автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Исследование прочности и деформативностипоризованного арболита на основе отходовхлопчатника

На правах рукописи УДК 666.9.066.728.6/691.115

РГБ ОД

ИСАКУЛОВ БАЙЗАК РАЗАКОВИЧ

Исследование прочности и деформатнвности поризованного арболита на основе отходов хлопчатника

Специальность 05.23.05 - строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир - 2000

Работа выполнена на кафедре строительного производства Владимирского государственного университета

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор А.С.Жив

Научный консультант - заслуженный строитель РФ

кандидат технических наук, профессор Б.В.Генералов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.И.Христофоров - кандидат технических наук, доцент В.В.Михайлов

Ведущая организация - Ассоциация «Владимирстрой», г. Владимир

Защита состоится «с?<5>>

£.2000 г. в/4—1

часов на заседании

диссертационного совета К 063.65.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук ори Владимирском государственном университете.

Просим принять участие в защите и направить Ваш отзыв на диссертационную работу в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 600000, г. Владимир, ул, Горького, 87, ауд. 523-2, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «-¿^ »&р Э 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, канд. техн. наук, доцент

Л.А.Еропов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Строительный комплекс является специфической отраслью экономики Узбекистана. В основных направлениях экономического и социального развитая республики на 1998-2000 годы и на период до 2010 года отражена необходимость использования отходов в производстве строительных материалов и расширения ассортимента и объема поставки высококачественной продукции для нужд населения, а также широкого использования местных строительных материалов.

К таким материалам относится арболит, изготовляемый из подобранной смеси вяжущего, органических заполнителей растительного происхождения, воды и химических добавок.

Арболит - относительно новый строительный материал в Узбекистане, за рубежом он известен как теплоизоляционный и конструкционный материал, используемый уже многие десятилетия. Для производства арболита республика имеет богатейшую базу. В безлесных районах сырьем могут служить стебли хлопчатника , рисовая солома и лузга, запасы которых в данное время неисчерпаемы.

Однако возросшие требования к качеству арболита ставят задачу по дальнейшему повышению прочностных показателей этого вида материала с оптимальной структурой. Проведенные в НИИЖБ Госстроя РФ исследования показали, что повысить эффективность производства, упростить технологию изготовления изделий го арболита и улучшить свойства материала можно целенаправленным изменением свойств и структуры арбо-литовой смеси путем поризации. Исследования указывают на повышенную деформативность этого материала, что требует постановки дополнительных экспериментальных работ.

Целью диссертационной работы наряду с получением теплоизоляционного и конструкционного поризованного арболита класса В 1,0 до В 2,5 средней плотностью не более 650 кг/м3 на основе измельченных стеблей хлопчатника является изучение его деформатвных свойств для возможного применения в несущих и ограждающих конструкциях.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- разработка оптимальных составов поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника с применением смешанных и комбинированных добавок и наполнителей (отходов промышленности);

экспериментальное изучение деформативных свойств поризованного арболита при различных сжимающих напряжениях с целью применения его в несущих и ограждающих конструкциях зданий;

технико-экономическая оценка предложенной технологии поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника при изготовлении

стеновых блоков на комбинате строительных конструкций в г. Нукусе.

Научную новизну работы составляют:

оценка индивидуальных технологических решений по изготовлению поризованного арболита и новые конкурирующие направления его технологий;

- ■ экспериментальные данные, полученные на образцах из поризованного арболита при длительном действии нагрузки;

обоснование механизма формирования прочности и разрушения поризованного арболита.

Достоверность результатов работы обеспечена статистической обработкой экспериментально полученных данных на основе длительных наблюдений, анализа роста прочности нового материала, механизма его разрушения и сравнения их с другими видами бетонов.

Практическое значение работы заключается в разработке технологий теплоизоляционного и конструкционного поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника классов В 1,0 и В 2,5. Технология позволяет использовать измельченные стебли без рассева, интенсифицировать твердение поризованного арболита и повысить прочность его на 50-70 % при умеренном расходе цемента, что способствует организации безотходной технологии и повышению физико-механических свойств изделий из него.

Технология поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника внедрена на Нукусском комбинате строительных конструкций и институте «ККГорсельпроект».

Объем работы. Представленная работа состоит го введения, 4 глав, общих выводов, заключения и списка литературы, включающего 91 источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены цели, задачи и назначение работы, ее выходные данные.

В первой главе рассмотрена методика разработки технологии конструкционного поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника классов В 1,0 и В 2,5.

На развитие науки, производства и применения органических заполнителей в легких бетонах огромное влияние оказали фундаментальные труды Ю.М.Баженова, Г.А.Бужевича, В.И.Савина, М.З.Симонова, А.С.Щербакова, Ю.С.Беленький, А.А.Кудрявцева, М.А. Быкова, H.A. Кор-нева и многих других ученых. В результате их исследований во многом

решены теоретические и технологические проблемы: выбор сырьевых ресурсов, разработка технологических параметров и режимов производства заполнителей, влияние различных компонентов и корректирующих добавок на их свойства.

В зависимости от назначения строительных конструкций и вида органического заполнителя арболит разделяется на классы: В 1,0 - В 1,5 для теплоизоляционных и В 1,5 - В 3,5 для конструкционных изделий.

Зависимость объемной массы арболита, изготовленного на различных заполнителях, от прочности приведена в табл. 1.

Таблица 1

Объемная масса сухого арболита, кг/м3

Прочность арболита, МПа На древесной дробленке отходов На костре конопли На костре льна или дробленых стеблях хлопчатника На оду-бияе

1,0 400 / 500 500 500 550

1,5 500 / 550 550 600 600

2,0 600/650 600 650 700

2,5 650 / 700 - 700 750

3,5 700 / 750 - - 800

Модуль упругости в зависимости от прочности арболита колеблется в среднем от 400 до 1200 МПа, коэффициент Пуассона - 0,15-0,2.

Величина усадки арболита по мере его высыхания равна в среднем 0,5 % или 5 мм на 1 м изделия. Набухание арболита в воде составляет 0,25-2 %, поэтому материал во влажных помещениях должен иметь гидроизоляцию поверхности. Удельная теплоемкость арболита в сухом состоянии в зависимости от плотности материала колеблется в пределах 1720-1045 Дж (кг • °С). Теплофизические свойства арболита зависят от объемной массы, вида заполнителя и характера расположения его частиц, количества цемента, пористости материала и других факторов. Удельная теплоемкость арболита (одна из составляющих коэффициента теплоус-воения) в 2-3 раза выше, чем минеральных материалов.

Арболит-трудно сгораемый материал. Предел огнестойкости арболито-вых панелей толщиной 200 мм с объемной массой 400 кг/м3 0,75 ч.

Введение технической пены на стадии приготовления способствует образованию в арболитовой смеси высокодисперсной эмульсии воздуха. В результате устраняется непосредственное трение твердых частиц арболитовой смеси, что способствует их равномерному распределению при перемешивании вместе с цементом и плотной упаковке при формовании изделий.

Порнзованная арболитовая смесь отличается высокой связанностью, повышенной подвижностью и удобоукладываемостъю, и как следствие применение такой смеси значительно упрощает процессы формования изделий. Смесь уплотняется вибрацией (без пригруза) на виброплощадках с помощью площадочных вибраторов, вибронасадок. При этом могут изготовляться конструкции любой конфигурации (глухие, с оконными и„чн дверными проемами и т.д.) с высоким качеством всех поверхностей изделий, так как поризованный арболит имеет слитное строение с упорядоченной замкнутой пористостью.

Технология изготовления поризованного арболита по сравнению с обычным имеет как общие черты, так и целый ряд принципиальных различий. Общими являются технологический гфоцесс в целом, а также такие его элементы, как складирование цемента, древесной дробленки, арматурные работы, подготовка форм, контрольные операции, складирование и транспортирование готовых изделий и т.д.

Различие состоит в том, что поризованную арболитовую смесь на пористых заполнителях готовят с применением смесителей принудительного перемешивания типа СБ.

Большая скорость перемешивания позволяет диспергировать пузырьки воздуха и увеличить их количество за счет уменьшения размеров и равномерно распределить в массе цементного теста, создавая более толстые и более прочные оболочки вокруг пузырьков воздуха по сравнению с обычным перемешиванием.

Кроме того, в процессе перемешивания арболитовой смеси в турбулентном смесителе происходит частичная активация цемента. Его частицы проникают в поры органического заполнителя, кольматируя их. В результате уменьшается выход экстраакгивных веществ из органического заполнителя и увеличивается его сцепление с цементным камнем. И как следствие повышается прочность арболита при сжатии на 20-35 % при тех же расходах материалов, увеличивается в 2-2,5 раза морозостойкость, улучшается в 2 - 3 раза показатель изменчивости по прочности и объемной массе.

Основные прочностные и деформативные свойства поризованного арболита приведены в табл. 2.

В результате анализа экспериментальных данных было выявлено, что модуль упругости поризованного арболита в среднем на 80 % превышает модуль обычного арболита, а модуль деформаций выше соответственно на 50%.

Модули упругости и деформаций поризованного арболита при растяжении оказались на 25-30 % ниже соответствующих характеристик этого материала при сжатии.

Таблица 2

Прочностные и деформативные свойства поризованного арболита

№ Наименование Еди- Величина показателей для ар-

п/п показателей ницы болита проект.прочн., МПа

изме- 1,0 1,5 2,0

рения

1 Расход цемента марки 400 кг 290-310 320-340 350-360

на 1 м3 арболита кг/м3

2 Объемная масса в сухом 500-550 550-600 600-650

состоянии

3 Призменная прочность при МПа 1,2 2,0 2,5

сжатии 11ьп

4 Модуль упругости при МПа 1000 1200 1400

сжатии Еъ

5 Прочность при осевом рас- МПа 0,25 0,40 0,55

тяжении Иьт

6 Усадка мм/м - 4-5 -

Начальный коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) для поризованного арболита можно принимать равным 0,2 так же, как и для других видов легких бетонов.

Величины предельной сжимаемости и растяжимости, коэффициента пластичности при нагрузках, близких к разрушающим, у поризованного арболита находятся примерно в тех же пределах, что и у обычного арболита. По основным физическим и теплоизоляционным свойствам поризован-ный арболит не уступает обычному, а по таким, как морозостойкость, теплопроводность, водонепроницаемость даже превосходит последний.

Органический заполнитель, применяемый в производстве арболита, может быть двух основных видов: 1) древесный, исходным сырьем для которого служат низкокачественная древесина, а также отхода в виде кусковой и измельченной древесины; 2) отходы сельскохозяйственного производства (костры льна, рисовой соломы, стеблей хлопчатника и т.п.).

Для Каракалпакстанской республики перспективным видом заполнителя являются стебли хлопчатника.

Нами было исследовано влияние следующих способов подготовки .заполнителей на прочность арболита: способ вымачивания заполнителя в сетчатых контейнерах в воде с установлением оптимального гидромодуля и времени вымачивания и способ обработки заполнителя водными растворами добавок, и оптимизация его параметров. Выбраны оптимальные давления при прессовании, вибропрессовании и время при вибрировании с

учетом влияния их на прочность арболита. Определялось влияние химических добавок на химическую активность водного раствора, получаемого при соприкосновении с заполнителями, при этом измельченные стебли хлопчатника заливали водой, затем выдерживали в течение двух суток и измеряли рН. Одновременно вводили добавки в количестве, обеспечивающем концентрацию раствора, имеющего место в арболитовой смеси, и вновь определяли рН. Предпочтение отдавалось тем добавкам, которые не снижают величины показателя рН.

Как известно, прочность на сжатие арболита является основной характеристикой. От этого показателя зависят его прочностные и деформативные свойства. Исследования показали, что на прочность при сжатии поризо-ванного арболита на измельченных стеблях хлопчатника влияют: фракционный состав заполнителя (размер частиц), наличие очесов и хлопка, насыпная плотность, вид добавок и наполнителя и другие технологические факторы изготовления. В методике планирования оптимального состава поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника использовали математический метод планирования эксперимента.

На основании разработанных нами предложений по составам и способам производства и с учетом рекомендаций других исследователей предлагается следующая технология получения поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника.

Арболитовая смесь состоит из портландцемента, измельченных стеблей хлопчатника, смешанных добавок, наполнителей (по необходимости) и воды. Удельный расход цемента от массы заполнителя 3/Ц принимается от 1,3 до 1,6, а водоцементное отношение от 1,3 до 1,5. Предлагаемые составы поризованного арболита приведены в табл. 3.

Во второй главе приведены методика и экспериментально-теоретические исследования ползучести поризованного арболита при различных сжимающих напряжениях. Разнообразные предложения по учету ползучести при расчете отдельных конструкций и сооружений в целом содержатся в работах А.Е.Шейкина, А.Р.Ржаницына, Л. Больцмана, В.Вольтерра и других авторов. В этих работах рассматривается в основном линейная наследственная теория ползучести, сводящая зависимости между напряжением и деформацией к интегральным уравнениям, где деформация в каждый данный момент зависит как от действующего, так и от ранее действовавших напряжений. Профессор А.Р.Ржаницын при определении температурных напряжений, возникающих в сооружениях от действия наружных температур, применил функцию влияния Ь (1-й), где О-и) - интервал между моментом действия напряжения и моментом наблюдения его эффекта.

- Предлагаемые составы поризованного арболша

Таблица 3

Наименование показателей Единицы измерения Величина показателей для арболита по прочности на сжатие

В 0,75 В 1,0 В 1,5 В 2,0 В 2,5

1. Расход пуццолаиового цемента марки 400 кг 250 280 300 325 350

2. Расход гипса марки 100 кг 100 100 100 110 120

3. Расход сухого органического заполнителя (стеблей

хлопчатника) кг 175 195 215 235 250

4. Расход воды на м' арболитовой смеси при сухих орга-

нически заполнителях / в пенообразном состоянии л/м' 270/60 300 / 60 325 / 60 350/80 370/ 90

5. Расход молотого песка кг 75 80 85 90 95

6. Расход мраморной пыли* кг 5 6 6,5 7 7,5

7. Расход минерализатора и ускорителя твердения (ком-

плексная добавка):

жидкое стекло кг/м3 10 10 12 12 12

хлористый кальций* кг/м5 6 6 6 6 8

8. Расход закрепителя пены во взвешенном состоянии

(кальций) Гр/л 10-12 11-13 12-14 13-15 15-16

9. Плотность в высушенном состоянии кг/м' 400-430 450-460 500-540 540-590 590-640

10. Призменная прочность при сжатии (нормативное со-

противление Rbn) МПа 0,6 0,95 1,65 2,1 2,5

11. Коэффициент теплопроводности Вт/(м2 ■ К) 0,05 0,065 0,085 0,10 0,135

•Примечание. В качестве смешанных добавок может бить использовано жидкое стекло с сернокислым алюминием и хлористым кальцием. В качестве наполшггелей может быть использована мраморная пыль.

В работе Ч.Уитнея, Н.А.Буданова, Ф.Дишингера и других авторов предполагается, что деформации ползучести бетона пропорциональны напряжениям и скорость их нарастания зависит только от возраста бетона, которая уменьшается с его "старением".

В работах профессора ГДМаслова и профессора Н.Х.Арутюняна рассматривается линейная теория "упругоползучего тела", представляющая собой своеобразную наследственную теорию "старения". Этой теорией учитывается возраст ("старение") и длительность действия нагрузки ("наследственность"), а также изменение модуля упругой мгновенной деформации бетона во времени Е (С), что позволило применить ее к бетону при обычных эксплуатационных напряжениях. Характер функции влияния Ье (1,и), выражающей влияние ранее действовавших упругих мгновенных деформаций на полную деформацию еч (0, до последнего времени, особенно для поризованного арболита, практически не был исследован. Объясняется это отсутствием постановки весьма трудоемких экспериментальных исследований о ползучести образцов - близнецов, загружаемых через короткие промежутки времени один после другого. Здесь выбор выражения для функции влияния Ье (1,и) представляет одну из важнейших задач теории ползучести.

Решение может быть найдено по формуле, предложенной профессором А.А.Гвоздевым:

до {

где функция 11е (1,и) - резольвента ядра Ье и).

Это уравнение показывает, что в материале, обладающем ползучестью, при постоянной (или ограниченной) деятельности имеет место релаксация напряжений. Был исследован характер функции Яе (1,и), выражающей влияние ранее действующих упругих мгновенных деформаций на напряжение з рассматриваемый момент для поризованного арболита. При определении напряжений, вызванных деформациями, знание резольвенты 11е (1,и) имеет большое значение. Резольвенту Ие (1,и) определяли по ядру Ье (1,и), решая одно из интегральных уравнений вида:

Ье(1, и)+Яф, и)=^(и,1)Кг,и)х и)с1и;

В данных исследованиях рассматриваются результаты экспериментального определения ядра Ье (^и) интегрального уравнения и его резольвенты 11е 0,и), позволяющие уточнить расчет конструкций.

Экспериментальные исследования проводили на образцах в 28-дневном возрасте из поризованного арболита, где в качестве органической составляющей использовали стебли хлопчатника. Изучаемые образцы пароизо-лировались с целью исключения наложения процесса усадки на процесс ползучести.

Образцы всех проведенных опытов представляли собой легкобетонные призмы сечением 150x150 мм и длиной 600 мм. Одна часть образцов была выполнена из поризованного арболита, где в качестве органического заполнителя использовали фибру стеблей хлопчатника, вторая часть - для сравнения - из поризованного керамзитобетона. Боковые поверхности призм изолировали от влагопотерь, по торцам призм устанавливали перфорированные стальные плитки для передачи нагрузки. Таким образом, удаление влаги из образцов-призм могло происходить только через торцы.

В данных опытах все испытываемые на длительную нагрузку образцы изолировали путем обмазки боковых поверхностей толстым слоем жидкого парафина с марлевой прокладкой. Измерение усадки призм показало, достаточную эффективность такой изоляции.

При длительных испытаниях постоянную нагрузку на образцы создавали с помощью специально изготовленных пружинных установок.

Величина максимальной нагрузки была ограничена (60-120 кН), что определялось предельным уровнем загружения образцов, равным 0,75 Ль. Всего было испытано три основные серии из поризованного арболита и три серии из поризованного керамзитобетона. Каждая серия включала 9 призм-образцов. Таким образом, всего испытаниям подвергались 54 образца.

Нагружение образцов-призм производилось этапами, соответствующими приращению напряжения от ОД до 0,15 МПа. После каждой ступени нагрузки образцы выдерживали в течение пяти минут. Отсчеты по индикаторам (с точностью измерения 0,01 мм) брались после приложения каждой ступени нагрузки и перед приложением новой ступени. Такая методика испытаний позволяла выделить упругие мгновенные деформации и определить величину начального модуля упругости легких бетонов.

Одновременно с измерением деформаций образцов, установленных под длительную нагрузку, производили измерение деформаций незагруженных изолированных и неизолированных от влагопотерь образцов. Деформации ползучести определяли вычитанием из общих деформаций загруженных образцов усадочных деформаций, измеренных на незагруженных и изоли-

рованных от влагопотерь образцах. Благодаря наличию пароизоляции, деформации усадки образцов были незначительны.

Загружение призм-образцов осуществляли при уровнях напряжений 0,15 йъп; 0,44 ЯЬп Ь 0,74 Еьп- В каждой серии, состоящей из девяти призм-образцов, первые три образца были изолированы от влагопотерь и устанавливались под длительную нагрузку, вторые три образца были также изолированы, но оставались без нагрузки, наконец, оставшиеся три образца были не изолированы и загружению не подвергались. По окончании экспериментальных исследований их использовали для определения осевой прочности бетонов на сжатие и анализа механизма разрушения пори-зованного легкого бетона.

Таким образом, всего было изготовлено 54 призмы-образца и 650 контрольных кубов.

Исследования на призмах показали, что деформации, возникающие при приложении нагрузки, растут ей пропорционально. Пропорциональная зависимость упругих мгновенных деформаций от напряжений наблюдалась ранее В.Глэнвиллем, Н.С.Боршпанским, А.Н.Кузнецовым, П.И.Васильевым и другими экспериментаторами. Отклонения от этой закономерности для поризованных легких бетонов наблюдались только при высоких сжимающих напряжениях.

Модуль упругомгновенной деформации поризованных легких бетонов определяли по наклону к оси абсцисс прямой зависимости упругой мгновенной деформации от напряжений, которые не превышали 0,6 И^,. При этом скорость загружения образцов во всех сериях опытов была одинаковой.

Для определения ядра Ье 0,и) интегрального уравнения необходимо было иметь экспериментальные данные о ползучести образцов, изготовленных из поризованного легкого бетона. С этой целью проведено испытание всех 6 серий образцов, включающих 18 призм.

Результаты испытаний образцов-призм на длительную нагрузку при уровнях напряжений 0,15 Яы,; 0,44 Яьп и 0,74 Яьп представлены на графиках (см. рисунок).

Анализ роста деформаций призм во времени указывает на некоторые отклонения от закономерности. Деформации призм, загруженные при уровне напряжений 0,15 11ь„ из поризованного арболита,росли медленней, чем такие же деформации, но загруженные при более высоких уровнях напряжений. В образцах из поризованного керамзитобетона таких отклонений не наблюдалось.

Для обоих видов легких бетонов деформации ползучести достигли со временем величины, превышающей упругие деформации в 2-3 раза. Во всех образцах наблюдалось быстрое нарастание деформаций ползучести в

Q - серия I; А - серия И; ф - серия III; о - серия IV; х - серия V; о - серия VI Деформации ползучести поризованного арболита во времени

начальный период после загружения, затем нарастание деформаций постепенно замедляется.

Таким образом, скорость нарастания деформаций ползучести во времени зависит не только от уровня напряжений, но и от того, сколько времени прошло с момента загружения.

Для поризованных легких бетонов, как показали наши испытания, скорость роста деформаций ползучее™ зависиг от кривой нарастания прочности во времени, отражающей процесс твердения бетона.

На основании опытов по изучению ползучести поризованных легких бетонов при одноосном сжатии определяли функцию влияния Le (t,u) предшествующих упругих мгновенных деформаций бетонов на их полную деформацию в рассматриваемый момент.

В табл. 4 .даны значения меры ползучести, полученные при испытании призм на ползучесть при различном уровне нагружения. Здесь же помещены значения меры ползучести, вычисленные по формуле, предложенной A.B. Яшиным:

Таблица 4

Значение меры ползучести поризованного арболита и керамзитобетона с С (t, ti) • 107 по опытным данным и формуле A.B. Яшина

Уровень нап-

ряжения об- 0,15 Rbn 0,44 Rba 0,74 Rbn

разцов

Поризован- 7,2 7,0 6,5

ный арболит 7,0 6,3 6,2

Поризован- 9,6 9,1 8,8

ный керамзи- 9,3 8,9 8,5

тобетон

Примечание: в числителе - по опытным данным; в знаменателе - по формуле A.B. Яшина,

Таким образом, по сравнению с поризованными легкими бетонами мера ползучести поризованного арболита оказывается значительно ниже, что в итоге приводит к снижению деформаций ползучести при одном и том же уровне напряжений.

В третьей главе рассмотрены теоретические основы механизма формирования прочности и разрушения поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника.

Наши эксперименты подтвердили факт, что коэффициент призменной прочности для обычного арболита отличен от такого же коэффициента для поризованного материала. Это отношение для поризованного арболита в среднем на 25 % выше, чем для обычного, что можно объяснить особенностями его деформативных свойств, отличающихся большей предельной растяжимостью.

Деформативные свойства поризованного арболита изучали в 7-, 28- и 90-суточном возрасте. Рассматривались две фазы твердения. В 7-суточном возрасте деформативность растворной части, как и в ячеистых бетонах, оказывается наименьшей, то есть этот период может быть отнесен к первой фазе твердения поризованного арболита. К 28 суткам характер кривых деформаций несколько меняется, наблюдается уменьшение деформаций растворной части в связи с ростом прочности поризованного арболита.

По теории прочности А.И.Ваганова в этот период должно наступить равенство между предельными деформациями органического заполнителя и растворной составляющей в материале. Однако в наших экспериментах этого не наблюдалось. Органический заполнитель постоянно показывал меньшую деформативность, чем растворная составляющая, несмотря на это деформативность материала.и растворной составляющей совпадали, причем прочность заполнителя была меньше, чем всего материала.

Начиная с момента, когда ер>Е„ прочность легких бетонов не должна возрастать, так как этому препятствует разрушение органического заполнителя. Однако, как показывают опыты, прочность поризованного арболита продолжала возрастать даже к 90-суточному возрасту, несмотря на превышение деформативности растворной составляющей над деформатив-ностью органического заполнителя. Иначе теория о прекращении роста прочности поризованного арболита во второй фазе твердения не подтверждается, хотя рост прочности материала во второй фазе происходил менее интенсивно, чем в первой. Полученные результаты дают основание утверждать, что рост прочности материала во второй фазе твердения объясняется изменением модуля деформации составляющих поризованного арболита при нагружении призм-образцов. Из приведенного графика видно, что модуль деформации растворной части и материала с возрастанием напряжения уменьшается, а для органического заполнителя в определенном диапазоне относительного напряжения он возрастает. Можно предположить, что в нагруженном состоянии органический заполнитель оказывает большее сопротивление деформациям, упрочняется и может воспринимать большую нагрузку, чем в ненапряженном состоянии.

Упрочнение органического заполнителя в изучаемом диапазоне напряжений до 0,8 Яз происходит за счет уменьшения внутристеблевой (для хлопчатника) пористости и возникновения эффекта "обоймы". Это явление

подтверждается изменением коэффициента Пуассона. Упрочнение органического заполнителя в поризованном арболите плотного строения в определенном периоде напряженного состояния является причиной роста прочности материала во второй фазе твердения и повышения абсолютной величины их прочности. Кроме того, причиной более высокой прочности поризованного арболита по сравнению с низкопрочным органическим заполнителем является кольматация его пор цементным тестом (раствором), который, затвердевая, вызывает повышение прочности стеблей хлопчатника. Эти два эффекта наблюдались в поризованных арболитах плотного строения и их влияние в материалах пористого и крупнопористо. го строения (с объемной массой 300-500 кг/м3) проявляется в меньшей степени или практически совсем не проявляется.

Характер и механизм разрушения поризованного арболита изучали с помощью традиционной тензометрической аппаратуры и глубинных тен-зометрических датчиков, ориентированных, главным образом, вдоль и перпендикулярно прилагаемой нагрузке к призмам. Глубинные тензодат-чики закреплялись на стеблях хлопчатника с помощью эпоксидного клея и устанавливались в опытных образцах до бетонирования. Во избежание повреждения датчиков производилась их защита эпоксидной смолой.

Суть испытаний состояла в том, что глубинные тензометрические датчики были установлены как на стеблях хлопчатника, так и в растворной составляющей материала, что давало возможность определить первопричину последовательности разрушения составляющих материала. Испытания были проведены тщательно, на большом (более 50) количестве призм-образцов. Эти опыты позволили дать исчерпывающий ответ на появившиеся в последние годы утверждения, что в поризованных легких бетонах (в том числе и в арболите) соотношение между кубиковой и приз-менной прочностью приближается к единице и даже превосходит ее.

Опыты показали следующее:

1. Тензометрические датчики, расположенные в растворной составляющей материала, фиксируют момент его разрушения и достижение предельной растяжимости поризованного арболита в призмах перпендикулярно действующей нагрузки пресса. В этом случае стрелка манометра пресса падает, то есть всегда наблюдается первоначальное разрушение материала.

2. Однако тензометрические датчики, закрепленные на стеблях хлопчатника и ориентированные вдоль и поперек действующей нагрузки, продолжают показывать рост деформаций, а стрелка манометра пресса продолжает показывать рост напряжений.

3. Описанный эффект не наблюдается в поризованном арболите пористого или крупнопористого строения низкой объемной массы.

4. При испытаниях поризованного арболита плотного строения одновременного разрушения растворной составляющей и органического заполнителя не происходило. Обычно наблюдалось последовательное разрушение, связанное с заполнителем, затем - с растворной составляющей, но только во второй фазе твердения. Разрушение же материала по растворной составляющей происходило только в первой фазе твердения.

5. При испытании поризованного арболита как плотного, так и пористого и крупнопористого строения существенное значение имеет поверхность сцепления фибры стеблей хлопчатника с растворной составляющей, при этом для материала плотного строения - КсЦ. < для пористого и крупнопористого материала - Кс„. > К,. Этот факт имел место при разрушении пористого и крупнопористого арболита и отвечает наблюдавшейся кольмата-ции пор стеблей хлопчатника цементным раствором.

Выполненные исследования дают основание для уточнения гипотез формирования прочности поризованного арболита.

Теория А..И.Ваганова в полной мере приемлема для объяснения процесса нарастания прочности материала твердения, то есть когда деформатив-носгь растворной составляющей меньше деформативности кольматиро-ванных стеблей органического заполнителя. Для объяснения возрастания прочности поризованного арболита плотного строения во второй фазе твердения указанная теория требует уточнения, а именно: одновременного разрушения органического заполнителя и растворной составляющей в по-ризованяом арболите плотного строения не наблюдается. Разрушение материала во второй фазе твердения происходит ступенчато (заполнитель -раствор). Первоначальными разрушениями поризованного арболита плотного строения являются: при ер < г, - растворная составляющая, при ер > е-, - кольматированный органический заполнитель. Конечная прочность поризованного арболита плотного строения во всех испытанных образцах определялась прочностью растворной составляющей; при < Я3 происходит однофазное твердение и одноступенчатое разрушение - по раствору; при

> Л, происходит двухфазное твердение и двухступенчатое разрушение.

Прочность поризованного арболита пористого строения формируется в одну фазу, разрушение происходит одноступенчатое - по кольматирован-ному органическому заполнителю и им определяется в основном прочность материала.

Пользуясь полученными данными, можно направленно планировать получение поризованного арболита различной прочности, исходя из прочности зерна органического заполнителя.

В четвертой главе отражены характер внедрения результатов исследований в практику проектирования и строительства жилых и производственных зданий в условиях Каракалпакстана.

На ивженерно-строителшом факультете Каракалпакского государственного университета была разработана типовая технологическая линия цеха по выпуску поризованного арболита производительностью 12 тысяч кубических метров применительно к местным условиям.Технология цеха запроектирована по следующей схеме: рубительная машина - измельчение стеблей хлопчатника - ленточный транспортер - дробилка - воздушный трубопровод - накопительный бункер - вибробункер - ванна для замачивания. В качестве заполнителей могут быть применены и другие отходы сельскохозяйственных растений: например рисовая солома. Одновременно в составе проекта предусмотрен склад, откуда в смесительный узел пневмотранспортером под давлением подается цемент. Смесительный узел со скиповым подъемником обеспечивает загрузку дробленки хлопчатника. В нижней части строительного узла находится рольганг с формами-поддонами. С рольганга формы с сырой массой подаются на столы, где производится обработка арболитовой смеси знакопеременным током.

Современное строительство жилых зданий в республике осуществляется с применением глиняного и силикатного кирпича марки 50-150. Применение арболитовых блоков объемной массой 600-650 кг/м3 для возведения наружных стен малоэтажных жилых зданий вместо традиционного глиняного и силикатного кирпича сокращает трудоемкость строительства в 2,53,3 раза, энергоемкость производства уменьшилась в 2 раза, энергозатраты на отопление при эксплуатации зданий - на 20 %.

Наиболее перспективным стеновым материалом, с нашей точки зрения, являются стеновые блоки размером 1200x400x200 мм, что дает возможность производить кладку с помощью легких подъемных механизмов и даже вручную, поскольку масса одного блока не превышает 50-65 кгс.

Ниже приведены технические условия на производство арболитовых стеновых блоков, разработанные нами совместно с ВлГУ и согласованные с НИИ бетона и железобетона Госстроя РФ.

Нами предложен одноэтажный жилой дом из арболитовых блоков в городе Нукусе. Класс сооружения - III, долговечность - II, огнестойкость -III. Конструктивный остов дома представляет собой коробку с продольными несущими стенами на бутобетонных ленточных или столбчатых фундаментах с перекрытиями в виде щитового наката по деревянным балкам: с чердачным покрытием в виде крыши,с дощатыми наклонными стропилами и кровлей из волокнистых асбестоцементных листов.

В табл. 5 приведены толщина стены, сопротивление теплопередаче, затраты труда, расход основных материалов и стоимости одного кубометра кладки из кирпича и поризованного арболита на местных органических заполнителях. Сравнение этих показателей говорит в пользу разработанного

Сравнительные показатели стеновых материалов

Таблица 5

Конструкция стен и ма- Тол- Соп- Масса, Затраты труда. Расход основных материалов Приведен-

териал щина ротив. кг чел,-дни топлива, средств ная стоим.

стены, теп- На за- На Кир- Вяжущее, Услов- Элекг- Капи- Руб. %

мм лопр. (м*-°С) /Вт, воде строй- пич, кг ное роэнер тало-

площ. шт Цемент Из-вест топли-. во, кг гия, кВт-ч влож., руб

Сплошная кладка:

из глиняного кирпича 640 0,96 1150 0,66 0,47 250 22 13 73 17,4 17,8 22,3 100

из силикатного кирпича 640 0,89 1210 0,46 0,47 250 22 102 43 17,3 18,4 16,5 74

у - 1300 кг/мэ 510 0,98 740 0,5 0,35 198 20 11 48 15,7 14,4 17,8 80

у = 1450 кг/м3 510 0,92 785

из укрупненных кера-

мических камней 7= 1300 кг/м3 380 0,92 500 0,37 0,24 148 9 6 33 12,6 10,1 14,3 64

из сплошных легкобе-

тонных камней у= 1500 кг/м5 590 1,01 885 0,55 0,38 280 91 5 65 24 15,1 21,3 95

из камней из ячеистого бетона у = 1000 кг/м3 у = 800 кг/м3 340 240 0,95 0,95 400 210 0,37 0,28 0,27 0,20 160 112 98 61 3 2 50 32 18,5 12 2U 13,7 15,8 11,2 71 50

из поризованного арболита у = 600-650 кг/м1 210 0,95 70 0,22 0,16 60 37 3 30 11 8,1 9,8 45

материала. Кроме того, по сравнению с кирпичом поризованный арболит создает благоприятную экологическую атмосферу, хорошо гвоздится, несгораем, обладает достаточной прочностью , имеет доступную низкую стоимость. Объемы применения поризованного арболита на местных органических заполнителях для малоэтажного жилищного строительства в республике представляются перспективными, что принесет суммарный годовой экономический эффект не менее 1500-1800 рублей (в ценах на 1.09.1999 г.) и не менее 7500-9000 сумов (в денежных единицах республики Узбекистан).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования конструкционного поризованного арболита классов В 1,0 - В 2,5 средней плотности 650 кг/м3 на основе измельченных стеблей хлопчатника с целью применения этого материала в ограждающих и несущих конструкциях малоэтажных жилых зданий.

2. Выдвинуты предложения по формированию прочности поризованного арболита и механизма его разрушения на основе данных, полученных опытным путем, учитывающих двухфазность твердения материала. Установлена возможность упрочнения органического заполнителя за счет уменьшения вкутристеблевой пористости хлопчатника и возникновения эффекта «обоймы», что повышает возможность использования материала в несущих конструкциях.

3. Исследования деформативности поризованного арболита показали, что модуль упругости при сжатии на 80 % превышает модуль упругости обычного арболита, а модуль деформации выше соответственно на 50 %. Модуль упругости при растяжении оказался на 25-30 % ниже соответствующих характеристик этого материала при сжатии. По сравнению с поризованными легкими бетонами мера ползучести поризованного арболита оказывается значительно ниже, что в итоге приводит к снижению деформации ползучести при одном и том же уровне напряжений.

4. Разработана методика проектирования оптимального состава поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника на основе искусственных строительных конгломератов (ИСК) с применением математических методов планирования эксперимента.

5. Опробование предлагаемых экспериментально-обоснованных технических решений в производственных условиях показало возможность измельчения стеблей хлопчатника до оптимальных фракций и получения на основе их конструкционного арболита классов В 1,0 и В 2,5.

6. Установлено, что наиболее эффективными добавками для поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника являются 1,8%

жидкого стекла и 0,8% A12(S04)3; 1,6 % СаС12 и 0,8% Ab(S04)3, ускоряющие сроки твердения и повышающие его прочность.

7. Показано, что применение смешанных наполнителей (мраморной пыли Нукусского мраморного завода) приводит к снижению расхода цемента и повышению прочности поризованного арболита.

8. Экономическая эффективность производства поризованного арболита на измельченных стеблях хлопчатника классов В 1,0 и В 2,5 по сравнению с другими стеновыми материалами эквивалентной толщины, учитывающей их теплоизоляционные свойства, на примере республики Узбекистан составляет 500 - 1800 руб на 1 м3 материала.

9. Результаты исследований нашли свое внедрение в виде разработанных рецептурно-технологических параметров, содержащихся в ТУ на производство стеновых блоков из поризованного арболита; рекомендации по расчету конструкций поризованного арболита. Создана установка для определения влажности органических заполнителей при производстве поризованного арболита для республики Каракалпакстан и при строительстве жилых малоэтажных зданий.

Основные положения и результаты исследований достаточно полно отражены в работах, опубликованных по теме диссертации:

1. Исакулов Б.Р., Абдуллаев X. Арболит - как новый конструкционный строительный материал // Сборник научных трудов 23-й научно-технической конференции Каракалпакского государственного универси-тета.-Нукус, 1999.-С.12.

2. Жив A.C., Исакулов Б.Р. Формирование прочности поризованного арболита и механизм его деформаций и разрушения // Сборник статей 6-й Международной научно-технической конференции.-Иваново,1999:С.162 -

3. Исакулов Б.Р., Ешниязов Р.Н., Отулиев А. О некоторых особенностях прочностных и деформативных свойств поризованных легких бетонов // Вестник Каракалпакского отделения Академии наук республики Узбекистан. -№4-5. - 1999гС. 45 -46.

4. Жив А.С., Исакулов Б.Р. Экспериментальные исследования ползучести поризованного арболита при различных сжимающих напряжениях // Вестник Каракалпакского отделения Академии наук республики Узбекистан. -№ 6. - 1999г С. 82 - 83.

5. Tsakulov B.R. Imparting strength to foam fibrous concrete containing organic concrete П Материалы 25-ой конференции "Our world in Concrete and Structures". 22-24 August 2000, Singapore.

164.