Влияние формы, размера пор и внешнего давления на среднюю плотность и прочность неавтоклавного ячеистого бетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Сулейманова Л. А., канд. техн. наук, проф., Кара К. А., аспирант

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ, РАЗМЕРА ПОР И ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ НА СРЕДНЮЮ ПЛОТНОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ НЕАВТОКЛАВНОГО

ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА

ludmilasuleimanova@yandex.ru

Исследовано влияние формы, размера пор и внешнего давления на среднюю плотность и прочность неавтоклавного ячеистого бетона. Установлено, что увеличение давления до 5 г/см2 на формовочную смесь повышает прочность на сжатие на 45% за счет уплотнения межпоровой перегородки.

Ключевые слова: модель, пора, внешнее давление, неавтоклавный ячеистый бетон.

В соответствии с данными работ [1...6] уменьшение размера пор в ячеистом бетоне позволяет значительно повышать его прочность, снижать теплопроводность и является одним из путей улучшения свойств материала. Однако, о прямых опытах, подтверждающих это, нам недостаточно известно, поэтому нами были проведены

нижеописанные исследования. Испытывались по три модели, имеющие поры разной формы и различного размера, которые изготавливались из пенопласта.

Форма пор и объем пористости в моделях, а также характеристики материала представлены на рис. 1, 2 и в табл.1.

Рисунок 1. Модели:

а - без пор (М1); б - со сферической порой (М2), Упор = 125 см3; в - с кубической порой размером 50x50x50 мм (М3), Упор = 125 см3; г - с кубической порой размером 70x70x70 мм (М4), Упор = 343 см3; д - с порой в форме тетраэдра (М5), Упор = 125 см3; е - с порой в форме октаэдра (М6), Упор = 125 см ; ж - с мелкими порами в форме куба (М7), Упор = 125 см3; з - с мелкими порами неправильной формы (М8), Упор = 125 см3

При этом объем пористости был во всех случаях (кроме М4) одинаковым, а размеры пор и их форма разными. В случае М4 -общий объем пористости образцов размером 10x10x10 см был больше. Матрица моделей изготавливалась из цементно-песчаной

смеси состава Ц:П = 1:1 (по массе), В/Ц = 0,6. В экспериментах использовались портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ЗАО «Белгородский цемент» и песок Нижнеольшанского месторождения с модулем крупности 1,47.

а

д

Рисунок 2. Некоторые а - М2; б - М3; в

Модели твердели в лабораторных условиях в течение 7 суток и испытывались на сжатие в соответствии с требованиями ГОСТ 10180.

Таблица 1 Результаты испытаний моделей

№ п/п Модель Средняя плотность, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа

1 М1 2080 22,9

2 М8 1970 16,4

3 Мз 1880 9,7

4 М2 1850 8,7

5 М7 1820 7,4

6 Мб 1800 8,2

7 М5 1460 5,9

8 М4 1370 6,0

При анализе полученных данных (табл. 1) четко прослеживается зависимость прочности моделей от их средней плотности и величины пористости.

Опыты свидетельствуют о том, что лучшая форма пор - это сфера и куб. При этом, чем меньше размеры пор при прочих

натурные модели: - М4; г - М7

равных условиях, тем больше прочность материала, что согласуется с выводами других исследователей [7, 8].

В моделях М3 и М4 форма пор кубическая, но величина пористости разная. В модели М4 пористость больше, а поэтому и прочность ниже. В соответствии с [9, 10] размер пор зависит от давления газовой фазы в них (при прочих одинаковых условиях), которое в свою очередь связано также со средней плотностью и высотой формовочной массы, ее реологическими свойствами и внешним давлением на смесь. Исходя из этого, можно сделать вывод: чем больше внешнее давление на формовочную смесь, тем меньше должен быть размер пор и больше прочность неавтоклавного ячеистого бетона. Для экспериментальной проверки этого использовались смеси: Ц:П = 1: 2,25 (по массе); В/Ц = 0,35; ПАВ - 2 г.

Образцы неавтоклавного ячеистого бетона изготавливались с применением способа вибровакуумирования. Процесс вибровакуумирования длился до

достижения максимального вакуума 0,09 МПа. При максимальной величине вакуума образцы выдерживали 5 мин.

в

г

Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова Параметры виброобработки: частота колебаний 50 с-1, амплитуда колебаний 0,5 мм. Твердение материала проводилось в условиях лабораторной пропарочной камеры по режиму 3 + 6 + 2 ч при температуре Т^ = 95 °С

Особенностью экспериментов является то, что образцы подвергались вибровакуумированию с пригрузом, который создавал равномерное давление на смесь при формовании кубов размером 10x10x10 см.

Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты экспериментов

Исследования показывают, что увеличение давления на смесь с 0 до 5 г/см2 при формовании образцов мало отражается на размере пор и средней плотности материала, которая повышается всего на 5 %. В то же время происходит значительное увеличение прочности на 45 %, которое достигается и объясняется увеличением плотности межпоровых перегородок ячеистого бетона.

Для вспучивания формовочной массы с пригрузом необходимо большее давление в порах, которое и способствует уплотнению межпоровой перегородки неавтоклавного ячеистого бетона.

_2011, №2

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Горлов, Ю. П. Технология теплоизоляционных материалов: Учебник для вузов [Текст]/ Ю. П. Горлов, А. П. Меркин, А. А. Устенко. - М.: Стройиздат, 1980. -399 с.

2. Горяйнов, К.Э. Технология теплоизоляционных материалов и изделий: Учебник для вузов [Текст] / К.Э. Горяйнов, С. К. Го-ряйнова. - М.: Стройиздат, 1982. - 376 с.

3. Зейфман, М.И. Изготовление силикатного кирпича и силикатных ячеистых материалов [Текст] / М.И. Зейфман. - М.: Стройиздат, 1990. - 184 с.

4. Меркин, А.П. Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития [Текст]/ А.П. Меркин // Строительные материалы. 1995. - № 2. - С.11-15.

5. Королев, А.С. Оптимизация состава и структуры конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона [Текст]/ А.С. Королев, Е.А. Волошин, Б.Я. Трофимов // Строительные материалы. 2004. - № 3. -С. 30-32.

6. Сахаров, Г.П. Альтернативные теплоизоляционные материалы для ограждающих конструкций зданий [Текст] / Строительные материалы и изделия. - 2005. - №3 - С. 2-7.

7. Иваницкий, В.В. Теоретические и пр актические аспекты оптимизации структуры пористых бетонов [Текст] / В. В. Иваницкий, Н.А. Сапелин, А.В. Бортников // Строительные материалы. 2002. - № 3. - С. 32-33.

8. Рахимбаев, Ш.М. О влиянии размера и ф о р м ы пор на теплотехнические характеристики ячеистых бетонов [Текст] / Ш.М. Рахимбаев, Т.В. Аниканова // Бетон и железобетон. 2010. - № 1. - С. 10-13.

9. Сулейманова, Л.А. Вибровакуумиро-ванный ячеистый бетон [Текст] / Л.А. Сулейманова. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1997. - 130 с.

10. Гридчин, А.М. Новые технологии вы-сокопоризованных бетонов [Текст] / А.М. Гридчин, [и др.] // Поробетон - 2005: сб. докл. Международной науч. -практ. конф. -Белгород : Изд-во БГТУ, 2005. - С. 6-16.

№ п/п Масса пригруза, г Средняя плотность бетона после ТВО, кг/м3 Прочность на сжатие после ТВО, МПа

1 0 1340 6,9

2 140 1350 7,3

3 210 1360 7,6

4 280 1370 9,3

5 500 1400 10,1

Строкова В. В., советник РААСН, д-р техн. наук, проф., Соловьева Л. Н., канд. техн. наук, ст. преп., Гринев А. П., соискатель

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ ХАНТЫ-МАНСИИЙСКОГО АО

ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА*

strokova@intbel.ru

Установлены закономерности изменения свойств вяжущего низкой водопотребности в зависимости от количества кремнеземистого компонента и добавки.

Полученные результаты позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора на физико-механические свойства модифицированного вяжущего, а также определять его состав.

Ключевые слова: монолитное строительство, мелкозернистый бетон, вяжущее низкой водопотребности:._

На сегодняшний день из существующих технологий возведения зданий и сооружений наиболее перспективным является монолитное строительство. Это - возведение конструктивных элементов из бетонной смеси с использованием специальных форм (опалубки) непосредственно на строительной площадке [1]. Монолитное строительство обладает рядом преимуществ: возможность использования нестандартных объемно-пространственных решений, устойчивость к воздействию техногенных и неблагоприятных факторов окружающей среды -обладают сейсмостойкостью, огнестойкостью, водо- , тепло- и звуконепроницаемостью, долговечностью и надежностью, а также дешевизна монолитного строительства. Таким образом, данный вид строительства является энергосберегающей технологией по теплозащите, звукоизоляции, комфортности, простоте выполнения работ, скорости и относится к высоким и в тоже время дешевым технологиям в области строительства. Благодаря современной конструкции опалубки возведение монолитных зданий не носит сезонный характер, а стало возможным круглогодично [2].

Проведенный анализ строительной отрасли Ханты-Мансиийского АО показал, что в настоящее время в связи с увеличением объемов строительных работ в исследуемой области ощущается дефицит привозного сырья крупного заполнителя. Для устранения этой проблемы предлагается использование мелкозернистого бетона на основе композиционного вяжущего с применением местного сырья.

При разработке модифицированного композиционного вяжущего изучались зависимости технологических свойств сырья в зависимости от их состава, структуры, процессов их техноло-

гической переработки с целью выяснения оптимальных параметров синтеза материалов с заранее заданными свойствами.

Для оценки пригодности использования того или иного песка в качестве кремнеземистого компонента либо в качестве заполнителя и их ранжирования по эффективности существуют методики определения качества песков как кремнеземистого компонента композиционных вяжущих и определения качества песков как заполнителя [3]. Анализ физико-механических характеристик песков Эсского и Махнеевского месторождений Ханты-Мансийского АО [4] показали целесообразность использования песка Эсского месторождения в качестве кремнеземистого компонента композиционных вяжущих, а Махнеевского месторождения как заполнителя для бетонов.

Анализ морфологии зерен песков (рис. 1) дает возможность предположить, что полидисперсный состав будет способствовать образованию более плотной структуры композита, а шероховатость поверхности обеспечит лучшее сцепление кремнеземистого компонента с цементным камнем и в свою очередь положительно отразится на физико-механических характеристиках конечного композита.

Важным этапом данной работы является прогнозирование влияния вещественного состава и структуры, геометрических и топологических характеристик компонентов неоднородных строительных материалов и изделий на их эксплуатационные свойства. Для этого применяли планирование эксперимента, которое позволяет, используя минимальное количество опытов, выбрать именно те условия, которые оптимизируют выходные параметры. В качестве параметров оптимизации, характеризующие физико-

механические показатели ВНВ, были приняты плотность, прочность при изгибе и на сжатие. На данные параметры влияет количество кремнеземистого компонента и количество вво-

димой добавки-пластификатора, которые и были приняты в качестве варьируемых факторов (табл. 1).

б

Рисунок 1. Микроструктура зерен песка: а - Эсского; б - Махневского месторождений

Таблица 1

Условия планирования эксперимента

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

натуральный вид кодированный вид 1 0 1

Количество кремнеземистого компонента, % Х1 30 45 60 15

Количество добавки, % Х2 0,44 0,5 0,56 0,06

В соответствии с принятым планом установлено пять уровней варьирования факторов: -1 - минимальный, 0 - средний, +1 - максимальный.

Для удобства планирования эксперимента составлена матрица двухфакторного эксперимента (табл. 2), в соответствии с которой проводили исследование.

Таким образом, были выбраны необходимые уровни варьирования факторов так, чтобы

любое их сочетание, которое предусмотрено планом, было реализуемо на разработанных моделях и учитывало реальные технологические условия.

На основании результатов испытаний были получены уравнения регрессии, выражающие зависимость кинетики изменения плотности и прочности в зависимости от количества кремнеземистого компонента и добавки.

а

Таблица 2

Матрица планирования_

X! Х2 Х12 Х22 Х1Х2

1 -1 -1 1 1 1

2 1 -1 1 1 -1

3 1 1 1 1

4 1 1 1 1 1

5 0 1 0 0

6 1 0 1 0 0

7 0 -1 0 1 0

8 0 1 0 1 0

9 0 0 0 0 0

Для прочности на сжатие с использованием системы «кремнеземистый компонент + добавка» уравнение регрессии в кодированном виде имеет вид:

у=35,6-1,560,6х1-5,52х2+0,78х12+3,98х22 1

Уравнение регрессии в кодированном виде для прочности при изгибе с использованием системы «кремнеземистый компонент + добавка» имеет следующий вид:

у=5,12-0,33xl-0,73x2+0,27xl2+0,5x22-0,4xlx2 2

В кодированном виде уравнение регрессии для плотности при использовании системы «кремнеземистый компонент + добавка» имеет вид:

у=2341-17,337xl+5 X2+3.358хl2+9.642х22 3

В соответствии с уравнениями регрессии получены графики изменения физико -механических свойств мелкозернистого бетона (рис. 2). Трехмерные графики, отображающие влияние основных факторов на характеристики бетона являются поверхностями 2-го порядка, ориентированы на оси изменения количества кремнеземистого компонента и добавки.

Основной целью получения математической модели и построения трехмерных графиков являлось прогнозирование физико-

механических свойств мелкозернистого бетона для различных составов.

Анализ полученной зависимости для прочности на сжатие показал, что наибольшей прочностью обладает вяжущее полученное при максимальном количестве введенной добавки и кремнеземистого компонента. При уменьшении количества добавки значения прочности на сжатие снижается. Практически такого же эффекта можно добиться и при введении 50 % кремнеземистого компонента при получении ВНВ.

Рисунок 2. Номограммы зависимости физико-механических свойств бетона от варьируемых факторов: а - прочности на сжатие; б - прочности при изгибе; в - плотности

По результатам оценки номограммы прочности при изгибе можно сделать вывод, что характер ее изменения отличается. Значения прочности при изгибе увеличивается либо при максимальном количестве вводимого кремнеземистого компонента, при этом количество добавки сильно не влияет на данный показатель, либо при минимальном содержании кремнеземистого компонента и максимальной дозировке добавки.

При рассмотрении номограммы плотности наблюдается прямолинейная зависимость ее снижения при увеличении количества вводимого кремнеземистого компонента и уменьшения дозировки добавки. Так, при введении добавки в количестве 0,54 % при минимальном использовании кремнеземистого компонента достигается максимальная плотность.

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают целесообразность использования композиционного вяжущего при условии комбинации его с полифункциональным модификатором, усиливающие технологические свойства композиционного вяжущего, для производства бетонов различного назначения. Полученные математические зависимости изменения свойств вяжущего низкой водопотребности и их графические интерпретации 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 получения модифицированного вяжущего и прогнозирования его физико-механических свойств.

*Работа выполнялась при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2010 годы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трембицкий, С.М. Условия достижения высоких темпов и качества строительства зданий из монолитного железобетона [Текст] / С.М. Трембицкий, Л.Н. Беккер, П.Г. Кебадзе // Бетон и железобетон, - М., 2008. - № 5. - С.8-11.

2. Штраух, Е.А. К вопросу о повышении эффективности строительных технологий при возведении многоэтажных монолитных жилых зданий [Текст] / Е.А. Штраух // Промышленное и гражданское строительство, - М., 2010. - № 2.

- С. 43-45.

3. Лесовик, Р.В. Оценка качества мелкого заполнителя бетонов [Текст] / Р.В. Лесовик, Н.И. Алфимова, М.Н. Ковтун // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (ХУШ научные чтения): сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф.

- Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007.

- Ч. 1. - С. 152-155.

4. Гринев, А.П. Получение композиционных вяжущих с использованием природных песков Ханты-Мансийского АО [Текст] / А.П. Гринев, Д.Ю. Гриньков // Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях: Сб. тр. междунар. конференции с элементами науч. шк. для молодежи, 16-19 ноября 2009 г. -Якутск: Паблиш Групп, 2009. - С. 62-64.