Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций

Маилян Левон Рафаэлович; Стельмах Сергей Анатольевич; Халюшев Александр Каюмович; Щербань Евгений Михайлович; Холодняк Михаил Геннадиевич; Нажуев Мухума Пахрудинович

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2018, №3, Том 10 / 2018, No 3, Vol 10 https://esj.today/issue-3-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/63 SAVN318.pdf Статья поступила в редакцию 13.06.2018; опубликована 01.08.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:

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, https://esj.today/PDF/63SAVN318.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Mailyan L.R., Stel'makh S.A., Khalyushev A.K., Shcherban' E.M., Kholodnyak M.G., Nazhuev M.P. (2018). Improvement of design recommendations for the selection of concrete composition of centrifuged structures. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(10). Available at: https://esj.today/PDF/63SAVN318.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Маилян Левон Рафаэлович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Профессор кафедры «Строительства уникальных зданий и сооружений»

Доктор технических наук E-mail: [email protected]

Стельмах Сергей Анатольевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Халюшев Александр Каюмович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Щербань Евгений Михайлович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Холодняк Михаил Геннадиевич

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

Инженер

E-mail: [email protected]

Нажуев Мухума Пахрудинович

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

Магистрант E-mail: [email protected]

Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций

Аннотация. В статье раскрыта сущность процесса уплотнения бетонной смеси при центрифугировании. Акцентировано внимание на явлениях в процессе центрифугирования уплотнения и сепарации высокодисперсных фракций цемента и содержащихся в нем гидравлических добавок, образующих вместе с отжатой водой шлам. Авторами изучены явления, проанализирован опыт ученых в этой области. Описана зависимость результатов при центрифугировании от рецептурно-технологических факторов. Отмечена роль свойств исходных компонентов: вяжущего и заполнителей в формировании показателей качества центрифугированных строительных конструкций из бетона. Показано, что физико-механические свойства центрифугированного бетона зависят от комплекса факторов: активности и водопотребности цемента, выхода шлама, зернового состава и водопотребности мелкого и крупного заполнителей, их соотношения в бетонной смеси, объема цементного теста в ней, начального водоцементного отношения, величины прессующего давления и других факторов. Сделан вывод, что все это многообразие факторов должно быть учтено при подборе состава центрифугированного бетона. Замечено, что одним из решающих факторов, оказывающим влияние на прочность центрифугированного бетона и его однородность, является нормальная густота цементного теста. Повышение прочности центрифугированного бетона за счет увеличения расхода цемента сверх оптимального его содержания не дает пропорционального эффекта. Установлено, что увеличение расхода цемента сверх 500 кг/м3 в два раза увеличивает термоусадочные деформации. Предложено пользоваться переходным коэффициентом при определении прочности центрифугированного бетона на виброуплотненных образцах. Рассмотрен и дополнен расчетно-экспериментальный метод подбора состава бетона с учетом специфики центрифугирования и конкретных видов исходных компонентов. Разработаны рекомендации по подбору составов центрифугированных бетонов. Получен рациональный расход цемента для получения эффективных строительных конструкций.

Ключевые слова: строительные конструкции; тяжелый бетон; вяжущее; заполнители; цемент; песок; щебень; центрифугирование; подбор состава бетона

Процесс уплотнения бетонной смеси при центрифугировании достигается в результате отжатия определенного количества воды, поэтому прочность бетона должна быть функционально связана не с начальным, а с остаточным водоцементным отношением, так как именно оно определяет пористость цементного камня и бетона. В [3] отмечается, что в процессе центрифугирования одновременно происходят два явления: уплотнение и сепарация высокодисперсных фракций цемента и содержащихся в нем гидравлических добавок, образующих вместе с отжатой водой шлам.

Результаты опытов по определению выхода шлама при однослойном центрифугировании бетонной смеси в зависимости от вида цемента, начального его содержания в бетонной смеси Цо, значения кн.г. и начального водоцементного отношения бетона (В/Ц)Нач, показывают, что в наибольшей степени сухой остаток в шламе зависит от (В/Ц)Нач и количества содержащихся в цементе добавок щ.

Замечено, что одним из решающих факторов, оказывающим влияние на прочность центрифугированного бетона и его однородность, является нормальная густота цементного теста НГЦТ, которая не должна превышать 28 %. В [6] установлено, что изменение НГЦТ с 22

до 28 % увеличивает длительность центрифугирования в 1,3 раза. Повышение прочности центрифугированного бетона за счет увеличения расхода цемента сверх оптимального его содержания не дает пропорционального эффекта. Установлено [6], что увеличение расхода цемента сверх 500 кг/м3 в два раза увеличивает термоусадочные деформации.

Физико-механические свойства центрифугированного бетона зависят от комплекса факторов: активности и водопотребности цемента, выхода шлама, зернового состава и водопотребности мелкого и крупного заполнителей [11, 12], их соотношения в бетонной смеси, объема цементного теста в ней, начального водоцементного отношения, величины прессующего давления и других факторов [4, 10].

Все это многообразие факторов должно быть учтено при подборе состава центрифугированного бетона.

В качестве расчетно-экспериментального способа можно использовать метод проф. Ахвердова И.Н. с нашими дополнениями, учитывающими специфику центрифугирования.

При центрифугировании часть воды, примененной для приготовления бетонной смеси, отжимается из изделия и удаляется. Различают величины (В/Ц)нач и (В/Ц)ост при повышении начального содержания воды в цементном тесте [2]. Максимальная прочность и плотность бетона достигается при значениях (В/Ц)ост цементного теста, равных его нормальной густоте Кн.г., соответствующих (В/Ц)нач = 1,4Кн.г.. Бетонная смесь имеет осадку стандартного конуса 4-5 см, что обеспечивает ее необходимую формуемость.

Формула прочности вибрированного бетона имеет вид:

к /- хДтт

йп =

1±^^х(В/Ц)Нач-1,65хкн.г, (1)

к

н.г.

где кс - коэффициент, учитывающий вид поверхности заполнителя и равный для гравия 1 и щебня 1,1;

(В/Ц)Нач - начальное водоцементное отношение бетона.

Начальное водоцементное отношение бетона может быть определено как:

(В/Ц)нач = 1,4 х ^.г. + В^, (2)

где кн.г. - водоцементное отношение цементного теста после центрифугирования бетона, равное нормальной густоте цемента (значение кн.г. для портландцементов колеблется от 22 до 28 %).

Прочность центрифугированного бетона также можно рассчитать по упрощенной формуле Ахвердова И.Н. если принять, что прессующее давление в пределах 0,65-2,2 кг/см2 мало изменяет прочность центрифугированного бетона. Тогда формула принимает вид:

й„ =

н ^^х(В/Ц)бст-1,65х^н,: (3)

к

н.г.

где ^ - процентное содержание минеральной добавки в составе портландцемента (при Пх до 5 % принимаем щх = 0).

Вследствие отжатия воды из бетонной смеси после центрифугирования В/Ц цементного теста соответствует кн.г., а В/Ц смеси колеблется от 0,34 до 0,38 и

(В/Ц)бст = /•Кн.г.+Вр (4)

где х - для однослойного бетона принимается 1,05 и для трехслойного - 0,95.

Взап - количество воды, адсорбированной порами заполнителя и поверхностью его зерен, л;

Ц - количество цемента в бетоне, кг/м3 (принимаем 520 кг - по [5]) (рис. 1).

(В/Ц)

0,4

0,35

0,3

0,25

Водопотребность заполнителей, Взап, л J_I_I_L

20

30

40

50

60

70

80

Рисунок 1. Изменение (В/Ц)бост от водопотребности заполнителей Взап для цементов с различной нормальной густотой цементного теста НГЦТ (составлено авторами)

D _ Г)П.З. I Т5П

Взап Вад + Взап

(5)

Количество адсорбированной воды на поверхности зерен заполнителей и порами заполнителя рассчитывают по формуле:

Вад = оооофпХ^РпХы' + дщХ^РщХткщ]

ВПап = 0,000l[QпX^PпXWп+QщX^PщXWщ]

(6) (7)

где ВЩ', ВПап - количество адсорбированной воды на поверхности зерен и порами заполнителя соответственно, л;

- соответственно вес песка и крупного заполнителя, кг;

Рп, Рщ - соответственно содержание каждой фракции песка и щебня (по ситовому анализу), %;

Wn, »'щ - соответственно водопотребность поверхности каждой фракции песка и щебня,

%;

н>п, »щ - их общая водопотребность в % (см. таблицу 1 - приведена по данным [3]).

Вестник Евразийской науки 2018, №3, Том 10 ISSN 2588-0101

The Eurasian Scientific Journal 2018, No 3, Vol 10 https://esi.today

Таблица 1

Физические свойства заполнителей

Заполнители Фракция Средний размер зерен dср, мм Истинная (средняя) плотность, г/см3 Удельная поверхность, см2/г Общее водопоглощение, % Водопоглощение поверхности, % Водопоглощение пор, %

щебень гранитный 20-10 2,7(2,67) 2,7 0,92 0,51 0,41

10-5 5,4 1,21 0,81 0,4

речной песок 5-2,5 3,33 2,6(2,55) 9,4 1,914 0,374 1,54

2,5-1,25 1,6 20,2 2,07 0,81 1,26

1,25-0,63 0,9 37 2,3 1,48 0,82

0,630,315 0,45 72 3,46 2,86 0,58

0,3150,14 0,23 141 6 5,65 0,35

0,14< 0,111 293 12,01 11,7 0,31

Составлено авторами

При определении прочности центрифугированного бетона на виброуплотненных образцах, изготовленных из бетонной смеси с (В/Ц)Нач, можно пользоваться переходным коэффициентом:

Ян

2 = ТГ (8)

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

В зависимости от состава бетона, вида цемента и прессующего давления коэффициент 2 изменяется от 1,3 до 1,6. Согласно многочисленным экспериментальным и производственным данным при работе на портландцементах различных заводов и оптимальном прессующем давлении 2 для однослойного центрифугированного бетона принимается - 1,37, а для трехслойного - 1,58 [1].

Зависимость изменения предела прочности при сжатии вибрированного и центрифугированного бетона от (В/Ц)

нач представлена на рис. 2.

По пустотности и суммарной поверхности смеси заполнителей вычисляем объем цементного теста (без учета объема воды Вад) на 1 м3 бетона:

Ут = -(9)

здесь 1+0,000013 Бс - выход бетона в плотном теле с учетом раздвижки зерен заполнителей цементным тестом.

a

И

H j.

о а

о я

S о

В" Н

о «

В

Ч S

а —

« Й

В u

56

51

46

41

36

Д-

59,09

51,24

—¿4

58,53 50,75

■7LS-

58,05 50,33

•А

57,58

49,92

•R0, МПа

RH=1,37XR0, MnaR

■RH=1,58XR0

37,4

О

37,05

36,74

36,44

О

0,3

0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 (В/Ц^нлч^

Рисунок 2. Изменение предела прочности при сжатии вибрированного (Ко) и центрифугированного (Кн) бетона от (В/Ц)бнач (составлено авторами)

Минимальную пустотность смеси заполнителей рассчитываем по формуле:

mmn,

с

тахр°-тахрН тахр§ '

(10)

где ттпс - минимальная пустотность смеси заполнителем;

кг/м3

сс

тахр0 и шахрН - максимальная средняя и максимальная насыпная плотности смеси, Максимальную среднюю плотность смеси заполнителей определяем по формуле:

с ПщхрН

шахрС =--щ-

1+

рЩ

(11)

ПщхрН

где р5, рН - средняя и насыпная плотность песка, кг/м3

РЩ, Рн - средняя и насыпная плотность щебня, кг/м3

Максимальная насыпная плотность смеси, соответствующая ее минимальной пустотности, достигается при максимальном заполнении песком пустот в щебне без раздвижки его зерен и может быть определена по формуле:

шахрН = х рН + РЩ.

Удельную поверхность смеси заполнителя определяем по формуле: - суммарная удельная поверхность смеси заполнителя, м2/кг;

(12) (13)

Sп, Sщ - удельная поверхность песка и щебня соответственно, м2/кг. Для расчета среднего диаметра песка ёСр используем формулу Б.Г. Скрамтаева:

1/3

/ 1 Л т

^ср = 0,5

¿0,

14

[11 • Оо,14 + 1,37 • «0,315 + 0,171 • «0,63 + 0,024 • «1,25 + 0,024 • «2,5]

(14)

Удельную поверхность песка определяем: опытную - на приборе ПСХ-10М; расчетную - по формуле Б.Г. Скрамтаева, м2/кг:

63SAVN318

5п = 635^(0,5 ■ а + Ъ + 2с + 4^ + 8е + 16/ + 36#), (15)

где к - поправочный коэффициент, который меняется от 1,3 (для мелких песков) до 2 (для горных песков), промежуточное значение к = 1,65 (для речных и морских песков); параметры а, Ь, с, ё, е, / - это частные остатки в % на ситах от 5 до 0,14 мм, g - это процент прошедшего через сито 0,14 мм песка.

В первом приближении вычисляем расход цемента, принимая Вад = 0:

= (7Т-Вад>100°

Ц 1,02[^-+*н.г.(*-0,292)]. (16)

При средней плотности бетонной смеси рб.см. = 2,45 г/см3 и (В/Ц)нач цементного теста, равном 1,4^н.г, получим:

ОК = 33,2^ПГКт. (17)

Если требуемая осадка конуса при заданном Ут не достигается, увеличиваем расход цемента на а в долях единицы, то есть

Кт = Ц(1 + а)[-1 + ^н.г.(/ - 0,292)]. (18)

При изготовлении центрифугированных изделий нежелательно повышать Ут, то есть расход цемента сверх оптимального, поскольку в этом случае возрастают время центрифугирования, толщина слоя цементного камня на внутренней поверхности сердечника и выход шлама [7-9].

Объем центрифугированного бетона:

Ро Ро

Расход материалов по выходу бетона:

Уб = к;+2; + 2щ>1. (19)

* = V = т (20)

Исходные данные для расчета состава центрифугированного бетона приведены в таблице 2.

Таблица 2

Физические свойства заполнителей

Заполнители Фракция Частный остаток, % Удельная поверхность, см2/г Истинная (средняя) плотность, г/см3 Пустотность Насыпная плотность, г/см3 Общее водопоглощение, %

щебень гранитный 20-2,5 60; 30; 10 4,2 2,7(2,69) 0,457 1460 0,41

20,0-10,0 100 2,7 0,468 1430 0,40

10,0-5,0 100 5,4 0,438 1510 0,42

5,0-2,5 100 9,4 0,408 1590 0,45

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

речной песок 5-2,5 2,41 88,9 2,6(2,6) 0,515 1259,4 -

2,5-1,25 2,95

1,25-0,63 7,3

0,63-0,315 50,4

0,315-0,14 30,19

0,14< 4,24

Составлено авторами Страница 7 из 11

Произведем расчет характеристик условной смеси при использовании щебня гранитного (плотного) фракции 5-20 мм и кварцевого песка средней крупности песка dp = 0,307:

• максимальная насыпная плотность смеси:

max рН = 0,457 х 1,26 + 1,46 = 2,035 т/м3;

• максимальная средняя плотность смеси заполнителей:

= 2,664 т/м3;

1 46

2,6+-1-Х2,69

maxp£ = -°'457Х1'26

1+

1,46 ' 0,457X1,26

минимальная пустотность смеси заполнителем:

2,664-2,035

minnr =

2,664

= 0,236.

Определив min пс, строим кривую изменения пустотности смеси в зависимости от объемов щебня l-Щ и песка 1<П. Для этого по оси ординат откладываем пс, а по оси абсцисс - один под другим соответственно объемы песка от 0 до 1 м3 и щебня, имея в виду, что в интервале 1<П = 0 до 1<П = 1n объем щебня 1Щ = 1 м3. Остальной отрезок оси объемов щебня от 1 до 0 делим на десять равных частей. Отложив по оси ординат пщ, minnc и пп соответственно при 1<П = 0; до 1<П = 1пщ и 1<П = 1 и соединив ординаты прямолинейными отрезками, получим ломанную линию, которая определяет характер изменения пс в зависимости от объемов смеси сухих заполнителей. По графику (рис. 3) на участке вправо от mrnnc принимаем nc = 1,2min • пс и находим соответствующие ей значения l-Щ и 1<П.

Согласно рис. 3 при пс = 1,2min • пс, имеем:

пс = 1,2 • 0,236 = 0,283; = 0,55 м3; Ущ = 0,82 м3.

Тогда Qn = 0,55 X 1,26 = 0,693 т, = 0,82 X 1,46 = 1,197 т.

Рисунок 3. Изменение пустотности смеси заполнителей из гранитного щебня фракции 5-20 и песка (составлено авторами)

Определяем удельную поверхность заполнителей щебня 5щ и песка 5п:

5щ = 4,2 см /г (см. табл. 1 приведены данные согласно [3]).

= 6,35x1,3 (0,5 • 1,68 + 2,41 + 2 ■ 2,95 + 4 ■ 7,3 + 8 ■ 50,4 + 16 ■ 30,19 + 36 ■ 4,24) = п 1000 4 у

= 8,89 м2/кг.

Удельную поверхность смеси из щебня и песка определяем по формуле:

2

5С = 88,9 ■ 0,693 + 4,2 ■ 1,197 = 61,60 + 5,02 = 66,62 —.

с г

По пустотности и суммарной поверхности смеси заполнителей вычисляем объем цементного теста (без учета объема воды Вад) на 1 м3 бетона:

т, 0,283+0,000013-66,62 3

^Т = - = 0,284 м3.

т 1+0,000013^66,62

В первом приближении вычисляем расход цемента, принимая Вад = 0:

(0,284—0)-1000 284 . . -

Ц = -тт---т = - = 415,8 кг.

1,02^2«+0,26(1,4—0,292)] 0,683

При средней плотности бетонной смеси рб.см. = 2,45 г/см3 и (В/Ц)нач цементного теста, равном 1,4^н.г., получим осадку конуса:

ОК = 33,2 0,55 0,2 84 = — = 3,8 см.

0,55+0,82 1,37

Определим объем центрифугированного бетона по формуле У6 = 0,284 + 0693 + 1197 = 0,995 м3.

6 ' 2,6 2,69

Расход материалов по выходу бетона:

0,693 1,197 ЛППо

0п = - = 696 кг; 0щ = - = 1203 кг.

п 0,995 щ 0,995

Начальное водоцементное отношение бетона определяем по формуле: (В/Ц)Нач = 1,4X0,26+— = 0,436.

V / ",^нач 415,8

Взап. - водопотребность заполнителя, принимаем 30 л. Определяем расход воды по формуле:

В = Ц • В/ц = 415,8 ■ 0,436 = 181,3 л.

Запроектированный состав центрифугированного бетона удовлетворяет заданным требованиям, и в окончательном виде имеет расход материалов:

Ц = 415,88 кг; П = 696 кг;Щ = 1203 кг; В = 181,3 л.

Средняя плотность центрифугированного бетона (бетонной смеси):

рс6м = 416 + 696 + 1203 + 181 = 2496 кг/м3.

Тогда прочность вибрированного бетона будет равна:

1 1хЧ? п

й0 = ^хоУ1,5; „Т^Т^ = 29,07 МПа.

-1-1—х0,436—1,65х0,26

Соответственно для однослойного центрифугированного бетона:

йн = 1,37 Хй0 = 1,37 x 29,07 = 39,83 МПа.

Таким образом, на основе разработанных рекомендаций по подбору составов центрифугированных бетонов нами получен рациональный расход цемента для получения эффективных строительных конструкций.

ЛИТЕРАТУРА

Ахвердов И.Н. Вопросы теории центробежного формования и уплотнения бетонной смеси. - Республиканское научно - техническое совещание: Технология формования железобетонных изделий, 1979. С. 3-12.

Ахвердов И.Н. Высокопрочный бетон. М., Госстройиздат, 1961.

Ахвердов И.Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. - М., 1967, Стройиздат. 165 с.

Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 500 с.

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. - № 127 в перечне рецензируемых научных изданий от 20.10.2017 г.

Михайлов Н.В., Пашковский В.Г. Проблема продольных трещин в центрифугированных опорах // Энергетическое строительство. 1967. №2. С. 6066.

Невский В.А., Федоренко Ю.В., Лысенко Е.И., Петров В.П., Шурыгин В.П. Комбинированные заполнители в центрифугированном бетоне // Транспортное строительство. 1983. №7. С. 30-31.

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

Петров В.П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем для стоек опор контактной сети: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. 175 с.

Руководство по проектированию, изготовлению и применению железобетонных центрифугированных конструкций кольцевого сечения (НИИЖБ). - М., 1979. С. 47-50, 64-71.

11. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Сердюков К.В., Пестриков М.М., Яновская А.В. Влияние некоторых характеристик применяемого крупного заполнителя на свойства тяжелого бетона, предназначенного для изготовления центрифугированных изделий и конструкций // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017, № 10. С. 15-20.

12. Anatoliy Shuisky, Sergey Stelmakh, Evgeniy Shcherban and Elena Torlina. MATEC Web of Conferences. ICMTMTE. - 2017. - Vol. 129. URL: www.matec-conferences.org/articles/matecconf/pdf/2017/43/matecconf_icmtmte2017_05011.pdf.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Mailyan Levon Rafaelovich