ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ЗАГУСТИТЕЛЯ И ЗАМЕДЛИТЕЛЯ СХВАТЫВАНИЯ НА СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ЗАГУСТИТЕЛЯ И ЗАМЕДЛИТЕЛЯ СХВАТЫВАНИЯ НА СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Научная статья

Кидакоев М.М.^1,, Крымова В.Г.², Кидакоева М.М.³*

^{1, 2} Северо-Кавказская Государственная Академия, г. Черкесск, Россия;

³Невинномысский Государственный Гуманитарно-Технический институт, г. Невинномысск, Россия

* Корреспондирующий автор (meremhan2377[at]mail.ru)

Аннотация

Представлены статистические методы математического моделирования строительно-технологических свойств сухих строительных смесей (ССС) на примере гипсовой штукатурной смеси. Представлен план многофакторного исследования влияния загустителя и замедлителя схватывания на предел прочности при сжатии, при изгибе и прочности сцепления. Разработаны полнофакторные планы двухфакторной модели, при минимальном (0,02%; 0,04%) и максимальном (0,2%; 0,1%) уровне дозировки загустителя и замедлителя схватывания соответственно. Получены уравнения регрессии выходных параметров в виде полинома второй степени с применением регрессионного и корреляционного анализа экспериментальных данных. Получены уравнения нелинейной регрессии. Представлены результаты корреляционного и регрессионного анализа.

Ключевые слова: математическая модель, строительно-технологические свойства, функциональные добавки, факторы, многофакторный эксперимент, варьирование, исследование, корреляционный анализ, регрессионный анализ, коэффициент множественной корреляции, стандартизированный коэффициент, коэффициенты регрессии.

RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THICKENING AND RETARDING AGENTS ON THE BUILDING AND TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF DRY BUILDING MIX

Research article

Kidakoev M.M.¹, Krymova V.G.², Kidakoeva M.M.³*

^{1, 2} North Caucasian State Academy, Cherkessk, Russia;

³ Nevinnomyssk State Humanitarian-Technical Institute, Nevinnomyssk, Russia

* Correspondent author (meremhan2377[at]mail.ru)

Abstract

The article presents statistical methods of mathematical modeling of construction and technological properties of dry building mixtures (DBM) with the help of plaster stucco used as an example. A multifactorial study plan of the effect of a thickening and retarding agent on compressive strength, bending, and adhesion strength is presented. Full-factor designs for a two-factor model are developed, with a minimum (0.02%; 0.04%) and maximum (0.2%; 0.1%) dosage level of the thickening and retarding agent, respectively. The regression equations of the output parameters are obtained in the form of a polynomial of the second degree using regression and correlation analysis of the experimental data. Equations of non-linear regression are obtained. The results of correlation and regression analysis are presented.

Keywords: mathematical model, construction and technological properties, functional additives, factors, a miltifactorial experiment, variation, research, correlation analysis, regression analysis, multiple correlation coefficient, standardized coefficient, regression coefficients.

Введение

В настоящее время во время проведения самых различных ремонтных или строительных работ применяются сухие строительные смеси. Смеси сухие могут быть использованы для выравнивания различных поверхностей, для плиточных и кладочных работ, для шпаклевочных и изоляционных работ [3], [4].

Изготовление сухих строительных смесей происходит в заводских условиях. Для каждого отдельного вида строительных работ существует свой собственный рецепт приготовления смеси. Эти рецепты содержат ингредиенты и пропорции, которые необходимы для приготовления смесей. Как известно, от ингредиентов, входящих в состав смеси, зависят ее свойства [6], [9].

Применительно к растворам, с помощью функциональных добавок регулируют: скорость твердения (сроки набора прочности); прочность при сжатии и изгибе; прочность клеевого шва (проч­ность сцепления); общую и капиллярную пористость; деформации усадки и расширения; плотность; гидрофобность; долговечность (атмосферостойкость, водостойкость, морозостойкость, химическую и биохимическую стойкость) [7], [5].

Методы и принципы исследования

В настоящей статье представлено исследование влияния загустителя и замедлителя схватывания на строительно-технологические свойства гипсовой штукатурной смеси (ГШС).

Экспериментальные исследования основных технологических и свойств ГШС проведены в лабораторных условиях испытательного центра ООО Черкесскстром «ЛИТОКС» г. Черкесска в 2019-2020 годах.

В ходе проведения экспериментальных исследований строительно-технологических свойств ГШС были систематизированы сочетания исследуемых факторов (загустителя и замедлителя схватывания) в виде двух планов двухфакторного опыта на двух уровнях (2×2) [1], [2].

Первый план соответствует минимальный дозировке водоудерживающих (Х₂= 0,1%) и порообразующих (Х₁= 0,005%) добавок.

Второй план соответствует максимальной дозировке соответствующих добавок (Х₂= 0,2%, Х₁= 0,05%).

Разработанные таким образом планы экспериментов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Матрица исходных данных проведения исследований влияния загустителя Х₃ и замедлителя схватывания Х₄ на строительно-технологические свойства ГШС

Примечание. Верхние значения в ячейках регистрируемых параметров соответствуют нижнему уровню дозировки факторов Х₂=0,1%; Х₁=0,005%, нижние значения верхнему уровню дозировки соответствующих факторов Х₂=0,2%; Х₁=0,05%.

 

Статистический анализ полученного массива данных производится при помощи пакета прикладных программ «STATISTIKA», «Пакет анализа» и «Поиск решения» в MS Excel и имеет цель получить уравнение регрессии и установить степень влияния каждого фактора на основной показатель строительно-технологических свойств для двух вышеуказанных планов.

Основные результаты

Уравнения регрессии, характеризующие поверхность отклика зависимости от дозировки загустителя и замедлителя схватывания, были получены в виде полинома второй степени и имеют вид:

- для минимального уровня дозировки факторов Х₂=0,1%; Х₁=0,005%

- для максимального уровня дозировки факторов Х₂=0,2%; Х₁=0,05%

Как видно из уравнения регрессии, предел прочности при сжатии и изгибе более чувствителен к изменению дозировки замедлителя схватывания Х₄. Значения коэффициентов регрессии перед переменной Х₄, для всех уравнений имеет наибольшее значение и составило (123,5119; 5,23; 3,154762; -18,75; -0,77381; -9,52381 соответственно)

Анализируя показатели корреляционного и регрессионного анализа представленных в таблице 2 можно отметить следующее:

1. Достаточно высокие значения коэффициентов детерминации (R²=0,89…0,93) позволяет отметить, что значения исследуемых параметров Y₄, Y₅, Y₆ определяются, в основном, дозировкой загустителя и замедлителя схватывания (Х₃, Х₄).

Однако, для верхнего уровня дозировки факторов Х₂=0,2%; Х₁=0,05% значение коэффициента детерминации для прочности сцепления Y₆ составило всего 0,28, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности использования выбранной математической модели при исследовании влияния загустителя и замедлителя схватывания на прочность сцепления (адгезию).

2. Знаки в уравнениях регрессии показывают, что для минимального уровня дозировки факторов Х₁ и Х₂ увеличение дозы загустителя Х₃ негативно влияет на значение предела прочности при сжатииY₄ и изгибе Y₅, в отличие от замедлителя схватывания, а для максимального уровня дозировки Х₁ и Х₂ увеличение дозы как загустителя, так и замедлителя схватывания обуславливает снижение предела прочности при сжатии Y₄ и изгибе Y₅.

Кроме того, влияние изменения значения загустителя и замедлителя схватывания на прочность сцепления Y₆ практически одинаково. Причем для максимального уровня дозировки Х₁ и Х₂ наблюдается отрицательное влияние загустителя и замедлителя схватывания на адгезию, т.е. увеличение дозы Х₃ и Х₄ приводит к снижению прочности сцепления.

3. Стандартизированные коэффициенты регрессии (Beta) показывают, что при минимальной дозировке факторов Х₁ и Х₂ варьирование предела прочности при сжатииY₄ и изгиб Y₅ определяется в основном изменением замедлителя схватывания Х₄ (b*(x₄)=0,9; 0,91 соответственно). При максимальной дозировке Х₁ и Х₂ на Y₄ и Y₅ практически одинаково.

Изменение прочности сцепления определяется в основном варьированием дозы загустителя Х₃  (b*(x₃)=0,95; -0,44 для нижнего и верхнего уровня доз Х₁ и Х₂ соответственно).

Основные характеристики регрессионного и корреляционного анализа представлены в таблице 2.

Распределение изменения показателей строительно-технологических свойств ГШС, для различных сочетаний исследуемых факторов (загустителя Х₁, замедлителя схватывания Х₂), при минимальной и максимальной дозировке водоудерживающих и порообразующих добавок, позволяет отметить резкое снижение пределов прочности на изгиб и сжатие, практически для всех возможных сочетаний дозировок загустителя и замедлителя схватывание в 1,9…4,8 и 1,8…4,8 раза соответственно.

 

Таблица 2 – Основные показатели корреляционного и регрессионного анализа

Примечание: Верхние значения в ячейках регистрируемых параметров соответствуют нижнему уровню дозировки факторов Х₂=0,1%; Х₁=0,005%, нижние значения верхнему уровню дозировки соответствующих факторов Х₂=0,2%; Х₁=0,05%.

 

Однако для смеси, в которой доза загустителя находится на верхнем уровне Х₃=0,2%, а доза замедлителя схватывания на нижнем уровне Х₄=0,04%, изменение дозировки порообразующей и водоудерживающей добавок с минимального уровня (Х₂=0,1%; Х₁=0,005%) до максимального значения (Х₂=0,2%; Х₁=0,05%) не оказывает практического влияния на изменение предела прочности при сжатии, изгибе и на адгезию. Так изменение этих показателей составила всего – 7...10 %.

Наиболее значимое влияние изменения дозировки порообразующей и водоудерживающей добавок, зарегистрировано для смеси, в которой доза как загустителя Х₃, так и замедлителя Х₄ соответствует максимальному значению (Х₃=0,2% ; Х₄=0,1%).

Так для этого сочетания факторов Х₃, Х_4, при увеличении количества водоудерживающей и порообразующей добавок с Х₂=0,1% Х₁=0,005% до Х₂=0,2% Х₁=0,05%, привело к снижению пределов прочности при сжатии и изгибе в 4,8 раза, а адгезии в 3,2 раза.

Такая тенденция изменения основных показателей строительно-технологических  свойств (предел прочности при сжатии, изгибе, адгезия) на наш взгляд показывает, что увеличение дозировок водоудерживающей и порообразующей добавок (способствующих увеличению вязкости, пластичности, образованию пористый структуры) обуславливает снижение прочностных свойств ГШС, т. е. при увеличении вязкости, пластичности и пористой структуры исходной смеси, технологические свойства увеличиваются, а строительно-технологические снижается.

Однако, при этом, практически для всех сочетаний исследуемых факторов, наблюдается увеличение адгезии на 10…77%. За исключением рецепта смеси, в котором доза загустителя и замедлителя схватывания находится на верхнем уровне Х₃=0,2%, Х₄=0,1%. В этом случае, увеличение дозы порообразующей и водоудерживающей добавок с минимального до максимального уровня, приводит к снижению прочности сцепления в 3,2 раза.

Кроме того, рецепт смеси, где доза загустителя на нижнем уровне Х₃=0,02%, а доза замедлителя схватывания на верхнем уровне Х₄=0,1%, характеризуется наибольшим реагирование на одновременное увеличение дозы порообразующей и водоудерживающей добавок. Для этого рецепта увеличение порообразующей и водоудерживающей добавок с минимального до максимального уровня, приводит к увеличению адгезии практически в 2 раза. Такое варьирование прочности сцепления позволяет отметить, что при одновременном снижении дозы загустителя с 0,2% до 0,02% и увеличении водоудерживающей и порообразующей добавок с минимального до максимального уровня, приводит к увеличению адгезии в 3,3 раза.

Таким образом варьирования прочности сцепления определяется, в основном, дозой загустителя.

 Максимальное изменение прочностных свойств ГШС, при увеличении дозы водоудерживающей и порообразующей добавок с Х₂=0,1%; Х₁=0,005% до Х₂=0,2%; Х₁=0,05%, установлено для рецептур, при которых значение замедлителя схватывания находится на верхнем уровне Х₄=0,1%. Это говорит о том, что варьирование загустителя Х₃ практически не оказывает влияния на прочностные свойства. То есть при максимальных дозах замедлителя схватывания Х₄, дозировка водоудерживающей и порообразующей добавок, в основном, определяет изменение прочностных свойств ГШС.

Максимальное значение предела прочности при сжатии Y₄= 2,16 МПа и изгибе Y₅=0,09 МПа для минимальных значений водоудерживающей и порообразующей добавок Х₂=0,1% и Х₁=0,005% соответствует рецепту, при котором, доза загустителя Х₃=0,02% и доза замедлителя схватывания Х₄=0,1%, а для максимальных значений Х₂=0,2% и Х₁=0,05% соответствует рецепту Х₃=0,02% и Х₄=0,04%, для которого предел прочности при сжатии Y₄= 0,76 МПа, и предел прочности при изгибе Y₅= 0,032 МПа.

Наименьшее значение предела прочности при сжатии Y₄=0,725 МПа и изгибе Y₅=0,03 Мпа, для минимальных значений водоудерживающей и порообразующей добавок (Х₂=0,1%, Х₁=0,005%), соответствует рецепту, при котором доза загустители Х₃=0,2% и доза замедлителя схватывания Х₄=0,04%, а для максимальных значений Х₂=0,2%, Х₁=0,05% соответствует рецепту Х₃=0,2%, Х₄=0,1%, для которого предел прочности при сжатии Y₄= 0,430 МПа, а предел прочности при изгибе Y₅= 0,029 МПа.

То есть, при увеличении дозы водоудерживающей и порообразующей добавок с минимального (Х₂=0,1%, Х₁=0,005%)  до максимального уровня (Х₂=0,2%, Х₁=0,05%), на предел прочности при сжатии и изгибе оказывает влияние только снижение дозы замедлителя схватывания, при одном и том же значении загустителя.

Сравнивая показатели прочности сцепление для рецепта (Х₃=0,02%, Х₄=0,1%) можно отметить, что для минимального значения водоудерживающей и порообразующей добавок (Х₂=0,1%, Х₁=0,005%) адгезия принимает минимальное значение (Y₆=0,283МПа), а для максимального уровня водоудерживающей и порообразующей добавок (Х₂=0,2%, Х₁=0,05%), максимальное значение Y₆=0,5МПа.

Рис. 1 – Поверхность отклика предела прочности при сжатии (У₄) при нижнем уровне (Х₂=0,1%; Х₁=0,005%), и верхнем уровне (Х₂=0,2%; Х₁=0,05%) дозировки водоудерживающей и порообразующей добавок соответственно

Рис. 2 – Поверхность отклика предела прочности при изгибе (У₅) при нижнем уровне (Х₂=0,1%; Х₁=0,005%), и верхнем уровне (Х₂=0,2%; Х₁=0,05%) дозировки водоудерживающей и порообразующей добавок соответственно

Рис. 3 – Поверхность отклика прочности сцепления (адгезия) (У₆) при нижнем уровне (Х₂=0,1%; Х₁=0,005%), и верхнем уровне (Х₂=0,2%; Х₁=0,05%) дозировки водоудерживающей и порообразующей добавок соответственно

 

Это сравнениe показывает, что для данного рецепта, доза водоудерживающей и порообразующей добавок является доминирующей. Поверхности отклика уравнения регрессии приведены на рисунках 1–3.

Заключение

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Достаточно высокие значения коэффициентов детерминации позволяет отметить, что значения предела прочности при сжатии, изгибе и адгезия определяются, в основном, дозировкой загустителя и замедлителя схватывания. Однако, для верхнего уровня дозировки факторов Х₂=0,2%; Х₁=0,05% значение коэффициента детерминации для прочности сцепления Y₆ составило всего 0,28, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности использования выбранной математической модели при исследовании влияния загустителя и замедлителя схватывания на адгезию.
2. При переходе от минимальной к максимальной дозировке водоудерживающих и порообразующих добавок, для различных сочетаний загустителя и замедлителя схватывания, наблюдается резкое снижение пределов прочности при изгибе и сжатии, для всех возможных сочетаний дозировок загустителя и замедлителя схватывание в 1,9…4,8 и 1,8…4,8 раза соответственно.
3. Увеличение дозировок водоудерживающей и порообразующей добавок обуславливает снижение прочностных свойств ГШС, т. е. при увеличении вязкости, пластичности и пористой структуры исходной смеси, технологические свойства увеличиваются, а строительно-технологические снижается. Однако, при этом, практически для всех сочетаний исследуемых факторов, наблюдается увеличение прочности сцепления на 10…77%. За исключением рецепта смеси, в котором доза загустителя и замедлителя схватывания находится на верхнем уровне Х₃=0,2%, Х₄=0,1%. В этом случае, увеличение дозы порообразующей и водоудерживающей добавок с минимального до максимального уровня, приводит к снижению адгезии в 3,2 раза.
4. Варьирование прочности сцепления определяется, в основном, дозой загустителя.
5. При увеличении дозы водоудерживающей и порообразующей добавок с минимального (Х₂=0,1%, Х₁=0,005%) до максимального уровня (Х₂=0,2%, Х₁=0,05%), на предел прочности при сжатии и изгибе оказывает влияние только снижение дозы замедлителя схватывания, при одном и том же значении загустителя.
6. Для минимального значения водоудерживающей и порообразующей добавок (Х₂=0,1%, Х₁=0,005%) адгезия принимает минимальное значение (Y₆=0,283МПа), а для максимального уровня водоудерживающей и порообразующей добавок (Х₂=0,2%, Х₁=0,05%), максимальное значение Y₆=0,5МПа.

Благодарности Выражаем благодарность техническому директору ООО «Черкесскстром» Тамову М.М. и экономисту Тамовой А.М. за помощь при планировании и проведении эксперимента.	Acknowledgement Our gratitude to Tamov M.M., Technical Director of LLC «Cherkesskstrom» and economist Tamova A.M. for help in planning and conducting the experiment.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Вуколов Э.А. Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам и исследованию операций с использованием пакетов STATISTICA и EXCEL / Э.А Вуколов. – Москва, 2004. 462 с.
2. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке / Н. Джонсон, Ф. Лион. – Москва, 1981.
3. Дергунов С.А. Сухие строительные смеси (состав, технология, свойства) / С.А. Дергунов, С.А. Орехов : Учебное пособие.: Издательство БИБКОМ, Оренбург, 2012. 130 с.
4. Баженов, Ю. М. Технология сухих строительных смесей / Ю.М. Баженов, В.Ф. Коровяков, Г.А. Денисов // Издательство Ассоциации строительных вузов. Москва, 2011. - 112 с.
5. Тейлор Х. Химия цемента – М.: Мир, 1996. 560 с.
6. Безбородов, В.А. Сухие смеси в строительстве: учебное пособие / В.А. Безбородов, Е.В. Парикова, А.П. Пичугин // - Новосибирск, 2006. - 100 с.
7. Богданов, Р.Р. Исследование влияния супер и гиперпластификаторов на основные свойства цементного теста / Р.Р. Богданов, Р.А. Ибрагимов, В.С. Изотов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 2 (24). - С. 221-225.
8. Дворкин, Л.И. Адгезионная способность строительных растворов с пылевидным гранитным наполнителем / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, С.С. Стрихарчук // Сухие строительные смеси. - 2016. - № 1. - С. 20-22.
9. Загороднюк, Л.Х. Особенности твердения строительных растворов на основе сухих смесей / Л.Х. Загороднюк, В.С. Лесовик, В.В. Воронов, И.Л. Чулкова, А.А. Куприна, О.А. Павленко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2016. - № 10. - С. 32-36.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vukolov Je.A. Osnovy statisticheskogo analiza. Praktikum po statisticheskim metodam i issledovaniju operacij s ispol'zovaniem paketov STATISTICA i EXCEL [The basics of statistical analysis. Workshop on statistical methods and operations research using STATISTICA and EXCEL packages] / Je.A Vukolov. – Moskva, 2004. 462 p.
2. Dzhonson N. Statistika i planirovanie jeksperimenta v tehnike i nauke [Statistics and experimental design in engineering and science] / N. Dzhonson, F. Lion. – Moskva, 1981.
3. Dergunov S.A. Suhie stroitel'nye smesi (sostav, tehnologija, svojstva) [Dry construction mixes (composition, technology, properties)] / S.A. Dergunov, S.A. Orehov : Uchebnoe posobie [Textbook]: Izdatel'stvo BIBKOM, Orenburg, 2012. 130 p.
4. Bazhenov, Ju. M. Tehnologija suhih stroitel'nyh smesej [Technology of dry construction mixtures] / Ju.M. Bazhenov, V.F. Korovjakov, G.A. Denisov. – Izdatel'stvo Associacii stroitel'nyh vuzov. Moskva, 2011. - 112 p.
5. Tejlor H. Himija cementa [Chemistry of cement] – M.: Mir, 1996. 560 p.
6. Bezborodov, V.A. Suhie smesi v stroitel'stve: uchebnoe posobie [Dry mixes in construction: a training manual] / V.A. Bezborodov, E.V. Parikova, A.P. Pichugin // - Novosibirsk, 2006. - 100 p.
7. Bogdanov, R.R. Issledovanie vlijanija super i giperplastifikatorov na osnovnye svojstva cementnogo testa / R.R. Bogdanov, R.A. Ibragimov, V.S. Izotov // Izvestija Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. - 2013. - № 2 (24). - P. 221-225.
8. Dvorkin, L.I. Adgezionnaja sposobnost' stroitel'nyh rastvorov s pylevidnym granitnym napolnitelem [Adhesive ability of mortars with dust-like granite filler] / L.I. Dvorkin, O.L. Dvorkin, S.S. Striharchuk // Suhie stroitel'nye smesi [Dry construction mixes]. - 2016. - № 1. - P. 20-22.
9. Zagorodnjuk, L.H. Osobennosti tverdenija stroitel'nyh rastvorov na osnove suhih smesej [Features of hardening mortars based on dry mixes] / L.H. Zagorodnjuk, V.S. Lesovik, V.V. Voronov, I.L. Chulkova, A.A. Kuprina, O.A. Pavlenko // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University. V.G. Shukhov] - 2016. - № 10. - P. 32-36.