CC BY
32
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 666.972.53
ЯЧЕИСТЫЕ ФИБРОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ВУЛКАНИЧЕСКИХ
ГОРНЫХ ПОРОД
© 2003 г. Т.А. Хежев, Ю.В. Пухаренко, М.Н. Хашукаев
Удорожание энергоносителей и сокращение расходов на отопление привели к введению новых норм по сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций, что предусматривает переход к массовому производству и применению материалов с низкой теплопроводностью. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что эффективным материалом является ячеистый бетон, при этом предпочтение отдается безавтоклавным пенобетонам, требующим меньших капиталовложений как при организации новых, так и при модернизации существующих производств.
В настоящее время в качестве заполнителей для производства ячеистых бетонов используется, в основном, кварцевый песок, что не всегда обеспечивает получение материала заданной плотности и прочности при допустимых расходах цемента. В то же время известен ряд материалов естественного и техногенного происхождения, являющихся эффективной заменой кварцевого песка. Одним из таких материалов является туфовый песок - вулканическая горная порода, ранее не использовавшаяся в технологии пенобетонов [1].
Были проведены эксперименты по получению теплоизоляционно-конструкционных пенобетонов с использованием в качестве заполнителей различных мелкодисперсных материалов [2]. Установлено, что применение отходов пиления туфа в качестве заполнителя ячеистого бетона эффективнее традиционно используемого кварцевого песка и некоторых других материалов (табл. 1).
Следует отметить, что из 60-75 % кремнезема, входящего в состав вулканических пород 30-35 % находятся в аморфном (активном) состоянии. Поэтому исследовалось влияние добавок извести-кипелки и полуводного гипса на свойства пенотуфобетона. Для проведения экспериментов использовались портландцемент М 400 Пи-калевского завода, известь воздушная кальциевая порошкообразная Угловского известкового комбината, гипс полуводный марки Г-5, нормальнотвердеющий, среднего помола. В качестве заполнителя использовался песок из отходов пиления туфа Заюковского месторождения, который имел следующие характеристики: насыпная плотность р н = 1147 кг/м3; истинная плотность р и = = 2,481 г/см3; модуль крупности М^ = 1,80. Химический состав туфового песка приведен в табл. 2.
Таблица 1
Физико-механические характеристики пенобетонов с использованием различных заполнителей
Заполнитель Расход компонентов на 1м3 смеси, кг Средняя плотность пенобетона, р, кг/м3 Временное сопротивление сжатию, Я, МПа
цемент заполнитель вода
Туфовый песок 227 227 208 511 1,11
Кварцевый песок 227 227 173 570 0,84
Зола ТЭЦ 227 227 287 497 2,03
Гранулированный шлак 227 227 173 578 0,75
Отработанная формовочная смесь 227 227 173 543 0,58
Гранитная пыль 227 227 195 560 0,63
Зола переработки сточных вод 227 227 340 438 0,76
Таблица 2
Химический состав туфа Заюковского месторождения
Содержание основных компонентов по массе, %
SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO Na2O + K2O SO3 п.п.п.
73,1 13,75 1,75 1,65 1,12 0,23 3,87 0,12 2,0
Использовались следующие пенообразователи: клееканифольный, составляющий с водой соотношение 1:5 и имеющий кратность 20; «Неопор 400», находящийся с водой в соотношении 1:40 и имеющий кратность 25.
В лабораторных условиях образцы-балочки размером 40x40x160 и 70x70x280 мм изготовлялись по литьевой технологии, выдерживались 16 ч и пропаривались в пропарочной камере при температуре / = 80 °С по режиму 2+6+естественное остывание. Перед испытаниями образцы высушивались до постоянной массы при температуре / = 105 °С в сушильном шкафу.
Для определения оптимальных значений вводимых добавок в ячеистый бетон был реализован план полного факторного эксперимента типа 22 (метод Бокса - Уилсона) [3, 4].
В качестве варьируемых переменных были приняты содержания в вяжущем извести X, %) и гипса (Х2, %) по массе. Параметрами оптимизации (7Ь 72) являлись временные сопротивления пенобетона сжатию (Я, МПа) и растяжению при изгибе (Яу, МПа).
В результате реализации плана эксперимента получены уравнения регрессии в кодированных единицах:
7 = 0,97 - 0,11Х2 - 0,13^X2; 72 = 0,20 - 0,02^X2 .
Для отыскания оптимальных значений факторов было предпринято крутое восхождение в направлении градиента линейного приближения, в результате которого установлено, что максимальная прочность пенобетона (Я= 1,31 МПа, Яу = 0,20 МПа) достигается в случае содержания в вяжущем извести - 50 % и гипса - 2 %.
В связи с содержанием в смеси воздушных вяжущих (гипса и извести) были проведены эксперименты по определению коэффициента снижения прочности при насыщении водой (коэффициента размягчения) (табл. 3).
Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы. Добавки извести и гипса приводят к увеличению прочности пенотуфобетона при пропаривании. Однако в условиях естественного твердения предпочтительнее пенобетоны без добавок. Показательным для пенобетона с добавками является снижение коэффициента размягчения с 0,84 до 0,45, что для стенового материала является недопустимым.
Таким образом, полученный состав пенотуфобетона может быть использован в перегородках при относительной влажности в помещениях не более 60 %, а после доработки состава - в качестве теплоизоляции.
Наряду с достоинствами безавтоклавные пенобе-тоны обладают такими недостатками, как высокие деформации усадки и низкая ударостойкость, что является причиной появления трещин и выколов в изделиях при их изготовлении и эксплуатации. Для преодоления этих и других недостатков пенотуфобе-тоны армировались волокнами [5].
Исходный пенотуфобетон имел следующие показатели: средняя плотность в сухом состоянии р = 500 кг/м3; временное сопротивление сжатию Я = 1,16 МПа; временное сопротивление растяжению при изгибе Яу = 0,2 МПа. Расход компонентов на 1 м3 пенотуфобетона: портландцемент марки М 400 - 227 кг; туфовый песок с наибольшим диаметром зерен 1,25 мм - 227 кг; вода - 195 кг (В/Т = 0,43); пенообразователь протеиновый «Неопор 400» - 1,25 кг.
Для дисперсного армирования использовались капроновые волокна со следующими характеристиками: диаметр волокон ё = 0,02 мм; плотность р = 1,14 г/см3; модуль упругости £=4650 МПа.
Для изучения влияния параметров дисперсного армирования на свойства фибропенотуфобетона был поставлен эксперимент с композиционным ротата-бельным планом второго порядка типа правильного шестиугольника.
В качестве исследуемых факторов были приняты основные параметры дисперсного армирования: X] - объемный процент армирования , % (0,02; 0,20; 0,38; 0,56; 0,74); Х2 - отношение длины волокон к их диаметру 1/ё (200, 600, 1000).
В качестве параметров оптимизации рассматривались: 7[ - временное сопротивление сжатию Я, МПа; 72 - временное сопротивление растяжению при изгибе Яу, МПа.
В результате реализации данного плана эксперимента получены уравнения регрессии в кодированном виде:
7! = 1,31 - 0,27X1 - 0,28Х2 - 0,23X!2 - 0,49X!X2 ;
72 = 0,68 + 0,12X! - 0,14X2 - 0,29X1X2 .
Таблица 3
Результаты испытаний прочности и водостойкости пенотуфобетона
Составы Средняя плотность, р, кг/м3 Временное сопротивление образцов сжатию Я, МПа Коэффициент размягчения
при естественном твердении, через 28 сут. при пропаривании
водонасыщенные сухие
Без добавок 504 1,31 0,86 1,05 0,82
С добавками 500 1,14 0,61 1,36 0,45
По уравнениям были построены поверхности отклика. В результате выявлено, что при проценте армирования = 0,56 % по объему и пониженном отношении I / ё = 200 (I = 4 мм) происходит повышение прочностных характеристик фибропенотуфобетона (Я = 1,5 МПа, Яу = 0,82 МПа), что связано не только
с армирующими свойствами волокон, но и с их способностью благоприятно влиять на характер пористости (повышение однородности пористости, уменьшение среднего размера пор).
Дальнейшие исследования были посвящены особенностям технологии фибропенотуфобетона. Предложен способ приготовления фибропенотуфо-бетонной смеси с пофракционным введением заполнителя. Исходный туфовый песок, с наибольшим диаметром зерен 1,25 мм, рассеивался на две фракции: крупную, с диаметром зерен более 0,63 мм, и мелкую, с диаметром зерен менее 0,63 мм. Процентное содержание каждой фракции в исходном песке составляло соответственно 19 и 81 % по массе. На первом этапе приготавливалась фибропенотуфобетонная смесь с использованием мелкой фракции туфового песка. Затем в эту смесь добавлялась остальная часть заполнителя. При этом крупные зерна заполнителя равномерно распределяются в объеме ранее приготовленной ячеистобе-тонной массы.
Далее начинаются процессы самовакуумирова-ния массы, что повышает устойчивость фибропено-туфобетонной смеси. При дальнейшем твердении заполнитель отдает воду и поддерживает благоприятные условия гидратации цементного раствора. В результате такого взаимодействия цементного раствора и пористого заполнителя происходит образование контактной зоны из цементного камня повышенной плотности.
Установлено, что применение такого приема позволяет снизить водотвердое отношение с 0,43 до 0,39 с одновременным увеличением прочности фибропе-нотуфобетона.
Для снижения остаточной влажности материала был предложен следующий способ тепловой обработки в пропарочной камере. В течение 2 ч осуществляется подъем температуры до 80 °С, изотермическая выдержка при этой температуре в течение 8 ч. Затем подача пара прекращается, и дальнейшая тепловая обработка происходит в среде подаваемого горячего воздуха, что приводит к удалению влаги.
Кабардино-Балкарский государственный университет, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Эксперименты показали, что применение принудительной сушки позволяет снизить усадочные деформации фибропенотуфобетонов без потерь прочности при оптимальных режимах тепловой обработки.
Результаты исследований были опробованы путем выпуска опытной партии мелких стеновых блоков размером 600 х 300 х 200 мм на производственной базе ООО «Красное». Бетонные образцы, вырезанные из блоков, удовлетворяют требованиям ГОСТ 25485 - 82 для ячеистых бетонов марки Д 500 класса В 1.
Технико-экономические расчеты показали, что экономический эффект от применения фибропеноту-фобетона, достигаемый за счет снижения расхода цемента и стоимости заполнителя, составляет 22,6 % (115 р./м3).
Выводы
1. Установлена эффективность использования для получения безавтоклавных пенобетонов вулканических горных пород, в том числе отходов пиления вулканического туфа.
2. Определены оптимальные сочетания компонентов в пенобетонной матрице и параметры дисперсного армирования исследуемого материала с учетом формирования пористой структуры.
3. Исследованы особенности технологии фибро-бетонных изделий, в результате чего предложены новые способы приготовления смеси и режимы теп-ловлажностной обработки.
Литература
1. Ахматов М.А. Применение отходов камнепиления туф-карьеров и рыхлых пористых пород в качестве заполнителей легких бетонов и конструкций из них. Нальчик, 1981.
2. Хежев Т.А., Пухаренко Ю.В., Хашукаев М.Н. Применение различных кремнеземистых компонентов для получения ячеистых бетонов // Вестн. Кабардино-Балкарского гос. ун-та. Серич «Техн. науки» Нальчик, 2000. Вып. 4. С. 85-86.
3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., 1976.
4. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М., 1965.
5. Хашукаев М.Н., Ландухов Д.В., Хежев Т.А. Влияние параметров армирования на структуру и свойства ячеистых фибробетонов // Тр. молодых ученых / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. СПб., 2000. Ч. 1. С. 152-154.
3 февраля 2003 г.
