CC BY
13ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ ПОЯСОВ И ОТГИБОВ В СЕЧЕНИЯХ С- И 2-ОБРАЗНЫХ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ В
УСЛОВИЯХ ИЗГИБА
ВЫВОДЫ
Эффективность работы С- и 2- образных профилей на изгиб зависит от ширины поясов, ширины отгибов, высоты сечения, а также толщины и прочности стали.
Характер влияния ширины поясов на эффективность во многом зависит от толщины стали. При относительно тонких сталях (/ < 1мм) наиболее эффективны профили с узкими поясами. Наоборот, при больших толщинах эффективны широкие пояса, в которых неэффективная часть либо мала, либо вообще отсутствует (пояс не теряет устойчивость). При толщинах t = 1,5...2,0 мм наиболее эффективны пояса с Ь = 60.90 мм (в зависимости от высоты сечения и прочности стали).
Увеличение высоты сечения также влечёт за собой повышение ширины эффективных поясов.
Повышение прочности стали приводит к пропорциональному росту эффективности только при относительно больших толщинах. При малых толщинах эффективность растёт медленнее из-за потери местной устойчивости. Также, упрочнение стали приводит к снижению ширины эффективных поясов.
Влияние ширины отгибов на эффективность зависит от ширины поясов, высоты профиля и толщины стали. При поясах не-
большой ширины (bf = 40, 50 мм) при всех высотах и толщинах наиболее эффективны широкие отгибы c/bf = 0,5 и более. С увеличением ширины поясов и со снижением высоты профиля оптимумы сдвигаются в сторону меньших ширин отгибов (c/bf = 0,3.0,4). Отгибы шириной c/bf < 0,25 в большинстве случаев нецелесообразны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adany, S. Buckling mode classification of members with open thin-walled cross-section by using Finite Strip Method. Research Report / S. Adany // Johns Hopkins University, 2004.- 99 p
2. Кикоть, А.А. Программа расчёта прогибов изгибаемых элементов из стальных тонкостенных хо-лодногнутых профилей / А.А. Кикоть, М.Н. Корниц-кая, Е.В. Мурзин // Проектирование и строительство в Сибири, 2010.- №4. - С.37-39
3. EN 1993-1-3:2004 Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1-3: General rules. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting / European Committee for Standardisation CEN, Brussels, 2004.- 125 p
4. Karman Th, Sechler E.E., Donnel L.H. Transactions American Society Mech. Eng., vol. 54, 1932.- P. 53
5. EN 1993-1-5:2003 Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1-5: Plated structural elements / European Committee for Standardisation CEN, Brussels, 2003.- 53 p.
6. Верификация программы CFSteel v.1.1, 2010.20 с.
УДК 666.9.022.6(075.8)
СОСТАВ ПРОДУКТОВ ГИДРАТАЦИИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА С ДОБАВКОЙ ЗОЛ БУРЫХ УГЛЕЙ КАНСКО-АЧИНСКОГО
БАССЕЙНА
В. К. Козлова, А.А. Лихошерстов, А. В. Вольф, Е.Е. Андрюшина, Е.В. Шкрабко
Рассмотрен состав продуктов гидратации портландцемента с добавкой золы бурых углей Канско-Ачинского бассейна. Показано, что свободный оксид кальция в золах не полностью гидратируется при всех режимах твердения, кроме автоклавной обработки. Необходимо введение химических добавок.
Ключевые слова: оксид кальция, эттрингит.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с дефицитом активных минеральных добавок (доменного гранулированного шлака и других), их высокой стоимостью производители цемента проявляют всё больший интерес к рассмотрению возможно-
сти использования зол тепловых электростанций в производстве портландцемента, золопортландцемента, многокомпонентных композиционных цементов. В настоящее время в Западной и Восточной Сибири работает ряд крупных тепловых электростанций, сжигающих бурые угли Канско-Ачинского бассейна.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Изучение продуктов гидратации зол бурых углей проводилась с использованием золы ТЭЦ-3 г. Новосибирска с содержанием СаОсвоб., равным 6 %.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Химический состав бурых углей различных разрезов Канско-Ачинского бассейна характеризуется содержанием ЭЮ2, равным 30 + 47 %; АЬОз - 8 + 10 %; Рв2Оз - 9 +15 %; СаО - 26 + 38 %. По фазовому составу эти золы представляют сложную многокомпонентную систему, в состав которой помимо железоалюмосиликатной стеклофазы (50 + 60 %) входят соединения, встречающиеся в различных вяжущих системах: двухкальцие-вый силикат - 12 + 20 %, минералы алюминаты в пересчете на трехкальциевый алюминат - 4 + 10 %, четырехкальциевый алюмофер-рит - 6 + 10 %, СаОсвоб - 3 + 9 %, СаЭО4 от 1,0 до 7,0 %, МдО - 1 + 3 %, п.п.п. 1,5 + 3,0 %. Часть сульфата кальция находится в форме ангидрита, возможно так же присутствие некоторого количества фаз, характеризующихся более высокой растворимостью в воде, таких как полуводный гипс и растворимый ангидрит. Химический и фазовый составы зол подвержены значительным колебаниям. Эти золы обладают самостоятельными вяжущими свойствами, способны при гидратации и твердении давать зольный камень высокой прочности. Однако, для них характерно неравномерное изменение объема при твердении и возникновение деформаций.
Общее содержание компонентов воздушных вяжущих веществ составляет в золе, в среднем 15 - 20 %, компонентов гидравлических вяжущих - 25 + 30 %, остальное -стеклофаза. Из приведенных данных о фазовом составе видно, что присутствующие в золе минералы при взаимодействии с водой не могут самостоятельно обеспечить зольному тесту быстрое схватывание, характерное для этих зол. Среднее время начала схватывания составляет 15 - 25 мин, конца схватывания - 45 - 55 мин. Быстрое схватывание зольного теста свидетельствует о том, что при затворении зол водой происходит образование сложных гидратных комплексов на основе алюминатов кальция, гидроксида кальция и сульфатов кальция. При гидратации указанного количества минералов-алюминатов, при достаточном содержании других компонентов, участвующих в реакции, возможно образование 20 - 35 % эттрингита, что обеспечивает быстрое схватывание тес-
та. В начальный период гидратации эттрингит является единственной структурообразующие фазой.
При гидратации зол происходит медленное образование небольшого количества гидросиликатной фазы, имеющей коллоидную структуру, в то время как хорошо закристаллизованная фаза в виде большого количества эттрингита образуется быстро. Такая ситуация способна привести к значительному линейному расширению зольного камня, которое может составлять от 0 до 7,0 % и более.
При факельном сжигании топлива значительная часть свободного оксида кальция в составе зол находится в пережженной труд-ногасящейся форме. При наличии в затвердевшем зольном камне части оксида кальция в незагашенном состоянии сохраняется опасность позднего образования эттрингита и возникновения деструктивных процессов в отдаленные сроки.
Можно считать, что дефекты структуры зольного камня полностью зависят от протекания процессов эттрингитообразования и закладываются в два этапа - ранний и поздний. В начальный период гидратации и твердения зольных вяжущих они связаны с бурным образование большого количества эт-трингита.
Л. Г. Плотниковой [2], при изучении процессов гидратации зол бурых углей высокотемпературного сжигания установлено, что расширение зольного камня в процессе про-паривания начинается в первые часы и тесно коррелируется с количеством загашенного к тому времени оксида кальция. Деструктивные явления начинаются задолго до возможного гашения пережженной части оксида кальция.
Р. А. Назировым [1] замечено, что увеличение скорости гидратации свободного оксида кальция и уменьшение интенсивности его дифракционных максимумов совпадает по времени с уменьшением пиков ангидрита и увеличением интенсивности пиков эттри-нигта. При изучении действия химических добавок, способствующих интенсивному гашению пережога в ранние сроки твердения, отмечалось, что, чем интенсивнее добавка гасит пережог, тем в большей степени разрушаются образцы, причем среди первых новообразований при гидратации зол с добавками и без добавок надежно фиксируется эттрингит.
Деструктивные процессы при гидратации и твердении зольного камня могут иметь место при повышенном содержании оксида кальция даже в том случае, когда он полностью находится в мягкообожженной форме.
СОСТАВ ПРОДУКТОВ ГИДРАТАЦИИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА С ДОБАВКОЙ ЗОЛ БУРЫХ УГЛЕЙ
КАНСКО-АЧИНСКОГО БАССЕЙНА
Следовательно, основной причиной деструктивных явлений при гидратации зол бурых углей Канско-Ачинского бассейна является не столько само запоздалое гашение оксида кальция, сколько время образования и количество возникающих продуктов гидратации, содержащих в своей структуре большое количество молекул воды и обладающих ярко выраженным направленным ростом кристаллов и большим объемом. Свободный оксид кальция в золах, превращающийся при гашении в гидроксид, является лишь поставщиком важнейшего компонента, необходимого для образования этих соединений.
Отмеченные обстоятельства приводят к убеждению, что предупреждение деструктивных явлений на ранних стадиях гидратации и твердения может быть достигнуто через управление формированием эттрингитовой фазы, уменьшением её количества и скорости образования.
Снижение вероятности деструктивных процессов в поздние периоды твердения может быть достигнуто практически полным исключением возможности позднего образования эттрингита. Основным условием для этого должно быть отсутствие в составе зольного камня остатков свободного оксида кальция, способного со временем гаситься и поставлять в жидкую фазу дополнительную порцию Са(ОН)2. Низкая концентрация Са(Он)2 в жидкой фазе затвердевшего зольного камня может быть обеспечена ускоренным гашением СаО с переводом образующегося Са(ОН)2 в другие соединения.
Однако, выполненные исследования показывают, что для зол, содержащих более 4,0 % свободного оксида кальция, полная гидратация СаО достигается только в условиях автоклавного твердения.
На кривой ДТА (рисунок 1) гидратиро-ванного зольного камня через 28 суток твердения в нормальных условиях имеется глубокий эндотермический эффект при температуре 140 °С, характерный для эттрингита, кроме того имеются эндотермические эффекты при 430 и 560 °С, соответствующие дегидратации портландита различной степени закристал-лизованности, а также эндоэффект карбоната кальция при 800 °С. Характер эффектов сохраняется таким же и через 2 года твердения золы в нормальных условиях.
Необходимо отметить, что в отличии от портландцементов, при длительном твердении которых образовавшийся на ранней стадии эттрингит постепенно переходит в АРт фазу, при длительной гидратации зол бурых углей Канско-Ачинского бассейна такого перехода не наблюдается. Очевидно, превращение эттрингита в АРт-фазу, представляю-
щее собой процесс перераспределения и выравнивания концентрации сульфатных ионов в сульфогидроалюминатных фазах, невозможно в системах, содержащих значительное количество сульфатов.
Рисунок 1 - Дериватограммы продуктов гидратации высококальциевой золы [2]: 1 - два года твердения в нормальных условиях; 2 - два года твердения в нормальных условиях и запаривание
Рассматриваемые золы и их смеси с цементами отличаются содержанием сульфатов, достаточным для обеспечения отношения Са8О4:А!2О3, в составе продуктов гидратации, близкого к 3. Поэтому, возникший на ранних стадиях гидратации эттрингит, сохраняется в качестве одного из основных продуктов твердения.
На кривой ДТА зольного камня после ав-токлавирования в области низких температур наблюдается глубокий размытый эн-до-эффект в интервале температур от 100 °С до 300 °С, со сдвигом максимума до 200 °С.
При указанных температурах возможна потеря воды образовавшимися при гидротермальной обработке гидросиликатными фазами, а также дегитдратация сульфогид-роалюминатных фаз.
Изменение характера эндотермического эффекта, соответствующего сульфогидроа-люминатным фазам после автоклавирования
свидетельствует о происходящих изменениях состава этих фаз.
На рентгенограмме зольного камня, твердевшего 28 суток и двух лет, сохраняются интенсивные дифракционные максимумы негидратированного оксида кальция (2,76; 2,39; 1,69)-10-10 м. В зольном камне после пропаривания снижается интенсивность линий негидратированного СаОсвоб., но совсем исчезают линии только после автоклавной обработки. При всех режимах твердения на рентгенограммах присутствуют интенсивные линии гидроксида кальция (4,90; 2,63)10-10м, следовательно, образующийся при гидратации СаОсвоб. гидроксид кальция почти не связывается гидросиликатными фазами зольного камня. В то же время на рентгенограмме 28-суточного зольного камня присутствуют выраженные максимумы эттрингита (9,73; 5,61; 2,56)-10-10 м, их интенсивность значительно меньше для зольного камня сразу после пропаривания. Гидратация в нормальных условиях и при пропаривании сопровождается деформацией расширения. На рентгенограмме зольного камня после автоклавиро-вания четко выражены максимумы кварца (3,3410-10 м) и тоберморитовой фазы (3,07; 2,80; 1,83)10-10м. Линии других фаз отсутствуют. Видимо, при большем количестве то-берморита в процессе гидротермального синтеза все алюминатные фазы входят в состав алюминийзамещенного тоберморита, имеющийся сульфат кальция также поглощается этой фазой. У образцов отсутствуют деформации расширения.
ВЫВОДЫ
Особенности состава продуктов гидратации зольных и цементозольных вяжущих на основе высококальциевых зол бурых углей Канско-Ачинского бассейна заключаются в следующем:
1. Значительная часть привносимого золой СаОсвоб. сохраняется негидратированной при твердении золоцементных композиций в нормальных условиях (до двух лет) и при пропаривании. Кроме того, в продуктах взаимодействия присутствует большое количество Са(ОН)2 в несвязанном состоянии. СаОсвоб. полностью гидратируется только при запаривании, в этих же условиях происходит уменьшение содержания Са(ОН)2, однако значительная его часть сохраняется.
2. В нормальных условиях твердения в числе первых продуктов гидратации образуется значительное количество эттрингита. Эттрингитоподобная фаза сохраняется также
при пропаривании. При твердении в таких условиях для образцов золоцементного камня характерно наличие деформаций расширения. Основные признаки эттрингита видоизменяются в золоцементном камне только после автоклавной обработки.
3. Гидросиликатная составляющая продуктов гидратации в автоклавных условиях представлена алюминийзамещенным тобер-моритом, в неавтоклавных - небольшим количеством слабозакристализованных гидросиликатов состава СБН (I).
4. Для получения цементнозольного камня гарантированной долговечности необходимы такие способы подготовки зол, введение добавок и такие режимы твердения, при которых в составе цементирующей связки достигается почти полное превращение СаОсвоб. в Са(ОН)2 и последующее связывание основного количества гидроксида кальция в соединения, исключающие образование эттрингита.
5. Сохранение какого-то количества не-гидратированного оксида кальция в составе затвердевших зольных или зольно-цементных вяжущих, а соответственно, и в материалах, полученных с их использованием, может привести к снижению прочности и долговечности в отдаленные сроки службы.
Время начала активной гидратации оставшегося негидратированного оксида кальция в затвердевшем золосодержащем вяжущем будет зависеть от состава и структуры бетона, а также условий его службы. Снижение опасности появления деструктивных процессов может быть достигнуто применением различных способов подготовки золы и введением добавок в состав композиционных вяжущих веществ и материалов на их основе. Особое значение могут иметь добавки, способствующие сохранению образующегося «позднего» эттрингита в микрокристаличе-ском состоянии и предотвращающие его перекристаллизацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Назиров Р. А. Гидратация свободных оксидов в зольных композициях и свойства материалов на основе высококальциевых зол [текст] / Р.А. Назиров: автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - Новосибирск, 1990. - 17 с.
2. Овчаренко Г.И. Оценка свойств углей КАТАЭКа и их использование в тяжелых бетонах [текст] / Овчаренко Г.И., Плотникова Л.Г., Францен В.Б. -Барнаул, 1997. - 149 с.
