Сергей Васильевич Клюев, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории ресурсо-энергосберегающих технологий, оборудования и комплексов
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46
ScopusID: 57212454175
Sergey V. Кlyuev, Dr.Sci. (Engineering), Professor, Leading Researcher of the Scientific Research Laboratory of Resource and Energy-Saving Technologies, Equipment and Complexes
46, Kostyukov Str., Belgorod, 308012
ScopusID: 57212454175
Александр Васильевич Клюев, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Научноисследовательской лаборатории ресурсо-энергосберегающих технологий, оборудования и комплексов
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46
ScopusID: 56567996100
Alexander V. Кlyuev, Cand.Sci. (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher of the Scientific Research Laboratory of Resource and Energy-Saving Technologies, Equipment and Complexes
46, Kostyukov Str., Belgorod, 308012
ScopusID: 56567996100
Нарман Аюбович Аюбов, кандидат экономических наук, старший научный сотрудник
364906, г. Грозный, Старопромысловское шоссе, 21 а
Narman А. Аyubov, Cand.Sci. (Economics), Senior Researcher
21a, Staropromyslovskoe shosse, Grozny, 364906
Роман Сергеевич Федюк, доктор технических наук, профессор военного учебного центра
690922, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10
ScopusID 56512156400
ResearcherID N-6730-2017
Roman S. Fediuk, Dr.Sci. (Engineering), Professor of the Military Training Center
10, Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922
ScopusID 56512156400
ResearcherID N-6730-2017
Елена Владимировна Левкина, кандидат экономических наук, доцент, начальник отдела по работе с диссертационными советами
690922, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, 10
ScopusID 57200571457
Еlena V. Levkina, Cand.Sci. (Economics), Associated Professor, Head of the Department for Work with Dissertation Councils
10, Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922
ScopusID 57200571457
Introduction. Environmental improvement involves the recycling of man-made materials for product recovery with high performance characteristics. However, in general, energy-intensive and uneconomical materials have no alternative in construction. Literary information on the problem is insufficient and uncompiled. The presented article is intended to fill this gap. The research objective is to study mono-reinforced and hybrid-reinforced fibergeopolymers. For this purpose, two problems are solved: design of polymers and analysis of beams made from them using the finite element method.
Materials and Methods. The binding base for the production of fibergeopolymers was sintered particles (beads) extracted from basalt wool waste — technogenic fibrous materials (TFM). The fiber was made from metal cord, basalt wool waste and polypropylene. Beams made from hybrid-reinforced fibergeopolymers were studied under bending and shear in the ANSYS 16.1 software environment.
Results. Two types of geopolymers were obtained: – mono-reinforced (fiber from metal cord, polypropylene fiber, and TFM – fiber from waste from basalt wool production); – hybrid-fiber-reinforced (metal cord + polypropylene, metal cord + TFM, polypropylene + TFM). High values of elastic modulus (more than 25 GPa), bending strength (up to 10.19 MPa) and compression strength (up to 46.67 MPa) were defined. The ratio of bending and compression strength for the studied and traditional materials was 1:4 and 1:10, respectively. The simulated and experimental indicators of beam deflections under loads from 5 to 72 kN were compared. It was found that finite element modeling allowed designing structures from the developed materials and predicting their performance characteristics.
Discussion. The cases of the smallest discrepancy between the modeling and experimental data were established. For FGP-1, it was 8% (load — 35 kN), for FGP-2 — 11% (50 kN), for FGP-3 — 7% (38 kN), for FGP-1 (1%) — 3% (30 kN). Among the hybrid-reinforced fibergeopolymers, the best compliance was that of HFGP-3. At a load of 55 kN, the discrepancy was 0.80% (theory — 4.98 mm, experiment — 5.02 mm). For HFGP-1, the best indicator was 1.85% (72 kN, 5.85 mm, 5.96 mm), for HFGP-2 — 9.12% (63 kN, 5.58 mm, 6.14 mm). The applied value of the results was confirmed by their visualization – the similarity and coincidence of the curves on the graphs.
Conclusion. The advantages of the proposed innovative components for the production of building materials are proved. They are environmentally friendly and show sufficient workability. Design of hybrid-reinforced fibergeopolymers makes it possible to obtain high values of bending and compression strength (significantly higher than that of unreinforced concrete). The modulus of elasticity of more than 25 GPa proves good resistance of the material to deformations. The results of the modeling are adequate to the results of the experiments.
Введение. Улучшение экологии предполагает переработку техногенных материалов для получения продукции с высокими эксплуатационными характеристиками. Однако в строительстве в целом безальтернативны энергоемкие и неэкономичные материалы. Литературные сведения по проблеме недостаточны и разрознены. Представленная статья призвана восполнить этот пробел.
Цель работы — исследование моноармированных и гибридноармированных фиброгеополимеров. Для достижения цели решались две задачи: проектирование полимеров и анализ балок из них методом конечных элементов.
Материалы и методы. Вяжущей основой фиброгеополимеров служили спекшиеся частицы (корольки) из отходов техногенных волокнистых материалов (TBM), а именно из базальтовой ваты. Фибру изготавливали из металлокорда, отходов базальтовой ваты и полипропилена. Балки из гибридноармированных фиброгеополимеров изучали при изгибе и сдвиге в программной среде Ansys 16.1. Результаты исследования. Получены два вида геополимеров: − моноармированные (фибра из металлокорда, полипропиленовая фибра и TBM – фибра из отходов производства базальтовой ваты); − гибриднофиброармированные (металлокорд + полипропилен, металлокорд + TBM, полипропилен + TBM). Выявили высокие значения модуля упругости (более 25 ГПа), прочности при изгибе (до 10,19 МПа) и сжатии (до 46,67 МПа). Отношение прочности при изгибе и сжатии для исследуемых и традиционных материалов — 1:4 и 1:10 соответственно. Сравнили смоделированные и экспериментальные показатели прогибов балок при нагрузках от 5 до 72 кН. Выяснили, что конечноэлементное моделирование позволяет проектировать конструкции из разработанных материалов и прогнозировать их эксплуатационные характеристики.
Обсуждение. Установлены случаи наименьшего расхождения данных моделирования и опытов. Для ФГП-1 это 8 % (нагрузка — 35 кН), для ФГП-2 — 11 % (50 кН), для ФГП-3 — 7 % (38 кН), для ФГП-1 (1 %) — 3 % (30 кН). Среди гибридноармированных фиброгеополимеров наилучшее соответствие — у ГФГП-3. При нагрузке 55 кН расхождение — 0,80 % (теория — 4,98 мм, опыт — 5,02 мм). Для ГФГП-1 лучший показатель — 1,85 % (72 кН, 5,85 мм, 5,96 мм), для ГФГП-2 — 9,12 % (63 кН, 5,58 мм, 6,14 мм). Прикладную ценность результатов подтвердила их визуализация — схожесть и совпадение кривых на графиках.
Заключение. Доказаны преимущества предложенных инновационных компонентов для производства строительных материалов. Они экологичны, демонстрируют достаточную удобоукладываемость. Проектирование гибридноармированных фиброгеополимеров дает возможность получить высокие значения прочности при изгибе и сжатии (существенно выше, чем у неармированных бетонов). Модуль упругости более 25 ГПа доказывает хорошее сопротивление материала деформациям. Итоги моделирования адекватны результатам экспериментов.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.