CC BY
20Чернышева Н. В., канд. техн. наук, доц., Хархардин А. Н., д-р техн. наук, проф., Эльян Исса Жамал Исса, аспирант, Дребезгова М. Ю., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
РАСЧЕТ И ПОДБОР ВЫСОКОПЛОТНОГО ЗЕРНОВОГО СОСТАВА ЗАПОЛНИТЕЛЯ И БЕТОНА НА ГИПСОВОМ КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ
naukavs@mail.ru
В настоящее время большой интерес представляют материалы на основе композиционных гипсовых вяжущих. При этом особое внимание уделяется модификации таких вяжущих тонкодисперсными наполнителями.
В работе были исследованы свойства композиционных гипсовых вяжущих в зависимости от вида вводимой активной минеральной добавки, полученной из характерных сырьевых материалов стран Ближнего Востока. Установлено, что наибольшими прочностными характеристиками обладают вяжущие с использованием бетонного лома по сравнении с составами на кварцевом песке и цеолитовом туфе.
Ключевые слова: композиционные гипсовые вяжущие, бетонный лом, цеолитовый туф, активная минеральная добавк_
Прибрежные европейские и азиатские зоны представляют интерес использования их для Средиземного моря имеют богатейшие залежи строительства в качестве заполнителя и напол-плотного известняка. Плотный известняк (р = нителя в тяжелых бетонах на гипсовом компо-2700 кг/м3) относится к карбонатным породам, зиционном вяжущем для ускоренного строи-имеет достаточную прочность (Исж= 60-80 МПа) тельства малоэтажных зданий, в том числе в и может быть использован для получения пиле- районах сейсмического и конфликтного разру-ных строительных изделий: блоков, камней и шения [1,2]. Исходные данные для расчета и его кирпичей. Некондиционная часть его перера- результаты приведены в табл.1. ботки в изделия - отходы дробления и отсев
Таблица 1
Исходные данные и результаты расчета высокоплотных зерновых составов смеси известнякового заполнителя и наполнителя
Размер зерен,мм Плотн. Зерновой состав
№ фр Класс т=3 Класс т=6
Расчет Ситовой упаковки зерен, Пп содерж содерж плотн. содеж содерж плотн.
подбор масс. масс., упаков масс. масс., упаков
ч доли ки, оп ч доли ки, оп
1 20-10 20-10 0,59 100 0,425 0,59 100 0,510 0,59
2 8,6-4,3 10-5 0,64 43(433) 0,183 0,624 - - -
3 3,7-1,9 5-2,5 0,56 48(47) 0,183 0,679 39 0,200 0,689
4 1,6-0,8 1,25-0,63 0,52 47(27) 0,125 0,737 - - -
5 0,7-0,35 0,63-0,31 0,53 42(15) 0,064 0,796 33 0,162 0,798
6 0,3-0,15 0,31-0,14 0,54 39(7) 0,03 0,850 24 0,122 0,873
7 0,13- 0,07 <0,14 0,56 - - - - - -
*В скобках приведены расходы, рассчитанные по В расчетах предусматривается подбор такого высокоплотного состава твердой фазы, который обеспечил бы образование жесткого каркаса из зерен крупного заполнителя в бетоне и вовлечение его в работу при сжатии изделий и конструкций. Этому условию соответствует до-статочноесодержание мелких фракций, прежде всего наименьшая величина коэффициента раздвижки (разъединения) зерен частицами каждой очередной вводимой в состав смеси мелкой фракции - Р„=1, а коэффициент раздвижки зерен в смеси вяжущим должен обеспечивать достаточную подвижность бетонной смеси.
рмуле (1)
В расчетах использовали методику, изложенную в работе [3], где принимают наиболее крупную фракцию зерен из имеющегося сырья и содержание ее в проектируемой смеси 100 массовых частей. Количество второй и каждой последующей фракции (в масс.ч.) вычисляют по формуле с учетом минимального расхода мелких фракций:
а„=(1 0„_;)( П„/о„-; )Р„ЕГ=1С£ (1) где оп-1 _ плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из (п-1) фракций, так при п=2, о1= Пь Цп - плотность упаковки частиц в каждой очередной фракции. рп=1 _ для умеренно подвижных
зернистых смесей; р„=( оп-1/^п) т-п, где т=1,2,3 для умеренно жестких смесей; Рп=оп-1/^п - для подвижных полидисперсных смесей.
При р2=1 и р2= (а„_1/Пп)2 п соответственно получим:
G2=(f0,59)(0,64/0,59)Л00=43 мас.ч. и G2=(f0,59)(0,64/0,59).( 0,59/0,64)2-2100=43 мас.ч.
Плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из (п-1) фракций при введении в нее очередной мелкой фракции вычисляют по формуле:
о„= о„-1+(1- о„-1) -Х„/р„(2) Р'„= 1.1,01; 1,015; 1,02 - для всех значений т.Хп- степень (полнота) заполнения свободного объема в смеси, состоящей из (п-1) фракций, при введении в нее каждой очередной фракции -берут из (табл. 2) в зависимости от принятого класса тсистемы и распределения зерен в проектируемом составе полидисперсной смеси относительного размера dn /d1 второй фракции класса т.
Величины Х^ассчитывают по числу бимодальных упаковок (связей) в смеси согласно схеме распределения зерен (частиц) по размерам.
Показатель тв выражении длярп=(пп)т-п, позволяет регулировать количество промежуточных фракций по массе.
Класс системы распределения зерен в смеси тподбирают наиболее приемлемым для условий подвижности зернистой и бетонной смеси и имеющихся в наличии фракций заполнителя и наполнителя из закономерности общего вида:
¿ПМ1=(0,2549/П1)ЧП-1)/3 (3)
Так, для случайной упаковки зерен крупной фракции т=3, распределение в ней пустот и пор, заполняемых частицами соответствующих размеров будет следующим:
dn/dl=(0,2549/ 0,59)(п-1)=1;0,432; 0,187;
0,081;0,0035; 0,015; 0,0065..
Принимая размер наиболее крупной фрак-
ции 20-10 мм, а dlср =15 мм, получим: 4=(20-10) . (1;0,432; 0,187; 0,081; 0,035; 0,015; 0,0065...) = 20...10; ,64...4,32; 3,74.1,87; 1,62.0,81; 0,7.0,35; 0,3.0,15; 0,13.0,065 мм.
Расчет заканчивают тогда, когда dn>0,14
мм.
В данном случае смесь будет состоять из 6-ти фракций. Из этого распределения можно выделить классы т=6;т=9; т=12.
Так для классат=6имеем: dn=20.10 мм; 3,74.1,87 мм; 0,7.0,35 мм. Смесь будет состоять из 3-х фракций, а при т=9 - из 2-х.3-х фракций :
ёп=20.10 мм; 1,62.0,81; 0,13.0,65 мм. Плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из крупной фракции40...10 мм и второй фракции с размером зерен 10.5 мм класса т=6 будет, согласно (2), равно:
02= П1+(1- П1) . Б 22. П2 =0,59+0,41. 0,36" 0,64 =0,624.
Количество третьей фракции согласно (1) потребуется: при Рп=1,
Gз=(1-0,624) . (0,56/0,624) (100+42,7) = 48 мас.ч.
при Рп=[ 0п-1/Пп](2-3), G з= 1-0,624) (0,56/0,624) (0,624/0,56)2-3 143=43 мас.ч.
Плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из трех фракций согласно схеме их распределения при т=3 будет равна:
Рис.1. Распределение зерен в смеси, состоящей из 3-х фракций
Хз=в22П2+вз2Пз+вз.П2/[п(п-1)/2]а= 0з=0,624+(1-0,624) . 0,1459=0,679
(0,360,64+0,442 0,56+0,44 0,56)/3=0,1459 Количество четвертой фракции потребу-
Плотность упаковки частиц в смеси, состо- ется: ящей из 3 фракций: приР4=1,
G4=(1-0,679) . (0,52/0,679). (100+42,7+48)=47 мас.ч.
при Р4=(опУп4)2-4,
G4=(1-0,679)•(0,52/0,679)•(0,679/0,52)2-4 (100+43+43) = 27 мас.ч.
Рис. 2. Распределение зерен в смеси, состоящей из 4 фракций
Х4= (0,3620,64+0,4420,56+0,4820,52+0,440,56+0,480,52+0,522) /[4(4-1)/2]=0,1796 Плотность упаковки частиц в смеси, состо- о4=0,679+(1-0,679)0,1796=0,737
ящей из 4 фракций: Количество пятой фракции потребуется:
при Р5=1,
G5=(1-0,737) . (0,53/0,737)(191+47)=45 мас.ч.
при Р5==(0п-1/^5)2-5,
G5=(1-0,737) . (0,53/0,737)(0,737/0.53)2-5(100+43+43+27)=15 мас.ч.
Рис. 3. Распределение частиц в смеси, состоящей из 5 фракций Х5=(0,1796+в52П5+в5П5+Л52+П5)/[п(п-1)/2]=(1,0776+0,472 . 0,53+0,47. 0,53+0,532+0,53)/10=0,2255
05=0,737+(1-0,737) . 0,2255=0,796 Количество шестой фракции потребуется:
Плотность упаковки частиц в смеси, состоящей из пяти фракций: приР6=1,
G6=(1-0,796) . (0,54/0,796)(191+47+45)=39 мас.ч.
при Р6==(0п-1/^6)2-6,
G6=(1-0,796).(0,54/0,796) (0,796/0,54)2-6 (186+27+15)=7 мас.ч.
Схема распределения зерен в смеси не приводится.
Х6=100,2255+862п6+в22п2+в6п6+П62+П6+П6=2,255+0,4620,56+0,460,54+0,542+0,54+0,54=0,2659
Плотность упаковки частиц в смеси, состоящей из 6 фракций:
06=0,796+(1-0,796) 0,2659=0,850.
06=0,850/1,03=0,825 Для создания жесткого каркаса из зерен крупного заполнителя в формуле (1) для Рпис-пользован показатель степени пгп, которым ре-
гулируется (т=2) - снижение при этом расхода мелких фракций, имеющих повышенную удельную поверхность и привносящих дефекты в структуру бетона. Расход по объему пластического теста из гипсового композиционного вяжущего с учетом раздвижки зерен
а3=1,05...1,331 в зависимости от подвижности 1м3 бетонной смеси при В/Т=0,45 будет равен: У=1-0,85/(1,06 ...1,331)=0,20.0,36 м3 т*ГВ=(0,2...0,36) 'рТ= (0,2.0,36) м3.
1950кг=390.702 кг где рт_ плотность гипсового композиционного теста при В/Т=0,45
Таблица 2
Класссистемы т <1 1 2 3 4 4,5 5
(т) Ун 3 3 ч Л; 2 2 Е;П; 8/Ч- 2 е ; 2 Е; Л; )
( т) Vт 0,012 0,033 0,052 0,080 0,123 0,148 0,189
¿п / < 0,73 0,73 0,54 0,39 0,29 0,25 0,21
Класссистемы т 6 7 8 9 10 11 12
(т) Уи Л; 3/2 е.•п. г ч е ; 2 п п'2 (еЛ-) 1 - п2 п
(т) 0,297 0,290 0,35 0,422 0,524 0,578 0,65
¿п / ¿1 0,15 0,11 0,08 0,06 0,04 0,03 0,02
Степень заполнения свободного объема в слое крупных частиц в бимодальных упаковках частицами мелкой фракции в зависимости от класса системы т и ее относительного размера Расчет зернового состава полидисперсной смеси заполнителя и наполнителя класса т=6 системы распределениязерен. Расчет производился по выше изложенной методике.
Количество второй фракции с размером зерен 3,74.1,87 мм (5.2,5 мм) потребуется: 02=(1-0,59) . 0,56/0,59. 100=39 мас.ч.
Х3= 82П2+ 83П3+П3/ п (п-1)/2=(0,59
03=0,689 +(1-0,689) . 0,349=0,798 Таким образом, плотность упаковки зерен в смеси из трех фракций класса т=6 несколько больше, чем класса т=3(где о3=0,679).
Примем в расчет 4-ю фракцию с размером зерен 0,3.0,15 мм (0,315.0,14 мм). Количество ее потребуется:
Плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из 2-х фракций 20.10 мм и 3,74.1,87 мм (5.2,5 мм) при р2=1 и т=3 будет равна: 02= 01 +(1-01) . 82^2=0,59+0,41 . 0,41 . 0,59=0,689
Количество третьей фракции с размером зерен 0,7.0,35 (0,63.0,315) мм потребуется: 03=(1-0,689) . (0,53/0,63)2-3. (100+39)=33 мас.ч. привп=1,
03=(1-0,689) . (0,53/0,63) . (100+39)=36,4 мас.ч.
Плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из первых двух предыдущих и третьей фракции с размером 3,74.1,87 (5.2,5 мм) будет равна:
0,41+0,56 . 0,44+0,56)/3=0,349
04=(1-0,686) . (0,54/0,686) 2-4 (100+39+33)=24 мас.ч.
прирп=1,04=(1-0,686) . (0,54/0,686). (100+39+33)=42 мас.ч.
Степень заполнения свободного объема в смеси при этом будет равна согласно схеме распределения:
Рис. 4 Распределение зерен в смеси, состоящей из 4 фракций:
Х4=(82П2 83П3+84 2П4+П3+П4+П5)/[иГп-1)]/[4(4-1)/2] = =0,44.0,56+0,53.0,47+0,54.0,462 =0,56+0,53+0,54/[4(4-1)/2]=0,3737 04= 0,798+(1-0,798). 0,3737=0,8735 При введении в полидисперсную смесь, состоящую из 3-х фракций класса т=6четвертую фракцию с размером зерен 0,315-0,14 мм клас-
сат=3, плотность упаковки возрастает до (0,8735/1,015)= 0,860
Тогда объем пластического теста из гипсового композиционного вяжущего на 1 м3 бетонной смеси будет равен:
У=1-0,860/(1,06 ...1,331)=0,176.0,344 м3 Результаты расчета сведены в табл.1.
Состав и свойства бетона с высокоплотной упаковкой заполнителя представлены в табл. 3-
5.
Состав бетона с высокоплотной упаковкой заполнителя
Таблица 3
Фракции, мм Масса заполнителя для образцов размером 10х10х10 см Расход КГВ ( кг) на один куб размером 10х10х10 см, кг В/Вяж Добавка, %
1* 2* 3*
10-5 0,850 0,850 0,850 400 0,6 0,3
5-2,5 0,465 0,365 0,365 400 0,6 0,3
2.5-0,63 0,408 0.408 0,365 400 0,6 0,3
0.63-0,315 0,400 0,348 0,230 400 0,6 0,3
0.315-0,14 0,380 0,146 0,130 400 0,6 0,3
<0.14 0,325 0,06 0,060 400 0,6 0,3
Примечание: 1- при рп=1;2- усредненный состав; 3- при в6==(ап-1/ц„)т~п,т=2.
На основании проведенных расчетов, для сительные величины В/Вяж отношений рассмат-
подтверждения целе-сообразности использова- ривали совместно с конкретными расходами
ния высокоплотной упаковки заполнителя изго- КГВ и воды, обеспечивающими требуемую по-
тавливались из бетонной смеси Ж35 с, которые движность бетонной смеси и слитную мелко-
после твердения в нормальных условиях испы- зернистую структуру бетона [ 4 ]. тывали на сжатие в возрасте 7 и 28 суток. Отно-
Таблица 4
Свойства бетона с высокоплотной упаковкой заполнителя_
Заполнитель Рб-на кг/м3 Оуп Прочность образцов, МПа
7 сут 28 сут
Естественного состава 2285 0,68 11,0 23,6
Расчетного состава 2340 0,83 13,63 29,4
Результаты испытания бетонных образцов на прочность при сжатии приведены в табл.5.
Таблица 5
Составы тяжелого бетона на известняковом щебне
Требуемая марка бетона Удобоуклады-ваемость, с Фактическая средняя плотность кг/3 Фактический расход материалов на 1 м3, кг Плотность, кг/3
КГВ Цебень известняковый Песок кварцевый вода добавка Прочность при сжатии, Мпа через
1 сутки 28 суток
100 35 2310 340 1200 590 180 - 2290 7,5 2230 10,5
100 35 2285 340 1200 590 155 0,3 2275 9,5 2240 19,0
150 35 2305 400 1200 350 175 - 2260 8,0 2220 15,2
150 35 2285 400 1200 350 155 0,3 2245 11,0 2240 23,6
150 35 2340 400 1200 350 155 0,3 2285 13,63 2260 29,4
200 35 2315 500 1100 350 185 - 2290 11,5 2215 20,5
200 35 2295 500 1100 350 165 0,3 2210 15,0 2210 32,0
Таким образом, анализируя результаты испытаний, можно отметить, что прочность образцов с плотнейшей упаковкой частиц на 24 %.выше, чем у образцов, приготовленных традиционным способом. Величина коэффициента разъединения частиц в смеси рп=( 0п-1/^п)т-ппозволяет при т<3 регулировать расход второй и третьей крупных фракций и снижать при этом расход мелких.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: _ М.: Изд. АСВ, 2006. 526 с.
2. ЛесовикВ.С., Чернышева Н.В. Быстро-твердеющие композиты на основе водостойки гипсовых вяжущих // Белгород, Изд. БГТУ, 2011.123 с.
3. Хархардин А.Н., Топчиев А.И. Тяжелый бетон с плотным структурным каркасом заполнителя // Известия Вузов. Строитель-ство.2001.№4. С.51 _ 59.
4. Влияние минеральных добавок различного генезиса на микроструктуру гипсоцементного камня / Н.В. Чернышева, М.С. Агеева, Эльян-Исса-Жамал-Исса, М.Ю. Дребезгова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №4. С.12- 18.
