Арболит марка прочности: Прочность арболита на сжатие — от чего зависит и как испытывается марка арболитовых блоков

За счет своей структуры блоки арболита получаются очень плотными. При этом они довольно легкие и прочные. Арболит выдерживает железобетонные плиты перекрытия. Вы смело можете выбрать облегченный фундамент для дома из арболита, если с грунтом на участке все в порядке.

Арболит нашего производства по средней плотности относится к классу D500. Это значит, что блок подойдет и для строительства, и для утепления.

Прочность арболита при сжатии2,61 МПа

Эта характеристика показывает сколько килограмм на один сантиметр поверхности может выдержать материал. При этом значении блок относят по ГОСТу к классу B2 (конструкционный блок). Это означает, что блок можно использовать для возведения стен.

Наш арболит выдерживает 25 кг на каждый сантиметр поверхности, и относится к марке М25.

Из арболита такой прочности вы сможете строить здания высотой до 3 этажей с любыми типами перекрытий без усиливающих каркасов.

Прочность арболита при изгибе0,5-3,5 МПа

Эта характеристика означает способность материала не давать трещину после неравномерной нагрузки, а после ее прекращения возвращаться к исходной форме.

Такой же высокой прочностью на изгиб как у арболита, обладает разве что брус.

Теплопроводность арболита0,093 λo

Этим термином называют способность материала проводить тепло. Чем ниже теплопроводность, тем лучше материал держит тепло.

Эта характеристика снова приводит нас к тому, что, выбирая для строительства арболит, можно сэкономить. Внутренняя площадь дома будет больше за счет того, что для наружных стен достаточно блока шириной 30 см. При этом утеплять его не нужно.

У арболита низкая теплопроводность, это значение у нашего блока составляет 0, 093 λo. В сравнении с газобетоном марки D 500, средняя теплопроводность которого 1,12 λo, арболит выигрывает.

Теплоемкость арболита2,30 кДж/кг°С

Эта характеристика описывает способность материала поглощать тепло при нагревании и отдавать его при охлаждении.

Когда вы начнете топить дом из кирпича или газобетона, понадобится какое-то время чтобы стены нагрелись, только потом они начнут отдавать тепло.

Стены из арболита не будут забирать внутреннее тепло, так как теплоемкость материала в 2,5 раза выше воздуха. Поэтому, как только вы запустите обогрев, в доме из арболита сразу станет тепло.

Благодаря этой характеристике, можно сэкономить на отоплении.

Морозостойкость арболита25 циклов

Эта цифра показывает сколько циклов заморозки выдержал блок при испытаниях.

Один цикл заморозки — это замораживание и оттаивание. Испытания проводятся при температуре примерно -20 °С.

В ходе испытаний блок не должен потерять более чем 2% от массы. 

Наш блок потерял всего 0, 61%. Это означает, что дом простоит не один десяток зим. К тому же стены из арболита еще и отделывают, что дополнительно защищает материал. Учитывая это, дом может  прослужить вам век, а то и больше.

Водопоглощение и паропроницаемость арболита 0, 206 мг/м∙ч∙Па

Ахиллесова пята арболита — он очень хорошо поглощает влагу.

Однако важно то, что он эту влагу так же хорошо отдает. Надо учитывать, что давление в доме выше, чем давление на улице. Поэтому арболит влагу из дома отдает наружу.

Арболит обладает высокой паропроницаемостью. Если говорить проще, стены из арболита «дышат», как и брусовые.

Усадка арболита 0,4 %

Арболит практически не дает усадку, поэтому можно сразу делать в доме отделку и заселяться в него.

Биостойкость арболита V группа

Как бы это ни было странно, арболит не так подвержен грибкам, как дерево, из которого он сделан.

На самом деле тут все просто. В состав арболита входят минерализаторы, которые обволакивают щепу. К слову, эти добавки безвредны, они используются в пищевой промышленности.

После реакции с сахарами, которые есть в древесине, добавки нейтрализуются. В готовом блоке их нет. 

Антисептические свойства цемента также влияют на биостойкость материала. Поэтому вы можете смело строить из арболита бани.

Огнестойкость арболита до 1,5 часов

Арболит содержит щепу. Думаем, что у всех нас отложилось в голове, что дерево горит. Но этого нельзя сказать про арболит.

Арболит сопротивляется огню в течение 1,5 часов.
За это время он истлеет максимум на 1,5-2 см.

Звукопоглощение арболита 0,17 – 0,6

Вам не нужно будет делать звукоизоляцию в доме из арболита, поскольку он и без того отлично поглощает звук.

Характеристики и свойства блоков из арболита: теплопроводность, размеры, вес

Содержание

• Формы выпуска
  • Блоки
  • Панели
• Технические характеристики
  • Теплопроводность
  • Теплоёмкость
  • Прочность
  • Плотность
• Преимущества и недостатки
• Область применения
• Ведущие производители

Арболит, он же деревобетон – одна из разновидностей лёгких бетонов, состоящих из цементного раствора и органических наполнителей. Судя по количеству заказов в нашей компании, желающих строиться из арболита с каждым годом становится больше. Давайте разберемся, чем этот материал привлекает заказчиков.

Технология производства арболита регламентируется ГОСТом №19-222-84. На рынок он поставляется чаще всего в виде стеновых блоков или плит, предназначенных для возведения несущих стен зданий и межкомнатных перегородок. Согласно нормативам, блок состоит из следующих компонентов:

• Бетонный раствор марки М-400 или М-500;
• Химические улучшающие добавки;
• Органические наполнители.

Формы выпуска

Основные формы выпуска, в которых арболит поставляется на рынок – блоки и плиты-панели. В зависимости от процентного соотношения щепы и бетона, характеристики арболитных конструкций могут значительно различаться:

• По своей плотности арболит подразделяется на марки от М-5 до М-50;
• В зависимости от прочностных показателей, он может быть 4-х классов от В-0,75 до В-2,5.

Каждый из этих классов имеет своё предназначение и область применения: от использования в качестве теплоизоляции до сооружения несущих стен зданий:

• Деревобетонные блоки и плиты, имеющие плотность до 500 кг/м3 относятся к теплоизоляционным.
• Более плотные материалы, с удельной массой более 500 кг на кубометр, относятся к конструкционным и предназначены для возведения несущих стен и перегородок.

Блоки

Наиболее распространённые размеры блоков – длина 500 мм, высота 200 мм, при ширине от 100 до 500 мм.

Ввиду большого числа кустарных производств, габариты блоков бывают самыми различными, поэтому при покупке строительного материала делать это лучше у одного производителя.

Расход арболитовых блоков на 1 м3 стены зависит от его габаритов. Так, блок размерами 60х20х30 см имеет объём 0,036 кубометров. Соответственно, в кубе содержится порядка 28 штук таких блоков, то есть, для возведения 1 м3 стены, требуется гораздо меньшее количество блоков, чем кирпичей.

Вес одного блока, в зависимости от его размера и плотности, может варьироваться от 10 до 60 кг.

Блоки могут быть цельными, либо пустотелыми – последний вариант чаще применяется как утеплитель, т.к. обладает низкой теплопроводностью и слабыми несущими способностями.

Панели

Панели из арболита гораздо технологичнее блоков. Работы по монтажу деревобетонных плит производятся гораздо быстрее, чем кладка стены из блоков. Среди недостатков панельных конструкций:

• невозможность их отливки в домашних условиях;
• необходимость привлечения к строительно-монтажным работам подъёмных механизмов – из-за большого веса, монтировать арболитовые плиты без помощи крана или лебёдки нельзя.

Существуют различные размеры плит: начиная от небольших длиной 80 см, высотой 60 и толщиной 30 см, до настоящих стеновых панелей с габаритами 230х120х30 см.

Максимальные размеры деревобетонных панелей ограничиваются показателями прочности материала: наибольшая длина плиты не должна превышать 2,5 м при соотношении сторон 1:2.

В частной застройке может использоваться монолитная методика заливки, когда готовый арболитовый раствор заливается непосредственно в опалубку по месту строительства.

Технические характеристики

Большая популярность арболита обуславливается его технологичностью и высокими эксплуатационными свойствами.

Теплопроводность

Теплопроводность арболита напрямую зависит от его плотности: чем она выше, тем хуже теплоизоляционные свойства. Согласно нормативам, этот показатель может составлять от 0,08 до 0,15 Вт/м*С, что сопоставимо с характеристиками сухой древесины.

Для сравнения, рассмотрим коэффициент теплопроводности других конструкционных материалов, применяемых в строительстве (чем ниже коэффициент, тем лучше теплоизоляционные свойства, Вт/м*С):

• Керамический кирпич – 0,5 – 0,7;
• Железобетон – 2 – 2,1;
• Пенобетон – 0,1 – 0,29;
• Шлакоблок – 0,2 – 0,6.

Исходя из информации выше, арболит является лидером по теплоизоляционным характеристикам в сравнении с прочими строительными материалами. Так, для регионов с минимальными зимними температурами в -30, вполне достаточна толщина стены дома из арболита в 30 – 35 см. При этом материал может без всякого ущерба переносить до 50 сезонных циклов, т.е. срок службы стен составляет около полувека. Для жилых домов, где внутри поддерживается постоянная плюсовая температура, этот срок может быть значительно больше.

Таблица 1. Рекомендуемая толщина стен без утепления для разных регионов (м)

Теплоёмкость

Теплоёмкость – качество, характеризующее способность поглощать и отдавать тепловую энергию. От этого свойства зависит микроклимат в помещении – чем выше показатель теплоёмкости, тем более комфортная температура сохраняется в нём.

Данный показатель для бетона составляет всего 0,84, в то время как для стеновых блоков из арболита коэффициент теплоёмкости составляет 2,3 кДж/кг*С. То есть, деревобетонные стены остывают в 4 раза медленнее, чем железобетонные, дольше сохраняя тепло в помещении.

Это особенно актуально в ненастные дни или в холодное время года, помогая сэкономить на обогреве дома.

Таблица 2. Сравнительная таблица теплоёмкости строительных материалов

Прочность

Прочность арболита на сжатие составляет от 0,5 до 5 МПа, в зависимости от процентного соотношения органики и бетонной основы. Наиболее прочные виды блоков класса В-2,5 могут использоваться для возведения зданий высотой до 3-х этажей включительно. Прочность на изгиб составляет 0,8 – 1 МПа, что гарантирует целостность кладки стены при сезонных «хождениях» фундаментного основания, или его некоторых деформациях при усадке.

Особенностью арболитовых материалов является их уникальная для бетона способность частично восстанавливать свою форму после физических «потрясений» – ударной деформации или воздействия большой массы.

Плотность

От этого показателя во многом зависит удельная масса, прочность и теплопроводность материала – чем выше его плотность, тем он прочнее. В то же время, слишком большая плотность строительного материала уменьшает его теплоизоляционные свойства и увеличивает массу.

Деревобетон в этом смысле является достаточно сбалансированным материалом – имея высокие теплоизоляционные качества, он в то же время достаточно плотный. Это позволяет сооружать из него несущие конструкции для зданий малой этажности.

Таблица 3. Сравнительная характеристика плотности деревобетона и других материалов

Среди других технических характеристик материала следует отметить:

1. Огнестойкость. Материал практически не горюч, и способен выдерживать открытое пламя от 45 минут до полутора часов;
2. Водопоглощение. От других типов бетонов арболит отличается высоким уровнем влагопоглощения, доходящим до 75 – 80%;
3. Усадка при высыхании составляет около 0,5%;
4. Коэффициент шумоизоляции – 0,15 – 0,6.

Преимущества и недостатки

Как и у большинства материалов, у арболита есть свои достоинства и свои недостатки. К плюсам относятся:

• экологичность, высокие теплоизоляционные показатели, малый вес. По этим характеристикам он практически аналогичен древесине, но, в отличие от неё, практически не горюч и не подвержен гниению;
• Из-за низкой плотности и малой массы, при строительстве домов из арболита можно использовать облегчённые варианты фундаментов – столбчатые и мелкозаглублённые, что существенно снижает общую стоимость построек;
• Материал обладает высокой технологичностью – легко пилится, режется, сверлится, в него можно забивать гвозди и закручивать саморезы.

Подробно о достоинствах арбоблоков – на видео ниже:

Главные минусы арболита – невысокие несущие возможности и большие показатели влагопоглощения. В связи с этим, арболитовые конструкции нельзя использовать при многоэтажном строительстве, или в качестве несущих стен под бетонные перекрытия. Также стены нуждаются в надёжной гидроизоляции – как в местах соприкосновения с фундаментом, так и по всему наружному периметру.

Область применения

Применение арболита обуславливается показателем его прочности. В зависимости от класса прочности, это может быть:

• В-0,75 – утепление наружных стен, звукоизоляция и строительство межкомнатных перегородок;
• В-1 и В-1,5 – несущие стены одноэтажных зданий и хозяйственных построек;
• В-2,5 – возведение несущих стен двух и трёхэтажных построек при условии использования лёгких межэтажных перекрытий.

Ведущие производители

В России особую популярность арболит начал приобретать на рубеже ХХ и ХХI веков, с началом массового малоэтажного строительства.

Благодаря доступности исходного сырья и несложной производственной технологии, выпуском арболитовых конструкций сегодня занимается множество компаний. Наиболее крупными производителями на отечественном рынке являются:

• «Арболит Эко» – производственная компания, расположенная в Ногинском районе Подмосковья. Занимается производством блоков, проектированием и строительством малоэтажных зданий.
• «Русский арболит» – сеть компаний, занимающихся разработкой и изучением технологий производства арболитных изделий, выпуском формовочно-прессовального оборудования и широкой линейки строительных материалов из деревобетона.
• «Иж арболит» – производитель из Ижевска (Удмуртия).
• «Черновский арболит» – производственно-строительная компания из п. Черновский Самарской области.

За рубежом лидерами в производстве данного материала являются компании из Германии, США, Канады, Австрии, Скандинавии, Японии.

‘; blockSettingArray[0][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[0][«elementPlace»] = 15; blockSettingArray[1] = []; blockSettingArray[1][«minSymbols»] = 0; blockSettingArray[1][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[1][«text»] = ‘

‘; blockSettingArray[1][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[1][«elementPlace»] = 15; var jsInputerLaunch = 15;

Поделиться с друзьями:

Механические характеристики устойчивого высокопрочного волокнистого армированного бетона (HSDFRC) с древесной золой

Механические характеристики устойчивого высокопрочного волокнистого армированного бетона (HSDFRC) с древесной золой

Скачать PDF

Скачать PDF

• Артикул
• Открытый доступ
• Опубликовано: 12 марта 2022 г.

• Jawad Ahmad ¹ ,
• Rebeca Martínez-García ² ,
• Jesús de-Prado-Gil ² ,
• Amjad Ali Pasha ³ ,
• Kashif Irshad ^4,5 &
• …
• Мостефа Бурчак ³  

Научные отчеты том 12 , Номер статьи: 4306 (2022) Процитировать эту статью

• 1603 Доступ

• 1 Цитаты

• Сведения о показателях

Предметы

• Гражданское строительство
• Материаловедение

Abstract

Знания устойчивого развития предполагают, что с природными ресурсами следует обращаться ограниченно, а с отходами нужно обращаться рационально. Эта идея и постоянное стремление к снижению себестоимости производства делают использование отходов потенциальными заменителями традиционно используемого сырья. В технологии цементобетона существует множество возможностей использования отходов в качестве замены цемента или заполнителя в производстве бетона. Основной целью настоящей работы является изучение воздействия древесной золы (ЗЗ) как вяжущего материала в пропорциях 10, 20 и 30 % от массы цемента на высокопрочный пластичный цементный композиционный бетон. Свойство в свежем виде оценивали с помощью теста на осадку конуса, а механические свойства оценивали с помощью теста на прочность на сжатие и растяжение при раскалывании. Кривая прогиба нагрузки, индекс пластичности, а также максимальная и минимальная трещины были также изучены, чтобы найти поведение при изгибе армированного цементобетона (RCC) балки. Долговечность высокопрочного пластичного бетона изучалась с помощью испытаний на водопоглощение и воздействие кислот. Пуццолановую активность древесной золы изучали методом РФА.

Введение

Одним из основных различий между высокопрочным бетоном и бетоном нормальной прочности является прочность на сжатие, которая относится к максимальному сопротивлению образца бетона приложенной сжимающей нагрузке. Однако точного определения высокопрочного бетона нет. Каждая страна определяет высокопрочный бетон по-своему. Например, американцы определяют высокопрочный бетон как бетон с прочностью на сжатие более 40 МПа9.0020 1 .

Производство высокопрочного бетона требует оптимального использования основных компонентов, которые могут быть использованы для производства бетона нормальной прочности. Производители высокопрочного бетона знают о факторах, влияющих на прочность на сжатие, и знают, как контролировать их для получения желаемой прочности на сжатие. Кроме того, при выборе высококачественного портландцемента производители часто предпочитают оптимизировать материалы и их сочетание, изменяя количество цемента, воды, заполнителей и добавок в конечном продукте ² . Производители оценивают прочность заполнителей, оптимальный размер заполнителей, связь между цементным тестом и заполнителями, а также поверхностные свойства заполнителя при выборе большего количества заполнителей для высокопрочного бетона. Любая из этих характеристик может ограничивать предел прочности высокопрочного бетона ³ .

В дополнение к микрокремнезему, измельченному гранулированному доменному шлаку и летучей золе ^4,5,6 исследование показало, что зола подсолнечника Shell (SSA) и зола тыквы Shell (SPA) могут быть успешно использованы в качестве частичной замены цемент в бетоне ⁷ . Было обнаружено, что различные коммерческие конечные продукты очень эффективны в бетоне. Были проведены различные исследования по производству бетона из отходов, чтобы снизить стоимость и сократить дефицит стандартных материалов ^4,8,9 . Методы повторного использования отходов в бетоне делают его недорогим, а повторное использование считается наиболее экологически чистой альтернативой решению проблемы утилизации мусора ¹⁰ .

Забота об окружающей среде и экономическое давление являются сегодня одними из факторов, стимулирующих рост индустриализации. По этой причине по всему миру осуществляется несколько исследовательских проектов по использованию отходов для минимизации экологических рисков, а также оптимизации текущих процессов утилизации отходов и переработки из-за доступности ^11,12,13 . Типичное количество золы, образующейся при сжигании древесины, составляет 6–10 процентов от общего веса сжигаемой древесины. Состав этой золы может сильно различаться в зависимости от географического положения и промышленных операций ¹² . В 2007 г. зола была использована в качестве удобрения в количестве 150 000 тонн ¹⁴ . Поскольку стоимость удаления золы продолжает расти из-за увеличения количества образующейся золы, необходимо внедрить устойчивую стратегию управления золошлакообразованием, которая включает золу за счет естественных процессов ¹⁵ . Захоронение является наиболее распространенным способом удаления золы, на которую приходится 70 процентов всей производимой золы, а остальная часть используется в почве в качестве добавки (20 процентов) или для других различных целей (10 процентов) ¹⁶ . Большая часть оставшейся золы (54 процента) используется в сельскохозяйственном производстве. Остальная часть золы использовалась для различных целей, в том числе для восстановления растительности на поврежденных участках, изготовления почвенной смеси, компостирования и других целей ¹⁴ . Примерно половина ежегодно образующихся ресурсов древесной золы по-прежнему выбрасывается на свалки, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Потребность в гидравлическом цементе снижается за счет частичной замены цемента древесной золой в бетоне в значительной степени ¹⁶ . Исследователи ^17,18 провели испытания, показавшие многообещающие результаты древесной золы с точки зрения механических характеристик, и доказали, что древесная зола является подходящим материалом для частичной замены цемента в производстве бетона. Субраманиам ¹⁹ определили оптимальную дозировку 15% древесной золы, которая заменила цемент (по весу) с приемлемым высоким пределом прочности на сжатие для литья блоков в производстве бетона. Abdullahi ²⁰ нашел оптимальную норму воспроизводства 20% и показал, что содержание древесной золы увеличивается, когда увеличивается потребность в воде. Исследование показало, что зола Тагук (TA) улучшила прочность на сжатие до 15% замещения цемента по массе ²¹ .

Несмотря на то, что древесная зола считается очень эффективной в бетоне, в затвердевающем бетоне все еще присутствуют поры древесно-зольного цементного бетона из-за его физической природы (площадь поверхности и высокое водопоглощение), что неблагоприятно влияет на механические характеристики бетона. Поэтому для получения высокопрочного долговечного бетона в древесно-золоцементный бетон необходимо добавлять наполнитель. Так, в качестве наполнителя могут быть использованы другие материалы, такие как отходы стекла, каменная пыль, отходы черепицы и т. д., где в качестве отходов и наполнителя может использоваться древесно-золоцементный бетон ¹ .

В соответствии с микромеханической теорией проектирования, крупные частицы должны быть удалены, а мелкие должны быть увеличены для высокопрочного пластичного цементного композита для лучшего распределения волокон ²² . Уменьшение количества крупных частиц и увеличение количества мелких частиц приводит к увеличению количества цемента, что приводит к увеличению стоимости высокопрочного пластичного цементного композита, но, что более важно, увеличивается теплота гидратации, что приводит к большему количеству усадочных трещин, что приводит к снижению долговечности и механических характеристик.

Хотя WA можно успешно использовать в производстве бетона, в бетоне все еще есть пустоты, которые неблагоприятно влияют на механические характеристики и долговечность бетона. Поэтому важно добавлять в бетон наполнитель, который заполняет пустоты между ингредиентами бетона, что приводит к получению более плотного бетона. Кроме того, хотя WA улучшила механические характеристики бетона, бетон по-прежнему слаб на растяжение, что приводит к хрупкому разрушению. Следовательно, необходимо добавить некоторую растяжимую арматуру, чтобы получить высокопрочный пластичный долговечный бетон. Кроме того, большинство исследователей сосредотачиваются на механических характеристиках бетона, в то время как имеется меньше информации об аспекте долговечности бетона с WA в качестве вяжущего материала. Поэтому данное исследование направлено на частичную замену древесной золы в качестве вяжущего в пропорции от 10 до 30 % с шагом 10 % от массы цемента. В качестве наполнителя использовались мраморные отходы, а в качестве растяжимой арматуры использовались нейлоновые волокна. Было исследовано влияние древесной золы (WA) на механические характеристики, включая растрескивание при изгибе и долговечность. Также подробно обсуждалась пуццолановая активность древесной золы. Успешное использование древесной золы в HSDFRC дает множество преимуществ, в том числе экономическую выгоду и защиту окружающей среды, делая бетон экологически чистым, устойчивым и неагрессивным по отношению к окружающей среде.

Методика

Материалы

Цемент

Использовали обычный портландцемент (OPC) типа I согласно ASTM C150 ²³ . Физические и химические свойства цемента приведены в таблице 1, а кривая градации приведена на рис. 1.

Таблица 1 Физические и химические свойства OPC.

Полноразмерная таблица

Кривая градации цемента и древесной золы.

Изображение в натуральную величину

Ясень деревянный

Древесная зола (WA) может использоваться в качестве пуццоланового материала в соответствии с ASTM C311 ²⁴ . Физические свойства WA как ингредиента бетона в значительной степени зависят от условий обжига, особенно времени обжига и влияния температуры на кристалличность и микроструктуру WA ²⁵ . Физико-химические свойства древесной золы представлены в таблице 2. Химический состав древесной золы (более 70 %) определяет ее пригодность для использования в качестве замены цемента в производстве бетона.

Полноразмерный стол

Заполнитель

В качестве мелкого заполнителя (F.A) использовался природный речной песок с модулем крупности 2,7, а в качестве крупного заполнителя (C. A) использовался щебень с максимальным размером частиц 25 мм. Как мелкие, так и крупные заполнители использовались в условиях насыщенной сухой поверхности (SSD) перед смешиванием с типичными бетонными свойствами заполнителя, представленными в таблице 3. Напротив, кривые градации для мелкого и крупного заполнителя представлены на рис. 2.

Полноразмерный стол

Градация мелкого и крупного заполнителя.

Изображение в полный размер

Нейлоновые волокна (NF)

Нейлоновые волокна, использованные в этом исследовании, были приобретены у компании Sika в Исламабаде, Пакистан, и имели длину 35 мм и диаметр 0,55 мм. Физические свойства нейлоновых волокон приведены в таблице 4.

Полноразмерный стол

Отходы мрамора

Отходы мрамора были закуплены в промышленной зоне мраморной фабрики Pak в Пешаваре, Пакистан, и измельчены в лаборатории PCSIR в Пешаваре. В таблице 5 представлены физические свойства мраморных отходов, использованных в этом исследовании.

Полноразмерный стол

Испытательная установка и пропорция смеси

Удобоукладываемость свежего бетона измерялась с помощью теста конуса осадки в соответствии со стандартом ASTM ²⁶ . Прочность на сжатие оценивалась на цилиндре стандартного размера 150 × 300 мм с помощью машины для испытаний на сжатие в соответствии со стандартом ASTM 9.0020 27 . Аналогичные цилиндрические образцы были приготовлены для испытания на растяжение при разделении размером 150 × 300 мм в соответствии со стандартом ASTM ²⁸ . Балки размером (150 × 150 × 700 мм) были отлиты и испытаны на прочность на изгиб в соответствии со стандартом ASTM ²⁹ . В соответствии со стандартом ASTM ³⁰ использовались образцы кубов размером 100 мм. Для оценки кислотостойкости бетона был отлит кубический образец размером 100 мм, выдержанный в 4 % серной кислоте в течение определенного периода времени. Для поддержания 4% концентрации кислоты ее приходилось менять раз в неделю. Кислотное воздействие рассчитывали по потере массы в процентах из-за воздействия серной кислоты. Все тесты проводились через 14, 28 и 56 дней после отверждения. Для каждой партии отливали не менее трех образцов, и их среднее значение принимали за фактический результат данного испытания. ASTM С 31 9Для изготовления образцов использовалась процедура 0020 31 , а уплотнение выполнялось вручную компанией Roding на трех разных уровнях с двадцатью ударами трамбовочного стержня по каждому уровню. Для всех замесов использовали постоянное соотношение воды и связующего (0,38). Четыре пропорции смеси HSDFRC-A с различным процентным содержанием древесной золы, как показано в Таблице 6, где А обозначает процентное содержание древесной золы.

Полноразмерный стол

Результаты и анализ

Удобоукладываемость и плотность в свежем виде

На рисунке 3а показана взаимосвязь между осадкой и HSDFC при различном процентном содержании древесной золы. Удобоукладываемость HSDFC снижалась при добавлении древесной золы, давая максимальную удобоукладываемость при степени замещения древесной золы 0% (контроль), тогда как минимальная удобоукладываемость достигается при 30% замещении древесной золы. Неблагоприятное влияние древесной золы на удобоукладываемость HSDFC связано с физическими свойствами древесной золы, т. е. неправильной формой частиц и большей площадью поверхности, как показано в таблице 2. Большая площадь поверхности требовала большего количества цементного теста для обеспечения текучести, что приводило к менее удобоукладываемый бетон. Кроме того, неправильная форма и большая площадь поверхности усиливают внутреннее трение между компонентами бетона, что приводит к снижению удобоукладываемости бетона. Однако некоторые исследования показывают, что древесная зола повышает удобоукладываемость бетона из-за микронаполнителя, который заполняет пустоты между ингредиентами бетона, что приводит к тому, что больше цементного теста становится доступным для смазки, что приводит к более удобоукладываемому бетону.

( a ) Оползень, ( b ) Плотность пресной воды и ( c ) Соотношение между осадкой и плотностью пресной воды.

Изображение в полный размер

На рисунке 3b показана плотность свежего ГСДТЧ с различными дозами древесной золы. Результаты показывают, что плотность в свежем виде улучшается при замене древесной золы до 20%, а затем постепенно снижается. Вся древесная зола HSDFC показывает плотность в свежем виде больше, чем эталонный бетон, имеющий максимальную плотность в свежем состоянии при 20% подстанции древесной золы. Положительное влияние древесной золы на ГСДТЦ обусловлено микрозаполнением пустот, что дает более плотную массу. Однако 30% замена древесной золы показывает свежую плотность несколько ниже, чем 20% замена древесной золы из-за отсутствия удобоукладываемости, что усиливает процесс уплотнения.

На рисунке 3c показана корреляция между удобоукладываемостью HSDFC и свежей плотностью при различных дозах древесной золы. Удобоукладываемость напрямую влияет на плотность свежего бетона, т. е. более высокая удобоукладываемость приводит к более плотному бетону и наоборот. Следовательно, существует сильная корреляция между свежей плотностью и удобоукладываемостью свежего HSDFC.

Прочность на сжатие

На рис. 4 показана прочность на сжатие ВСДФК с различной дозировкой древесной золы от 0 до 30% с шагом 10% от массы цемента. Общие тенденции показывают, что прочность на сжатие ВСДФК увеличивалась до 20% замещения древесной золы, а затем снижалась. Все партии древесной золы HSDFC показывают прочность на сжатие выше, чем по сравнению с контрольным/эталонным бетоном, имеющим минимальную прочность на сжатие при 0% замене древесной золы, в то время как максимальная прочность на сжатие достигается при 20% замене древесной золы. Среднее значение контрольной прочности бетона на сжатие через 28 суток твердения составляет 55 МПа и увеличивается до 60 МПа при 20 % замещении древесной золы, что примерно на 10 % выше, чем у эталонного бетона. Положительное влияние древесной золы на прочность на сжатие древесной золы на HSDFC обусловлено пуццолановой реакцией древесной золы, при которой кремнезем, присутствующий в древесной золе, реагирует с гидратами кальция (CH), образующимися за счет гидратации цемента с образованием гидратов силиката кальция (CSH). ) гель, который придает вторичное связующее свойство, приводящее к большей прочности на сжатие. По данным прошлых исследователей, древесная зола действует как микронаполнитель, который заполняет пустоты между ингредиентами бетона, делая бетон более плотным, что приводит к большей прочности на сжатие. Однако более высокая доза древесной золы (30%) оказывает неблагоприятное влияние на прочность на сжатие HSDFC из-за отсутствия удобоукладываемости бетона, что приводит к увеличению пор в затвердевшем бетоне, что приводит к снижению прочности на сжатие. Кроме того, прочность на сжатие может быть снижена при более высокой дозе пуццоланового материала из-за эффекта разбавления, который вызывает щелочно-кремнеземную реакцию ^37,38 . Поэтому рекомендуется использовать древесную золу до 20% массы подстанции от массы цемента.

Прочность на сжатие.

Изображение в полный размер

Также был проведен относительный анализ, в котором контрольная прочность на сжатие через 28 дней рассматривалась как эталонный бетон, из которого была измерена еще одна доза древесной золы. На рисунке 5 показан относительный анализ прочности на сжатие. Через 7 дней твердения прочность на сжатие была на 19 % ниже, чем у эталонного бетона (28 дней контрольной прочности). С другой стороны, прочность на сжатие была на 10 % выше, чем у эталонного бетона (28 дней контрольной прочности на сжатие) после 28 дней отверждения. Через 56 дней отверждения прочность на сжатие примерно на 21 % больше, чем у эталонного бетона (28 дней контрольной прочности на сжатие).

Относительный анализ прочности на сжатие.

Изображение полного размера

Прочность на растяжение при раскалывании

На рисунке 6 показана взаимосвязь между прочностью на растяжение при раскалывании и HSDFC при различном процентном содержании древесной золы. Разделенная прочность на растяжение является функцией прочности на сжатие. Исследователи показали, что прочность на разрыв при разделении составляет от 10 до 15 процентов при сжатии ³ . Подобно прочности на сжатие, прочность на разрыв при разделении HSDFC увеличивается с добавлением древесной золы до 20% замещения древесной золы, а затем постепенно снижается, обеспечивая максимальную прочность на растяжение при разделении при степени замещения древесной золы на 20%, в то время как минимальная обрабатываемость достигается при 0 % замены древесной золы (контроль). Среднее значение контрольной прочности бетона на отрыв при растяжении через 28 суток твердения составляет 6,4 МПа и увеличивается до 10,8 МПа при 20% замене древесной золы, что примерно на 68% выше, чем у контрольного бетона. Стоит отметить, что древесная зола улучшила прочность на растяжение при раскалывании более эффективно, чем прочность на сжатие HSDFRC. Положительный эффект древесной золы на расщепленную прочность на растяжение HSDFC обусловлен пуццолановой реакцией, которая придает дополнительное связующее свойство, которое улучшает связь между компонентом бетона (заполнителем) и волокнами, что приводит к увеличению прочности на разрыв. Также сообщалось, что волокно увеличивает прочность на растяжение при расщеплении более эффективно, чем прочность на сжатие, благодаря предотвращению образования трещин 9.0020 32,33 . Волокна предотвращают образование трещин в бетоне, что повышает его прочность на растяжение. Исследование показывает, что даже если трещина возникает в бетоне, армированном фиброй, фибра может предотвратить распространение трещины по длине и ширине ^34,35 . Кроме того, микронаполнитель из древесной золы заполняет пустоты между компонентами бетона, что приводит к получению более плотного бетона, что приводит к большей прочности на растяжение. Однако при более высокой дозе прочность на разрыв при раскалывании постепенно снижалась из-за отсутствия удобоукладываемости, что приводит к необходимости большего усилия по уплотнению и, следовательно, к большему количеству пустот в затвердевшем бетоне, что в конечном итоге снижает прочность на раскалывание HSDFRC.

Прочность на растяжение при разделении.

Изображение полного размера

Параметр прочности на изгиб

Испытание на изгиб измеряет усилие, необходимое для изгиба балки под действием приложенной нагрузки. На рис. 7 показаны детали поперечного сечения и армирования, используемые для прочности на изгиб. Испытание на изгиб проводили на балочных образцах размером 150 × 150 × 700 мм в возрасте 7-, 28- и 56-суточного твердения.

Детали балки.

Полноразмерное изображение

На рисунке 8 показана прочность на изгиб ГСДТЦ с различными дозировками древесной золы от 0 до 30% с шагом 10% от массы цемента. Подобно прочности на сжатие, прочность на изгиб HSDFC увеличилась до 20% замены древесной золы, а затем уменьшилась. Все партии древесной золы HSDFC демонстрируют прочность на изгиб выше, чем в сравнении с контрольным/эталонным бетоном, имеющим минимальную прочность на изгиб при 0% замещении древесной золы, а максимальную прочность на изгиб при 20% замещении древесной золы. Среднее значение прочности бетона при контрольной нагрузке на изгиб через 28 дней твердения составляет 7,7 МПа и увеличивается до 11,8 МПа при 20% замене древесной золой, что примерно на 53% выше, чем у эталонного бетона.

Прочность на изгиб.

Изображение полного размера

Структура трещин

На рисунке 9 показано распределение трещин HSDFC контрольной смеси и 30% замещения древесной золы. Крошечные трещины распространяются по длине с заменой древесного ясеня. Кроме того, также наблюдалось множество трещин с более мелкими промежутками между основными трещинами, что может быть связано с улучшением межфазной переходной зоны (ITZ) между волокнами и матрицей.

Схема трещин.

Изображение полного размера

Кривая прогиба под нагрузкой, ширина и количество трещин

На рис. 10a–c показаны ширина трещины, количество трещин и отклонение от нагрузки в средней точке балки HSDFRC с различными дозами древесной золы. Образцы были разрушены полностью с увеличением смещения в середине пролета, а затем пиковой нагрузки. Последнее увеличилось при замене древесной золы с 90 кН эталонного бетона до 115 кН при 20% замене древесной золы, что почти на 27% больше, чем у эталонного бетона. Однако прогиб на подстанции 30% немного ниже, чем на подстанции 20%. Таким образом, более высокая доза древесной золы (30%) не приводит к значительному улучшению предельной пиковой нагрузки, но снижает воздействие на окружающую среду. Количество трещин увеличилось, а ширина уменьшилась при добавлении древесной золы по сравнению с контролем. Это связано с микронаполнением древесной золы, что приводит к более плотному бетону, что приводит к более тонким трещинам.

( a ) Максимальная ширина трещины, ( b ) Номер трещины и ( c ) Прогиб под нагрузкой.

Изображение в натуральную величину

Индекс пластичности

Пластичность относится к способности материала выдерживать значительную пластическую деформацию до разрушения, которая может быть выражена в процентах относительного удлинения или процентного уменьшения площади при испытании на растяжение. ACI 363 ³⁶ можно использовать для определения пластичности балок, которая представляет собой отношение прогиба при пиковой нагрузке к прогибу предела текучести. Бетон является хрупким материалом, который не дает предупреждения или деформации до разрушения, что делает его непригодным для использования в качестве строительного материала. Индекс пластичности различных доз древесной золы показан в таблице 7. Можно видеть, что, заменив эталонный бетон древесной золой, пластичность балки может быть значительно улучшена, при этом максимальная пластичность при 20% добавлении древесной золы достигается почти на 267% выше, чем у эталонного бетона. Возможно, это связано с пуццолановой реакцией древесной золы, которая усиливает связь между пастой и заполнителем 9.0020 37 .

Полноразмерный стол

Водопоглощение

Водопоглощение является одним из простых тестов для определения долговечности бетона. Чем выше водопоглощение, тем ниже долговечность бетона. Повышенное водопоглощение также приводило к замораживанию и оттаиванию, что приводило к разрушению бетона. Исследование показывает, что более высокое водопоглощение бетона вызывает замерзание и оттаивание бетона, особенно когда он находится в условиях резко меняющейся температуры ³² .

На рисунке 11 показано водопоглощение HDSFRC с различными дозами древесной золы. Водопоглощение уменьшалось при замене древесной золы до 20 % древесной золы и снижалось постепенно, имея минимальное водопоглощение при 20 % замещении древесной золы и максимальное водопоглощение при 0 % замещении древесной золы. Это связано с пуццолановой реакцией древесной золы, которая дает вторичный гель CSH, повышая связующие свойства, что приводит к более плотной матрице, что приводит к меньшему водопоглощению. Кроме того, за счет микронаполнения древесной золой получается более плотный бетон, что приводит к меньшему водопоглощению. Однако при более высокой дозе WA водопоглощение увеличивается из-за отсутствия удобоукладываемости, что приводит к увеличению пор в затвердевшем бетоне, что приводит к большему водопоглощению.

Водопоглощение.

Полный размер

Кислотостойкость

Доступны несколько агрессивных кислот, таких как HCL (соляная кислота), NHO ₃ (азотная кислота), H ₂ SO ₄ (серная кислота) и т.д. исследование, H ₂ SO ₄ (серные кислоты) рассматривается как кислотное воздействие на образцы бетона с различным содержанием древесной золы.

На рисунке 12 показана кислотостойкость ГСДТЦ с различными дозировками древесной золы от 0 до 30 % с шагом 10 % от массы цемента. Общие тенденции показывают, что кислотостойкость ГСДФК повышалась до 20% заменой древесной золы, а затем снижалась. Все партии древесной золы HSDFC обладают большей кислотостойкостью по сравнению с контрольным/эталонным бетоном, имеющим минимальную кислотостойкость при 0% замене древесной золы, а максимальная кислотостойкость достигается при 20% замещении древесной золы. Положительное влияние древесной золы на кислотостойкость связано с пуццолановой реакцией древесной золы, при которой кремнезем, присутствующий в древесной золе, реагирует с гидратами кальция (CH), образующимися в процессе гидратации цемента, образуя гель гидратов силиката кальция (CSH), который дает вторичные связывающие свойства, приводящие к большей кислотоустойчивости. Кроме того, по данным прошлых исследователей, древесная зола действует как микронаполнитель, который заполняет пустоты между ингредиентами бетона, делая бетон более плотным, что приводит к большей кислотостойкости. Однако более высокая доза древесной золы (30%) оказывает неблагоприятное влияние на кислотостойкость из-за отсутствия удобоукладываемости бетона, что увеличивает возможности уплотнения, что приводит к увеличению пор в затвердевшем бетоне, что приводит к снижению кислотостойкости. Кроме того, при более высокой дозе пуццолановых материалов кислотостойкость может снижаться из-за эффекта разбавления, что вызывает щелочно-кремнеземную реакцию ^37,38 . Поэтому рекомендуется использовать древесную золу в количестве до 20% от массы цемента.

Кислотостойкость.

Изображение в полный размер

Рентгеноструктурный анализ (XRD)

Для изучения минералогии эксперимента затвердевшие кусочки древесной золы были слегка измельчены, а затем подвергнуты рентгеноструктурному исследованию при бросании через сито № 200. Эксперимент оценивался в порошковой форме стеклобетона, который измельчался в мелкий порошок путем вытаптывания стекла с использованием дифрактометра, доступного в лаборатории MRL Пешаварского университета. Процедуры испытаний были спланированы таким образом, чтобы медь (cu) и Kα-лучи использовались в качестве источника питания для процесса с учетом требований 30 мА и 40 кВ. Разрыв 2 θ поддерживается в диапазоне от 20 до 60 градусов с угловым шагом 0,02 градуса ^. Установлено время шага 0,5 с, и использовалась щель отклонения 0,5 ^– градуса. Рентгенограммы древесной золы и мраморных отходов приведены на рис. 13. Для оценки количества SiO ₂ и геля CSH (гидрата силиката кальция) в эталоне и WA заменили бетон. Для оценки были выбраны пики геля CSH при 30° и 45°. Для эталонного бетона без WA гель C-S-H меньше, чем SiO ₂ . Гель C-S-H образуется в процессе гидратации цемента в результате химической реакции CH с SiO ₂ . Количество SiO ₂ меньше, чем CH, который превращает весь SiO ₂ в гель C-S-H, и, следовательно, SiO ₂ больше не доступен для реакции с гидратом кальция. Весь кремнезем SiO ₂ был израсходован и преобразован в гель C-S-H. Гидрат кальция остается нереакционноспособным, создавая слабые карманы, что приводит к снижению механических характеристик бетона. Исследование также пришло к выводу, что гидрат кальция вступает в реакцию с другими химическими соединениями, присутствующими в цементе, что приводит к снижению прочности 9.0020 39 . Также было замечено, что пуццолановые материалы должны быть заменой в бетоне для использования гидрата кальция, который является формой побочного продукта в процессе гидратации цемента для получения прочного бетона ³⁹ . WA был частично заменен в качестве замены цемента для нейтрализации гидрата кальция. С помощью рентгеноструктурного анализа можно наблюдать, что пик SiO ₂ уменьшается, в то время как пик C-S-H увеличивается по мере увеличения доли WA. Максимальные пики C-S-H исследовали, когда степень замещения WA составляла 30%. Это связано с пуццолановой реакцией WA, которая превращает гидрат кальция в гель силиката кальция (CSH).

Рентгенограмма с дозой древесной золы.

Увеличенное изображение

Заключение

В данном исследовании изучалось влияние древесной золы на механические характеристики, прочностные характеристики при изгибе, долговечность и анализ микроструктуры HSDFRC. Соотношение замещения древесной золой составляло 10%, 20% и использовалось 30% по весу цемента. На основании экспериментальных результатов были сделаны следующие выводы.

• Удобоукладываемость HSDFRC снижается при замене древесной золы. Это связано с физическими свойствами древесной золы (неправильная форма частиц и большая площадь поверхности), что увеличивает потребность в воде для смазки.

• Прочность на сжатие и прочность на растяжение HSDFRC увеличена до 20% замещения древесной золы. Это связано с пуццолановой реакцией и микронаполнителем из древесной золы. Прочностные характеристики при изгибе и нагрузка-прогиб значительно улучшились при замене древесного ясеня. Предельная пиковая нагрузка 20% деревянной подстанции примерно на 27% выше, чем эталонная бетонная.

• Анализ морфологии волокон

  показал положительные результаты с точки зрения механических характеристик и долговечности HSDFRC.

• Аспекты долговечности, такие как водопоглощение и кислотостойкость HSDFRC, заменяется на 20%, что намного лучше, чем у эталонного бетона. Это связано с пуццолановой реакцией и микронаполнителем из древесной золы, что дает более плотный бетон с меньшим количеством пустот, что в конечном итоге снижает водопоглощение и проникновение кислоты через бетон.

Общее исследование показывает, что древесная зола является лучшей заменой цемента при производстве бетона, поскольку она улучшает микроструктуру бетона и связывает волокна и ингредиенты бетона.

Доступность данных

Данные, необходимые для поддержки настоящих выводов, присутствуют в рукописи.

История изменений

• 18 марта 2022 г.

  Опубликовано исправление к данному документу: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09020-3

Ссылки

1. Ахмад Дж., Зайд О., Сиддик М.С. и др. Механические и прочностные характеристики устойчивого бетона, армированного кокосовым волокном с добавлением мраморной крошки. Mater Res Express (2021)

2. Zaid, O. et al. Шаг к устойчивому бетону, армированному стекловолокном, с использованием микрокремнезема и заполнителя из отходов кокосовой скорлупы. Науч. 11 , 1–14 (2021).

   Артикул Google ученый

3. Ахмад Дж. и др. Механические свойства устойчивого бетона, измененные путем добавления мраморного шлама в качестве заменителя цемента. AIMS Mater. науч. 8 , 343–358 (2021).

   КАС Статья Google ученый

4. Имбаби, М.С., Кэрриган, К. и МакКенна, С. Тенденции и разработки в технологии сырого цемента и бетона. Междунар. Дж. Сустейн. Построенная среда. 1 , 194–216 (2012).

   КАС Статья Google ученый

5. Бахарев Т. Термическое поведение геополимеров, полученных с использованием золы-уноса класса F и отверждением при повышенной температуре. Цем. Конкр. Рез. 36 , 1134–1147 (2006).

   КАС Статья Google ученый

6. Мвити, М. Дж., Тионго, Дж. К., Мутенгиа, В. Дж. Термическое сопротивление химически активированных цементов на основе кальцинированных глин. В: Обожженные глины для устойчивого бетона . Springer, стр. 327–333 (2018)

7. «>

   Шахбазпанахи, С. и Фарадж, Р. Х. Технико-экономическое обоснование использования золы подсолнечника и золы тыквы в качестве дополнительных вяжущих материалов в бетоне. J. Стр. англ. 30 , 101271 (2020).

   Артикул Google ученый

8. Вигнешпандян Г.В., Шрути Э.А., Венкатасубраманян К., Мутху Д. Использование отходов мраморной пыли в качестве мелкого заполнителя в бетоне. В: Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 12007, IOP Publishing (2017)

9. Коппола Л., Черулли Т. и Сальвиони Д. Устойчивое развитие и долговечность самоуплотняющихся бетонов. В 8th CANMET/ACI Int. конф. по летучей золе, диоксиду кремния, шлаку и природным пуццоланам в бетоне . 29–50 (2004)

10. Метильда Д.Л., Сельвамони К., Анандакумар Р. и Сини А. Исследования оптимальной возможности частичной замены цемента красным шламом в бетоне. Науч. Рез. Очерки 10 , 137–143 (2015).

    Артикул Google ученый

11. Раджамма Р. и др. Влияние летучей золы биомассы на свойства материалов на основе цемента в свежем и отвержденном состоянии. Композ. Часть Б англ. 77 , 1–9 (2015).

    КАС Статья Google ученый

12. Сиддик, Р. Использование древесной золы в производстве бетона. Ресурс. Консерв. Переработка 67 , 27–33 (2012).

    Артикул Google ученый

13. Ли, Л. Г. и др. Переработка мраморной пыли в качестве замены пасты для улучшения прочности, микроструктуры и экологичности раствора. J. Чистый продукт. 210 , 55–65 (2019).

    Артикул Google ученый

14. «>

    Эбер, М., Буссет, Г., Груневельд, Э. Билан, 2007 г., по оценке ценности остаточных удобрений. Устойчивое развитие, окружающая среда и парки, Квебек (2008 г.)

15. Обернбергер И., Бидерманн Ф., Видманн В. и Ридл Р. Концентрация неорганических элементов в топливе из биомассы и восстановление в различных фракциях золы. Биомасса Биоэнергия. 12 , 211–224 (1997).

    КАС Статья Google ученый

16. Кэмпбелл, А. Г. Переработка и утилизация древесной золы. Таппи Дж. 73 , 141–146 (1990).

    КАС Google ученый

17. Удоейо, Ф. Ф. и Дашибил, П. У. Зола опилок как материал для бетона. Дж. Матер. Гражданский англ. 14 , 173–176 (2002).

    Артикул Google ученый

18. Этьегни Л. и Кэмпбелл А. Г. Физические и химические характеристики древесной золы. Биоресурс. Технол. 37 , 173–178 (1991).

    КАС Статья Google ученый

19. Субраманиам, П., Субасингхе, К. и Фонсека, В. Р. К. Древесная зола как эффективное сырье для бетонных блоков. Междунар. Дж. Рез. англ. Технол. 4 , 1163–2319 (2015).

    Google ученый

20. Абдуллахи, М. Характеристики бетона из древесной золы/OPC. Леонардо Электрон. Дж. Практ. Технол. 8 , 9–16 (2006).

    Google ученый

21. Шахбазпанахи С., Мани С., Фарадж Р. Х. и Сераджи М. Технико-экономическое обоснование использования золы тагука в качестве пуццоланового материала в бетоне. Чистая технология. Окружающая среда. Политика 23 , 1283–1294 (2021 г. ).

    Артикул Google ученый

22. Ji, J. и др. Влияние послепожарного отверждения на компрессионные свойства поврежденных огнем цементных композитов сверхвысокой прочности. J. Оценочный тест. 47 , 140–152 (2018).

    Google ученый

23. Цемент AP ASTM C150 следующего типа: 1. Concr, который будет контактировать с Sew Type II, умеренная сульфатостойкость 2:

24. Касания, М., Томас, М. Д. пуццоланы, молотое стекло и угольный зольный остаток и влияние их включения на проницаемость бетона для хлоридов. Цем. Конкр. Рез. 139 , 106259 (2021).

    КАС Статья Google ученый

25. Нагатаки, С. Минеральные добавки в бетон: современное состояние и тенденции. Спецификация ACI. Опубл. 144 , 447 (1994).

    Google ученый

26. Балагуру, П. и Рамакришнан, В. Сравнение испытаний на осадку конуса и VB как меры удобоукладываемости фиброармированного и простого бетона. 9ePA PA

27. Обозначение A (1976) C496-71. Испытание методом стенда Прочность на разрыв в разрезе Цилиндр Concr Образцы

28. Стандарт A (2010) C78. 2010. Метод стендовых испытаний на прочность на изгиб (с использованием простой балки с нагрузкой в ​​третьей точке (ASTM C78–10) West Conshohocken, PA ASTM Int

29. ASTM C 39 (2012) Стандартный метод испытаний прочности на сжатие цилиндрических образцов бетона. Am Soc Test Mater ASTM, West Conshohocken

30. Образец КТ ASTM C 31; один комплект из четырех стандартных цилиндров для каждого испытания на прочность на сжатие, если не указано иное. Склад пресс-форм Образцы для испытаний Cylind Lab За исключением случаев, когда требуются образцы для испытаний в полевых условиях

31. Ahmad, J., Manan, A., & Ali, A. et al . Исследование механических и прочностных характеристик бетона, модифицированного стальной фиброй (SFs)

32. Topcu, I.B. & Canbaz, M. Влияние различных волокон на механические свойства бетона, содержащего летучую золу. Констр. Строить. Матер. 21 , 1486–1491 (2007).

    Артикул Google ученый

33. Ахмад, Дж. и др. Оценка влияния воздействия окружающей среды на растрескивание при изгибе балки, армированной стальной фиброй. Дж. Грин Инж. 10 , 4998–5016 (2020).

    Google ученый

34. Бантиа, Н. и Гупта, Р. Влияние геометрии полипропиленовых волокон на растрескивание бетона при пластической усадке. Цем. Конкр. Рез. 36 , 1263–1267 (2006).

    КАС Статья Google ученый

35. Комитет ACI 363 (1992) Современные достижения в области высокопрочного бетона. Man Concr Pract

36. Чоудхури С., Маниар А. и Суганья О. М. Развитие прочности бетона с добавлением цемента с добавлением древесной золы и использование моделей мягких вычислений для прогнозирования параметров прочности. Дж. Доп. Рез. 6 , 907–913 (2015).

    КАС Статья Google ученый

37. Ахмад, Дж. и др. Влияние отходов стекла и мрамора на механические характеристики и долговечность бетона. Науч. 11 , 1–17 (2021).

    Артикул Google ученый

38. Ahmad, J., Aslam, F., & Zaid, O., et al Механические и прочностные характеристики устойчивого бетона, модифицированного частичной заменой отработанного литейного песка. Структура Конкр.

Скачать ссылки

Благодарности

Этот проект финансировался Департаментом научных исследований (DSR) Университета короля Абдулазиза, Джидда, в рамках гранта № (D-692-135-1443). Поэтому авторы выражают благодарность DSR за техническую и финансовую поддержку.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Факультет гражданского строительства Шведского инженерно-технологического колледжа, Вах Кантт, Равалпинди, Пакистан

   Джавад Ахмад

2. Факультет горных технологий, топографии и сооружений Леонского университета, Campus de Vegazana s/n, 24071, Леон, Испания

   Ребека Мартинес-Гарсия и 9 Хесус де-Прадо-Хиль 10 0010

   Факультет аэрокосмической техники, Университет короля Абдулазиза, Джидда, 21589, Саудовская Аравия

   Амджад Али Паша и Мостефа Бурчак

3. Междисциплинарный исследовательский центр возобновляемых источников энергии и энергетических систем, Университет нефти и минералов имени короля Фахда, Дахран, 31261, Саудовская Аравия Аравия

   Kashif Irshad

4. K. A.Care Energy Research & Innovation Center в Dhahran, Dhahran, Saudi Arabia

   Kashif Irshad

Авторы

1. Jawad Ahmad

   . PubMed Google Scholar

2. Rebeca Martínez-García

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

3. Jesús de-Prado-Gil

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Амджад Али Паша

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Кашиф Иршад

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Мостефа Бурчак

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

JA: написание статьи, экспериментальная работа, методология. Р.М.: Методология, Супервизия, Концептуальная. JDPG: Эволюция, Мониторинг, Ресурсы. AAP: Программное обеспечение, редакция. К.И: Редактировать работу, Грамматическое усовершенствование. М.Б.: Корректура, Форматирование, Работа с ПО. Все авторы прочитали и согласились на публикацию исправленной версии рукописи.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Джавад Ахмад.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Первоначальная онлайн-версия этой статьи была изменена: Первоначальная версия этой статьи содержала ошибку в разделе «Аффилиация 5», который был неправильно указан как «K.A.CARE Energy Research & Innovation Center, King Fahd University of Petroleum and Mineral, Дахран, Саудовская Аравия». Аравия». Правильная принадлежность указана ниже. K.A.CARE Energy Research & Innovation Center в Дахране, Саудовская Аравия.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете авторство оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Скачать PDF

Развитие прочности бетона с добавлением цемента с добавлением древесной золы и использование моделей мягких вычислений для прогнозирования параметров прочности

J Расширенный рез. 2015 ноябрь; 6(6): 907–913.

Опубликовано в Интернете 23 августа 2014 г. doi: 10.1016/j.jare.2014.08.006

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензии Отказ от ответственности оценивается на предмет его пригодности в качестве частичной замены цемента в обычном бетоне. Опилки были приобретены на шлифовальном станке. Представлены и проанализированы физические, химические и минералогические характеристики WA. Оценены и исследованы прочностные параметры (прочность на сжатие, прочность на разрыв при отрыве и прочность на изгиб) бетона с добавлением цемента WA. Рассматриваются два различных отношения воды к вяжущему (0,4 и 0,45) и пять различных процентов замены WA (5%, 10%, 15%, 18% и 20%), включая контрольные образцы для обоих отношений вода-цемент. Результаты определения прочности на сжатие, прочности на разрыв при разделении и прочности на изгиб показали, что прочностные свойства бетонной смеси незначительно снижаются с увеличением содержания древесной золы, но прочность увеличивается с возрастом. Результаты рентгенофазового анализа и химический анализ WA показали, что он содержит аморфный кремнезем и, таким образом, может использоваться в качестве материала, заменяющего цемент. На основе анализа результатов, полученных в этом исследовании, был сделан вывод, что WA можно смешивать с цементом, не оказывая отрицательного влияния на прочностные свойства бетона. Кроме того, с использованием новой статистической теории машины опорных векторов (SVM) параметры прочности были предсказаны путем разработки подходящей модели, и в результате в этой исследовательской работе было успешно представлено применение мягких вычислений в проектировании конструкций.

Ключевые слова: SVM, Древесная зола, Замена цемента, Прочность на сжатие, XRD

В последние годы растущее осознание глобальной окружающей среды и повышение энергетической безопасности привели к увеличению спроса на возобновляемые источники энергии и диверсификации существующих методов получения энергии. производство. Среди этих ресурсов биомасса (лесные и сельскохозяйственные отходы) является перспективным источником возобновляемой энергии. При современных тенденциях производства энергии электростанции, работающие на биомассе, имеют низкие эксплуатационные расходы и обеспечивают непрерывную поставку возобновляемого топлива. Считается, что этими энергоресурсами будет CO ₂ нейтральный энергоресурс при норме расхода топлива ниже нормы прироста [1]. Кроме того, использование отходов производства биомассы (опилки, древесная щепа, древесная кора, обрезки лесопильных заводов и твердая щепа) в качестве топлива предлагает способ их безопасной и эффективной утилизации. Термическое сжигание значительно уменьшает массу и объем отходов, обеспечивая экологически безопасный и экономически эффективный способ обращения с твердыми отходами [2]. Обычно предприятия по производству изделий из древесины разрабатывают небольшие котельные установки, которые используют древесные отходы, образующиеся на самом предприятии, в качестве основного топлива для производства тепловой энергии для различных процессов, таких как сушка готовой продукции. Древесные отходы обычно предпочтительнее в качестве топлива по сравнению с другими травянистыми и сельскохозяйственными отходами, поскольку при их сжигании образуется сравнительно меньше летучей золы и других остаточных материалов.

Основная проблема, возникающая при использовании отходов леса и древесины в качестве топлива, связана с образованием значительного количества золы после сжигания таких отходов. Обычно наблюдается, что твердая древесина производит больше золы, чем хвойная, а кора и листья обычно производят больше золы по сравнению с внутренней частью деревьев. В среднем при сжигании древесины образуется 6–10 % золы от массы сжигаемой древесины, и ее состав может сильно варьироваться в зависимости от географического положения и производственных процессов [3]. Наиболее распространенным методом удаления золы является засыпка, на долю которой приходится 70% образующейся золы, а остальная часть используется либо в качестве добавки к почве (20%), либо для других различных работ (10%) [4], [5]. Характеристики золы зависят от характеристик биомассы (травяной материал, древесина или кора), технологии сжигания (неподвижный или псевдоожиженный слой) и места сбора золы [6], [7], [8]. Поскольку древесная зола в основном состоит из мелких твердых частиц, которые легко переносятся ветром, она представляет собой потенциальную опасность, поскольку может вызвать респираторные заболевания у жителей вблизи свалки или вызвать загрязнение грунтовых вод путем выщелачивания токсичных элементов в воде. Поскольку стоимость утилизации золы растет, а объем золы увеличивается, необходимо использовать устойчивое управление золой, которое интегрирует золу в естественные циклы [6].

Проводятся обширные исследования промышленных побочных продуктов и другой золы сельскохозяйственных материалов, такой как древесная зола или зола рисовой шелухи, которые можно использовать в качестве замены цемента в бетоне. В связи с нынешним бумом в строительной отрасли возрос спрос на цемент, который является основным компонентом бетона. Кроме того, цементная промышленность является одним из основных источников, высвобождающих большое количество основных потребителей природных ресурсов, таких как заполнитель, и требует высокой мощности и энергии для своей работы. Таким образом, утилизация такой золы побочных продуктов и сельскохозяйственных отходов решает двоякую проблему их утилизации, а также обеспечивает жизнеспособную альтернативу заменителям цемента в бетоне [9].], [10], [11], [12]. Исследователи провели испытания, показавшие многообещающие результаты: древесную золу можно использовать для частичной замены цемента в производстве бетона [5], [16], [17]. Следовательно, использование древесной золы в качестве замены цемента в цементных смесях выгодно с экологической точки зрения, а также позволяет производить недорогие строительные материалы, что приводит к устойчивым отношениям.

Основная цель данного исследования заключалась в изучении влияния древесной золы, полученной в результате неконтролируемого сжигания опилок, на увеличение прочности бетона (прочность на сжатие, прочность на изгиб и прочность на растяжение при разделении) для двух различных водоцементных отношений и разработать модель регрессии с использованием машин опорных векторов (SVM) для прогнозирования неизвестных параметров прочности.

Материалы

Цемент

Использовался обычный портландцемент (тип 1) по IS 8112:1995 [14]. Физические и химические свойства цемента находятся в.

Таблица 1

Химический анализ и физические свойства цемента.

	Particular	Value
Chemical properties
1	SiO 2 (%)	20. 25
2	Al 2 O 3 (%)	5.04
3	Fe 2 O 3 (%)	3.16
4	CaO (%)	63.61
5	MgO (%)	4.56
6	Na 2 O (%)	0.08
7	K 2 О (%)	0,5
8	Loss on ignition	3. 12
Physical properties
1	Specific gravity	3.1
2	Mean size	23 μm

Открыть в отдельном окне

Заполнители

В качестве мелкого заполнителя использовался природный песок нормального веса с максимальным размером частиц 4,75 мм и удельным весом 2,6. Свойства песка указаны в , а его гранулометрический состав соответствует требованиям ASTM C33/C33M-08 [15]. В качестве крупного заполнителя использовали дробленый гравий со средним размером 10 мм и удельным весом 2,6.

Таблица 2

Классификация и свойства мелкого заполнителя.

Sieve size (mm)	Percentage passing	Limits of specifications ASTM C33/C33M-08
9. 5	100	100
4.75	98	95 –100
2,36	92	80–100
1,18	84	950–80949
0.60	57	25–60
0.30	23	5–30
0.15	3	0–10
Property	Result
Специфическая гравитация	2,62
Абсорбция (%)	0,70

Открытая в отдельной окне

140140140140140140140140140140

140140

. 0002 Опилки из установки для полировки древесины в штате Тамилнаду, Индия, были выбраны для оценки их пригодности в качестве золы для замены OPC. Древесная зола (ЗД) была получена путем сжигания в открытом грунте при средней температуре 700 °С. Материал высушивали и тщательно гомогенизировали. Адекватный размер частиц древесной золы был получен путем смешивания древесной золы и крупного заполнителя в течение фиксированного периода времени. Это смешивание было сделано для облегчения пуццолановой реакции и снижения содержания воды из-за равномерного распределения по размерам. обеспечивает физические и химические свойства древесной золы. Оцененные физические свойства полностью соответствовали выводам Naik et al. [17], которые сообщили, что удельный вес древесной золы находится в диапазоне от 2,26 до 2,60, а удельный вес — в диапазоне от 162 кг/м 9 .0020 3 до максимум 1376 кг/м ³ . Результаты химического анализа подтверждаются выводами нескольких исследователей [13], [18], [19], которые сообщили о наличии значительного количества кремнезема в образцах золы, полученной в результате неконтролируемого сжигания опилок, и дали среднее значение 72,78% для общий состав пуццолановых эфирных соединений, а именно кремнезема, глинозема и железа (см. , ).

Таблица 3

Химический анализ и физические свойства WA.

	Particular	Value
Chemical properties
1	SiO 2 (%)	65.3
2	Al 2 O 3 (%)	4.25
3	Fe 2 O 3 (%)	2.24
4	CaO (%)	9.98
5	MgO (%)	5. 32
6	Na 2 O (%)	2.6
7	K 2 O (%)	1.9
8	Loss on ignition (%)	4.67
Physical properties
1	Specific gravity	2.16
2	Mean size	170 мкм
3	Огромная плотность	720 кг/м 3

. 27].

6 Мин. SiO ₂ + Al 9Макс. Триоксид серы (SO ₃ ) (%)

Свойства	Пуццолан класса N	Пуццолан класса F	Пуццолан класса C
4,0	5,0	5,0
Макс. Na 2 O + 0,658 K 2 O	1,5	1,5	1,5
Макс. потери при прокаливании	10,0	6,0	6,0

Открыть в отдельном окне

Таблица 5

Результаты испытаний.

30,442.49

Вода к связующему соотношению	Процент замены (%)	Прочность на сжатие (N/мм 2 )		Прочность на расщепление ). mm 2 )
7 day	28 day	7 day	28 day	7 day	28 day
0.40	0	35.7	36.8	2.78	3.51	5. 40	5.77
5	34.1	35.3	2.61	2.90	5.29	5.63
10	33.9	36.5	2.53	2.81	5.17	5.39
15	32.7	34. 8	2.39	2.73	5.03	5.25
18	33.1	32.3	2.48	2.79	4.91	5.08
20	30.4	31.7	2.21	2.53	4.82	4. 97
0.45	0	33.0	34.2	2.50	3.30	5.10	5.52
5	31.1	33.3	2.47	3.24	5.08	5.46
10	30. 7	32.7	2.39	3.16	4.93	5.41
15	32,3	35,4	2,27	3,04	4,87	5,29
18
18	37 30.30942
4.84	5.17
20	27. 7	29.0	2.1	2.67	4.77	4.91

Open in a separate window

Mix and casting of concrete

For the В исследовании было приготовлено шесть различных пропорций бетонных смесей (замена WA на 5%, 10%, 15%, 18% и 20% по весу цемента), включая контрольную смесь, с соотношением воды и вяжущего 0,40 и 0,45 для расчетной прочности на сжатие. 20 Н/мм ² . Для испытания на сжатие блоки отливали кубами размером 10 × 10 × 10 см для каждого соотношения вода-вяжущее и для каждого процента замещения. Для испытаний на разрывную прочность при разделении отливали цилиндры диаметром 5 см и высотой 20 см для каждого соотношения вода-вяжущее и для каждого процента замены. Для прочности на изгиб были отлиты балки размером 10 × 10 × 50 см для каждого соотношения вода-вяжущее и для каждого процента замены. Уплотнение бетона производилось вибрацией по IS: 516-19.59. После отливки все испытуемые образцы хранились при комнатной температуре, затем через 24 ч расформовывались и до момента проведения испытаний помещались в ванну-отвердитель с температурой 24–34 °С. Для каждого процента замены отливали два образца на 7 дней и два образца отливали на 28 дней испытаний. Средний результат сообщается в документе.

Программа испытаний

Испытания, проведенные на затвердевшем бетоне, включали испытание на прочность на сжатие, прочность на изгиб, испытание на растяжение при разделении в течение 7 дней и определение прочности в течение 28 дней. Для определения прочности на сжатие и прочности на растяжение при разделении использовалась цифровая машина для испытаний на сжатие, а также применялась двухточечная система нагрузки на прочность на изгиб. Для сравнения прочности была взята максимальная нагрузка при разрушении. Для определения минералогических свойств РГА проводили рентгеноструктурный анализ. Результаты сообщаются.

Реализация SVM для прогнозирования прочностных параметров цемента с добавками WA

Алгоритм SVM основан на статистической теории обучения, и в случае регрессии цель состоит в том, чтобы построить гиперплоскость, которая находится «близко» к как можно большему количеству точек данных [ 20], [21], [22], [23]. Таким образом, выбирается гиперплоскость с малой нормой при одновременной минимизации суммы расстояний от точек данных до гиперплоскости. Преимущество этой модели SVM, разработанной Кортесом и Вапником [21], состоит в том, что она уменьшает ошибку обучения и является уникальной и оптимальной в глобальном масштабе, в отличие от других инструментов машинного обучения [24], [25]. В SVM, прежде всего, каждая из входных переменных (водоцементное отношение и процентная замена древесной золы) нормализуется к соответствующему максимальному значению. Для реализации SVM набор данных был разделен на два подмножества:

• Набор обучающих данных: этот набор данных необходим для построения модели. В этом исследовании для обучения учитываются 6 из 12 наборов данных, относящихся к обоим водоцементным отношениям.

• Набор тестовых данных: требуется для оценки производительности модели. В этом исследовании оставшиеся 6 из 12 наборов данных используются в качестве тестового набора данных.

Концепция принятого разделения данных была взята из исследования Ли и Ли [26]. Основная цель исследования заключалась в разработке регрессионной модели с использованием новой теории статистического обучения, машин опорных векторов (SVM), для прогнозирования неизвестных параметров прочности.

Физико-химический анализ WA и цемента

Физические свойства цемента и WA приведены в и . Удельный вес и средний размер WA оказались меньше, чем у цемента. Полученные результаты согласуются с выводами Naik et al. [17], которые оценили физические свойства древесной золы из пяти различных источников и пришли к выводу, что удельный вес варьируется от 162 кг/м ³ до 1376 кг/м ³ . Низкий удельный вес и удельный вес по сравнению с обычным цементом открывают возможность снижения удельного веса бетона, изготовленного из цемента с добавками WA.

Данные о химическом составе цемента и WA также представлены в и . Этот конкретный образец WA содержит 65,30% кремнезема. Общий состав основного соединения пуццолана, а именно кремнезема, глинозема и железа, составляет 71,79%, что аналогично составу пуццоланов классов N и F, как показано на рис. Этот результат также очень близок к среднему значению 72,78%, которое является средним значением основных соединений пуццолана, как сообщают различные исследователи [13], [17], [19].

Таблица 6

R значения для обучения и тестирования.

Output	Training performance ( R value)	Testing performance ( R value)
Compressive strength	0. 979	0.957
Split tensile strength	0,981	0,964
Прочность на изгиб	0,984	0,978

Открыть в отдельном окне

Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурный анализ (РФА) RHA был выполнен с использованием рентгеновского дифрактометра Siemens D500 с К-излучением. Этот анализ был выполнен для анализа минералогических фаз (аморфной или кристаллической) RHA.

представляет рентгенограмму образца WA. Он показывает горб, указывающий на то, что он аморфный, а также пики SiO ₂ , также свидетельствующие о кристаллической природе. Таким образом, был сделан вывод, что WA содержит как аморфную, так и кристаллическую форму SiO 9 . 0349 2 . Основной пик кристаллического SiO ₂ приходится на угол Брэгга 2-Тета, равный 29,402. Присутствие аморфного кремнезема делает его пригодным в качестве материала, заменяющего цемент, благодаря пуццолановой активности.

Прочность на сжатие

представляет собой прочность на сжатие цементного бетона с добавлением WA для двух различных водоцементных отношений. Анализ данных показывает, что прочность на сжатие цементного бетона с добавлением WA снижается с увеличением содержания WA в бетоне. Эта тенденция наблюдалась как для отношения воды к вяжущему. Этот результат согласуется с выводами различных исследователей, в том числе Элинвы и Махмуда [18] и Абдуллахи [19].]. Эта тенденция прочности на сжатие оправдана по той причине, что частица действует скорее как наполнитель в матрице цементного теста, чем в связующем материале. По мере увеличения процента замещения площадь поверхности наполнителя, который должен быть скреплен цементом, увеличивается, тем самым снижая прочность. Но, как видно из таблицы, с возрастом прочность увеличивалась, что указывало на наличие пуццолановой реакции.

Таблица 7

Результаты прогнозирования SVM.

Водоотъемлемость к цементному соотношению	Процент замены	Прочность на сжатие (N/мм 2 )	Прочность на распределение (N/MM 2 )	Сила сгибки (N/MM 2 )	.
28 days	28 days	28 days
0.4	6	36.845	3.5028	6. 4531
16	34.1093	2.7913	5.9618
19	32.345	2.76	5.8206
0.45	6	34.155	3.2928	6.2902
16	32.5404	2.8335	5. 9811
19	32.555	2,8828	5,7714

Open в отдельном окне

6666666666666666666666666666666666660067

представляет собой предел прочности при растяжении цементного бетона с добавлением WA для двух различных соотношений вода-вяжущее. Анализ данных показывает, что предел прочности при растяжении цементного бетона с добавлением WA снижался с увеличением содержания WA в бетоне, но это снижение было менее выраженным по сравнению со снижением прочности на сжатие. Это снижение прочности наблюдалось как для отношения воды к связующему. Этот результат согласуется с выводами Udoeyo и Dashibil [13], которые также сообщили об аналогичном снижении. Это снижение может быть связано с активностью наполнителя частиц WA в бетоне и плохим сцеплением частиц WA с растворной матрицей из-за большой площади поверхности.

Прочность на изгиб

Прочность на изгиб бетона с RHA через 7 дней и 28 дней представлена ​​в . Из анализа данных видно, что применение ВА приводило к снижению прочности на изгиб при увеличении содержания древесной золы как при соотношении воды к вяжущему. Такое же наблюдение снижения силы было сообщено Udoeyo et al. [16]. Снижение показателей прочности может быть связано с увеличением содержания древесной золы, увеличением количества цемента, необходимого для покрытия частиц наполнителя, что приводит к ухудшению сцепления с матрицей.

представляет параметры прочности (прочность на сжатие, прочность на растяжение при разделении и прочность на изгиб) через 28 дней при отношении воды к вяжущему, равном 0,4.

Открыть в отдельном окне

Показатели прочности через 28 дней при водовяжущем отношении 0,4.

представлены параметры прочности (прочность на сжатие, прочность на растяжение при разделении и прочность на изгиб) через 28 дней при соотношении воды и вяжущего, равном 0,45.

Открыть в отдельном окне

Показатели прочности через 28 дней при водовяжущем отношении 0,45.

SVM прогноз параметров прочности

Двумя входными переменными, используемыми для разработки модели SVM для прогнозирования параметра прочности на сжатие через 28 дней, являются водоцементное отношение и процент замещения. Эффективность SVM оценивалась с точки зрения коэффициента корреляции ( R ). Значение ( R ) должно быть близко к 1 для хорошей модели [25], [26]. Расчетные значения C и ε были определены методом проб и ошибок. показывает производительность SVM для прогнозирования различных параметров прочности.

Таким образом, модель способна эффективно прогнозировать параметр прочности. представлены данные параметров прочности, предсказанные SVM для процента замены, который не был рассчитан экспериментально.

Это исследование приводит к следующим выводам:

• (1)

  Согласно физико-химическому анализу, присутствие эфирного соединения пуццолана, как того требуют стандарты, присутствие гораздо более мелких частиц и, следовательно, большая площадь поверхности на частицы делают WA пуццолановым материалом.

• (2)

  Данные XRD показали, что WA содержит аморфный кремнезем, что делает его пригодным в качестве материала, заменяющего цемент, благодаря его высокой пуццолановой активности.

• (3)

  Параметры прочности несколько снижаются с увеличением содержания древесной золы в бетоне по сравнению с контрольным образцом. Однако полученная прочность по-прежнему превышает целевую прочность 20 Н/мм ² . Также прочность увеличивается с возрастом за счет пуццолановых реакций.

• (4)

  Таким образом, использование WA в бетоне помогает превратить его из экологических проблем в полезный ресурс для производства высокоэффективного альтернативного вяжущего материала.

• (5)

  Статистическая регрессионная модель SVM была успешно использована для прогнозирования неизвестных параметров прочности. Таким образом, применение расчетной модели в бетоне было успешно показано.

Процесс получения древесной золы можно импровизировать, поскольку в данном исследовании использовалась древесная зола, полученная в результате неконтролируемого сжигания опилок. Количество и качество древесной золы зависят от нескольких факторов, а именно сжигания, температуры древесной биомассы, породы древесины, из которой получена зола, и типа используемого метода сжигания. Таким образом, любая будущая работа должна быть сосредоточена на вышеуказанных факторах для получения более реакционноспособной золы путем разработки оптимальных условий для производства аморфного кремнезема. Используя WA в различных количествах в качестве замены цемента в бетоне, можно получить бетон с высокой долговечностью и повышенной прочностью. Этот новый бетон, безусловно, уменьшит экологические проблемы, стоимость продукции и потребление энергии.

Авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.

Эта статья не содержит материалов об исследованиях на людях или животных.

Авторы хотели бы поблагодарить профессора Пиюша Самуи из Технологического института Веллора, Веллор, за его ценную помощь и предложения в ходе проекта.

Экспертная оценка под ответственностью Каирского университета.

1. Раджамма Р., Болл Р.Дж., Луис А.С., Тарельо, Аллен Г.К., Лабринча Дж.А. Характеристики и использование летучей золы биомассы в материалах на основе цемента. Джей Хазард Матер. 2009 г.;172:1049–1060. [PubMed] [Google Scholar]

2. Чи Бан Чеа, Рамли М. Механическая прочность. Прочность и усадка при высыхании конструкционного раствора, содержащего HCWA в качестве частичной замены цемента. Constr Build Mater. 2012;30:320–329. [Google Scholar]

3. Сиддик Р. Использование древесной золы в производстве бетона. Resour Conserv Recy. 2012;67:27–33. [Google Scholar]

4. Кэмпбелл А.Г. Переработка и утилизация древесной золы. Таппи Дж. 1990;73(9):141–143. [Академия Google]

5. Этьегни Л., Кэмпбелл А.Г. Физико-химические характеристики древесной золы. Биоресурсная технология. 1991;37(2):173–178. [Google Scholar]

6. Обернбергер И., Бидерманн Ф., Видманн В., Ридель Р. Концентрация неорганических элементов в топливе из биомассы и восстановление в различных фракциях золы. Биомасса Биоэнергетика. 1997; 12: 211–224. [Google Scholar]

7. Лоо С.В., Koppejan J. Twente University Press; Нидерланды: 2003 г. Справочник по сжиганию биомассы и совместному сжиганию. [Академия Google]

8. Инь С., Ла Розендаль, Каер С.К. Колосниковое сжигание биомассы для производства тепла и электроэнергии. Прога Energy Combust. 2008; 34: 725–754. [Google Scholar]

9. Лин К.Л. Текст научной работы на тему «Влияние золы-уноса шлаков мусоросжигательных заводов на цементные пасты» Cem Concr Res. 2005; 35: 979–986. [Google Scholar]

10. Duchsene J., Berubet M.A. Влияние дополнительного вяжущего материала на состав продуктов гидратации цемента. Adv Cem Основанный Матер. 1995; 2:43–52. [Академия Google]

11. Малек Б., Икбал М., Ибрагим А. Использование отборных отходов в бетонных смесях. Управление отходами. 2007; 27: 1870–1876. [PubMed] [Google Scholar]

12. Монтейро М.А., Перейра Ф., Феррейра В.М., Дунди М., Лабринча Дж.А. Промышленные отходы на основе легких заполнителей. Инд Керам. 2007; 25:71–77. [Google Scholar]

13. Удоё Ф.Ф., Дашибиль П.У. Зола опилок как материал для бетона. J Mater Civ Eng. 2002;14(2):173–176. [Google Scholar]

14. Индийский стандартный обычный портландцемент, сорт 43 – Спецификация, Бюро индийских стандартов, Манак Бхаван, 9Бахадур Шах Зафар марг, Нью-Дели.

15. Спецификация американского стандарта для бетонных заполнителей, Американское общество испытаний и материалов, 100 Barr Harbour Drive, PO Box C700, West Conshohooken, United States.

16. Удоэйо Ф.Ф., Иньянг Х., Янг Д.Т., Опараду Э.Е. Возможности использования отходов древесной золы в качестве добавки в бетон. J Mater Civ Eng. 2006;18(4):605–611. [Google Scholar]

17. Найк Т.Р., Краус Р.Н., Сиддик Р. CLSM, содержащий смесь угольной золы и нового пуццоланового материала. Ачи Матер Дж. 2003; 100 (3): 208–215. [Академия Google]

18. Элинва А.У., Махмуд Ю.А. Зола из древесных отходов как заменитель цемента. Cem Concr Compos. 2002; 24: 219–222. [Google Scholar]

19. Абдуллахи М. Характеристики бетона из древесной золы/OPC. Леонардо. 2006; 8: 9–16. [Google Scholar]

20. Анкона Н. Классификационные свойства машин опорных векторов для регрессии. Технический отчет. Ri-Iesi Cnr-Nr.02/99.

21. Кортес С., Вапник В. Сети опорных векторов. Мах Учиться. 1995; 20: 273–297. [Академия Google]

22. Хайкин С. Прентис Холл Инк.; Нью-Джерси: 1999. Нейронные сети: всеобъемлющая основа. [Google Scholar]

23. Смола А.Дж., Шолкопф Б. Учебное пособие по регрессии опорных векторов. Серия технических отчетов NeuroCOLT 2. Nc2-Tr-1998-030; 1998.

24. Фрейтас Н.Д., Майло М., Кларксон П. Последовательная машина опорных векторов. В: Материалы семинара Общества обработки сигналов IEEE 1999 г .; 1999. с. 31–40.

25. Цао Л.Дж., Тай Ф.Э.Х. Метод опорных векторов с адаптивными параметрами в прогнозировании финансовых временных рядов. Нейронная сеть IEEE T. 2003;14(6):1506–1518. [PubMed] [Академия Google]

26. Ли И.М., Ли Дж.Х. Прогнозирование несущей способности сваи с помощью искусственной нейронной сети. Вычислительная геотехника. 1996;18(3):189–200. [Google Scholar]

27. Спецификация американского стандарта для угольной летучей золы и сырого или кальцинированного природного пуццолана для использования в бетоне, Американское общество по испытаниям и материалам, 100 Barr Harbour Drive, PO Box C700, West Conshohooken, United States.

Расчет прочности на сжатие кросс-клееной деревянной панели | Журнал науки о древесине

• Оригинальный артикул
• Опубликовано: 16 октября 2014 г.

• Чон-Квон О ¹ ,
• Джун-Джэ Ли ¹ и
• Чон-Пё Хонг ¹  

Журнал науки о древесине том 61 , страницы 28–34 (2015)Процитировать эту статью

• 4717 доступов

• 21 цитирование

• Сведения о показателях

Abstract

Прочность на сжатие клееного бруса (CLT) является одним из важных механических свойств, которое следует учитывать, особенно при проектировании среднеэтажного здания CLT, поскольку оно работает, чтобы выдерживать вертикальную несущую нагрузку от верхних этажей. Панель CLT может быть изготовлена ​​в различных комбинациях сорта и размера пластин. Это приводит к тому, что экспериментальный подход к оценке силы CLT был бы дорогим и трудоемким. В этой статье были изучены модели, основанные на свойствах пластин, для прогнозирования прочности на сжатие панели CLT. Для предсказания модели было применено моделирование методом Монте-Карло. Серия экспериментальных тестов на сжатие на панели CLT (короткая колонка) была проведена для проверки модели и показала хорошие результаты. С помощью этой модели было исследовано влияние ширины пластины на прочность на сжатие CLT. Это показывает, что прочность на сжатие CLT увеличивается с увеличением количества пластинок. Считалось, что эффект повторяющихся элементов (или эффект дисперсии) применим к панели CLT, что объяснялось уменьшением вариации прочности. Эта зависимость от количества пластин нуждается в дальнейшем изучении при разработке эталонных проектных значений, конструкции стенки CLT и производстве CLT.

Введение

Перекрестно-клееная древесина, которая является продуктом европейской инженерной обработки древесины, обладает высокой устойчивостью к боковым и вертикальным нагрузкам. Поскольку интерес к деревянным каркасным зданиям средней этажности возрос, этот продукт признан новым строительным материалом, подходящим для этого высотного здания.

В малоэтажном деревянном каркасном здании сопротивление вертикальной нагрузке стены и колонны не рассматривается как критическая характеристика при проектировании конструкции. Однако в зданиях средней этажности стены и колонны должны выдерживать большую вертикальную нагрузку верхних этажей. Перекрёстно-клееная древесина показала большие возможности для использования в среднеэтажном деревянном каркасном строительстве. Стены из поперечно-клееного бруса (CLT) в здании средней этажности должны выдерживать гораздо большую вертикальную нагрузку, чем в малоэтажных зданиях.

Стены, подвергающиеся вертикальным нагрузкам, рассчитываются исходя из прочности на сжатие и упругости CLT-панелей и коэффициента гибкости [1]. Из трех факторов, определяющих вертикальное сопротивление стены, коэффициент гибкости и эластичность могут быть известны без экспериментальных испытаний вплоть до разрушения. Однако прочность на сжатие не может быть измерена без испытаний на разрушение. Поскольку CLT изготавливаются с различными комбинациями пластин по марке и размеру, экспериментальные испытания для установления эталонного расчетного значения CLT-панелей являются довольно сложными. Таким образом, общепринятым подходом является то, что проектирование CLT-панелей основывается на характеристиках отдельных сортов листовой стали, что также справедливо для проектирования клееного бруса. Для таких изделий из клееной инженерной древесины было разработано множество моделей для определения эталонных расчетных характеристик в зависимости от комбинаций. Фоши и Барретт [2] разработали модель для прогнозирования прочности клееного бруса на изгиб. После этого Бендер и соавт. [3], Коллинг [4], Hernandez et al. [5], Реноден [6], Серрано и др. [7] и Lee et al. В работе [8] изучалась прочность на изгиб клееной балки с модельной проверкой. Для прочности на сжатие клееного бруса Frese et al. [9] предсказал это методом конечных элементов.

CLT изготавливается путем склеивания пластин крест-накрест; следовательно, слои CLT, пересекающиеся с направлением нагрузки, будут нагружены перпендикулярно направлению зерна при сжатии. Прочность древесины на сжатие перпендикулярно волокнам составляет примерно 10 % от прочности на сжатие параллельно волокнам [10]. Таким образом, предполагается, что вклад поперечных слоев в общую прочность на сжатие панели CLT равен нулю, что делает расчет консервативным [1]. Клеено-ламинированные изделия обладают преимуществом дисперсионного эффекта [11]. Этот эффект работает на то, чтобы сделать клееные изделия более однородным материалом, чем массивная древесина, замазывая дефекты древесины. Следовательно, изменение прочностных характеристик, известное для одного сорта пластин, может быть усреднено в рамках окончательной CLT-панели.

Сопротивление сжатию стены из CLT рассчитывается путем умножения площадей поперечного сечения вовлеченных параллельных пластин на прочность на сжатие, основанную на 5-м процентиле прочности пластины. Однако влияние гомогенизации на прочность на сжатие не рассматривалось. Поэтому в этом исследовании, исходя из предположения об отсутствии вклада поперечных слоев в общую прочность на сжатие CLT-панели, были выполнены модельные прогнозы прочности на сжатие CLT-панели. Прогноз был подтвержден комплексом экспериментальных исследований. Чтобы статистически распознать влияние гомогенизации на прочность, при расчете значения 5-го процентиля использовали моделирование методом Монте-Карло.

Материалы и методы

Эксперименты

Прочность пластины на сжатие

Лиственница корейская ( Larix kaempferi ) была использована для производства ламинированного материала размером 100 мм (ширина) × 30 мм (толщина) × 2400 мм (длина). по корейскому стандарту F 3021 – конструкционная клееная древесина [12]. Этот стандарт предписывает, что после прохождения визуальной проверки качества пластины должны быть классифицированы по модулю упругости (MOE), измеренному с помощью машины для оценки MOE, после чего каждой пластине присваивается класс, который указывает соответствующий минимальный MOE, который необходимо удовлетворить. Например, пластина класса E11 должна иметь MOE 11 ГПа или выше.

Тридцать девять кусков пластинок класса E11 были изготовлены для оценки прочности пластин на сжатие. Длина пластин составила 2600 мм при поперечном сечении 30 мм на 100 мм. Дефект максимального снижения прочности (MSRD) был выявлен по всей длине. Чтобы предотвратить коробление во время испытания на сжатие, образцы пластинок были разрезаны на куски длиной 180 мм (коэффициент гибкости, L/r , <17) (короткая колонка, ASTM D198 [13]), включая идентифицированный MSRD, как показано на рис. 1.

Рис. 1

Подготовка пробного образца пластины, содержащего MSRD (дефект, снижающий максимальную прочность)

Изображение в полный размер

Образцы длиной 180 мм были испытаны на универсальной испытательной машине в направлении древесных волокон. Регистрировали максимальную нагрузку и рассчитывали прочность на сжатие путем деления максимальной нагрузки на площадь поперечного сечения. Окончательный размер составил 29,4 × 98,9 мм. Исходя из прочности на сжатие, прочность 5-го процентиля была рассчитана с помощью 2-параметрического распределения Вейбулла (уравнение 1). Параметры наилучшего распределения Вейбулла оценивались программой, написанной на языке Matlab 2013a (MathWorks). Из наилучшего распределения Вейбулла оценка точки 5-го процентиля была рассчитана как прочность на сжатие 5-го процентиля. 9{\beta } }} $$

(1)

где F ( t ) — кумулятивная функция плотности Вейбулла. β и η — параметры формы и масштаба распределения Вейбулла соответственно.

Прочность на сжатие панели CLT

Для проверки расчетной модели прочности на сжатие панели CLT было испытано 34 образца CLT. Для изготовления образца CLT были подготовлены пластины класса E8 и E11 размером 30 мм на 100 мм на 2600 мм. Путем сборки пластин марки Е8 на внутреннем поперечном слое и пластин марки Е11 на внешнем слое было изготовлено 34 шт. трехслойных CLT-панелей с однокомпонентным полиуретановым клеем (OTTO COLL P84, Hermann OTTO GmbH, Германия). Пластины не были склеены по кромке. После отверждения панели были обрезаны до размеров 1200 мм (ширина) × 9.0 мм (толщина) × 2400 мм (длина). Панели CLT были разрезаны на четыре образца полосовых панелей [приблизительно 200 мм (ширина) × 90 мм (толщина) × 2400 мм (длина)], затем из полосовой панели были вырезаны испытательные образцы длиной 400 мм, чтобы предотвратить коробление при испытании на сжатие. (коэффициент гибкости, L/r, <17). Средний окончательный размер составил 197,7 мм (ширина) × 88,4 мм (толщина) × 400,5 мм (длина).

В отличие от образцов пластинок, содержащих MSRD, расположение MSRD на панели CLT не учитывалось при подготовке образцов; следовательно, образцы CLT были вырезаны случайным образом по длине. На рисунке 2 показан образец CLT, который имеет четыре пластины E11, параллельные направлению нагрузки на внешних слоях, и четыре или пять поперечных пластин E8 в среднем слое. Средняя площадь поперечного сечения контакта при сжатии составляла 88,4 мм на 197,7 мм.

Рис. 2

Образец для испытания на сжатие панели CLT (перекрестно-клееный брус) (единица измерения: мм)

Изображение в полный размер

Образцы были нагружены универсальной испытательной машиной в направлении волокон внешнего слоя. Регистрировали максимальную нагрузку и рассчитывали прочность на сжатие путем деления на кажущуюся площадь поперечного сечения. Также была рассчитана 5 % балльная оценка как сила 5-го процентиля по той же процедуре, что и при тесте пластинки.

Расчет прочности на сжатие CLT-панели

При сжимающей нагрузке поперечные слои панели CLT нагружаются перпендикулярно направлению волокон. Обратите внимание, что сопротивление сжатию в направлении, перпендикулярном направлению волокон, составляет всего 10 % от сопротивления, параллельного направлению волокон. Сопротивление сжатию CLT ( F _CLT А _{кажущихся} ) рассчитывали по уравнению. 2.

$$ F_{\text{CLT}} A_{\text{кажущийся}} = \sum {F_{i} A_{i}} $$

(2)

где,

Ф _CLT — прочность на сжатие панели CLT (МПа)

Ф _и – прочность на сжатие i -й пластины (МПа) ( F _и  = 0, если i -я пластинка находится в поперечном слое)

А _и — площадь поперечного сечения и -го листа (мм ² )

А _{кажущаяся} — площадь поперечного сечения CLT (мм ² )

Прежде чем сравнивать прогноз с измеренным сопротивлением нагрузки CLT, для CLT была сделана поправка на размерный эффект. Поскольку место разреза образца пластинки длиной 180 мм было выбрано таким образом, чтобы содержать MSRD каждой пластинки, измеренная прочность пластинки является характеристикой полной длины. Однако расположение образцов CLT длиной 400 мм было случайным образом вырезано из полноразмерных CLT длиной 2600 мм. Следовательно, вероятность того, что этот короткий образец CLT длиной 400 мм будет содержать MSRD, будет ниже, чем для образца CLT полной длины. Чтобы скорректировать это несоответствие, результаты испытаний на сжатие образцов CLT были изменены с помощью коэффициента размера. Сопротивление сжимающей нагрузке CLT было скорректировано на основе теории слабых звеньев Вейбулла, в которой 0,1 использовалось как 9.{k} $$

(3)

где,

о _{измерено} – измерено сопротивление сжатию CLT (МПа)

о _{скорректированный} – скорректированная прочность на сжатие CLT (МПа)

л _{измерено} длина образца (400 мм) (мм)

л _{скорректированный} — длина образца, который необходимо подогнать (2600 мм) (мм)

k — параметр эффекта длины (0,1)

Для расчета 5-го процентиля прочности панели CLT в этом исследовании использовались два метода: детерминистический метод (DM) и моделирование Монте-Карло (MCS). При использовании DM прочность панели CLT 5-го процентиля рассчитывалась с использованием значения 5-го процентиля используемой пластины, а среднее сопротивление нагрузке панели CLT также может быть получено с помощью соответствующего значения пластины. При использовании MCS вводилось распределение прочности на сжатие для класса E11. Прочность на сжатие четырех пластин класса E11 была получена на основе наиболее подходящего распределения Вейбулла. С полученной прочностью на сжатие прочность на сжатие CLT рассчитывали по уравнению. 2. Эта процедура повторялась до 3000 расчетов панели CLT. Из 3000 результатов прочности на сжатие значение 5-го процентиля было получено с помощью непараметрического подхода.

Результаты и обсуждения

Для испытания пластинки E11 была измерена прочность на сжатие и рассчитана прочность 5-го процентиля с помощью двухпараметрического анализа распределения Вейбулла. Результаты испытаний показаны на рис. 3 и в таблице 1. Кроме того, измеренная прочность на сжатие образцов CLT показана на рис.  4 и в таблице 2.

Изображение в натуральную величину

Таблица 1 Статистика прочности на сжатие для пластины 9 класса Е110050

Полноразмерная таблица

Рис. 4

Суммарная вероятность прочности на сжатие для CLT-панели (поперечно-слоистая древесина)

Изображение в натуральную величину

Таблица 2 Статистика прочности на сжатие для CLT-панели

Полноразмерная таблица

By

2 DM, значение 5-го процентиля и среднее сопротивление сжимающей нагрузке CLT-панели были спрогнозированы, как показано в Таблице 3. Среднее сопротивление сжимающей нагрузке CLT-панели составило 558,1 кН, а значение 5-го процентиля составило 446,7 кН. В этом случае разница в сопротивлении нагрузке 5-го процентиля между измеренными и прогнозируемыми значениями (-17,36 %) была больше, чем в среднем (-0,57 %).

Таблица 3 Результаты сопротивления сжимающей нагрузке для CLT (перекрестно-клееного бруса) (кН)

Полная таблица размеров

При прогнозировании DM значение 5-го процентиля образца пластины использовалось для расчета 5-го процентиля сжимающей нагрузки сопротивление CLT-панели на основе предположения, что все параллельные пластины одновременно имеют прочность на сжатие 5-го процентиля (38,36 МПа) в CLT-панели. Однако вероятность того, что они будут ниже прочности 5-го процентиля, предсказанной DM, при которой все листовые пластины имеют прочность 5-го процентиля, может не составлять 5 %. Эта разница между прочностью 5-го процентиля для определения и значением, предсказанным методом DM, может увеличиваться по мере увеличения количества пластинок. Для более точного определения значения 5-го процентиля использовали MCS. Ожидалось, что MCS с большей вероятностью будет отражать реальную производственную ситуацию с точки зрения расчета вероятности. Прочность на сжатие всех параллельных пластин была сгенерирована случайным образом на основе наиболее подходящего распределения марки пластин класса E11. Все пластины генерируются независимо. С полученной прочностью на сжатие сопротивление сжимающей нагрузке панели CLT было предсказано по уравнению. 2. Сила 5-го процентиля была рассчитана по результатам моделирования с помощью непараметрического подхода. Как показано в таблице 3, MCS обеспечивает более точное значение 5-го процентиля, чем DM. Смоделированное сопротивление сжимающей нагрузке хорошо соответствует измеренному результату (см. рис. 5). На основании этого сравнения между моделью MCS и результатом измерения был сделан вывод, что модели MCS, используемые в этом исследовании, могут более успешно прогнозировать прочность на сжатие панели CLT 5-го процентиля, чем метод DM. В двух методах (MCS и DM) использовалась одна и та же формула прогнозирования, но была обнаружена разница в расчете 5-го процентиля из-за лучшего отражения MCS фактической сборки панели CLT.

Рис. 5

Сравнение измеренного сопротивления сжатию CLT (клееного бруса) с расчетными значениями, полученными с помощью DM (детерминированный метод) и MCS (моделирование Монте-Карло)

Изображение в натуральную величину

Прочность на сжатие CLT (-6,57 % в таблице 3). Следует отметить, что сопротивление поперечных пластин не учитывалось при прогнозировании прочности на сжатие. Даже если поперечные пластины имеют относительно низкие характеристики прочности и модуля Юнга, они, по-видимому, в некоторой степени вносят положительный вклад в сопротивление сжатию CLT-панелей.

Steiger et al. [15] сообщили, что гомогенность CLT увеличивается по мере увеличения количества пластинок. Следовательно, ожидается, что на прочность 5-го процентиля будет влиять количество пластинок вследствие гомогенизации. С помощью MCS было исследовано влияние количества пластин в CLT на прочность на сжатие стенки CLT. Если ширина пластинки постоянна, количество пластинок будет увеличиваться с увеличением длины стенки CLT. На рисунке 6 показано, что прочность на сжатие панели CLT 5-го процентиля имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения количества пластин в CLT. При испытаниях для установления расчетной прочности необходимо учитывать эту зависимость от ширины пластины. Это означает, что прочность панели CLT также может регулироваться с помощью такого фактора, как эффект повторяющегося элемента балки (или эффект системы), который объясняет, что несущая способность отдельного элемента увеличивается за счет распределения нагрузки с соседними элементами. Считается, что целесообразность использования этого фактора воздействия на панели CLT требует дальнейшего изучения.

Рис. 6

Изменение прочности на сжатие CLT (перекрестно-клееного бруса) в зависимости от ширины параллельного листа, используемого в CLT, где панели CLT были изготовлены из листа толщиной 98,45 мм

Изображение в натуральную величину

В производстве CLT , размер пластинки должен быть определен заранее, и это может повлиять на производительность получаемого CLT. Поэтому в этом исследовании влияние ширины пластинки на прочность на сжатие CLT также изучалось с помощью анализа MCS. Если объем CLT постоянный, количество параллельных пластинок будет увеличиваться по мере уменьшения ширины пластинки. Уменьшение ширины пластинки увеличит прочность пластинки на сжатие, что известно как эффект ширины (или эффект размера). Поэтому, прежде чем прогнозировать прочность на сжатие CLT, прочность на сжатие пластинки была скорректирована с помощью теории наислабейшего звена (уравнение 4), в которой в качестве 9{k} $$

(4)

где,

о _{измерено} – измерено сопротивление сжатию CLT (МПа)

о _{скорректированный} – скорректированная прочность на сжатие CLT (МПа)

Вт _{измерено} — ширина образца (98,45 мм) (мм)

Вт _Adjusted – ширина корректируемого образца (мм)

k — параметр влияния ширины (0,11)

Для анализа влияния ширины пластины на характеристики CLT размер стенки CLT был принят равным 1200 мм (длина стенки) на 2600 мм (высота) на 88,4 мм (толщина) . Ширину пластинки определяли по количеству параллельных пластинок. Прочность на сжатие CLT прогнозировали с помощью анализа MCS с изменением количества и размеров параллельных пластинок. На рис. 7а показана прочность на сжатие CLT в зависимости от ширины пластинки. Как видно, с уменьшением ширины пластинки прочность на сжатие CLT увеличивалась. В частности, изменение прочности уменьшалось по мере уменьшения ширины пластинки (рис. 7b). Стайгер и др. [15] описали, что однородность CLT увеличивается по мере увеличения количества пластинок, и в результате жесткость на изгиб зависит от ширины пластинки. В прочности на сжатие обнаружена та же тенденция, что и в жесткости на изгиб. Помимо уменьшения вариации, на рис. 7а также показано увеличение средней прочности на сжатие, вызванное эффектом ширины. Когда ширина пластинки уменьшается в заданном объеме, эффект ширины и повышенная однородность приводят к увеличению прочности на сжатие 5-го процентиля. Например, CLT, изготовленный из пластины шириной 40 мм, показал прочность на сжатие на 15,0% выше, чем пластина шириной 120 мм.

Рис. 7

Изменение прочности на сжатие CLT (перекрестно-клееной древесины) в зависимости от ширины пластины, используемой в производстве CLT, где длина панели CLT была постоянной (1200 мм). a Прочность на сжатие, b Ковариация прочности на сжатие

Изображение в полный размер

При производстве CLT необходимо определить размер пластины, чтобы максимизировать эффективность. Для конструкционного материала прочность является ключевым свойством для повышения эффективности. Результат этого исследования показывает, что увеличение прочности на сжатие стенового элемента CLT может быть достигнуто только за счет уменьшения ширины пластины. Это открытие может дать хороший шанс повысить эффективность изготовления конструкционных стен CLT. Но необходимо проявлять большую осторожность, чтобы уменьшить ширину листа, потому что изготовление более узкого листа также может увеличить стоимость, поскольку требует большей обработки.

Выводы

Прочность на сжатие панели CLT была рассчитана по соответствующему свойству пластины. При расчете силы 5-го процентиля метод DM имеет тенденцию недооценивать силу 5-го процентиля. Для более точного расчета в данном исследовании применялось моделирование методом Монте-Карло. Набор экспериментальных исследований на панели CLT (короткая колонка) показал, что метод MCS показал лучшее соответствие экспериментальным результатам, чем метод DM.

С помощью этой модели было исследовано влияние длины стенки и ширины пластины на прочность на сжатие панели CLT. Затем было показано, что прочность на сжатие увеличивается с увеличением длины стены (количество параллельных пластин, используемых в CLT-панели). Кроме того, прочность на сжатие увеличивается по мере уменьшения ширины пластинки. Эту зависимость необходимо учитывать при испытаниях для определения допустимой прочности и конструкции стенки CLT, а также при изготовлении CLT.

Ссылки

1. «>

   Karacabeyli E, Douglas B (2013) Глава 3 структурная. В: Справочник CLT: кросс-клееная древесина, издание для США. FPInnovations, Pointe-Claire, стр. 5–6

2. Фоски Р.О., Барретт Д.Д. (1980) Прочность клееного многослойного бруса: модель. J Struct Div ASCE 106:1735–1754

   Google ученый

3. Бендер Д.А., Вёсте Ф.Е., Шаффер Э.Л., Маркс С.М. (1985) Формулировка надежности прочности и огнестойкости клееных балок. Исследовательская работа FPL460. Лаборатория лесных товаров, Мэдисон

   Google ученый

4. Коллинг Ф. (1990) Прочность на изгиб балок из клееного бруса в зависимости от размера: разработка статистической модели. Хольц Ро Веркст 48: 269–273

   Google ученый

5. Эрнандес Р., Бендер Д.А., Ричбур Б.А., Клайн К.С. (1992) Вероятностное моделирование балок из клееного бруса. Wood Fiber Sci 24:294–306

   Google ученый

6. Renaudin P (1997) Approche probabiliste du comportement mecanique du bois destructure, Prize en compte de la biologique variabilite. Докторская диссертация, LMT, ENS Cachan, Париж, Франция

7. Серрано Э., Густафссон Дж., Ларсен Х.Дж. (2001) Моделирование разрушения шиповых соединений в балках из клееного бруса. J Struct Eng 127:914–921

   Статья Google ученый

8. Lee JJ, Park JS, Kim KM, Oh JK (2005) Прогнозирование характеристик изгиба конструкционного клееного бруса с использованием оптимизированных распределений характеристик узлов и ламинарного MOE. Дж. Вуд Наука 51:640–647

   Артикул Google ученый

9. Фрезе М., Эндерс-Комберг М., Бласс Х.Дж., Глос П. (2012) Прочность на сжатие клееного бруса из ели. Eur J Wood Prod 70:801–809

   CAS Статья Google ученый

10. Barrett JD, Lau W (1994) Канадские лесоматериалы. Canadian Wood Council, Оттава, стр. 8

    Google ученый

11. Теландерссон С., Ларсен Х. (2003) Деревообработка. Уайли, Западный Сассекс, стр. 69–70

    Google ученый

12. KS F 3021:2013 (2013) Клееный брус конструкционный. Корейское агентство технологий и стандартов, Chungcheongbuk-do

    Google ученый

13. ASTM D198-14 (2014) Стандартные методы статических испытаний пиломатериалов в конструктивных размерах. Американское общество испытаний и материалов, West Conshohocken

    Google ученый

14. Мэдсен Б.