Оптимизация состава бетона для шахтного строительства Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Оптимизация состава бетона для шахтного строительства

Гилязидинова Наталья Владимировна,

кандидат технических наук, доцент, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, [email protected]

Рудковская Надежда Юрьевна,

доцент. Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева

Санталова Татьяна Николаевна,

доцент, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева

Целью работы являются исследования по оптимизации состава бетона с учетом свойств заполнителей, бетонной смеси, бетона и изменчивости этих свойств. Оптимизация состава бетона заключается в выборе параметра оптимизации и ограничений по другим показателям, выборе материалов и расчете состава для пробных замесов бетона, а также нахождении оптимального состава. Важным параметром оптимизации является минимальный расход цемента и соотношение применяемых заполнителей. Основные требования к оптимизации - это прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, подвижность или удобоукладываемость с учетом перекачивания по трубопроводу. Актуальность работы заключается в том, что в настоящее время в шахтном строительстве в основном применяется тяжелый бетон на природных заполнителях, а в Кузбасском регионе сложился дефицит качественных природных материалов для приготовления тяжелых бетонов. В то же время, на отвалах предприятий металлургической и энергетической промышленности Кузбасса, скопилось большое количество, ежегодно пополняемых отходов производства - металлургических и топливных шлаков, которые могут быть использованы как заполнители для бетона. Каждый из таких материалов обладает рядом достоинств и, поэтому, представляет интерес их совместное использование для получения эффективных бетонов, способных противостоять действиям деструктивных шахтных вод.

Ключевые слова: бетон; шахтное строительство; шлаковые заполнители; оптимизация; расход цемента.

Актуальность работы

Современный уровень развития шахтного строительства диктует усовершенствование такого высоко функционального материала как бетон.

К бетонным и железобетонным конструкциям предъявляют повышенные требования по прочности на сжатие и растяжение при статических и динамических нагрузках. Кроме того, железобетонные шахтные конструкции работают в условиях действия агрессивной среды, поэтому бетон должен обладать повышенной водонепроницаемостью и сопротивляться различным видам агрессии. Наиболее полно предъявленным требованиям отвечают бетоны на шлаковых заполнителях.

В настоящее время в шахтном строительстве в основном применяется тяжелый бетон на природных мелких и крупных заполнителях. Актуальность данной работы также заключается и в том, что в Кузбасском регионе сложился дефицит качественных природных материалов для приготовления тяжелых бетонов, в связи с чем, наблюдается тенденция регулярного повышения цен. В то же время, на отвалах предприятий металлургической и энергетической промышленности Кузбасса, скопилось большое количество, ежегодно пополняемых отходов производства - металлургических и топливных шлаков, которые могут быть использованы как заполнители для бетона. Металлургические отвальные и гранулированные топливные шлаки являются для Кузбасса местными материалами, каждый обладает рядом достоинств и, поэтому, представляет интерес их совместное использование для получения эффективных бетонов, отвечающих требованиям шахтного строительства [1-6].

Цель работы

Целью данной работы являются исследования по оптимизации состава бетона с учетом свойств заполнителей, бетонной смеси, бетона и изменчивости этих свойств. Оптимизация состава бетона заключается в выборе параметра оптимизации и ограничений по другим показате-

х

X

о

го А

с.

X

го т

о

ю 2

М О

О)

о

см

см

О!

о ш т

X

<

т О X X

лям, выборе материалов и расчете состава для пробных замесов бетона, а также нахождении оптимального состава.

Важным параметром оптимизации является минимальный расход цемента и соотношение применяемых заполнителей. Основные требования к оптимизации - это прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, подвижность или удобоукладываемость с учетом перекачивания по трубопроводу.

Методы исследования

Бетонную смесь приготавливают из цемента, заполнителей и воды затворения. Для выбора оптимального состава бетона рассматривался тяжелый бетон класса В30 на мелких и крупных заполнителях из топливных и доменных шлаков Кузнецкого и Западно-Сибирского металлургических комбинатов. Результаты исследования кузнецких доменных шлаков показали, что они состоят из 85-90 % застеклованных мелких частиц и 10-15 % закристаллизованных частиц с размерами пор от долей до 5 мм. Такие шлаки относятся к кислым. При обычных температурах (15-25°С) они почти не проявляют активности при взаимодействии с водой, но при воздействии на них механических, химических или тепловых факторов становятся активными. В результате в зоне контакта образуются взаимо-прорастающие кристаллы, повышающие прочность и однородность системы в целом. Все это дает основание считать, что доменный шлак может являться активным мелким заполнителем бетона, улучшающим его структурное качество и прочностные характеристики. Гранулированные топливные шлаки в данных исследованиях применялись в качестве крупного заполнителя. В качестве вяжущего был использован портландцемент марки 400, прочностью 42,5 МПа и плотностью 3,05 кг/л.

В процессе выполнения научно-исследовательской работы решались задачи по расчету оптимального состава бетона, с учетом необходимых прочностных показателей, для использования его в шахтном строительстве.

Расчетной характеристикой бетонной смеси является подвижность, оцениваемая осадкой конуса или жесткостью и назначаемая из условий механизированной укладки.

Расчетными характеристиками бетонов являются прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и т.д.

Влияние стандартных характеристик цемента и заполнителей на подвижность смесей и прочность бетона рассматривают через критерии подобия цементного теста (Х1), растворной смеси (Х2), а также коэффициенты раздвижки зерен в доменном шлаке цементным тестом (21Х) и в топливном шлаке растворной смесью (22Х).

Критерий подобия цементного теста (Х1) выражает отношение действительной концентрации воды в цементном тесте к концентрации при нормальной густоте теста.

Критерий подобия растворной смеси (Х2) выражает отношение действительной концентрации цементного теста в растворе к концентрации при осадке конуса 8 см. Отношения действительных объемных концентраций к пустотно-сти доменного или топливного шлака показывают раздвижку зерен заполнителя данного вида и зернового состава цементным тестом или растворной связкой.

Подобия бетонных смесей на различных материалах получают равенством критериев Х1, Х2 и коэффициента раздвижки 22Х, растворных смесей - равенством критериев Х1 и Х2, цементного теста - равенством критерия Х1 для теста на различных цементах.

Тождественность названных смесей достигается идентичностью объемов проб для измерения основных физических свойств (подвижность, жесткость, прочность и т.д.), относительных зерновых составов и вида заполнителей.

Расчет состава бетона пробных замесов производился для определения влияния свойств материалов на подвижность бетонной смеси при известном критерии Х1.

Расчет состава бетона с крупным заполнителем был выполнен при известных значениях критериев Х2 и 22Х, выбор которых должен быть в оптимальной области. Границы оптимальных значений критерия Х2 в подвижных смесях - 11,2.

Оптимизацию состава бетона с крупным заполнителем выполняли путем минимизации произведения Х2*22Х, что обеспечивает наибольшее насыщение смеси данным заполнителем Два состава бетонной смеси заданной подвижности получали путем постепенного насыщения растворной смеси определенного состава, например Х1=1,0 и 1,2 или 0,9 и 1,1, топливным шлаком, а затем после приведения расхода воды, цемента, топливного и доменного шлака к единице объема получали два значения произведения Х2*22Х, меньшее значение которого и соответствовало лучшему составу.

Минимальное значение параметра оптимизации Х2*22Х может быть также получено по математической зависимости подвижности, связывающим этот показатель с Х2 и 22Х, которые берутся в узких интервалах значений.

Обычный тяжелый бетон имеет объемную концентрацию крупного заполнителя 0,32-0,50 или 0,6-0,95 м3 насыпного объема, что дает интервалы 1,05> 22Х<1,4 или от 350 до 900 кг доменного шлака на 1 м3 смеси. Оптимальная область по удельному расходу цемента на единицу прочности при сжатии и растяжении при из-

гибе находится в интервале Х1=1,25-1,5 и 1,31,7, что равнозначно интервалам классов бетона В7,5-20, В15-30 и В20-35 [7-16].

Результаты

Согласно методике оптимизации состава бетона, в ходе экспериментальных исследований, были выполнены испытания бетона класса В30 в образцах 100*100*100 мм, прочность которых должна быть не ниже 38,5 МПа.

Коэффициент вариации прочности составляет 9 %, откуда 95 % доверительные интервалы индивидуальных значений прочности 31,8-45,2 МПа, средних из 6 образцов - 35,8-41,2 МПа.

Требуемая осадка конуса 8 см достигается при Х2=1,0; 22Х=1,4 и Х2=1,12; 22Х=1,13; произведение Х2*22Х в первом случае равно 1,4, во втором - 1,27. Так как 1,27<1,4, следовательно, оптимальный по расходу цемента состав будет при Х2=1,12 и г2Х=1,13.

Значение критерия Х1 находим по условию прочности и получаем Х1=1,38, отсюда водоце-ментное отношение - 0,48, а потребное количество растворной части - 530 л. Далее по известным формулам, согласно полученных данных, высчитываем расходы мелкого и крупного заполнителя, цемента и воды затворения. Расход отвального гранулированного шлака - 1250 кг. Коэффициент раздвижки зерен в мелком заполнителе 21Х=1,47, следовательно, объем цементного теста в смеси - 312 л. Расход доменного шлака составляет 570 кг, а расход цемента -385 кг. Исходя из этого расход воды затворения - 185 л. Далее в таблице представлен расход составляющих шлакобетона для 6 образцов.

Прочность контрольных образцов в МПа составила в возрасте 28 суток: 37,0; 39,4; 39,1; 38,9; 40,1; 36,6; средняя 38,6 МПа находится в заданном доверительном интервале.

Таблица 1

Влияние расхода цемента на прочность шлакобетона

Расход составляющих на 1 м3 бетона, кг Прочность, МПа

цемент доменный топливный вода

шлак шлак затворения

360 830 1040 165 37,0

385 570 1250 185 39,4

400 795 1040 165 39,1

380 830 1000 175 38,9

420 830 910 202 40,1

340 835 1080 155 36,6

Состав неоптимального бетона при Х2=1,0 и 22Х=1,4: отвальный гранулированный шлак - 910 кг; доменный шлак - 830 кг; цемент - 420 кг; вода - 202 л. Мы видим, что снижение расхода цемента в оптимальном составе бетона составляет 9,1 %.

После расчета оптимального состава шлакобетона, для определения его долговечности, были произведены исследования на водопо-

глощение, морозостойкость и сульфатостой-кость образца.

Морозостойкость изучалась на кубиках размером 100*100*100 мм, выдержанных после пропаривания в течении 28 суток по ускоренной методике, имитирующей цикличное воздействие замораживания-оттаивания. Оно основано на том, что насыщенный раствор сернокислого натрия, проникая в поры материалов, при высушивании переходит в перенасыщенный и начинает кристаллизоваться. Эти кристаллы, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор, вызывая в них напряжение растяжения. Если эти напряжения превышают предел прочности материала, то стенки его начинают разрушаться, это и вызывает разрушение всего образца, которое всегда начинается с поверхности (углы, ребра и т.д.). Полученная марка по морозостойкости -Р300, значит данный бетон пригоден для применения в шахтном строительстве. Это объясняется структурным качеством заполнителей и бетона на их основе. Можно утверждать, что морозостойкость бетонов на заполнителях из топливных и доменных шлаков на 1-2 марки выше, чем у аналогичных тяжелых бетонов.

Водопоглощение исследуемого бетона на шлаковых заполнителях составило 3,9-4,5%, то есть оно не превышает аналогичных оптимальных характеристик плотного тяжелого бетона на природных заполнителях - 4,5-5 %. Это позволяет считать, что долговечность шлакобетонов не уступает долговечности известных составов тяжелого бетона. Полученная марка по водонепроницаемости - W10, что позволяет использовать данный состав в конструкциях, подверженных действию напорных вод.

Также было выполнено исследование на сульфатостойкость шлакобетона. Образцы, выдержанные 24 часа в нормальных условиях, помещали в воду, выдерживали 14 суток, затем погружали в 5 % раствор Ыа2304, а часть испытывали для определения растяжения при раскалывании. Испытание образцов, находящихся в агрессивном растворе, проводили через 14, 70, 126 суток, определяли коэффициент стойкости (Кс). Образцы считаются выдержавшими испытание, если в возрасте 126 суток Кс более 0,8.

В ходе экспериментов, было установлено, что тяжелый бетон на шлаковых заполнителях (после испытаний в течение 126 суток) обладает достаточно высокой стойкостью к сульфатной агрессии. Снижение прочности образцов не превышало 8 %. Она связана с образованием и накоплением в бетоне малорастворимых солей гипса и гидросульфоалюмината, которые при переходе в твердую фазу расширяются и разрушают бетон. Следовательно, можно сделать вывод, что исследуемый состав бетона может быть использован в условиях сульфатной аг-

X X

о

го А

с.

X

го т

о

ю 2

М О

О)

о

CS

CS Ol

о ш m

X

3

<

m О X X

рессии, встречающейся в условиях шахтного строительства.

Литература

1. Баженов, Ю. М. Технология бетона / Ю. М. Баженов. - Москва : АСВ, 2003.

2. Бетоны. Материалы. Технологии. Оборудование. - Москва : Стройинформ; Ростов н/Д: Феникс, 2006.

3. Дворкин, Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности / Л. И. Дворкин. -Ростов н/Д : Феникс, 2007.

4. Дворкин, Л. И. Строительные материалы из промышленных отходов / И. А. Пашков. - Киев, Вищая школа, 1980. - 144 с.

5. Чаус, К. В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций / Ю. Д. Чистов, Ю. В. Лабзина. Москва : Стройиздат, 1988. - 448 с.

6. Чумаков, Л. Д. Технология заполнителей бетона (практикум): учеб. пособие для студентов вузов / Л. Д. Чумаков. - Москва : АСВ, 2006.

7. Alessandra Gianoncelli, Annalisa Zacco, Rudolf P. W. J. Struis, Laura Borgese, Laura E. Depero, Elza Bontempi. Fly Ash Pollutants, Treatment and Recycling. Pollutant Diseases, Remediation and Recycling. Environmental Chemistry for a Sustainable World Volume 4, 2013, pp. 103-213.

8. Гилязидинова Н. В. и Н. О. Таберт, М. И. Лейб. Пути повышения прочности бетона. Сборник научных трудов SWorld. Украина, 2014. - 7880 с.

9. Гилязидинова, Н. В. и А. Н. Ильин. Use the slag concrete in building underground structures and mines. Modern scientific research and their practical application, Украина, 2014. - 49-54 с.

10. Гилязидинова, Н. В. и Н. Ю. Рудковская, Т. Н. Санталова. Исследование применения монолитного бетона для шахтного строительства. Вестник КузГТУ №1, 2017. - 31-35 с.

11. Угляница, А. В. и Т. В. Хмеленко, К. Д. Солонин. Slag-alkaline concrete -efficient building material International journal of applied engineering research. - Research India Publications, Volume 9, Number 22, 2014, pp. 16837-16842.

12. Угляница, А. В. и Н. В. Гилязидинова, А. А. Жихарев, А. А. Каргин. Stady of reinforcement corrosion in expanded clay concrete. HRBS Journal, Volume 10, Issue 1. Cairo, Egipt, 2014, рр. 1687-1690.

13. Угляница, А. В. и Н. В. Гилязидинова, Н. Ю. Рудковская, Т. Н. Санталова. Analysis оf compositions оf ceramsite ash-slag-concrete for monolithic building construction. - Research India Publications, Volume 10, Number 8, 2015, pp. 19235-19246.

14. Угляница, А. В. и Н. В. Гилязидинова, Н. Ю. Рудковская, Т. Н. Санталова. The Research in

the Use of Monolithic Concrete for the Mine Construction. - The 8th Russian-Chinese Symposium Coal in the 21st Century: Mining, Processing and Safety. Kemerovo, Russia, 10-12 October 2016, рр. 62-65.

15. Угляница, А. В. и Н. В. Гилязидинова, Н. Ю. Рудковская, Т. Н. Санталова. Эффективный заполнитель для легких бетонов на основе зо-лошлаковых отходов. Материалы XII междунар. научн.-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» [Электронный ресурс]. - Кемерово : КузГТУ, 2017.

16. J. Alexandre Bogas, Rita Nogueira. Tensile strength of structural expanded clay lightweight concrete subjected to different curing conditions. KSCE Journal of Civil Engineering. September 2014, Volume 18, Issue 6, pp. 1780-1791.

Optimization of the composition of concrete for mine

constructions Gilyazidinova N.V., Rudkovskaya N.Y., Santalova T.N.

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University The aim of the work is to study the optimization of the concrete composition taking into account the properties of aggregates, concrete mix, concrete and variability of these properties. Optimization of the concrete composition consists in the choice of optimization parameter and restrictions on other parameters, the choice of materials and the calculation of the composition for trial concrete mixes, as well as finding the optimal composition. An important parameter of optimization is the minimum consumption of cement and the ratio of aggregates used. The main requirements for optimization are strength, frost resistance, water resistance, mobility or workability, taking into account pumping through the pipeline. The relevance of the work lies in the fact that currently in the mine construction is mainly used heavy concrete on natural aggregates, and in the Kuzbass region, there is a shortage of high-quality natural materials for the preparation of heavy concrete. At the same time, a large amount of annually replenished production waste - metallurgical and fuel slag, which can be used as aggregates for concrete, has accumulated on the dumps of metallurgical and energy industries of Kuzbass. Each of these materials has a number of advantages and, therefore, it is of interest to use them together to obtain effective concretes that can withstand the actions of destructive mine waters.

Keywords: concrete; mine construction; slag aggregates;

optimization; cement consumption References

1. Bazhenov, Yu. M. Concrete technology / Yu. M. Bazhenov. -

Moscow: DIA, 2003.

2. Concretes. Materials Technology. Equipment. - Moscow: Stroyinform; Rostov n / D: Phoenix, 2006.

3. Dvorkin, L. I. Building materials from industrial wastes / L. I.

Dvorkin. - Rostov n / D: Phoenix, 2007.

4. Dvorkin, L. I. Building materials from industrial waste / I. A.

Pashkov. - Kiev, Higher School, 1980. - 144 p.

5. Chaus, KV Technology of production of building materials,

products and structures / Yu. D. Chistov, Yu. V. Labzina. Moscow: stroiizdat, 1988. - 448 p.

6. Chumakov, L. D. Concrete aggregate technology (workshop):

studies. manual for university students / L. D. Chumakov. -Moscow: DIA, 2006.

7. Alessandra Gianoncelli, Annalisa Zacco, Rudolf P. W. J. Struis, Laura Borgese, Laura E. Depero, Elza Bontempi. Fly Ash Pollutants, Treatment and Recycling. Pollutant Diseases, Remediation and Recycling. Environmental

Chemistry for a Sustainable World Volume 4, 2013, pp. 103213.

8. Gilyazidinov N.V. and N.O. Tabert, M.I. Leib. Ways to increase the strength of concrete. Collection of scientific papers SWorld. Ukraine, 2014. - 78-80 p.

9. Gilyazidinova, N. V. and A. N. Il'in. Use the slag concrete in

building structures and mines. Modern scientific research and their practical application, Ukraine, 2014. - 49-54 p.

10. Gilyazidinova, N. V. and N. Yu. Rudkovskaya, T. N. Santalova. Study of the use of monolithic concrete for mining construction. Bulletin of KuzGTU №1, 2017. - 31-35 p.

11. Uglyanitsa, A. V. and T. V. Khmelenko, K. D. Solonin. Slag-alkaline concrete -efficient building material International journal of applied engineering research. - Research India Publications, Volume 9, Number 22, 2014, pp. 16837-16842.

12. Uglyanitsa, A. V. and N. V. Gilyazidinova, A. A. Zhikharev, A. A. Kargin. Stady of reinforced corrosion of expanded clay. HRBS Journal, Volume 10, Issue 1. Cairo, Egipt, 2014, pp. 1687-1690.

13. Uglyanitsa, A. V. and N. V. Gilyazidinova, N. Yu. Rudkovskaya, T. N. Santalova. Analysis of the compositions of ceramsite ash-slag-concrete for monolithic building construction. - Research India Publications, Volume 10, Number 8, 2015, pp. 19235-19246.

14. Uglyanitsa, A. V. and N. V. Gilyazidinova, N. Yu. Rudkovskaya, T. N. Santalova. Concrete for the Mine Construction. - The 8th Russian-Chinese Symposium Coal in the 21st Century: Mining, Processing and Safety. Kemerovo, Russia, 10-12 October 2016, pp. 62-65.

15. Uglyanitsa, A. V. and N. V. Gilyazidinova, N. Yu. Rudkovskaya, T. N. Santalova. Effective aggregate for lightweight concrete based on ash and slag waste. Materials XII Intern. scientific-practical. conf. "Life safety of enterprises in industrialized regions" [Electronic resource]. - Kemerovo: KuzGTU, 2017.

16. J. Alexandre Bogas, Rita Nogueira. Tensile strength KSCE Journal of Civil Engineering. September 2014, Volume 18, Issue 6, pp. 1780-1791.

X X О го А С.

X

го m

о

ю 2

М О

to