CC BY
29
К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВ В КАЧЕСТВЕ МЕЛКОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ В ФИБРОАРМИРОВАННЫХ БЕТОНАХ
Ахмеднабиев Расул Магомедович
канд. техн. наук, доцент Полтавского национального технического университета имени Юрия Кондратюка, Украина, г. Полтава
E-mail: arasuM9@maiLru Ахмеднабиев Расул Расулович младший научный сотрудник, Полтавский национальный технический
университет имени Юрия Кондратюка, г. Полтава
TO THE QUESTION TO USE THE ASHES AS THE AGGREGATE IN THE
FIBER REINFORCED CONCRETE
Akhmednabiev Rasul
Ph.D., associate professor of Poltava National Technical Yuri Kondratyuk
University, Ukraine, Poltava Akhmednabiev Rasul
junior Researcher, Poltava National Technical Yuri Kondratyuk University, Ukraine,
Poltava
АННОТАЦИЯ
Приведены результаты исследований прочности фибробетонов с использованием в качестве мелкого заполнителя одного из видов золошлаков тепловых электростанций (ТЭС) Донецкого региона Украины. Золошлаки этой ТЭС отличаются низким содержанием несгоревшего угля.
ABSTRACT
The results of research strength fiber-reinforced concrete using as a fine aggregate of one species of ash of thermal power plants (TPP) in the Donetsk region of Ukraine. Ashes of the TPP have a low content of unburned carbon.
Ключевые слова: золошлаки; котлы с циркулирующим кипящим слоем; химический состав; фибробетоны; стальные волокна; прочность при изгибе.
Keywords: ash and slag; boilers with a circulating fluidized bed; chemical composition; fiber-reinforced concrete; steel fibers; the flexural strength.
Известны способы использования зол и золошлаков тепловых электростанций в технологии строительных материалов [5]. При сжигании угля
в традиционных котлах с кипящим слоем в виде отходов получают золы и золошлаки, в которых количество несгоревшего угля составляет более 10 %. С 2004 г на ТЭС Донецкого региона Украины стали внедрять котлы с циркулирующим кипящим слоем, в которых уголь выжигают полностью при температуре 950—1000 °С. Содержание несгоревшего угля в золах и золошлаках этих котлов не превышает 2—3 %.
Золошлаки представляют собой мелкозернистая масса темно-коричневого цвета, химический состав, которых приведен в таблице 1.
Таблица 1.
Химический состав золошлаков ТЭС
Химический состав, %
№ ПП П тю 2 Р2О 5 8102 ЛЬО 3 Са О МяО К2 О Ш2О 8Оз Ре2О 3 МпО
1 0,22 0,84 0,22 42,4 22,14 9,76 1,07 2,97 0,8 6,58 13,76 0,06
Химический состав золошлаков свидетельствует о том, что в качестве побочных пород в углях содержатся глинистые породы с повышенным содержанием оксида железа и карбонатных минералов. Низкие потери при прокаливании свидетельствуют о том, что содержание несгоревшего угля в золошлаках не превышает допустимых величин.
Как мелкий заполнитель для бетонов, золошлаки характеризуются модулем крупности Мкр = 1,13. Однако пористость зерен золошлаков инициирует повышение В/Ц отношения в бетонах.
Важнейшими параметрами волокнистых композиционных материалов, определяющими их физико-механические свойства, являются объемное содержание У£ и длина волокна ^ .
Известно, что эффективность работы волокон в фибробетонах зависит от касательных напряжений на поверхности раздела волокно — матрица, которые нами были определены путем выдергивания волокна из матрицы и составляют 5,8 Мпа [1].
Объемное содержание волокна в композите должно быть достаточным для того, чтобы доля нагрузки, воспринимаемая волокнами, была более
существенной [2]. Однако при содержании волокна в композите, превышающим некоторый уровень, свойства материала ухудшаются вследствие того, что матрица не в состоянии связывать волокна. В результате в матрице появляются пустоты, излишки волокна в работе материала не участвуют, связь матрицы с волокном ухудшается, и прочность композита падает.
Выражение для определения объемного содержания волокна, ниже которого не следует ожидать существенного улучшения физико-механических свойств волокнистых композитов, приводится в [2].
У = }-Л Л V (!)
где: <с — напряжение в матрице композита;
<гзи — эффективная предельная прочность волокна;
т — отношение модулей упругости волокна и матрицы. Композиты из хрупкой матрицы и волокон при маленьких деформациях сохраняет упругое равновесие. Напряжения в композитах на этой стадии определяются по уравнению
При комбинировании хрупкой матрицы с волокнами при малых деформациях сохраняется упругое равновесие, при котором напряжения определяются по «правилу смесей».
< = Кп^т£т + У^Е^Е^ , (2)
где: Ут - — доля матрицы в объеме композита;
Е Ет — начальный модуль упругости матрицы;
Ет — деформация матрицы;
У - доля волокна в объеме композита;
Е - — модуль упругости волокна;
— деформация волокна.
С ростом нагрузки достигаются деформации разрушения матрицы. При этом 8т <8^. Напряжения на этой стадии определяются по формуле [2].
а = Утат + У!Е!8т< (3)
На этой стадии матрица разрушается, и нагрузка, которую она несла, перераспределится на волокна, которые также могут разрушаться при условии
У/а/ < + Утат. (4)
При таких условиях зона разрушения материала ограничена единственной областью, непосредственно примыкающей к зоне образования первой трещины. Такой характер разрушения носит название единичное разрушение [3, 4]. Если волокна достаточно прочны или их содержание в композите достаточно велико, композит не будет полностью разрушен, а будет продолжать нести нагрузку до достижения напряжений У^а^. В течение этого последующего нагружения более хрупкая матрица будет продолжать разрушаться на все более мелкие части. Это явление характеризуется как множественное разрушение [3, 4]. Так как матрица хрупкая, переход от единичного разрушения к множественному произойдет при условии
Угаг = а'гУг + атУт, (5)
где а^ — напряжения в волокне при разрушении матрицы. Таким образом, объемное содержание волокна, при превышении которого произойдет множественное разрушение композита, определяется из уравнения [3, 4].
Угаг - а\Уг = атУт , (6)
Необходимо отметить, что приведенные выражения для определения объемного содержания волокна выведены для случая однонаправленных композиционных материалов. Однако известно, что в композитах с произвольно ориентированными волокнами в работе материала участвуют 5лишь 41 % волокон [6], поэтому рассчитанные параметры волокнистых композитов следует увеличить в 2,43 раза.
Для композитов, исследованных в данной работе объемное содержание волокна, определенного по формуле (1) составляет V/ = 0,0072, или 0,7 %. Однако с учетом того, что в композитах с произвольной ориентацией волокон, каким является исследуемый композит, в работе участвуют только 41 % всех волокон [6], V/=0,17 или 1,7 %.
При достижении деформации разрушений матрицы, напряжения, передающиеся к волокнам, определены по формуле (3) о=8,7 Мпа.
При проверке условия разрыва волокон по формуле (4), получаем
Угаг < УгЕг£т + Утат = 8,5 < 8,69
Таким образом, композит будет разрушаться вследствие образования одной первоначальной трещины.
Объемное содержание волокна, при котором композит испытает множественное разрушение, определенное по формуле (6) составляет
отУт 6.4 * 0.983 У/_ т т . = -———- = 0.013: /_ о/ - о/ 500 - 8.7
С учетом поправки на количество волокон, участвующих в работе композита всего 41 % ,
7/==0,032 или 3,2 %.
Для вышеприведенных вычислений заранее были определены соответствующие свойства матрицы на образцах без волокон.
На основе вышеприведенных расчетов, нами исследовались композиты, наполненные стальными волокнами. Волокна диаметром 0,2 мм были изготовлены из отработанных стальных тросов. Матрица представляла собой мелкозернистый бетон на основе портландцемента марки 500, в котором в качестве мелкого заполнителя были использованы золошлаки котлов с циркулирующим кипящим слоем.
В качестве крупного заполнителя был использован гранитный щебень крупностью зерен 5 мм.
В бетонах в качестве пластификатора был использован гиперпластификатор на основе модифицированных карбоксилатов «Глениум- 51» от фирмы BASF.
Для снижения объемов работ и прогнозирования влияния объемного содержания и длины волокон на свойства строительных композитов, была реализована трехфакторная матрица планирования эксперимента. Условия планирования эксперимента приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Условия планирования эксперимента _
Факторы Уровни варьирования Интервал варьировани я
Натуральный вид Кодированны й вид -1 0 +1
Длина волокна, мм Объемное содержание, % Содержание добавки, % X1(*/) X2 (Vf) X3(D) 20 1 0,6 35 2 1 50 3 1,4 15 1 0,4
Всего были изготовлены 17 серий образцов кубиков со стороной 10 см и призм 10 х 10 х 40 см. Приготовление бетонной смеси проходило в лабораторном смесителе принудительного действия емкостью ковша 10 л. Образцы до испытаний хранились в лабораторных условия при температуре
18...20 °С и влажности воздуха 67....75 %. Испытания образцов проводились в возрасте 28 суток на испытательной машине типа ГМС-50.
Статистическая обработка результатов испытаний образцов на статический четырехточечный изгиб в виде поверхности влияния приведена на рис. 1.
Из графика видно, что с увеличением длины волокна до 40...45 мм прочность при изгибе растет до 7,0 МПа. Дальнейшее увеличение длины волокна приводит к снижению прочности при изгибе, хотя даже при длине волокна 55 мм прочность при изгибе больше чем при 20 мм. Этот факт объясняется тем, что с увеличением длины волокна, как и при традиционных заполнителях, увеличивается вероятность образования комьев волокон, из-за повышения вероятности увеличения контактов между волокнами. Образование комьев затрудняет технологию приготовления бетонной смеси, равномерность распределения волокон по объему снижается, прочность композита при этом также снижается.
Почность при изгибе.МПА
Рисунок 1. Зависимость прочности при изгибе от объемного содержания и
длины волокна
Объемное содержание волокна имеет менее выраженное влияние на прочность при изгибе. При длине волокна 20 мм и объемном содержании 1 %, прочность при изгибе композита составляет всего 5,0 МПа. С увеличением объемного содержания при той же длине волокна прочность при изгибе растет, достигая максимума 5,5 МПа при содержании волокна 2,2...2,4 %.
Однако с увеличением длины волокна объемное содержание волокна приобретает большее влияние на прочность при изгибе, и при оптимальной длине волокна 40.42 мм и объемном содержании волокна 2,2.2,4 % , прочность композита растет до 7,5 МПа.
Необходимо отметить тот факт, что, как с увеличением длины волокна, так и с увеличением объемного содержания волокна, затрудняется технология приготовления бетонной смеси. Наблюдается нехватка растворной части смеси для обволакивания волокон. Предел объемного содержания волокон, в пределах эксперимента, составляет 2,4 %, после чего катастрофически снижается однородность смеси.
Проведенные исследования показали, что золошлаки ТЭС, на которых установлены котлы с циркулирующим кипящим слоем, могут быть использованы в качестве мелкого заполнителя для бетонов.
Закономерности влияния волокон на свойства фибробетонов, в матрице которых использованы золошлаки котлов с циркулирующим кипящим слоем, практически остаются такими же, как и при традиционных бетонах. Однако долговечность этих бетонов нами еще не исследована.
Список литературы:
1. Ахмеднабиев Р.М. Влияние полимерных волокон на свойства чеканочных цементных композиций: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Р.М. Ахмеднабиев. М., 1983.
2. Крок Г. Современные композиционные материалы / Крок Г., Браутман Л. М.: МИР, 1970. — 406 с.
3. Куппер Д. Растрескивание и разрушение композитов / Куппер Д., Пигготт М. // Механика разрушения. Т. 17. М.: Мир, 1979. — С. 165—216.
4. Куппер Д. Микромеханические аспекты разрушения / Куппер Д. // Композиционные материалы. Т. 5. М.: Мир, 1978. — С. 440—474.
5. Цементы и бетоны на основе топливных зол и золошлаков / Кривенко П.В. Пушкарева Е.К., Гоц В.И., Ковальчук Г.Ю. К., 2014. — 255 с.
6. Romualdi J.R. Tensile Strength of concrete. Affected by Uniformly Distributed and closely spaced the of Wire Reinforcement / Romualdi J.R. Mandel J.A. // ACI Journal. — 1964. — V. 61. 6. — Р. 657.
