Методическое пособие 813

ционные — неправильную, с выпуклостями и вогнутостями и острыми углами, на которых обычно концентрируется поверхностная энергия, что может сказаться на сорбционной активности образца. Аниониты были в гидроксидной (ОН-) и в солевой (Сl-) ионной формах. Гранулометрический состав сорбентов представлен фракциями с диаметром гра-

нул 0,25—0,60; 0,60—1,20; 1,20—1,5 мм.

Скорость сорбции некаля возрастает при повышении температуры и переводе анионита в солевую форму [17—19]. Характер зависимости константы скорости от температуры однозначен для всех исследованных анионитов, что показано на рис. 2: при нагревании скорость сорбции некаля на всех образцах возрастает.

Рис. 2. Значения константы скорости процесса сорбции некаля анионитами при температуре 10, 20 и 35 оС

4. Сорбционная емкость сорбента по органическим веществам зависит от суммарной площади поверхности загрузки фильтра. Чем меньше размер гранул, тем больше площадь поверхности. Для оценки степени влияния гранулометрического состава на сорбцию некаля по экспериментальным данным были рассчитаны константы скорости сорбции. На рис. 3 показана зависимость константы скорости сорбции от размеров зерна на примере низкоосновного анионита ЭДЭ-10П.

Рис. 3. Зависимость константы скорости сорбции некаля

анионитом ЭДЭ-10П в ОН-форме от размера частиц ионита

При уменьшении радиуса зерна анионита от 0,7 до 0,2 мм скорость сорбции возрастает в 6—7 раз. На высокоосновном анионите разница не столь значительна. Этот результат говорит о том, что при загрузке фильтра сорбентом его крупные фракции нужно отбросить, так как, занимая место, он будет плохо поглощать некаль, тем самым снижая эффективность очистки воды. Несмотря на то, что измельчение анионита способствует возрастанию константы скорости некаля, при значительном уменьшении частиц ионита возрастает гид-

41

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

равлическое сопротивление насадки фильтра. Поэтому дальнейшее дробление сорбента нецелесообразно.

На рис. 1 представлены значения полной обменной емкости анионитов, то есть количество функциональных групп, способных к поглощению ионов за счет ионного обмена. Но не все активные группы участвуют в сорбции больших органических молекул. Многие поры анионитов просто недоступны поглощаемым частицам из-за стерических затруднений. Поэтому полную сорбционную емкость в таких случаях определяют обязательно в отношении конкретного вещества, в данном случае по некалю.

Сорбционная емкость показана в табл. 1.

Из данных табл. 1 следует, что по величине сорбционной емкости по некалю аниониты располагаются в ряду:

Wofatit AD-41 > Purolite A100 > АВ-17-2П > АВ-29-12П.

Очевидно, для анионитов на одинаковой полимерной матрице, полученных полимеризацией, прослеживается вполне определенная корреляция сорбционной емкости с величиной полной обменной емкости, то есть с количеством функциональных групп в ионите: чем больше ПОЕ, тем больше поглощается некаля.

Так как аниониты в данном эксперименте находились в солевой ионизированной форме, можно предположить, что такой результат обусловлен в значительной мере ионообменной составляющей адсорбции. При этом нет зависимости как обменной, так и сорбционной емкости от содержания воды в набухшем ионите.

Среди испытанных образцов анионит Wofatit AD-41 характеризуется большой константой скорости (рис. 2) и высокой сорбционной емкостью (см. табл. 1). На рис. 4 показана зависимость количества поглощенного некаля из его растворов разной концентрации при разной температуре.

Судя по положению кривых, повышение температуры приводит к увеличению адсорбции (а) на анионите Wofatit AD-41. Видно, что при нагревании раствора некаля от 23 до 35 оС сорбционная емкость сорбента по некалю возрастает с 376 до 410 мг/л, то есть почти на 10 %.

42

Изотермы адсорбции некаля низкоосновными анионитами имеют форму изотерм Ленгмюра. Следует отметить, что низкоосновные аниониты оказались более органоемкими, чем высокоосновные аниониты АВ-17-2П и АВ-29-12П (см. табл. 1).

Реакция среды очищаемой воды может быть разной, если вода сточная. Зависимость сорбции некаля от рН проследили на примере анионита Wofatit AD-41 в СI-форме. Для проведения эксперимента были приготовлены водные растворы NaОН и HCI с рН, равными 1—12. Затем в мерных колбах они были разбавлены в 2 раза раствором некаля с концентрацией 1,17 ммоль/л. При таком способе приготовления рабочих растворов обеспечивалось равенство концентраций некаля во всех пробах. Затем в каждую колбу вносили одинаковые навески воздушно-сухого анионита и перемешивали постоянно в течение 8 ч. Через сутки определяли остаточную концентрацию некаля. Результаты адсорбции представлены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость адсорбции некаля анионитом Wofatit AD-41 от рН раствора

Экспериментально показано, что уменьшение сорбции некаля имеет место как в сильнощелочной, так и в сильнокислой средах. Более заметное падение сорбции прослеживается при повышении рН, то есть в щелочной среде. Это объясняет способность десорбировать некаль при обработке анионита щелочными растворами.

На величину сорбции может влиять ионная сила раствора, которая определяется концентрацией минеральных примесей в растворе некаля. Влияние ионной силы раствора исследовали при изменении концентрации NaCI в интервале 0,01—0,1 моль/л. Сорбцию некаля из раствора с его содержанием 0,585 ммоль/л (200,0 мг/л) осуществляли на анионите Wofatit AD-41 в СI-форме при температуре 22 оС. Зависимость величины адсорбции от концентрации соли почти линейная (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость сорбции некаля анионитом Wofatit AD-41 в СI-форме от концентрации хлорида натрия

Адсорбция некаля возрастает при увеличении ионной силы раствора, что дает возможность предполагать достижения высокой эффективности удаления сорбтива из воды даже с высоким солесодержанием.

Таким образом, исследованиями кинетических и равновесных свойств целого ряда образцов выявлен тип анионитов, которые могут использоваться для очистки воды от некаля. Они должны содержать в качестве функциональных третичные аминогруппы. Установлено,

43

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

что нужно использовать эти аниониты в солевой форме, выдерживая интервал рН от 2 до 9. Увеличение содержания солей в воде не снижает, а даже увеличивает емкость анионитов по некалю, что является весьма положительным фактором, так как позволяет очищать сточные воды с концентрацией солей до 100 ммоль/л и более. Повысить эффективность очистки можно также нагреванием воды. Из всех испытанных оптимален анионит на стирольной матрице Wofatit AD-41.

5. Десорбция некаля. Выбор именно этого типа анионита обусловлен еще и тем, что в предварительных опытах он, в отличие от других анионитов, обнаружил способность десорбировать некаль без использования растворителей, вопреки рекомендациям в работах [10, 11]. Были испытаны разные реагенты, но действенными оказались растворы щелочи. Выявлена оптимальная концентрация раствора NaOH, что следует из положения максимума на рис. 7.

Рис. 7. Выходные кривые регенерации анионита Wofatit AD-41 от некаля растворами NaOH разной концентрации:

С — концентрация некаля в регенерате;

V — объем растворов и воды в объемах загрузки; цифры на кривых — концентрация щелочи в растворе

Видно, что 0,25 моль/л раствор щелочи вытесняет большее количество некаля из анионита, чем раствор 0,5 моль/л. В данном эксперименте первые 10 объемов — щелочной раствор, вторые 10 объемов — промывная вода, следующие 10 объемов — раствор кислоты и затем — кислые промывные воды (рис. 7).

При соблюдении выявленных закономерностей адсорбции некаля проведены ресурсные испытания анионита Wofatit AD-41 при скорости потока 12 м/ч и высоте слоя 10 см.

6. Процесс очистки от некаля состоит в последовательном проведении ряда операций. Вода для сорбционной очистки подается в адсорбер, заполненный анионитом. Очищенная вода выводится из адсорбера, причем одна часть ее сбрасывается в канализацию, другая собирается в емкость очищенной воды, откуда она расходуется для приготовления растворов щелочи и кислоты и отмывки слоя от этих реагентов.

Анионит подвергается регенерации раствором щелочи. Регенерат, содержащий десорбированный некаль и избыток щелочи, подается в электродиализный аппарат, в котором щелочь выводится из регенерата в камеру концентрирования. В ней содержание NaOH, по нашим экспериментальным данным, составляет 0,13—0,14 моль/л. Этот раствор собирается в отдельную емкость. В нее добавляется твердая щелочь в количестве 0,1 моль на 1 л раствора. В итоге концентрация щелочи повышается до необходимой величины 0,25 моль/л. Чистая вода в дальнейшем для приготовления щелочного раствора не расходуется.

44

Отрегенерированный анионит отмывается от щелочи. Промывные щелочесодержащие воды тоже поступают в электродиализатор. Через отмытый от щелочи анионит пропускается раствор соляной кислоты для его перевода в солевую, диссоциированную ионную форму. Кислый раствор не содержит некаля. Первые порции вытекающей кислоты нейтральные, так как анионит в ОН-форме взаимодействует с кислотой по реакции:

R-OH + HCl = R-Cl + H2О.

Эту воду можно сбросить в канализацию, а следующие порции — кислые — собрать в емкость и доукрепить раствор до концентрации 0,5 моль/л. То есть в процессе очистки воды не расходуется чистая вода. Некаль будет практически очищенным от солей и может быть использован в производстве или утилизирован.

В течение 15 циклов сорбции-десорбции получен устойчивый результат очистки воды с содержанием некаля 80—95 мг/л: эффективность очистки 300 объемов раствора некаля одним объемом загрузки в каждом фильтроцикле составила 75—92 % [20]. При снижении скорости потока до 6 м/ч эффективность очистки возрастает до 95—98 %. По полученным экспериментальным данным рассчитан примерный расход реагентов и воды на очистку 1 м3 воды при высоком содержании некаля (табл. 2).

Выводы. Предложенный процесс сорбционной очистки воды низкоосновным анионитом позволяет удалять из воды некаль при линейной скорости потока 5—6 м/ч до величины ПДК, исключает применение токсичных органических растворителей, не требует расхода свежей воды на собственные нужды установки, исключает сброс щелочных и кислотных сточных вод, дает возможность утилизации выделенных ПАВ или их возврата в производство.

Для уточнения условий проведения очистки от некаля реальной воды из скважин водозабора, а не модельных растворов и, главное, подтверждения режима регенерации и утилизации щелочи методом электродиализа нужно продолжить ресурсные испытания, чтобы выяснить, насколько долго способен анионит сохранять сорбционную способность, оценить его износоустойчивость. Кроме того, уточнить расходы щелочи и кислоты на очистку 1 м3 воды и их зависимость от концентрации некаля в воде и др., оценить влияние других примесей органической природы на сорбцию некаля. Желательно выявить марки других анионитов, обладающих требуемыми свойствами.

Библиографический список

1.Рамад, Ф. Основы прикладной экологии / Ф. Рамад. — Л.: Гидрометеоиздат, 1981. — 543 с.

2.Вредные вещества в промышленности: органические вещества. Новые данные с 1974 по 1984 гг.:

справочник / под общ. ред. Э. Н. Левиной и И. Д. Гаданской. — Л.: Химия, 1985. — 464 с.

3. Холмберг, К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йенссон, Б. Кронберг, Б. Линдман. — М.: БИНОМ-Лаборатория знаний, 2007. — 528 с.

4.СанПиН 2.1.4.1074-01. Санитарные правила и нормы качества питьевой воды. — М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора, 2002. — 103 с.

5.Доклад о состоянии окружающей среды и природоохранной деятельности городского округа город Воронеж в 2006 году / Управление по охране окружающей среды городского округа; отв. ред. А. Т. Козлов. —

Воронеж, 2007. — 64 с.

45

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

6.Зиновьев, Л. С. Инф. бюлл. ин-та им. Ф. Эрисмана / Л. С. Зиновьев. — 1956. — Вып. 3. — С. 3—6.

7.Иванов, В. А. Влияние на подземные воды жидких выбросов завода СК / В. А. Иванов // Сб. тр. Воронеж. отделения ВХО им. Д. И. Менделеева. — Воронеж, 1959. — С. 175—179.

8.Калугина, Н.В.Мониторинг подземных вод / Н. В. Калугина // Вестник Воронеж. гос. ун-та. Геология. — 2003. — № 2. — С. 237—239.

9.«Мыльное озеро» под Воронежем — причина дефицита воды в кранах [Электронный ресурс] // ВГТРК: официал. сайт. — Режим доступа: http://vestivrn.ru/novosti/myilnoe-ozero-pod-voronezhem-prichina-defitsita-vodyi- v-kranah_2009-8-18_18-30.

10.Куролап, Н. С. Изучение закономерностей сорбции поверхностно-активных веществ анионного типа ионообменными смолами: автореф. дис. …. канд. хим. наук / Н. С. Куролап. — Воронеж, 1970. — 24 с.

11.Валашек, Ю. Очистка сточных вод от производства дивинилстирольного каучука / Ю. Валашек, Б. Погл., С. Зедек // Очистка промышленных сточных вод: тр. ВОДГЕО / под общ. ред. проф. А. И. Жукова. — М.: Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960. — С. 72—82.

12.Куренкова, О. В. Сорбционное извлечение анионного ПАВ дибутилнафталинсульфоната натрия из подземных и сточных вод: автореф. дис. … канд. хим. наук: 03.02.08: защищена 04.02.2011: утв. 10.06.2011 / Ольга Валерьевна Куренкова. — М., 2011. — 18 с.

13.Славинская, Г. В. Выбор анионита для удаления из воды некаля по кинетическим характеристикам его сорбции / Г. В. Славинская, О. В. Куренкова // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2012. — Вып. 3 (27). — С. 56—65.

14.Котова, Д. Л. Влияние температуры на динамические характеристики сорбции пролина и гидропролина на Н-сульфокатионообменнике КУ-2-8 / Д. Л. Котова, Т. А. Крысанова, Е. Г. Давыдова // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2009. — Т. 9, № 2. — С. 241—246.

15. Славинская, Г. В. Анализ работы установок ионообменного обессоливания природных вод / Г. В. Славинская, Л. А. Зеленева, Н. С. Кузнецова // Теория и практика сорбционных процессов: межвуз. сб. науч. тр. — Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1983. — Вып. 16. — С. 101—105.

16.Когановский, А. М. Адсорбция органических веществ из воды / А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко. — Л.: Химия, 1990. — 256 с.

17.Славинская, Г. В. Кинетика сорбции анионного ПАВ анионита на эпихлоргидриновой матрице / Г. В. Славинская, О. В. Куренкова // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2011. — Т. 11, вып. 2. — С. 204—208.

18.Куренкова, О. В. Исследование механизма кинетики сорбции дибутилнафталинсульфоната натрия полиэлектролитами / О. В. Куренкова, Г. В. Славинская // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2009. — Т. 9, вып. 6. — С. 844—852.

19.Славинская, Г. В. Исследование закономерностей кинетики сорбции дибутилнафталинсульфоната натрия полиэлектролитами / Г. В. Славинская, О. В. Ковалева // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2009. — Т. 9, вып. 4. — С. 521—528.

20.Славинская, Г. В. Исследование динамики сорбции дибутилнафталинсульфоната натрия (некаля) полиэлектролитами / Г. В. Славинская, О. В. Куренкова // Сорбционные и хроматографические процессы. — 2014. — Т. 14, вып. 5. — С. 703—711.

References

1.Ramad, F. Osnovy prikladnoj e'kologii / F. Ramad. — L.: Gidrometeoizdat, 1981. — 543 s.

2.Vrednye veshhestva v promyshlennosti: organicheskie veshhestva. Novye dannye s 1974 po 1984 gg.: spravochnik / pod obshh. red. E'. N. Levinoj i I. D. Gadanskoj. — L.: Ximiya, 1985. — 464 s.

3.Xolmberg, K. Poverxnostno-aktivnye veshhestva i polimery v vodnyx rastvorax / K. Xolmberg, B. Jensson, B. Kronberg, B. Lindman. — M.: BINOM-Laboratoriya znanij, 2007. — 528 s.

4.SanPiN 2.1.4.1074-01. Sanitarnye pravila i normy kachestva pit'evoj vody. — M.: Federal'nyj centr Gossane'pidnadzora, 2002. — 103 s.

5.Doklad o sostoyanii okruzhayushhej sredy i prirodooxrannoj deyatel'nosti gorodskogo okruga gorod Voronezh v 2006 godu / Upravlenie po oxrane okruzhayushhej sredy gorodskogo okruga; otv. red. A. T. Kozlov. — Voronezh, 2007. — 64 s.

6.Zinov'ev, L. S. Inf. byull. in-ta im. F. E'rismana / L. S. Zinov'ev. — 1956. — Vyp. 3. — S. 3—6.

7.Ivanov, V. A. Vliyanie na podzemnye vody zhidkix vybrosov zavoda SK / V. A. Ivanov // Sb. tr. Voronezh. otdeleniya VXO im. D. I. Mendeleeva. — Voronezh, 1959. — S. 175—179.

8.Kalugina, N. V. Monitoring podzemnyx vod / N. V. Kalugina // Vestnik Voronezh. gos. un-ta. Geologiya. — 2003. — № 2. — S. 237—239.

9.«Myl'noe ozero» pod Voronezhem — prichina deficita vody v kranax [E'lektronnyj resurs] // VGTRK: oficial. sajt. — Rezhim dostupa: http://vestivrn.ru/novosti/myilnoe-ozero-pod-voronezhem-prichina-defitsita-vodyi-v- kranah_2009-8-18_18-30.

46

10.Kurolap, N. S. Izuchenie zakonomernostej sorbcii poverxnostno-aktivnyx veshhestv anionnogo tipa ionoobmennymi smolami: avtoref. dis. …. kand. xim. nauk / N. S. Kurolap. — Voronezh, 1970. — 24 s.

11.Valashek, Yu. Ochistka stochnyx vod ot proizvodstva divinilstirol'nogo kauchuka / Yu. Valashek, B. Pogl., S. Zedek // Ochistka promyshlennyx stochnyx vod: tr. VODGEO / pod obshh. red. prof. A. I. Zhukova. — M.: Gos. izdvo literatury po stroitel'stvu, arxitekture i stroitel'nym materialam, 1960. — S. 72—82.

12.Kurenkova, O. V. Sorbcionnoe izvlechenie anionnogo PAV dibutilnaftalinsul'fonata natriya iz podzemnyx i stochnyx vod: avtoref. dis. … kand. xim. nauk: 03.02.08: zashhishhena 04.02.2011: utv. 10.06.2011 / Ol'ga Valer'evna Kurenkova. — M., 2011. — 18 s.

13.Slavinskaya, G. V. Vybor anionita dlya udaleniya iz vody nekalya po kineticheskim xarakteristikam ego sorbcii / G. V. Slavinskaya, O. V. Kurenkova // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arxitektura. — 2012. — Vyp. 3 (27). — S. 56—65.

14.Kotova, D. L. Vliyanie temperatury na dinamicheskie xarakteristiki sorbcii prolina i gidroprolina na N-sul'fokationoobmennike KU-2-8 / D. L. Kotova, T. A. Krysanova, E. G. Davydova // Sorbcionnye i xromatograficheskie processy. — 2009. — T. 9, № 2. — S. 241—246.

15. Slavinskaya, G. V. Analiz raboty ustanovok ionoobmennogo obessolivaniya prirodnyx vod / G. V. Slavinskaya, L. A. Zeleneva, N. S. Kuznecova // Teoriya i praktika sorbcionnyx processov: mezhvuz. sb. nauch. tr. — Voronezh: Izd-vo Voronezh. gos. un-ta, 1983. — Vyp. 16. — S. 101—105.

16. Koganovskij, A. M. Adsorbciya organicheskix veshhestv iz vody / A. M. Koganovskij, N. A. Klimenko,

T.M. Levchenko. — L.: Ximiya, 1990. — 256 s.

17.Slavinskaya, G. V. Kinetika sorbcii anionnogo PAV anionita na e'pixlorgidrinovoj matrice / G. V. Slavinskaya, O. V. Kurenkova // Sorbcionnye i xromatograficheskieprocessy. — 2011. — T. 11, vyp. 2. — S. 204—208.

18.Kurenkova, O. V. Issledovanie mexanizma kinetiki sorbcii dibutilnaftalinsul'fonata natriya polie'lektrolitami / O. V. Kurenkova, G. V. Slavinskaya // Sorbcionnye i xromatograficheskie processy. — 2009. — T. 9, vyp. 6. — S. 844—852.

19.Slavinskaya, G. V. Issledovanie zakonomernostej kinetiki sorbcii dibutilnaftalinsul'fonata natriya polie'lektrolitami / G. V. Slavinskaya, O. V. Kovaleva // Sorbcionnye i xromatograficheskie processy. — 2009. — T. 9, vyp. 4. — S. 521—528.

20.Slavinskaya, G. V. Issledovanie dinamiki sorbcii dibutilnaftalinsul'fonata natriya (nekalya) polie'lektrolitami /

G. V. Slavinskaya, O. V. Kurenkova // Sorbcionnye i xromatograficheskie processy. — 2014. — T. 14, vyp. 5. — S. 703—711.

LOW WASTE WATER NEKAL PURIFICATION

G. V. Slavinskaya, O. V. Kurenkova

Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering Russia, Voronezh, tel.: (473)249-89-70, e-mail: slavgv@mail.ru

G. V. Slavinskaya, D. Sc. in Chemistry, Prof. of the Dept. of Chemistry

Cadet School (Engineering School) Military Educational Scientific Centre of Military Air Forces Russia, Voronezh, e-mail: vaiu@mil.ru

O. V. Kurenkova, PhD in Chemistry, Chemistry teacher

Statement of the problem. Surface active agents (surfactants) are contained in almost all reservoirs. Their presence in water has been long neglected. However, after negative effect of surfactants on human and aquatic life became clear, a method of removing the surfactant from water has been searched for. The disadvantage of the known processes — formation of a large volume of corrosive wastewater. The objective is to develop the process of sorption of water nekal purification with minimum waste water.

Results. Atype anion exchangeresins was identified, which areableto absorbnekal. On the basis of kinetic and equilibrium sorption laws of nekal by anion exchangers the operation of an adsorber under dynamic conditions was optimized. A schematic diagram of sorption and desorption of nekalya anion exchanger and a method for cleaning and regenerate from thealkali nekalya by electrodialysis weredeveloped.

Conclusions. Anion exchangers with tertiary amine groups were found to be suitable. Desorption of nekal is carried using a solution of 0.25 mol/l of alkali. The electrodialysis cell with two cation-exchange membranes is separated from the alkali nekalya. Purified water is used for the preparation of the regenerating acid solutions and alkali.

Keywords: nekal, anion, adsorption, desorption, electrodialysis.

47

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 69.033.6

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ В БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ СООРУЖЕНИЯХ

И. В. Михневич, С. Д. Николенко, А. В. Черемисин

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет Россия, г. Воронеж, тел.: (473)271-30-00, e-mail: miv_2@mail.ru

И. В. Михневич, зав. лабораторией кафедры пожарной и промышленной безопасности С. Д. Николенко, канд. техн. наук, проф. кафедры пожарной и промышленной безопасности

А. В. Черемисин, канд. техн. наук., доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела

Постановка задачи. Для использования быстровозводимого сооружения в условиях чрезвычайной ситуации большое значение имеют прочностные и деформативные характеристики используемых материалов. При этом важной характеристикой является вес конструкции. Он влияет на способ транспортировки и особенность установки сооружения в проектное положение. Это определило необходимость проведения сравнительных экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик нескольких типов материалов с разной плотностью.

Результаты. Произведено экспериментальное сравнение прочностных и деформационных характеристик образцов материалов, предлагаемых для использования в качестве заполнителя межоболочного пространства быстровозводимого сооружения на базе пневматической опалубки.

Выводы. На основе анализа полученных данных и произведенного расчета отношения нагрузки к плотности образцов материалов сделан вывод о целесообразности использования в предлагаемых быстровозводимых сооружениях в качестве заполнителя межоболочного пространства керамзита.

Ключевые слова: заполнитель, быстровозводимое сооружение, плотность, чрезвычайная ситуация, прочностные характеристики, деформативные характеристики, керамзит, прочность на сжатие.

Введение. Для использования быстровозводимого сооружения [1] в условиях возможной чрезвычайной ситуации необходимо, чтобы оно имело достаточно малый вес, что уменьшит затраты при транспортировке, а также трудоемкость при возведении сооружения [2]. При этом сооружение должно оставаться прочным и устойчивым. На основе вышесказанного сделан вывод о целесообразности проведения экспериментальных зависимости прочностных свойств образцов материалов, предлагаемых для использования в быстровозводимом сооружении на базе пневматической опалубки [3].

1. Исследуемые материалы. В качестве межоболочного заполнителя в рассматриваемом сооружении предлагаются материалы на основе цементного вяжущего с заполнителями на основе песка, керамзита и гранулированного полистирола [4—5]. В межоболочном пространстве помимо заполнителя также расположены перфорированные трубки, по которым происходит подача затворяющей жидкости (затворяющие трубки). Как показали исследования технологии процесса затворения, положительные результаты дают образцы с заполнителем из керамзита и гранул полистирола, затворяющая жидкость распределяется равномерно, а предполагаемое «всплытие» заполнителя в готовом образце не наблюдается. Процесс затворения песчаной смеси оказался неосуществим при тех же условиях [6].

© Михневич И. В., Николенко С. Д., Черемисин А. В., 2016

48

Так как процесс затворения песчаной смеси через перфорированные трубки не дал положительных результатов, было принято решение об изготовлении образца бетона путем затворения цементно-песчаной смеси в соотношении 1:3 и воды в соотношении 0,4 с последующей укладкой в форму. Через сутки после проведения затворения образцы были извлечены из формы и помещены в нормальные условия твердения для дальнейшего набора прочности.

Изготовление контрольных образцов проводилось согласно ГОСТ 10180-2012 и ГОСТ 28570-90. По истечении 28 суток полученные образцы были разрезаны механическим способом, выпиливанием без увлажнения, на фрагменты, приведенные к кубу, с длиной ребер 50 мм. Размер обусловлен толщиной предлагаемой конструкции. Полученные образцы были промаркированы (рис. 1).

Рис. 1. Контрольные образцы с маркировкой: П — образцы из полистиролбетона; К — образцы из керамзитобетона;

Б — образцы из бетона

После изготовления фрагменты были подвержены визуальному осмотру, который не выявил явных дефектов, таких как трещины, околы ребер, раковины. Каждый образец был измерен с точностью до 0,1 мм при помощи штангенциркуля и взвешен на лабораторных весах AND DL-3000WP с дискретностью 0,01 г. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Среднюю плотность образцов по материалам рассчитывали по формуле

m,

V

где m — масса образцов, V — объем образцов. Используя данную формулу, получаем среднюю плотность для наполнителя из полистиролбетона 0,503 г/см3, для керамзитобетона — 1,17 г/см3, для бетона — 1,87 г/см3. Из расчетов видно, что плотность керамзитобетона меньше бетона на 62,6 %, но больше плотности полистиролбетона на 43 %, что соответственно связано с плотностями используемых наполнителей.

Таблица 1

Размеры и масса контрольных образцов

2.Методика испытаний. Определение прочности контрольных образцов проводилось

вЦентре коллективного пользования Воронежского ГАСУ, аттестованном в Госстандарте РФ. Для проведения испытаний использовалась универсальная напольная электромеханическая испытательная система «Инстрон», модель 5982 (рис. 2), прошедшая поверку № 1771/02 от 18.06.2015 г. и позволяющая производить испытания на сжатие и растяжение с усилиями до

49

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

100 кН. Данная система имеет точность измерения перемещения и точность скорости привода ±0,05 % от измеряемой величины. Система соответствует или превосходит требования стандартов ASTM E4, BS 3846, ISO 9513, EN 10002-4, ГОСТ 1497 и др.

Рис. 2. Вид универсальной испытательной системы «Инстрон», модель 5982

Использование электроники управления и обработки данных с частотой сбора информации 40 кГц и обработкой данных со скоростью 5 кГц, цифровым каналом данных по нагрузке и перемещению совместно с программным обеспечением Bluehill3, обеспечивающим контроль за испытанием и создание отчета, позволяет отображать график нагружения в режиме реального времени и таблицу с результатами испытаний.

Образцы испытывались на сжатие с постоянной скоростью деформирования, равной

1мм/мин. В процессе нагружения фиксировались следующие показатели:

нагрузка, кН;

время нагружения, с;

напряжение при сжатии, MПa;

перемещение при сжатии, мм.

Для удобства использования результаты сведены в таблицы (табл. 2—4) по материалам. Для наглядного изображения результатов испытания построим графики зависимости перемещения от нагрузки. Для удобства сравнения графики разбиты по материалам, из кото-

рых выполнены образцы (рис. 3—5).

50