автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Фиброгипсобетонные композиты с применением вулканических горных пород

На правах рукописи

005535844

ХЕЖЕВ Хасанби Анатольевич

ФИБРОГИПСОБЕТОННЫЕ КОМПОЗИТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 о;-; Г 2№

Санкт-Петербург 2013

005535844

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре строительных материалов и технологий

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН Пухаренко Юрий Владимирович

Петраков Борис Иванович,

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, ФГКВОУ ВПО «Военный институт (инженерно-технический) Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева», г. Санкт-Петербург, кафедра технологии, организации и экономики строительства, профессор;

Веселова Светлана Иосифовна,

кандидат технических наук, ООО «Техноарм+», г. Санкт-Петербург, старший научный сотрудник

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Защита диссертации состоится 12 ноября 2013 г. в 14м часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «_

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

2013

Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Повышение качества, эффективности, экологической и пожарной безопасности, долговечности и надежности конструкций и сооружений является одной из важнейших задач строительства. При оценке конкурентоспособности строительных материалов, изделий и конструкций необходимо учитывать, что в последние годы стоимость энергоносителей резко возросла, также повысились и транспортные расходы. Поэтому актуальной задачей является разработка новых эффективных композитов на основе техногенного сырья и местных материалов, которые отличаются низкой себестоимостью и улучшенными физико-механическими характеристиками.

Разработки в области гипсовых вяжущих, материалов и изделий указывают на то, что имеются все необходимые условия для эффективного использования их как в традиционных, так и в новых направлениях строительства. Изделия из гипса отличаются относительной легкостью, прочностью, низкой тепло- и звукопроводностью, достаточной огнестойкостью. Вместе с тем гипсовые вяжущие и изделия имеют следующие недостатки: значительная хрупкость, низкая водостойкость, низкая морозостойкость, высокая ползучесть при увлажнении. Для уменьшения расхода гипсового вяжущего и уменьшения деформации изделий при сушке в формовочную массу вводятся органические или неорганические заполнители. Но, как правило, заполнители в той или иной степени снижают механическую прочность гипсобетонных изделий.

Преодоление многих недостатков гипсовых вяжущих и изделий возможно в результате создания композитов с использованием эффективных заполнителей и дисперсного армирования. Заполнителем для гипсобетонных композиционных материалов могут служить вулканические горные породы, в том числе отходы пиления туфа, которые в результате физико-химических взаимодействий позволят формировать улучшенные структуры композита. Кроме того, решается проблема утилизации техногенного сырья.

Диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованных способов получения эффективных фиброгипсобетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами с применением вулканических горных пород.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме НИР «Развитие фундаментальных основ и практических принципов получения строительных конструкций повышенной эксплуатационной надежности и безопасности (государственный регистрационный номер: 01201257464).

Степень разработанности темы исследования. Работа основана на теоретических исследованиях российский ученых, направленных на разработку эффективных композиционных материалов с применением гипса: М.Г. Алтыкис, В.В. Бабкова, Ю.М. Баженова, П.П. Будникова, А.Ф. Бурьянова, A.B. Волженско-го, М.С. Гаркави, В.В. Иваницкого, В.Ф. Коровякова, B.C. Лесовика, Ю.Г. Мещерякова, И.В. Моревой, В.Б. Ратинова, Р.З. Рахимова, П.А. Ребиндера, Е.Е. Сегало-вой, Л.М. Сулименко, Ю.М. Тихонова, A.B. Ферронской, Г.И. Яковлева и др.

В работе использованы исследования российских ученых, направленных на разработку теоретических принципов и практических основ создания фибробе-тонов: Ю.М. Баженова, Б.А. Крылова, K.M. Королева, Л.Г. Курбатова, И.А. Лобанова, Л.А. Малининой, В.Ф. Малышева, Л.В. Моргун, В.И. Морозова, А.П. Павлова, В.А. Перфилова, Б.И. Петракова, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабиновича, Г.С. Родова, В.П. Романова, Г.С. Степановой, К.В. Талантовой, Ю.И. Тетерина, Г.К. Хайдукова, М.А. Волкова, B.C. Стерина и др.

Цель и задачи исследования

Цель исследования - разработка эффективных фиброгипсобетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами с применением вулканических горных пород.

Объектом исследования являются фиброгипсотуфобетонные композиты.

Предметом исследования являются составы, свойства и технология фибро-гипсотуфобетонных композитов и изделий различного назначения.

Задачи исследования

1. Осуществить анализ имеющихся разработок в области исследования и производства гипсовых вяжущих и гипсобетонов с использованием различных заполнителей и армирующих материалов.

2. Обосновать эффективность использования отходов производства вулканического туфового камня для получения гипсобетонов.

3. Разработать составы гипсотуфобетонных композитов и исследовать их свойства в зависимости от соотношения гипса, туфового песка и негашеной извести.

4. Исследовать минералогический состав гипсоизвестковотуфобетонного композита.

5. Разработать составы гипсоизвесткововермикулитотуфобетонного и гип-соизвестковоцементовермикулитотуфобетонного композитов и исследовать их огнезащитные свойства экспериментальными и расчетными методами.

6. Определить влияние параметров дисперсного армирования базальтовыми волокнами на свойства фиброгипсотуфобетонных и фиброгипсовермикулитоту-фобетонных композитов.

7. Предложить и исследовать технологические решения, направленные на улучшение эксплуатационных свойств предлагаемых материалов.

8. Разработать технологический регламент производства плит для перегородок из фиброгипсоизвестковотуфобетонного композита, произвести экспериментальную проверку предлагаемых решений в условиях действующего производства и определить технико-экономическую эффективность.

Методологической основой диссертационного исследования послужили разработки и основные положения строительного материаловедения в области гипсовых композиционных материалов, методы математического планирования эксперимента, существующая нормативная база, основные положения теории прочности и теплопроводности строительных материалов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия, пункту 7 «Раз-

работка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности».

Научная новизна исследования

1. Разработана сырьевая смесь для изготовления фиброгипсотуфобетонного композита с улучшенными физико-механическими свойствами, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5-31,7 % по сравнению с гипсовыми. Исследованы влияние соотношения компонентов, зернового состава туфового заполнителя, параметров фибрового армирования на их свойства и минералогический состав новообразований.

2. Установлена зависимость свойств фиброгипсотуфобетонного композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

3. Разработаны новые составы многокомпонентного гипсоизвесткововерми-кулитотуфобетонного и гипсоизвестковоцементовермикулитотуфобетонного композитов. Проведены экспериментально-теоретические исследования огнезащитных свойств, получены выражения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости композитов.

4. Получена математическая модель прочности фиброгипсоизвесткововер-микулитотуфобетонного композита в зависимости от процента армирования и отношения длины волокон к их диаметру, исследованы огнезащитные свойства, установлена зависимость свойств композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

Новизна технических решений подтверждена 3 патентами на изобретения.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработаны и оптимизированы составы эффективных гипсобетонных композитов различного назначения на основе вулканических горных пород, позволяющие снизить стоимость изделий и решить вопросы утилизации техногенного сырья. Разработана программа для расчета огнестойкости строительных конструкций с применением разработанных гипсобетонных композитов численными методами. Разработан технологический регламент на производство перегородочных плит с применением фиброгипсотуфобетонных композитов.

Разработанные составы фиброгипсотуфобетонных композитов прошли промышленную проверку при выпуске опытной партии перегородочных плит в ООО «Гранит». Предложенные составы фиброгипсовермикулитотуфобетонных композитов применяются в ООО «Огнезащита» для огнезащиты строительных конструкций.

Результаты экспериментальных исследований и теоретические положения, полученные при выполнении диссертационной работы, используются кафедрой «Строительные материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» и кафедрой «Строительное производство» ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» в учебном процессе на специальностях «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Промышленное и гражданское строительство», а также при подготовке бакалавров и магистров

направления «Строительство». Материалы диссертационной работы использованы автором при выполнении выпускной квалификационной работы, занявшей 1 место на Всероссийском конкурсе выпускных квалификационных работ по специальности 270102 Промышленное и гражданское строительство в номинации «Дипломная работа» в 2011 г.

Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций подтверждается проведенными автором экспериментами, использованием поверенного оборудования, применением современных методов исследования и обработки полученных результатов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также результатов, полученных в лабораторных и производственных условиях, адекватностью принятых математических моделей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: V-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2009); IV-й Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009); Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «ПЕРСПЕКТИВА-2010» (Нальчик, 2010); IV-й Международной конференции «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» (Архангельск, 2010); V-й Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Махачкала, Ростов-на-Дону, 2010); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ПЕРСПЕКТИВА—2011» (Нальчик, 2011); Международной научно-практической конференции «Строительство—2011» (Ростов-на-Дону, 2011); VI-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2011); 64-й Международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2011); 1-м Международном конгрессе молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 печатных изданиях общим объемом 6,75 п. л., лично автором - 3,47 п. л., в том числе 6 работ опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ, и 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 плав с выводами по каждой из них, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа представлена на 160 страницах, содержит 21 рисунок, 43 таблицы, список использованных источников из 185 наименований и приложений с документами, подтверждающими внедрение результатов работы.

Автор выражает благодарность за научные консультации д.т.н., профессору Т.А. Хежеву.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости.

В первой главе рассматриваются состояние вопроса, цель и задачи исследований.

Во второй главе приводятся характеристика используемых материалов и методика исследований.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния соотношения компонентов на свойства гипсотуфобетонной матрицы, химического и минералогического состава гипсоизвестковотуфобетонного композита, влияния зернового состава заполнителя и параметров армирования на свойства фиброгипсоту-фобетонного композита, технологии приготовления смеси и формования изделий из фиброгипсотуфобетонного композита.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния соотношения компонентов на свойства фиброгипсоизвесткововермикулито-туфобетонно-го и гипсоизвестковоцементовермикулитотуфобетонного композитов, экспериментально-теоретических исследований их огнезащитных свойств, влияния технологических факторов на свойства композитов.

В пятой главе приведены результаты внедрения и расчета технико-экономической эффективности разработанных композитов для производства перегородочных плит и огнезащиты строительных конструкций.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Разработана сырьевая смесь для изготовления фиброгипсотуфобетонного композита с улучшенными физико-механическими свойствами, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5-31,7 % по сравнению с гипсовыми (патент РФ №2330823). Исследованы влияние соотношения компонентов, зернового состава туфового заполнителя, параметров фибрового армирования на их свойства и минералогический состав новообразований.

На основании проведенного обзора литературных данных для фиброгипсо-бетонных композитов в качестве заполнителя применялись вулканические горные породы, в частности отходы пиления вулканического туфа, так как они одновременно могут служить в качестве активной минеральной добавки и заполнителя, что позволит существенно уменьшить расход гипса и решить вопросы утилизации промышленных отходов.

Для решения поставленных задач в исследованиях использованы: гипсовое вяжущее марки Г-4-И-А; воздушная негашеная известь кальциевая порошкообразная; песок из отходов пиления вулканического туфа Заюковского месторождения с максимальной крупностью зерен 5 мм; базальтовое волокно производства ОАО «Ивотстекло» марки РНБ-9-1200-4с.

Образцы размером 4x4x16 см формовали литьевым способом и осуществляли естественную сушку в воздушно-сухих условиях. Испытание образцов выполнялось в соответствии с ГОСТ 23789-79.

Для оптимизации состава гипсотуфобетонной матрицы исследовалось влияние соотношения компонентов гипса, туфового песка и негашеной извести на их свойства (табл. 1).

Таблица 1

Влияние соотношений гипса, туфового песка и негашеной извести на физико-механические свойства гипсобетонного композита

№ Соотношение компонентов, мае. % Показатели свойств гипсобетонного композита

сос- гипс туфовый известь вода средняя предел прочности предел прочности

тава песок плотность, при изгибе (МПа) в при сжатии (МПа)

кг/м3 возрасте, сут в возрасте, сут

1 7 28 1 7 28

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 67,0 _ - 33,0 1232 1,9 2,8 3,3 4,1 10,2 10,4

2 35,0 35,0 - 30,0 1307 0,3 1,9 2,0 2,1 4,3 4,8

3 33,0 33,0 4,9 29,1 1340 0,3 2,0 2,8 2,3 6,7 9,0

4 31,7 31,7 7,9 28,7 1350 0,4 2,1 3,0 2,9 6,8 10,3

5 30,5 30,5 10,6 28,4 1364 0,5 2,2 3,3 2,9 7,1 11,0

6 29,3 29,3 13,2 28,2 1371 0,4 2,1 3,1 2,4 6,5 9,7

7 24,3 48,6 - 27,1 1387 0,1 0,3 0,7 0,6 2,5 3,2

8 23,1 46,2 3,5 27,2 1381 0,1 0,4 1,7 0,6 2,9 4,0

9 22,5 45,0 5,6 26,9 1391 0,1 0,7 1,9 0,7 3,8 6,0

10 21,7 43,4 7,6 27,3 1385 0,1 1,3 2,4 0,6 3,7 5,6

В результате исследований предложена сырьевая смесь для изготовления гип-сотуфобетонного композита, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5-31,7 % без снижения прочности гипсобетона. Выявлено оптимальное соотношение компонентов для изготовления гипсобетонного композита, мае. %: гипсовое вяжущее 30,5-31,7; туфовый песок 30,5-31,7; негашеная известь 7,9-10,6; вода — остальное. Гипсобетонный композит имеет повышенный коэффициент размягчения - 0,65. Кроме того, добавка извести замедляет сроки схватывания смеси: начало схватывания - с 5 до 11 мин, конец схватывания — с 8 до 14 мин.

Исследовалась способность мелкодисперсных фракций туфового песка (с!<0,14 мм) вступать в химическое взаимодействие с другими активными компонентами гипсобетонной смеси. Выявлено, что при соотношении извести и туфового песка, равном 0,9, достигается максимальная прочность на сжатие и изгиб гипсобетонных композитов (табл. 2).

Это подтвердило рентгенофазовое исследование образцов № 1, № 5 и № 10 на дифрактометре ДИФРЕЙ-401 в ЗАО «Научные приборы» показали, что в затвердевшем материале образуются гидросиликаты тоберморитовой группы типа 4Са0-58Ю2-5Н20 и (Са, К, ИаН30) (81, А1)03-Н20, а также железистый волласто-нит ((Са, Ре)8Ю3) и аллофан (А1203-28Ю2-ЗН20) (рис. 1).

Таблица 2

Соотношение компонентов и прочность гипсобетонного композита

№ состава Соотношение компонентов по массе Предел прочности (МПа) в возрасте, сут

гипс : известь известь: туфовый песок 3 10 28

на изгиб на сжатие на изгиб на сжатие на изгиб на сжатие

1 3 1 0,5 2,2 4,9 2,6 9,3 3.8 12,0

2 3 1 0,6 2,3 5,1 2,7 10,2 4,1 12,7

3 3 1 0,7 2,4 5,5 3,1 11,4 4,6 13.9

4 3 1 0,8 2,4 5,8 3,7 12,3 5,1 14,7

5 3 1 0,9 2,5 6,0 3,8 12,5 5,1 14,9

6 3 1 1,0 2,6 5,8 3,8 12,4 4,8 14,7

7 3 1 1,1 2,7 5,8 3,7 12,3 4,7 14,6

8 3 1 1,2 2,7 5,8 3,7 12,3 4,6 14,6

9 3 1 1,3 2,8 5,8 3,5 12,3 4,6 14.5

10 3 1 1,4 2.8 6,0 3,5 12,2 4,6 14,5 |

2)

4 СаО '5 5102 '5Н20 1Св.К.И«н30]|5|.А1}03'Н20 Сл [ О Н е

5.02 5.02

(С»Г,|5.03

лаоз-гьогчиго

Са 5 04 *2 Н2 О

25 00 33 СО 43.00 33 00

85ОТ 03 00 105 00

Рис. 1. Обработанная дифрактограмма образца № 5 и штрих-диаграммы найденных фаз: 1 - красная штрих-диаграмма - тоберморит, карт. № 30239; зеленая штрих-диаграмма -тоберморит, карт. № 200544; желтая штрих-диаграмма- портландит, карт. № 40733; 2 - красная штрих-диаграмма - кварц, карт. № 461441; зеленая штрих-диаграмма - кварц, карт. № 10378; синяя штрих-диаграмма - железистый волластонит, карт. № 271056; голубая штрих-диаграмма -аллофан, карт. № 380449; розовая штрих-диаграмма - гипс, карт. № 10385

Для определения влияния более крупных фракций заполнителя с 0,14<с1<5 мм на прочностные характеристики гипсобетонного композита на втором этапе был реализован симплексно-центроидный план эксперимента (табл. 3). На основе ранее проведенных исследований, соотношение составляющих гипсобетонного композита по массе в весовых частях принималось: гипс - 3; известь - 1;

туфовый песок диаметром зёрен 0,00<ё<0,14 мм - 1,1; туфовый песок диаметром зёрен 0,14<с1<5 мм - 1,9.

В качестве переменных для проведения эксперименты были приняты: Х1 - содержание фракции туфового песка диаметром 0,14«1<0,63 мм; Х2 - содержание фракции туфового песка диаметром 0,63<с1<2,5 мм; Х3 - содержание фракции туфового песка диаметром 2,5<д<5 мм. Параметры оптимизации: У 1 - предел прочности при сжатии Ясж, МПа; У - предел прочности при изгибе Яшг, МПа.

Таблица 3

План эксперимента

№№ Кодированные переменные (доля фракций песка в заполнителе} МПа ъ, МПа У

X, Х2 Х3

1 1 0 0 10,8 3,0 У1

2 0 1 0 9,1 2,9 Уз .

3 0 0 1 12,2 3,8 Уз

4 0,5 0,5 0 10,1 3,0 У\ 2

5 0,5 0 0,5 12,5 3,4 У1 з

6 0 0,5 0,5 10,7 3,3 У23

7 0,33 0,33 0,33 10,8 3,1 У! 23

После обработки полученных экспериментальных данных с использованием ЭВМ были получены следующие уравнения регрессии:

У{ = 10,+ 9,1Х2 +12,2*3 + 0,6*^ + 3,4*^ + 0,2*2*3 -1ХТХ^Х^

У2 = + 2,9Х2 + 3,8*3 + 0,2*1*2 ~ °>2Х2Х3 + ^Х\Х2ХУ

Диаграммы состояния «состав-свойства», построенные по уравнениям регрессии, показали, что максимальная прочность образцов на сжатие наблюдается при оптимальном сочетании в смеси мелких и крупных фракций, обеспечивающем образование плотной структуры гипсобетонного композита (рис. 2). Прочих. МПа Кизг, МПа

Рис. 2. Диаграммы состояния «состав - свойства»: Л , МПа - предел прочности при сжатии; Яи]г, МПа - предел прочности при изгибе

10

ность же на изгиб максимальна при содержании в смеси более мелких фракций туфового песка, что объясняется их частичным участием в процессе гидратации. Для рассева туфового песка на фракции требуется дополнительное оборудование, это приводит к дополнительным расходам, что целесообразно только при значительном улучшении прочностных характеристик гипсобетонного композита, чего можно добиться, например, дисперсным армированием.

На основе анализа существующих видов неметаллических волокон и предъявляемых к ним требований для получения гипсобетонных композитов с улучшенными прочностными и другими характеристиками для дисперсного армирования выбраны базальтовые волокна. Для исследования влияния параметров дисперсного армирования на свойства фиброгипсотуфо-бетона был поставлен эксперимент с рота-табельным планом второго порядка типа правильного шестиугольника (рис. 3).

В качестве исследуемых факторов были приняты основные параметры дисперсного армирования: * - процент армирования по объему , %; Х2 - отношение длины волокон к их диаметру 1/с1. В качестве параметров оптимизации рассматривались: У/ - предел прочности при сжатии Исж, МПа; У2 - предел прочности при изгибе Яизг, МПа (табл. 4).

Таблица 4

Матрица эксперимента

м» Натуральные переменные Матрица эксперимента

>¡1 х2 X, х2 X,2 х22 Х1*Х2

1 1,1 1444 -1 0 + 1 0 0

2 1,3 1444 + 1 0 -1 0 0

3 1,25 2221 +0,5 +0,87 +0,25 +0,75 +0,43

4 1,25 667 +0,5 -0,87 +0,25 +0,75 -0,43

5 1,15 2221 -0,5 +0,87 +0,25 +0,75 -0,43

6 1,15 667 -0,5 -0,87 +0,25 +0,75 +0,43

7 1,2 1444 0 0 0 0 0

После проведения эксперимента и обработки полученных данных получены следующие уравнения регрессии в кодированном виде:

Уг = 14-0,25*;, +0,2*2-0,2,66*1-0,ОбХ^ ; У2 =6,18- 0,1Щ + 0,02*2 - 0,33*2 _ 127*2 + 0Д 5Х\Х2 '

11

Анализ уравнений и построенных по ним поверхностей отклика показал (рис. 4), что максимальные значения параметров оптимизации наблюдаются в центральной области плана с ц = 1,15... 1,2 % и = 1444. Предел прочности при сжатии

фиброгипсотуфобетонного композита увеличивается в 1,42 раза, при изгибе -в 1,82 раза по отношению к прочности исходной матрицы. Дальнейшее увеличение процента армирования приводит к снижению прочности, что объясняется ухудшением структуры фиброгипсотуфобетонного композита. Фиброгипсотуфо-бетонные композиты имеют более высокую водостойкость по сравнению с исходной гипсотуфобетонной матрицей. Коэффициент размягчения равен 0,7.

Рис. 4. Поверхности отклика:

Я - предел прочности при сжатии, МПа; Яизг - предел прочности при изгибе, МПа;

Ш-отношение длины волокон к их диаметру; ц - процент армирования по объему

2. Установлена зависимость свойств фиброгипсотуфобетонного композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

Важное место в технологии фибробетонов занимает перемешивание смеси. На этой стадии бетонная смесь армируется волокнами, от равномерности их распределения во многом зависят физико-механические характеристики фиброгип-сотуфобетона. При перемешивании компонентов бетонной смеси с армирующими волокнами возникает необходимость ихраспушки. Кроме того, следует учесть, что используемый туфовый песок является пористым материалом, что влияет на приготовление как гипсотуфобетонных, так и фиброгипсотуфобетонных смесей.

При приготовлении смесей был применен турбулентный смеситель СБ-133. Вследствие малой адгезии базальтовых волокон друг к другу процессы смешивания компонентов бетонной смеси с армирующими волокнами и их распушка происходила одновременно.

Нами проведены эксперименты по изучению влияния порядка загрузки составляющих фиброгипсотуфобетонных литых смесей на свойства композита.

Рассматривались следующие способы последовательности загружения составляющих композита в наполненный водой смеситель:

1) одновременная загрузка предварительно перемешанной всухую смеси гипса, негашеной извести, туфового песка и базальтовых волокон;

2) приготовление смеси с использованием предварительно приготовленной сухой смеси гипса, негашеной извести и туфового песка, а затем введение в смесь базальтовых волокон;

3) приготовление смеси с использованием предварительно приготовленной сухой смеси гипса, негашеной извести, туфового песка фракции 0-0,315 мм и базальтовых волокон, а затем введение в смесь туфового песка диаметром 0,315<с1<5,0 мм.

Первым способом обеспечивается распушка и равномерное распределение базальтовых волокон в смеси, а также сокращение общего времени приготовления смеси. Второй способ не обеспечивает качественную распушку и равномерное распределение базальтовых волокон в смеси, поэтому в дальнейших исследованиях не рассматривался.

Для снижения расхода воды разработан способ приготовления фиброгипсо-туфобетонной смеси с поэтапным введением туфового заполнителя различных фракций. Исходный туфовый песок с максимальной крупностью зерен 5,0 мм рассеивался на две фракции: крупную с размером более 0,315 мм и мелкую -менее 0,315 мм, их процентное содержание было 33 и 67 % по массе соответственно. На первой стадии приготавливалась фиброгипсотуфобетонная смесь с использованием мелкой фракции туфового песка, на второй - в смесь добавлялась крупная фракция туфового песка. Этим способом обеспечивается распушка и равномерное распределение волокон в смеси, но общее время приготовления смеси удлиняется по сравнению с первым способом.

Влияние способа приготовления смеси для формования изделий методом литья на расход воды и прочность композита приведено в табл. 5.

Таблица 5

Зависимость прочности фиброгипсотуфобетонного композита от способа приготовления смеси

№ состава Соотношение компонентов в смеси, мае. % Вода/ вяжущее Расход фибры 0/а = 1444), % по объему Способ приготовления Предел прочности, МПа

гипс туфовый песок известь при изгибе при

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 42,9 42,9 14,2 0,7 1,2 первый 6,0 13,9

2 42,9 42,9 14,2 0,61 1.2 третий 6,5 15,2

Из табл. 5 следует, что пофракционное введение туфового песка позволяет уменьшить расход воды с одновременным увеличением прочности фиброгипсотуфобетонного композита. Но при этом усложняется технологический процесс и удлиняется продолжительность приготовления смеси. Следует отметить, что третий способ загрузки компонентов в смеситель приемлем только для литых

смесей. При приготовлении более жестких фиброгипсотуфобетонных смесей порядок введения компонентов в смеситель возможен только первым способом. При иной последовательности загрузки компонентов происходит комкование смеси.

Исследовалось влияние способа формования на прочностные характеристики композита. Рассматривались методы литья, вибрирования на виброплощадке (частота колебаний - 50 Гц, амплитуда колебаний - 0,5 мм) и вибрирования с инерционным пригрузом, являющийся разновидностью метода вибропрессования (табл. 6). Величину пригруза при вибропрессовании смеси принимали равной 4 Па. Исходя из этого определяли водовяжущее отношение.

Таблица б

Зависимость прочности фиброгипсотуфобетоиного композита от способа формования

№ состава Соотношение компонентов в смеси, мае. % Вода/ вяжущее Расход фибры (^ = 1444), % по объему Способ формования Предел прочности, МПа

гипс туфовый песок известь при изгибе при сжатии

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 42,9 42,9 14,2 0,7 1,2 лтъевой 6,0 13,9

2 42,9 42,9 14,2 0,49 1,2 вибрирование 8,9 21,5

3 42,9 42,9 14,2 0,42 1,2 вибрирование с пригрузом 11,3 26,9

Использование методов вибрирования и вибропрессования позволяют повысить прочность фиброгипсотуфобетоиного композита в 1,5-1,9 раза по сравнению с литьевым способом, но при этом существенно усложняется технологический процесс.

3. Разработаны новые составы многокомпонентного гипсоизвестково-вермикулитотуфобетонного (патент РФ №2385851) и гипсоизвестковоцемен-товермикулитотуфобетонного (патент РФ №2372314) композитов. Проведены экспериментально-теоретические исследования огнезащитных свойств, получены выражения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости композитов.

Известно, что эффективными средствами огнезащиты строительных конструкций являются плиты и штукатурки на основе минеральных вяжущих и вспученного вермикулита. Исходя из результатов ранее проведенных экспериментов в дальнейших исследованиях для разработки огнезащитных вермикулитобето-нов в качестве заполнителей применялись отходы пиления вулканического туфа фракции 0-0,14 мм, вспученный вермикулит Санкт-Петербургской слюдяной фабрики фракции 0,16-5 мм с насыпной плотностью 150 кг/м3.

В работах Р.Я. Ахтямова, К.Н. Дубенецкого, К.Д. Некрасова, А.П. Пожнина, Ю.М. Тихонова и др. показано, что для огнезащиты строительных конструкций эффективны вермикулитобетоны со средней плотностью 500-800 кг/м3. Дальнейшее снижение средней плотности не приводит к повышению огнезащитных свойств, при этом не обеспечивается и требуемая прочность вермикулитобетона.

Предложены составы огнезащитной гипсобетонной сырьевой смеси. Соотношение компонентов и их основные физико-механические свойства приведены в табл. 7.

Таблица 7

Соотношение компонентов в смеси и физико-механические свойства гипсобетонных огнезащитных составов

№ Соотношение компонентов в смеси, мае. % Средняя Предел прочности, МПа

состава гипс вермикулит туфовый известь плотность

песок р, кг/м3 на сжатие на изгиб

1 2 3 4 5 6 7 8

1 71,9 28,1 - - 750 1,6 1,1

2 41,3 29,8 15,2 13,7 760 1,55 1,1

3 62,1 37,9 - - 560 0,8 0,55

4 35,8 39,1 13,2 11,9 570 0,75 0,5

Из табл. 7 следует, что предлагаемые составы при одинаковой плотности и прочности на сжатие и изгиб огнезащитных бетонов позволяют существенно сократить расход гипса. Использование негашеной извести в качестве возбудителя скрытой гидравлической активности туфового песка позволяет уменьшить расход гипса на 26,3-30,6 % без снижения прочности огнезащитного бетона. Кроме того, замедляются сроки схватывания и повышается коэффициент водостойкости гипсобетонных композитов.

С целью снижения средней плотности гипсоизвесткововермикулитотуфобе-тонных композитов, улучшения удобоукладываемости и повышения огнезащитных свойств было исследовано влияние воздухововлекающей добавки СДО. Выявлено, что при содержании добавки СДО 0,15-0,2 % от массы вяжущего расход воды для смеси существенно уменьшается, средняя плотность бетонного композита снижается на 30-40 кг/м3, прочностные характеристики композита с содержанием СДО и без нее на 28 сутки остаются практически неизменными.

Для исследования огнезащитных свойств предлагаемых составов изготавливали армоцементные плиты с огнезащитным слоем. Исследования огнезащитных свойств гипсобетонных композитов проводили испытанием на огнестойкость образцов размерами 190x190 мм на электрической печи в горизонтальном положении. Температура в печи задавалась по режиму «стандартного» пожара (ГОСТ 30247.1-94). Предел огнестойкости по несущей способности (Л) армоце-ментных плит оценивали по прогреву тканой сетки в конструктивном слое (на границе слоев) до 300 °С. Влажности мелкозернистого бетона армоцементного слоя и огнезащитного состава к моменту испытаний составляли соответственно 3-4 % и 8-10 %.

Результаты испытаний на огнестойкость армоцементных плит с гипсоверми-кулитобетонным огнезащитным слоем представлены на рис. 5.

Из рис. 5 следует, что разработанные гипсоизвесткововермикулитотуфобе-тонные композиты обеспечивают более высокие пределы огнестойкости армоцементных плит по сравнению с гипсовермикулитобетонными. Это объясняется

образованием гидросиликатов тобермориговой группы, железистого волласгонита и аллофана, обладающих более высокими жаростойкими свойствами по сравнению с двуводным гипсом. Кроме того, добавка СДО дополнительно поризует гип-соизвесткововермикулитотуфобетонный композит, что способствует повышению огнезащитных свойств. Наиболее высокими огнезащитными свойствами обладают составы со средней плотностью 540 кг/м3. Во время испытаний двухслойных элементов на огнестойкость нарушений их целостности не обнаружено.

б

180 160 и 1"0 '«120 £юо а ео

о>

1 60 £ 40 20 0

/

V.

123 4

40 80 120 160 200 240 280 Время, мин

120 160 200 240 280 320 Время, мин

Рис. 5. Экспериментальные кривые изменения температуры на необогреваемой поверхности

(а) и на уровне тканой сетки (б) двухслойных армоцементных образцов: 1, 3 - гипсовермикулитобегонные композиты со средней плотностью 750 кг/м3 и 560 кг/м3 соответственно толщиной слоя 15 мм; 1", 3' - то же толщиной 25 мм; 2, 4 - гипсоизвесгково-вермикулитотуфобетонные композиты со средней плотностью 720 кг/м3 и 540 кг/м3 соответственно толщиной слоя 15 мм; 2", 4' - то же толщиной 25 мм

Проведение экспериментов по определению огнестойкости строительных конструкций и огнезащитных свойств материалов является трудоемким и дорогостоящим процессом. В связи с этим большое значение приобретают расчетные методы определения пределов огнестойкости конструкций.

В нашей стране разработаны различные методы для расчета огнестойкости строительных конструкций. В настоящее время с помощью численных и аналитических методов рассчитывают температурные поля в условиях пожара. С развитием вычислительной техники наибольшее применение находят численные методы. В развитие этих методов большой вклад внесли А.И. Яковлев, Х.П. Куль-тербаев, Т.А. Хежев и др.

Нами разработана программа для расчета предела огнестойкости двухслойных строительных конструкций, обеспечивающая приемлемое совпадение теоретических и экспериментальных кривых. В основе алгоритма расчета лежит уравнение Фурье, описывающее распределение температуры по толщине многослойной конструкции. Уравнение Фурье совместно с граничными и начальными условиями образуют систему уравнений, решается с применением конечнораз-ностной неявной двухслойной схемы вычислений совместно с методом прогонки и итерации. Входящие в уравнение теплопроводности и в граничные условия производные заменяются известными разностными соотношениями.

Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости армоцемента и гипсобе-тонных композитов, полученные расчетным методом: армоцемент - Л„(/) = 0,83 -0,0004/, с„(/) = 770 + 0,8/; гипсовермикулитобетонный композит плотностью 750 кг/м3 -Ло(0 = 0,12 + 0,00012/, с0 (/) = 748 + 0,63/;

гипсоизвесткововермикулшшуфобетонный композит плотностью 720 кг/м3 -Я„ (/) = 0,115 + 0,0001/, с0 (() = 748 + 0,63/;

гипсовермикулитобетонный композит плотностью 560 кг/м3 -К (0 = 0,102 + 0,00007/, с„ (/) = 748 + 0,63/;

гипсоизвесткововермикулитотуфобетонный композит плотностью 540 кг/м3 -Л„ (/) = 0,098 + 0,00064/, с0 (/) = 748 + 0,63/.

Влияние толщины и состава гипсобетонного слоя на предел огнестойкости армоцементных конструкций, полученное расчетным методом с использованием разработанной программы, приведено на рис. 6.

ю 15 20 25 0 5 10 15 20

Толщина, мм Толщика, мм

Рис. 6. Зависимость предела огнестойкости двухслойных армоцементных элементов от толщины и состава гипсобетонного слоя по признаку потери теплоизолирующей способности (а) и потери несущей способности (б): 1, 3 - гипсовермикулитобетонные композиты со средней плотностью 750 кг/м3 и 560 кг/м3 соответственно; 2, 4 - гипсоизвесткововермику-литотуфобетонные композиты со средней плотностью 720 кг/м3 и 540 кг/м3 соответственно

Для расширения области применения и повышения огнезащитных свойств гипсовермикулитобетонных композитов исследовались композиты с применением цементного вяжущего. Известно, что цементный камень при воздействии высоких температур без специальных добавок не является стойким. Использование отходов пиления вулканического туфа в качестве заполнителя в растворах и бетонах может повысить их огнезащитные свойства, так как туфовый песок имеет высокую огнеупорность 1200-1280 "С, является пористым материалом, кроме того, из 60-75 % кремнезема, входящего в его состав, 30-35 % находится в аморфном (активном) состоянии. Предложены гипсоизвестковоцементовермикулито-туфобетонные композиты с меньшим расходом цемента и высокими огнезащитными свойствами (табл. 8).

Таблица 8

Соотношение компонентов в смеси и физико-механические свойства гипсоизвестковоцементовермикулитотуфобетонных композитов

№ состава Соотношение компонентов в смеси, мае. % Средняя плотность р, кг/м3 Предел прочности, МПа

цемент вермикулит туфовый песок известь гипс СДО

на сжатие на изгиб

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 56,2 43,8 _ - - - 500 1,3 0,55

2 62,1 37,9 - - - - 595 1,7 1,2

3 71,9 29,1 _ - - - 740 4,0 1,9

4 39,3 43,8 16,78 - - 0,12 480 1,2 0,6

5 43,5 37,9 18,47 - - 0,13 570 1,6 1,3

6 50,3 29,1 21,45 - - 0,15 730 3,9 2,0

7 17,9 44,3 19,09 17,9 0,7 0,11 470 1,25 0,6

8 19,6 38,1 21,78 19,6 0,8 0,12 540 1,62 1,3

9 22,5 28,3 25,66 22,5 0,9 0,14 720 4,0 2,0

Из табл. 8 следует, что предлагаемые составы (№№ 4—9) при меньшем расходе портландцемента и плотности имеют равную прочность на сжатие и изгиб к контрольным составам (№№ 1-3), что обусловлено пористостью и гидравлической активностью отходов пиления вулканического туфа, а также воздуховов-лечением СДО. Использование негашеной извести и гипса в качестве возбудителя скрытой гидравлической активности туфового песка позволило значительно сократить расход цемента.

Испытания на огнестойкость показали, что предлагаемые составы обеспечивают более высокие пределы огнестойкости армоцементных плит. Наиболее высокими огнезащитными свойствами обладают композиты со средней плотностью 560-570 кг/м3. Получены коэффициенты теплопроводности и теплоемкости композитов, позволяющие выполнять теплотехнический расчет предела огнестойкости многослойных конструкций.

4. Получена математическая модель прочности фиброгипсоизвестково-вермикулитотуфобетонного композита в зависимости от процента армирования и отношения длины волокон к их диаметру, исследованы огнезащитные свойства, установлена зависимость свойств композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

Разработанные гипсоизвесткововермикулитотуфобетонные композиты имеют такие недостатки, как хрупкость, относительно низкая прочность на изгиб и сжатие. На основе анализа существующих видов неметаллических волокон и предъявляемых к ним требований для получения композитов с улучшенными прочностными и другими характеристиками для дисперсного армирования выбраны базальтовые волокна. Для изучения влияния параметров фибрового армирования на свойства композита был реализован ротатабельный план второго порядка типа правильного шестиугольника. Исследуемые факторы и параметры оптимизации те же, что и для фиброгипсотуфобетонных композитов (табл. 9).

Таблица 9

Матрица эксперимента

№№ Натуральные переменные Матрица эксперимента

XI х2 X, х2 X,2 х22 Х,*х2

1 0,30 1444 -1 0 ' +1 0 0

2 0,9 1444 + 1 0 -1 0 0

3 ' 0,75 2221 +0,5 +0,87 +0,25 +0,75 +0,43

4 г 0,75 667 +0,5 -0,87 +0,25 +0,75 -0,43

5 0,45 2221 -0,5 +0,87 +0,25 +0,75 -0,43

6 0,45 ' 667 -0,5 -0,87 +0,25 +0,75 +0,43

7 0,6 1444 0 0 0 0 0

Получены следующие уравнения регрессии в кодированном виде: У1 = 1 + 0,09^ + О.ОМЛ^ -ОД^2 -0,2\х\ + О.ОЗХ^ ;

Г2 =1,1-0,083^-0,075x2-0,275x2 + 0,058^^2 . По уравнениям регрессии построены поверхности отклика (рис. 7).

Рис. 7. Поверхности отклика: Нгж - предел прочности при сжатии, МПа; - предел прочности при изгибе, МПа; Ш- отношение длины волокон к их диаметру; ц — процент армирования по объему

Анализ полученных уравнений и поверхностей отклика показал, что наибольшие значения прочности на сжатие наблюдаются в области плана с » 0,45 %

и 1/а = 1444, а прочности на изгиб - 0,75 % и ^ = 1444 Дальнейшее увеличение процента армирования приводит к снижению прочности, что объясняется нарушением структуры фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита. Кроме того, армирование базальтовыми волокнами матрицы повышает их огнезащитные свойства, что обусловлено сохранностью структуры композита

за счет восприятия волокнами растягивающих усилий при воздействии высокой температуры.

Известно, что последовательность загрузки материалов в смеситель существенно влияет на свойства вермикулитобетонов. Нами рассматривались два способа приготовления смеси:

1) после подачи воды с добавкой СДО в смеситель одновременно загружается предварительно перемешанная всухую смесь гипса, негашеной извести, туфового песка, базальтового волокна и вспученного вермикулита;

2) после подачи воды с добавкой СДО в смеситель вначале загружается предварительно перемешанная всухую смесь гипса, негашеной извести, туфового песка и базальтового волокна, предварительно готовят смесь, а затем добавляют вспученный вермикулит и окончательно перемешивают.

Оба способа приготовления смеси обеспечивают качественную распушку и равномерное распределение базальтовых волокон в литых смесях. Но для литых смесей предпочтительнее второй способ, так как он обеспечивает лучшее обволакивание зерен вермикулита и способствует «самовакуумированию» композита, что способствует повышению прочности. При первом способе прочность композита ниже из-за того, что часть вяжущего попадает в поры заполнителя, в результате чего прослойка вяжущего между отдельными зернами оказывается сравнительно тонкой. Аналогичные выводы делаются и в работах К.Н. Дубенец-кого, А.П. Пожнина, Ю.М. Тихонова для цементных вермикулитобетонов. При приготовлении более жестких фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонных смесей порядок введения компонентов в смеситель возможен только первым способом. При иной последовательности загрузки компонентов происходит комкование смеси.

Исследовалось влияние способа формования на прочностные характеристики фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита. Рассматривались методы литья, вибрирования на виброплощадке и вибрирования с инерционным пригрузом (табл. 10). Композиты имели среднюю плотность 540-570 кг/м3 при

проценте армирования базальтовыми волокнами по объему //„ « 0,45 % и отно-

Таблица 10

Зависимость прочности фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита

от способа формования

Способ формования Соотношение компонентов в смеси, мае. % Вода/ вяжущее Предел прочности, МПа

гипс вермикулит туфовый песок, (1<0,14 мм известь СДО

на сжатие на изгиб

1 2 3 4 5 6 7 8 9

литьевой 35,8 39,1 13,1 11,9 0,1 1,35 1,1 0,8

вибрирование 35,8 39,1 13,1 11,9 0,1 1,20 1,3 0,95

вибрирование с пригрузом 35,8 39,1 13,1 11,9 0,1 1,05 1,6 1,2

шении длины волокон к диаметру ^ = 1444. Для изготовления изделий из огнезащитного композита предпочтительнее метод литья, так при этом смятие вспученного вермикулита происходит в меньшей степени, что обеспечивает более высокие огнезащитные свойства. Изготовление тонкостенных огнезащитных плит вибрированием на виброплощадке не представляется возможным.

Осуществлено внедрение разработанных фиброгипсо-туфобетонного композита при изготовлении перегородочных плит и фиброгипсовермикулито-туфобетонного композита при изготовлении огнезащитных плит.

Опытно-промышленная апробация разработанного фиброгипсотуфобетонно-го композита прошла при выпуске опытной партии перегородочных плит в ООО «Гранит». Разработаны технологическая схема и технологический регламент на изготовление перегородочных плит по результатам выпуска опытной партии изделий. Экономический эффект от их применения по стоимости материалов 1 м2 площади перегородок составляет 47 руб. 20 коп по сравнению с гипсовыми.

Огнезащитные плиты из фиброгипсовермикулитотуфобетонного композита со средней плотностью 530-570 кг/м3 внедрены в ООО «Огнезащита» для огнезащиты строительных конструкций. Использование предложенных огнезащитных композитов снижает стоимость 1 м2 огнезащиты на 35-40 руб. по сравнению с гипсовермикулитобетонными.

Общие выводы

1. На основе теоретических, экспериментальных и производственных исследований предложена сырьевая смесь для изготовления гипсотуфобетонного композита, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5-31,7 % без снижения прочности гипсобетона. Выявлено оптимальное соотношение компонентов для изготовления гипсотуфобетонного композита, мае. %: гипсовое вяжущее - 30,5-31,7; туфовый песок - 30,5-31,7; негашеная известь -7,9—10,6; вода — остальное.

2. Установлено, что соотношение негашеной извести и туфового песка фракции 0-0,14 мм должно составлять 0,9 для получения гипсотуфобетонных композитов с максимальной прочностью, что подтверждается рентгенофазовым исследованием. Получены математические модели гипсотуфобетонной матрицы с учетом гранулометрии заполнителя. Определены параметры дисперсного армирования базальтовыми волокнами исследуемого материала с использованием методов математического планирования эксперимента, наибольшие значения прочности на изгиб и на сжатие композита достигаются при проценте армирования =1,15.-1,2% по объему и отношении длины волокон к диаметру ^ = 1444.

3. Для обеспечения качественной распушки и равномерного распределения базальтовых волокон в смеси целесообразно в наполненный водой турбулентный смеситель одновременно загружать предварительно перемешанную всухую смесь гипса, негашеной извести, туфового песка и базальтовых волокон. Для литых фиброгипсотуфобетонных смесей можно рекомендовать поэтапное введение мел-

ких, затем крупных фракций туфового заполнителя в процессе приготовления смеси, что позволит снизить расход воды и тем самым повысить прочность композита.

4. Формование изделий из фиброгипсотуфобетонного композита экономически целесообразно осуществлять по литьевой технологии, при формовании вибрированием и вибропрессованием прочность композита повышается в 1,5-1,9 раза по сравнению с литьевым способом.

5. Разработаны эффективные огнезащитные гипсобетонные композиты с применением вспученного вермикулита и туфового песка. Выявлено оптимальное соотношение составляющих композитов. Введение негашеной извести (30 % от массы гипса) и туфового песка размерами зерен 0-0,14 мм с соотношением 0,9 в гипсовермикулитобетонный композит позволяет существенно сократить расход гипса и повысить огнезащитные свойства. Введение добавки СДО 0,2-0,3 % от массы вяжущего в смесь улучшает ее реологические характеристики, снижает среднюю плотность композита на 30-50 кг/м3 и способствует повышению огнезащитных свойств. Предложены огнезащитные гипсоизвестковоцементные вер-микулитобетоны с применением отходов пиления туфа, снижающие расход портландцемента на 50 % без потери прочности.

6. Дисперсное армирование базальтовыми волокнами гипсовермикулитоту-фобетонного композита повышает прочностные и огнезащитные характеристики исходной матрицы. При этом наибольшие значения прочности на сжатие наблюдаются в области плана с а 0,45 % и = 1444, а значения прочности на

изгиб - с Иу ** 0,75 % и 1/а = 1444.

7. Получены выражения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости гипсобетонных композитов для теплотехнического расчета предела огнестойкости многослойных строительных конструкций численными методами.

8. Для приготовления фиброгипсовермикулитспуфобетонных литых смесей после подачи воды с добавкой СДО в смеситель вначале рекомендуется загружать предварительно перемешанную всухую смесь гипса, негашеной извести, туфового песка и базальтового волокна, предварительно готовить смесь, а после добавления вспученного вермикулита следует повторное перемешивание.

9. Достоверность установленных закономерностей прошли промышленную проверку при изготовлении перегородочных плит из фиброгипсотуфобетонных композитов в ООО «Гранит». Разработаны технологическая схема и технологический регламент на изготовление перегородочных плит по результатам выпуска опытной партии изделий. Экономический эффект от их применения по стоимости материалов 1 м2 площади перегородок составляет 47 руб. 20 коп по сравнению с гипсовыми. Огнезащитные плиты из фиброгипсовермикулитспуфобетонного композита со средней плотностью 530-570 кг/м3 внедрены в ООО «Огнезащита» и в ООО «Агропроект» для огнезащиты строительных конструкций. Применение предложенных огнезащитных композитов снижает стоимость 1 м2 огнезащиты на 35-40 руб. по сравнению с гипсовермикулитобетонными.

III. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ: в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Хежев, Х.А. Эффективные огнезащитные составы на пористых заполнителях / Т.А. Хежев, Х.А. Хежев // Вестник ВолГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. - Волгоград.-№17 (36). - 2010. - С. 70-74.-0,31 п.л./ 0,16 п.л.

2. Хежев, Х.А. Бесцементные бетоны с применением вулканических горных пород / Т.А. Хежев, Ю.В. Пухаренко, Х.А. Хежев // Вестник гражданских инженеров. - СПбГАСУ. - №1 (26). - 2011. - С. 107-114. - 0,82 п.л./ 0,27 п.л.

3. Хежев, Х.А. Огнезащитные и жаростойкие композиты с применением вулканических горных пород / Х.А. Хежев, Т.А. Хежев, У.З. Кимов, К.Х. Думанов // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». - 2011. - №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru /гс^агте/агсЫуе/п4у2011/710. — 0,75 пл./ 0,19 пл.

4. Хежев, Х.А. Технико-экономическая эффективность гипсосодержащих композитов с применением вулканических горных пород / Х.А. Хежев // Вестник ВолГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. — Волгоград. — №29 (48). — 2012. — С. 148-156.-0,62 пл.

5. Хежев, Х.А. Экспериментально-теоретические исследования огнезащитных свойств вермикулитобетонных композитов / Т.А. Хежев, Г.Н. Хаджишала-пов, Х.А. Хежев // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — Махачкала. — №1 (24). - 2012. — С. 70—76. — 0,72 пл./ 0,24 пл.

6. Хежев, Х.А. Гипсотуфобетонные композиты, армированные базальтовыми волокнами / Х.А. Хежев, Ю.В. Пухаренко // Вестник гражданских инженеров. — СПбГАСУ. -№2 (37). - 2013. - С. 152-157. - 0,55 пл./ 0,28 п.л.

Патенты на изобретения:

7. Хежев, Х.А. Патент РФ №2330823. Сырьевая смесь д ля изготовления гипсобетона / Хежев Т.А., Хежев Х.А. // Бюлл. № 22. 2008. - 0,45 пл./ 0,23 п.л.

8. Хежев, Х.А. Патент РФ №2372314. Огнезащитная сырьевая смесь / Хежев Т.А., Хежев Х.А. // Бюлл. № 31. 2009. - 0,38 пл./ 0,19 пл.

9. Хежев, X. А. Патент РФ №23 85851. Сырьевая смесь для изготовления огнезащитного покрытия / Хежев Т.А., Хежев Х.А. // Бюлл. № 10. 2010. — 0,4 плУ 0,2 пл.

Публикации в других изданиях:

10. Хежев, Х.А. Гипсобетоны на основе вулканических горных пород / Х.А. Хежев // Вестник Кабардино-Балкарского гос. ун-та. Серия Технические науки. — Нальчик. - №6 - 2008. - С. 103-105. - 0,33 п.л.

П.Хежев, Х.А. Огнезащитные гипсобетонные составы с применением вулканических горных пород / Т.А. Хежев, В.В. Ремнев, Х.А. Хежев, К.Х. Думанов // Наука, техника и технология XXI века: материалы ГУ-й Международной научно-технической конференции. — Нальчик. — Каб.-Балк. гос. ун-т. — 2009. — С. 236—240. — 0,3 пл./ 0,08 пл.

12. Хежев, Х.А. Экспериментально-теоретические исследования огнезащитных свойств гипсовермикулитобетонов с добавками вулканических горных по-

род / Т.А. Хежев, Х.А. Хежев // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов: материалы 4-й Международной конференции. - Архангельск. - 2010. - С. 153-156. - 0,27 пл./ 0,14 п.л.

13. Хежев, Х.А. Влияние зернового состава и количества добавок отходов пиления вулканического туфа на свойства цементного камня и бетона / К.Х. Ду-манов, У.З. Кимов, Х.А. Хежев // ПЕРСПЕКТИВА - 2011: Материалы международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. -Нальчик. - Том 3. - 2011. - С. 62-66. - 0,25 п.л./ 0,08 п.л.

14. Хежев, Х.А. Отходы пиления вулканического туфа - эффективный заполнитель гипсобетонов / Х.А. Хежев // Строительство - 2011: материалы Международной научно-практической конференции. - Ростов на Дону. - РГСУ. — 2011. — С. 152-153,-0,12 п.л.

15. Хежев, Х.А. Эффективные огнезащитные композиты с применением пористых заполнителей / Т.А. Хежев, Х.А. Хежев // Технологии бетонов (информационный научно-технический журнал). - Москва. - №7-8 (60-61). - 2011. — С. 30-31. - 0,29 п.л./ 0,15 п.л.

16. Хежев, Х.А. Влияние зернового состава туфового песка на свойства гипсобетонных композитов / Х.А. Хежев // Материалы 1-го Международного конгресса молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов. - Санкт-Петербург. - СПбГАСУ. - 2012. - С. 115-117. - 0,19 п.л.

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 01.10.13. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 120 экз. Заказ 124. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный

университет»

На,пйавах рукописи

04201364747

Хежев Хасанби Анатольевич

ФИБРОГИПСОБЕТОННЫЕ КОМПОЗИТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН Ю.В. Пухаренко

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................12

1.1. Строительные материалы и изделия на гипсовых

вяжущих и пути расширения области их применения........................12

1.2. Выбор заполнителя для гипсобетонных композитов.........................31

1.3. Обзор существующих видов неметаллических волокон,

их свойства и область применения...............................................37

1.4. Выбор вида волокон для армирования гипсобетонных композитов.....44

Выводы по первой главе...............................................................48

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................50

2.1. Характеристика используемых материалов....................................50

2.2. Методика исследования.............................................................53

Глава 3. РАЗРАБОТКА ФИБРОГИПСОБЕТОННЫХ КОМПОЗИТОВ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД................56

3.1. Влияние соотношения компонентов на свойства

гипсотуфобетонной матрицы..........................................................56

3.2. Исследование минералогического состава

гипсоизвестковотуфобетонного композита.........................................60

3.3. Влияние зернового состава заполнителя на свойства гипсотуфобетонного композита.......................................................65

3.4. Влияние параметров армирования на свойства

фиброгипсотуфобетонного композита...............................................69

3.5. Приготовление смеси и формование изделий

из фиброгипсотуфобетонного композита...........................................73

Выводы по третьей главе...............................................................77

Глава 4. РАЗРАБОТКА ТЕПЛООГНЕЗАЩИТНЫХ ФИБРОГИПСОВЕРМИКУЛИТОБЕТОННЫХ КОМПОЗИТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД...................80

4.1. Влияние соотношения компонентов на свойства

гипсоизвесткововермикулитотуфобетонного огнезащитного композита... .80

4.2. Экспериментально-теоретическое исследование огнезащитных свойств гипсоизвесткововермикулитотуфобетонных композитов............91

4.3. Влияние соотношения компонентов на свойства

гипсоизвестковоцементовермикулитотуфобетонного композита............97

4.4. Влияние параметров армирования на свойства

фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита...............104

4.5. Приготовление смеси и формование изделий из

фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита...............109

Выводы по четвертой главе..........................................................112

Глава 5. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ.............................................114

5.1. Производство и исследование свойств перегородочных плит из фиброгипсотуфобетонного композита и огнезащитных

плит из фиброгипсовермикулитотуфобетонного композита..................114

5.2. Технико-экономическая эффективность использования фибро-гипсотуфобетонных и фиброгипсовермикулитотуфобетонных композитов для производства перегородочных плит

и огнезащиты строительных конструкций.........................................118

Выводы по пятой главе................................................................124

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................................................125

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................128

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Снижение себестоимости строительной продукции является главной задачей строительства. При оценке конкурентоспособности строительных материалов, изделий и конструкций необходимо учитывать, что в последние годы стоимость энергоносителей резко возросла, также повысились и транспортные расходы. Поэтому актуальной задачей является разработка новых эффективных композитов на основе техногенного сырья и местных материалов, которые отличаются низкой себестоимостью и улучшенными физико-механическими характеристиками.

В новых экономических условиях хозяйствования развитие производства материалов и конструкций направлено на удовлетворение потребностей капитального строительства эффективными, качественными, экологически безопасными, современными по дизайну строительными материалами и изделиями, в том числе из бетонов.

В связи с этим в производстве строительных материалов и изделий наметились следующие основные тенденции:

- развитие производства строительных материалов и изделий с использованием местного сырья и техногенных отходов, обеспечивающих снижение массы возводимых зданий: отечественные кирпичные и бетонные дома имеют среднюю приведенную массу соответственно 2,5 и 2 т/м общей площади, в то время как в мировой практике жилые и общественные здания имеют этот показатель не выше 1 т/м общей площади [52];

- увеличение производства строительных материалов и изделий по экологически безопасным технологиям;

- расширение сырьевой базы для изготовления экологически безопасных строительных изделий и конструкций за счет применения отходов производства и вторичного сырья [142].

Основным минеральным вяжущим в производстве строительных материалов на данный момент является портландцемент, производство и примене-

ние которого составляет в нашей стране более 80 % от общего объема минеральных вяжущих [120]. Однако производство портландцемента связано с высокими капитальными вложениями, энергозатратами и выделением побочных продуктов в виде газов и пыли в окружающую среду. Высокими энергозатратами характеризуется и производство бетонных и железобетонных изделий на основе портландцемента.

Разработки в области гипсовых вяжущих, материалов и изделий [51], а также благоприятные экологические и технико-экономические аспекты их производства и применения указывают на то, что имеются все необходимые условия для расширения области применения их в новом строительстве, а также при реконструкции и капитальном ремонте существующих зданий и сооружений [26, 144, 147].

Природное гипсовое сырье и гипсосодержащие отходы повсеместно распространены на территории Российской Федерации, их переработка в гипсовые вяжущие является простым и экологически безопасным процессом. Северный Кавказ располагает большими запасами природного гипсового сырья. Расход топлива и энергии на производство изделий из гипса в 4-5 раз меньше, чем на производство изделий из цемента. Гипсовые предприятия характеризуются низкими удельными капиталовложениями и материалоемкостью оборудования по сравнению с цементными (соответственно в 2 и 3 раза меньше), в 10-15 раз ускоряется оборачиваемость форм при производстве изделий.

Изделия из гипса отличаются относительной легкостью, прочностью, низкими тепло- и звукопроводностью. Кроме того, гипсовые материалы обладают достаточной огнестойкостью, способны поддерживать благоприятный микроклимат в помещении за счет способности поглощать и отдавать избыточную влагу [49, 50].

Наряду с рядом положительных технических свойств гипсовые вяжущие и изделия имеют следующие недостатки: значительная хрупкость, низкая водостойкость, низкая морозостойкость, высокая ползучесть при увлажнении.

Для уменьшения расхода гипсового вяжущего и уменьшения деформации изделий при сушке в формовочную массу вводятся органические или неорганические заполнители [51]. Но, как правило, заполнители в той или иной степени снижают механическую прочность гипсобетонных изделий.

Неорганические заполнители - песок, золы, шлаки и другие - обуславливают значительно лучшие показатели физико-механических свойств гипсобетона. При их применении в меньшей степени снижается механическая прочность гипсовых элементов и выше атмосферостойкость стеновых элементов.

Преодоление многих недостатков гипсовых вяжущих и изделий возможно в результате создания композитов с использованием эффективных заполнителей и дисперсного армирования [169]. Фибробетоны по сравнению с обычным бетоном имеют повышенные прочностные характеристики, трещиностой-кость и ударостойкость. В настоящее время в качестве неорганических заполнителей для производства гипсобетонов применяются кварцевый песок, золы, шлаки, что не всегда позволяет получить материалы и изделия с необходимыми характеристиками при эффективном использовании гипса. Для гипсобетонов в качестве заполнителя и активной минеральной добавки эффективно могут быть использованы другие материалы естественного и техногенного происхождения. Таким материалом являются отходы пиления вулканического туфа, ранее не применявшиеся при изготовлении фиброгипсобетонов.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме НИР «Развитие фундаментальных основ и практических принципов получения строительных конструкций повышенной эксплуатационной надежности и безопасности (государственный регистрационный номер: 01201257464).

Целью диссертационной работы является разработка эффективных фиброгипсобетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами с применением вулканических горных пород.

Для решения поставленной цели:

- выполнен обзор литературных данных по разработке и производству гипсовых вяжущих и гипсобетонов с использованием различных заполнителей и армирующих материалов;

- обоснована эффективность применения отходов пиления туфа для получения гипсобетонов;

- разработаны составы гипсотуфобетонных композитов и исследованы их свойства в зависимости от соотношения гипса, туфового песка и негашеной извести;

- исследован минералогический состав гипсоизвестковотуфобетонного композита;

- разработаны составы гипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита и исследованы их огнезащитные свойства экспериментальными и расчетными методами;

- разработаны составы гипсоизвестковоцементовермикулитотуфо-бетонного композита и исследованы их огнезащитные свойства экспериментальными и расчетными методами;

- определено влияние параметров дисперсного армирования на свойства фиброгипсотуфобетонных и фиброгипсовермикулитотуфобетонных композитов;

- разработаны технологические решения, позволяющие улучшить эксплуатационные характеристики предлагаемых материалов;

- разработан технологический регламент производства плит для перегородок из фиброгипсоизвестковотуфобетонного композита, проведена промышленная апробация предлагаемых решений в условиях действующего производства и определена технико-экономическая эффективность.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана сырьевая смесь для изготовления фиброгипсотуфобетонно-го композита с улучшенными физико-механическими свойствами, обеспечивающая уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5-31,7 % по сравнению с гипсовыми. Исследованы влияние соотношения компонентов, зер-

нового состава туфового заполнителя, параметров фибрового армирования на их свойства и минералогический состав новообразований.

— установлена зависимость свойств фиброгипсотуфобетонного композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

— разработаны новые составы многокомпонентного гипсоизвесткововер-микулитотуфобетонного и гипсоизвестково-цементовермикулитотуфобетонного композитов. Проведены экспериментально-теоретические исследования огнезащитных свойств, получены выражения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости композитов.

— получена математическая модель прочности фиброгипсоизвесткововермикулитотуфобетонного композита в зависимости от процента армирования и отношения длины волокон к их диаметру, исследованы огнезащитные свойства, установлена зависимость свойств композита от способа приготовления смеси и формования изделий.

Новизна технических решений подтверждена 3 патентами на изобретения.

Достоверность результатов исследований подтверждается проведенными автором экспериментами, использованием поверенного оборудования, применением современных методов исследования и обработки полученных результатов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также результатов, полученных в лабораторных и производственных условиях, адекватностью принятых математических моделей.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы, разработана программа исследования, проведены, обработаны и проанализированы результаты экспериментов, разработан технологический регламент на производство фиброгипсобетонных плит с применением вулканических горных пород. Промышленная апробация результатов исследований осуществлялась при участии автора.

В работах, выполненных совместно с доктором технических наук, профессором Пухаренко Ю.В. и доктором технических наук, профессором Хеже-

вым Т.А., автор лично проводил экспериментальные и теоретические исследования, и результаты докладывал на научно-технических конференциях.

Практическая значимость. Разработаны и оптимизированы составы эффективных гипсобетонных композитов на основе вулканических горных пород, позволяющие снизить стоимость изделий и решить вопросы утилизации техногенного сырья.

Разработаны и оптимизированы составы фиброгипсотуфобетонных композитов, обладающих улучшенными физико-механическими характеристиками, при пониженном расходе гипса.

Получены и исследованы составы теплоогнезащитных фиброгипсоверми-кулитотуфобетонных композитов, обладающих высокими огнезащитными свойствами.

Разработана программа для расчета огнестойкости строительных конструкций с применением разработанных гипсобетонных композитов численными методами.

Разработан технологический регламент на производство перегородочных плит с применением фиброгипсотуфобетонных композитов.

Реализация результатов работы. Разработанные составы фиброгипсотуфобетонных композитов прошли промышленную проверку при выпуске опытной партии перегородочных плит в ООО «Гранит». На изготовление перегородочных плит из фиброгипсотуфобетонного композита составлен технологический регламент.

Предложенные составы фиброгипсовермикулитотуфобетонных композитов применяются в ООО «Огнезащита» для огнезащиты строительных конструкций. Полученные выражения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости гипсобетонных композитов и программное обеспечение для теплотехнического расчета предела огнестойкости строительных конструкций численными методами используются в ООО «Агропроект» при проектировании объектов промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначений.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются кафедрой «Строительные материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» и кафедрой «Строительное производство» ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» в учебном процессе на специальностях «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Промышленное и гражданское строительство», а также при подготовке бакалавров и магистров направления «Строительство». Материалы диссертационной работы использованы автором при выполнении выпускной квалификационной работы, занявшей 1 место на Всероссийском конкурсе выпускных квалификационных работ по специальности 270102 Промышленное и гражданское строительство в номинации «Дипломная работа» в 2011 г.

Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: У-й Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2009); ГУ-й Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века» (Нальчик, 2009); Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «ПЕРСПЕКТИВА - 2010» (Нальчик, 2010); 1У-й Международной конференции «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» (Архангельск, 2010); У-й Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Махачкала, Ростов-на-Дону, 2010); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ПЕРСПЕКТИВА - 2011» (Нальчик, 2011); Международной научно-практич