ПРОВЕДЕНИЕ МНОГОФАКТОРНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ ОПИЛКОБЕТОННОЙ СМЕСИ

CONDUCTING OF MULTIFACTOR EXPERIMENT PLANNING FOR THE ANALYSIS OF THE STRUCTURE SAWDUST CONCRETE MIXTURE кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации Филичкина М.В.

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Filichkina M.V.

FSBEI НРБ «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies» Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script DOI: 10Л2737/2971

Abstract. In this article we study the composition of sawdust concrete mixture, which allows manufacturing of construction products with good range of strength and heat-insulating properties, depending on the purpose of the products. The method of calculating the components of the mixture and the results of calculation of mixture components and results of tests of samples, as well as description of nomograms and the rules for its use in determining the porous composition of the mixture components is considered.

Keywords: concrete, wood waste, composition, sawdust.

На лесоперерабатывающих и деревообрабатывающих предприятиях лесного комплекса в процессе их работы образуется большое количество отходов и наименее из них реализованными являются опилки. В то же время одним из наиболее перспективных и популярных материалов для строительства в Европе и США является опилкобетон, который в СССР начал применяться еще с 60 годов 20 века. Многолетняя эксплуатация зданий из опилкобетона позволяет судить о долговечности этого материала, его высоких экологических и энергосберегающих свойствах. Наиболее широко опилкобетон может быть использован в малоэтажном строительстве, он выгодно отличается облегченной структурой в сочетании с экологичностью и хорошей теплоизоляцией.

Опилкобетон может найти широкое применение как стеновой материала для наружных стен, внутренних капитальных и перегородок. Поскольку к этим стенам предъявляются различные требования по прочности и теплопроводности, то целесообразно и изготовлять изделия из опилкобетона также с различными свойствами, тем более, что это напрямую связано и с его стоимостью.

С небольшим содержанием цемента в смеси, а следовательно и более дешевые, изделия можно использовать, например для перегородок и других ма- лонагруженных конструкций. К тому же вследствие большого содержания в изделиях опилок эти стены будут обладать хорошими теплоизоляционными свойствами и имея крупнопористую структуру этот материал позволит свести к минимуму расход энергии на обогрев и вентиляцию сооружений и тем самым обеспечить хороший воздухообмен. Для наружных стен зданий и несущих внутренних капитальных стен требуются изделия более прочные, поэтому в смесь вводится большое количество цемента и соответственно меньше опилок.

Таким образом, варьируя содержание в смеси цемента и опилок, можно получать изделия различного назначения и способствовать минимизации затрат на производство опилкобетона.

На кафедре лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации ВГЛТА были проведены исследования по определению оптимального состава смеси, прочностные свойства которой регулировались за счет соотношения цемента взятого в качестве вяжущего и опилок, как наполнителя. В качестве нейтрализатора вредных для кристаллизации цемента выделений из опилок использовалось жидкое стекло, а в качестве ускорителя отвердения цемента - сернокислый алюминий.

В основе количественного формирования смесей из указанных компонентов было принято такое условие, которое определяло назначение строительных изделий, изготовляемых из предлагаемых смесей, имеется ввиду, что в строительных конструкциях предъявляются различные требования к стенам, для которых планируется использовать опилкобетон в виде блоков.

Были изготовлены опытные образцы изделий из опилкобетона, для чего использовались стандартные спаренные металлические контейнеры с размером полости 100x100x100 мм (рисунок 1)

а) общий вид контейнеров; б) лабораторные образцы из опилкобетона

Рисунок -1 а) общий вид контейнеров; б) лабораторные образцы из опилкобетона

Для выбора требуемого сочетания компонентов смеси был проведено планирование многофакторного эксперимента.

В качестве варьируемых факторов были принятии следующие: мц -масса цемента в % к общей массе смеси Мсм ;Мо„- масса опилок в % к мсм; Мн -масса нейтрализатора вредных выделений из опилок в % к массе опилок МнмУс- масса ускорителя кристаллизации цемента в % к массе цемента ^„ Выходным параметром процесса был принят предел прочности на сжатии

Таблица 1 - Факторы варьирования и их уровни

Фактор

Уровни фактора

Интервал

варьирования

Наименование компонента смеси

Обозначение

натура

льное

кодированное

верх

ний

нижний

основной

Цемент, %

М

80

20

50

30

Жидкое стекло, %

М"

*2

14

6

10

4

Сернокислый алюминий, %

м

*3

1,8

1,2

1,5

0,30

Масса опилок тоже варьировалась, но она варьировалась соответственно массе цемента-цемента больше или меньше, соответственно меньше или больше опилок в смеси определенной массы, т.е. между массой цемента и массой опилок была жесткая коррелируемая связь.

Анализ используемых рецептур смесей для опилкобетона позволил установить, что для внутренних перегородок можно использовать стеновые блоки со сравнительно небольшой прочностью (марки опилкобетона М5, Ml0 с пределом прочности на сжатие осж =0,5... 1 МПа), поэтому нижний предел для массы цемента был установлен минимальным 20%. С учетом получения более прочного материала например для наружных стен максимальное процентное содержание цемента в смеси было принято до 80% (по массе).

Процентное содержание в смеси по массе жидкого стекла было принято в опытах от 6 до 14% относительно массы опилок мч, а сернокислого алюминия от 1,2 до 1,8% относительно массы цемента ^ц

Нормализованное значение факторов связаны с натуральным следующим соотношением.

где xi- нормализированное значение фактора,^,- натуральное значение фактора,^,0- основной уровень фактора ^ ,Д,- - интервал варьирования фактора

Формулы связывающие нормализованные натуральные значения факторов имеют вид

Для проверки гипотезы о нормальном распределении выходной величины

была поставлена отдельная серия из 8 опытов *i=20, *2=6, *3=1,2

Число повторений 5, уровень значимости 0,05

Матрица полнофакторного планирования эксперимента третьего порядка в нормализованных обозначениях факторов приведена в таблице 2.

№ опыта

X,

*2

х3

Чг

*1*3

х2х3

ХХ2Х3

У*

1

20

6

1,2

120

24

7,2

144

0,548

2

80

6

1,2

480

96

7,2

576

5,742

3

20

14

1,2

280

24

16,8

336

0.679

4

80

14

1,2

1120

96

16,8

1344

6,802

5

20

6

1,8

120

36

10,8

216

0,77

6

80

6

1,8

480

144

10,8

864

7,282

7

20

14

1,8

280

36

25,2

504

0,748

8

80

14

1,8

1120

144

25,2

2016

7,3

По полученным результатам эксперимента математическую модель процесса будем искать в виде уравнения множественной регрессии третьего порядка

Проверяем однородность дисперсии в опытах и определяем дисперсии отклика.

Для каждой строки матрицы вычисляем дисперсию по формуле:

где Уdisj - дисперсия в параллельных опытах; Ум - значение откликов в параллельных опытах; - среднее значение откликов в параллельных опытах; J - номер опыта (строки в матрице), м - число параллельных опытов.

Однородность дисперсии обычно оценивается по критерию Кохрена. Для этого определяется отношение наибольшей дисперсии к сумме всех дисперсий:

Расчетное значение критерия Кохрена Gd =0,405; Коэффициент из матрицы значений критерия Кохрена для значимости б =0,05 имеет табличное значение Go =0,518. Так как расчетное значение G*<Gd, дисперсии являются однородными. После того как мы установили однородность дисперсии в опытах можно определять дисперсию отклика по следующей формуле:

После этого можно определить коэффициенты уравнения регрессии: по формулам:

где К - свободный член уравнения; bj - коэффициенты при факторах;

Проверку значимости (статистического отличия от нуля) коэффициентов уравнения регрессии удобно проводить построением критической области: После расчета коэффициентов регрессии будет иметь вид:

Проверка адекватности модели выполняется следующим образом:

где у я - значение функции отклика. 3W** =3,759

Для проверки гипотезы адекватности можно использовать критерий Фишера при степенях свободы используя формулу

Полученное значение критерия Фишера равно ^=0,89, Так как расчетное значение критерия Фишера не превышает табличное значение ^с>=1,то уравнение регрессии адекватно.

Прочность опытных образцов из опилкобетона, МПа приведены в таблице 3

Таблица 3 - Прочность образцов из опилкобетона

Масса сернокисло-

м

го алюминия тус в % от цемента м

Масса жидкого стекла в % от массы опилок мя

Масса цемента мч в % от массы смеси Мсм

20

50

80

1,2

10

0,51

3,51

5,72

1,5

10

0,69

5,48

6,98

1,8

10

0,71

5,51

7,18

1,5

6

0,45

4,61

4,73

1,5

10

0,69

5,48

6,98

1,5

14

0,72

5,49

7,22

На основании данных таблицы 3 были построены пространственные графики зависимостей предела прочности опытных образцов на сжатии асж от содержания ускорителя отвердевания цемента сернокислого алюминия по массе, м„ в % от массы ми нейтрализатора ядов жидкого стекла по массе, м в % от массы опилок моп

Анализ данных таблицы 3 показывает, что для любого содержания цемента в смеси существует некоторое оптимальное содержание добавок в виде ускорителя отвердевания цемента (сернокислый аллюминий) и нейтрализатора вредных ядов древесных опилок (жидкое стекло), которое оказывает наиболее эффективное действие на обеспечение требуемой прочности опилкобетона для сернокислого алюминия 1,5% от массы цемента, а для жидкого стекла 10% от массы опилок. Меньшие значения от указанных не позволяют эффективно действовать на смесеобразование - предел прочности на сжатие снижается. Следует отметить, что влияние добавок существенно не зависит от относительного содержания цемента в смеси и отличается на 6... 11% при содержании цемента в смеси от 20 до 80 %. В тоже время влияние добавок весьма существенно, причем влияние нейтрализатора вредных ядов более явно выражено, чем ускорителя отвердевания цемента. Так прочность опилкобетона уменьшается при недостаточном количестве жидкого стекла на 36...38 %, а при недостаточном количестве сернокислого алюминия на 16...29 %.

Таким образом, проведенные нами исследования показали, что за счет правильного регулирования добавок в смеси опилкобетона, влияющих на прочность отвердевания цемента и его адсорбции с опилками можно получать опил- кобетон с заданными свойствами по прочности для строительных изделий различного назначения.

Библиографический список

  • 1. Филичкина М. В. Концепция использования древесных отходов для получения древесно-композиционных материалов на лесоперерабатывающих предприятиях / М. В. Филичкина, В. В. Абрамов, Д. С. Самошин ; М. В. Филичкина, В. В. Абрамов, Д. С. Самошин// Агролесомелиорация в системе адаптивно-ландшафтного земледелия: поиск новой модели (к 90-летию академика РАСХН Е. С. Павловского) : материалы Международной научно- практической конференции аспирантов и молодых ученых, Волгоград, 25-28 ноября 2013 г. / гл. ред. К. Н. Кулик. - Волгоград : ВНИАЛМИ, 2013. - С. 280-284. - Библиогр.: с. 284.
  • 2. Филичкина М. В. Обоснование и разработка процессов формирования древеснокомпозиционных материалов: дис. ... канд. техн. наук : 05.21.05 : защищена 23.12.11 / М. В. Филичкина ; М. В. Филичкина ; Воронеж, гос. лесотехн. акад. - Воронеж, 2011. - 157 с. : ил. + прил.; eLIBRARY. - Библиогр.: с. 125. - Б.ц.
  • 3. Сушков С. И. Принципы формирования древесно-композиционных материалов с использованием отходов лесопромышленного производства/ С. И. Сушков, М. В. Филичкина ; С. И. Сушков, М. В. Филичкина// Строительные и дорожные машины. - 2014. - № 1. - С. 12- 17. - Библиогр.: с. 17.
  • 4. Филичкина М. В. Использование низкокачественной древесины для производства древеснокомпозиционного материала / М. В. Филичкина ; М. В. Филичкина// Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов : материалы международной молодежной научной школы, 14-15 июня 2012 г. / под ред. М. В. Драпалюка ; ФГБОУ ВПО "ВГЛТА". - Воронеж, 2012. - С. 472-477. - Библиогр.: с. 477 .

УДК 674.8:519.857.6

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >