РАСЧЕТНО-ДЕФОРМАТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БАЗАЛЬТОЦЕМЕНТНЫХ ПЛИТ

АННОТАЦИЯ

В рамках данного исследования представлены научные исследования по созданию высокоэффективных безасбестовых композиционных кровельных плит на основе базальтовых волокон с использованием нанотехнологий и инновационных разработок с учетом местных условий. В связи с острой проблемой экологически чистых и долговечных материалов в современных условиях, исследователи предлагают инновационный метод расчета и обследования кровельных конструкций из гофрированных базальтоцементных кровельных плит. Научные исследования и анализ имеющихся данных показывают, направление производства кровельных листовых материалов на основе базальтовых фибро волокон, богатого, чрезвычайно актуальными и новаторскими идеями. В настоящей статье приведены результаты научных исследований, при производстве базальтоволокнистых композиционных кровельных материалов- направленных на решение задач с точки зрения получения однородно диспергированной формовочной суспензии. В отличии от асбестоцементных формовочных смесей, базальтоцементные формовочные смеси имеют некоторые своеобразные оссобенности. Задача состоит в том, что при смешивании базальтоволокнистих фиброструктур с водой и цементом образуются большие комки базальтовой фибри. Решение задачи диспергирования фиброэлементов и равномерное распределение по всему объему создает весма благоприятный посыл для получения высокопрочного кровельного листа. Авторами сделана попытка реализации идеи путем применения эффективных безасбестовых композиционных листовых кровельных материалов на основе базальтовых фиброэлементов с применением кавитационной интенсификации процеса смешивания формовочной смеси.

ABSTRACT

This study presents research into the development of highly efficient, asbestos-free composite roofing slabs based on basalt fibers using nanotechnology and innovative developments, taking into account local conditions. Addressing the pressing need for environmentally friendly and durable materials in modern conditions, the researchers propose an innovative method for calculating and inspecting roofing structures made of corrugated basalt-cement roofing slabs. Research and analysis of available data demonstrate a promising direction for the production of basalt fiber-based roofing sheet materials, rich in highly relevant and innovative ideas. This article presents the results of research into the production of basalt fiber composite roofing materials, aimed at solving problems related to obtaining a uniformly dispersed molding slurry. Unlike asbestos-cement molding mixtures, basalt-cement molding mixtures have some unique properties. The problem is that mixing basalt fiber composites with water and cement results in the formation of large clumps of basalt fiber. Dispersing the fiber elements and ensuring their uniform distribution throughout the entire volume creates a very favorable environment for producing a highly durable roofing sheet. The authors attempted to implement this idea by using effective asbestos-free composite sheet roofing materials based on basalt fiber elements, using cavitation intensification of the molding mixture mixing process.

Ключевые слова: базальтовая фибра, базальтоцементные кровельные листы, кавитация, каверны, потенцтал, завихрение, выхлопывание пузирков, кавитационные смесители, набегающий поток.

Keywords: basalt fiber, basalt-cement roofing sheets, cavitation, cavities, potential, swirl, bubble release, cavitation mixers, incident flow.

Введение

Кровля - это верхняя часть здания, которая защищает его от снега, дождя, солнечной радиации и других неблагоприятных воздействий. Крыши должны выдерживать воздействие постоянных и временных нагрузок, ветра, давления снега, солнечного полотна высокой радиации, воздействия агрессивной среды, особенно они должны быть водонепроницаемые, влагостойкие, устойчивые к химической коррозии от воздействия постоянного  ветра и солнечной радиации.

В силу своего географического положения большинство территорий Центральной Азии относятся к регионам с сухим и жарким климатом. В связи с чем, повседневно возрастает спрос на устойчивые, безопасные и эффективные, кровельные материалы [1,2, 7].

Научные исследования по созданию высокоэффективных безасбестовых композиционных листовых кровельных материалов на основе базальтовых волокон с применением нанотехнологий и инновационных разработок, исходя из местных условий является весьма актуальной. Так как в современных условиях остро стоят проблемы экологически чистых  и долговечных материалов, предлагается инновационный метод замены асбестовых и хризотиловых волокон при производстве волнистых кровельных листов [1,2,10, 13].

Целью исследования является реализация идеи применения местного базальтового волокна производимого в Форишском районе Джизакской области (Узбекистан) в качестве волокнистого наполнителя при производстве базальтоцементных кровельных листов. Совместное предприятие «Мега Инвест Индустриал», является единственным производителем базальтового волокна и фиброэлементов (различной толщины и длины) в Центральной Азии и вторым по мощности в СНГ[1,2].

Одним из важнейших приоритетов научных исследований в этой области является создание эффективных безасбестовых композиционных листовых кровельных материалов на основе базальтовых фиброэлементов с применением кавитационный интенсификации процесса смешивания формовочной смеси.

Для решения поставленной задачи, была выдвинута гипотеза применения кавитационных смесителей для получение формовочного сукна на основе цемента и базальтового волокна с применением кавитационного метода приготовления смесей, так как при смешивании базальтоволокнистих фиброструктур с водой и цементом по традиционной технологии [8,9,10] образуются большие комки базальтовой фибри. С целью обеспечения равномерного распределения базальтоволоконных включений и научного обоснования данной гипотезы был разработан кавитационный смеситель.

Под кавитацией понимается разрыв газовых и паровых пузырьков, образующихся в жидкой среде под действием растягивающих сил в рассматриваемой точке жидкости. Это явление выделяет определенного количества энергии от разрыва локального объемного пузырька наполненного газом и парами, является разрушителем твердых поверхностей. Кавитация образуется в жидкостях в результате расширения локального объема и давления в потоке течения. Вследствие упорядоченного разрыва пузырьков состоящих в жидкости – изменяется скорость и давление, которые происходят из-за явления кавитационных пузырьков (каверной), насыщенных паром, газом или их смесью [1, 2, 11].

Существует много направлений использования гидродинамической кавитации в промышленности, в том числе в нефтяной и газовой. Гидродинамическая и вибрационная кавитация применяется для получения различных эмульсий, в том числе топливо – водяных [2, 3].

Использование колебаний, возникающих при кавитационных течениях, применяется для интенсификации работы нефтяных и водозаборных скважин, повышении приемистости нагнетательных скважин [3].

Перспективным для интенсификации процессов диспергирования и смешивания в многофазных средах является использование эффекта кавитации, который оказывает значительное влияние на тиксотропные и фильтрационные свойства глинистых растворов, прочность цементного камня, за счет очень высокой локальной концентрации энергии при небольших средних затратах мощности [4].

Кавитационные процессы обладают высокой потенциальной разрушающей силой. Многие авторы предлагают использовать эту силу для измельчения твердых тел в жидкой тиксотропной среде [1, 2, 7]. Применение этой идеи в процессах приготовления формовочной суспензии базальтоцементных кровельных листов заключается в измельчении твердых частиц цемента в суспензии на более мелкие частицы и равномерном распределении базальтовых волокон по жидкой массе, что позволяет, повысит активность формовочной массы [3, 4, 10].

Теоретическое исследование пузырьковой кавитации в реальных условиях обтекания тел в кавитационных и гидродинамических трубах и на натурных объектах не только наталкивается на исключительные математические трудности, но и затрудняется отсутствием достоверных данных о распределении ядер кавитации в набегающем потоке, особенно для натурных условий [5,11, 12].

Материалы и методы исследования

Плиты из базальта и цемента являются композиционным материалом. Таких плит изготавливают из базальтоцементной суспензии. Предлагаемые плиты обладают высокими физикo-мeханическими свойствами благодаря армированию цементного камня тонкими волокнами базальта: высокой механической прочностью при изгибе, небольшой плотностью, малой теплопроводностью, стойкостью против выщелачивания минерализованными водами, малой водонепроницаемостью и высокой морозостойкостью. Основным сырьем для производства базальтоцементных плит применяется базальтовая фибра (волокно) с длиной 5…10 и 20 мм и портландцемент марок SEM 32,5H. При производстве цветных плит, наряду с базальтом и цементом применяют красители, а также цветные лаки, эмали и смолы рис.1.

Рисунок 1. Основные фибро волокнистые материалы базальтоцементных плит

Анализ современного состояния вопросов исследования и проектирования ограждающих конструкций крыш и кровель зданий в условиях сухого жаркого климата позволяет сделать вывод о перспективности применения базальто цементных плит в качестве кровельного материала.

Базальтоцементные волнистые плиты сочетает в себе положительные свойства фибро волокна и композиционно армированного бетона, по ряду показателей превосходит все кровельные изделия: они трудно сгораемы, высокопрочны, имеют более низкие показатели водопоглощения и разбухания по толщине, по сравнению с асбестоцементными листовыми элементами. Это позволяет использовать БЦП при устройстве кровельных конструкций почти всех видов зданий в условиях схого жаркого климата. Методика исследования физико-механических свойств представлены на рис.2. Основные физико-механические показатели таких плит: плотность от 1600 до 1700 кг/м3, разбухание в воде по толщине за 24 часа - 2%, прочность при изгибе 14-16,6 МПа, модуль упругости при изгибе от 3000 до 3500 МПа и т.д.

Результаты и обсуждения

Основной ориентир при использовании БЦП в конструкциях крыш и кровель используются как крупноразмерные листы, совмещающие несущие и ограждающие функции. Вследствие этого необходимо решить вопросы и задачи, связанные с расчетом прочности и деформативности базалтоцементных композиций, применяемых в качестве несущего и ограждающего кровельного материала.

В статье pacсмaтpивaетcя решение задачи конструкции кровли с применением базальтоцементных плит, результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния фиброцементных копозиционных плит, опертых на деревянные обрешетки (упруго деформируемые опоры). По результатам обработки данных экспериментов 14 (рис.1.а) разработан приближенный метод расчета прочности и деформативности ба-зальтоцементных плит через численные коэффициенты α и β.

В качестве кровельных конструктивных элементов были использованы базальтоцементные плиты толщиной 6,3…6,5 мм (соответствующие ГОСТ 30340-2012, п. 8.3). Обрешетки выполняются из пиломатериалов хвойных пород по ГОСТ, 8488-66, рекомендуемые размеры сечений обрешеток 50х 50 мм. В конструкции кровли применяются сливные желоба, изготовленные из оцинкованной стали по ГОСТ 14918-80 толщиной 0,8 мм. Для более плотного прилегания БЦП и герметизации под металлические детали устанавливаются морозостойкие уплотнительные резинки по ГОСТ 12855-77 или прокладки из рубероида по ГОСТ 10923-82.

При использовании базальтоцементных плит били решены вопросы, решения прочности и деформативности под действием эксплуатационных нагрузок. На покритие кровля действуют поперечные (нормальные к поверхности) равномерно распределение нагрузки от собственного веса плит и веса снегового покрова.

Базальтоцементные плиты, рекомендуемые для применения в конструкциях кровли, по своим геометрическим размерам является тонкой плитой, это упругое тело волнистой формы с малой по сравнению с размерами основания высотой (ширина 1130 мм, длина 1750 мм; толшина, как уже отмечалось, 6,3…6,5 мм). Из этого следует, что при расчете кровли из базальтоцементных плит можно применить техническую теорию изгиба плит, согласно которой уравнением равновесия пластины, загруженной равномерно распределенной нагрузкой, является известное дифференциальное уравнение С.Жармен-Лагранжа [6].

                                                 (1)

где q- поперечная равномерно распределенная нагрузка, D – жесткость волнистой плиты, которая определяется по формуле:

                                                 (2)

На практике при расчете изгибаемых пластинок обычно используются приближенные формулы для определения деформаций и усилий:

                                         (3)

где α и β- численные коэффициенты, зависящие от отношения сторон базальтоцементной плиты и коэффициента Пуассона-μ, a_{z -}наименьшая сторона исследуемой базальтоцементной плиты. Численные коэффициенты α и β находят решением дифференциальной уравнения С. Жармен-Лагранжа одним из вариационных или численных методов. Зная значения численных коэффициентов α и β, толщину пластинки h, модуля упругости пластины и величину действующей поперечной равномерно распределенной нагрузки-q, можно определить величину деформации в любой точке плиты и соответствующие им моменты.

Напряжения же через интенсивность моментов определяется по формуле:

 где      b=1,13m.

Рассмотрим изгиб БЦП как нагруженной поперечной силой, которая свободно опирается по контуру, то есть опорные реакции на краях должны быть нормальны к плите. Прогибы при этом примем малыми в сравнении с толщиной. При этих условиях,  можно пренебречь деформацией в срединной плоскости плиты. Рассмотрим элемент, вырезанный из БЦП, как показано на рис.4.

Согласно расчетной схеме, к кровельным плитам кроме изгибающих и крутящих моментов, в данном случае будут действовать и вертикальные перерезывающие силы, приложенные по боковым граням элемента. Где перерезывающие силы определяются по формуле:

Рисунок 4. Расчетная схема цементно базальтовольнистих плит

Так как изгибающие моменты и перерезывающие силы являются функциями координат x и у, то при исследовании условий равновесия элементами должны принять во внимание малые изменения этих величин, обусловленные изменениями координат на малые величины dx и dy.

Расчетная плоскость волнистых листов условно представлена на рис.5 в качестве пластинки, где указаны те направления сил и моментов, которые принимаются положительными.

Рисунок 5. Расчетная плоскость цементно базальтовольнистих плит

Если нагрузка распределена по верхней поверхности пластинки, то интенсивность такой нагрузки q, или действующая на элемент поверхности q, dx, dy.

Проектируя приложенные к элементу силы на ось z, получим следующее уравнение равновесия:

из которого:

+q=0                                                                      (7)

Взяв моменты от действующих на элемент сил относительно оси х, получим другое уравнение равновесия

                                          (8)

Моментом от нагрузки q и моментом, возникающим вследствие изменения силы Qy , пренебрегаем ввиду того, что они представляют собой величины более высокого порядка малости. Тогда после упрощений уравнение равновесия (8) принимает вид относительно оси х

                                                          (9)

относительно оси у

                                                     (10)

Так как в направлениях х и у сил нет, а относительно оси z нет моментов, то три уравнения (7), (9) и (10) полностью определяют равновесие элемента. Исключим из этих уравнений перерезывающие силы Qх и Qy , определив их из уравнений (9), (10) и произведя подстановку их значений в уравнение (7) получим

                             (11)

С учетом Мху=-Мух , вследствие того, что тху =-тух ,представим уравнение равновесия (11) в окончательной форме:

                      (12)

Заключение

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Применение в конструкции кровли усадебных и малоэтажных домов базальтоцементных плит целесообразно, т.к. они отличаются экологической чистотой, трудоемкостью, биостойкостью обладает хорошими физико-механическими показателями и атмосферостойкости. Кровля из БЦП отвечает требованиям надежности, долговечности и архитектурной выразительности предъявляемым к конструкциям крыш усадебных и малоэтажных домов.

2. Рекомендуются кровли с использованием базальтоцементных плит с раскладкой листов БЦП поперек и вдоль ската крыши. Принципиальным конструктивным решением при этом является использование крупноразмерных листов БЦП, совмещающих несущие и ограждающие функции, что значительно снижает количество применяемых материалов и трудоемкость построечных работ.

3. Численные исследования напряженно-деформированного состояния БЦП под действием равномерно распределенной нагрузки в конструкции кровли как транверсальнойзотропной плиты, опертой на упруго деформируемые опоры- деревянные обрешетки, свидетельствует, что значения максимальных моментов при расчете листов БЦП катодом конечных элементов в зависимости от шага стропил и обрешеток от 8,8 до 24,8S меньше соответствующих значений, полученных при расчете по балочной схеме. Соответственно, значения максимальных деформаций листов БЦЛ отличаются от 13,1 до 29,8 %.

4. Достоверность результатов численных исследований подтверждается экспериментальными исследованиями. Экспериментальные значения максимальных моментов и деформаций в БЦП, полученные значениям, выявленными при численных исследованиях разница составляет 6- 7 %/. Отличие от соответствующие значений, полученных при расчете по балочной схеме, составляет 17-23 %. Это позволяет сделать вывод, что на стадии рабочего проектирования расчет конструкции кровли с применением БЦП следует производить численными методами, более точно отражающими действительную работу данной конструкции.

5. Расчет по первому и второму предельным состояниям прочности и деформативности листов БЦП в кровле под действием вертикальной равномерно распределенной нагрузки от собственного веса листов и веса снегового покрова следует производить по схеме двухпролетной плиты, опертой на упруго деформируемые опоры - деревянные обрешетки.

6. Для практического применения на стадии вариантного проектирования рекомендуется приближенный метод расчета прочности и деформативности листов кровли из БЦП, полученный в результате численных исследований, через коэффициенты α и β, значения которых зависят от варианта раскладки плит, шага стропил, шага и сечения деревянных обрешеток.

7. По результатам лабораторных и натурных исследований защитных составов, предназначенных для обеспечения несущей способности и долговечности базальтоцементных плит, применяемых в кровле, рекомендованы к использованию органорастворимые лакокрасочные составы ПФ-115, ХВ-1100, КО-174, ОС-12-03, а так же пропиточные составы-петролатум и буроугольная композиция. Рекомендации по применению защитных лакокрасочных и пропиточных составов включают требования к подготовке поверхности БЦП под защитную обработку, сведения по технологии нанесения, сушки и т.д.

8. Сравнение технико-экономических показателей /по трудоемкости, расходу основных материалов и т.д./ кровель из асбестоцементных волнистых листов, пазовой ленточной черепицы и кровли из БЦП позволяет отнести последнее к перспективным конструкциям при возведении кровель усадебных и малоэтажных домов.

Список литературы:

1. Bakhriev, N.F., Qurolova, N.R. Composite Wave Sheets from Basalt Fiber for Pitched. Lecture Notes in Civil Engineering, 2024, 369, 3–17 pp.
2. Bakhriev Nuritdin Fakhritdinovich, Qurolova Norgul Ravshan qizi, Raw mixture for forming flat and wave sheet, UZ FAP 02222 dated 03/31/2023. Byul., No. 3.
3. N.F.Bakhriev, M.S. Maxamatov, Sh. Aliyeva, КазГАСУ. «Строительные конструкции, здания и сооружения» Раздел – Строительные материалы и изделия, стр. 35-39., https://constructions.kgasu.ru/files/N8-Na-vypusk.pdf.
4. Bakhriev, N.F., et al. The Influence of the Cavitation Phenomenon on the Uniformity of Distribution of Fibrous Reinforcing Fillers in Cement Compositions// https://ebooks.iospress.nl/volumearticle/71196?_gl=1*o9ij7*_up*MQ..*_ga*MzM5NjM0MTM3LjE3NjM1MzAxOTc.*_ga_6N3Q0141SM*czE3NjM1MzAxOTYkbzEkZzAkdDE3NjM1MzAxOTYkajYwJGwwJGgw.
5. Venning, J. A. и др., „Nucleation-effects on cloud cavitation about a hydrofoil“ (Journal of Fluid Mechanics, 2022.
6. Петров, В.В. Теория расчёта пластин и оболочек, ISBN: 978-5-4323-0242-7, 2018, 410 стр.
7. Huang, K., et al. “Effect of Basalt Fiber on Static and Dynamic Mechanical Properties of Cement‑ Basalt Composites.” *Mathematical Problems in Engineering*, 2020.
8. Wu, H., et al. “Engineering, Mechanical and Dynamic Properties of Basalt Fiber‑Reinforced Concrete.” *Materials*, 2023.
9. Fu, Q., et al. “Flexural Behavior and Prediction Model of Basalt Fiber Reinforced Concrete.” International Journal of Concrete Structures and Materials, 2022.
10. Ding, S., et al. “Mechanical Properties of Composite Basalt Fiber Cement-Based Materials.” Materials*, 2025.
11. Han, H., et al. “High Performance Basalt‑Fibre Modified Cement for Structural Applications.” Construction and Building Materials*, 2024.
12. Razzakov, S., et al. Mechanical Properties of Concrete Reinforced with Basalt Fibers.”*E3S Web of Conferences*, 2023.
13. N.F. Bakhriev, N.S. Ibragimov, A.A. Sultanov, M.F. Bakhriev. Use of coal mining waste in Portland cement production. ISSN 1607-8837, 3-2025.