CC BY
82. ЕНиР сб. Е 11. Изоляционные работы. - М.: Стройиздат, 1988. - 64 с.
3. Одинцов В.П. Справочник по разработке проекта производства работ. - Киев: Буд1вельник, 1982. - 182с.
4. П'ятигорська H.I. Тешкйзоляцшш матер1али в Укршш. Виробництво, споживання, перспективи розвитку // Енергозбереження в буд1вництв1 тепло -та звукснзолящйш матер1али, фасади, фасадш системи. К., 2006. - С. 112115.
5. Конструктивы р1шення несучих ctíh гпдвищеноТ тепло1золяцшно1 здатносп для шдивщуальних житлових буд1вель / О.Ю. Конопляник, Д.О. Головенькин // Вюник ПридшпровськоТ державно! академи буд1вництва та архггектури. Дшпропетровськ ПДАБА, 2008. - № 1-2. - С. 65-69.
6. Чернявський В.В., Юрш O.I., Фаренюк Г.Г. Тешклзоляцшно-опоряджувальш фасадш системи як 3aci6 термомодершзацп житлового фонду Украши // Ресурсоеконом1чн1 матер1али, конструкцп, буд1вл1 та споруди : зб. наук. пр. - Р1вне : НУВГП, 2008. - Вип. 17. -С.365-372.
УДК: 666.9: 691.511: 691.316 Любомирский Н.В., Бахтин A.C., Гендин В.А.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕССОВАННЫХ ИЗВЕСТКОВО-ИЗВЕСТНЯКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ КАРБОНИЗАЦИОННОГО ТИПА ТВЕРДЕНИЯ
Проведена оптимизация технологических факторов получения материалов на основе дисперсно-армированых известково-известняковых композиций, твердеющих в среде повышенной концентрации углекислого газа. Определены физико-механические характеристики полученных карбонизированных образцов. Установлено, что наиболее эффективными волокнами в прессованных известково-известняковых композициях карбонизационного твердения являются базальтовые волокна длинной 5 мм. Дисперсных волокон технической целлюлозы снижают прочностные показатели материала.
Ключевые слова: дисперсные волокна, известково-известняковые композиции полусухого прессования, карбонизация, прочность на сжатие, прочность растяжение при изгибе
Введение. Обзор литературных источников
Известно [1], что дисперсные волокна в цементных композициях оказывают положительное влияние на процессы структурообразования цементного камня, физико-механические и эксплуатационные свойства бетона. Исследования, проводимые различными учеными [2, 3], доказывают, что бетоны, армированные дисперсными волокнами различного происхождения, имеют более высокие физико-механические характеристики.
Кроме того, дисперсное армирование позволяет:
- компенсировать главные недостатки бетона: низкую прочность при растяжении и хрупкость разрушения;
- получать бетоны с повышенными прочностью на срез, ударной и усталостной динамической прочностью, трещиностойкостью и вязкостью разрушения, морозостойкостю, водонепроницаемостью.
Особый интерес представляет возведение из дисперсно-армированных бетонов зданий и сооружений с учётом возможного воздействия на них сейсмических (инерционных) сил.
Дисперсное армирование бетона сегодня рассматривается как эффективное средство повышения его прочности на растяжение и затруднения образования трещин на всех уровнях его структуры, способствующее повышению долговечности.
В целом, эффективная работа армирования бетонов дисперсными волокнами определяется тремя главными факторами: физико-механическими характеристиками волокон, адгезией цементной матрицы к их поверхности, а также долговечностью материала волокон в щелочной среде цементного камня.
Исследования проведенные группой ученых [4-6], обнаружили высокую степень разрушения (до 70 %) различных минеральных волокон в растворе Са(ОН)г. Наиболее стойким оказалось базальтовое волокно, прочность которого после выдержки в насыщенном растворе извести снизилась на 26-32 %. Авторы также отмечают тенденцию к затуханию реакции базальтовых волокон с Са(ОН)г во времени.
Другие исследователи [1] утверждают о более высокой стойкости базальтовых волокон в агрессивных средах цементного камня и насыщенного раствора извести. Так, после испытаний в течение 36 месяцев прочность базальтовых волокон снизилась лишь на 12-15 %.
Несмотря на значительное количество научных исследований, применение дисперсного армирования в строительных изделиях сдерживается рядом причин. В частности, отсутствует нормативная база по проектированию и оптимальным методам распределения волокон в матрице вяжущего, расчету сырьевых составов, технологиям производства строительных изделий с использованием дисперсных волокон.
На основании аналитического обзора литературных источников можно сделать вывод, об отсутствии научных исследований в области влияния дисперсного армирования на физико-механические характеристики строительных изделий на основе минеральных вяжущих веществ, получаемых методом полусухого прессования.
Цель и постановка задачи исследований
Интересными и новыми являются исследования в области влияния дисперсного армирования на процесс прессования композиционных систем на основе извести карбонизационного твердения, а также физико-механические характеристики получаемого искусственного карбонизированного камня.
В связи с этим целью настоящей работы являлось определение влияния дисперсного армирования на физико-механические характеристики материала, изготовленного способом полусухого прессования, на основе известково-известняковых композиций карбонизационного твердения.
Поставленная цель была достигнута путем постановки и решения следующих задач:
- определением оптимального количества дисперсного волокна в системе «гашеная известь-известняк»;
- оптимизацией технологических факторов получения дисперсно-армированного материала полусухого прессования с учетом максимальных физико-механических свойств;
- определением физико-механических характеристик полученных опытных карбонизированных образцов.
Методика исследований
В настоящей работе использовалась кальциевая гашеная известь активностью 85-90 %. В качестве заполнителя применяли мелкие отходы дробления мраморовидных известняков фракцией до 2,5 мм. Содержание пылевидных частиц (менее 0,16 мм) в заполнителе находилось в пределах 35-40 %. Водосодержание сырьевой смеси составляло 5 %. Компоненты сырьевой смеси вместе с базальтовым волокном подвергались перемешиванию в лабораторном смесителе с частотой вращения рабочего органа 1000 об/мин. Время перемешивания составляло 60 с.
Для определения влияния дисперсного армирования на физико-механические свойства известково-известняковых систем карбонизационного твердения использовали
программный комплекс StatSoft STATISTICA, с встроенным модулем математического планирования эксперимента.
Оптимизацию технологических факторов проводили на основе рототабельного центрального композиционного плана (РЦКП). Оптимизируемыми факторами, были выбраны удельное давление прессования сырьевой смеси, количество фибры (базальтового волокна) и содержание извести. Условия планирования эксперимента представлены в табл. 1.
Таблица 1
Условия планирования эксперимента_
Наименование фактора Ед. изм. Код Уровни варьи эования
-1,682 -1 0 1 1,682
Давление прессования, Руд МПа Xi 23,18 30 40 50 56,82
Количество фибры % Х2 0,0659 од 0,15 0,2 0,2341
Количество извести % Х4 6,59 10 15 20 23,41
В качестве параметров оптимизации принимали: У1 - прочность при сжатии, МПа; У2 - прочность на растяжение при изгибе, МПа; Уз - водопоглощение по массе, %.
В качестве армирующих волокон использовалось базальтовое волокно. Основные характеристики волокна представлены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики базальтового волокна _
Наименование Длина волокон, мм Диаметр волокон, мм Влажность, % Замасливатель волокон, (вид)
РБР (ровинг базальтовый рубленный) 5,0 0,018 1,0 Т10
Для определения физико-механических характеристик дисперсно-армированного карбонизированного материала, из гомогенезированной сырьевой смеси методом прессования изготавливались образцы цилиндры диаметром и высотой 30 мм, а также плитки с размерами 50x50 мм и толщиной 7-10 мм. Полученные опытные образцы подвергались искусственной карбонизации в среде повышенной концентрации СОг. Время карбонизации опытных образцов составляло 2 ч. Концентрация СОг в камере карбонизации - 30 %. Водопоглощение по массе определяли на карбонизированных образцах цилиндрах. Испытания опытных образцов на сжатие и изгиб проводили по стандартным методикам [7].
Результаты и их анализ Анализ полученных опытных данных в программном комплексе 8ТАТ18Т1СА позволил получить уравнения регрессии, описывающие зависимость изменения прочности при сжатии и изгибе и водопоглощения по массе карбонизированного материала от удельного давления прессования, количества фибры и количества извести. Полученные уравнения имеют вид:
- прочность при сжатии (Ксж, МПа) после сушки:
У1 = 19,2 + 3,17X1 - 0,83Х2 + 2,66Х3 + 2Д9Х12 + 3,03Х22 + 0,89Х32 -
0,77Х1Х2 + 3,0Х2Х3; (1)
- прочность при изгибе (Яи, МПа) после сушки:
У2 = 3,67 + 0,58X1 - 0,51Х2 + 0,51Х3 + ОД6Х12 + 0,24Х22+ 0,13Х32-
0,04X1X2 - 0,008X1X3 + 0,4Х2Х3; (2)
- водопоглощение по массе (\УШ, %):
Уз = 10,23 - 0,83X1 + 0,22X2 + 0,21Хз - 0Д4Х12 - 0,06Х22 - 0,32Х32 +
0,09Х1Хз - 0,39Х2Х3; (3)
Представленные уравнения регрессии позволяют комплексно оценить влияние варьирования каждого из изучаемых технологических факторов и их взаимодействия на
физико-механические свойства карбонизированных опытных образцов. Согласно уравнениям (1-3) увеличение удельного давления прессования (Х1) способствует повышению прочности при сжатии и изгибе, а также снижению водопоглощения. При этом во взаимодействии с увеличением количества фибры (Хг) и удельного давления прессования (Х1), наблюдается снижение показателя прочности при сжатии и изгибе.
Уравнения (1-3) показывают, что увеличение количества фибры (Хг) в сырьевой смеси приводит к снижению прочности при сжатии и изгибе и увеличению водопоглощения по массе карбонизированных опытных образцов. Следует отметить что во взаимодействии факторов увеличение количества фибры (Хг) и извести (Хз) способствует повышению показателя прочности при сжатии и изгибе. Однако в данном случае лимитирующим фактором будет являться удельное давление прессования, так как коэффициент регрессии при данном факторе больше по своему абсолютному значению. Увеличение количества извести (Хз) в сырьевой смеси способствует повышению прочности при сжатии и изгибе, но при этом увеличивается водопоглощение карбонизированного материала.
Обработка полученных уравнений регрессии с помощью расширенных средств визуализации в комплексе БТАТКПСА, позволила получить различные поверхности отклика, исследование которых необходимо для выбора оптимальных режимов технологического процесса.
На рис. 1 представлен матричный график, являющийся графической обработкой регрессионных уравнений (1 - 3). График отражает общее качественное влияние независимых переменных (Х1 - Хз) на исследуемые свойства (У] - Уз) опытных карбонизированных образцов. Из рис. 1 видно, что увеличение удельного давления прессования способствует повышению прочности при сжатии и изгибе и снижению водопоглощения. Поскольку знаки при коэффициентах регрессии фактора (Хг) являются прямо противоположными от знаков коэффициентов фактора (Х1), следовательно увеличение количества фибры в сырьевой смеси влечет за собой снижение показателя прочности при сжатии и изгибе и повышение водопоглощения. С повышением количества извести наблюдается увеличение прочности при сжатии и изгибе, однако вместе с тем происходит увеличение водопоглощения карбонизированного материала.
Рис. 1. Влияние технологических факторов получения опытных образцов на физико-механические свойства после их искусственной карбонизации
Необходимо отметить, что угол наклона кривых позволяет судить о преобладающем влиянии удельного давления прессования (Х1) на исследуемые свойства опытных карбонизированных образцов в сравнении с факторами (Хг) и (Хз).
Поверхности отклика изменения исследуемых свойств от переменных факторов при их совместном влиянии в различном сочетании представлены на рис. 2-5.
Согласно данным представленным на рис. 2а и 4а, при содержании извести в сырьевой смеси равном 10%, прочность при сжатии и изгибе карбонизированных образцов увеличивается с увеличением удельного давления прессования и уменьшением количества фибры. Так при удельном давлении прессования 50-55 МПа и количестве фибры 0,04 % возможно получение карбонизированного материала с прочностью при сжатии и изгибе 40-50 и 7-8 МПа соответственно.
С увеличением количества извести до 20 %, зона в которой возможно получение карбонизированного материала с аналогичными свойствами расширяется в направлении увеличения количества фибры в смеси и незначительного снижения удельного давления прессования (рис. 26 и 46).
Из рис. 3 и 5 видно, что характер изменения поверхностей отклика с изменением удельного давления прессования одинаков. Увеличение Руд сырьевой смеси с 30 до 50 МПа способствует повышению прочности на сжатие и изгиб на 10 и 1 МПа соответственно. При этом увеличение значений прочности наблюдается в направлении увеличения количества извести и фибры в сырьевой смеси. Данный эффект связан с увеличением адгезии известковой матрицы к поверхности волокон. Необходимо отметить, что существенного прироста в значениях прочности на сжатие и, в особенности на изгиб при увеличении количества фибры и извести в сырьевой смеси не наблюдается.
Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии карбонизированных образцов от совместного влияния исследуемых факторов в различном сочетании: а) количество извести - 10 %; б) количество извести - 20 %
1"1 40 □ 40
□ 30 О 30
I 1 :о I I:о
Рис. 3. Зависимость прочности на сжатие карбонизированных прессованных образцов от содержания фибры и извести, и усилия прессования, МПа: а) 30; б) 50
Таким образом, исследования позволили установить, что максимальные значения прочности на сжатие и изгиб (40-50 и 7-8 МПа соответственно) в исследуемом диапазоне технологических факторов (Х1 -Х3) достигаются при расходе извести 8-12 % и расходе фибры 0,04 %. Оптимальное удельное давление прессования составляет 30-40 МПа. При этом контрольные образцы, полученные при таких же условиях, но не имеющие в своем составе фибры обладают аналогичными показателями прочности на сжатие и изгиб и водопоглощением.
Рис. 4. Зависимость прочности при растяжении на изгиб карбонизированных прессованных образцов от содержания фибры и усилия прессования при разном содержании извести в сырьевой смеси, % мае.: а) 10; б) 20
Рис. 5. Зависимость прочности при растяжении на изгиб карбонизированных прессованных образцов от содержания фибры и извести, и усилия прессования, МПа:
а) 30; б) 50
Для оценки влияния длинны и вида дисперсного волокна на прочность при сжатии и изгибе были проведены дополнительные экспериментальные исследования, в которых использовались базальтовые волокна большей длинны и волокна технической целлюлозы. Основные характеристики волокон представлены в табл. 3.
Таблица 3
Характеристики дисперсных волокон_
Наименование Длина волокон, мм Диаметр волокон, мм Замасливатель волокон, (вид)
РБР (ровинг базальтовый рубленный) 24,0 0,018 1,0 Т10
Волокна технической целлюлозы (ТесЬпосе! 500) 0,5 0,025 5,0 -
Условия получения опытных образцов на данном виде дисперсных волокон соответствовали уровню варьирования «-1» (см. табл. 1). Полученные экспериментальные
данные представлены в табл. 4.
Таблица 4
Физико-механические характеристики опытных карбонизированных образцов
Наименование Условия получения опытных образцов Вид дисперсных волокон (фибры) Контр, образцы без фибры
р 1 уд, МПа Кол-во фибры, % Кол-во извести, % РБР, длина волокон 5 мм РБР, длина волокон 24 мм ТесЬпосе1 500, длина волокон 0,5 мм
р, кг/м3 30,0 ОД 10,0 2076 2078 2060 2086
МПа 26,5 17,0 19,1 23,8
Яи, МПа 5,4 3,8 4,4 5,0
% 8,6 9,2 8,9 8,5
Как видно из табл. 4, контрольные образцы без фибры обладают практически такими же показателями, как и образцы с добавкой базальтовых волокон длиной 5 мм. Использование этих волокон позволяет повысить прочность на сжатие и изгиб на 11,4 и 8,0 % соответственно. Применение базальтовых волокон длинной 24 мм приводит к снижению показателей прочности на сжатие и изгиб на 28,6 и 24 % соответственно, в равнении с контрольными образцами. Использование волокон технической целлюлозы (Technocel 500) также сопровождается уменьшением значений прочности на сжатие и изгиб на 19,7 и 12 % соответственно, в равнении с контрольными образцами.
Выводы
1. В результате проведения исследований установлено, что влияние дисперсных волокон в прессованных известково-известняковых композициях карбонизационного твердения малоэффективно: физико-механические показатели армированных образцов практически не отличаются от контрольных (не армированных). Наиболее эффективными являются базальтовые волокна длинной 5 мм. Их использование позволяет повысить прочность на сжатие и изгиб на 11,4 и 8,0% соответственно, увеличение длины базальтовых волокон. Использование дисперсных волокон технической целлюлозы снижает прочностные показатели образцов.
2. Установлено, что оптимальными факторами получения карбонизированного дисперсно-армированного материала прочностью на сжатие и изгиб 40-50 и 7-8 МПа соответственно являются: давление прессования 30-40 МПа, количество извести 8-12 % и содержание фибры 0,04 %.
3. Показано, что наиболее эффективно использование фибры в составах с высоким содержанием извести, из-за повышения адгезии известковой матрицы к поверхности волокон, с увеличением количества извести в сырьевой смеси с 10 до 20 % прочности на сжатие и на растяжение при изгибе увеличиваются в 1,2 раза.
список литературы
1. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами / [Пащенко A.A., Сербии В.П., Паслаская А.П. и др.]. - М.: Стройиздат. 1988. - 201 с.
2. Рекомендации по проектированию железобетонных конструкций из керамзитобетона с фибровым армированием базальтовым волокном / [Маилян Р.Л., Маилян Л.Р., Осинов K.M. и др.]. - Ростов-на-Дону, 1996. - 14 с.
3. Волков И В. Проблемы применения фибробетона в отечественном строительстве / И.В. Волков // Строительные материалы. - 2004. - № 6. - С. 13-15.
4. Рабинович Ф.Н., Зуева В.Н., Макеева Л.В. Устойчивость базальтовых волокон в среде гидратирующихся цементов // Стекло и керамика. - 2001. - № 12 - С. 29 - 32.
5. Рабинович Ф.Н. Прогнозирование изменений во времени прочности стеклофиброцементных композитов / Ф.Н. Рабинович // Стекло и керамика. - 2003. - №2 -С. 32-38.
6. Бучкин A.B., Степанова В.Ф. Цементные композиции повышенной коррозионной стойкости, армированные базальтовыми волокнами/ A.B. Бучкин, В.Ф.Степанов // Строительные материалы - 2006. -№ 7. С. 12-16.
7. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия / А.Г. Комар. - М.: Высш. шк., 1988. - 527 с.
