L.V.,Votrin D.A., Morgun V.N. Influence of the disperse reinforcement diameter on the speed of phase transfer in fibro-foam concrete mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 11, pp. 27-30. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-765-11-27-30 (In Russian).
Проблемы энерго- и ресурсосбережения в современном строительном комплексе являются в настоящее время одними из самых важных [1], потому что строительство и объекты инфраструктуры потребляют более 60% энергии, вырабатываемой в мире [2]. Именно поэтому начиная со второй половины ХХ в. все промыш-ленно и технологически развитые страны активно развивают производство строительных изделий из газонаполненных бетонов [3, 4].
Несмотря на популярность применения в строительстве изделий из газонаполненных бетонов, до настоящего времени не существует единой точки зрения на закономерности формирования их структуры в зависимости от ряда рецептурных и технологических факторов [5]. Отсутствие достоверного знания не позволяет
на практике стабильно изготовлять продукцию высокого качества. В то же время проблема совершенствования свойств пенобетонов неавтоклавного твердения продолжает быть актуальной.
Известно [5, 6], что важнейшей причиной накопления дефектов в затвердевшем газонаполненном бетоне является длительность фазового перехода смесей из вязкопластичного состояния в упругое. Известно также, что одним из эффективных приемов, способствующих комплексному улучшению эксплуатационных свойств таких бетонов, является дисперсное армирование их синтетическими волокнами [6—8].
Современная промышленность, поставляющая синтетическую фибру, для улучшения эксплуатационных свойств бетонов предлагает стройиндустрии довольно
ы ®
ноябрь 2018
27
10
5
рн
Рис. 1. Влияние диаметра фибры (1 - 25 мкм; 2 - 29 мкм; 3 - 43 мкм) на ее ^-потенциал в зависимости от степени щелочности среды [11]
широкий выбор материалов, обладающих различными физико-механическими свойствами [9, 10]. Из литературы, посвященной свойствам синтетических волокон [11, 12, 7], известно, что размеры поперечного сечения волокон управляют величиной поверхностного потенциала и их механическими свойствами. Поскольку величина поверхностной энергии фибры является важным инструментом влияния на скорость формирования межпоровых перегородок [8, 13], то именно поэтому авторами было принято решение о необходимости экспериментального изучения этой зависимости.
Исходя из того, что рост фрактальных кластеров в дисперсной системе фибропенобетонной смеси происходит путем перемещения в жидкой фазе твердых зернистых частиц и их адсорбции на поверхности фибры, эти перемещения подчиняются воздействию ее силового поля [14, 15]. Поэтому можно предположить, что размеры и скорость образования жестких кластеров будут зависеть от геометрических параметров волокна, в частности от диаметра.
Исследования показали [11, 16], что поверхность любой фибры обладает электрокинетическим потенциалом. Перемещение дисперсных частиц твердой фазы к поверхности заряженного волокна сопровождается ионным сорбционным взаимодействием между разноименными зарядами [13, 17].
Из графика (рис. 1) следует, что с уменьшением диаметра волокна увеличивается дзета-потенциал поверхности фибры. Данный факт обусловлен тем, что с уменьшением толщины волокон увеличивается плотность химических групп на их поверхности [11]. Поэтому поверхностные химические группы легче ионизируются, что и предопределяет рост плотности адсорбционного слоя вокруг волокон. Последнее должно способствовать повышению адгезии зернистых частиц твердой фазы вокруг фибры.
Исходя из изложенного можно предположить, что между диаметром армирующего волокна в пенобетон-ной смеси и скоростью ее фазового перехода должна существовать корреляционная связь. В связи с этим было проведено исследование влияния диаметра дисперсной арматуры (на примере полиамидного волокна) на скорость формирования упругой структуры в фибро-пенобетонной смеси.
Для данного исследования были отобраны три типа полиамидного (ПА) волокна одинаковой длины (18 мм) с варьируемой величиной диаметра. Диаметр армирующих волокон рецептуры 1 составлял 18 мкм, рецептуры 2 — 100 мкм, рецептуры 3 — 150 мкм. Диаметр волокон подбирался исходя из их доступности на рынке РФ.
Пенобетонные смеси изготовлялись по одностадийной технологии в лабораторном смесителе емкостью 60 л. Смеси готовились идентичными по всем параметрам рецептуры с содержанием дисперсной арматуры
900 850 -800 750 -700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 -200 150 -100 50
75 90 105 120 135 150 165 180 195 Время, мин
Рис. 2. Влияние диаметра армирующих волокон на кинетику пластической прочности фибропенобетонной смеси. Средняя плотность бетона 900 кг/м3: 1 - ПА 0 0,1 мм; 2 - пенобетонная смесь; 3 - ПА 0 0,15 мм; 4 - ПА 0 0,018 мм
1,5% от массы твердых компонентов для проектной средней плотности бетона 900 кг/м3. Испытания проводились по методике [18]. Полученные экспериментальные данные представлены в таблице и на рис. 2.
Анализ полученных данных показывает, что диаметр применяемой фибры можно считать важным инструментом управления кинетикой пластической прочности пенобетонных смесей. Чем меньше диаметр, тем при прочих равных рецептурных соотношениях быстрее увеличивается пластическая прочность исследуемого материала.
Величина пластической прочности в конце третьего часа твердения смеси, армированной фиброй из ПА 0 18 мкм, в пять раз превышает значения смеси с ПА 0 100 мкм и в шесть раз по сравнению со смесью, содержащей ПА фибру 0 150 мкм (900,34 Па;175,84 Па и 146,14 Па соответственно). Помимо этого из графиков следует, что с уменьшением диаметра армирующего волокна кривая набора пластической прочности показывает более выраженный экспоненциальный рост.
Вторым фактором, влияющим на скорость набора пластической прочности, стало общее число армирующих волокон в смеси. При увеличении числа волокон уменьшается среднее расстояние между ними. Поскольку каждое волокно — это протяженная поверхность твер-
Уравнения аппроксимирующих линий пластической прочности фибропенобетонных смесей в зависимости от типа фибры
Тип фибры в смеси Общий вид уравнения пластической прочности Величина достоверности аппроксимации
ПА 018 мкм т = 82,278е0012х R2 = 0,9397
ПА 0100 мкм т = 78,28е°,°045х R2 = 0,9887
ПА 0150 мкм т = 72,78е0,0038х R2 = 0,9816
28
ноябрь 2018
] ®
Рис. 3. Поверхность волокон, извлеченных из фибропенобетона: а - ПА 0 18 мкм; б - ПА 0 100 мкм; в - ПА 0 150 мкм; увеличение в 200 раз
дой фазы, то от его количества должна зависеть скорость фазового перехода (рис. 2). При уменьшении диаметра волокна в пять раз начальные значения пластической прочности смеси с ПА 018 мкм и ПА 0100 мкм отличаются на 39%.
Фотографии волокон (увеличение х200), обнаженных в результате разрушения образцов фибропенобетона (через 50 сут), показали разницу в интенсивности адгезии дисперсных частиц твердой фазы к поверхности фибры (рис. 3). Поверхность полиамидного волокон диаметром 18 мкм визуально на 35—40% покрыта зернистыми частицами новообразований цементного камня. Волокна из полиамида диаметром 100 и 150 мкм имеют
Список литературы
1. Киселева Е.А. Энерго- и ресурсосбережение — основа устойчивого развития города и территории // Вестник МГСУ. 2011. № 6. С. 630-634.
2. Papon P. Energy Nechnology Perspectives 2017: Catalysing Energy Nechnology Transfomations. Paris: IEA, 2017. 443 p.
3. Сажнев Н.П., Шелег Н.К., Сажнев Н.Н. Производство, свойства и применение ячеистого бетона автоклавного твердения // Строительные материалы. 2004. № 3. С. 2-6.
4. Песцов В.И., Оцоков К.А. Вылегжанин В.П., Пинскер В.А. Эффективность применения ячеистых бетонов в строительстве России // Строительные материалы. 2004. № 3. С. 6-8.
5. Моргун Л.В., Смирнова П.В., Костыленко К.И., Пушенко О.В., Богатина А.Ю. Влияние процессов раннего структурообразования на свойства фибро-пенобетонов. Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: Сборник трудов МНК. 2011. Т. 2. С. 125-129.
6. Моргун В.Н., Моргун Л.В. Структура межпоровых перегородок в пенобетонных смесях// Строительные материалы. 2014. № 4. С. 84-87.
7. Богатина А.Ю. Конструкционные фибропенобето-ны для зданий гражданского типа. Дисс... канд. техн. наук. Ростов н/Д, 2005. 267 с.
8. Моргун Л.В. Структурообразование и свойства фи-бропенобетонов неавтоклавного твердения: Теория и методология рецептурно-технологического регулирования. Дисс... д-ра техн. наук. Ростов н/Д, 2005. 336 с.
9. Перепелкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. 2002. Т. XLVI. № 1. С. 31-48. http://fhmas.chem.msu.ru/rus/jvho/2002-1/31.pdf (дата обращения 20.12.2017).
10. Вотрин Д.А. Обзор возможности применения волокон для производства фибропенобетона. Строительство и Архитектура-2015. Современное состояние и перспективы развития инженерно-экологических систем, строительных технологий, материалов и ка-
на своей поверхности гораздо меньшее число зернистых частиц (менее 10%).
Выводы
Научно обоснована возможность управления скоростью фазового перехода пенобетонных смесей из вязко-пластичного состояния в упругое с помощью минимизации диаметра фибры, используемой для дисперсного армирования.
Экспериментально установлено, что величину пластической прочности и скорость фазового перехода можно регулировать, опираясь на такой геометрический параметр фибры, как ее диаметр.
References
1. Kiseleva E.A. Energy and resource saving — the basis for sustainable development of the city and territory. Vestnik MGSU. 2011. No. 6, pp. 630-634. (In Russian).
2. Papon P. Energy Nechnology Perspectives 2017: Catalysing Energy Nechnology Transfomations. Paris: IEA. 2017. 443 p.
3. Sazhnev N.P., Sheleg N.K., Sazhnev N.N. Production, properties and application of autoclaved aerated concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials].
2004. No. 3, pp. 2-6. (In Russian).
4. Pestsov V.I., Otsokov K.A., Vylegzhanin V.P., Pinsker V.A. Efficiency of the use of cellular concrete in the construction of Russia. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2004. No. 3, pp. 6-8. (In Russian).
5. Morgun L.V., Smirnova P.V., Kostylenko K.I., Pushen-ko O.V., Bogatina A.Yu. Influence of early structure formation processes on properties of fibropenobetona. Integration, partnership and innovations in building science and education: collection of works ISC. 2011. Vol. 2, pp. 125-129. (In Russian).
6. Morgun V.N., Morgun L.V. Structure ofinterporal partitions in foam concrete mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 4, pp. 84-87. (In Russian).
7. Bogatina A.U. Structural fibrous concrete for civil buildings. Cand. Diss. (Engineering). Rostov-on-Don.
2005. 267 p. (In Russian).
8. Morgun L.V. Structurization and properties ofnon-autoclaved hardening fibro-foam concrete: Theory and methodology of prescription and technological regulation. Doct. Diss. (Engineering). Rostov-on-Don. 2005. 336 p. (In Russian).
9. Perepyolkin K.E. Modern chemical fibers and prospects for their use in the textile industry. Zhurnal Rossiyskogo khimi-cheskogo obshchestva im. D.I. Mendeleeva. 2002. Vol. XLVI. No. 1, pp. 31. http://fhmas.chem.msu.ru/rus/jvho/2002-1/31..pdf. (data of access 20.12.2017). (In Russian).
10. Votrin D.A. Overview of the possibility of using fibers for the production of fibrous foam. Construction and Architecture-2015. Current state and prospects of development of engineering-ecological systems, construction technologies, materials and quality in construction: Materials of the international scientific-practical conference. Rostov-on-Don. 2015, pp. 375-378. (In Russian).
¡TPfJ>ITE/]brlblE научно-технический и производственный журнал J ® ноябрь 2018
чества в строительстве: Материалы международной научно-практической конференции. Ростов н/Д, 2015. С. 375-378.
11. Roy S., Ghosh S., Bhowmick N. Study the effect of denier and fiber cut length on zeta potential of nylon and polyester fibers for sustainable // Journal of Environmental Research and Development. 2016. Vol. 11. № 2. Pp. 392-397. http:// www.jerad.org/dispabstract.php?vID=16100470 (дата обращения 15.09.2017).
12. Fathiah M.Z., Edyvean R.G. The role of ionic strength and mineral size to zeta-potential for the adhesion of p. putida to mineral surfaces // World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Biotechnology and Bioengineering. 2015. Vol. 9. No. 7, pp. 805-810.
13. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 136 с.
14. Фадеева B.C. Формирование структуры пластичных паст строительных материалов при машинной переработке. М.: Стройиздат, 1972. 222 с.
15. Plank J., Hirsch C. Impact of zeta-potential of early cement hydration phases on superplasticizer adsorption // Cement and Concrete Research. 2007. No. 37, pp. 537-542. D0I:10.1016/j.cemconres.2007.01.007.
16. Yilmaz F. Polymer Science. Croatia, Rijeka: InTech, 2013. 256 p.
17. Nascimento A.C., Moreira J.V. Influence ofzeta potential in physical and mechanical properties of recycled paper // International journal of innovative research in engineering & management. 2015. Vol. 2. No. 5, pp. 65-70.
18. Патент РФ 2316750. Способ определения пластической прочности пенобетонной смеси / Моргун В.Н. Заявл. 03.05.2006. Опубл. 10.02.2008. Бюл. № 4.
19. Кларк Э., Эберхардт К. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Техносфера, 2007. 375 с.
11. Roy S., Ghosh S., Bhowmick N. Study the effect of denier and fiber cut length on zeta potential of nylon and polyester fibers for sustainable. Journal of Environmental Research and Development. 2016. No. 2. Vol. 11, pp. 392-397. http: //www.jerad. org/dispabstract.php?vID= 16100470 (date of access 15.09.2017).
12. Fathiah M.Z., Edyvean R.G. The role of ionic strength and mineral size to zeta-potential for the adhesion of p. putida to mineral surfaces. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Biotechnology and Bioengineering. 2015. No. 7. Vol. 9, pp. 805-810.
13. Smirnov B.M. Fizika fraktal'nyh klasterov [Physics of fractal clusters]. Moscow: Nauka. 1991. 136 p.
14. Fadeeva B.C. Formirovanie struktury plastichnyh past stroitel'nyh materialov pri mashinnoy pererabotke [Formation of the structure of plastic pastes of building materials during machine processing]. Moscow: Stroyizdat. 1972. 222 p.
15. Plank J., Hirsch C. Impact of zeta potential of early cement hydration phases on superplasticizer adsorption. Cement and Concrete Research. 2007. No. 37, pp. 537-542. D0I:10.1016/j.cemconres.2007.01.007.
16. Yilmaz F. Polymer Science. Croatia, Rijeka: InTech. 2013. 256 p.
17. Nascimento A.C., Moreira J.V. Influence ofzeta potential in physical and mechanical properties of recycled paper. International journal of innovative research in engineering & management. 2015. Vol. 2. No. 5, pp. 65-70.
18 Patent RF 2316750. Sposob opredeleniya plasticheskoy prochnosti penobetonnoy smesi [Method for determining the plastic strength of a foam concrete mix]. Morgun V.N.; Declared 03.05.2006. Published 10.02.2008. Bulletin No. 4. (In Russian).
19. Klark E., Eberhardt K. Mikroskopicheskie metody issledovaniya materialov [Microscopic methods of materials research]. Moscow: Tekhnosfera. 2007. 375 p.
NEW
Технология гипсовых отделочных материалов и изделий
Федулов А.А., М: ООО РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2018. 240 с.
В книге описано производство гипсовых отде лочных материалов и изделий от добычи сырья до упаковки готовой продукции. Особое внимание автор уделяет подробному описанию технологических линий и от дельных единиц оборудования, установленных на передовых предприятиях гипсовой промышленности. В книге представлено большое количество иллюстраций всех тех нологических переделов, которые помогут глубже представить и понять технологиче ские процессы производства того или иного изделия. Описание технологии каждого вида гипсовых изделий основывается на существующих производственных регламен тах предприятий России, Германии и Дании, включая шахты, карьеры, которые автор посещал лично.
Книга предназначена студентам, изучающим производство строительных матери алов и конструкций в качестве дополнительного материала по технологии современ ных гипсовых изделий, а также для инженеров-технологов заводов, производящих гипсовую продукцию в качестве справочного материала.
Технология производства стеновых цементно-песчаных изделий
Балакшин Ю.З., Терехов В.А. М.: ООО РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2012. 276 с.
В книге описано производство и применение стеновых материалов методом вибропрессования из цементно-пес-чаных бетонов. Рассмотрена существующая и перспективная номенклатура изделий и их свойства. Описаны сырьевые материалы для производства цементно-песчаных изделий: песок, щебень, вяжущие и химические добавки.
Сформулированы специфические требования к сырьевым материалам, а также рекомендации по подбору состава бетонной смеси. Подробно представлена технология производства цементно-песчанных вибропрессованных стеновых изделий. Особое внимание уделено технологическому контролю на производстве и техническому контролю и обслуживанию оборудования. Чертежи и табличная информация облегчают восприятие материала. Книга предназначена для организации производственно-технического обучения на предприятии, будет полезна инженерно-техническому персоналу и широкому кругу специалистов.
Заказать литературу можно через редакцию,
направив заявку по e-mail: mail@rifsm.ru, или оформить заказ на сайте www.rifsm.ru
30
ноябрь 2018
J ®
