УДК 691.217–492.2:661.322

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТВЕРДЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Резник Антон Александрович1, Грачева Юлия Вячеславовна2
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры геотехники и дорожного строительства

Аннотация
Данная статья посвящена изучению влияния температурного фактора на процессы структурообразования геосинтетических композитов. Изучено влияние двухступенчатой тепловой обработки: ТВО при температуре изотермии 80 ºС с последующим сухим прогревом при tиз>130ºС.

Ключевые слова: активизатор твердения, геосинтетическое вяжущее, песчаник, силицитовая порода, термическая обработка, условия твердения, физико-механические свойства, щелочь


EFFECT OF CURING CONDITIONS ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF GEOSYNTHETICS

Reznik Anton Aleksandrovich1, Gracheva Julia Vjacheslavovnaте2
1Penza state university of architecture and construction, Student
2Penza state university of architecture and construction, Candidate of Technical Sciences, associate professor of geotechnics and road construction

Abstract
This article is devoted to studying of influence of a temperature factor on processes of structurization of geosynthetic composites. Influence of two-level thermal treatment is studied: TVO at a temperature of isothermie of 80 ºС with the subsequent dry warming up at tiz> 130zs.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Резник А.А., Грачева Ю.В. Влияние условий твердения на физико-механические свойства геосинтетических материалов // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 12. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/12/39689 (дата обращения: 01.10.2017).

Результаты последних исследований  позволили выявить ряд горных пород осадочного происхождения, которые под  действием малых добавок шлака, не превышающих 20 %, и низких дозировок щелочей  NaOH или КOH, способны к формированию контактно-метасаматических структур [1]. Особенностью новых вяжущих и  композиционных материалов на их основе является способность многократного  повышения прочности (по сравнению с 28-суточной при нормальных условиях  температуры) в условиях мягкой термической активации при температуре от 150 до  330 °C. Вяжущие на основе силицитовых пород в большей степени подвержены  упрочнению при низкотемпературной термической активации, нежели карбонатно-шлаковые и глиношлаковые.

На начальном этапе оценка степени  термолического упрочнения осуществлялась на образцах, изготовленных из  геосинтетического вяжущего. В качестве основного компонента вяжущего применялся  песчаник шемышейский Пензенского месторождения, измельченный до Sуд. = 600 м2/кг. Содержание  щелочи NaOH = 7 % от массы вяжущего. Прессование осуществлялось из смеси с  формовочной влажностью 14%, при удельном давлении прессования 25 МПа. После  выдержки образцов в течение 1 суток в нормально-влажностных условиях  подвергались сухому прогреву при температурах  изотермической выдержки 130, 200 и 330 °C по режиму 4+4+3  (подъем-выдержка-остывание). В табл. 1 представлены результаты испытания образцов.

Таблица 1 – Физико–механические свойства  геосинтетических образцов

Состав, %

в/т

                  Прочность  при сжатии, МПа

Плотность, кг/м3

Водопоглощение по массе, %

28 сут. Н.У.

После прогрева

130 °C

200 °C

330 °C

после 200°C

после

330 °C

   Песчаник – 100,

NaOH  – 7

0,14

40,0

1965

176,4

1945

192,8

1920

204,8

1905

12,1

13,9

Термическая обработка образцов с  прочностью 40 МПа, как следует из табл. 1, повышает прочность в 4,4; 4,8 и в  5,1 раза соответственно, при температуре изотермии 130, 200 и 330 °C. Важно,  что такие значения прочности получены у образцов с невысокой средней  плотностью. Истинная плотность затвердевшего вяжущего, прогретого при  температурах 200 и 330 °C, оказалась, соответственно, 2568 и 2557 кг/м3,  а его пористость 12,1 и 12,9 %. Определим гипотетическую прочность,  условно заполнив воздушное пористое пространство пористым веществом вяжущего, с  соответствующими значениями его прочности. Тогда прочность приближенно можно  определить по правилу аддитивности: R200= 192,8 + (0,21·192,8) =
216,1 МПа и R330= 204,8 + (0,129·204,8) = 231,2 МПа. Реально,  значения прочности вяжущего от переноса массы в пористое пространство его  должно быть существенно выше, так как прочность пористых материалов связана с  пористостью не обратно пропорциональной линейной зависимостью, а квадратичной  или, даже, кубической. Однако даже при принятом невыгодном допущении полученные  значения прочности соответствуют лучшим сортам гранита при его плотности 2700  кг/м3.

В следующим эксперименте были изготовлены образцы-цилиндры диаметром и  высотой 20 мм при давлении прессовая 25 МПа, которые хранились в  воздушно-влажностных условиях в течение 28 сут при температуре 22 °C либо  подвергались тепловой обработке (ТО) по мягкому режиму с медленным подъемом  температуры и выдержкой при t = 90°C с последующим сухим прогревом с повышением температуры  до 330°C. Основные  физико-механические свойства геокомпозитов приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Влияние температуры  твердения на прочность и водостойкость образцов

№ состава

Вяжущее

В/Т

Средняя прочность при сжатии МПа,
после  28 суток твердения

Средняя прочность при сжатии, МПа,
после тепловой обработки при tиз, ºC

Средняя прочность при сжатии

 во влажном состоянии, МПа

 (после t=330
oC)

Коэффициент водостойкости через

 2 суток
водонасыщения, Кв

Основной компонент

NaOH, % от массы вяжущего

90

140

200

330

1

Песчаник

куракинский,

Sуд. = 600м2/кг

7,0

0,14

32,3

78,3

103,3

108,3

120,0

98,4

0,82

2

6,0

0,12

21,8

41,7

60,0

65,0

70,7

50,4

0,71

3

3,0

0,12

2,8

4,7

6,0

6,7

13,3

6,0

0,45

4

Песчаник

шемышейский

Sуд. = 600м2/кг

7,0

0,14

40,0

139,8

156,0

170,6

179,3

165,0

0,92

5

6,0

0,12

21,2

110,0

124,6

128,3

133,7

115,7

0,86

6

3,0

0,12

6,4

26,6

34,9

45,0

55,0

45,9

0,83

Анализ табличных данных свидетельствует  о приросте прочности при сжатии образцов на шемышейском песчанике в 1,2-1,8 раза,  куракинском в 1,5-2,8 раза с повышением температуры изотермии с 90 до 330 °C.

Было изучено влияние режимов тепловой обработки на  формирование прочности модифицированных геосинтетических композитов.

В качестве добавок-модификаторов нами были использованы гидроксид  алюминия и каолин. Образцы были изготовлены на основе шемышейского песчаника,  активированного щелочью NaOH в количестве 7%, при давлении прессования 25 МПа.  Влажность формовочной смеси 14 %. Термообработка образцов производилась по  мягкому режиму с медленным подъемом температуры, при различных температурах  изотермии – 130, 200 и 330°C. Результаты испытаний  образцов приведены в табл. 3.

Анализируя  приведенные данные, можно отметить следующее. Термическая обработка образцов  оказывает положительное влияние на процесс структурообразования геокомпозитов
не только на основе чисто геосинтетических вяжущих, но и на основе  модифицированных геосинтетических вяжущих. С повышением температуры изотермии  при тепловой обработке от 130 до 330 °C характерен незначительный прирост  прочности при сжатии примерно на 16-38 %.

Таблица 3  – Влияние количества модификатора и температуры твердения на прочности образцов

№ состава

Вид

песчаника

Содержание добавок, %

от массы вяжущего

Средняя плотность в сухом состоянии,
кг/м3

Средняя прочность при сжатии, МПа,
после тепловой обработки при

каолин

Al(OH)3

t=130oC t=200 oC t=330oC

1

Песчаник

шемышейский

Sуд=600м2/кг

0

0

1965

176,4

192,8

204,8

2

3,0

0

1965

170,3

190,4

201,2

3

4,0

0

1950

127,0

160,7

172,0

4

5,0

0

1930

124,6

136,7

144,3

5

0

3

1940

139,0

157,6

177,8

6

0

4

1915

132,4

151,3

173,1

7

0

5

1910

119,7

139,8

154,7

8

0

10

1900

85,0

102,5

117,1

В  соответствии с результатами, показанными в табл. 1-3, большой интерес представляют высокие значения прочности затвердевшего силицитового камня, которые можно реализовать для изготовления изделтй, работающих в сухих  условиях, в частности сушилах и печах в зонах подсушки, подогрева и охлаждения.  Такая высокая прочность не требуется для изготовления изделий, эксплуатируемых  в печах. За счет наполнения вяжущего термостойкими наполнителями возможно  существенное снижение стоимости изделий и повышение их термостойкости.

В  связи с этим были проведены исследования по определению термической стойкости  образцов на основе песчаников.

Смесь приготавливалась на основе тонкомолотого песчаника Шемышейского месторождения  Пензенской области с удельной поверхностью 630 м2/кг и зернистого  шамота фр. 0,14…0,63 мм и 1,25…2,5 мм. Измельченные компоненты сухой смеси перемешивались в течение 10…15 минут в лабораторной мельнице с резиновыми  пробками. Количество вводимого шамота в смесь варьировалось от 15 до 20 % от  массы песчаника. Формовочные смеси имели влажность 12 %. Формовались образцы–кубы  с размерами ребер 3 см методом прессования при удельном давлении 25 МПа.  Образцы твердели при пропаривании с последующей сушкой при t=150°C после чего  были подвергнуты испытаниям.

Термическая  стойкость определялась по ГОСТ 20310–90. Высушенные образцы подвергались  нагреву до 800 °C с выдержкой при конечной температуре в течение 40 минут,
после чего вынимались из печи, погружались в воду с t=20…22°C и охлаждались в  ней в течение 5 минут. После выдержки образцов на воздухе в течение 15 минут
повторялся следующих цикл. Испытания продолжались до потери прочности не более  40%.

Составы  и результаты испытаний представлены в табл. 4.

Таблица 4 – Термо–механические  свойства образцов

№ п/п

Состав, %

Средняя

плотность в
сухом состоянии ρ, г/см3

Прочность в высушенном
состоянии Rсж, МПа

Термостойкость,
цикл

1

Песчаник–100

1,890

120

3

2

Песчаник–80,

Шамот  фр. 0,14…0,63 мм – 20

1,903

102

6

3

Песчаник–80,

Шамот  фр. 1,25…2,5 мм – 20

1,910

98

20

В  соответствии с результатами, представленными в таблице 4, большой интерес  представляют высокие значения прочности затвердевшего силицитового камня,  которые можно реализовать для изготовления изделий, работающих в условиях с  повышенной температурой. В частности, сушилах и печах – в зонах подсушки,  подогрева и охлаждения. Такая высокая прочность не требуется для изготовления  стен и сводов. Затвердевший песчаник, имея высокую прочность после пропаривания  и сушки, является не термостойким (2…3 цикла водных теплосмен). С целью  повышения последнего вводили в состав бетона дробленый шамот. При наполнении  составов дробленым шамотом фр. 0,315…0,63 мм удалось повысить термостойкость до  6…7 циклов термических смен. Дробленый шамот фр. 1,25…2,5 мм позволил повысить  термостойкость до 18…20 циклов водных теплосмен с потерей прочности не более 40  %. Эта фракция является наиболее оптимальной и при изготовлении жаростойких  материалов на основе модифицированного глиношлакового вяжущего, в котором  термостойкость составляла 71 цикл.

Проведенные  нами исследования показали, что композиционные материалы на основе песчаников с  жаростойким тонкозернистым шамотом применимы для соответствующих условий  эксплуатации: в печных агрегатах керамических производств при температурах до  800…900 °C – в зонах подсушки, подогрева и охлаждения. Использование песчаников
способствует утилизации отходов от не использованных отсевов камнедробления,  охране окружающей среды и расширению сырьевой базы строительных материалов.


Библиографический список
  1. Калашников В.И. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, А.А. Карташов, М.Н. Мороз // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения отделения строительства наук РААСН. – Издательство Самарского государственного архитектурно-строительного университета. – Самара,
    2004. – с. 205-209.


Все статьи автора «Грачева Юлия Вячеславовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: