CC BY
45
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТОГРУНТА
PARAMETRIC MODEL OF THE DURABILITY OF THE CEMENT-
SOIL
E.H. Дмитренко, B.C. Прокопец
E.N. Dmitrenko, V.S. Prokopets
МГСУ, СибАДИ
В статье рассмотрен вариант увеличения прочностных характеристик цемен-тогрунта для получения строительного материала заданной марки на основе механо-активационного метода
In article variant of increase of durability specifications cement-soil for receipt of building material of given mark on the basis of mechanical activation method is considered
Одним из прогрессивных методов строительства и возведения эффективных строительных конструкций на уровне мировых стандартов является метод строительства на основе местных строительных материалов - грунтов - самых доступных, дешевых и имеющих повсеместное распространение. Однако как строительный материал он имеет низкую прочность, малую водо- и морозоустойчивость, что не позволяет его использовать в практике строительства.
Для исключения этого недостатка в грунты вводят различные стабилизаторы (цемент, известь, битум, полимеры и др.). Наиболее надежным и экономичным стабилизатором является цемент.
В связи с тем, что на Западно-сибирской низменности, равнинных территориях Поволжья и др. преимущественно преобладают лёссовые породы, которые сплошным покровом распространены, как правило, на поверхности земли, имея мощность от нескольких до десятков, а иногда даже и сотен метров, эти грунты и являются исходным материалом для строительства.
Благоприятные физические и химические свойства лессовидных грунтов, небольшое содержание глинистых частиц, щелочная реакция среды, небольшое количество легкорастворимых солей и их состав дают основание использовать лессовидные грунты как материал для цементогрунта
О качестве строительных материалов, изготовленных на основе грунтов, судят по их физико-механическим свойствам, которые определяются продолжительностью сроков твердения. Степень однородности материала по прочности является функцией многих параллельно протекающих процессов, которые и обуславливают образование структуры той или иной степени стабильности. К таким процессам относят: начальную степень упаковки минерального остова; адгезионно-когезионные свойства омоно-личивающих фаз; скорость отверждения вяжущего компонента. В свою очередь, каж-
4/2010 ВЕСТНИК _4/2010_МГСУ
дый из перечисленных процессов зависит от многих рецептурно-технологических факторов.
В то же время из работы [1] можно заключить, что для материалов на основе грунтов наиболее важным является начальный порядок упаковки минерального остова, т.е. характер распределения пор и микроагрегатов, площади контактов и силы сцепления между грунтовыми частицами.
Прочность R твёрдых тел в зависимости от их пористости выражается зависимостью вида[1]
R = {(П -n) , (1)
где П - пористость, а показатель степени n может колебаться от 3 до 6. Решение выражения (1) даёт математическое описание зависимости прочности R материала от размера грунтовых агрегатов в виде
R = Rod-1/m , (2)
где R0 - прочность цементогрунта из агрегатов мельче 1 мм; d - диаметр агрегатов, мм; 1/m - показатель степени, характеризующий однородность цементогрунта.
Из (2) видно, что чем меньше абсолютная величина 1/m, тем больше прочность цементогрунта, то есть прочность данного вида материалов в меньшей степени зависит от размера агрегатов, а в большей - от его однородности. Следовательно, зависимость (2) не отражает в полной мере сущности процесса формирования структуры этих материалов.
Поэтому рассмотрим прочность цементогрунта с учётом закономерностей образования структур в процессе его твердения.
Исследованиями [3] показано, что наибольшую прочность в структуре грунтов имеют агрегаты с размерностью менее 1 мм. В то же время, существование предельно малых частиц ограничено термодинамическим стремлением их к взаимному слипанию, особенно в присутствии воды и вяжущих реагентов. В этом случае агрегаты грунта сливаются вдоль поверхностей в монолит. Рассмотрим картину слияния двух агрегатов шаровидной формы.
Величина образующейся поверхности при толщине склеивающего слоя h находится по формуле
S=nh(d-h) , (3)
где d - диаметр агрегатов.
Если принять, что агрегаты грунта представляют собой шары диаметром d, то удельная поверхность грунта (см 2/г )
Svd=Nmf (4)
где N - число агрегатов в 1 г грунта, которое определяется выражением
N = 6/rndргр, (5)
здесь ргр - средняя плотность скелета грунта. Из (4) и (5) находим
d=6/Svdpzp (6)
Если ввести (6) в (5), то получим
N=S3ydp2zp/36a (7)
Примем толщину слоя, склеивающего зёрна грунта, равным толщине слоя вяжущего, равномерно распределённого по поверхности грунтовых агрегатов смеси. Тогда h = а/100рв Szp , (8)
где ре - плотность вяжущего, г/см3; а -коэффициент активности смеси из грунта и вяжущего.
В случае гексагональной упаковки, каждый агрегат грунта имеет шесть точек соприкосновения с другими агрегатами.
Тогда величина всей площади соприкосновения агрегатов в 1 г грунта составит: 8=6Мяк(а-к), (9)
5 =р2г„8уд-а/600 рв (6/ргр -а/100 р) (10)
Приргр= 1,8 г/см 3, арв= 3,1 г/см3 получим
8=0,001748уд-а(3,3-0,00328уд), (11)
или 8=Ъ18уд-а(Ъ2-Ъ38уд), (12)
где Ъ1, Ъ2 и Ъ3 - коэффициенты, приведённые в (11).
Поскольку Ъ2 почти в 1000 раз больше Ъ1, то площадь поверхности склеивающего слоя можно считать пропорциональной произведению удельной поверхности на активность:
8= Б8уд-а. (13)
С площадью склеивающего грунтовые агрегаты слоя вяжущего связана общая прочность укреплённых этим вяжущим грунтов. Тогда, разделив произведение 8^'а на фактическую прочность материала Я , получим
Ья =8уд-а/Я (14)
где Ь Я - структурный критерий прочности данного материала, который зависит, с одной стороны, от удельной поверхности грунтового заполнителя 8ус), а с другой - от ряда технологических факторов Тф.. Тогда
ЬЯ =/(ГФ) (15)
здесь Тф = /(К„, Р, гус и др.), (16)
где Кп Р , 1ус - соответственно факторы качества перемешивания, уплотнения и условий твердения.
Фактор Кп, согласно технологии получения грунтобетонной смеси, проявляет себя в начале технологического процесса, а остальные - в конце. С учётом этого выражение (15) можно переписать в виде
Ья=Ск8уд +М (17)
Приравняв (15) и (17), получим
Я=8уд-а/(Ск8уд+М) , (18)
где СЯ - коэффициент вариации, характеризующий однородность по прочности получаемого материала; М - коэффициент, характеризующий степень агрегированно-сти склеивающей прослойки на уровне мезо- и микроструктуры материала после уплотнения и последующего твердения смеси.
Из выражения (18) следует, что основная роль в формировании качества материала принадлежит величине дисперсности грунтового заполнителя 8Уд. Параметры СЯ и М также должны иметь определённую зависимость от 8ус) . Согласно данным многих исследователей, рост дисперсности грунта вначале способствует росту прочности материала, а затем, после определённого уровня дисперсности, качество материала резко идёт на убыль по причинам: а) недостаточности для увеличившейся поверхности введённого количества вяжущего; б) возросшей в несколько раз трудности равномерного распределения минерального вяжущего в объёме грунтового заполнителя.
Несмотря на то, что выражение (18) имеет недостаток в плане раскрытости функциональных зависимостей СЯ~ 8Уд и М ~ 8ус), всё же, в первом приближении, сделаем попытку определения необходимого уровня дисперсности грунта для получения материала марки 60.
Для выполнения расчётов уравнение (18) относительно 8 представим в виде 8 = М/(а/Я-Сд) . (19)
4/2010 ВЕСТНИК _4/2010_МГСУ
Согласно работе [2]
Х=2,67/С2, (20)
где х~ число контактов на единицу площади, см-2; С - диаметр агрегата, см. Если принять, что агрегаты грунта имеют в основном шаровидную форму, то аг-регированность склеивающей прослойки в этом случае равна
М=6/сС2. (21)
Выразив из (27) С и подставив (27) в (28), получим
М = 7(36^/2,67) (22)
Применив из [2] среднее значение (для лессовых грунтов) %= 120000 см -2 , получим М=1270 см-1 .
Для дальнейших расчётов по (19) значения остальных величин примем следующие: прочность при сжатии материала - 6,0 МПа; марка цемента - 40,0 МПа; количество цемента в смеси - 10% (из расчетов); степень однородности материала по прочности - 33 %.
В результате подстановки в (19) принятых значений получим
1270 / [(40 • 0,10)/6,0 - 0,33] = 3772,27см -1 .
При плотности материала, равном 1,85 г / см3 , 5 = 2039,069см2 / г.
Таким образом, для получения материала марки 60 необходимо, чтобы дисперсность грунтового заполнителя была в пределах 2000 см2/г, что возможно только при предварительном измельчении грунта в мельницах.
Для этих целей, с учётом колоссальных объёмов работ по измельчению, рекомендуется использовать малогабаритные, но высокопроизводительные аппараты, какими являются дезинтеграторы [4].
Измельчённый в дезинтеграторе грунт способствует значительному увеличению прочности получаемого материала. При этом обращает на себя внимание то, что закономерности роста прочности и однородности по прочности от многократного пропуска грунта через дезинтегратор и, соответственно, удельных энергозатрат иуд носят ярко выраженный экстремальный характер, где максимальное значение прочности -10 МПа.
Грунты, являясь сложными силикатами, более чувствительны к воздействию кратковременных ударных нагрузок. В этом случае происходит такая перестройка структуры, которая позволяет даже при введении небольших доз вяжущего интенсифицировать на основе алюмосиликатов грунта синтез водо-нерастворимых соединений, что, в конечном итоге, значительно увеличивает прочность материала [6].
В то же время следует отметить, что изменение удельной поверхности грунта в процессе измельчения имеет затухающий характер. Это объясняется тем, что энергетически насыщенные частицы грунта в определённый момент начинают образовывать вторичные агрегаты. Совпадение максимума прочности и однородности по прочности цементогрунта указывает на существование материала с максимальной прочностью при минимальной степени однородности.
Как следует из результатов испытаний, достижение удельных энергозатрат при измельчении в дезинтеграторе порядка 19,8 кВтч/т, позволяет добиться повышения прочности грунтобетона с содержанием 10...12 % цемента до уровня прочности материала, содержащего в смеси не менее 24 % цемента.
Все приведенные данные позволяют сделать вывод, что одним из самых перспек-
тивных направлений в поисках путей увеличения прочности и устойчивости к внешним факторам цементогрунтов являются методы механической активации. Экспериментальные исследования измельчения грунта в дезинтеграторе показали, что изменение прочности цементогрунта с 10 % цемента демонстрирует экстремальный характер, с максимумом при удельных энергозатратах измельчения 19,8 кВт ч/т, что аналогично составу контрольной грунтоцементной смеси, содержащей 24% цемента.
Литература
1. Сычёв М.М. Способы повышения активности цемента // Цемент.- 1987.-№ 6. - С. 21-23.
2. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. - М.: Машиностроение , 2005. -288 с.
3. Осипов В.И., Соколов, В.Н., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород /Под ред. Академика Е.М. Сергеева. - М.: Недра, 1989. 211 е.: ил.
4. Развитие исследований в области механохимии неорганических веществ в СССР / В.В. Болдырев // Механохимический синтез в неорганической химии. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1991.
5. Соломатов В.И., Тахиров М.К., Тахер Шах Мд. Интенсивная технология бетонов: Совм. изд. СССР - Бангладеш. - М.: Стройиздат, 1989.
6. Болдырев В.В. О кинетических факторах, определяющих специфику механохимиче-ских процессов в неорганических системах. - Кинетика и катализ, 1992, т. 13, вып. 6. - С. 14111421.
The literature
1. Sychev M.M. Sposoby of increase of activity of cement// Cement. - 1987. № 6. - P. 21-23.
2. Zhukovsky S.S. Durability of a casting mold. - M: Mechanical engineering, 2005.-288 P.
3. Osipov V. I, Sokolov, Century H, Rumjantseva N.A. Microstructure of clay breeds / under the editorship of Academician E.M.Sergeeva. - M: Bowels, 1989. 211 P.
4. Development of researches in area mehanohimic inorganic substances in the USSR / V.V.Boldyrev//Mehanohimichesky synthesis in inorganic chemistry. - Novosibirsk: the Science. Sib. Branch, 1991.
5. Solomatov V. I, Tahirov M. K, Taher Shah Md. Intensive technology of concrete: The USSR -Bangladesh. - M: Stroyizdat, 1989.
6. Boldyirev V.V. About the kinetic factors defining specificity mehanohimichesky of processes in inorganic systems. - Kinetika and a catalysis, 1998, т. 13, вып. 6. - p. 1411-1421.
Ключевые слова: лессовые грунты, цементогрунт, прочность, дисперсность, дезинтегратор, механоактивация, активность смеси, марка материала
Keywords: loessial soil, cement-soil, durability, dispersion, dezintegrator, mechanical activation, activity of a mix, material mark
E-mail aemopa: dmitrenkoelena@mail.ru
Рецензент: Папакин Игорь Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы» Сибирской автомобильно-дорожной академии
