CC BY
7
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2019, №5, Том 11 / 2019, No 5, Vol 11 https://esj.today/issue-5-2019.html URL статьи: https://esj.today/PDF/29SAVN519.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Щербань Е.М., Стельмах С.А., Чернильник А.А., Кулиев Б.Э., Адилов К.Р. Исследование и анализ различий прочностных характеристик центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов класса В60 при одинаковых компонентных составах // Вестник Евразийской науки, 2019 №5, https://esj.today/PDF/29SAVN519.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Shcherban' E.M., Stel'makh S.A., Chernil'nik A.A., Kuliev B.E., Adilov K.R. (2019). Study and analysis of differences in strength characteristics of centrifuged and vibro-centrifuged concrete class B60 with the same component compositions. The Eurasian Scientific Journal, [online] 5(11). Available at: https://esj.today/PDF/29SAVN519.pdf (in Russian)
УДК 691 ГРНТИ 67.09.33
Щербань Евгений Михайлович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты»
Кандидат технических наук E-mail: [email protected]
Стельмах Сергей Анатольевич
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты»
Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Чернильник Андрей Александрович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Магистрант E-mail: [email protected]
Кулиев Бабек Эльчин оглы
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Магистрант E-mail: [email protected]
Адилов Керимхан Рагимханович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия
Магистрант E-mail: [email protected]
Исследование и анализ различий прочностных характеристик центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов класса В60 при одинаковых компонентных составах
Аннотация. Увеличение объемов внедрения высокопрочного центрифугированного бетона сдерживается ограниченной поставкой на предприятия строительной индустрии высококачественных сырьевых материалов. При формовании конструкций из высокопрочного
центрифугированного бетона указанные проблемы выражены еще более рельефно, так как малейшее отклонение в качестве сырьевых материалов и технологии приготовления бетонных смесей немедленно сказывается на неоднородности структуры бетона в кольцевом сечении. Значительное различие в плотности и прочности внешнего и внутреннего слоев бетона отражается на деформативных свойствах и долговечности железобетонных изделий. В связи с этим актуальной задачей современного этапа технического прогресса в строительной индустрии является разработка и внедрение в производство технологических приемов, обеспечивающих быстрейшее освоение выпуска центрифугированных изделий из высокопрочного бетона. При этом предпочтение следует отдавать тем приемам, которые могут обеспечить получение высокопрочных центрифугированных бетонов на обычных материалах с умеренным расходом цемента. Такие бетоны должны обладать не только достаточной прочностью на сжатие, но и высокой прочностью на растяжение, обеспечивая тем самым повышение стойкости изделий против продольного растрескивания. Авторами проведена серия экспериментальных исследований для установления различий между прочностными характеристиками центрифугированного и виброцентрифугированного высокопрочных бетонов при одинаковых составах. По результатам проведенных экспериментов сделан вывод о том, что при одинаковых компонентных составах высокопрочный виброцентрифугированный бетон имеет больший предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе нежели центрифугированный бетон.
Вклад авторов.
Щербань Евгений Михайлович - автор одобрил окончательную версию статьи перед ее подачей на публикацию.
Стельмах Сергей Анатольевич - автор осуществил написание статьи.
Чернильник Андрей Александрович - автор осуществил написание статьи.
Кулиев Бабек Эльчин оглы - автор собрал, проанализировал и интерпретировал материал для статьи.
Адилов Керимхан Рагимханович - автор оказывал участие при оформлении статьи
Ключевые слова: центрифугирование; виброцентрифугирование; тяжелый бетон; высокопрочный бетон; компонентный состав; предел прочности
Виброцентрифугированный способ (технологический процесс «цен-ви-ро») получения железобетонных изделий и конструкций, в частности напорных труб, как и центробежно-прокатный способ, предусматривает производство железобетонных труб без стального цилиндра. Разработчики такого способа тем самым выводят на первый план повышенные показатели железобетонных труб, такие как водонепроницаемость и прочность. Вышеназванные показатели при этом не уступают своим аналогам - напорным трубам со стальным цилиндром, которые получили широкое применение в США.
Способ «цен-ви-ро» начали внедрять в США с начала 50-х годов. По сведениям фирмы, железобетонные трубы «цен-ви-ро» были первые изготовлены для практического применения в 1951 г. Трубы диаметром от 450 до 750 мм, длиной 3 м были испытаны давлением до 3 атм и уложены при сооружении водоводного коллектора общей длиной около 6 км.
Далее известно, что были организованы их оригинальные испытания: две напорные трубы «цен-ви-ро» диаметром 750 мм установили на своеобразный передвижной испытательный стенд на трайлере, соединили их в стыке резиновой кольцевой прокладкой, подвергли испытательному гидравлическому давлению 15,5 атм и под таким давлением в
течение двух лет возили по дорогам (трайлер прошел за это время более 30000 км). Такое испытание трубы прошли вполне удовлетворительно - без появления течки и мокрых пятен на трубе и в стыковом соединении.
Получив высокопрочный и плотный железобетонный сердечник, его обвивают высокопрочной предварительно напряженной проволокой с заданным шагом спирали. Предварительно напряженную спираль для предохранения от повреждений и защиты от коррозии покрывают слоем торкрет-бетона с последующим его разглаживанием. Таким образом, готовая напорная труба «цен-ви-ро» отличается хорошей гладкой поверхностью не только внутри, но и снаружи.
Установив возможность избавления от весьма дорогостоящего стального цилиндра без существенного ущерба для таких показателей, как прочность и водонепроницаемость, разработчики указанного способа отметили, что эта возможность появляется в ряде условий. Необходимы достаточное и равномерное обжатие бетонных стенок сердечника предварительно напряженной арматурой и обязательно высокое качество изготовления, а также тщательно продуманная конструкция трубы. Гарантия высокого качества стенок сердечника обеспечивается тщательным уплотнением бетонной смеси с правильно подобранным составом. Требования же к конструкции трубы касаются главным образом раструбного стыкового соединения без применения металла и с очертанием концов трубы, обеспечивающим удобное формование трубы и удобную надвижку при укладке в траншее.
Бетонная смесь, приготавливаемая для формования сердечников труб, характеризуется предельно жесткой консистенцией с нулевой осадкой конуса (В/Ц < 0,35, после центрифугирования - до 0,3). Цемент быстротвердеющий с расходом до 385 кг/м3. Заполнители - средне и крупнозернистые пески, крупный заполнитель с величиной зерен от 5 до 12-25 мм в зависимости от диаметра изготавливаемой трубы.
Получающийся в результате тщательного формования с вибрированием и укаткой бетон имеет очень плотную структуру с равномерным распределением заполнителя; водопопоглощение не превышает 3 %, средний предел прочности при сжатии 700 кг/см2 (от 490 до 950 кг/см2). Высокая прочность бетона практически гарантирует отсутствие потерь предварительного напряжения в трубе вследствие усадки и ползучести бетона [1 ; 2].
Для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций кольцевого сечения используется в основном тяжелый бетон классов В30, В35, В40. Применение бетонов более высоких классов позволяет уменьшить размеры сечения конструкции, сократить расход стали и тем самым снизить ее массу. Использованию в практике изготовления предварительно напряженных конструкций бетонов более высоких марок способствует все более широкое внедрение высокоактивных цементов, эффективных химических добавок и совершенствование технологических процессов [3; 4].
В современной инженерной практике накоплен определенный опыт успешного внедрения конструкций из высокопрочного бетона в промышленное, энергетическое и транспортное строительство. Использование высокопрочных бетонов классов В60 и выше позволяет увеличить несущую способность конструкций или снизить их массу за счет сокращения размеров поперечного сечения. Повышение прочности бетона предопределяет, кроме того, сокращение расхода стали в среднем на 10-12 % и уменьшение толщины стенки изделия от 75 до 70 мм.
Опыт эксплуатации центрифугированных конструкций из высокопрочного бетона еще недостаточен. Однако можно утверждать, что высокие технические свойства конструкций (несущая способность, жесткость и поперечная трещиностойкость) являются необходимым, но недостаточным условием их длительной эксплуатации. Чтобы обеспечить высокую
долговечность таких изделий, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации, они должны иметь повышенный ресурс продольной трещиностойкости. Следовательно, при изготовлении конструкций из высокопрочного бетона необходимо большее внимание уделить повышению трещиностойкости материала [5].
Дальнейшее увеличение объемов внедрения высокопрочного центрифугированного бетона сдерживается ограниченной поставкой на предприятия строительной индустрии высококачественных сырьевых материалов. Кроме того, при изготовлении длинномерных конструкций из высокопрочных бетонов неоднородность структуры по толщине стенки кольцевого сечения проявляется в большей степени. Значительное различие в плотности и прочности внешнего и внутреннего слоев бетона отражается на деформативных свойствах и долговечности железобетонных изделий.
Предъявляются повышенные требования и к технологии приготовления бетонных смесей. В данном случае предусматриваются: точная дозировка компонентов, достаточная продолжительность перемешивания смеси в смесителе принудительного действия, а также соблюдение режимов уплотнения и ускоренного твердения бетона. Все это создает определенные трудности при изготовлении высокопрочного бетона [6-9].
При формовании же конструкций из высокопрочного центрифугированного бетона указанные проблемы выражены еще более рельефно, так как малейшее отклонение в качестве сырьевых материалов и технологии приготовления бетонных смесей немедленно сказывается на неоднородности структуры бетона в кольцевом сечении [10-12].
В связи с этим актуальной задачей современного этапа технического прогресса в строительной индустрии является разработка и внедрение в производство технологических приемов, обеспечивающих быстрейшее освоение выпуска центрифугированных изделий из высокопрочного бетона. При этом предпочтение следует отдавать тем приемам, которые могут обеспечить получение высокопрочных центрифугированных бетонов на обычных материалах с умеренным расходом цемента. Такие бетоны должны обладать не только достаточной прочностью на сжатие, но и высокой прочностью на растяжение, обеспечивая тем самым повышение стойкости изделий против продольного растрескивания [13].
В научно-исследовательской лаборатории кафедры ТВВБиСК ДГТУ авторами проведена серия экспериментальных исследований для установления различий между прочностными характеристиками центрифугированного и виброцентрифугированного высокопрочных бетонов при одинаковых составах.
Для исследований центрифугированного и виброцентрифугированного бетона авторами была разработана и применена универсальная опытная установка - экспериментальная лабораторная центрифуга ЦСРЛ-1 с электродвигателем постоянного тока с тиристорными блоками питания. Это обеспечивало плавное переключение скорости путем изменения частоты вращения вала электродвигателя [14; 15].
Экспериментальная лабораторная роликовая центрифуга ЦСРЛ-1 состоит из рамы, на которой смонтированы две роликоопоры, имеющих нижние опорные ролики. Привод включает в себя многоскоростной электродвигатель с плавной регулировкой хода.
Оригинальность конструкции нашей установки ЦСРЛ-1 заключается в своеобразном решении способа высокочастотного вибрирования бетонной смеси в дополнение к центрифугированию. Это достигается нанесением на ведущий и ведомый ролик центрифуги зубчатой поверхности. Расстояние между зубцами выбрано с таким расчетом, чтобы создаваемая ими вибрация вращаемой формы могла регулироваться, в частности, при заданном максимальном количестве оборотов обеспечивала бы более 10000 ударов в 1 минуту и амплитуду колебаний около 0,1 мм.
Порядок формования изделия: в собранную и установленную на ролики форму загружается бетонная смесь, после чего включается в работу электродвигатель на первой скорости. Далее включается режим распределения бетона в форме, по окончании его происходит переход на режим уплотнения бетона. В качестве бортоснастки для центрифуги применяли металлические формы двух видов - диаметром 168 и 205 мм и длиной 300 мм [16; 17].
Авторами экспериментально был подобран состав центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов, позволяющий получить в лабораторных условиях высокопрочный бетон класса В60 и выше (таблица 1).
Таблица 1
Состав высокопрочного центрифугированного (ВЦБ) и виброцентрифугированного (ВВЦБ) бетонов
Состав Расход материала на 1 м3 бетона, кг В/Ц начальное В/Ц конечное
Цемент Вода Песок Гранитный щебень, фракций мм
10-20 5-10
(В)ВЦБ 580 219 387 831 446 0,38 0,34
590 203 400 857 460
Примечание к таблице. Над чертой - до, а под чертой - после центрифугирования (виброцентрифугирования) (составлено авторами)
По результатам проведенных экспериментов, используя рецептурно-технологические параметры, рассмотренные выше [18], были изготовлены образцы одинакового компонентного состава высокопрочных центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов.
Были исследованы следующие прочностные характеристики бетонов: предел прочности при сжатии и предел прочности на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток.
Результаты экспериментов представлены в таблицах 2-3.
Таблица 2
Результаты испытаний высокопрочного центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов на определение предела прочности при сжатии в возрасте 28 суток
Проектный класс бетона Хар зактеристика образца Результаты испытания Фактический класс бетона на сжатие
Масса, г Размеры, см Средняя плотность, кг/м3 Прочность образца, приведенная к базовому размеру, МПа Средняя прочность образцов в серии, МПа
Высокопрочный центрифугированный бетон
В60 2502 10x10x10 2502 76,2 75,4 60,3
2516 2516 73,1
2518 2518 73,9
2506 2506 74,8
2501 2501 75,0
2510 2510 75,6
Высокопрочный виб юцентрифугированный бетон
В60 2516 10x10x10 2516 80,7 81,2 65,0
2522 2522 80,2
2510 2510 79,4
2500 2500 81,6
2515 2515 82,2
2519 2519 78,9
Составлено авторами
Таблица 3
Результаты испытаний высокопрочного центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов на определение предела прочности на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток
Характеристика образца Результаты испытания
Проектный класс бетона Масса, г Размеры, см Средняя плотность, кг/м3 Прочность образца, приведенная к базовому размеру, МПа Средняя прочность образцов в серии, МПа Фактический класс бетона на сжатие
Высокопрочный центрифугированный бетон
2502 2502 7,71
2516 2516 7,68
В60 2518 10x10x10 2518 7,85 7,81 7,81
2506 2506 7,80
2501 2501 7,66
2510 2510 7,89
Высокопрочный виброцентрифугированный бетон
2516 2516 8,39
2522 2522 8,32
В60 2510 10x10x10 2510 8,48 8,46 8,46
2500 2500 8,44
2515 2515 8,53
2519 2519 8,30
Составлено авторами
По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что при одинаковых компонентных составах высокопрочный виброцентрифугированный бетон имеет больший предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе нежели центрифугированный бетон.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овсянкин В.И. Железобетонные трубы для напорных водоводов (3-е издание). -М.: Стройиздат, 1971 г. 320 с.
2. Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Осадченко С.А. Анализ зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj.today/PDF/58SAVN318.pdf.
3. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М.: Стройиздат, 1971. 208 с.
4. Штайерман Ю.Я. Центрофугированный бетон // Закавказский научно-исследовательский институт им. В.И. Ленина, Тифлис: Техника да Шрома, 1933. 106 с.
5. Дубинина В.Г. Разработка оптимальных параметров центрифугирования железобетонных безнапорных труб: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Нижний Тагил, 2002. 150 с.
6. Бычков М.В., Удодов С.А. Деформационные свойства легкого конструкционного самоуплотняющегося бетона / Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки, 2013, № 2 (29), С. 71-75.
7. Саламанова М.Ш., Исмаилова З.Х., Бисултанов Р.Г., Арцаева М.С. Влияние композиционного вяжущего на формирование физико-механических и
8.
9.
10. 11. 12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
эксплуатационных свойств фибробетона / Эффективные строительные композиты. Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук Баженова Ю.М. БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015, С. 592-598.
Ахвердов И.Н. Вопросы теории центробежного формования и уплотнения бетонной смеси. - Республиканское научно-техническое совещание: Технология формования железобетонных изделий, 1979. С. 3-12.
Корянова Ю.И., Несветаев Г.В. Влияние условий твердения бетона с двухстадийным расширением на деформативно-прочностные показатели // Науковедение. Том 7, № 5(30), 2015 URL: naukovedenie.ru/PDF/129TVN515.pdf.
Петров В.П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем для стоек опор контактной сети: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. 175 с.
Раджан Сувал Свойства центрифугированного бетона и совершенствование проектирования центрифугированных железобетонных стоек опор ЛЭП: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1997. 267 с.
Батаев Д.К.-С., Сайдумов М.С., Муртазаева Т.С-А., Имагамаева Б.Б. Перспективы использования модифицированных высококачественных бетонов в современном строительстве / Современные строительные материалы, технологии и конструкции. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова». ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова, 2015. С. 485-492.
Романенко Е.Ю. Высокопрочные бетоны с минеральными пористыми и волокнистыми добавками для изготовления длинномерных центрифугированных конструкций: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1989. 179 с.
Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Халюшев А.К. Влияние технологии производства на структурообразование и свойства бетона виброцентрифугированных колонн // Строительство и архитектура (2017), Том 5, Выпуск 4 (17). С. 224-228.
Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Третьяков Д.А., Дао В.Н., Заикин В.И. Предложения по расчетному определению прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки, 2018, №6 URL: esj.today/PDF/66SAVN618.pdf.
Щербань Е.М., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Рымова Е.М., Лиев Р.А. Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки, 2018, №5 URL: esj .today/PDF/51 SAVN518.pdf.
Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Осадченко С.А. Анализ зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj.today/PDF/58SAVN318.pdf.
Чернильник А.А., Щербань Е.М., Стельмах С.А., Чебураков С.В., Ельшаева Д.М., Доценко Н.А. Рецептурно-технологические аспекты получения высококачественных центрифугированных бетонов // Инженерный вестник Дона, 2019, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5525.
Shcherban' Evgenii Mikhailovich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia
E-mail: [email protected]
Stel'makh Sergei Anatol'evich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Chernil'nik Andrei Aleksandrovich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Kuliev Babek El'chin ogly
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Adilov Kerimkhan Ragimkhanovich
Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: [email protected]
Study and analysis of differences in strength characteristics of centrifuged and vibro-centrifuged concrete class B60 with the same component compositions
Abstract. The increase in the volume of introduction of high-strength centrifuged concrete is constrained by the limited supply of high-quality raw materials to the enterprises of the construction industry. When forming structures made of high-strength centrifuged concrete, these problems are expressed even more clearly, since the slightest deviation in the quality of raw materials and technology for preparing concrete mixtures immediately affects the heterogeneity of the concrete structure in the annular section. A significant difference in the density and strength of the outer and inner layers of concrete is reflected in the deformation properties and durability of concrete products. In this regard, an urgent task of the current stage of technical progress in the construction industry is the development and implementation of production techniques that ensure the rapid development of the production of centrifuged products made of high-strength concrete. In this case, preference should be given to those techniques that can provide high-strength centrifuged concrete on conventional materials with a moderate consumption of cement. Such concretes should have not only sufficient compressive strength, but also high tensile strength, thereby increasing the resistance of products against longitudinal cracking. The authors conducted a series of experimental studies to establish differences between the strength characteristics of centrifuged and vibro-centrifuged high-strength concretes with the same compositions. According to the results of the experiments, it was concluded that with the same component compositions, high-strength vibro-centrifuged concrete has a greater compressive and tensile strength in bending than centrifuged concrete.
Keywords: centrifugation; vibrocentrifugation; heavy concrete; high-strength concrete; component composition; tensile strength
