Основы получения бетона с требуемыми свойствами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.3

А. Н. Жаканов1, П. В. Корниенко2

преподаватель, Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева, г. Астана; 2к.т.н., профессор, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар

e-mail: 456123zx@mail.ru

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ БЕТОНА С ТРЕБУЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ

В данной статье бетон рассматривается как искусственный конгломерат, в котором наблюдается тесная связь между требуемыми свойствами и структурными элементами. Рассмотрены некоторые из них. Приводятся направления регулирования этих характеристик при подборе состава бетона.

Ключевые слова: бетон, песок, щебень, прочность материала, прочности конгломерата.

ВВЕДЕНИЕ

При возведении строительных объектов, в частности, общественных зданий должны быть учтены требования соответствующих нормативных документов, которые регламентируют: условия эксплуатации конструкций, вид материала, его структуру и свойства. В настоящее время общественные здания возводятся из сборных железобетонных изделий по принципу каркасных зданий.

При этом выделяют следующие группы изделий: конструктивные, конструктивно-теплоизоляционные и теплоизоляционные Современная техника и технология производства позволяет получать различные группы изделий необходимой формы с заданными размерами и, что особенно важно, из материала с набором свойств которые обеспечивают долговечность конструкций при эксплуатации их в сооружении. Как показывает практика, долговечность конструкций, являясь обобщенным показателем свойств, зависит нетолько от внешних факторов, которые необходимо учитывать, но и внутреннего состояния материала.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В данной работе, на основе изучения закономерностей выведенных учеными в области искусственных конгломератов, рассматривается возможность проследить связь между структурными элементами и свойствами применяемых бетонов.

Раскрытию связей между свойствами и факторами, от которых зависят свойства получаемых бетонов, посвящены многие теоретические работы. Созданы научные теории прочности и пластичности материалов при однородном и сложном напряжениях с привлечением большого математического аппарата. Поэтому применимость их к бетонам, возможна с учетом наиболее полного отражения структуры материала, физических и физико-химических процессов, протекающих в материале [1, 2].

К настоящему времени наиболее детально представлена теория прочности и деформативности цементных бетонов. В ней принято исходить из осредненной

структуры и уравнений механики сплошной среды. Однако истинные связи между реальными структурами бетонов и их свойствами изучены были полно не из аналитических, а лабораторных данных.

С глубоким теоретическим анализом были получены формулы прочности цементного бетона О. П. Мчедловым-Петросяном [1].

Я^клЩа + Щ, (1)

в V в,

где к - эмпирический коэффициент, равный или (чаще) меньший единицы и определяемый отношением нормального растягивающего усилия цементного камня (когезионная прочность) к величине разрывного усилия при отрыве цементного камня от заполнителя (адгезионная прочность); а - величина, определяемая видом цемента и равная отношению средних энергий связи О-Н и Са-О, т.е. 95 : 116 = 0,818; А - экспериментально определяемый параметр.

Оригинальный и основательный подход к решению теоретической задачи о прочности бетона показан и осуществлен И. Н. Ахвердовым [2]. Им принято за исходное положение наличие обратно пропорциональной зависимости между отношением прочностей цементного камня реального и оптимального состава (Ян) и отношением соответствующих толщин водных оболочек

(2)

X

А. Е. Десов предложил формулу для расчета предела прочности при сжатии Ясж бетона, в которой учтены прочность цементного камня Яц и заполнителя

тлзап пер

раск^ прочность сцепления между ними Ксц, а также структурные напряжения

от усадки бетона (К-стр).

К = АЯз;апск + БЯ% + ВЯц + Ястр, (3)

где А, Б и В - коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.

Ниже в общем виде представлены новые данные о прочности и других свойствах различных конгломератов, объединяемых общим научным принципом исследования, анализа и обобщения, изложенные в работах И. А. Рыбьева [3].

Прочности конгломерата, куда можно отнести и бетон, целесообразно рассматривать в зависимости от его состава и структуры.

К основным структурным элементам бетона относят вяжущую, заполняющую и поровую части. Кроме того, в структуре этого материала можно выделить контактный слой, располагающийся между поверхностями вяжущей и заполняющей частей. В некоторых конгломератах могут возникать также структурные дополнительные элементы, которые в той или иной мере способны оказывать влияние на механические свойства.

Решающее влияние на прочность ряда факторов, можно записать в общем виде: Яб = (качество и количество вяжущего вещества; качество и количество заполняющей части; характер и объем поровой части; прочность контактного

слоя; технология производства и в первую очередь интенсивность перемешивания, уплотнения, режим формирования структуры).

Определяющими характеристиками качества вяжущего вещества и заполнителя при определении прочности конгломерата являются величины их прочности. В первом приближении можно предполагать, что чем прочнее вяжущее вещество и заполнитель, тем большую прочность можно ожидать у конгломерата. На этом основана маркировка многих вяжущих веществ по прочности. При маркировке заполняющей части также нередко в совокупности с другими показателями качества учитывают прочностную характеристику.

Прочность вяжущего вещества является функцией большого количества переменных факторов: Квяж =/2 (качество и количество среды; качество и количество твердой фазы; пористость; характер и параметры технологических операций -перемешивание, уплотнение, температурные режимы; метод испытания - тип прибора, размер образца и скорость деформации или приложения нагрузки и т. п.).

Качество заполняющей части характеризуется кроме прочности комплексом показателей: величиной удельной поверхности, гранулометрическим, химико-минералогическим, кристаллохимическим составами, формой зерен, состоянием поверхности (топохимией), чистотой и свежестью поверхности зерен или других видов заполнителя, пористостью, текстурой частиц и т.д.

Поровая часть, входящая в вышеуказанную общую зависимость прочности конгломерата, характеризуется сложным сочетанием пор и капилляров, различающихся по своим размерам, виду и размещению.

Контактный слой, значительно изменяющийся по составу вещества в зависимости от разновидности контактируемых компонентов, оказывает дополнительное влияние на прочность конгломерата. От специфического характера вещества контактного слоя нередко почти полностью зависят прочность и другие свойства конгломерата, особенно если прочность вяжущего вещества и качество заполняющего материала удовлетворяют необходимым требованиям. К одной из основных характеристик контактного слоя относится адгезионная прочность. Она отражает качественное состояние адсорбционно-сольватированной оболочки, характер физического и химического взаимодействия контактируемых компонентов.

Технология и параметры её основных переделов (уплотнения, термомеханической обработки и др.) также играют существенную роль в формировании первоначальной прочности конгломерата, оказывают влияние на упрочнение или разупрочнение конструкции и сооружения, в которых искусственный конгломерат использован в качестве строительного материала. В частности, особенно неблагоприятное влияние на качество изготовляемого материала и прочность готового изделия оказывает недоуплотнение изделий из конгломератной смеси.

Другие факторы - температура, характер приложения нагрузки и т.п. -дополняют многообразное влияние на прочность конгломерата.

Таким образом, анализ показывает, что прочность конгломерата является функцией огромного количества переменных величин, учесть влияние которых в их полном комплексе практически не представляется возможным в системе

уравнений, раскрывающей эту общую функциональную зависимость. Неизбежно вводимые эмпирические коэффициенты, отражающие влияние отдельных факторов, не в состоянии охватить многообразие их возможных отклонений, поэтому теоретические исследования закономерности «прочность конгломерата - факторы, от которых она зависит», проводятся в тесном контакте с экспериментальными. В получаемых зависимостях отражаются определенные интегральные значения наиболее узких и однородных групп факторов, влияющих на прочность конгломерата или характеристики его отдельных структурных элементов.

Из всех перечисленных структурных элементов вяжущая часть является наиболее ответственной за показатели качества определяемых свойств.

Вяжущая часть конгломерата. На первом этапе исследования общих закономерностей качество дисперсионной среды и качество дисперсной фазы можно принять постоянными. Если технологические условия, температуру, характер воздействия нагрузки при испытании также принять постоянными, то зависимость упростится

где Явяж - прочность вяжущего вещества, выраженная в любых показателях; П - пористость этого вяжущего; с/ф - отношение массы жидкой среды к массе твердой фазы (фазовое отношение).

Путем изготовления и испытания, образцов с соблюдением первоначальных условий, принятых постоянными (качество исходных материалов, температура, технологические операции, метод определения прочности), можно получить в системе координат Явяж - (с/ф) зависимость в виде экстремальной кривой. При соотношении фаз с*/ф, являющемся оптимальным и соответствующем полному переводу жидкой среды в пленочное состояние за счет адсорбции и сольватации ее на развитой поверхности высокодисперсной твердой фазы, прочность полученной бинарной системы становится наибольшей (Я* ), толщина пленки

* вяЖ 7

среды наименьшая и сохраняет ее непрерывность.

Путем изготовления и испытания образцов с соблюдением первоначальных условий, принятых постоянными (качество исходных материалов, температура, технологические операции, метод определения прочности)., можно получить в системе координат Явяж - (с/ф) зависимость в виде экстремальной кривой с максимумом в ее вершине (рисунок 1). При соотношении фаз с*/ф, являющемся оптимальным и соответствующем полному переводу жидкой среды в пленочное состояние за счет адсорбции и сольватации ее на развитой поверхности высокодисперсной твердой фазы, прочность полученной бинарной системы становится наибольшей (Я*вяж). В вершине пленка среды имеет наименьшую толщину, однако сохраняет свою непрерывность.

я

с*/ф с/6

Рисунок 1 - Изменение прочности К вяжущего в зависимости от фазового отношения с/ф

Левой ветви кривой соответствует прерывистость пленки (дискретность), так как количества жидкой среды, принимаемого в смесях, недостаточно, чтобы смочить всю поверхность твердых дисперсных частиц. По мере уменьшения величины с/ф возрастает степень дискретности пленки, а вместе с тем увеличивается пористость этого бинарного вещества. Очевидно, что в начале координат, когда с/ф = 0, т.е. когда жидкая среда полностью отсутствует, пористость является наибольшей, а прочность снижается до минимума, чаще сего до нуля.

Правая ветвь рассматриваемой кривой характеризует слитную структуру вяжущего вещества. По мере возрастания отношения с/ф толщина непрерывной пленки среды также увеличивается. И хотя плотность свежеизготовленных образцов остается полной, прочность вяжущего вещества снижается от R* до R.

Если изменилась характеристика исходных материалов, например дисперсность твердой фазы вяжущего, вязкость среды, или изменились технологические условия, температура, условия испытания материала и др., то соответственно изменяются величины прочности получаемых вяжущих веществ при прежних фазовых отношениях. Неизменным остается общий характер зависимости

R - (с/ф), представляющийся по-прежнему в виде кривой с одной вершиной и двумя ниспадающими от нее ветвями: левой - пористого материала и правой - плотного материала в свежеизготовленном состоянии.

Постоянный характер зависимости прочности от фазового отношения показывает, что путем изменения характеристик среды и фазы производственных способов и технологических режимов можно активно регулировать свойства вяжущего вещества, увеличивая или уменьшая его прочность при оптимальном с*/ф и других фазовых соотношениях (с/ф). Так, например, замена однократной вибрации на двукратную, применение электрогидравлического эффекта, тепловая обработка твердеющего цементного теста и т. п. связаны, как известно, с повышением активности цемента и могут значительно повлиять на увеличение прочности цементного камня и конгломерата.

При заданном производственном способе и принятых технологических режимах регулирование прочности бинарного вещества можно осуществлять изменением качества исходных материалов, введением некоторых дополнительных веществ (добавок), уплотняющих или поризующих систему, интенсифицирующих или замедляющих процессы структурообразования или вводимых в основной состав с каким-либо иным назначением [3].

Аналогичный положительный результат может быть получен по данным В. И. Калашникова [4] при модификации бетонных смесей суперпластификаторами, каменной мукой и микрокремнеземом, которые усиливают водоредуцирующее действие, объем реологической матрицы, что позволяет снизить количество воды в сравнении с водоцементной матрицей, повысить плотность и увеличить прочность бетона.

Заполняющая часть (заполнитель) конгломерата занимает наибольший объем. Обычно она представлена грубозернистым и чаще минеральным материалом.

Повышению плотности структуры, что обычно направлено на улучшение показателей свойств конгломерата, способствует комбинирование смеси заполнителей из фракционированных материалов. Наиболее эффективными способами создания плотных смесей из полизернистых материалов являются расчетно-графические с получением непрерывного или прерывистого гранулометрического состава смесей.

Для выбора непрерывного зернового состава заполнителя предлагались различные «идеальные» кривые просеивания. Поскольку нельзя получить смесь одновременно с минимальным объемом пустот и наименьшей удельной поверхностью зерен (минимизацию можно проводить только по одному фактору), идеальная кривая подбирается из условия, чтобы количество пустот в смеси и суммарная поверхность зерен требовали минимального расхода цемента для получения определенной подвижности бетонной смеси и прочности плотного бетона. При подборе соотношения зерен различных размеров по идеальной кривой получаются наиболее подвижные смеси при одном и том же расходе цемента, менее склонные к расслаиванию.

Примером подобных идеальных кривых могут служить кривые просеивания, предложенные Фуллером и Боломеем, уравнение которых имеет вид

где kф - коэффициент формы,

К = 8...14;

ф

х - размер зерен данной фракции;

Dпр - предельная крупность заполнителя.

На практике подбор состава заполнителей точно по идеальной кривой требует дополнительных операций по рассеву песка и щебня. Часть материала отдельных фракций может оказаться лишней, а для пополнения других фракций иногда требуется дополнительное дробление. Поэтому на практике подобная методика не получила распространения.

На строительных объектах или заводах сборного железобетона зерновой состав заполнителя подбирают, используя реальные песок и щебень и устанавливая такое соотношение между ними, чтобы кривая зернового состава по возможности приближалась к идеальной кривой, однако допустимы некоторые отклонения.

Большее распространение получили заполнители с непрерывным зерновым составом, хотя и имеющие несколько повышенную пустотность, но менее склонные к расслоению и чаще встречающиеся на практике.

Пустотность заполнителей колеблется от 20 до 50 %. В бетоне желательно использовать заполнители, состоящие из нескольких фракций и имеющие наименьшую пустотность.

Соотношение между песком и щебнем (гравием), при котором получается минимальная пустотность, можно ориентировочно определить, полагая, что песок полностью заполнит пустоты между зернами крупного заполнителя с учетом некоторой их раздвижки зернами песка. Тогда

П/рп Потщ{Щ/рщ)а,

(6)

где П, Щ - расходы песка и щебня; рп, рщ - соответственно плотность песка и щебня; Потщ - относительная пустотность щебня; а - коэффициент раздвижки.

Пустотность песка или щебня легко определить, зная истинную плотность материала р для пористого щебня или гравия, истинную плотность в куске рщ» и насыпную плотность р

^^ от

Р~Р Р

= 1- —; Р

(7)

На основании многих опытов, принимая а = 1,1, получим

П/Щ - I Тат р': и. (9)

Рщ

Однако смесь с минимальной пустотностью не всегда будет оптимальной в бетоне, так как при выборе правильного соотношения между песком и щебнем необходимо учитывать расходы цемента и воды. При большом расходе цемент не только заполняет пустоты в песке, но для него необходим еще дополнительный объем, который рационально выделить за счет сокращения доли песка, так как в этом случае улучшается подвижность бетонной смеси [5].

ВЫВОДЫ

Следовательно, при определении состава бетона с необходимыми показателями свойств необходимо учитывать как можно больший обьем информационных данных, а оперировать только теми степень влияния, которых выявлена достоверно на данный момент.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Мчедлов-Петросян, О. П. Химия неорганических строительных материалов. - М. : Стройиздат, 1971. - С. 308.

2 Ахвердов, И. Н. Высокопрочный бетон. - М. : Госстройиздат, 1961.

3 Рыбьев, И. А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. - М. : Высшая школа, 1978.

4 Калашников, В. И. Через рациональную реологию - в будущее бетонов // Технология бетона, 2007. - № 5.

5 Баженов, Ю. М. Технология бетона - М. : Высшая школа, 1987. - 415 с.

Материал поступил в редакцию 12.12.16.

д. Н. Жацанов1, П. В. Корниенко2 Нег1зг1 бетонды талаптарга сай алу

Ш. Н. Гумилев атындаFы Еуразия улттык университетi, Астана к.; 2С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к.

Материал 12.12.16 баспаFа тYстi.

A. N. Zhakanov1, P. V. Kornienko2

Basics of getting concrete with required properties

1L. N. Gumilyov Eurasian National University, Astana; 2S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 12.12.16.

Мацалада бетон жасанды конгломерат реттде царастырылады, мунда тар байланыс цажет ететт жэне цурылымдыц элементтер арасында бацыланады. Олардыц кейбiреулерi царастырылган. Бетон цурамын тацдау кезтде осы сипаттамалардыц багыттарын реттеу келтiрiледi.

The research considers concrete as an artificial conglomeration, which obdemonstrates a tight link between the demanded property and the structure elements. Some of them are examined in the research. It also sets the direction for the regulation of these characteristics.

УДК 669.168

А. К. Жунусов1, Л. Б. Толымбекова2, А. Г. Бакиров3, А. К. Нургалиев3, М. Н. Нургалиев3

:к.т.н., доцент, 2доктор PhD, 3магистранты, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар e-mail: :zhunusov_ab @mail.ru

АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В настоящей статье авторы описывают исследования по получению ферроалюминия из железорудных агломератов. Такой материал как железорудный агломерат может быть пригодным для плавки жаростойкого чугуна марки ЖЧЮ-22 или ферроалюминия в электрических печах.

Ключевые слова: железорудный агломерат, ферроалюминий, ферросиликоалюминий, раскисления, модифицирования.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время методы повышения качества стали основаны на рафинировании металла от вредных примесей, легировании и улучшении его структуры (модифицировании, варьировании условий кристаллизации). Для этих целей используются получившие распространение в последние годы