CC BY
26УДК 693.547.14
В.Г. СОЛОВЬЕВ, канд. техн. наук, А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук, М.С. ЕЛСУФЬЕВА, инженер
Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)
Особенности производства сталефибробетонных изделий и конструкций
Представлены результаты исследований по оптимизации тепловлажностной обработки сталефибробетонных изделий. Экспериментально определены фактические коэффициенты теплопроводности сталефибробетона, которые составили 0,8-3,6 Вт/(м°С) при различных коэффициентах объемного армирования и геометрическом факторе стальной фибры. Выявлены механизмы распределения тепловых потоков и численные значения температурных градиентов, возникающих в сталефибробетонах различных составов при тепловлажностной обработке. Установлена зависимость снижения прочности при сжатии сталефибробетона в возрасте 28 сут от температурного градиента, возникающего по сечению композита при тепловлажностной обработке. Определено, что деструктивные процессы, приводящие к снижению прочности, возникают в сталефибробетоне при значениях температурного градиента более 0,6 оС/см. На основании установленных зависимостей разработаны рекомендации по определению оптимальных режимов тепловлажностной обработки изделий из сталефибробетонов при разработке технологии изготовления массивных монолитных и специальных конструкций из сталефибробетона, твердеющих в естественных условиях.
Ключевые слова: сталефибробетон, тепловлажностная обработка, коэффициент теплопроводности, температурный градиент.
V.G. SOLOVYEV, Candidate of Technical Sciences, A.F. BURYANOV, Doctor of Technical Sciences, M.S. YELSUFYEVA, Еngineer Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation)
Features of production of steel-fiber-concrete products and structures
Results of the research in optimization of steam treatment of steel-fiber-concrete products are presented. The actual heat conductivity coefficients of steel-fiber concrete, which are 0.8-3.6 W/(m.oC) at different coefficients of three-dimensional reinforcement and the geometrical factor of steel fiber, are experimentally determined. Mechanisms of the distribution of thermal flows and the numerical values of temperature gradients arising in steel-fiber concretes of different compositions in the process of heat and moisture treatment are revealed. The dependence of reducing the compressive strength of steel-fiber concrete under the age of 28 days on the temperature gradient arising along the section of the composite under the steam treatment. It is established that the destructive processes, which lead to the strength reduction, occur in steel-fiber concrete when the temperature gradient is over 0.6 oC/cm. On the basis of the established dependencies, recommendations for defining optimal modes of heat and humidity treatment of steel-fiber-concrete products when developing the manufacturing technology of massive monolithic and special structures made of steel-fiber concrete and hardening under natural conditions have been developed.
Keywords: steel-fiber concrete, heat and humidity treatment, heat conductivity coefficient, temperature gradient.
Роль дисперсно-армированных композиционных материалов, а том числе бетонов, возрастает с каждым годом. Данная тенденция характеризуется появлением новых видов фибры, большого количества работ по изучению и внедрению композиционной арматуры, изготавливаемой из стеклянных, базальтовых и других волокон. При этом традиционный композиционный материал сталефибробетон еще не исчерпал возможности, как совершенствования технологии производства, так и изучения физико-механических, теплотехнических и эксплуатационных свойств. Развитие нормативной базы в области проектирования и изготовления стале-фибробетонных изделий и конструкций создает благоприятные условия для более интенсивного внедрения данного композита в строительной отрасли [1].
Очевидным эффектом, возникающим при введении стальных волокон в бетонную матрицу является
Теплотехнические
существенное изменение его теплофизических свойств, обусловленной различной природой смешиваемых материалов. Анализ теплотехнических свойств сталефибробетона, а также его исходных компонентов — мелкозернистого бетона и стали, полученных расчетным методом, приведен в табл. 1 [2]. Данные табл. 1 показывают, что коэффициент теплопроводности стале-фибробетона по сравнению с обычным мелкозернистым бетоном, в зависимости от коэффициента дисперсного армирования %), увеличивается от 1,5 до 4,4 раз. При этом удельная теплоемкость сталефибро-бетона изменяется незначительно, а теплоусвоение увеличивается в 2,3 раза.
Однако расчетные данные, приведенные в табл. 1, не в полной мере соответствуют реальным теплотехническим свойствам сталефибробетона, так как при их определении принималось упрощение, что бесконечно ма-
Таблица 1
ютва сталефибробетона
——^^ Свойства Материал —— Плотность, р0, кг/м3 Удельная теплоемкость, с0, кДж/ (кг°С) Коэффициент теплопроводности Х0, Вт/(м.оС) Теплоусвоение s, Вт/(м2.оС)
Мелкозернистый бетон 1800 0,84 0,76 9,6
Сталь 7850 0,48 58 126,5
Сталефибробетон, ц=0,5% 1830 0,84 1,05 11,9
Сталефибробетон, ц=2,5% 1950 0,83 2,19 17,6
Сталефибробетон, ц=4,5% 2070 0,82 3,34 22,4
18
научно-технический и производственный журнал
март 2014
jVJ ®
Х,Вт/(м°С)
Состав сталефибробетона Режим ТВО
Ц:П В/Ц Ц,% Предварительная выдержка, ч Подъем температуры, ч
0,5 не менее 2 2,5
0,3 2,5 2-4 2,5
4,5 3-5 2
0,5 не менее 3 2,5
1:1 0,4 2,5 3-6 2,5
4,5 3-6 2
0,5 не менее 4 2,5
0,5 2,5 4-7 2,5
4,5 4-7 2
0,5 не менее 2 3
0,3 2,5 2-6 2,5
4,5 3-6 2
0,5 не менее 3 3
1:2 0,4 2,5 3-6 2,5
4,5 3-6 2
0,5 не менее 4 3
0,5 2,5 4-7 2,5
4,5 4-7 2
0,5 не менее 2 3,5
0,3 2,5 2-6 2,5
4,5 3-6 2
0,5 не менее 3 3,5
1:3 0,4 2,5 3-7 2,5
4,5 3-7 2
0,5 не менее 4 3,5
0,5 2,5 4-8 2,5
4,5 4-8 2
0,8
0,4
5=
^ 0
о
0,4
■Л
СО 0,8
га
1,2
1,6
_
3
- \
i i i Á1 iiiiii
0,5
1,5
2 2,5 3 Время ТВО, ч
3,5
4,5 5
0 1 2 3 4 5 6
Коэффициент армирования, ц, %
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности сталефибробе-тона от коэффициента армирования и размеров фибры: 1-3 -значения коэффициента теплопроводности сталефибробетонов, армированных стальной фиброй длиной 60 мм и диаметром 0,6; 0,75; 0,9 мм
Таблица 2
Оптимальные режимы ТВО сталефибробетонов
0,8
0,4
^ 0
о
0,4
■Л
СО 0,8
га
1,2
1,6
_
3
- V
1 ..... i i lililí
0,5
1,5
2 2,5 3 Время ТВО, ч
3,5
4,5 5
2 2,5 3 Время ТВО, ч
Рис. 2. Градиент температуры по сечению образцов сталефибробето-на, подвергаемых тепловой обработке: а - при скорости подъема температуры 30 оС/ч; б - то же при 25 оС/ч; в - то же при 20 оС/ч; 1 - коэффициент армирования 0,5%; 2 - то же 2,5%; 3 - то же 4,5%.
лые частицы металла равномерно распределены по всему объему сталефибробетона.
В действительности металлическая фибра в матрице мелкзернистого бетона формирует участки с различными теплотехническими свойствами, по которым происходит распределение тепловых потоков в случае возникновении температурного градиента. Для определения значений фактического коэффициента теплопроводности сталефибробетона в зависимости от коэффициента армирования и размеров фибры были проведены испытания, результаты которых приведены на рис. 1. Установлено, что при коэффициенте армирования до 2,5% для любого размера фибры коэффициент теплопроводности сталефибробетона меньше расчетного, а при коэффициенте армирования более 3% превышает расчетные значения. Превышение теоретического коэффициента теплопроводности сталефибробетона вызвано уменьшением межфибрового пространства и образованием в композите каналов повышенной теплопроводности, которые представляют собой отдельные стальные фибры, соприкасающиеся или очень близко расположенные между собой, и пронизывающие весь объем материала.
Значение коэффициента армирования для каждого вида фибры, при котором коэффициент теплопроводности превышает теоретическое значение, указывает на то, что распределение теплового потока при данных значениях в первую очередь будет происходить по сетке дисперсного армирования. Данный эффект способствует более интенсивному перераспределению теплового потока в композите и позволяет в минимальные сроки достигать равномерной температуры при возникновении температурного градиента по его сечению. Важность
а
4
3
2
4
0
б
0
4
в
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® март 2014 19~
данного факта трудно переоценить, так как именно температурные градиенты, возникающие в монолитных бетонных конструкциях в процессе твердения, являются в большинстве случаев причиной трещинообразования. Напряженное состояние в твердеющем бетоне в большей степени определяется функцией скорости распределения температуры по сечению бетонной конструкции, при увеличении которой термическое напряжение в бетоне снижается. Применение дисперсного армирования в монолитных бетонных конструкцияхприведет к значительному снижению термического напряжения, возникающего из-за температурного градиента, который снижается при увеличении коэффициента теплопроводности.
В настоящее время проведены обширные научно-исследовательские работы по проектированию и изготовлению пролетных плит, перемычек, оболочек, тюбингов, дорожных плит из сталефибробетона [3, 4, 5]. Однако вопрос оптимизации технологии производства изделий из сталефибробетона с учетом его отличительных теплофизических свойств до сих пор не изучен в достаточной степени. Относительно полно исследована технология электропрогрева монолитных сталефибро-бетонных конструкций [6].
Особую актуальность приобретают теплофизические свойства сталефибробетона при изготовлении сборных изделий. Очевидно, что повышенный коэффициент теплопроводности сталефибробетона позволяет ускорить время подъема и снижения температуры при его тепло-влажностной обработке (ТВО), тем самым увеличивая оборачиваемость форм и производительность предприятия в целом. Однако до настоящего времени оптимальные режимы ТВО не были установлены.
Для определения оптимальной скорости подъема температуры при ТВО сталефибробетона были проведены испытания, в которых определялись температурный градиент, возникающий в образце при его обработке, и прочность при сжатии в возрасте 28 сут при различных режимах. Время изотермической выдержки во всех испытания составляло от 5 до 8 ч, что позволяло получать прочность при сжатии после ТВО в пределах 60—70% от прочности в возрасте 28 сут. В проведенных исследованиях использовался мелкозернистый бетон с цементно-песчаным отношением 1:1, 1:2, 1:3 и коэффициентом армирования от 0,5 до 4,5%. В качестве дисперсного армирования использовалась стальная фибра Dramix диаметром 0,6 мм и длиной 60 мм. На рис. 2 приведены результаты по определению температурного градиента в образцах сталефибробетона размером 150x150x150 мм в первые 5 ч ТВО.
На рис. 3 показаны результаты испытаний на прочность при сжатии образцов сталефибробетона в возрасте 28 сут.
Анализируя полученные результаты по величине прочности при сжатии сталефибробетона в возрасте 28 сут в зависимости от скорости подъема температуры, а также принимая во внимание результаты значений градиентов температуры, можно установить общую зависимость относительной потери прочности при сжатии сталефибробетона от градиента температуры по его сечению при ТВО. Потерю относительной прочности в зависимости от скорости подъема температуры при ТВО предлагается определять по следующей формуле:
АЯ
(1)
где Rt — прочность сталефибробетона при сжатии, по сечению которого при тепловлажностной обработке возник градиент температуры, равный grad X оС/см, МПа; — прочность сталефибробетона при сжатии,
50
40
30
20
б 75
70
I
к 65
60
25 ^ оС/ч
30
20
25 ^ оС/ч
30
Рис. 3. Прочность при сжатии сталефибробетона в зависимости от скорости подъема температуры при ТВО: а - при цементно-песчаном отношении 1:3; б - то же при 1:1; 1 - коэффициент армирования - 0,5%; 2 - то же 2,5%; 3 - то же 4,5%
10
1 1,2 grad оС/см
Рис. 4. Относительные потери прочности при сжатии сталефибробетона, возникающие от градиента температуры по его сечению при тепло-влажностной обработке
по сечению которого при тепловлажностной обработке возник градиент температуры 0,6 оС/см, МПа.
Для сравннения было взято значение прочности при сжатии сталефибробетона, в сечении которого создался градиент температуры в 0,6 оС/см. Очевидно, что при данном градиенте потеря прочности незначительна и составляет менее 1%.
На рис. 4 приведена зависимость относительной потери прочности при сжатии сталефибробетона от градиента температуры по его сечению при прогреве, определенная по формуле (1), на основании результатов, полученных в ходе исследований.
Полученная зависимость позволяет назначать скорость подъема температуры при тепловлажностной обработке для сталефибробетонов с любым составом цементно-песчаной матрицы и коэффициентом армирования.
В заводских условиях использование установленной зависимости, приведенной на рис. 4, затруднительно, так как для определения градиента температуры по сечению образца требуются высокоточные измерительные приборы. В упрощенном виде оптимальную скорость подъема температуры при тепловлаж-ностной обработке сталефибробетонов можно принимать по данным, приведенным в табл. 2, в которой определены скорости подъема температуры при те-пловлажностной обработке сталефибробетонов различных составов исходя из условия, что градиент температуры по сечению не превышает 1 оС/см. В табл. 2
а
3
2
5
0
научно-технический и производственный журнал 20 март 2014 Ы *
также приведены рекомендуемые режимы выдержки сталефибробетона перед ТВО в зависимости от состава. Данные значения получены экспериментально и обусловлены особенностями структурообразования сталефибробетонов при ТВО.
Приведенные рекомендации по тепловлажностной обработке сталефибробетонных изделий также могут быть приняты за основу при разработке технологии из-
готовления массивных монолитных и специальных железобетонных конструкций. При повышенных требованиях к качеству железобетонных конструкций введение стальной фибры в бетон будет технологически и экономически оправданно, так как позволит значительно снизить термические напряжения в конструкциях и достигнуть требуемого качества в более широких температурных интервалах.
Список литературы
References
4.
5.
Волков В.И. Нормативное обеспечение индустриаль- 1. ного применения сталефибробетона в строительстве // Вестник гражданских инженеров. 2007. № 4. С. 45—49. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. 2. М.: Наука, 1964. 488 с.
Ивлев М.А., Струговец И.Б., Недосеко И.В. Сталефибробетон в производстве перемычек жилых 3. и гражданских зданий // Известия КГАСУ. 2010. № 2 (14). С. 223-228.
Талантова К.В., Михеев Н.М., Трошкин А.Н. Практика 4. создания конструкций на основе сталефибробетона с заданными эксплуатационными характеристиками // Известия вузов. Строительство. 2011. № 10. С. 112-118. Латыпов Н. Н., Струговец И.Б., Бабков В.В., Недо- 5. секо И.В. Фибробетон в производстве дорожных плит // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 50-52. Головнев С.Г., Евсеев Б.А., Коваль С.Б., Молодцов М.В. 6. и др. Особенности электротермообработки монолитных конструкций из сталефибробетона / Южно-Ур. гос. ун-т, 1998. / Деп. в ВИНИТИ 15.04.98 № 1151 - В 98.
Volkov V.I. Regulatory support for industrial use in construction steel fiber concrete. Vestnik grajdanskikh inge-nerov. 2007, No. 4, pp. 45-49 (In Russian). Carslaw G. Teploprovodnost' tverdykh tel [Heat conduction of solids]. Moscow, Nauka, 1964, 488 p. (In Russian).
Ivlev M. A. The steel fiber concrete production jumpers residential and civil buildings. Izveystiya KGASU. 2010, No. 2(14), pp. 223-228 (In Russian). Talantova K.V. Practice creation of designs based on steel fiber reinforced concrete with specified performance parameters. Izveystiya vuzov. Stroitelstvo. 2011. No. 10, pp. 112-118 (In Russian).
Latypov N.N. Steel fiber concrete in the production of road plates. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2009, No. 11, pp. 50-52 (In Russian). Golovnev S.G., Yevseyev B.A. Koval S.B. Molodtcov M.V. Features electrothermal monolithic constructions of steel fiber concrete. Dep. VINITI. 1998, No. 1151, 8 p. (In Russian)
1
б.
rj научно-технический и производственный журнал
M ® март 2014 21
