ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМЕШАННОГО АРМИРОВАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ГИПСОВЫХ КОМПОЗИТОВ

Соскин М.И.¹, Шулепова А.В.², Шаманов В.А.³

^1,2Магистрант, ³кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМЕШАННОГО АРМИРОВАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ГИПСОВЫХ КОМПОЗИТОВ

Аннотация

В статье рассмотрены перспективы гибридного микроармирования гипсовых композитов с помощью полипропиленовой и базальтовой фибр. Выполнен анализ влияния выбранных волокон на свойства строительного гипса. Были проведены полные центральные ортогональные двухфакторные эксперименты с изменением каждого фактора на трех уровнях. Анализ полученных результатов осуществлялся с применением программного комплекса «STATISTICA». Установлено, что введение разномодульных волокон позволило повысить прочность гипсового композита на сжатие более чем в 2 раза, на растяжение при изгибе на 70% по сравнению с контрольным составом.

Ключевые слова: строительный гипс, базальтовая фибра, полипропиленовая фибра, микроармирование, смешанное дисперсное армирование.

 

Soskin M.I.¹, Shulepova A.V.², Shamanov V.A.³

^1,2Undergraduate student, ³PhD in Engineering, associate professor,

Perm National Research Polytechnic University

STUDY OF INFLUENCE MIXED REINFORCING STRENGTH GYPSUM COMPOSITES

Abstract

The article discusses the prospects of the micro-hybrid gypsum composites with polypropylene and basalt fibers. The analysis of the impact of selected fibers on the properties of of gypsum plaster. Full central orthogonal two-factor experiment with a change of each factor on the three levels have been carried out. Analysis of the results was carried out using the software package «STATISTICA». The introduction multimodulus possible to increase the strength fiber gypsum composite compression more than 2 times, tensile bending by 70% compared to the control composition.

Keywords: gypsum plaster, basalt fiber, polypropylene fiber, micro-mixed dispersed reinforcement.

 

Введение

Гипсовые материалы и изделия отличаются достаточной огнестойкостью, низкой тепло- и звукопроводностью, относительной лёгкостью и прочностью. Использование изделий и конструкций на основе гипса позволит эффективнее распределять топливно-энергетические ресурсы. Это обусловлено тем, что производство гипсовых вяжущих в 5...10 раз менее энергоёмко по сравнению с производством цемента и извести, в 2,4 раза дешевле и не требует больших затрат на тепловую обработку изделий [1]. Также причинами популяризации гипсовых составов можно назвать эстетичность, экологичность, нормализацию микроклимата помещений, небольшую трудоёмкость работ [2].

Однако стоит отметить, что у этого материала существует ряд недостатков, одним из которых является низкая прочность на растяжение при изгибе. Перспективным решением данной проблемы является использование микроармирования композита [3, 4]. Однако противоречивые результаты исследований не позволяют установить оптимальный диапазон варьирования расходом фибры в изделиях из строительного гипса [5]. Кроме того, данные разных авторов об эффективности применения низкомодульных и высокомодульных волокон расходятся, а вопросам смешанного армирования гипсовых композитов не уделяется должного внимания. Имеются все предпосылки для эффективной модернизации гипсовых изделий, что позволит применять их при строительстве как типовых, так и уникальных зданий [6].

Между тем, исследования в области минеральных вяжущих показывают, что именно комбинирование низкомодульных и высокомодульных волокон позволяет в значительной мере повысить трещиностойкость и ударную вязкость изделий [7].

Цель исследования – определить влияние раздельного и совместного введения полипропиленовой и базальтовой фибры на прочностные характеристики гипсовых вяжущих веществ.

Методика эксперимента и сырьевые материалы

Для данного эксперимента были использованы следующие материалы: гипс марки Г-4 Ергачинского месторождения, полипропиленовая фибра производства ООО «Си Айрлайд» длиной 12 мм, базальтовая фибра производства НПО «Вулкан» длиной 12 мм и суперпластификатор СП-1 производства АО ГК «Полипласт».

Необходимость применения суперпластификатора вызвана тем, что при введении в гипсовую смесь фибры в количестве 0,3-0,6% увеличивается количество воды затворения, необходимой для получения теста нормальной густоты, на 4-11% соответственно, что приводит к снижению прочности на сжатие и изгиб более чем на 20%.

Подготовка материалов, формование образцов и испытания прочностных характеристик было проведено в соответствии с ГОСТ 23789-79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний». Водогипсовое отношение для получения гипсового теста нормальной консистенции варьировалось в пределах 0,505-0,575.

Проведение эксперимента и анализ полученных результатов

Для оптимизации состава гипсовой смеси с содержанием различной фибры и суперпластификатора СП-1 были проведены полные центральные ортогональные двухфакторные эксперименты с изменением каждого фактора на трех уровнях. Анализ полученных результатов осуществлялся на ПК с применением программного комплекса «STATISTICA».

Отметим, что выбранные факторы были закодированы следующим образом:

Х₁ – содержание базальтовой фибры. % (БФ);

Х₂ – содержание полипропиленовой фибры, % (ПФ);

Х₃ – содержание суперпластификатора, % (С);

Рациональные области варьирования этими факторами были установлены исходя из литературных данных и составили для полипропиленовой и базальтовой фибры от 0,3 до 0,6% от массы вяжущего, для суперпластификатора от 0,15 до 0,45% от массы вяжущего [5]. В качестве контрольного был выбран бездобавочный состав при водогипсовом отношении, равном 0,56. У образцов армированного фиброй гипса определялись следующие характеристики: средняя плотность (Y₁), прочность на растяжение при изгибе (Y₂), прочность на сжатие (Y₃). План проведения эксперимента в натуральных и кодированных величинах для базальтовой и полипропиленовой фибр и суперпластификатора представлен в таблице 1.

Таблица 1 - План эксперимента и результаты испытаний

Точки плана	Факторы				Результаты испытаний (Х1)		Результаты испытаний (Х2)
	План в кодированных переменных		План в натуральных переменных		Rизг ср, МПа	Rсж ср, МПа	Rизг ср, МПа	Rсж ср, МПа
	Х1(Х2)	Х3	Ф	СП-1	Y2	Y3	Y2	Y3
1	+1	+1	0,6	0,45	3,410	4,560	3,700	6,880
2	+1	0	0,6	0,3	3,870	5,360	2,210	4,280
3	+1	-1	0,6	0,15	4,350	5,920	3,470	6,040
4	0	+1	0,45	0,45	3,220	4,920	3,110	4,800
5	0	0	0,45	0,3	3,370	5,120	3,000	5,160
6	0	-1	0,45	0,15	3,760	5,120	2,670	5,040
7	-1	+1	0,3	0,45	3,390	4,480	3,210	5,120
8	-1	0	0,3	0,3	3,520	5,400	3,170	4,880
9	-1	-1	0,3	0,15	3,730	5,240	2,830	5,080

Для каждой из функций с помощью программного комплекса «STATISTICA» были получены уравнения регрессии, представленные в формулах 1-6.

 (1)

 (2)

Уравнение 1 и 2 описывают зависимость средней плотности от содержания фибр и содержания пластификатора СП-1.

 (3)

 (4)

Уравнение 3 и 4 описывает зависимость прочности на растяжение при изгибе от содержания фибр и содержания пластификатора СП-1.

 (5)

 (6)

Уравнение 5 и 6 описывает зависимость прочности на сжатие от содержания фибр и содержания пластификатора СП-1.

В результате оптимизации состава с помощью программного комплекса “STATISTIСA” было получено, что прочность образцов на растяжение при изгибе принимает наибольшее значение при расходе полипропиленовой фибры 0,33% и содержании в смеси суперпластификатора СП-1 в количестве 0,14%, и равняется 3,62 МПа, их средняя плотность составляет 1,70 г/см³, а прочность при сжатии составляет 6,39 МПа.

Образцы с базальтовой фиброй имеют наибольшую прочность на растяжение при изгибе, равную 5,37 МПа, при БФ=0,10% и С=0,33. В свою очередь их плотность составляет 1,70 г/см³, а прочность при сжатии составляет 7,08 МПа.

Для оценки влияния гибридного микроармирования на изменение прочностных характеристик строительного гипса были заформованы образцы с содержанием полипропиленовой и базальтовой фибры 0,33 и 0,1% соответственно, расход пластификатора был принят равным 0,25% от массы гипса. Результаты определения прочностных характеристик гипсового композита с гибридным армированием и их сравнение с другими составами представлены на рис. 1.

Рис. 1 – Зависимость изменения предела прочности на сжатие и на растяжение при изгибе образцов различного состава

Анализ полученных результатов показывает, что прочность гипсового образца увеличивается в большей степени при использовании комбинации полипропиленовой и базальтовой фибры с добавлением пластификатора, но стоит отметить, что полипропиленовая фибра проигрывает базальтовой по огнестойкости [8, 9]. Введение разномодульных волокон позволило повысить прочность гипсового композита на сжатие более чем в 2 раза, на растяжение при изгибе на 70% по сравнению с контрольным составом.

Заключение

В ходе проведения эксперимента было зафиксировано повышение прочностынх характеристик гипсового композита, армированного различными волокнами. При этом комбинирование низко- и высокомодульных волокон вызвало синергетический эффект, заключающийся в суммарном упрочняющем эффекте при применении отдельных видов волокон: наблюдалось двухкратное увеличение прочности при сжатии, а прочность на растяжение при изгибе увеличилась на 70% по сравнению с контрольным составом.

Список литературы / References

1. Завадская Л.В. Влияние микроармирующих добавок на свойства газогипса // Фундаментальные исследования. – 2011. – №12. – С. 770-772.
2. Хопренинова Т.Ю. Гипсонаполненные системы в сухих строительных смесях // Сухие строительные смеси. – 2012. – №5. – С. 26-29.
3. Рязапов Р.Р, Мухаметрахимов Р.Х, Изотов В.С. Дисперсно-армированные строительные композиционные материалы на основе гипсового вяжущего // Известия КГАСУ. – 2011. – № 3. – С. 145-149.
4. Халиуллин М.И., Алтыкис М.Г., Рахимов Р.З. Эффективные сухие гипсовые смеси с добавками полимерных волокон // Известия вузов. Строительство. – 2004. – №3. – С. 33-37.
5. А.В. Шулепова, М.И. Соскин Перспективы использования микроармированных гипсовых композиционных материалов // Бакалавр – 2016 – №3-4 (16-17) – С. 48-53.
6. Официальный сайт компании ООО «КНАУФ ГИПС» [Электронный ресурс]. – URL: http://www.knauf.ru/ (дата обращения: 10.07.2016).
7. М.М. Морева, Л.И. Сычева Армирование портландцемента смешанными волокнами // Успехи в химии и химической технологии. – 2010. – №6 (111). – С. 73-76.
8. К.А. Сарайкина, А.Д. Курзанов Долговечность автоклавного газобетона, армированного базальтовой фиброй // Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика – 2012. – №4(8) – С. 103-108.
9. Т.А. Хежев, А.З. Жуков, Х.А. Хежев Огнезащитные и жаростойкие вермикулитобетонные композиты с применением вулканического пепла и пемзы // Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. – 2015. – №2.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zavadskaya L.V. Vliyanie mikroarmiruyushchikh dobavok na svoystva gazogipsa [Influence of additives on the properties microarming gazogipsa] // Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental Research]. – 2011. – №12. – P. 770-772. [in Russian]
2. Hopreninova T.YU. Gipsonapolnennye sistemy v sukhikh stroitel'nykh smesyakh [Filled with gypsum system of dry construction mixtures] // Sukhie stroitel'nye smesi [Dry construction mixtures]. – 2012. – №5. – P. 26-29. [in Russian]
3. Ryazapov R.R, Mukhametrakhimov R.KH, Izotov V.S. Dispersno-armirovannye stroitel'nye kompozicionnye materialy na osnove gipsovogo vyazhushchego [Dispersion-reinforced building composite materials based on gypsum binder] // Izvestiya KGASU [News of KGASU]. – 2011. – № 3. – P. 145-149. [in Russian]
4. Haliullin M.I., Altykis M.G., Rakhimov R.Z. EHffektivnye sukhie gipsovye smesi s dobavkami polimernykh volokon [Effective dry plaster mixture with the addition of polymer fibers] // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of the universities. Building]. – 2004. – №3. – P. 33-37. [in Russian]
5. A.V. Shulepova, M.I. Soskin Perspektivy ispol'zovaniya mikroarmirovannykh gipsovykh kompozicionnykh materialov [Microreinforced prospects for the use of gypsum composite materials] // Bakalavr [Bachelor] – 2016 – №3-4 (16-17) – P. 48-53. [in Russian]
6. Oficial'nyy sayt kompanii OOO «KNAUF GIPS» [The official site of the company "Knauf Gips»] [Electronic resource]. – URL: http://www.knauf.ru/ (accessed: 10.07.2016). [in Russian]
7. M.M. Moreva, L.I. Sycheva Armirovanie portlandcementa smeshannymi voloknami [Reinforcement of portlandcement mixed fibers] // Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Advances in chemistry and chemical technology]. – 2010. – №6 (111). – P. 73-76. [in Russian]
8. K.A. Saraykina, A.D. Kurzanov Dolgovechnost' avtoklavnogo gazobetona, armirovannogo bazal'tovoy fibroy [Durability of autoclaved aerated concrete, reinforced with basalt fiber] // Vestnik PNIPU. Prikladnaya ehkologiya. Urbanistika [News of PNIPU. Applied Ecology. Urban]. – 2012. – №4 (8) – P. 103-108. [in Russian]
9. T.A. KHezhev, A.Z. ZHukov, KH.A. KHezhev Ognezashchitnye i zharostoykie vermikulitobetonnye kompozity s primeneniem vulkanicheskogo pepla i pemzy [Fireproof and heat-resistant composites vermiculite concrete with volcanic ash and pumice] // EHlektronnyy nauchnyy zhurnal Inzhenernyy vestnik Dona [Electronic Scientific Journal Engineering News of Don]. – 2015. – №2. [in Russian]