CC BY
16Лопухов В. Ю., аспирант, Беленцов Ю. А., д-р техн. наук, проф., Золотое В. М., канд. техн. наук, доц.
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
СРУКТУРНЫЙ ПОДХЛД К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ БЕТОНОВ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ
ЦЕМЕНТА
seva-piter@rambler.ru
Области применения бетона на цементном вяжущем разнообразны. Можно с уверенностью сказать, что сегодня бетон является строительным материалом номер один в мире. Но сростом его потребления растёт спрос на цемент процесс производства, которого дорог и экологически вреден. Одним из способов снижения затрат цемента может быть уплотнение упаковки бетонной смеси по средствам подбора оптимального гранулометрического зернового состава заполнителей с наименьшей водопотребностью. Проведенные расчеты и опыты подтверждают суждение о способности уплотнения бетонной смеси при жестком каркасе упаковки из зерен заполнителя и оптимальном соотношении объемов связующего (цемента) и заполнителя. Такв смесях на многофракционном заполнителе 3-5 фракций реализуется эффект упрочнения. Что позволяет при применение наименьшего количества цемента сохранить прочность бетона близкой к исходной. По расчетам экономия цемента при создание такой плотной упаковки составит 120 кг.
Ключевые слова:бетон, цемент, плотность, гранулометрический состав, прочность, упаковка бетонной смеси.
Введение. Бетон используется практически во всех областях строительства: в возведении гидротехнических сооружений, гражданских и
Цемент вместе с бетоном является вторым после воды наиболее употребляемым ресурсом на земле: ежегодно его потребление на нашей планете составляет около 1 тонны на человека. Цемент производится в 156 странах мира. Однако 70% мирового производства цемента сосредоточено лишь в 10 странах мира, где проживает 70% населения земли. Темпы развития цементной промышленности в 1,5-2 раза выше, чем темпы роста мирового ВВП [2].
Однако процессы производства цемента, а именно его главной составной части, клинкера, ответственны за высокие уровни выбросов диоксида углерода. Высокие уровни выбросов диоксида углерода в стандартных процессах про-
промышленных объектов. А, следовательно, с ростом потребления бетона стремительно растет и производство цемента что показано на (рис.1).
изводства цемента и бетонных композиций составляют главную экологическую проблему и, в контексте современности, составляют предмет высоких экономических санкций.
Поэтому существует настоятельная необходимость в способе, дающем возможность производить бетон с меньшими затратамицементного составляющего с целью экономической выгоды и снижения экологических последствий. Но при этом данные бетоны должны обеспечивать удовлетворительные механические свойства для примененияих в строительстве без вреда прочностным характеристикам конструкций.
Наибольшие плотность, а, следовательно, и прочность бетона при наименьшем расходе це-
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Производство цемента млн.т _ Производство бетона млн.мЗ
Рис.1. Динамика производства цемента и товарной бетонной смеси в России за 2002-2012 гг.[1]
мента достигаются подбором оптимального гранулометрического зернового состава заполнителей с наименьшей водопотребностью.
Основная часть. Сема упаковки зерен заполнителя оказывает значительное влияние на плотность. Для формирования более прочной структуры необходимо выбрать схему которая обеспечила бы наибольшую плотность смеси ибольшую протяженность линии разрушения
добиваясь распределение действующих напряжений на большее количество элементов.
Рассмотрим возможные схемы упаковки (рис.2). Для достижения выше упомянутой цели подходит многфракционная схема упаковки с коэффициентом раздвижки зерен заполнителя Краз<1. В такой схеме зерна более мелкого заполнителя приникают в меж зерновые пустоты более крупной фракции, без раздвижки зерен т.к. К раз<1.
г) Л > Л)
Рис.2.Схемы разрушения растворной составляющей приразнофракционном составе: а) однофракционных; б) двухфракционных при Краздв< 1; в) двухфракционных при Краздв>1; г) трех или более фракционных при Краздв< 1; д) трех или более фракционных при Краздв>1
Если представить, что зерна заполнителя идеальной шарообразной формы как это показано на рисунке, то можно рассчитать состав бетонной смеси с идеальным соотношением количества заполнителя разных фракцийчто позво-
лит получить наиболее плотную упаковку [3]. В (табл. 1) представлены расчеты пустотности для специально подобранных 3-х и 4-х фракционных составов бетонной смеси.
Расчетная ^ пустотность упаковки бетонной смеси
Таблица 1
Фракция Средний размер зерен(мм) Средний размер пустот(мм) Коэффициент раздвижки Пустотность (%)
3х фракционный состав
5-2.5мм 3,75 1,53 1 40
2.5-0.63мм 1,53 0,64 0,62 16
0.63-0.16мм 0,4 0,162 64
4х фракционный состав
15-5мм 10 4,1 0,91 40
5-2.5мм 3,75 1,53 1 16
2.5-0.63мм 1,53 0,64 0,62 6,4
0.63-0.16мм 0,4 0,162 2,6
Из таблици№1 видно, что конечная пустот-ность 3-х фракционного состава уменьшилась до 6,4 % а 4-х фракционного до 2,6 % что свидетельствует о возможности уплотнения состава
за счет правильного фракционирования заполнителя. Увеличение числа фракций также способствует уменьшению пустотности упаковки.
Экспериментальная пустотность упаковки бетонной смеси
Таблица 2
Фракция Пустотность(%) Фракция Пустотность(%)
3х фракционный состав. 4х фракционный состав.
5-2.5мм 42,4 15-5мм 43,7
2.5-0.63мм 24,3 5-2.5мм 22,5
0.63-0.16мм 8! 2.5-0.63мм 8,1
0.63-0.16мм 3,8
Теоретически расчеты были проверены на практике. Пустотность составов была определена опытным путем. Для достижения результатов наиболее близких к расчетным было применено
активное вибрирование смеси и воздействие на нее внешней нагрузки. Все это дало более полное заполнение меж зерновых пустоты более
крупной фракции, более мелким зернами. Результаты опыта приведены в (табл. 2).
Значения пустотности определенные рас-четно-теоретическими опытным методом различаются смотри (табл. 3) Это связано с тем что в реалии зерна заполнителя имеют различную форму, а не шарообразную как в расчетной теории. Но в общем значения пустотности определенные опытным методом также подтверждают возможности уплотнения состава за счет правильного фракционирования заполнителя в смеси.
Таблица 3
Сравнение пустотности__
Состав бетонной смеси Пустотность (%) Отношение пустотности (%)
Расчетный метод Опытный метод
3х фракционный состав. 6,4 8,7 26,1
4х фракционный состав. 2,6 3,8 31,5
На основе трех фракционного и четырех фракционного составах была изготовлена серия образцов бетона кубической формы 70x70x70мм и 100x100x100 соответственно. Водоцементное отношение 0,5, на портландцементе ПЦ-500. Расход цемента для заполнения оставшейся пустотности в размере 6.4% в трех фракционном составе по расчетам составил 90 кг/м3 и 50кг/м3 для четырех фракционного при пустотности 2,6 %.
Лабораторные образцы твердели в нор- образцов проводились при помощи гидравличе-
мальных условиях, при I = 18 ± 3°С и влажности ского пресса ПГМ-100МГ4. Результаты испыта-
100% течение. Прочность образцов на сжатие ния занесены в (табл. 4).
была определена в возрасте 28 суток. Испытание
Ш
I
Рис.2. Испытание бетонных образцов на прочность
Таблица 4
Результаты испытаний бетонных образцов_
Составы бетонной смеси Плотность (кг/м3) Прочность на сжатие
4х фракционный состав 1:5:10; В/Ц=0,4 расход цемента 50 кг/м3 1910 8,7 (МПа)
3х фракционный бетон песчаный 1:14; В/Ц=0,4 расход цемента 90 кг/м3 2100 11,4 (МПа)
бетон песчаный 1:6; В/Ц=0,4 расход цемента 210 кг/м3 2200 13,0 (МПа)
Вывод. Проведенные расчеты и опыты подтверждают суждение о способности уплотнения бетонной смеси с жестком каркасом упаковки из зерен заполнителя при оптимальномгрануло-метрическом составе заполнителя и соотношении объемов связующего (цемента) и заполнителя. Также при этом в смесях на многофракци-
онном заполнителе 3 фракцииреализуется эффект упрочнения как видно из(табл. 4). А, следовательно, при применение наименьшего количества цемента в пределах 100 кг/м3 удается сохранить прочность близкой к исходной. При дальнейшем уменьшение количества цемента наблюдается значительная потеря прочности. По
расчетам экономия цемента при создание такой плотной упаковки составит 120 кг.
Следующим этапом упрочнения бетона может послужить применение фибр различного происхождения. Фибры помогут связать заполнитель при меньшем расходе связующего.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Никольская.Н.Н. Российский рынок цемента. [Электронный ресурс]. Систем. требования: InternetExplor-
ег.Ьйр://-№№^81гоука.ги/Купок/1407469/го88у Бкг) -гупок-сешеп1а-пасЬа1о-2011-goda-chast-1/ (дата обращения: 15.05.2014)
2. Кондратьев В. Б. Мировая цементная промышленность. [Электронный ресурс]. Систем. требования: IntemetExplorer. http://www.perspektivy. т-fo/rus/gos/mirovaj a_cementnaja_promysh1ennost_2 012-06-06.htш (датаобращения: 20.05.2014)
3. Ахвердов И. Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат,1981 г, 464 с.
