CC BY
31
УДК 625.815.5:691.54.001 А.М. Краснов
Краснов Анатолий Митрофанович родился в 1930 г., окончил в 1954 г. Ленин градский инженерно-строительный институт, кандидат технических наук, про фессор кафедры автомобильных дорог Марийского государственного техниче ского университета. Имеет 150 печатных работ по разработке технологий дорож но-строительных материалов.
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ПЕСЧАНОГО БЕТОНА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СБОРНЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Изложены два принципа формования структуры высокопрочного песчаного бетона. Представлены расчетные усилия напряженно-деформированных дорожных плит покрытия лесовозных автомобильных дорог, обеспечивающие эксплуатационную долговечность конструкций.
Ключевые слова: цементная матрица, наполнитель, удельное давление, осадки плит.
Рост объемов перевозки пассажиров и грузов различными видами транспорта требует расширения сети автомобильных дорог как общего пользования, так и ведомственных. Дороги должны иметь высокий эксплуатационный уровень и долговечность. К таким дорогам относят сборные покрытия из цементно-бетонных плит, эксплуатация которых без ремонта более продолжительна по сравнению с нежесткими дорожными покрытиями. Их преимущества: круглогодичное производство плит, удлиненный сезонный срок строительства (что особенно важно для северных районов Российской Федерации) и ускоренный ввод в эксплуатацию. Эффективность работы дорожных плит может быть обеспечена применением не только щебня из высокопрочной горной породы, но и местных сырьевых материалов. Например, использование мелкодисперсного наполнителя позволит получить материал, не уступающий по свойствам тяжелым цементным бетонам, и снизить стоимость бетона.
В настоящее время широко обсуждают вопрос о возможности повышения качества мелкодисперсных строительных композитов на основе органических и минеральных вяжущих, что объясняется различной активностью дисперсных наполнителей и их разным химико-минералогическим составом [1-6, 10, 12].
Большое практическое значение имеет изучение физико-механических свойств композиционного материала (КМ) в зависимости от концентрации наполнителя в вяжущем. В создании прочной структуры такого материала следует рассматривать два технологических этапа.
Первый этап - снижение избыточной энергии в системе цементное зерно - вода - микронаполнитель и самопроизвольное объединение частиц дисперсной фазы в структурные агрегаты. Оно имеет место в том случае, когда сумма затрат различных видов энергии частиц (Ж), возникающих при самоорганизации вяжущего, может быть определена по формуле [9, 10]
Ж= Жв + Жк + Шб + Шп , (1)
где Жв - потенциальная энергия двух взаимодействующих частиц, получаемая интегрированием сил Ван-дер-Ваальса;
Жк - энергия взаимодействия двух двойных электрических слоев;
Жб - энергия борновского отталкивания (электронное отталкивание при сближении частиц);
Жп - энергия расклинивающего давления по Б.В. Дерягину.
Ко второму этапу относят внешнее механическое воздействие, при котором упорядочение частиц в КМ, по мнению ряда авторов [3, 10, 13, 14], может зависеть от параметра Грюнайзена (7). Уравнение этого параметра выведено на основании экспериментальных данных о коэффициенте теплового расширения, изотермическом модуле объемного расширения, объеме тела и теплоемкости при постоянном его объеме [14] и выражает изменение частоты нормальных колебаний кристаллической решетки в зависимости от изменения объема кристалла. В конечном виде параметр Грюнайзена выражают по уравнению
7 = (Ео - Е) / (ЬТЕо), (2)
где Е0 - модуль Юнга при 0 К;
Е - модуль Юнга в естественных условиях;
Ь - коэффициент линейного расширения;
Т - температура.
Поскольку переменные Р (давление) и Т (температура) эквивалентны [3], в уравнении (2) произведем замену параметра Т на Р. Тогда уравнение (2) примет вид
7 = (Ео - Е) / (РЕо). (3)
Эту формулу можно использовать для описания локального упорядочения фазовых частиц в КМ. Для рассмотрения эффекта этого процесса использована кластерная модель структуры [11], согласно которой твердые частицы упакованы в микрообласти структуры и окружены рыхлоупакован-ной цементной средой. В микроблоках действуют слабые межчастичные ван-дер-ваальсовые связи и сильные ангармонизмы взаимодействующих диполей частиц. Для диполей й1и й2 при воздействии Р энергия взаимодействия может быть описана уравнением [3]
Ж = -2^12^22 / (3Тк), (4)
где к - расстояние между частицами.
Заменив Т на Р, получим зависимость взаимодействия диполей и й2 от давления:
Ж = -2<^22 / (ЭРА). (5)
Зависимость удельного объема V от давления может быть записана в соответствии с уравнением [7]
V = vl(l + рдо, (6)
где в - коэффициент объемного расширения.
Так как объем и плотность обратно пропорциональны друг другу (Р1 / Р2 = V2 / VI), то можно записать Р1 = Р2(1 + РД(К Отсюда получаем зависимость
Р2 = Р1 / (1 + РДО. (7)
Формула (7) справедлива для твердых тел. В этом случае величину Р следует заменить на 3 а (где а - коэффициент линейного расширения), а Р -на среднюю плотность композиционного материала у. Тогда формулу (7) можно записать в виде
У2 = 71 / (1 + 3аД0. (8)
Для определения средней плотности высокопрочного мелкозернистого песчаного бетона (ВМПБ) 72 необходимо определить значение Дл Его находят из уравнения обжатого твердого тела в силу структурной неразличимости структурной плотности ВМПБ [8]:
^ = | + аС-Г0^5 (9)
где ^ - обобщенная сила обжатия, Н;
Е - модуль упругости, МПа; - площадь поперечного сечения стрежня, см2;
I - длина стрежня, см.
В дальнейшем будем считать для плотного стержня величины Е и а постоянными, а Т- Т0 = Дл Раскрывая скобки в формуле (9), получаем:
( 1 1 Л Р = ЕБ — — М
V А) 'о
(10)
где I / 10 - отношение, близкое к единице.
Сила отнесенная к площади означает удельное давление формования песчано-цементной смеси: ^ / 5 = Руд. Тогда формула (10) примет вид
Руд = -Еа Дл, (11)
следовательно,
Д = -Руд / (Еа). (12)
Подставляя А( в уравнение (8), получаем среднюю плотность песчаного бетона:
У 2=—Чр~- (13)
^ 6а
Е
По выражению (13) при известных у1, Руд, Е можно вычислить среднюю плотность высоконаполненной цементно-песчаной смеси во влажном состоянии, уплотненной под удельным давлением Руд = 0,0131 МПа. Это значение Руд было получено автором расчетным путем и подтверждено экспериментально :
2050 2050 _ ,3
у = уп =-=-~ 2432 кг/мд.
1 /2 3-0,131 1-0,1572
2,5 Е
Средняя плотность ВМПБ в воздушно-сухом состоянии у = 2332 кг/м3.
Из работы [3] известно, что увеличение удельного объема структурной единицы модели кластера нижнего масштабного уровня можно объяснить изменением среднего числа молекул в структурной единице за счет изменения расстояния между молекулами или между твердыми частицами наполнителя в более высоком масштабном уровне, вплоть до дискретных блоков (рис. 1, а). При продолжительном механическом воздействии (вибрации) первоначальные структуры могут быть нарушены и доведены до упорядоченной решетчатой структуры с расстоянием между частицами 2к0 (рис. 1, б). Использование разночастотной вибрации /= 47 Гц и/= 167 Гц) позволит уменьшить толщину двухслойной сферы цементной пленки менее чем на 1,4 мкм [2] (рис. 1 в, г). При этом повышается плотность матричной системы за счет проникновения граничных слоев матрицы смежных частиц кварцевого наполнителя, возрастает контакт частиц, физическая адсорбция и хемосорбция. Более плотная структура КМ вызывает увеличение поверхностного контакта, эффективную передачу внешнего усилия на все частицы
Рис. 1. Модели взаимодействия двух частиц наполнителя через граничные слои матрицы: а - в рыхлосвязном состоянии; б - прессованном; в - вибропрессованном; г - иоливибропрессованном; й0 - проницаемые оболочки сферы из цементной пленки; 8 - расстояние дальнодействия частиц наполнителя; с/ - диаметр частиц наполнителя; Б - диаметр частиц наполнителя со сферой из двух слоев;
- толщина адсорбционного слоя
Рис. 2. Влияние механического воздействия виброуплотнения цемент-но-песчаной смеси на структурную прочность мелкозернистого песчаного бетона с наполнителем при расходе цемента 306 кг/м3: 1 - уплотнение без пригрузки; 2 - с при-грузкой при Руд = 0,0036 МПа;
3 - то же при Руд = 0,0131 МПа;
4 - разночастотное виброуплотнение с Руд = 0,0131 МПа; с раздельным вводом наполнителя и цемента;
5 - то же при совместном вводе наполнителя и цемента при их помоле
при
удельной
поверхности
£уд = 450 м/кг
наполнителя при полном смачивании их цементной матрицей. Этим можно объяснить усиливающееся сопротивление КМ разрушению от внешней нагрузки и рост прочности материала при оптимальной объемной концентрации наполнителя в структуре песчаного бетона (рис. 2). Жесткий структурный каркас с наполнителем улучшает физико-механические свойства композита.
Увеличение содержания наполнителя в матрице вяжущего при малом расходе последнего (306 кг/м3) приводит к снижению прочностных свойств - разупрочнению структуры бетона. Это объясняется недостаточным содержанием связующего из цементного теста. Пленочная матрица перфорированно покрывает поверхность наполнителя с образованием пористого пространства в структуре композита. Уменьшается объем структурных связей между частицами наполнителя, наблюдается их неравномерное распределение по объему, что приводит к внутренним напряжениям и снижению прочности композита.
Спадающая ветвь прочностных значений сверх оптимальной концентрации наполнителя (рис. 2) наблюдается независимо от величины и способа уплотняющего воздействия цементно-песчаной смеси. Со снижением удельного давления на смесь оптимальная концентрация наполнителя в матрице вяжущего при одном и том же его расходе (306 кг/м3) уменьшается и при гравитационном формовании составляет 25 ... 30 % от объемной доли матрицы КМ. При разночастотном виброуплотнении смеси и Руд = 0,0131МПа концентрация наполнителя составила 80 %.
Использование в технологии получения мелкозернистого песчаного бетона таких факторов, как высокое наполнение цементной матрицы дисперсными частицами кварцевого песка и разночастотное виброуплотнение смеси при формовании оптимальной структуры мелкозернистого композита, улучшает физико-механические характеристики материала.
В индивидуальном производстве плит тяжелый цементный бетон на щебне можно заменить высоконаполненным мелкозернистым песчаным бетоном высокой прочности, особенно при строительстве колейных сборно-разборных лесовозных дорог в районах с суровыми климатическими условиями.
Предварительные исследования конструкций дорожных плит из этого материала показали, что под воздействием колесных нагрузок, приложенных к углу и вдоль крайних зон плит колесопровода автопоезда МАЗ-509А+ГКБ-9383, равных для автомобиля-тягача Р1 = 32,5 и Р2 = 89,18 кН и прицепа-роспуска Р4 = Р5 = 61,75 кН при использовании коэффициентов динамичности А'д = 1,3 и перегрузки /\"||ср = 1,4, плиты размером 3,0 х 1,5 х 0,16 м выдерживают расчетные напряжения от отрицательных моментов Mv = -88,8 кНм с увеличением армирования сечения плит до 1,1% при конструктивном армировании 0,1 %.
Геометрические размеры плит (3,0 х 1,5 х 0,16 ... 3,0 х 1,5 х 0,08 и 3,0 х 1,0 х 0,16м) оказывают влияние на расчетные значения изгибающих моментов, положительных и отрицательных осадок, армирование, давление плит на грунтовое основание. Чем меньше толщина плиты и ее ширина, тем выше отрицательные осадки (отрыв угла плит от грунтового основания) и все указанные выше расчетные значения.
При строительстве колейных лесовозных автомобильных дорог для исключения отрыва углов (5 ... 7 см) первых въездных плит колесопровода необходимо предусмотреть их закрепление в грунтовом основании.
В табл. 1 представлены расчетные значения показателей напряженно-деформированного состояния первых въездных плит левого и правого колесопровода колейного покрытия лесовозной автомобильной дороги в зависимости от толщины плит, имеющих размеры в плане
3,0 х 1,5 м.
Данные, полученные по программе «OL PLATE»: «Расчет железобетонных фундаментных плит на грунтовом основании» говорят о том, что прочность и армирование плит представленных размеров удовлетворяют требованиям, предъявляемым к строительству колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог. В табл. 2 приведены основные расчетные характеристики напряженно-деформированных плит колейного покрытия в зависимости от воздействий колесных нагрузок автопоезда МАЗ-509А+ГКБ-9383 при Е0 = 31 - 103 МПа; расчетных нагрузках с первой
Таблица 2
Серия расчетной схемы (код) Размер плит, м Зона приложения нагрузки Р2 Среднее давление плиты на грунтовое основание, кПа Средний расход арматуры на 1 км колейного покрытия, т Расход бетона на 1 км колейного покрытия, м3 Площадь покрытия из плит, м2
KR-1 3,0 х1,5х0,16 Посередине 132 16,11 477,8 3000
KR-2 3,0 х1,5х0,16 В продоль- 138 16,83 477,8 3000
ном торце
по- середи-
не
KR-4 3,0 х1,5х0,16 То же 134 16,28 477,8 3000
KR-5 3,0 х1,5х0,16 В углу пли- 133 16,33 477,8 3000
SKP-11 3,0 х1,5х0,14 ты То же 128 13,78 422,3 3000
SP-11 3,0 х1,5х0,10 » 130 10,72 300,0 3000
SP-12 3,0 1,5х0,08 » 133 9,4 239,0 3000
входной плиты Р4,5 = 61,75 кН; Р2 = 89,18 кН; Pi = 32,5 кН. Эти данные позволяют констатировать возможность использования мелкозернистого песчаного бетона высокой прочности в строительстве сборных покрытий автомобильных дорог.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобрышев А.Н. и др. Эффект усиления свойств в дисперсно-наполненных композитах /А.Н. Бобрышев, В.И. Калашников, Д.В. Квасов и др. // Строительство и архитектура. - 1996. - № 2. - С. 48-52. (Изв. высш. учеб. заведений).
2. Бобрышев А.Н. и др. Синергетика композиционных материалов /А.Н. Бобрышев, В.Н. Козомазов, Л.О. Бабин, В.И. Соломатов // Липецк: НПО «Ориус», 1994. - 153 с.
3. Бредихин В.В. Параметр Грюнайзена и локальный порядок в композиционных материалах // Строительство и архитектура. - 1997. - № 1-2. - С. 32-36. -(Изв. высш. учеб. заведений).
4. Каримов И.Ш. Тонкодисперсные минеральные наполнители в составах цементных композиций: Дис... канд. техн. наук. - СПб., 1996.
5. Краснов А.М. Влияние поливибрационного уплотнения и микронаполнителя песчаной бетонной смеси на физико-механические характеристики // Совершенствование автомобильных дорог и искусственных сооружений на Северо-Западе РСФСР: Межвуз. тематич. сб. тр. / ЛИСИ. - Л., 1987. - С. 28-134.
6. Краснов А.М. Поливибрационный высокопрочный песчаный бетон // Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях: Тез. докл. респ. НТК. - СПб., 1995. - С. 152-155.
7. КухлингХ. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с.
8. Румер Ю.Б., Рывкин М.С. Термодинамика, статическая физика и кинематика. - М.: Наука. 1977. - 552 с.
9. Соломатов В.И., Бредихин В.В. Влияние полиструктурности цементного камня на эффективность термообработки бетона // Строительство. - 1995. - № 1. -С. 41-45. - (Изв. высш. учеб. заведений).
10. Соломатов В.И., Бредихин В.В. О силах взаимодействия в дисперсной системе // Строительство и архитектура. - 1996. - № 3. - С. 49-52. - (Изв. высш. учеб. заведений).
11. Соломатов, В.И., Тахиров М.К., Тахер Шах Мд. Интенсивная технология бетонов. - М.: Стройиздат, 1989. - С. 260.
12. Чернышев, Е.М., Дзяченко Е.Д. Силовые взаимодействия в структуре строительных композитов - фундаментальная проблема их материаловедения и технологии // Строительство и архитектура. - 1996. - № 3. - С. 43-48. - (Изв. высш. учеб. заведений).
13. Knopoff L., Shapiro J.N. Gruneisen parameter for liguids // Plys. Rev. B: Solid State. - 1970. - Vol. 1, N 10. - P. 3893-3895.
14. Shen M. Gruneuse function of semicrystalline polymers // Polimer Engng. Sei. - 1979. - Vol. 19, N 4. - P. 995-999.
Марийский государственный технический университет
Поступила 16.01.03
A.M. Krasnov
On Use of Fine-aggregate Sandy Concrete in Construction of Pre-cast Coating of Motor Roads
Two principles of forming structure of high-strength sandy concrete are provided. Rated forces of deformation road slabs for forest truck roads providing operational life of constructions are presented.
