Предложения по расчетному определению прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов

Холодняк Михаил Геннадиевич; Стельмах Сергей Анатольевич; Щербань Евгений Михайлович; Третьяков Дмитрий Александрович; Дао Владислав Нгиаевич; Заикин Вячеслав Игоревич

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №6, Том 10 / 2018, No 6, Vol 10 https://esj.today/issue-6-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/66SAVN618.pdf Статья поступила в редакцию 04.12.2018; опубликована 31.01.2019 Ссылка для цитирования этой статьи:

Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Третьяков Д.А., Дао В.Н., Заикин В.И. Предложения по расчетному определению прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки, 2018 №6, https://esj.today/PDF/66SAVN618.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Kholodnyak M.G., Stel'makh S.A., Shcherban' E.M., Tret'yakov D.A., Dao V.N., Zaikin V.I. (2018). Proposals for the design determination of the strength characteristics of vibrated, centrifuged and vibrocentrifUged concrete. The Eurasian Scientific Journal, [online] 6(10). Available at: https://esj.today/PDF/66SAVN618.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Холодняк Михаил Геннадиевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Инженер

E-mail: [email protected]

Стельмах Сергей Анатольевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов»

Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]

Щербань Евгений Михайлович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Третьяков Дмитрий Александрович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Дао Владислав Нгиаевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Заикин Вячеслав Игоревич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Предложения по расчетному определению прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов

Аннотация. Авторами проведены широкомасштабные исследования и установлено изменение характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов в зависимости от различных факторов. Для возможности практического применения полученных вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов и строительных конструкций из них выработан алгоритм расчетного определения их прочностных характеристик. В статье даны теоретические предложения по расчетному определению прочность на осевое сжатие и прочности на осевое растяжение в зависимости от рецептурно-технологических факторов для возраста 28 суток. Изменение характеристик предложено учитывать с помощью регрессионных зависимостей, вид и значения коэффициентов которых определяется методами математического планирования эксперимента. С помощью программы «Mathcad» получены уравнения регрессии в виде полиномов второй степени.

Полученные регрессионные формулы предлагается применять для расчетного определения прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов, а также получаемых из них строительных конструкций.

Ключевые слова: бетон; вибрирование; центрифугирование;

виброцентрифугирование; прочность на осевое сжатие; прочность на осевое растяжение; время уплотнения; водоцементное отношение

Вид технологии уплотнения бетонной смеси оказывает существенное влияние на характеристики получаемых бетонов. Особый интерес представляют такие технологии, как вибрирование, центрифугирование и виброцентрифугирование.

Для получения качественного бетона должны быть изучены условия формирования его структуры: подвижность бетонной смеси, усилия уплотнения при формовании и условия, при которых происходит вызревание бетона. Под действием центробежных сил во время центрифугирования бетонной смеси зерна заполнителей перемещаются в сторону наружной поверхности сечения стенки сердечника, образуя жесткий каркас, склеенный цементным тестом. На внутреннюю поверхность сечения в процессе центрифугирования отжимаются излишки цементного теста, в результате чего здесь образуется слой раствора с очень большим содержанием цемента. Во время центрифугирования зерна заполнителя образуют жесткий скелет внешнего слоя сердечника трубы. Когда движение зерен заполнителя прекращается, цементное тесто между ними уже не обжимается, происходит сепарация бетонной смеси, характеризующаяся малым содержанием цемента во внешнем слое сердечника и значительной влажностью. Это происходит в том случае, когда тонкость помола цемента недостаточна и крупные частицы цемента гидратируют слабо, в результате чего цементное тесто не обладает достаточной вязкостью. Такое влажное невязкое цементное тесто, не способное склеить зерна заполнителя, способствует оплыванию или обвалу основного бетонного слоя при центрифугировании. Хорошее уплотнение бетонной смеси достигается при увеличении расхода цемента и уменьшении водоцементного отношения (В/Ц). Однако практика показала, что для достижения требуемого уплотнения смеси увеличение начального содержания в ней цемента еще недостаточно. В большинстве случаев бетонная смесь при центрифугировании

подвергается значительной сепарации. Количество цемента в жестком слое бетона находится в прямой пропорции от его первоначального расхода и в обратной от В/Ц.

Одно из основных требований, предъявляемых к цементному тесту при центрифугировании, - нормальная вязкость, достигаемая применением цемента соответствующего минералогического состава с высокой тонкостью помола. Для того чтобы обеспечить постоянство показателей подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси, гарантирующих стабильность качества изделий, необходимо использовать цемент определенной марки одного завода, определенные фракции песка и щебня с постоянным зерновым составом, подобрать оптимальные водоцементные отношения [1-5].

В лаборатории Донского государственного технического университета проводились масштабные исследования, в результате которых выявлено изменение прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов в зависимости от различных факторов [6-25].

Для возможности практического применения полученных в лабораторных условиях вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов и строительных конструкций, получаемых из них впоследствии, необходим алгоритм расчетного определения их прочностных характеристик.

Были разработаны предложения по расчетному определению таких характеристик бетонов, как прочность на осевое сжатие и прочность на осевое растяжение в зависимости от рецептурно-технологических факторов. Изменение данных прочностных характеристик предложено учитывать при помощи регрессионных зависимостей, определяя методами математического планирования эксперимента вид и значения коэффициентов.

За функции примем прочность на осевое сжатие и прочность на осевое растяжение, за аргументы - рецептурно-технологические факторы (время уплотнения, водоцементное отношение).

Примем для выполнения расчетов метод математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к) [26].

Факторы варьирования, их значения и физический смысл представлены в таблице 1.

За функции откликов Yl (X], X2) и Y2 (XI, XI) приняты следующие характеристики соответственно: прочность на осевое сжатие и прочность на осевое растяжение, в МПа.

Таблица 1

Значение факторов варьирования ПФЭ 2к

№ Код Физический смысл фактора Ед. Интервал Уровни фактора

п/п фактора измерения варьирования -1 0 +1

1 X: время уплотнения мин. ±4 4 8 12

2 Х2 водоцементное отношение В/Ц долях ±0,1 0,37 0,47 0,56

Составлено авторами

Затем, методом наименьших квадратов получены базовые уравнения регрессии, представленные в виде полиномов второй степени:

у(х1,х2)=Бо+Б1^х1+Б2^х2+Бз^х1^х2+Б4^х2+Б5^х2

По трем критериям - однородность дисперсий, значимость коэффициентов и адекватность, проверяемая по критерию Фишера - осуществлен статистический анализ полученных уравнений регрессии [27].

План эксперимента и результаты параметров оптимизации всех трех видов бетонов приведены в таблицах 2-4.

Таблица 2

Вибрированные опытные образцы

№ Кодирование переменных Натуральные значения Значения параметров оптимизации

Х1 Х2 Х1 Х2 Y1 Y2

1 -1 -1 4 0,37 39,0 4,3

2 -1 0 4 0,47 44,9 4,66

3 -1 +1 4 0,56 42,5 4,83

4 0 -1 8 0,37 40,6 4,53

5 0 0 8 0,47 47,4 4,6

6 0 +1 8 0,56 41,36 5,1

7 +1 -1 12 0,37 40,83 4,6

8 +1 0 12 0,47 45,3 4,43

9 +1 +1 12 0,56 39,2 4,8

Составлено авторами

Таблица 3

Центрифугированные опытные образцы

№ Кодирование переменных Натуральные значения Значения параметров оптимизации

Х1 Х2 Х1 Х2 Y1 Y2

1 -1 -1 4 0,37 46,06 4,66

2 -1 0 4 0,47 44,96 5,06

3 -1 +1 4 0,56 42,16 5,33

4 0 -1 8 0,37 47,9 4,9

5 0 0 8 0,47 47,2 5,0

6 0 +1 8 0,56 43,03 5,1

7 +1 -1 12 0,37 48,16 5,06

8 +1 0 12 0,47 47,7 5,0

9 +1 +1 12 0,56 45,6 5,2

Составлено авторами

Таблица 4

Виброцентрифугированные опытные образцы

№ Кодирование переменных Натуральные значения Значения параметров оптимизации

Х1 Х2 Х1 Х2 Y1 Y2

1 -1 -1 4 0,37 47,4 5,5

2 -1 0 4 0,47 46,3 5,77

3 -1 +1 4 0,56 44,23 5,9

4 0 -1 8 0,37 48,93 5,67

5 0 0 8 0,47 48,0 5,8

6 0 +1 8 0,56 45,1 6,1

7 +1 -1 12 0,37 50,5 5,63

8 +1 0 12 0,47 48,1 5,8

9 +1 +1 12 0,56 46,93 6,1

Составлено авторами

По результатам экспериментов определены: критерий Фишера ( Е ); дисперсия ( ); среднеквадратическое отклонение ( ^о ) и среднеквадратическая ошибка в определении коэффициентов ( ^ ). Данные критерии представлены в таблицах 5-7.

Таблица 5

Вибрированные опытные образцы

Наименование выходного параметра уравнения Статистические критерии

F D 2 D0 S 0 Z

Y1 Прочность на осевое сжатие, МПа 2,7 1,721 1,312 2,275

Y2 Прочность на осевое растяжение, МПа 1,74 0,034 0,185 0,321

Составлено авторами

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 6

Центрифугированные опытные образцы

Наименование выходного параметра уравнения Статистические критерии

F D 2 D0 S 0 z

Ys Прочность на осевое сжатие, МПа 0,935 1,78 1,334 2,314

Y9 Прочность на осевое растяжение, МПа 2,67 0,021 0,146 0,253

Составлено авторами

Таблица 7

Виброцентрифугированные опытные образцы

Наименование выходного параметра уравнения Статистические критерии

F D 2 D0 S 0 z

Y15 Прочность на осевое сжатие, МПа 0,923 1,08 1,04 1,803

Y16 Прочность на осевое растяжение, МПа 0,307 0,026 0,16 0,277

Составлено авторами

По расчетному значению критерия Стьюдента (1) установлена значимость коэффициентов уравнений. Полученные коэффициенты приведены в таблицах 8-10.

Таблица 8

Вибрированные опытные образцы

Наименование выходного параметра уравнения Коэффициенты уравнений

B0 B1 B2 B3 B4 B5

Y1 Прочность на осевое сжатие, МПа 46,67 0,189 0,253 -1,14 -4,747 -1,117

Y2 Прочность на осевое растяжение, МПа 4,852 0,047 0,215 -0,178 -0,024 0,025

Составлено авторами

Таблица 9

Центрифугированные опытные образцы

Наименование выходного параметра уравнения Коэффициенты уравнений

B0 B1 B2 B3 B4 B5

Y8 Прочность на осевое сжатие, МПа 46,8 1,425 -1,92 -0,283 -1,038 -0,158

Y9 Прочность на осевое растяжение, МПа 4,98 0,075 0,146 0,056 0,085 -0,125

Составлено авторами

Таблица 10

Виброцентрифугированные опытные образцы

Наименование выходного параметра уравнения Коэффициенты уравнений

B0 B1 B2 B3 B4 B5

Y15 Прочность на осевое сжатие, МПа 47,53 1,285 -1,77 -0,1 -0,256 -0,054

Y16 Прочность на осевое растяжение, МПа 5,837 0,051 0,22 -0,072 0,013 0,029

Составлено авторами

Статистическая обработка данных выполнялась с помощью программы «Mathcad», что позволило получить уравнения регрессии в виде полиномов второй степени:

вибрированный

Y(XbX2)=46,67+0,18^Xr0,253^X2-1,13^XfX2-4,75^x2-1,1*X

Y(X1,X2)=4,85+0,047^X1+0,215VX2-0,178^X1VX2-0,024^X2+0,025^X2

(1) (2)

центрифугированный

Y(xbx2)=46,8+1,425^xr1,92x2-0,28xrx2-1,038^x2-0,158x|

Y(X1,X2)=4,985+0,075^X1+0,14frX2-0,05frXfX2+0,085^x2-0,125^x2

(3)

(4)

виброцентрифугированный

Y(X1,X2)=47,533+1,285Xr1,77X2-0,bXrX2-0,256B4x2-0,054^X

Y(x1,x2)=5,837+0,05bx1+0,222x2-0,072^xrx2+0,0134x2+0,029x2

(5)

(6)

Графическая интерпретация математических зависимостей представлена на рисунках

1-6.

Рисунок 1. Зависимость прочности на осевое сжатие вибрированного изделия от времени уплотнения (х\) и водоцементного отношения (хз) (составлено авторами)

\ /

.8 \ __ / /

\ У 4.9 x /

7 \ 4.8 / /

^ / 4.7 / / ^ 4.6

//

Рисунок 2. Зависимость прочности на осевое растяжение вибрированного изделия от времени уплотнения ^) и водоцементного отношения (\2) (составлено авторами)

Рисунок 3. Зависимость прочности на осевое сжатие центрифугированного изделия от времени уплотнения (х\) и водоцементного отношения (хз) (составлено авторами)

Рисунок 4. Зависимость прочности на осевое растяжение центрифугированного изделия от времени уплотнения (х\) и водоцементного отношения (хз) (составлено авторами)

Рисунок 5. Зависимость прочности на осевое сжатие виброцентрифугированного изделия от времени уплотнения 1) и водоцементного отношения (\2) (составлено авторами)

Рисунок 6. Зависимость прочности на осевое растяжение виброцентрифугированного изделия от времени уплотнения и водоцементного отношения (\2) (составлено авторами)

Полученные регрессионные формулы предлагается применять для расчетного определения прочностных характеристик вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов, а также получаемых из них строительных конструкций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Овсянкин В.И. Железобетонные трубы для напорных водоводов (3-е издание). -М.: Стройиздат, 1971 г. 320 с.

2. Батаев Д.К.-С., Сайдумов М.С., Муртазаева Т.С-А., Имагамаева Б.Б. Перспективы использования модифицированных высококачественных бетонов в современном строительстве / Современные строительные материалы, технологии и конструкции. Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова». ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова, 2015, С. 485-492.

3. Бычков М.В., Удодов С.А. Деформационные свойства легкого конструкционного самоуплотняющегося бетона / Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки, 2013, № 2 (29), С. 71-75.

4. Саламанова М.Ш., Исмаилова З.Х., Бисултанов Р.Г., Арцаева М.С. Влияние композиционного вяжущего на формирование физико-механических и эксплуатационных свойств фибробетона / Эффективные строительные композиты. Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук Баженова Ю.М. БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015, С. 592-598.

5. Корянова Ю.И., Несветаев Г.В. Влияние условий твердения бетона с двухстадийным расширением на деформативно-прочностные показатели // Науковедение. Том 7, № 5(30), 2015 URL: naukovedenie.ru/PDF/129TVN515.pdf.

6. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Галкин Ю.В. Влияние технологических факторов на свойства неавтоклавного

7.

8.

9.

10.

11. 12.

13.

14.

15.

16. 17.

газобетона // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2 URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4125.

Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Стельмах С.А. Изучение опыта регулирования свойств строительных изделий и конструкций путем направленного формирования их вариатропной структуры // Инженерный вестник Дона, 2017, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/N3y2017/4313.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор видов волокон для дисперсного армирования изделий из центрифугированного бетона // Науковедение, 2017, № 4 URL: naukovedenie.ru/PDF/71TVN417.pdf.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор состава центрифугированного бетона на тяжелых заполнителях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017, №10. С. 52-57.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Исследование различных типов центрифуг и режимов уплотнения бетонных смесей для изготовления образцов кольцевого сечения // Вестник СевКавГТИ, 2017, Вып. №3 (30). С. 134-137.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Совершенствование режимов формования центрифугированных бетонных изделий кольцеобразного сечения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4832.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Оптимизация параметров центрифугированных изделий кольцевого сечения на стадии уплотнения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5123.

Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П., Яновская А.В., Осадченко С.А. Механические свойства виброцентрифугированных бетонов с комбинированным заполнителем и волокнистой добавкой // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5047.

Нажуев М.П., Яновская А.В., Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Осадченко С.А. Анализ зарубежного опыта развития технологии виброцентрифугированных строительных конструкций и изделий из бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj.today/PDF/58SAVN318.pdf.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций // Вестник Евразийской науки, 2018, №3 URL: esj .today/PDF/63 SAVN318.pdf.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Рекомендации по учету вариатропии при расчете, проектировании и изготовлении центрифугированных конструкций из тяжелого бетона // Вестник Евразийской науки, 2018, №4 URL: esj.today/PDF/07SAVN418.pdf.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Халюшев А.К. Влияние технологии производства на структурообразование и свойства бетона виброцентрифугированных колонн // Строительство и архитектура (2017), Том 5, Выпуск 4 (17). С. 224-228.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

25.

26.

27.

Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Маилян Л.Р., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Изучение характера механизма дрейфа компонентов бетонной смеси при производстве центрифугированных колонн вариатропной структуры на примере физической модели движения заполнителей // Строительство и архитектура (2017), Том 5, Выпуск 4 (17). С. 229-233.

Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Оптимизация технологических параметров для изготовления центрифугированных бетонных образцов кольцевого сечения // Строительство и архитектура (2018), Том 6, Выпуск 1 (18). С. 247-252.

Anatoliy Shuisky, Sergey Stelmakh, Evgeniy Shcherban and Elena Torlina Recipe-technological aspects of improving the properties of non-autoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences. ICMTMTE, 2017, Vol. 129 URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2017/43/matecconf_icmtmte2017_05011.pdf.

Alexander Halyushev, Mikhail Holodnyak, and Muhuma Nazhuyev Effect of caustic soda on the intensity of gassing in the production of non-autoclaved aerated concrete // MATEC Web of Conferences. ICMTMTE, 2017, Vol. 129 URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2017/43/matecconf_icmtmte2017_05012.pdf.

Стельмах С.А., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Тароян А.Г., Чебураков С.В. Сравнение влияния армирования фибровыми волокнами различных видов на свойства центрифугированных и вибрированных изделий из тяжелого бетона класса В20 // Инженерный вестник Дона, 2018, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5212.

Стельмах С.А., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Тароян А.Г., Яновская А.В. Сравнение влияния армирования фибровыми волокнами различных видов на свойства центрифугированных и вибрированных изделий из тяжелого бетона класса В35 // Инженерный вестник Дона, 2018, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5213.

Стельмах С.А., Щербань Е.М., Насевич А.С., Нажуев М.П., Тароян А.Г., Яновская А.В. Сравнение влияния армирования фибровыми волокнами различных видов на свойства центрифугированных и вибрированных изделий из тяжелого бетона класса В50 // Вестник Евразийской науки, 2018, №5 URL: esj .today/PDF/29SAVN518.pdf.

Щербань Е.М., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Рымова Е.М., Лиев Р.А. Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов // Вестник Евразийской науки, 2018, №5 URL: esj.today/PDF/51SAVN518.pdf.

Халюшев А.К. Оптимизация композиционных цементов с минеральными добавками на основе отходов промышленности / Халюшев А.К., Зайченко Н.М., Поливцев С.С. // Ресурсоекономш матерiали, конструкцп, будiвлi та споруди: зб. наук. праць, Рiвне. - 2008. Вип. 16. С. 103-110.

Шуйский А.И., Халюшев А.К., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Оптимизация составов вяжущих композиций на основе доменного шлака и суперпластификатора, активированных щелочью // Научное обозрение, № 16,

2016. С. 22-28.

Kholodnyak Mikhail Gennadievich