CC BY
88
УДК 691.32 : 666.97.033.16
ЛУКЬЯНЧИКОВ СЕРГЕЙ АЛЬБЕРТОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, tisi2004@yandex. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА ДЛЯ ВИБРОПРЕССОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕСТНЫХ ПЕСКОВ*
В статье приведены исследования по разработке метода проектирования составов для выпуска изделий из мелкозернистого бетона способом вибропрессования. Разработаны основы конструирования каркаса материалов из заполняющего компонента с малой межзерновой пустотностью с учетом связей на стадии формирования начальной структуры. Установлены закономерности формирования структуры песок - цементное тесто при способе уплотнения вибропрессованием, на основе которых предложен метод расчёта состава смесей с заданными характеристиками применительно к технологии формования изделий вибропрессованием. Эффективность разработанной методики доказана промышленными испытаниями на предприятиях стройиндустрии Томской области и ХМАО.
Ключевые слова: нерудное сырье; заполнители; цементное тесто; межзерновая пустотность; мелкозернистый бетон; вибропрессование.
SERGEY A. LUKYANCHIKOV, tisi2004@yandex. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
OPTIMIZATION OF FINE CONCRETE MIX FOR VIBRATION COMPACTION PRODUCTS USING LOCAL SANDS
The paper presents research into the development of concrete mix design procedure for products made of fine concrete using vibration compaction. Design principles have been developed material framing for aggregates having small void ratio allowing for bonds at the formative stage of the initial structure. Regularities for formation of the sand-hydrated cement structure using vibration compaction, which have served as a basis for the design method of mix composition having preset properties in relation to vibration compression technology. Productivity of this method has been proved by tests conducted at enterprises of construction industry in the Tomsk region and Khanty-Mansi Autonomous Area.
Key words: nonmetallic feed; aggregates; hydrated cement; intergrain voids; sand concrete; vibrocompression.
Основным по использованию в строительстве и требующим большого количества сырьевых материалов и энергии для изготовления является бетон. В настоящее время ощущается дефицит кондиционного сырья для его изго-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке по проекту Минобрнауки Российской Федерации.
© С.А. Лукьянчиков, 2013
товления. В общем объеме добываемого песка большую часть составляет доля мелких и очень мелких песков [1]. Использование очень мелких песков в бетоне ограничивается, а на применение мелких песков имеются ограничения в зависимости от требуемой прочности бетона [2, 3]. Нерудное сырье для производства заполнителя размещается по территории страны крайне неравномерно. Во многих регионах отсутствуют кондиционные мелкие заполнители, а крупного вообще нет, или запасы его ограниченны. Например, северные районы Западной и Восточной Сибири представлены только тонкозернистыми песками.
Расширение области применения бетона и железобетона предполагает эффективную работу конструкций в самых различных условиях, и в зависимости от них к бетону предъявляются специальные требования. Исходя из этого, необходимо развивать новые представления о рациональном использования компонентов и совершенствовании технологии бетона. При этом большое внимание уделяется вопросам модификации его компонентов и проектированию составов бетона.
В связи с развитием монолитного и малоэтажного строительства в Сибирском регионе появилась необходимость применить установленные закономерности к мелкозернистым бетонам для производства малогабаритных изделий.
В настоящее время известно большое количество агрегатов и технологических линий по выпуску изделий из мелкозернистого бетона, на которых для формования изделий используются способы вибрации, прессования и вибропрессования. Наиболее перспективными являются установки, работающие по принципу вибропрессования и вибрации. Решающее значение при работе этих установок имеет количество цементного теста в формовочной смеси, т. к. его недостаток не позволяет достигнуть требуемой степени уплотнения, а избыток чреват нарушением геометрии изделий и налипанием к пуансонам установки. Поэтому весьма важно установить закономерности влияния объема цементного теста на свойства мелкозернистых бетонов.
Из всех существующих способов подбора состава мелкозернистых бетонов, по нашему мнению, наиболее эффективным является расчётно-экспериментальный метод, учитывающий структурно-технологические характеристики исходных материалов.
Нами разрабатывались основы конструирования каркаса материалов из заполняющего компонента с малой межзерновой пустотностью с учетом связей на стадии формирования начальной структуры. В данной работе необходимо было установить закономерности формирования структуры песок - цементное тесто при способе уплотнения вибропрессованием. Конечной целью исследования является разработка метода расчёта состава смесей с заданными характеристиками применительно к технологии формования изделий вибропрессованием.
Для реализации поставленных задач была изготовлена установка, моделирующая процесс виброуплотнения мелкозернистой смеси. На первом этапе было исследовано поведение мелкозернистых смесей на мелких некондиционных песках при вибропрессовании для установления корреляционных свя-
зей требуемых параметров изделий со структурно-технологическими характеристиками песков, определяемых в цементном тесте.
Полученные результаты показали, что при содержании цементного теста менее 340 л расплыв конуса на встряхивающем столике не зависит от В/Ц. Это вызвано нехваткой цементного теста для заполнения межзерновых пустот (рис. 1).
60
0 180
ОК, см
16
12
220
8
4
360 400 440 480 520
Количество цементного теста, л
Рис. 1. Зависимость подвижности растворной смеси от содержания цементного теста
С увеличением содержания цементного теста и В/Ц растекаемость смеси существенно повышается, особенно при наличии между зёрнами прослойки свободной, не связанной адсорбционными силами цементно-водной суспензии. С увеличением В/Ц прочность цементно-песчаного бетона падает как у вибрированных, так и у вибропрессованных образцов. У вибрированного бетона с увеличением содержания цементного теста прочность растёт значительно, вероятно, вследствие лучшего уплотнения (рис. 2). Здесь следует отметить, что сегрегации и водоотделения при рассматриваемом количестве цементного теста не наблюдалось, что позволяет говорить об отсутствии в указанных смесях избыточного цементного теста (воды).
При большом содержании цементного теста вибропрессование бетонной смеси лишь ускоряет процесс уплотнения и не даёт преимуществ перед уплотнением простым вибрированием, но при малых количествах наблюдается значительный (до 40 %) рост прочности, что со всей очевидностью показывает преимущества вибропрессования. Экспериментально установлен рост прочности. Местоположение пика зависит от вида и крупности песка, вязкости цементного теста. При малых количествах цементного теста его не хватает для заполнения всего объема пустот песка и получения плотной структуры. Затем следует область, в которой вибропрессование наиболее рационально, т. к. все пустоты заполнены и зёрна песка склеены минимальным количеством цементного теста. При дальнейшем повышении объёма цементного теста расстояние между зёрнами песка увеличивается, что приводит к уменьшению
прочности материала (рис. 2). Это вызвано тем, что в цементно-песчаной композиции цементный камень имеет значительно меньшую прочность, чем зёрна песка.
400 350 й 300
I 250 ?
о а С
200 150
100 50
360 400 440 480 520 560
Количество цементного теста, л
Рис. 2. Зависимость прочности раствора от содержания цементного теста: о - 0,8; д - 0,6; □ - 0,9; ◊ - 0,5
Таким образом, при объёме цементного теста, превышающем межзерновую пустотность песка приблизительно на 30 % (рис. 3), т. е. при большой раздвижке зёрен в формирующейся структуре теряются преимущества способа вибропрессования по сравнению с вибрированием.
130 120 110 100 90 80 70 60
1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2
Рис. 3. Зависимость оптимального содержания цементного теста от процента заполнения объема пустот:
1 - объем пустот при виброуплотнении в воде; 2 - то же в рыхлонасыпном состоянии
Введение пластификаторов (С-3 в количестве 0,5 % от массы цемента) приводит к улучшению удобоукладываемости растворных смесей. Следует отметить, что эффект улучшения удобоукладываемости проявляется больше при оценке её по расплыву конуса. Здесь, вероятно, проявляется свойство
пластификаторов давать больший эффект при приложении вибрационных воздействий.
Введение пластификатора даёт существенный прирост прочности в жёстких смесях при вибрировании и вибропрессовании, и эффект уменьшается с увеличением содержания цементного теста. Это, вероятно, связано с тем, что в случае вибропрессования область, оптимальная для данного способа формования, смещается в сторону низких количеств цементного теста из-за уменьшения межзерновой пустотности песка. Это дает возможность получить плотную структуру материала при меньших количествах цементного теста (рис. 4).
Итак, установлено, что при уплотнении мелкозернистых смесей вибропрессованием вязкость цементного теста оказывает существенное влияние на его оптимальное содержание. На практике одинаковая вязкость цементной суспензии может быть достигнута при различных В/Ц в зависимости от значений нормальной густоты (НГ) применяемого цемента и наличия модификаторов. Поэтому при определении оптимального количества цементного теста его вязкость удобнее учитывать структурным коэффициентом
В/Ц
X = -
К
[3
о &
В
о &
н
1)
«
и £
1
Рис. 4. Зависимость прочности мелкозернистого бетона от водоцементного отношения и крупности песка:
1 - Нижнепопадейкинский песок, Мк = 2,48; 2 - Вознесенский песок, Мк = 1,95; 3 - Кудровский песок, Мк = 1,44
Очевидно, что оптимальное количество цементного теста зависит от величины межзерновой пустотности и неодинаково у песков различной круп-
ности. Значение межзерновой пустотности можно определять с виброуплотнением в воде или в сухом состоянии в разработанном нами устройстве. На основании полученных результатов по значениям наибольшей плотности смесей и прочности растворных смесей был построен график для определения оптимального количества цементного теста по степени заполнения им пустот песка (см. рис. 3). Наибольшей однородностью результатов обладает способ определения пустотности в воде с вибрацией. Следовательно, по известным значениям пустотности, определённым в воде с вибрацией или в сухом рых-лонасыпном состоянии, можно установить оптимальный объём цементного теста в мелкозернистых бетонах, уплотняемых:
„ VПП (53 +114/X)
- в воде ^о =-100-'
VПП (29 + 96/ X)
- в рыхлонасыпном состоянии РЦго =--—^-- ,
где Х - коэффициент структурной вязкости цементного теста; VцTо - оптимальное количество цементного теста, л; Vпп - объём пустот песка, л.
Промышленные испытания в ООО «Консенсус» и ООО «Завод Строй-деталь» (г. Томск), а также в ОАО «Варьюганнефтеспецстрой» (г. Ханты-Мансийск) доказали высокую эффективность разработанной методики определения необходимого количества цементного теста для формования изделий методом вибропрессования, позволяющей оперативно реагировать на изменение качественных характеристик заполнителей.
Статья опубликована по материалам конференции (Чемодановские чтения), посвященной 100-летию со дня рождения проф. Д.И. Чемоданова.
Библиографический список
1. Долгосрочная целевая программа «Развитие промышленности строительных материалов и индустриального домостроения в Томской области на период до 2020 г.» / подготовлена творческим коллективом ТГАСУ и администрации Томской области. - Томск : Изд-во Том. гос. архит-строит. ун-та, 2012. - 90 с.
2. Строительные материалы / В.Г. Микульский, Г.П. Сахаров [и др.] ; под общ. ред. В.Г. Микульского. - М. : Изд-во АСВ, 2007. - 536 с.
3. Баженов, ЮМ. Технология бетона / Ю.М. Баженов. - М. : Высш. шк., 2002. - 500 с.
References
1. Dolgosrochnaya tselevaya programma «Razvitiye promyshlennosti stroitelnykh materialov i industrialnogo domostroyeniya v Tomskoy oblasti na period do 2020 g.» [Long-term target program 'Development of construction industry and industrial housing in the Tomsk region for the period till 2020']. Podgotovlena tvorcheskim kollektivom TGASU i administratsii Tomskoy oblasti [Prepared in coop. with TSUAB and the Tomsk region administration research group]. Tomsk : Izd-vo TGASU [TSUAB Publishing House], 2012. 90 p. (rus)
2. Mikulskiy, V.G., Sakharov, G.P., et al. Stroitelnyye materialy [Construction materials] ; Ed. V.G. Mikulskiy. Moscow : Izd-vo ASV [ASV Publishing House], 2007. 536 p. (rus)
3. Bazhenov, Yu.M. Tekhnologiya betona [Concrete technology]. Moscow : Vyssh. shk. [Vyssha-ya Shkola Publishers], 2002. 500 p. (rus)
