Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Опыт производства и применения крупнопористого бетона в различных областях строительства 7
1.1 Возникновение и развитие производства крупнопористого бетона 7
1.2 Основные свойства крупнопористого бетона 18
1.3 Технология получения крупнопористого бетона 31
1.4 Современная конъюнктура и перспективы использования крупнопористого керамзитобетона в мансардном строительстве 40
1.5 Цели и задачи исследования 43
Глава 2 Исходные материалы и методы исследований 44
2.1 Характеристика исходных материалов 44
2.2 Методы экспериментальных исследований 47
2.3 Математическое планирование эксперимента 50
Глава 3 Основные факторы формирования прочности крупнопористого керамзитобетона 53
3.1 Структурная модель 53
3.2 Теоретический расчет диаметра контакта 57
3.3 Теоретические предпосылки прочности крупнопористого керамзитобетона 59
3.4 Определение прочности пористых заполнителей 68
3.5 Формула прочности крупнопористого керамзитобетона 72
3.6 Анализ факторов прочности крупнопористого бетона 76
3.7 Влияние добавок на свойства крупнопористого керамзитобетона 82
3.8 Теплопроводность 83
Глава 4 Внедрение крупнопористого керамзитобетона в практику мансардного строительства. оценка сравнительной технико-экономической эффективности его производства и применения 93
Литература 100
Приложения 111
Расчет несущей способности мансардных конструкций на основе крупнопористого керамзитобетона 112
Акт производственных испытаний 116
Нормативно-техническая документация 118
Сравнительная оценка технико-экономической эффективности применения крупнопористого керамзитобетона в мансардных ограждениях 119
- Основные свойства крупнопористого бетона
- Современная конъюнктура и перспективы использования крупнопористого керамзитобетона в мансардном строительстве
- Теоретические предпосылки прочности крупнопористого керамзитобетона
- Теплопроводность
Введение к работе
Актуальность темы Ускорение темпов строительства в крупных городах России невозможно без увеличения плотности застройки территории Особенно актуальна эта проблема для исторических городских районов, где практически отсутствуют свободные площади для вновь возводимых зданий и сооружений Одним из путей решения данной проблемы является реконструкция существующих зданий с устройством скатной кровли и использованием полезного мансардного пространства под жилые и офисные помещения
Накопленный в этом направлении зарубежный и отечественный опыт, как правило, предполагает использование облегченных металлических и деревянных конструкций с применением эффективных утеплителей на минеральной (минераловатные плиты повышенной жесткости) и органической (пенополистирол, пенополиуретан) основе Однако, как показывает эксплуатация таких мансард, даже несмотря на достаточно высокие теплофизические свойства данных материалов, в настоящее время имеется ряд нерешенных проблем Прежде всего это касается долговечности данных утеплителей, которая в свою очередь определяет степень долговечности конструкции мансарды в целом Вследствие сложности устройства качественных соединений плитных утеплителей (особенно в местах примыкания к металлическим конструкциям), приводящего к образованию мостиков холода, конденсата и наледи на внутренней поверхности и в толще ограждающей конструкции, утеплитель (особенно если он на минераловатной основе) значительно деформируется и зачастую теряет заданные свойства за несколько лет эксплуатации, что приводит к существенному ухудшению эксплуатационных показателей мансарды и ежегодным дополнительным затратам на ремонт Использование пенопластов, даже повышенной плотности и качества, также не всегда позволяет решить данную задачу, к тому же остается проблема, связанная с обеспечением требуемой степени огнестойкости мансардных конструкций
В последнее время строители стали проявлять больший интерес к традиционным материалам, используемым для теплозащиты ограждающих конструкций, таким как высокопустотная керамика, пеностекло, ячеистые бетоны, керамзитобетон, которые хотя и не имеют очень высоких теплофизических показателей, но, как показывает практика строительства и эксплуатации зданий, успешно сохраняют свои свойства в течение длительного времени Учитывая особенности конструкции мансарды, по нашему мнению, из перечисленных материалов в качестве заменителя плитных утеплителей наиболее эффективно использовать монолитный крупнопористый керамзитобетон при обеспечении его средней плотности не более 800 кг/мЗ Данная задача является решаемой даже при использовании керамзита низкого и среднего качества (насыпная плотность 450 кг/мЗ и более) в его составах, применение же керамзитовых гранул пониженной плотности (300 кг/м)
производимом на современном оборудовании позволяет в более значительной степени облегчить наружное ограждение
В прошлом область применения крупнопористого бетона сужалась трудностью доставки бетонной смеси до места заливки (связано с расслаиваемостью бетонной смеси при традиционной перевозке автосамосвалами), и ограничивалось изготовлением изделий в заводских условиях С широким внедрением в практику строительства в последние десятилетия высокопроизводительных бетононасосов и автобетоносмесителей большой вместимости, также возникает повышенный интерес к данному материалу
Цель работы состоит в повышении эксплуатационной надежности, долговечности и экономичности несущих и ограждающих конструкций мансард, реализуемое применением монолитного крупнопористого керамзитобетона, в качестве теплоизоляционного и конструкционного материала
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
-
Разработать новый способ использования керамзитобетона в качестве теплоизоляционного и конструкционного материала для мансардных ограждений, в том числе и наклонных
-
Определить зависимости, связывающие структурные, технологические и эксплуатационные параметры крупнопористого керамзитобетона
-
Предложить и опробовать в лабораторных и производственных условиях технологическое оборудование, обеспечивающее получение крупнопористого керамзитобетона повышенного качества
-
Разработать нормативно - техническую и проектно-конструкторскую документацию, регламентирующую использование крупнопористого керамзитобетона в мансардных конструкциях
-
Выполнить производственную апробацию разработанной технологии использования крупнопористого керамзитобетона в мансардном строительстве и дать сравнительную оценку ее технико-экономической эффективности
Научная новизна
Предложен новый способ использования крупнопористого керамзитобетона в качестве теплоизоляционного и конструкционного материала для наклонных ограждений мансардных этажей
Усовершенствована технология приготовления керамзитобетонной смеси, позволяющая получить крупнопористый керамзитобетон с улучшенными физико-механическими показателями и однородностью структуры
Разработано техническое решение несущих и ограждающих конструкций мансард повышенной эксплуатационной надежности с использованием крупнопористого керамзитобетона
Основные положения выносимые на защиту:
Результаты исследований по изучению влияния основных факторов на процесс формирования структуры и свойств крупнопористого керамзитобетона
Взаимосвязь параметров производства с технологическими и эксплуатационными показателями получаемого крупнопористого керамзитобетона
Технические решения применения крупнопористого керамзитобетона в конструкциях мансардных кровель
Результаты производственной апробации предлагаемых технических решений
Практическое значение работы заключается в существенном повышении надежности, долговечности, термической однородности, огнестойкости, общей жесткости несущих мансардных конструкций, а также в снижении себестоимости и улучшении эксплуатационных показателей мансард с применением крупнопористого керамзитобетона, по сравнению с традиционными решениями Применение крупнопористого керамзитобетона взамен дорогостоящих минераловатных плит повышенной жесткости для утепления мансардных кровель позволит помимо снижения себестоимости существенно упростить технологию производства строительно-монтажных работ по возведению мансардных этажей (технологические процессы по бетонированию выполняются под кровлей, практически не зависят от погодных условий и могут выполняться в осенне-зимний период)
Экономический эффект при применении крупнопористого керамзитобетона в конструкциях мансардных ограждений складывается за счет отказа от дорогостоящих плитных утеплителей на минераловатной основе, а также последующего снижения текущих издержек на ремонтно-восстановительные работы Значительную составляющую экономического эффекта содержит отказ от дорогостоящей огнезащитной обработки омоноличенных крупнопористым керамзитобетоном несущих металлических мансардных конструкций (стропила, прогоны)
Реализация работы. Уфимским государственным нефтяным техническим университетом разработана с участием автора нормативно-техническая и проектно-конструкторская документация, охватывающая технологические и экономические аспекты производства и применения крупнопористого монолитного керамзитобетона в конструкциях мансардных ограждений Разработанные технические решения использовались при возведении двухэтажной мансарды площадью 1700 м2 над четырехэтажным зданием Башкирского социально-экономического колледжа, расположенного по адресу г Уфа, ул Черниковская, 46а (проведены экспертиза, согласование и утверждение в установленном порядке проектной документации, строительство в настоящее время завершено), а также при разработке проекта надстройки двухэтажной мансарды (арочного очертания) площадью 1300 м2 над трехэтажным административным зданием, расположенным по адресу г Уфа, ул Трамвайная, 46
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Уфимского государственного нефтяного технического университета (г Уфа, 2005-2007 гг) и Казанского государственного архитектурно-строительного университета (г Казань, 2006г), восьмых академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения», (г Самара, 2004г), ), десятых академических чтениях РААСН «Достижение, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения», (г Казань-Пенза, 2006г)
По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей и тезисы 2 докладов (статья №1 в реферируемом издании по списку ВАК), разработана нормативно-техническая (технические условия и технологический регламент) и проектно-конструкторская документация на производство и применение крупнопористого керамзитобетона в конструкциях мансардных ограждений
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов Содержит 161 страницу машинописного текста, включая 29 иллюстраций, 22 таблицы, и 4 приложения, список использованных источников из 165 наименований
Основные свойства крупнопористого бетона
Если сравнить сведения о свойствах крупнопористого бетона, приводимые в литературных источниках различных лет, то можно заметить, что больших расхождений в характеристике этих свойств нет. Точно так же нельзя усмотреть существенной разницы в характеристике свойств крупнопористого бетона, получаемого в нашей стране и за рубежом. Так, например, характеристики крупнопористого бетона на природном гравии и щебне (плотность и прочность при сопоставимых расходах цемента), приводимые Макинтошем, Болтоном и Мьюиром в докладе Английскому обществу гражданских инженеров [2, с.70] практически совпадают с результатами опытов Б.Г.Скрамтаева и А.А.Будилова [4, с.22-27]. Характеристики прочности шлакобетона, опубликованные Д.Н.Алексеевым еще в 1929 г. [6], остались практически такими же в последующих публикациях [4, 7, 55, 57].
Это говорит о том, что технология приготовления крупнопористого бетона принципиально не менялась, а те или иные свойства конкретных образцов определялись исключительно качеством и количественным соотношением исходных материалов - заполнителя и цемента.
Плотность крупнопористого бетона может составлять примерно от 400 до 2000 кг/мЗ. Поскольку крупнопористый бетон состоит из крупного заполнителя и цементного камня, то его плотность может быть рассчитана по расходу материалов на 1 мЗ: pb=a-C + Vf-pf (1) где а - коэффициент, учитывающий содержание воды в бетоне; С - расход цемента на 1 м бетона, кг; Vf- расход заполнителя на 1 м бетона, м ; pj - насыпная плотность заполнителя, кг/м .
Если требуется определить плотность свежеприготовленного бетона, то 2=(1+В/Ц), для сухого бетона я=1,15 (поскольку примерно 15 % воды по отношению к массе цемента им химически связывается и остается в сухом бетоне).
Расход заполнителя на 1 м бетона, по данным Б.Г.Скрамтаева [7] увеличивается по сравнению с насыпной плотностью за счет его уплотнения при укладке бетонной смеси приблизительно на 10 %, т.е. по Б.Г.Скрамтаеву V/ = 1,1. Очевидно, для конкретных разновидностей заполнителей эта величина может существенно изменяться.
При использовании пористых заполнителей, которые частично дробятся и перетираются в процессе приготовления бетонной смеси, Г.А. Бужевич [7] предложил эмпирическую формулу для определения требуемого исходного объема заполнителя: Vf =1.5-0.28/?, (2) где р , принимается в т/мЗ.
Чем легче используемый заполнитель, тем, по данным Г.А.Бухевича, больше его расходуется для приготовления 1 м крупнопористого бетона.
По нашему мнению, в данном случае было бы правильнее связать расход заполнителя не с насыпной плотностью, а с его прочностью, т.к. прочность определяет сопротивление истиранию, а насыпная плотность связана с ним лишь косвенно и не всегда определенно .
По формуле (2), например, при р г = 400 кг/мЗ требуется расход заполнителя Vf = 1,39 м на 1 м бетона.
Из изложенного следует, что снижение плотности крупнопористого бетона может быть достигнуто следующими путями: сокращением расхода цемента, применением легких заполнителей, а также выполнением специальных мероприятий, предотвращающих перетирание зерен заполнителя. Последнее, очевидно, связано с технологией приготовления бетонной смеси. Если технология предопределяет перетирание зерен заполнителя и, следовательно, его повышенный расход, то плотность бетона увеличивается, его выход уменьшается, он становится дороже, т.е. снижается технико-экономическая эффективность его производства и применения.
Прочность крупнопористого бетона на плотных заполнителях обычно составляет 5-7 МПа, а при необходимости может быть повышена до 10-15 МПа. На пористых заполнителях получают самые легкие теплоизоляционные бетоны прочностью при сжатии порядка 0,5 МПа и крупнопористые бетоны разного назначения прочностью до 5-7 МПа.
Для зарубежной литературы характерен такой подход к оценке свойств крупнопористого бетона:
"Предел прочности при сжатии крупнопористого бетона в среднем составляет 50 % от прочности обычного бетона на том же заполнителе" [58];
"Плотность крупнопористого бетона составляет 70 % от плотности обычного бетона на аналогичном заполнителе" [1];
"Теплопроводность беспесчаных бетонов составляет 0,6-0,8 от обычных" [62].
Подобные поверхностные формулировки в принципе неправильны, не содержат полезной информации и отражают лишь неизученность вопроса.
Анализу зависимости прочности крупнопористого бетона от различных факторов его структуры, технологии, качества исходных материалов будут посвящены последующие главы. Пока же остановимся на имеющемся опыте.
Известно, что прочность крупнопористого бетона на данном гравии или щебне зависит от расхода цемента, его активности, водоцементного отношения и условий твердения. Иначе можно сказать, что прочность крупнопористого бетона зависит от количества и прочности содержащегося в нем цементного камня. Это и понятно, если учесть, что чем больше объем цементного камня в бетоне, тем толще цементные оболочки вокруг зерен заполнителя и прочнее контакты, их соединяющие.
Однако здесь нужна существенная оговорка. При обычной технологии приготовления бетонной смеси нет гарантии равномерного распределения цементного теста. Поэтому увеличение расхода цемента не всегда приводит к адекватному упрочнению контактов между зернами заполнителя. Цементный камень вне контактов - в межзерновых пустотах бетона - бесполезен: прочность бетона он не увеличивает, а является лишь дорогостоящим балластом.
Вероятно, поэтому в литературе по крупнопористому бетону не вполне ясна зависимость прочности крупнопористого бетона от расхода цемента. По данным И.С.Николодышева [60], И.А.Диковского [61], Р.А.Щеканенко и В.Ф.Ландера [62] эта зависимость линейна, тогда как по данным Б.Г.Скрамтаева и А Д.Будилова в приложении к Инструкции [21] она выражается ломаными кривыми.
Недостаточно изучена и зависимость прочности крупнопористого бетона от факторов, определяющих прочность цементного камня, в частности, от активности цемента. Из опытных данных Б.Г.Скрамтаева, А.А.Будилова и А.Н.Атапина, отраженных в Инструкции [21], вытекает, что прочность крупнопористого бетона, как и прочность цементного камня, прямо пропорциональна активности цемента. Однако есть опытные данные А.Н.Атапина [15], Г.М.Джафарова [63], согласно которым повышение активности цемента не привело к пропорциональному повышению прочности крупнопористого бетона.
О влиянии вида заполнителей на прочность крупнопористого бетона и о расходе цемента, необходимом для получения бетона требуемой прочности в литературе имеется много опытных данных разных авторов, однако они еще не дают достаточных оснований для установления четкой закономерности, т.к. в публикациях, как правило, нет полной информации о свойствах заполнителей. В качестве иллюстрации на рис. 1 дана зависимость прочности крупнопористого бетона на сжатие от расхода цемента для крупнопористых бетонов на разных заполнителях, приведенная в работе Д.Вейсса и Л.Дьёрдя [55] о ссылкой на А.Хуммеля [61]. Как следует из графика, прочность крупнопористого бетона на различных заполнителях при сопоставимых расходах цемента может отличаться в несколько раз, равно как и расход цемента для получения бетона заданной прочности. Все же можно заметить, заполнителям, что плотным соответствуют, например, свойства аглопоритового щебня со свойствами щебня из вулканического туфа или из пористого известняка-ракушечника: при одинаковой насыпной плотности соответствуют меньшие расходы цемента и более высокие показатели прочности бетона, а пористым заполнителям - наоборот. Решающим фактором здесь, очевидно, является прочность зерен заполнителей
Зависимость прочности крупнопористого бетона от расхода цемента при использовании различных заполнителей: 1 - речной гравий; 2 -известняковый щебень: 3 - доменный шлак; 4 - дробленый кирпичный бой; 5 - вулканический шлак Хила пемза); 6 - разновидность туфа; 7 - доменный пенный шлак (шлаковая пемза); 8 - котельный шлак; 9 - туф; А - моренный гравий; В - известняк-ракушечник; С - дробленый кирпичный бой; D -дробленый моренный камень [55]. (Перевод с венгерского).
Современная конъюнктура и перспективы использования крупнопористого керамзитобетона в мансардном строительстве
Многообразие вариантов применения крупнопористого бетона в различных отраслях строительства можно представить как два главных направления: в первом используются хорошие изоляционные свойства крупнопористого бетона, а во втором, наоборот, его высокая проницаемость. В этом представлении, на первый взгляд парадоксальном, отражена специфика структуры материала, определяющая возможность разнообразного его применения с использованием тех или иных свойств. На наш взгляд, в современных условиях наиболее рациональным применением крупнопористого керамзитобетона в котором наиболее удачно сочетаются эти два, безусловно положительные, качества, является мансардное строительство. Физико-механические характеристики керамзитобетона даже среднего качества (RCDiC = 10-25 КГ7СМ2, р = 500-700 кг/м3, практически безусадочный Єу 0,05 мм/м, низкое сорбционное увлажнение 0,9-1,7 V%) позволяют эффективно использовать его в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала ограждений. Используемые в настоящее время плитные утеплители на минераловатной и органической основе вообще не обладают конструкционной прочностью, а пенобетоны той же плотности имеют гораздо худшие прочностные показатели (Ясж 5 кгс/м2), на порядок более высокие усадочные деформации (єу 3М7М), к тому же в силу определенных причин (устаревшее оборудование, отсутствие контроля качества) большинство производимого пенобетона имеет показатели гораздо хуже нормативных. Автоклавный газобетон, обладая по сравнению с пенобетоном безусловно лучшими показателями, также имеет один существенный недостаток, который сводит на нет его положительные качества - высокое сорбционное увлажнение ( 10V%). К тому же автоклавный газобетон, как и пеностекло (один недостаток - очень высокая стоимость), невозможно использовать в монолитном виде, а только в виде плитных или блочных изделий, что существенно сужает область применения данных материалов и практически не позволяет использовать его для целей мансардного строительства.
Хотя положительные качества керамзитобетона были известны в прошлом, его область применения сужалась из-за трудности доставки бетонной смеси до места заливки, что связано с ее расслаиваемостью, и ограничивалась изготовлением изделий в заводских условиях. Современное строительство открывает более широкие перспективы его применения, в частности, в практику строительства вошли механизированные способы доставки и укладки бетонных смесей (автобетоносмесители, бетононасосы), химические добавки различного типа (пластифицирующие, противоморозные и др.), позволяющие в широких пределах осуществлять регулирование свойства получаемых бетонов и вести строительство даже при отрицательных температурах. К числу положительных свойств крупнопористых керамзитобетонов следует отнести то обстоятельство что они, как правило, могут быть получены на цементах низких и средних марок и не требуют применения дорогостоящих и дефицитных высокомарочных цементов. Хотя расход цемента на получение крупнопористого керамзитобетона невелик (100 -150 кг/м3), также широкую перспективу для повышения экономичности данных бетонов открывает применение крупнотоннажных дисперсных отходов химических и металлургических отраслей промышленности (пиритный огарок, цементная пыль систем аспирации, феррохромовый шлак и др.), позволяющее значительно (до 2 раз и более) снизить расход цемента в составе керамзитобетона.
Современная конъюнктура определяется глобальными проблемами сохранения окружающей среды, экономии невосполнимых минеральных ресурсов, энергии и топлива. В перспективе эти проблемы станут, очевидно, еще более определяющими выбор той или иной технологии, материалов и конструкций.
Отсюда вытекает наше убеждение, в перспективности применения крупнопористого бетона в жилищно-гражданском и других областях строительства.
Однако в условиях жесткой конкуренции с другими строительными материалами крупнопористый бетон нуждается в повышении технико-экономической эффективности. Необходимо уменьшать его стоимость и материалоемкость, в первую очередь сократить расход цемента, повысить прочность и однородность, обеспечить нерасслаиваемость, технологическую надежность и улучшение важнейших эксплуатационных свойств. Надо совершенствовать технологию и создавать более эффективное технологическое оборудование.
Теоретические предпосылки прочности крупнопористого керамзитобетона
Относительно слабым местом, определяющим разрушение бетона под нагрузкой, являются контакты между зернами заполнителя, однако если цементный камень прочнее заполнителя, то можно предположить, что разрушение пойдет по заполнителю. В данном случае можно полагать, что прочность крупнопористого керамзитобетона должна зависеть от относительной площади контактов и прочности заполнителя, то есть формула прочности крупнопористого бетона на малопрочных пористых заполнителях должна отличаться от известной формулы прочности крупнопористого бетона на пористых заполнителях, предложенной С.М.Ицковичем (33) тем, что вместо прочностных характеристик цементного камня она будет содержать прочностную характеристику заполнителя.
В некоторых случаях прочность керамзитового гравия может быть соизмерима с прочностью цементного камня. Исследования этой области -пограничной между областью действия формулы (20) и областью действия формулы (21) - проведены в описанном ниже эксперименте [105].
Эксперимент в пограничной области. (В.А. Вознесенский [106]) В качестве независимых переменных использованы следующие пять факторов: Xi - качество цемента, характеризуемое его активностью; Х2 -водоцементное отношение; Х3 - качество заполнителя, характеризуемое средней плотностью зерен; Х4 - добавки; Х5 - условия твердения бетона.
Все независимые переменные варьировались на трех уровнях.
Заполнителем служил керамзитовый гравий фракции 20-40 мм уфимского комбината строительных материалов, предварительно разделенный по плотности в водной среде. Керамзитовый гравий, всплывший в воде, имел среднюю плотность зерен 0,7 г/см , насыпную плотность 370 кг/м3 и прочность при сдавливании в цилиндре 1 МПа. Потонувший в воде керамзитовый гравий характеризовался средней плотностью зерен 1,02 г/см , насыпной плотностью 570 кг/м и прочностью 2,4 МПа. Керамзитовый гравий среднего уровня качества получен смешением всплывшего и потонувшего в пропорции 1:1 по массе. Его свойства соответственно: 0,86 г/см ; 470 кг/м ; 1,3 МПа.
По формуле (22) прочность самого легкого керамзита - 7,2 МПа, среднего -11,1 МПа, тяжелого - 15,6 МПа.
С ориентацией на эти показатели выбрали вяжущие вещества малой активности, чтобы прочность цементного и заполнителя были одного порядка. Авторы использовали частично потерявший активность лежалый портландцемент Волыковского завода, этот же цемент, дополнительно разбавленный добавкой золы Пинской ТЭЦ в количестве 15% по массе, а также в количестве 30». Активность трех разновидностей цемента 33,7; 27 и 19,6 МПа
Водоцементное отношение цементного теста принято 0,35; 0,40 и 0,45, причем керамзитовый гравий перед приготовлением смеси погружали на 5 с в воду, чтобы уменьшить последующее влияние водопоглащение заполнителя на В/Ц цементного теста.
Три уровня варьирования хлористого кальция - 0; 1 и 2% от массы цемента.
Пропаривание бетонных образцов после 18 часовой предварительной выдержки в камере с гидравлическим затвором проведено по режиму 2+Х5+2ч, где Х5 - продолжительность изотермического периода - 0; 4 и 8 ч. Испытание на прочность при сжатии проведено через сутки после окончания пропаривания.
Всего по плану эксперимента выполнено 27 опытов. В каждом опыте изготовлено и испытано по 6 образцов-кубов с ребром 15 см. В результате математической обработки данных получена следующая полиномиальная модель прочности крупнопористого керамзитобетона, адекватная на 5-процентном уровне значимости: (23) 7 = 0.406 + 0.133X2-0,140X2+0,105X3+0,033X5 +0Д55ХІ -0,044X1 + - 0,04 \x\ - 0,044Х - 0,087X 2 + 0,049X 3 - 0,070Х2Х3 - 0,049Х4Х5
Главным фактором прочности крупнопористого керамзитобетона, как следует из модели (23), является водоцементное отношение Х2 - чем оно больше, тем меньше толщина обволакивающей пленки цементного теста 8 и структурный параметр (dlD)2, входящий в формулу прочности бетона (20). Нелинейность зависимости д от В/Ц отразилась наличием в модели квадратичного эффекта в22 = 0,155.
Эффект взаимодействия вп говорит о том что влияние В/Ц было не одинаковым для разных цементов. Отсюда не только прямое влияние качества цемента Х]; например его активности на прочность бетона, но и косвенное влияние в силу разной водопотребности и реологических особенностей цементного теста на расход цемента и относительную площадь контактов.
Большое влияние на прочность бетона плотности (прочности) заполнителя Х3 отражено в модели коэффициентом е3 - чем больше прочность заполнителя, тем больше прочность бетона, что соответствует формуле (20). Однако в модели имеются отрицательный квадратичный эффект взз и эффекты взаимодействия в13 и е2з , означающие, что влияние прочности заполнителя на прочность бетона в исследованной области зависело от вида цемента и В/Ц, т.е. от прочности цементного камня: чем большей была прочность цементного камня, тем значительнее влияние прочности заполнителя на прочность бетона.
Факторы Х4 и Х5 в полученной модели ( 23 ) не связанны эффектами взаимодействия с факторами XI , Х2 и ХЗ . Это дает возможность для удобства последующего анализа представить модель графически в трехмерном пространстве (рис. 3). При применении наиболее легкого и малопрочного керамзитового гравия (нижняя грань куба на рис. 3) прочность крупнопористого бетона можно увеличить, уменьшая В/Ц, т.е. увеличивая расход цемента и относительную площадь контактов в бетоне. Влияние вида цемента при этом несущественно.
При более высокой прочности керамзита (верхняя грань куба) прочность бетона можно увеличить как уменьшением В/Ц, так и повышением активности цемента, т.е. высокомарочный цемент це целесообразно использовать только при высокопрочном заполнителе. Сравнение передней и задней граней куба дает возможность выявить влияние качества цемента на зависимость прочности крупнопористого бетона от прочности заполнителя.
При более высокой активности цемента (передняя грань куба) эта зависимость сильно выражена, а при малой активности цемента (задняя грань куба) прочность бетона от прочности заполнителя почти не завит так как разрушение контактов в этом случае происходит по слабому цементному камню, а прочность заполнителя (если она выше прочности цементного камня) уже не имеет значения. На передней грани куба можно отметить закономерность: чем выше прочность заполнителя, тем при большем В/Ц, т.е. при меньшем расходе цемента, может быть достигнута требуемая прочность бетона.
Сравнение левой и правой части куба показывает определяемое значение В/Ц, от которого зависит структурный параметр {d ID) , входящий в формулы прочности крупнопористого бетона. При большем В/Ц, то есть при малом расходе цемента, высокая прочность крупнопористого бетона не может быть достигнута даже при высокой прочности цементного камня и заполнителя.
В связи с этим представляет интерес исследование удельной прочности крупнопористого керамзитобетона.
Преобразованная модель (23) с новой функцией выхода Y1, на основе тех же исходных экспериментальных данных (табл 19), имеет следующий вид: Y\ =6,17 +1,18Х] + 1,88Х3 + 0,033Х5 + 0,92Х4 + 0,63Х5 + 1,12Х +0,4X 3 +0,46Х4Х5 (25)
В отличие от модели (23), в данном случае фактор Х2 (водоцементное отношение) оказался незначимым, т.е. удельная прочность бетона от В/Ц и, следовательно, от Ц не зависит. Это значит, что зависимость прочности крупнопористого керамзитобетона от расхода цемента выражается прямой, проходящей через начало координат. Жтим подтверждается закономерность присутствия структурного параметра {d ID) как в формуле для определения прочности крупнопористого бетона на прочных заполнителях, так и в формуле (20).
Помимо влияния на расход цемента, В/Ц, как известно влияет на прочность цементного камня. Поэтому независимость Yj от Х2 означает, что те колебания прочности цементного камня, которые обусловлены изменением В/Ц, на прочность бетона сказались несущественно.
Теплопроводность
Теоретическому решению задачи по определению теплопроводности пористых материалов посвящено много работ. Предложены разнообразные структурные модели пористых материалов и формулы эффективной теплопроводности [111-114]
Крупнопористый бетон как пористый материал специфичен, и, насколько известно, его структура для расчета теплопроводности до сих пор не моделировалась. Между тем соображения, изложенные в 3.2, дают такую возможность.
Крупнопористый бетон в сухом состоянии - материал трехфазный, поэтому теплопроводность его слагается из теплопроводности заполнителя, цементного камня и воздуха, находящегося в межзерновых пустотах (порах):
Передача тепла через заполнитель осуществляется от зерна к зерну через цементный камень в контактах. Если заполнитель пористый (например, керамзит), то, как правило А ,. Я „ , и в этом случае структурную модель (рис. 7а) можно упростить (рис. 76), представив в виде цилиндра из материала заполнителя, покрытого кольцевым слоем цементного камня толщиной S. Диаметр цилиндра прим ем равным полусумме среднего диаметра зерен D и диаметра контактов d, связанного с величиной 8.
Таким образом, вместо коэффициента 0,227 принимаем произведение oc-Vf, отвечающее фактическому содержанию заполнителя в бетоне.
Для определения теплопроводности пористых заполнителей нами разработана специальная методика [115,116], сущность которой состоит в следующем. На исследуемом заполнителе готовят бетон плотной структуры. Из части замеса отсеивают растворную составляющую бетонной смеси. Из бетона и отсеянного раствора формуют образцы для определения их теплопроводности.
На том же керамзите двух проб нами получен и исследован на теплопроводность крупнопористый бетон при различном расходе цемента (табл. 11).
Результаты испытаний при разной толщине образцов в основном близки, более надежными, вероятно, являются результаты, полученные при испытании образцов большей толщины. Данные табл. 11 позволяют вычислить значения коэффициента а в формуле (42). Для расчетов объем цементного теста определен по расходу цемента и В/Ц; суммарная поверхность заполнителя принята S = 370 м /м , а средний диаметр зерен D = 30 мм; структурные параметры, связанные с диаметром контактов d; объем заполнителя Уз, определен делением его фактического расхода по массе на среднюю плотность зерен; объем пустот в бетоне Ve=\ - Vf- Vc (где Vc- объем цементного теста, м3 ); значения теплопроводности для всех компонентов приняты: Яс = 0,7; Яа = 0,139 Вт/м.К) - по формуле (46); Я f для керамзита соответствующих проб - по табл. 10; & крупнопористого бетона - по опытным табл. 12 для образцов толщиной 8 см.
Результаты расчета а (табл. 13) по всем опытам практически совпадают. Это значит, что принятая нами при выводе формул (40), (42), (44) и (45) концепция, вероятно, правильна.
Приняв округленно а =0,5 , получим на основе формул (40), (42), (44) и (45) следующую формулу теплопроводности крупнопористого бетона.
Относительные доли составляющих теплопроводности можно установить по данным табл. 13 доля теплопроводности через заполнитель я составила по опытам 50-60 %; через цементный камень я" - 10-20 %; через поры я " - 25-35 % общей величины Я . Подтвердилось положение о доминировании контактной теплопроводности в механизме теплопередачи через подобные материалы [111].
По формуле (75) при D1 = 5 и D2 = 10 мм получим Яа\ = 0,045 и Яа2 = 0,064 Вт/(м.К), т.е. при увеличении D в 2 раза тепловой поток через поры возрастет в 1,42 раза, а поскольку его доля составляет в среднем 30%, то можно ожидать увеличения Я на 0,3 42 = 12,5% .
Аналогично при D1 =15 и D2=30MM получим увеличение Я на 21 %.
Чем крупнее заполнитель, тем заметнее сказывается на Я его дальнейшее укрупнение.
В целом для крупнопористых бетонов можно считать, что увеличение крупности заполнителя в 2 раза ведет к росту теплопроводности на 10-25%. Примерно так влияет крупность зерен на теплопроводность засыпок по данным А.Ф.Чудновского [111].
По опытам В.О.Чернышева [7] при увеличении крупности заполнителя в 8 раз (от 1,2 - 2,5 до 10-20 мм) теплопроводность крупнопористого бетона возросла на 72 %, что, как и другие литературные данные [4, 96, 118], соответствует нашему расчету.
Влияние Vf на Я проявляется следующим образом. При изменении Vf, в формуле (50) меняется значение первого члена, причем его доля в величине Я составляет в среднем 55%, следовательно, на каждый процент увеличения Vf, можно ожидать приблизительно 0,55% прироста Я .
В опытах (табл. 12) при близких расходах цемента ( 102 и 99 Кг/мЗ ) на керамзите с V f =0192 Вт/(м.К) получен крупнопористый бетон с Я = 0,175 Вт/(м.К), а на керамзите с Vf = 0,154 Вт/(м.К) -Я =0,153 Вт/(м.К).
Увеличение Vf на 25% сопровождалось увеличением Я на 14%, и согласно расчету 0,55 25 = 14% .
Рассмотрим влияние расхода цемента. Если расход цемента увеличить в 2 раза, то, как показывает расчет по формуле (50), теплопроводность через заполнитель за счет увеличения площади контактов возрастает на 20%, через цементный камень - за счет вдвое большей толщины оболочки - на 100%), а теплопроводность через пустоты за счет их сокращения уменьшится примерно на 15%. В итоге теплопроводность бетона увеличится на 0,55 20 + 0,15 100-0,3 15 « 20% , т.е. на каждый процент увеличения расхода цемента Я возрастает примерно на 0,2%.
Согласно опытам (табл. 12), увеличение расхода цемента с 62 до 99 кг/мЗ, т.е. на 60 %, привело к росту теплопроводности керамзитобетона с 0,137 до 0,153 Вт/(м.К), или на 12% а при увеличении расхода цемента до 112 кг/м (на 80%) ) теплопроводность керамзитобетона возросла до 0,158 Вт/(м.К), или на 16%). В обоих случаях получилось, что на один процент увеличения расхода цемента теплопроводность керамзитобетона увеличивается на 0,2%о.
Анализ совместного влияния различных факторов (например, при одновременном изменении крупности заполнителя и его теплопроводности, свойств заполнителя и расхода цемента) показал, что зависимость теплопроводности крупнопористого бетона от его плотности неопределенна. Если представить такую зависимость по усредненным данным, то она выразит больше тенденцию, чем закономерность, а именно, с увеличением плотности бетона теплопроводность его растет. Но возможны случаи, когда плотность бетона возрастает, а теплопроводность при этом снижается (например, при уменьшении крупности заполнителей).
Известно, что и для обычных легких бетонов возможны значительные разбросы Л вокруг обобщенных зависимостей [117,119]. Для крупнопористого бетона они еще больше, главным образом в виду влияния теплопроводности через поры. Очевидно, что косвенный контроль теплопроводности крупнопористого бетона по его плотности ненадежен. Необходимо исходить из фактической структуры крупнопористого бетона, его пустотности, крупности зерен заполнителя и других факторов, учитываемых формулой (50).
По литературным данным [120] зависимость теплопроводности керамзитобетона от его влажности можно принять линейной.
Для определения испытывали образцы керамзитобетона на теплопроводность как в сухом состоянии (табл.24), так и в воздушно-сухом при влажности десорбции 1,8 - 3,3 %.
В результате получена величина = 0,014 Вт/(м.К).
