Исследования структуры и физико-механических свойств модифицированной глины

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

Глина в качестве конструкционного материала для стен использовалась с самых древних времен во всех частях земного шара, в том числе и в Центральной Азии. Умелое и качественное возведение конструкций из естественного экологически чистого материала, правильная эксплуатация зданий обеспечивали их прочность и долговечность. По-видимому, наши предки знали секреты придания прочности и долговечности сооружениям из глинистого сырья. Вследствие этого, до наших дней сохранились архитектурные памятники из глиноматериалов в Узбекистане (Самарканд, Хива и Бухара), Германии, США, Китае,

Йемене и многих других странах, как свидетельство процветания архитектурной и инженерной мысли того времени.

С развитием индустриализации строительства традиционный строительный местный материал, игравший важную роль в жизни человека, вытеснялся конструкциями из бетона и железобетона. Повсеместно возводились от одноэтажных сельскохозяйственных зданий до крупных промышленных предприятий только из железобетона, если даже это не было целесообразным. Принимая во внимание не капитальность и трудоемкость возведения, конструкций из глиноматериалов, глина даже не была включена в нормативные документы бывшего Советского Союза в качестве возможного конструкционного материала. Поэтому материалы из глины сохранились только в индивидуальном жилищном строительстве, возводимые примитивными и кустарными способами. Это объясняется, прежде всего, отсутствием специалистов, что привело к постепенному забвению накопленного опыта по глиносырцовому строительству. Проекты по глиносырцовому строительству единичны, но и те, которые имеются, не лишены многих ошибок, недостаточно учитывался в них отечественный и зарубежный опыт.

В странах западной Европы строительство жилых многоэтажных домов за последние 20 лет стало исключением из правил. Вторжение малоэтажной застройки в современный город продолжается. В настоящее время в связи с широким развитием строительства малоэтажных жилых, сельскохозяйственных, производственных и общественных зданий вокруг больших городов и в сельской местности использование местных глиноматериалов приобретает важное значение.

За годы индустриализации основное внимание научно- технической мысли в Узбекистане было обращено на строительство из сборного железобетона, в результате, не получили должного развития конструкции из других материалов, в том числе глиноматериалов, традиционно широко используемых народом. Следовательно, не проводились исследования напряженно — деформированного состояния стены из местных материалов при действии статических и сейсмических нагрузок, не разрабатывались методы повышения несущей способности зданий из глиноматериалов.

Обретение независимости Узбекистаном позволило развернуть научные исследования имеющие непосредственное отношение к региональным потребностям и традициям народа [1]. Примером тому является включение в число важнейших государственных научнотехнических программ Узбекистана темы: №30.6 «Разработка стеновых материалов и изделий на основе местных материалов для малоэтажного строительства», в рамках которой была выполнена настоящая работа [2].

Наблюдения за хорошо сохранившимися постройками показывают, что при правильном подборе и обработке глиносырцовых материалов и защите их от увлажнения при эксплуатации, они способны служить сотни лет. Поэтому требуется изучение исторического опыта и проведение комплекса исследований с использованием современных надежных средств. Изучение физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния стен современными методами и на их основе выявление резервов прочности глиносырцовых конструкций, и разработка методов и средств увеличения прочности, долговечности, а также расчета на статические и сейсмические воздействия представляют задачи, которые необходимо еще глубоко изучить.

Территория Узбекистана расположена в невыгодных условиях для строительства, а именно: высокая активность сейсмических воздействий, просадочность грунтов и высокая агрессивность подземных грунтовых вод. Это все накладывает дополнительную сложность в проведении исследований в области строительной науки [10].

Для упрочнения и улучшения долговечности глиносырцовых конструкций народами Центральной Азии широко использовались отходы растений, чаще всего колосовых. Вместе с тем, развитие легкой и химической промышленности сопряжено с появлением отходов искусственного происхождения. Их утилизация и вторичное использование также является важным экологическим вопросом.

В связи с вышеизложенным, повышение прочности и долговечности стен из местных глиноматериалов путем модификации их синтетическими волокнами отходов легкой промышленности является актуальной задачей. В легкой промышленности Хорезмского вилоята производством ковров занимаются: Хивинский ковроткацкий комбинат, ковровая фабрика ручного производства и два десятка малых предприятий. Ковроткацкое производство вилоята с производительностью до 2,98 млн м2 выделяет волокнистые различные отходы. Акционерным обществом «Хоразм ипаги» выпускается ткань панбархата в объеме более 1000 м2 в день при односменной работе, которое также выделяет волокнистые отходы. В последние годы в производстве ковровых изделий все больше применяются разные искусственные материалы.

Ежегодно в Хорезмском вилояте образуется около 800 т отходов (волокон) в текстильной и ковроткацкой промышленности. Причем, подавляющее большинство ежегодных отходов составляет кноп стригальный с диаметром 0,002–0,03 мм и длиной до 12 мм. К тому же эти волокнистые отходы непригодны для повторного применения в ковроткацком и текстильном производстве.

Одним из стабилизирующих способов свойства глины является добавление в состав массы волокнистых материалов. Учитывая широкое внедрение в текстильной и ковроткацкой промышленности искусственных волокон и их устойчивость биологическому воздействию, а также действию кислот, щелочей и света принято решение использовать отдельные короткоразмерные отходы для упрочнения глины [3].

При оценке результатов исследований важно знать точность и надежность измерений. В связи с чем в задачу измерений входило не только определение значения самой измеряемой величины, но и оценка погрешности, допущенной при измерении [4].

Ошибки измерения обычно связаны с суммарным эффектом влияния различных факторов. Достоверность экспериментальных данных нельзя оценить только средней прочностью глин. Неоднородность структуры любых глинистых материалов, а также неодинаковость условий их испытания приводят к естественному разбросу получаемых результатов, поэтому важным показателем их достоверности является коэффициент вариации прочности. При решении практических задач за величину допустимой общей ошибки обычно принимают не выше 5%, что обеспечивается увеличенным числом измерений (определений) для каждой исследуемой партии и их статистической обработкой. Основная цель статистической обработки состояла в том, чтобы определить доверительный интервал внутри которого с заданной вероятностью располагается среднее значение предельного сопротивления материала при том или ином напряженном состоянии. Для этого на основании n испытаний σ i ( i = 1,2,3.) вычислено среднее значение σ i , квадраты погрешностей отдельных испытаний и на их основе среднеквадратичное отклонение S n (эмпирический стандарт):

N               ²

S n =

где, σ i — среднее предельное напряжение; σ i — его отдельные значения.

Коэффициент вариации определен отношением:

V = ^Sn 100 % ; σ _i

Границы доверительного интервала ∆ σ i находим по формуле:

tp ( ⁿ ) S_n

где t p (n) — коэффициенты Стьюдента, зависящие от выбранной величины надежности P и от количества опытных образцов.

Учитывая, то что на каждый вид соотношений напряжений было испытано ограниченное количество образцов, статистическая отбраковка осуществлена только при стандартных испытаниях [5]. Чтобы выяснить, является ли испытание достоверным, проверено условие:

(°i -^n-1)                                          (4)

≥ t p(n-1)

Sn - 1

Образец забраковывался, если это условие соблюдалось.

Среднее квадратичное отклонение прочности, вычисленное на основании результатов испытаний образцов из модифицированной глины при содержании отходов 1%, составляет 4,00 МПа для кубов и 3,45 МПа для призм, коэффициент вариации равен соответственно 4,28% и 5,41%, т.е. процент изменчивости призменной прочности незначительно выше, чем кубиковой. Испытанием образцов из обычной глины получена средняя кубиковая и призменная прочности равные соответственно 2,56 МПа и 2,1 МПа, Разброс значений прочности призменных образцов больше, чем у кубиковых, это объясняется непостоянством гранулометрического состава исходной глины и погрешности прессового оборудования. Коэффициенты вариации прочности для модифицированной глины с 1% волокном (4,28%) оказались меньшими по сравнению с модифицированной глиной с 5% содержанием волокон (6,21%) и это дает основание сделать вывод о существенном влиянии содержания волокон, на свойства модифицированной глины. При большем содержании волокон ухудшается однородность структуры материала.

Также наблюдается увеличение коэффициента вариации у термообработанных образцов по сравнению с образцами без термообработки. Доверительная вероятность показателя прочности модифицированной глины, как у обычного бетона, однородность бетона признается удовлетворительной, если v имеет значения не более 0,135% (или 13,5%). Правильно организованное производство бетона позволят достигать значения v =7-8 % или еще ниже [6] и это близко к коэффициенту вариации МГ(5-9%) может быть установлена не ниже 0,95 [7]. В этом случае число стандартов (показатель надежности) математической статистики определятся величиной η=1,64. Используя статистическую изменчивость прочности МГ (коэффициент вариации), определяется нормативное сопротивление модифицированной глины [8].

Изучены химические, физико-механические и гранулометрические составы суглинков месторождений Хорезмского вилоята, являющихся сырьем для зданий из глиноматериалов. По содержанию Al2O3 суглинки Хорезмского вилоята относятся к кислой группе. По содержанию красящих окислов — к высокосодержащим красящих окислов и отличается большим содержанием K2О и Nа2О3 включений. Вместе с тем в глинах Хорезмского региона больше несвязанного кварца (17,4%), отрицательно влияющих на сцепляемость. К тому же по пластичности суглинки относятся к умеренным, по гранулометрическому составу содержание мелких фракций (0,001–0,005) в два раза меньше по отношению среднего уровня глин других регионов Узбекистана. По засоленности Хорезмская глина занимает одно из ведущих (0,2) мест в Республике [9, 10].

Определены объемы годового отхода легкой промышленности Хорезмского вилоята, изучены свойства и составы волокон являющихся сырьем для модификации глины. Установлено, что 90% отходов состоят из искусственных волокон: нитрона, капрона и вискозы. Годовой объем волокнистых отходов составляет около 800 т.

Изучено влияние влажности на физико-механические свойства глинистого сырья и предложен коэффициент по определению расчетного количество воды для приготовления смеси модифицированной глины. В зависимости от влажности карьерной глины и процента содержания волокон оно колеблется от 1,04% до 1,24%. Формовочная относительная влажность смеси должна быть в пределах 19,4–23,1%.

Определен оптимальный процент содержания волокон при модификации глин с использованием различного вида отходов, а именно для отходов ковроткацкого и текстильного производства — 1,0% волокон по массе. При установленном проценте содержания волокнистой массы получены наилучшие результаты, а именно: увеличение кубиковой прочности на 50–60%, призменной прочности на 65–70%, прочности на осевое растяжение на 45–50% и начального модуля упругости на 70–80% по сравнению с аналогичными показателями обычной глины. Разработанный оптимальный состав признан изобретением и защищен патентом Республики Узбекистан за №5887 от 30.09.1999 г.

Установлены зависимости между призменной и кубиковой прочностями ( R пр /R куб ), сопротивлением на осевое растяжение и сжатие ( R р /R куб ), а также начальным модулем упругости и кубиковой прочностью модифицированной глины.

Глина благодаря модификации становиться формоустойчивым (обычная глина не обладает формоустойчивостью) и нехрупким материалом. Формоустойчивость образцов из модифицированной глины составляет 85% от разрушающих напряжений. Средняя предельная сжимаемость призм из модифицированной глины в два раза больше, чем у обычной глины.

Модификации уменьшают усадку образцов глины на 60-70% в зависимости от содержания модифицирующих волокнистых отходов. Модификации глины волокнистыми отходами и последующая термообработка улучшает морозостойкость, и водостойкость материала эти свойства зависят от процента содержания волокон, температуры термообработки и времени выдержки материала в печи. Чем дольше время выдержки модифицированной глины в печи тем она становится более морозостойкой. Например: у серии 3 (с 1% содержанием волокон) время выдержки 4 часа — морозостойкость 5 циклов, а для 9 серии (с 8% содержанием волокон) образцов с выдержкой 4 ч, морозостойкость 15 циклов.

Хотя термообработка улучшает влагоустойчивость и морозостойкость, термообработанные образцы из модифицированной глины уступают по прочности аналогичным образцам без термообработки на 16–20%, в то время даже этот показатель лучше, на 30–40% чем у обычного образца с термообработкой. Современные методы исследования структуры модифицированной глины показывают, что в сочетании с упрочняющим эффектом равномерно расположенные волокна улучшают эксплуатационные характеристики материала. При увеличении содержания волокон более чем 1% структура материала становится рыхлым, приводящим к снижению прочностных свойств. Термообработка же превращает эту рыхлую структуру в плотную и от этого улучшается влаго- и морозоустойчивость МГ за счет расплавленных и взаимно склеенных волокон.

Обработкой результатов испытаний получено отклонение по прочности МГ: при действии сжимающих напряжений 4,5–9%, при действии растягивающего напряжения — 58%. Установлено, что при большем содержании волокон ухудшается однородность структуры материала и увеличивается коэффициент вариации. Также наблюдается увеличение коэффициента вариации у термообработанных образцов по сравнению с образцами без термообработки.