автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние параметров малоэнергоемких переменных электрических полей на свойства активированных теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов

На правах рукописи

СТЕЛЬМЛХ Сергей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАЛОЭНЕРГОЕМКИХ ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА СВОЙСТВА АКТИВИРОВАННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕНО- И ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.08 — Технология и организация строительства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 г.'г; г ни

Ростов-на-Дону - 2014

005548278

Работа выполнена на кафедрах железобетонных конструкций, технологии строительного производства и технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики ФБГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Научный Маилян Левон Рафаэлович,

«

руководитель: заслуженный строитель Российской Федерации,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций ФБГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (05.23.01)

Маиляп Александр Левонович,

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительного производства ФБГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» (05.23.08) Батдалов Мухтаритдин Магомедович,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций и гидротехнических сооружений ФБГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» (05.23.01) Головнев Станислав Георгиевич,

заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РААСН, заведующий кафедрой технологии строительного производства ФБГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (научный исследовательский университет), доктор технических наук, профессор (05.23.08)

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится «6» июня 2014 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 1125, тел/факс 8 (863) 201-90-59; e-mail: dis_sovet_rgsii@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте wwvv.rgsu.ru. Автореферат разослан «5» мая 2014 г.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А.В.Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное материаловедение выдвигает в качестве основных задач создание новых и совершенствование существующих строительных материалов и технологий их производства.

К наиболее актуальным и прогрессивным строительным материалам относятся теплоизоляционные бетоны, среди которых выделяются пено- и фибропенобетоны - одни из самых массовых в практическом строительстве благодаря своим свойствам, экономичности, надежности и долговечности.

Их эффективность можно еще более повысить благодаря новым технологиям производства, в частности применением электротехнологий, в особенности малоэнергоемких. Пионерные исследования в этом направлении дают основания предположить, что при активировании бетонных смесей малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием возможно получение теплоизоляционных бетонов с повышенными физико-механическими и конструктивными характеристиками.

Получение таких пено- и фибропенобетонов с возможностью расчетного определения всех их необходимых инженерных характеристик является актуальной и важной задачей, решение которой позволит расширить их внедрение в практику строительства, существенно повысив его эффективность.

Рабочая гипотеза. Улучшение физико-механических и конструктивных свойств пено- и фибропенобетона в результате обработки бетонных смесей малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием за счет более плотной упаковки частиц инертных компонентов в межпоровых перегородках вследствие того, что в результате создаваемого электрическим полем возникающего периодического механического воздействия на электрически заряженные зёрна заполнителя, они вместе с их сольватными оболочками совершают колебательные движения, разрушая случайные непрочные структурные связи в наполненном цементном тесте и вызывая его тиксотропное разжижение в микрообъёмах.

Цель диссертационной работы - разработка лабораторного способа и заводской технологии малоэнергоемкой активации переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонных смесей, получение пено-и фибропенобетонов и изделий из них улучшенной структуры и с более высокими физико-механическими и конструктивными характеристиками, предложение теоретических рекомендаций по их расчетному определению.

Задачи исследования:

- выполнить анализ существующих теоретических представлений о способах электрофизического воздействия на пено- и фибропенобетоны,

бетонные смеси и их компоненты; оценить целесообразность активации их малоэнергоемким переменным электрическим полем;

- изучить физико-химические процессы, происходящие при активации пено- и фибропенобетонных смесей малоэнергоемким переменным электрическим полем;

- исследовать влияние параметров малоэнергоемкого переменного электрического поля на эффективность активации пено- и фибропенобетонных смесей;

- предложить теоретические рекомендации по расчетному определению физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов в любом возрасте и при любых параметрах активации;

разработать опытно-промышленную установку, выполнить производственные испытания способа активации пенобетонных смесей переменным электрическим полем.

Объект исследования — активированные малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетоны и изделия из них.

Предмет исследования — новые способ и технология малоэнергоемкой активации переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонных смесей и изделий из них.

Методы исследований - технологические, численные и экспериментальные, математического и физического моделирования, анализа размерностей, математической статистики.

Достоверность разработанных технологических рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки численных и экспериментальных исследований автора и других исследователей.

Научная новизна работы:

- предложен способ регулирования свойств и структурообразования пено-и фибропенобетонных смесей и бетонов активированием их малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием;

- проведены широкомасштабные экспериментальные и численные исследования физико-механических и конструктивных характеристик, а также и структурообразования пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью 0500 с процентом фибрового армирования синтетическими волокнами ц =4% с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, показавшие в возрасте 7, 28, 90, 365 суток лучшие характеристики и доказавшие эффективность предложенного способа;

- выявлены оптимальные параметры обработки пено- и фибропенобетонных смесей малоэнергоемким переменным электрическим полем;

- для определения физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных предложенным способом, в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия и в зависимости от возраста бетона, предложены расчетные формулы, определены значения их параметров и коэффициентов;

- для расчетного описания диаграмм «а - е» при сжатии и растяжении в любом возрасте пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, предложено использовать зависимость ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик;

выявлена взаимосвязь изменений характеристик и диаграмм деформирования при сжатии и растяжении пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, в различном возрасте;

- для проектирования определены и рекомендованы при надежности 0,95 значения нормативных и расчетных сопротивлений на сжатие и растяжение для предельных состояний первой Кь и Кь, и второй группы 11ь 5СГ и Г^Ь,5СГ пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью 0500 с ц = 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием;

- выявлены и разработаны предложения по расчетной оценке усадкн и ползучести пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью Э500 с ц = 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием;

- разработана и внедрена заводская технология производства стеновых блоков из теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, обоснована ее техническая и рассчитана экономическая эффективность, налажен серийный выпуск изделий на производственном предприятии.

Практическая ценность и внедрение результатов работы:

издан Стандарт предприятия «Блоки стеновые пено- и фибропенобетонные, активированные малоэнергоемким электрическим воздействием» (ЗАО «ЗЖБК», Ростов н/Д, 2013г.);

- налажен серийный выпуск блоков стеновых пено- и фибропенобетонных, активированных малоэнергоемким электрополем (ЗАО «ЗЖБК», Ростов н/Д);

- внедрение новых стеновых пено- и фибропенобетонных блоков при строительстве свыше 10 реальных объектов в ЮФО;

- внедрение результатов в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Воронежском государственном архитектурно-

строительном университете, Кабардино-Балкарских государственном университете и государственной аграрной академии.

На защиту выносятся:

- разработанные лабораторный способ и заводская технология активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонных смесей и изделий из них;

- результаты численных исследований работы активированных пено- и фибропенобетонов;

- результаты экспериментальных исследований физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов;

- выявленные наиболее эффективные величины параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия;

- рекомендации по расчетному определению физико-механических и конструктивных характеристик активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонов, основанные на анализе сходимости численных и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях «Строительство-2010...2013» (Ростов н/Д, РГСУ, 2010...2013гг.), 40...42 научно-технической конференции СевКавГТУ (Ставрополь, 2011 ...2013гг.), 1...Ш академических чтениях ЮРО РААСН по строительным наукам (Кисловодск, ЮРО РААСН, 2010...2012гг.)

Публикации. Основные результаты опубликованы в 15 работах, включая 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ и 9 статей в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 180 стр. состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 136 страниц машинописного текста, 34 рисунка, 29 таблиц, библиографический список из 151 наименования и 5 страниц приложений.

Автор выражает глубокую благодарность за огромную помощь и ценные консультации Юрию Ивановичу Гольцову, кандидату физико-математических наук, доценту кафедры физики и светлой памяти Геннадия Алексеевича Ткаченко, кандидата технических наук, профессора, заведующего кафедрой технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики Ростовского государственного строительного университета, под руководством которого начиналась работа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, приводятся цель и задачи работы, описываются объект, предмет и методы исследований,

6

достоверность результатов, научная новизна, практическая ценность и внедрение результатов, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе проводится анализ проблемы и существующих исследований по теме работы, формулируются цель и задачи исследования.

Электрическим методам воздействия в технологии бетона посвящены исследования С.Г. Головнева, Б.В. Крылова, А.И. Ли, С.А. Миронова (электропрогрев), А.Н. Плугина (высокочастотные токи), В.И. Верещагина (активация дисперсных материалов в коронном разряде), А.И. Бережного, А.И. Кудякова, Л.А. Юткина (активация смесей электрическими импульсами) и др.

Исследованию влияния электрических полей, в том числе в разрядах, на твердение и свойства вяжущих веществ посвящены работы А.Д. Булата, В.И. Верещагина, Г.Н. Гаврилова, Н.П. Горленко, С.А. Еремина, В.А. Матвиенко, Саркисова Ю.С. и др.

Исследования в области высоковольтной импульсной активации цементных бетонов проводили С.Н. Берштейн, Т.Н. Майборода, Б.Г.Рясный, А.И. Савенков, Ю.М. Страхов и др.

В технологии ячеистых бетонов применение электрофизических методов активации изучали A.A. Малодушев, В.Т. Мальцев, Н.В. Мальцев, В.А. Невский, Г.А. Ткаченко и др.

Обширные исследования теоретических и экспериментальных основ технологии и структурообразования фибропенобетонов проводили Г.А. Айрапетов, М.М. Батдалов, П.Г. Комохов, И.А. Лобанов, Л.В. Моргун, Г.В. Несветаев, В.Т. Перцев, Г.П. Сахаров и др.

Во втором главе проводятся экспериментальные исследования физпко-механнческих свойств псно- и фнбропенобетонов, активированных малоэнсргоемкпм переменным электрическим полем.

Рассматриваются идея, сущность и теоретическое обоснование предлагаемого способа регулирования структурообразования и свойств пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.

Известно, что частицы цемента и минерального заполнителя, в частности кварцевого песка, имеют поверхностный электрический заряд. В начальный период гидратации цементных частиц и возникновения коагуляционных контактов твёрдые заряженные частицы в жидкой среде находятся во «взвешенном» равновесном состоянии с фиксацией преимущественно в положениях дальнего энергетического минимума. Возникающим периодическим механическим воздействием, создаваемым переменным электрическим полем, эти частицы вместе с их сольватными оболочками приводятся в колебательное движение. Тогда случайные непрочные структурные связи в смеси будут

7

разрушаться, что вызовет ее тиксотропное разжижение в микрообъёмах и будет способствовать более плотной упаковке частиц инертных компонентов в материале межпоровой перегородки.

Преимуществом предлагаемого метода является подведение энергии колебаний непосредственно к зёрнам заполнителя без воздействия на макропоры в структуре пенобетонной смеси.

В фибропенобетоне добавляется еще влияние армирующих его фибр. Синтетические волокна также обладают некоторым поверхностным электрическим зарядом и потому в переменном электрическом поле они также будут совершать вынужденные колебания. Но учитывая отличия геометрии фибр от геометрии частиц заполнителя, колебания и перемещения фибр и частиц под воздействием переменного электрического поля будут существенно различаться между собой. При этом надо учитывать и направление силовых линий электрического поля, так как это оказывает влияние на итоговое пространственное расположение волокон в материале после воздействия.

В целом же, фибра оказывает демпфирующее влияние на твердые частицы песка при колебательном движении всей системы бетонной смеси. Это имеет большое значение для предотвращения разрушения структуры при критических значениях параметров электроактивации. И фибровое армирование еще более повышает эффективность электрофизического воздействия и еще более улучшает прочностные характеристики материала.

Рассмотрим теперь теоретическое обоснование предложенного технологического способа. Пусть ячеистая бетонная смесь находится между плоскими электродами, расположенными на расстоянии / друг от друга и к ним приложено переменное электрическое напряжение f/ = t/0 cos со/. Пусть также величина заряда зерна заполнителя пенобетонной смеси равна q, а его масса т.

Тогда в переменном электрическом поле Е = Е0 coscot, где Еи = ~ —

амплитуда электрического поля в объёме материала, на зерно будет действовать сила F(t) = /■;,cos«/, где F„ =qE0. Так как зерно находится в слабовязкой среде и окружено другими такими же зёрнами, то к нему будут приложены ещё квазиупругая сила Fv=kx, где х — смещение частицы из положения равновесия, и сила сопротивления Fc=rv, где v - скорость частицы, а г - коэффициент сопротивления среды. В установившемся режиме зерно заполнителя будет совершать вынужденные гармонические колебания с амплитудой:

чЛ

Для поддержания вынужденных колебаний в системе с вязким трением должна быть затрачена определённая мощность, поглощаемая бетонной смесью при электровиброобработке. Назовем ее мощностью потерь, так как она расходуется на преодоление сил сопротивления среды при колебаниях частиц заполнителя и, в конечном счете, превращается в тепло.

Средняя мощность потерь в бетонной смеси объёмом V с концентрацией частиц заполнителя п:

пгд1ио(о2У

2тг1'

(га02-ю2)+ —

(2)

равна электрической мощности, потребляемой от генератора переменного напряжения: Р„=^ио!м, где 1а0 - амплитуда активной составляющей тока,

протекающего через бетонную смесь:

l1rq20}2VU<¡

/.,„ = -

тЧ

к-®2)

Г О) +——

(3)

т

Очевидно, что поглощение энергии бетонной смесью будет иметь резонансный характер, а зависимость Ia0 от круговой частоты со должна иметь максимум при со = со0. Именно в этом случае режим электровиброобработки будет наиболее эффективным, и именно его параметры и должны быть установлены для достижения максимальной эффективности предлагаемого нового технологического способа - регулирования структурообразования и свойств ячеистых бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.

Характеристики исходных материалов. В качестве исследуемых бетонов были избраны пено- и фибропенобетоны с синтетическими фибрами.

В качестве вяжущего применяли бездобавочный портландцемент ЦЕМ I 42,5Н холдинга «Евроцемент груп» по ГОСТ 31108-2003, соответствующий ПЦ 400-Д0 по ГОСТ 10178-85. В качестве заполнителя использовали тонкомолотый кварцевый песок фракции 0,16-0,315 мм. Свойства его определяли по ГОСТ 8735-88 (2001) и ГОСТ 8736-93 (2001). В качестве пенообразователя применяли Centripor SK 120 плотностью 1,03 г/см3 с кратностью пены от 12 до 20 (ГОСТ 24211-2003, ГОСТ 30459-2003, DIN EN ISO 9001). В качестве фибр использовали синтетические волокна (полипропиленовая фибра) «Росфибра».

Программа экспериментальных исследований физико-механических свойств активированных пено- и фибропенобетонов включала изучение:

прочности при сжатии; средней плотности; отпускной влажности; сорбционной влажности при относительной влажности воздуха 75% и 97%; теплопроводности; паропроницаемости.

Было изготовлено и испытано всего 3520 опытных кубов из пено- и фибропенобетона проектной плотностью 0500, проектного класса В1 размером 7,07x7,07x7,07см, 528 пено- и фибропенобетонных пластин размером 25x25x4см и 528 пластин размером 10x10x3см. В опытах варьировались:

- напряженность электрического поля - 0; 1,5; 3; 4,5; 6; 7,5; 9; 10,5 В/см;

- частота переменного электрического тока - 0; 5; 25; 50; 100; 200 кГц;

- длительность воздействия — 0; 1; 2; 3; 5; 15мин.

В опытах использован рациональный состав бетона, подобранный Е.М.Щербанем при участии автора на основании совместных исследований и включающий следующую дозировку компонентов Ц:В:П:ПО =1:0,3:0,64:0,015=350 кг/м3:105 кг/м3:223 л/м3:5,25 л/м3.

Принятые в исследованиях параметры бетонных смесей: водотвердое отношение -В/Т= 0,49; соотношение песка и цемента П/Ц = 0,3; содержание пенообразователя 5,25 кг/м3; процент армирования синтетическими фибрами 4% (для фибропенобетона).

Приготовленная смесь выливалась в формы из диэлектрического материала с плоскими металлическими электродами на двух противоположных боковых сторонах форм, по 5 ячеек каждая со стороной ячейки 7,07см и 4 металлические формы по 3 ячейки со стороной, равной 7,07см. Электроды подсоединяли к генератору переменного электрического напряжения ГЗ-109.

Обработку смесей электрическим полем проводили с от 0 до 75 В (0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 75), частотой от 0 до 200 кГц (0; 5; 25; 50; 100; 200) и длительностью от 0 до 15 мин (0; 1; 2; 3; 5; 15) сразу после укладки. Одновременно изготавливались контрольные образцы - кубы и пластины из необработанной электрическим полем бетонной смеси. Все образцы твердели в нормальных условиях, через 3 суток их распалубливали.

Методики испытаний образцов. Основные свойства пено- и фибропено-бетонов - как активированных, так и обычных - определяли путём испытания опытных образцов или их фрагментов по методикам соответствующих нормативных документов на поверенном оборудовании.

Прочность при сжатии определялась по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», средняя плотность

- по ГОСТ 12730.1-78 «Бетоны. Методы определения плотности».

Отпускная влажность определялась по ГОСТ 12730.2 «Бетоны. Методы определения влажности», сорбциопная влажность - по ГОСТ 24816-81 «Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности».

Теплопроводность определялась по ГОСТ 7076-99, отбор проб - по ГОСТ 10180 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном режиме».

Паропроницаемость определяли по ГОСТ 25898-83 «Материалы и изделия строительные методы определения сопротивления паропроницанию».

Анализ результатов исследований позволил выявить примерный диапазон оптимальных параметров малоэнергоемкой активации бетонных смесей переменным электрическим полем, при котором влияние его на изменение физико-механических характеристик было максимальным.

Так, значение напряженности было вблизи значения 3 В/см, частоты - в районе 50 кГц и времени воздействия - в диапазоне примерно 1 мин.

Все приведенные значения величин напряженности, частоты и времени воздействия, в связи с изменением в наших основных исследованиях варьируемых факторов в достаточно широких пределах и с довольно большим шагом, являются приблизительными и нуждались в уточнении.

Дополнительные экспериментальные исследования включали изготовление и испытание 280 кубов и 168 пластин.

В дополнение к уже выявленным значениям параметров воздействия, варьировались уточняющие их значения: напряженность - 2,5; 3 и 3,5 В/см; частота-40; 50 и 60 кГц; время -0,5; 1 и 1,5 мин

Выявление рациональных режимов малоэнергоемкого электрофизического воздействия на пепо- и фибропенобетонные смеси и бетоны.

По результатам анализа отметим, что наиболее максимальное положительное влияние электроактивация оказывает на прочность, среднюю плотность, теплопроводность и паропроницаемость. Выявлено влияние активации и на сорбционную влажность материалов. Однако отпускная влажность не изменяется столь же существенно в соответствии с какой-либо ярко выраженной закономерностью при активации электрическим полем.

Экспериментально подтверждена гипотеза о возможности управления свойствами активированных пено- и фибропенобетонов путем изменения параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия -напряженности, частоты и времени активации.

Анализ полученных результатов позволили уточнить оптимальный диапазон изменения параметров малоэнергоемкой активации пено- и фибропенобетонных смесей электрическим полем: напряженность 3±0,5 В/см; частота 50±10 кГц; время воздействия 1±0,5 мин.

11

Особенности структурообразования пен о- и фибропенобетонов при активации их малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием. Анализ фотографий микроструктур, полученных при помощи микроскопа с 200-кратным увеличением показал полидисперсность пор. Поры меньшего диаметра располагаются между более крупными. Отмечается сниженная микропористость перегородок в активированных пено- и фибропенобетонах по сравнению с неактивированными. Заметно уменьшение толщины межпоровых перегородок в активированных бетонах за счет более плотной упаковки твердых частиц. Вследствие этого в материале наблюдается увеличение объема макропор, форма которых близка к шаровидной.

В целом, можно сделать вывод, что характер пористости и их основные свойства могут изменяться за счет применения малоэнергоемкой активации бетонов переменным электрическим полем. Можно также считать доказанной возможность регулирования физико-механических свойств и структурообразования пено- и фибропенобетонов предложенным способом активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.

В третьей главе проводятся исследования конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием. К ним отнесем их прочности и предельные деформации на осевое сжатие и осевое растяжение, модули упругости и диаграммы «напряжения-деформации», а также коэффициент конструктивного качества, усадку и ползучесть.

Программа и методика экспериментальных исследований включали испытания на осевое сжатие и растяжение 72 опытных образцов из пено- и фибропенобетона, обычных и активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием. В опытах варьировались: -технология приготовления - обычная, активированная малоэнергоемким

переменным электрофизическим воздействием;

- вид НДС - осевое сжатие, осевое растяжение;

-вид образцов - призмы 10x10x40см, восьмерки 10x10x70см;

- возраст бетона - 7, 28, 90 и 365 суток;

- режим испытаний - с постоянной скоростью нагружения и деформирования.

В качестве исходных материалов принимались пено- и фибропенобетон класса В1, плотностью 0500 и синтетические волокна с ц = 4%.

В экспериментах использовалось тензометрическое и осциллографическое оборудование, позволившее получить не только прочностные и деформативные характеристики бетонов, но и их полные диаграммы деформирования «напряжения-деформации» при сжатии и растяжении.

Анализ конструктивных характеристик активированных нено- и фнброненобетонов. Прочность на осевое сжатие у пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, была в любом возрасте выше, чем у пено- и фибропенобетонов, изготовленных по обычной технологии. В 7 сут.разница составила 22,4% и 30,5% в среднем соответственно, к 28 сут,- соответственно 20,7% и 28,9%, к 90 сут- 20,9% и 25,7% соответственно и на 365 сут. - 20% и 30,2% соответственно. Прочность на осевое растяжение — здесь в возрасте 7 сут. отклонения составляли 25% и 28,1%, 28 суток - 22% и 30,2%, к 90 сут. - 21,9% и 28,8% соответственно и на 365 сут. - 23,5% и 32,8% соответственно.

Причиной повышения прочности активированных бетонов по сравнению с обычными в любом возрасте являлось электрофизическое воздействие, позволившее сделать кластерообразование в них более равномерным, а также более полно использовать прочностные качества фибр.

Превышение прочности активированных бетонов над прочностью обычных растет с увеличением возраста бетона вплоть до 365 сут., что объясняется упорядочением продолжающихся процессов гидратации в цементном камне в течение всего этого периода.

Предельные деформации (соответствующие максимальной прочности) как при осевом сжатии, так и при осевом растяжении и растяжении при изгибе демонстрировали обратную картину - у активированных по сравнению с обычными они снижались во все возрасты: на 20% и 25% - в возрасте 7 сут., на 27% и 21,4% - в 28 сут., 26,3% и 25% - на 90 сут. и 25% и 25% - на 365 сут. соответственно.

Модуль упругости при сжатии и растяжении у активированных пено- и фибропенобетонов во все сроки твердения был до 19,3...30,9% выше, чем у обычных. Это объяснялось повышением прочности и уменьшением предельных деформаций активированных пено- и фибропенобетонов, что смещало вверх и влево максимум диаграммы «напряжения-деформации».

Диаграммы деформирования «напряжения-деформации» при сжатии и при растяжении имеют особенности: максимум смещается вверх и влево; угол подъема в начале координат растет; увеличивается подъемистость диаграммы

В целом, при активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием становится возможным получение пено- и фибропенобетонов улучшенной структуры и с более высокими свойствами.

Коэффициент конструктивного качества представляет собой отношение прочности материала при сжатии к квадрату средней плотности:

ККК = -!% (4)

Р

13

и в активированных пено- и фибропенобетонах он выше, чем в обычных в связи с тем, что в них прочность бетонов повышается, а плотность - снижается.

Усадка и ползучесть активированных пено- и фибропенобетонов изучалась на 40 призмах 10x10x40 см, из которых по 10 - активированных и обычных, пено- и фибропенобетонных.

Измерение усадочных деформаций начиналось после распалубливания образцов с 3-х суточного возраста. Исследование деформаций ползучести начиналось с загружения призм в пружинных установках в возрасте 28 суток.

Из 10 изготовленных призм каждого вида образцов по 4 были поставлены для измерения усадки и по 6 - для измерения ползучести.

Усадка активированных пено- и фибропенобетонов оказалась на 35...40% и до 20% меньше, чем у обычных.

Деформации ползучести активированных пено- и фибропенобетонов оказались на 20,3% и 25,1% меньше, чем у обычных. Разница же мер ползучести обычных и активированных пено- и фибропенобетонов при одинаковом сжимающем напряжении достигает 33% и 45%.

Значительно меньшие усадка и ползучесть пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, при прочих равных условиях дают возможность получать теплоизоляционные бетоны с лучшими конструктивными характеристиками.

В четвертой главе разрабатываются предложения по расчетной оценке фпзнко-мехпнических и конструктивных характеристик и диаграмм деформировяннл активированных пено- и фибропенобетонов.

Сначала разрабатываются рекомендации по расчетному определению физико-механических характеристик суток активированных пено- и фибропенобетонов в возрасте 28 в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия - с помощью регрессионных зависимостей, вид и значения коэффициентов которых определяется методами математического планирования эксперимента:

р1=Ьо+Ь1х( 1 +Ь2Х+Ьзу+Ь4г)+Ь5у( 1 +Ьбу+Ь7г)+Ь82( Ц-Ьг) (5)

В качестве функций здесь приняты параметры, учитывающие изменение исследованных физико-механических характеристик пено- и фибропенобетонов при малоэнергоемком переменном электрофизическом воздействии (прочность при сжатии, средняя плотность, отпускная влажность, сорбг/иоиная влажность при относительной влажности воздуха 75% и 97%, теплопроводность, паропротщаемость).

В качестве же аргументов х, у, ъ приняты параметры малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия (напряженность, частота и время действия) в абсолютных показателях.

14

Для решения поставленной задачи был выбран план Бокса-Бенкина ВЗ. Расчет коэффициентов уравнений регрессии был проведен с использованием программы MS Excel. Проводилась оценка значимости коэффициентов уравнения и адекватности полученных моделей.

В результате получены значения коэффициентов Ь регрессионных зависимостей (5) для указанных физико-механических характеристик пено- и фибропенобетонов при обработке малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, приведенные в работе.

Сопоставление опытных и теоретических характеристик, определенных по зависимостям (5) с найденными значениями коэффициентов Ь, показало их хорошую сходимость. Коэффициенты множественной корреляции составили для прочности при сжатии, средней плотности, отпускной влажности, сорбционной влажности при относительной влажности воздуха 75% и 97%, теплопроводности и паропроницаемости соответственно 0,995; 0,993; 0,991; 0,996; 0,995; 0,991 и 0,99. Это свидетельствует о высокой тесноте корреляционной связи и надежности предлагаемых расчетных рекомендаций.

Далее разрабатываются предложения по расчетной оценке конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов в возрасте 28 суток в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия.

В целях единообразия расчетных зависимостей изменение конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов предлагается учитывать также с помощью тех же регрессионных зависимостей (5), коэффициенты которых определяется методами математического планирования эксперимента.

На этот раз в них в качестве функций F приняты параметры, учитывающие изменение конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов при активации (прочность на осевое сжатие, предельные деформации при осевом сжатии, соответствующие максимальной прочности, прочности на осевое растяжение, предельные деформации при осевом растяжении, соответствующие максимальной прочности, начальный модуль упругости при осевом сжатии/растяжении).

В качестве же аргументов х, у, z приняты те же параметры малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия (напряженность, частота и время действия) в абсолютных показателях.

Значения коэффициентов bi зависимостей (5) для различных конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов при малоэнергоемком переменном электрофизическом воздействием приведены в работе.

Сопоставление опытных и теоретических характеристик, определенных по зависимостям (5) с подставленными значениями коэффициентов Ь*, показало их хорошую сходимость. Коэффициенты множественной корреляции составили для прочности на осевое сжатие, предельных деформаций при осевом сжатии, прочности на осевое растяжение, предельные деформаций при осевом растяжении, начального модуля упругости при осевом сжатии/растяжении соответственно 0,993; 0,992; 0,941; 0,99 и 0,991. Это свидетельствует о высокой тесноте корреляционной связи и надежности предлагаемых рекомендаций.

Оговоримся, что приведенные рекомендации были сделаны нами для физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированным малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием в возрасте 28 суток. Аналогичные расчеты можно было провести и для характеристик активированных пено- и фибропенобетонов и в любом другом исследованном нами возрасте, но для учета изменения их во времени нами был избран другой подход, приведенный ниже.

Рекомендации по определению физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов в зависимости от возраста бетона. Нами уже определены конкретные значения рациональных величин параметров электрофизического воздействия (напряженность - ЗВ/см, частота - 50кГц, время воздействия - 1 мин.), при которых изменение физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов наиболее велико и благоприятно для их дальнейшей работы в конструкциях.

Поэтому имеет смысл разработать рекомендации по определению физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов в зависимости от возраста именно для выявленных наиболее рациональных величин напряженности, частоты и времени малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия, при которых изменение характеристик бетонов дает наилучшие результаты.

Рекомендации по оценке изменения физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов при наиболее рациональных значениях параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия в зависимости от возраста бетона предлагаются в виде:

К =/(0, (6)

где К - коэффициент, равный отношению той или иной из физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов к ее базовому значению, за которую принимается ее величина в возрасте 28 суток; Г- соответствующая функция; I - возраст.

16

За единую базовую функцию / (1) в формуле (6) примем зависимость П. Сарджина (рекомендованную ЕКБ-ФИП для диаграмм «<у-е » бетона):

где XR, Yr - координаты максимума функции (7); К - управляющий параметр.

В качестве функции Y/YR в функции (7) выступают приращения физико-механических (прочность при сэ/сатии, средняя плотность, отпускная влажность, сорбг/ионная влажность при относительной влажности воздуха 75% и 97%, теплопроводность, паропротщаемость) и конструктивных характеристик (прочность, деформатнвность и начальный модуль упругости при сжатии и растяжении) пено- или фибропенобетонов, а в качестве аргумента X/XR - относительный возраст бетонов t/28.

Статистической обработкой определены значения значений параметров К зависимости (7) для всех физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов в любом возрасте.

Анализ показал хорошую сходимость разработанных теоретических рекомендаций с экспериментальными результатами.

Рекомендации по описанию диаграмм деформирования «а-е » при сжатии и растяжении активированных пено- и фибропенобетонов в различные сроки твердения и их взаимосвязь. Одной из наиболее популярных функций для описания диаграмм «а-Е » бетона является функция П. Сарджина, рекомендованная ЕКБ-ФИП:

где Ли Ек - максимальная прочность и соответствующие ей деформации на сжатие или растяжение; К=ЕцЕ/Я - параметр, равный отношению начального модуля упругости к предельному в момент достижения максимума Я ; Ец.

В целях единообразия применим единые функции (7)-(8) и для описания диаграмм деформирования активированных пено- и фибропенобетонов в различные сроки твердения при сжатии и растяжении, при различных значениях параметров малоэнергоемкого электрофизического воздействия.

Для этого сначала определяется изменение прочностных 4/?Л и ЛЯЬ, и деформативных Леш, АЕь АЕ,л характеристик при сжатии и растяжении в заданном'возрасте - по зависимости (7) и коэффициентам Ь.

(7)

(8)

Затем производится аналитическое описание диаграмм «а-е» активированных пей о- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении в заданном возрасте - используется функция (8) с подстановкой в нее (Нь+ДПь); (е+Аеьц); АЕь и (Яы+ЛЯы); (еыя+Деып); ДЕы , а также параметра К:

к = + +А Еь) = (ем +Д£,„д )(£,., +Л£„) ™

Анализ показал хорошую сходимость опытных и расчетных результатов.

Взаимосвязь изменения диаграмм деформирования активированных пено- и фибропенобетонов при сжатии и растяжении обусловлена соотношением:

(10)

кь кы

тем самым диаграммы полагаются подобными.

Но анализ полученных нами опытных данных выявил и дополнительные факты взаимосвязи изменения диаграмм «а - е» при сжатии и растяжении активированных пено- и фибропенобетонов. Оказалось, что координаты максимумов диаграмм «<ть-еь» и «оьг£ы» при любом возрасте лежат на одной прямой, проходящей через начало координат графика. То есть, подобие диаграмм при сжатии и растяжении имеет место и для активированных пено- и фибропенобетонов в любые сроки твердения и при любых значениях параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия.

Нормативные и расчетные сопротивления активированных пено- и фибропенобетонов. Сразу оговоримся, что ввиду малой плотности и прочности пено- и фибропенобетоны, даже активированные, остаются лишь теплоизоляционными материалами и не являются конструкционными.

Тем не менее, определенный вклад в совместное сопротивление стеновых конструкций внешним нагрузкам они все-таки вносят, в особенности с учетом роста их характеристик в результате активирования, а потому определение их нормативных и расчетных сопротивлений все же представляет интерес.

По результатам статистической обработки многочисленных опытных данных были определены и рекомендованы значения нормативных сопротивлений сжатию и растяжению активированных пено- и фибропенобетонов при надежности 0,95, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы П.ь.жг и Кы.-кг- Расчетные же сопротивления для предельных состояний первой группы Я/, и Пы получали делением нормативных сопротивлений на коэффициенты надежности по ячеистому бетону при сжатии = 1,5 и при растяжении = 2,3. Все полученные значения приведены в работе.

Деформативность. При кратковременном нагружении обычных пено- и фибропенобетонов с ц=4% их предельную сжимаемость можно принимать

18

равной 260 10"5 и 350 10"5, а предельную растяжимость - 30 10"5 и 40 10"5. При кратковременном же нагружении активированных пено- и фибропенобетонов с тем же процентом фибрового армирования ц=4%, предельную сжимаемость и растяжимость активированных пено- и фибропенобетонов можно рекомендовать принимать сниженной на 20% по сравнению с обычными пено- и фибропенобетонами.

Предложения по расчетной оценке усадки и ползучести пено- и фибробетонов, активированных малоэнергоемким переменным

электрофизическим воздействием. Проведенные нами исследования позволили рекомендовать снизить расчетные значения усадочных деформаций для активированных пено- и фибропенобетоов по сравнению с обычными практически в 2 раза.

Мера линейной ползучести активированных пено- и фибропенобетонов оказалась в 1,5 раза меньше, чем в аналогичных неактивированных бетонах.

Анализ показал, что при аналогичных условиях усадка и ползучесть активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонов будут существенно ниже, чем в аналогичных обычных бетонах, что приведет к снижению деформативности и повышению трещиностойкости элементов из таких бетонов.

В пятой главе проводится разработка технологии промышленного производства пено- и фибропенобетонных изделий с активацией малоэнергоемким переменных электрическим полем.

Приводятся особенности предлагаемой технологии производства изделий. Разработка и внедрение технологии промышленного производства пено- и фибропенобетонных изделий, активированных малоэнергоемким электрическим полем, производилась на ЗАО «ЗЖБК» (г.Ростов-на-Дону). Был сформирован необходимый комплект нормативно-технической документации и система необходимого производственного оборудования из турбулентного смесителя СА 600/800, плунжерного насоса-дозатора НД 63/16, автоматического захвата, привода СМЖ-3005Б.

Для смесей использовались: бездобавочный портландцемент М400; синтетический пенообразователь «Центрипор»; песок кварцевый; вода водопроводная; полипропиленовая фибра «Росфибра».

Цемент доставляют к цеху автоцементовозом, песок - железнодорожным транспортом, пенообразователь и химдобавки - автотранспортом в бочках.

Дозирование цемента и песка осуществляется в весовом дозаторе ДЦ-500Д, растворов химических добавок и пенообразователя - насосом-дозатором.

Форма представляет собой поддон с разборными боковыми элементами на колесном ходу. Сборку элементов форм производят на поддонах, затем ее

19

смазывают с помощью удочки-распылителя, после чего она при помощи приводного конвейера транспортируется на пост формовки.

По разработанной технологической схеме производства в турбулентном смесителе по вертикальной схеме осуществляется производство бетонной смеси.

Сначала подают воду, затем в течение 10-15 секунд добавляют одновременно песок и цемент (для фибропенобетона - и фибру). После смешивания в течение 1 мин. подают пенообразователь и перемешивают в течение 4-5 мин. Обработку смеси электрическим полем проводят сразу после её укладки. Формы с активированной смесью перемещаются в камеру нормального твердения. Через 3 суток образцы извлекаются из форм и они продолжают твердеть в нормальных условиях до 28-суточного возраста. Распалубленная форма очищается пневмоскребком, смазывается удочкой-распылителем, собирается и вновь подается на пост формования. Готовые изделия на поддонах упаковываются в пленку и вывозятся на склад, откуда отправляются на объект.

Базовым изделием является блок стеновой пенобетонный В1 0500 размерами 20x30x60см по ГОСТ 21520-89(2003). При его изготовлении используется разработанные системы контроля и качества продукции, техники безопасности, охраны труда и окружающей среды.

Разработанная опытно-промышленная установка для электрической активации включает в себя генератор переменного напряжения, форму электроактивационную текстолитовую ФЭАТ, приборы для измерения электрических параметров при активации, соединительные провода, клеммы. Параметры активации: напряженность - 3 В/см; частота - 50 кГц; время - 1 мин

Выполнено обоснование технической эффективности предлагаемой технологии производства активированного пено- и фибропенобетона. Показано, что она позволяет снизить себестоимость продукции; получить теплоизоляционный пено- и фибропенобетон с улучшенными характеристиками без применения автоклавов; электрическим полем вибрационно воздействуя на смесь, уплотняет межпоровые перегородки без применения энергозатратной вибротехники; способствует ускоренному набору прочности и дает возможность избежать тепловлажностной обработки; позволяет сократить численность и расходы на зарплату персонала; имеет малые энергетические затраты; за счет повышения прочностных и теплоизоляционных свойств дает возможность изготовления блоков меньшей толщины, что ведет к экономии сырья; дает материал с улучшенными характеристиками и большим спросом на рынке стройматериалов и изделий, что обеспечивает окупаемость проекта и технологии.

Проведен расчет экономической эффективности предлагаемой технологии. Сравнение технико-экономических показателей технологий производства - обычной и с малоэнергоемкой активацией бетонных смесей и

20

анализ экономической эффективности проводились по следующим показателям: годовая прибыль с учетом НДС - 3903000 руб. и 4950000 руб.; срок окупаемости - 0,024 года, рентабельность продукции - 26% и 35%. Сравнение экономических показателей выявило, что предлагаемая технология экономически эффективна.

Внедрение промышленной установки ЭАФПБ позволило производить пено- и фибропенобетонные блоки с улучшенными характеристиками в условиях строительной площадки, не затрачивая времени и средств на транспортировку.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены идея, сущность и теоретическое обоснование способа регулирования структурообразования и свойств пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, разработана методика его реализации в лабораторных условиях.

2. Доказана возможность регулирования и управления физико-механическими свойствами и структурообразованием пено- и фибропенобетонов предлагаемым способом активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием и влиянием его на характер пористости и уплотнение межпоровых перегородок.

3. Экспериментально выявлены оптимальные режимы малоэнергоемкой обработки пено- и фибропенобетонных смесей переменным электрическим полем.

4. Проведенные широкомасштабные экспериментальные исследования физико-механических характеристик и структурообразования пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью Э500 с процентом фибрового армирования синтетическими волокнами 4% по обычной технологии и с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием доказали высокую эффективность последнего и показали, что:

- прочность при сжатии - увеличилась на 19% и 21,6%;

- средняя плотность снизилась на 1,9% и 2,5%;

- отпускная влажность заметно не изменилась;

- сорбционная влажность при относительной влажности воздуха 75% и

97% снизилась соответственно на 7,4% и 9,5% и на 1,7% и 6,8%;

- теплопроводность снизилась на 25% и 12%;

- паропроницаемость увеличилась на 9% и 12%.

5. Проведенные экспериментальные исследования конструктивных характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов класса Ble процентом фибрового армирования синтетическими волокнами 4% в возрасте 7, 28, 90, 365 суток по обычной технологии и с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием выявили, что по сравнению с по обычной технологией во все исследованные сроки твердения:

- прочность на осевое сжатие и на осевое растяжение увеличивается

(в 28 суток - 20,7 и 22% у пенобетонов, 28,9 и 30,2% у фибропенобетонов);

- предельные деформации при осевом сжатии и осевом растяжении уменьшаются (в 28 суток - 27 и 21,4% соответственно);

- модуль упругости при осевом сжатии и осевом растяжении растет - до 19,3 и 30,9% соответственно).

- у диаграмм деформирования «напряжения-деформации» - максимум смещается вверх и влево; угол подъема в начале координат растет; увеличивается подъем истость в восходящей ветви.

6. Выявлено, что изменение как физико-механических, так и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных по предложенному способу малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, стабилизируется к возрасту 365 суток, но все же продолжает еще несколько расти.

7. Для расчетного определения физико-механических и конструктивных характеристик активированных по предложенному способу пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия, предложены регрессионные формулы, вид и значения коэффициентов которых определены методами математического планирования эксперимента.

8. Предложены расчетные зависимости для определения физико-механических и конструктивных характеристик активированных по предложенному способу пено- и фибропенобетонов в зависимости от возраста от 7 до 365 суток, определены их параметры и коэффициенты.

9. По результатам статистической обработки опытных данных при надежности 0,95 для применения при проектировании определены и рекомендованы значения нормативных и расчетных сопротивлений на сжатие и растяжение, для предельных состояний первой Rb и Rbt и второй группы Rb ser и Rbt.ser для пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью D500 с процентом фибрового армирования 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.

10. Для расчетного описания диаграмм деформирования «напряжения-деформации» в любом возрасте при сжатии и растяжении пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью D500 с процентом фибрового армирования 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием с любыми его параметрами предложено использовать зависимость ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик.

11. Выявлена взаимосвязь изменений прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования при осевом сжатии и растяжении пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью D500 с процентом фибрового армирования 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, в различном возрасте. Предложена расчетная формула для описания этой взаимосвязи, имеющая в целях единообразия, одинаковый вид и структуру с расчетными рекомендациями для определения характеристик пено- и фибропенобетонов и их диаграмм деформирования.

12. Выявлены и разработаны предложения по расчетной оценке особенностей усадки и ползучести пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью D500 с процентом фибрового армирования 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.

13. Разработана и внедрена заводская технология производства стеновых блоков из теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, обоснована ее техническая и рассчитана экономическая эффективность, налажен серийный выпуск изделий на ЗАО «ЗЖБК» г.Ростова-на-Дону.

14. Разработана технология получения активированных пено- и фибропенобетонов в условиях стройплощадки для возведения стеновых конструкций из них.

Основные результаты отражены в 15 опубликованных работах:

- в 5 рекомендованных ВАК изданиях:

1. Щербань Е.М., Ткаченко Г.А., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А. О влиянии обработки пенобетонной смеси переменным электрическим полем на свойства пенобетонов // Интернет-журнал «Современные проблемы науки и образования», 2012, №1. - http:// www.science-education.ru/101-5445 (личный вклад - 45%).

2. Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А., Стельмах С.А. Рецептурно-технологические факторы и их роль в формировании свойств пенобетонов,

23

полученных из смесей, обработанных переменным электрическим полем // Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - http:// www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/899 (45%).

3. Гольцов Ю.И., Щербань Е.М., Стельмах С.А., Явруян Х.С. Обработка пенобетонной смеси переменным электрическим полем как фактор улучшения конструкционных свойств пенобетонов // «Науковедение», 2012, №4. - http:// naukovedenie.ru/PDF/1 lrgsu412.pdf (45%).

4. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Серебряная И.А., Гольцов Ю.И., Явруян Х.С. Оптимизация факторов, влияющих на эффективность обработки пенобетонных смесей воздействием переменного электрического поля // Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. - http:// www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2198 (40%).

5. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Явруян Х.С. Эффективность электрофизической активации пенобетонных смесей // Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2014, №1. - http:// www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2193 (45%).

-в 1 патенте РФ:

Гольцов Ю.И., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Явруян Х.С. Способ изготовления строительных изделий из пенобетона. -в 9 других изданиях:

1. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А. Электрофизический метод регулирования структурообразования в пенобетонах // «Строительство-2009». Матер, межд. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2009. - С. 40-41. (45%).

2. Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А., Греков Р.В., Щербань Е.М., Стельмах С.А. Электровиброобработка пенобетонной смеси, теоретические основы и технологические аспекты // «Строительство-2010». Матер, межд. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2010. - С. 11-14. (40%).

3. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Гольцов Ю.И. О влиянии некоторых рецептурно-технологических факторов на свойства пенобетонов, обработанных переменным электрическим полем // «Строительство-2011». Матер, межд. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2011. - С. 49-51. (45%).

4. Щербань Е.М., Стельмах С.А. Влияние длительности электровиброобработки на значение коэффициента конструктивного качества пенобетона // «Известия вузов», 2012, №16. - С. 143-144. (40%).

5. Стельмах С.А., Щербань Е.М. Влияние вида цемента на свойства пенобетонов, обработанных переменным электрическим полем // «Известия вузов», 2013, №17.-С. 147-148.(60%).

6. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Гольцов Ю.И., Ткаченко Г.А. О структуре пенобетонов, обработанных переменным электрическим полем // «Строительство-2012». Матер, междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2012.-С. 103-105. (40%).

7. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Ткаченко Г.А., Гольцов Ю.И. Влияние вида и гранулометрии наполнителя на свойства пенобетонов, обработанных переменным электрическим полем // «Строительство-2012». Матер, междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2012. - С. 101-103. (40%).

8. Щербань Е.М., Гольцов Ю.И., Стельмах С.А., Явруян Х.С. Об эффективности воздействия переменного электрического поля на пенобетонные смеси с заполнителем различной гранулометрии // «Строительство-2013». Матер, междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2013. - С. 70-71. (45%).

9. Стельмах С.А., Гольцов Ю.И., Щербань Е.М., Явруян Х.С. Влияние величины напряженности электрического поля при электровиброобработке пенобетонных смесей на физико-механические свойства пенобетонов // «Строительство-2013». Матер, междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д, РГСУ, 2013. - С. 72-73. (45%).

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3358. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

042014552 ¿8 На правах рукописи

СТЕЛЬМАХ Сергей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАЛОЭНЕРГОЕМКИХ ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА СВОЙСТВА АКТИВИРОВАННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЕНО- И ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.08 — Технология и организация строительства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный строитель Российской Федерации,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Л.Р. Маилян Научный консультант: кандидат технических наук, доцент А.Л. Маилян

Ростов-на-Дону - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................6

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................12

1.1 Существующие способы электрофизического воздействия в технологии цементных бетонов...........................................................................12

1.1.1 Электротермическое воздействие на бетоны и бетонные смеси..........13

1.1.2 Электромагнитная активация компонентов бетонной смеси.............16

1.2 Ячеистые бетоны как объект исследования.........................................28

1.3 Способы и возможности электрофизической активации в технологии ячеистых бетонов.............................................................................32

1.4 Армирование пенобетонов дисперсными волокнами как фактор улучшения характеристик материала...................................................................35

1.5 Цель и задачи исследований...........................................................38

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРО-ОБРАЗОВАНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕНО- И ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ, АКТИВИРОВАННЫХ МАЛОЭНЕРГОЕМКИМ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ......................40

2.1 Идея, сущность и теоретическое обоснование предлагаемого способа регулирования структурообразования и свойств пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.........................................................40

2.2 Характеристики исходных материалов..............................................43

2.3 Программа экспериментальных исследований физико-механических свойств активированных пено- и фибропенобетонов.................................45

2.4 Особенности изготовления пено- и фибропенобетонных смесей и опытных образцов из них...............................................................51

2.5 Методики испытаний опытных образцов...........................................53

2.6 Анализ результатов экспериментальных исследований..........................55

2.7 Дополнительные экспериментальные исследования и анализ полученных результатов....................................................................................68

2.8 Выявление рациональных режимов малоэнергоемкого электрофизического воздействия на пено- и фибропенобетонные смеси и бетоны.......................73

2.9 Особенности структурообразования пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов при активации их малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием..................................................................................83

2.10 Выводы по главе 2......................................................................86

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНО- И ФИБРОПЕНОБЕТОНОВ, АКТИВИРОВАННЫХ МАЛОЭНЕРГОЕМКИМ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ............................................................88

3.1 Основные конструктивные характеристики пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием..................................................................................88

3.2 Программа и методика экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.........................................................88

3.3 Особенности методики испытаний опытных образцов..........................89

3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования активированных пено- и фибропенобетонов..................................................................93

3.4.1 Прочность...........................................................................93

3.4.2 Предельные деформации.........................................................98

3.4.3 Модуль упругости.................................................................99

3.4.4 Диаграммы «напряжения-деформации»......................................99

3.5 Коэффициент конструктивного качества активированных пено- и фибропенобетонов..........................................................................100

3.6 Усадка и ползучесть активированных пено- и фибропенобетонов..........102

3.6.1 Общая постановка исследований усадки и ползучести..................102

3.6.2 Особенности методики экспериментальных исследований............104

3.6.3 Анализ результатов исследований усадки и ползучести.................106

3.7 Выводы по главе 3......................................................................109

4 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПЕНО- И ФИБРОПЕНО-БЕТОНОВ, АКТИВИРОВАННЫХ МАЛО ЭНЕРГОЕМКИМ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ...................................111

4.1 Рекомендации по расчетному определению физико-механических характеристик пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия...............111

4.2 Предложения по расчетной оценке конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия.......................................118

4.3 Нормативные и расчетные сопротивления пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.................................................................................122

4.4 Расчетное определение физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием в зависимости от возраста бетона..........................................................................................125

4.5 Рекомендации по аналитическому описанию диаграмм деформирования "напряжения-деформации" при сжатии и растяжении активированных пено- и фибропенобетонов в различные сроки твердения и их взаимосвязь..............129

4.6 Предложения по расчетной оценке усадки и ползучести пено- и фибробетона, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием........................................................131

4.7 Выводы по главе 4.......................................................................133

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПЕНО- И ФИБРОПЕНОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С АКТИВАЦИЕЙ МАЛОЭНЕРГОЕМКИМ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.......................................................................................135

5.1 Особенности предлагаемой технологии производства изделий из активированных теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов................135

5.1.1 Обеспеченность предприятия нормативно-технической документацией.................................................................135

5.1.2 Характеристика необходимого производственного оборудования. 137

5.1.3 Сырьевые материалы, их доставка, подготовка и хранение.........138

5.1.4 Дозирование компонентов и подготовка форм........................139

5.2 Технология производства пено- и фибропенобетонных изделий на предприятии с применением малоэнергоемкой электрофизической активации бетонных смесей.............................................................................139

5.3 Характеристика производимых стеновых блоков................................142

5.4 Контроль изготовления и качества продукции....................................143

5.5 Техника безопасности, охрана труда и окружающей среды....................146

5.6 Опытно-промышленная установка для электрической активации, ее схема и описание.......................................................................................151

5.7 Обоснование технической эффективности предлагаемой технологии производства неавтоклавного активированного пено- и фибропенобетона____153

5.8 Расчет экономической эффективности предлагаемой технологии производства активированного пено- и фибропенобетона..........................155

5.9 Разработка технологии получения активированных пено- и фибропенобетонов в условиях стройплощадки и возведения стеновых конструкций из них.........................................................................159

5.10 Выводы по главе 5.....................................................................162

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..................................................................163

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................167

Приложение. Документы о внедрении результатов исследований.........181

5

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современное материаловедение выдвигает в качестве основных задач создание новых и совершенствование существующих строительных материалов и технологий их производства.

К наиболее актуальным и прогрессивным строительным материалам относятся теплоизоляционные бетоны, среди которых выделяются пено- и фибропенобетоны — одни из самых массовых в практическом строительстве благодаря своим свойствам, экономичности, надежности и долговечности.

Их эффективность можно еще более повысить благодаря новым технологиям производства, в частности применением электротехнологий, в особенности малоэнергоемких. Пионерные исследования в этом направлении дают основания предположить, что при активации бетонных смесей малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием возможно получение теплоизоляционных бетонов с повышенными физико-механическими и конструктивными характеристиками.

Получение таких пено- и фибропенобетонов не только в лабораторных, но и в заводских условиях с возможностью расчетного определения всех их необходимых инженерных характеристик является актуальной и важной задачей, решение которой позволит расширить их внедрение в практику строительства, существенно повысив его эффективность.

Рабочая гипотеза. Улучшение физико-механических и конструктивных свойств пено- и фибропенобетона вследствие обработки бетонных смесей малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием и получения более плотной упаковки частиц инертных компонентов в межпоровых перегородках в результате создаваемого электрическим полем периодического механического воздействия на электрически заряженные зёрна заполнителя, начинающих колебательные движения вместе с сольватными оболочками, разрушая случайные непрочные структурные связи в бетонной смеси и вызывая её тиксотропное разжижение в микрообъёмах.

Цель диссертационной работы - разработка лабораторного способа и заводской технологии активации пено- и фибропенобетонных смесей малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, получение пено- и фибропенобетонов и изделий из них улучшенной структуры и с более высокими физико-механическими и конструктивными характеристиками, предложение теоретических рекомендаций по их расчетному определению.

Задачи исследования:

- выполнить анализ существующих способов электрофизического воздействия на бетоны, их смеси и компоненты; оценить целесообразность активации малоэнергоемким переменным электрическим полем;

- изучить физико-химические процессы, происходящие при активации пено- и фибропенобетонных смесей малоэнергоемким переменным электрическим полем;

- исследовать влияние параметров малоэнергоемкого переменного электрического поля на эффективность активации пено- и фибропенобетонных смесей и выявить наилучшее сочетание их значений;

- предложить теоретические рекомендации по расчетному определению физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов в любом возрасте и при любых значениях параметров активации;

разработать заводскую технологию и опытно-промышленную установку, выполнить производственные испытания способа активации и наладить серийный выпуск изделий из активированных ячеистых бетонов.

Объект исследования - активированные малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетоны и изделия из них.

Предмет исследования — новые лабораторный способ и заводская технология малоэнергоемкой активации переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонных смесей и изделий из них.

Методы исследований — технологические, экспериментальные и численные, физического и математического моделирования, анализа

размерностей, математической статистики.

7

Достоверность разработанных технологических рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки экспериментальных и численных исследований автора и других исследователей.

Научная новизна работы:

- предложен способ регулирования свойств и структурообразования пено-и фибропенобетонных смесей и бетонов активацией их малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием;

- проведены широкомасштабные экспериментальные и численные исследования физико-механических и конструктивных характеристик, а также структурообразования пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью 0500 с процентом фибрового армирования синтетическими волокнами ц =4% с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, показавшие в возрасте 7, 28, 90, 365 суток лучшие характеристики и доказавшие эффективность предложенного способа;

- выявлены оптимальные величины параметров активации пено- и фибропенобетонных смесей малоэнергоемким переменным электрическим полем;

- предложены расчетные формулы для определения физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных предложенным способом в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия и в зависимости от возраста бетона, определены значения всех их параметров и коэффициентов;

- предложено аналитическое описание диаграмм «а — £» при сжатии и растяжении в любом возрасте пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, по зависимости ЕКБ-ФИП с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик;

выявлена взаимосвязь изменений характеристик и диаграмм

деформирования при сжатии и растяжении пено- и фибропенобетонов,

8

активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, в различном возрасте;

- определены и рекомендованы для проектирования при надежности 0,95 значения нормативных и расчетных сопротивлений на сжатие и растяжение для предельных состояний первой и второй групп пено- и фибропенобетонов класса В1, плотностью Б500 с (I = 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием;

- выявлены особенности и разработаны предложения по расчетной оценке усадки и ползучести пено- и фибробетонов класса В1, плотностью 0500 с ц. = 4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием;

- разработана и внедрена заводская технология производства стеновых блоков из теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, обоснована ее техническая и рассчитана экономическая эффективность, налажен серийный выпуск изделий на производственном предприятии.

Практическая ценность и внедрение результатов работы:

издан Стандарт предприятия «Блоки стеновые пено- и фибропенобетонные, активированные малоэнергоемким электрическим полем» (ЗАО «ЗЖБК», Ростов н/Д, 2013г.);

налажен серийный выпуск блоков стеновых пено- и фибропенобетонных, активированных малоэнергоемким переменным электрическим полем, на ЗАО «ЗЖБК», Ростов н/Д;

- внедрение новых стеновых пено- и фибропенобетонных блоков при строительстве свыше 10 реальных объектов в ЮФО;

внедрение результатов в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, Кабардино-Балкарских

государственном университете и государственной аграрной академии.

На защиту выносятся:

— разработанные лабораторный способ и заводская технология активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонных смесей и изделий из них;

-результаты экспериментальных исследований физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов;

— результаты численных исследований работы активированных пено- и фибропенобетонов;

-выявленные наиболее эффективные величины параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия;

— рекомендации по расчетному определению физико-механических и конструктивных характеристик активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием пено- и фибропенобетонов, основанные на анализе сходимости численных и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывал�