CC BY
54
УДК 666.972.16
Н. А. НЖ1ФОРОВА, А. Ф. МАСЛЯеВ (ДПТ)
ОПТИМ1ЗАЦ1Я СКЛАДУ, СТРУКТУРИ, ВЛАСТИВОСТЕЙ БЕТОННО1 СУМ1Ш1 ТА КОНСТРУКЦ1ЙНОГО КЕРАМЗИТО-БЕТОНУ
У статп розглянуто взаемний вплив пружних та мщшсних властивостей розчинних складових керамзи-тобетону на його фiзико-механiчнi характеристики.
В статье рассмотрено взаимное влияние упругих и прочностных свойств растворных составляющих ке-рамзитобетона на его физико-механические характеристики.
In the article the aspects of mutual influence of the resilience and cohesion characteristics of the concrete mortar ingredients on its physical and mechanical properties are considered.
Актуальним в наш час е виршення проблем екологп, економши, конкурентоспроможносп продукци, яю тюно пов'язаш з питаннями ене-ргозбереження. Термiчний опiр iснуючих в Украш огороджувальних конструкцiй майже у три рази нижчий, а показники питомо! витрати енерги на опалення житла е вищими у порiв-няннi з европейськими кра!нами. Пщвищення термiчного опору огороджувальних конструк-цш як нових, так i юнуючих споруд можливе за рахунок використання легких бетонiв. За при-значенням легю бетони подiляють на констру-кцiйнi та теплоiзоляцiйнi. 1з рiзновидiв легкого бетону найбiльше застосовують керамзитобе-тон. Вiдомо, що при зростанш середньо! густи-ни мiцнiсть керамзитобетону також зростае. Тобто мiцнiсть керамзитобетону порiвняльна з мiцнiстю важкого бетону. Це дае можливють за необхщносп замiняти вироби з важкого бетону виробами з керамзитобетону. Таю технолопчш ршення особливо сприятливi для тдприемств, якi випускають i керамзит, i вироби збiрного залiзобетону. Перед заводською технологiею залiзобетону стае питання оптимiзацi! структу-ри i удосконалення методiв виготовлення виро-бiв iз конструкцшного керамзитобетону.
Мiцнiсть легкого бетону залежить вiд акти-вностi в'яжучого, мщшсних i деформацiйних характеристик цементного каменя i заповнюва-чiв, концентрацп !х в об'емi матерiалу, якостi контактно! зони, вщ форми, характеру поверхш i розмiрiв частинок заповнювачiв [1 - 4].
Проведет дослщження за визначенням мщшсних i пружних характеристик розчину i керамзитобетону (рис. 1, 2).
Аналiз взаемозв'язку мiж мiцнiсними i пру-жними властивостями розчинно! частини бето-
ну й самого бетону, показав, що у розчину модуль пружносп залежить вщ того, яка складова в ньому переважае. При сшввщношеннях цементу до тску вщ 1:1 до 1:6 модуль пружносп не мшяеться i складае 10-103 МПа. При сшввщ-ношенш 3:1 модуль розчину знижуеться до 5-103 МПа. Мiцнiсть розчину збiльшуеться iз збiльшенням кiлькостi в ньому цементу. При сшввщношенш Ц:П бiльше 1:5 прирют мщнос-тi розчину складае 0,8.. .1,0 МПа.
^^ ^____1
"---'
---^^
-»-Ц:П=1:6 -«-Ц:П=1:5 -*-Ц:П=1:4 -»-Ц:П=1:3
ОбЧмна концентрацiя керамзиту Vk, %
Рис. 1. Залежшсть мiцностi бетону вiд об'емно! концентрацп керамзиту
1 : 6 1 : 5 1 : 4 1 : 3 1 : 2 1 : 1 2 : 1 3 : 1 Ц : "
Рис. 2. Залежшсть мщносл розчинно! складово! вщ спiввiдношення витрати цементу до шску
© Нтфорова Н. А., Масляев А. Ф., 2010
16
14
к 12
0
100
25
, 15
0
У бетош при збшьшенш вмiсту крупного заповнювача збiльшення спiввiдношення мiж витратою цементу i пiску пiдвищуe модуль пружносп бетону.
Модуль пружностi бетону в значнш мiрi за-лежить вщ заповнення мiжзернових порожнеч шску цементним тiстом. При повному запов-неннi мiжзернових порожнеч (Ц:П складае б> льше 1:3) модуль пружносп керамзитобетону зростае в 1,5 рази.
Мщнють керамзитобетону визначаеться м> цнютю розчинно! складово!, яка залежить вщ способу ущiльнення, кiлькостi i марки цементу. Рацюнальш значення мiцностi розчинно! складово! отримаш при сшввщношенш Ц:П вiд 1:3 до 1:2.
Таким чином, марку керамзитобетону при однаковому ступеш ущшьнення можливо тд-вищити з 200 до 250 за рахунок збшьшення ак-тивносп цементу або шляхом пiдвищення мщ-ностi керамзиту в 4 рази.
Для тдтвердження теоретичних i практич-них уявлень про мiцнiсть легких бетошв запро-поновано безлiч формул, як можна роздiлити на три групи.
Перша група - формули, в яких мщнють легкого бетону залежить вщ мщносп властиво-стей компоненпв i !х вiдносного вмюту (формула Ю. Е. Корниловича):
Я = Яр (1 -ф) + ЯкФ,
(1)
де Яр - мiцнiсть складово! розчину; Як - мщ-
нiсть крупного пористого заповнювача (керамзиту); ф - об'емна концентращя крупного заповнювача.
Друга група формул пов'язуе мщнють бетону з деформацшними властивостями компонента (формула А. I. Ваганова):
Я = Еб ' 8о = _' Еб •8
(2)
де Еб - модуль деформаци бетону у момент руйнування; 8с - гранична стисливють заповнювача; 8р - гранична розтяжшсть заповнювача; ц - коефщент Пуассона.
Третя група формул враховуе мщнють ком-понентiв, !х об'емний вмiст i деформацiйнi вла-стивостi (формула Б. Г. Скрамтаева):
( г. Л
Кб = Яр •
1-
V Ер -1,
•Ф
(3)
де Ез i Ер - вщповщно, модулi пружностi заповнювача i розчину.
1стотний вплив мщносп пористого заповнювача - керамзиту - приводить до меншого вщносного впливу на мiцнiсть легкого бетону таких чинниюв як В/Ц i активнiсть цементу.
В цiлях економного використання цементу мшмальна мiцнiсть керамзитового гравда повинна складати 0,1 вщ необхiдно!' мiцностi бетону Оптимальну мiцнiсть керамзитового гравда призначають в межах (0,1...0,16) Яб. За-вищення мiцностi керамзиту приведе до збшь-шення об'емно! маси керамзитобетону, внасл> док чого буде втрачена його головна перевага перед звичайним важким бетоном. На мщнють бетону впливае спiввiдношення модулiв пружносп керамзиту i розчинно! частини. Його оп-тимальне значення 0,9.
Напружено-деформацшний стан бетону i залежшсть його змiни вiд пружних властивос-тей, об'емно! концентрацi! i складових дозволяе прогнозувати оптимальну структуру i його вла-стивостi. Розв'язувалося завдання вивчення за допомогою методу кшцевих елементiв напру-жено-деформацiйного стану бетону. При цьому розглянуто двi двокомпонентш системи в еди-нiй модель Перша з двокомпонентних систем в моделi - це керамзит (включення) i розчин (ма-триця), а друга - дрiбний заповнювач у вигщщ пiщинки (включення) i цементний камшь (мат-риця). Такi складш системи дозволяють визна-чати вплив на напружено-деформацшний стан як пружних властивостей складових, таких як керамзит, розчин, тсок, цементний камшь, так i взаемний вплив !х залежно вщ розташування, концентрацi! складових i контактних зон крупного i дрiбного заповнювачiв з цементним ка-менем.
Вибрано три варiанти моделей. Кожна модель мютить чотири гранули керамзиту i чоти-ри або вюм пiщинок. Частина контактно! зони гранул керамзиту i пiщинок мае оболонку (пль вку) з цементного каменя. Решта частини моде-лi зайнята розчином. Оскiльки моделi в^^зня-ються кшьюстю i розташуванням пiщинок, то це дозволяе вардавати об'емну концентращю керамзиту i товщину плiвки цементного каменя. У вшх трьох варiантах пiщинки розташованi пiд гранулою керамзиту щодо навантаження, що дае можливють вивчати зону усерединi мо-делi, включаючи спотворення, можливi у кра!в. При цьому розглядаеться i найбiльш небезпеч-на зона з погляду максимальних розтягуючих напруг.
Варiйованими факторами були модуль пружносп керамзиту Ек, модуль пружносп цементного каменя Ецк, об'емна концентращя керамзиту Ук, товщина плiвки цементного каменя в
зон1 наименшо1 в1дстан1 м1ж зернами заповню-вача 5. Об'емна концентращя виражена у ви-гляд1 вщсташ м1ж зернами керамзиту Ь. Об'емна концентращя керамзиту \ вщстань м1ж зернами обернено пропорцшш. Фактори, що вивчаються, вар1ювалися кожен на трьох р1в-нях. Товщину пл1вки цементного каменя зм1-нювали в оптимальнш област вщ 0,05 мм до 0,1 мм. Об'емна концентращя керамзиту на максимальному р1вш Ук = 1000 л/м3.
Прийнят постшними { р1вними модул1 пру-жност розчину Ер = 1-104 МПа 1 тску
Еп = 8 • 104 МПа. Як величина, що оптим1зуеть-ся, вибраний коефщент концентраци розтягу-ючих напруг, найбшьш небезпечних для бетону.
Модел1 розбит на кшцев1 трикутш елемен-ти. Оскшьки концентращя напруг очшуеться на меж роздшу фаз, тобто в контактнш зош матриц { включення, в цих зонах було прийняте детальне розбиття на др1бш елементи. Детально вивчався напружено-деформацшний стан в об-ласт модел1, де видшеш пщинки, пл1вка цементного каменя навколо них { гранули керамзиту. Анал1з виконаний по максимальних коефь щентах концентраци розтягуючих напруг для друго1 двокомпонентно1 системи, що виника-ють в пл1вщ цементного каменя б1ля зерна шску.
Виконаний статистичний анал1з 1 одержана залежшсть максимального коефщента концентраци розтягуючих напруг пу вщ модуля пру-
жност керамзиту Ек, модуля пружност цементного каменя Ецк, товщини птвки цементного каменя 5 { об'емно1 концентраци керамзиту Ук у вигляд1 полшома другого ступеня.
У вивчених межах вардавання фактор1в найсильшше на напружено-деформацшний стан бетону робить вплив об'емна концентращя керамзиту. При збшьшенш його концентраци вщ Ь = 0,2 см 1 Ук = 760 л/м3 до Ь = 0,0 см 1 Ук = 1000 л/м3 коеф1щент концентраци напруг знижуеться вщ 1,4 до 0,3, тобто приблизно в 5 раз1в.
Друге мюце по сил1 впливу займае модуль пружносп керамзиту. Найсильн1ше знижуеться коефщент концентраци при збшьшенш модуля
пружност1 Ек вщ 0,5 •Ю3 до 2,75 •Ю3 МПа.
До особливостей легкобетонних сумшей, як вщомо, вщносять швидку розшаровашсть при додатку до них в1брацшно1 ди. При вщроб1тку ново!, низькочастотно! технологи формування бетонних сумшей, необхщно встановити меж
параметр1в в1браци залежно вщ легкоукладаль-ност бетонно1 сумш1, при яких сумш не роз-шаровуеться.
У якост характеристик легкоукладальносп прийнят осщання конуса 1 в1бров'язюсть. Для визначення принципу вщповщносп в систем1 «режим-склад» з метою встановлення меж в1б-рацшно1 ди, при яких сумш в процес формування не розшаровуеться, проводили натурний експеримент. У ньому легкоукладальшсть ва-рдавалася витратою цементного тюта при по-стшному водоцементному вщношенш. Режим формування приймався низькочастотний з частотою 15 Гц, симетричний. Експеримент виконаний за планом 23, тобто мав три змшних чин-ника на трьох р1внях. Меж1 вар1ювання в кодо-вих { натуральних значеннях змшних представ-леш в табл. 1.
Таблиця 1
Межi вармовання чинникiв експерименту
Коди р1вн1в Натуральн1 значения чинник1в
витрата цементу кг/м3 приско-рення Л(х2) час формування г(х3), с
Нижнш (-I) 250 1,5 10
Середн1й (0) 300 2,5 40
Верхн1й (+!) 350 3,5 70
Для кожно1 порци керамзитобетонно1 сум1-ш1 вщповщно до плану експерименту визнача-лася 11 удобоукладальшсть стандартним конусом. Пот1м зам1рялася в1бров'язюсть сумш1 для кожного запланованого вар1анту складу I режиму.
Наявшсть розшарування { його величину встановлювали при формуванш бетонно1 сум1-ш1 в текстол1товш форм1 з розм1рами 15 х 15 х х 30 см. При цьому через кожш дв1 години шс-ля формування по заданому режиму б1чну стш-ку форми видаляли, вщкриту поверхню вщфо-рмованого бетону промивали водою до оголен-ня гранул керамзиту. Зам1ряли загальну висоту шару бетону И { товщину шару розчину, що ос1в у дна АН .
Як показник розшарування (величини, що оптим1зуеться) використовували вщношення
АН . Прийнятий вщл1к наявност1 розшарування И
АН
при — = 0,02 1 бшьш, оскшьки до ще1 меж1 в1н И
не змшюе м1цн1сть керамзитобетону.
Виконана статистична обробка результат1в { одержаний пол1ном другого ступеня:
'АН
У
= 0,047 - 0,015х1 + 0,026х2
+ 0,026х3 + 0,011x2 - 0,09х1 х2 -
- 0,009х1 х3 - 0,27х22 + 0,019х2х3 - 0,015х32.
Середньоквадратичне вiдхилення експери-ментальних результатiв вщ теоретичних скла-дае 5" = 0,0064, кореляцшне вщношення -0,802.
На пiдставi одержаного полшома побудова-но двi залежносп. 1з залежностi вiбров'язкостi вiд прискорення вiбращ! (рис. 3) видно, що для вiбрацiйного розрiдження рухомих i особливо литих сумiшей прискорення вщ 2 до 5 е достат-нiм.
275
-1 (1,5)
0 (2,5)
1 (3,5)
клад призначення режиму показаний для бе-тонно! сумiшi з ОК = 6 см. Сумш можна фор-мувати режимом, який дозволяе одержати вiб-ров'язюсть п = 40 Па • с на протязi не бiльше 45 с або п = 50 Па • с на протязi не бшьше 55 с.
Рис. 3. Залежнють в1бров'язкост1 вщ прискорення в1брацп
Друга залежнiсть е номограмою вщповщно-стi в системi «режим - склад» для отримання вщформованого бетону, що не розшаровуеться (рис. 4).
Кривi номограми вiдповiдають визначенш вiбров'язкостi керамзитобетонно! сумiшi, яка залежить як вiд складу, так i вiд режиму вiбра-цшно! ди. Номограма мае загальний характер за показником вiбров'язкостi, i нею можна ко-ристуватися у межах величини вiбров'язкостi, одержано! при будь-яких поеднаннях складу сумiшi i прискорення вiбрацiйно! ди. На номо-грамi видшено режими, якi не розшаровують i розшаровують керамзитобетонну сумiш. При-
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
Час вiброущiльнення ^ с
Рис. 4. Номограма вщповщносп в систем! «режим - склад» для отримання керамзитобетону, що не розшаровуеться
Таким чином, при низькочастотних i шших режимах вiбрацiйно! ди, вiдмiнних вiд стандар-тних, здатшсть до формування керамзитобетонно! сумiшi доцiльно оцiнювати за величиною !! вiбров'язкостi, яка е комплексною характеристикою, що вщображае режим вiбрацi! i склад бетону. Залежно вiд вiбров'язкостi необ-хiдно обмежувати час формування з тим, щоб не допускати розшарування. З одержаних в ре-зультап дослщжень даних виходить, що при формуванш малорухливих сумiшей (ОК = = 1...3 см; п = 40...50 Па • с) час формування не повинен перевищувати 60...70 с; при формуванш рухомих сумшей (ОК = 3...15 см; П = 40...100 Па • с ) - 10...60 с.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Дворкин, Л. И. Основы бетоноведения [Текст] / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. - СПб.: ООО «Стройбетон», 2006. - 692 с.
2. Ребиндер, П. А. Поверхностно-активные вещества [Текст] / П. А. Ребиндер. - М.: Знание, 1961. - 46 с.
3. Ершов, Л. Д. Высокопрочные и быстротверде-ющие цементы [Текст] / Л. Д. Ершов. - Изд-во «Буд!вельник», 1975. - 161 с.
4. Бизов, В. Ф. Вдарил прнич роботи. Том XIII [Текст] : тдр. для студ. ВНЗ за напрямком «Прництво» / В. Ф. Бизов, А. Ю. Дриженко. -Кривий Рк-: Мшерал, 2004. - 341 с.
Надшшла до редколегп 10.03.2010. Прийнята до друку 12.03.2010.
12,0
8,0
2,0
0,0
