CC BY
11
Влияние зернового состава и технологии на свойства мелкозернистого фибробетона с применением вулканического пепла
Т.А. Хежев, А.А. Карданов, И.А. Курашинов, К.А. Сижажев, Р.Ю. Хатшуков, М.А. Гетежев, Б. Басил, А. Ф. Джаркас Кабардино-Балкарский государственный университет, Нальчик
Аннотация: Исследовано влияние зернового состава и технологии на свойства мелкозернистого фибробетона с применением вулканического пепла. Прочностные характеристики мелкозернистого бетона снижаются с увеличением добавки пепла в портландцемент при одновременном росте водопоглощения. Рекомендуется вводить до 10 % пепла в портландцемент по массе. Выявлено, что прочность бетона повышается с увеличением содержания крупных фракций заполнителя в результате более компактного расположения зерен песка. Увеличение содержания мелких фракций песка снижают прочностные характеристики бетона, и повышает водопоглощение. Исследована зависимость свойств мелкозернистого фибробетона от способа перемешивания смеси и формования изделий.
Ключевые слова: портландцемент, отходы камнедробления, пепел вулканический, базальтовое волокно, гранулометрический состав, мелкозернистый фибробетон, прочность на изгиб и сжатие, способ приготовления смеси, способ формования изделий.
Строительство зданий и сооружений на современном этапе требует использование бетонов, имеющих улучшенные физико-механические свойства при минимальной себестоимости. При этом актуальной задачей является обеспечение долговечности конструкций и применение местных материалов. Разработка дисперсно армированных мелкозернистых бетонов является одним из способов решения этой задачи [1-3].
Снижение себестоимости бетона возможно за счет применения промышленных отходов, при этом одновременно решаются и вопросы охраны окружающей среды [4, 5]. Кабардино-Балкарская республика имеет большие сырьевые ресурсы для получения заполнителя и активной минеральной добавки для мелкозернистого бетона. В качестве заполнителя мелкозернистого бетона могут быть использованы отходы дробления гравийно-песчаной смеси, а в качестве активной минеральной добавки -
вулканические горные породы [6, 7]. Для их эффективного применения в мелкозернистом бетоне необходимо проведение исследований.
Для этого в работе проводились исследования влияния зернового состава и технологии на свойства мелкозернистого фибробетона с применением отходов камнедробления и пепла.
Для проведения экспериментов применялись: портландцемент ПЦ500-ДО; отходы камнедробления с зернами размером до 5 мм; пепел вулканический с зернами размером до 0,14 мм; волокна базальтовые марки РНБ-9-1200-4с.
Зерновой состав заполнителя приведен в табл. 1.
Таблица 1
Песок Частные остатки на ситах, % Прошло сквозь сито 0,14
2,5 1,25 0,63 0,315 0,14
Отсевы дробления гравийно-песчаной смеси 13,7 13,9 26,9 27,3 14,2 4,0
Для исследования физико-механических характеристик бетона состава 1:2 изготавливались балочки размерами 4х4х16 см. Образцы формовались из смеси подвижностью 3-5 см на виброплощадке. На рис. 1 и 2 приведены. результаты экспериментов.
Рис. 1. Влияние добавки пепла на прочность мелкозернистого бетона
Рис. 2. Влияние добавки пепла на водопоглощение мелкозернистого бетона
Установлено, что прочностные характеристики мелкозернистого бетона снижаются с увеличением добавки пепла в портландцемент при одновременном росте водопоглощения. Рекомендуется вводить до 10 % пепла в портландцемент по массе.
Исследовалась возможность замены мелкодисперсных фракций песка на пепел в мелкозернистом бетоне (табл. 2).
Таблица 2
Физико-механические свойства бетона
Портландцемент к песку по массе Пепел (ё < 14 мм) в % от массы песка Прочность при изгибе (МПа) Прочность на сжатие (МПа) Водопоглощение по массе, %
1:2 - 8,9 30,5 11,1
1:2 4 8,2 28,2 11,3
1:3 - 5,0 25,3 10,6
1:3 4 4,6 22,7 10,9
1:4 - 3,6 13,9 9,8
1:4 4 3,2 12,2 10,1
Из таблицы следует, что замена пеплом мелкодисперсных зерен отходов камнедробления уменьшает прочностные характеристики мелкозернистого бетона, а водопоглощение увеличивается. Это объясняется гидравлической активностью тонкодисперсных фракций отходов камнедробления.
Известно, что на свойства бетона существенно влияет зерновой состав заполнителя [8]. Зависимость прочности мелкозернистого бетона состава 1:2 от зернового состава исследовалась с применением симплексно-центроидного плана эксперимента в виде равностороннего треугольника.
Варьируемыми факторами были:
- Х] - содержание в заполнителе зёрен размерами 1,25<ё<5 мм;
- Х2 - содержание в заполнителе зёрен размерами 0,31<ё<1,25 мм;
- Х3 - содержание в заполнителе зёрен размерами 0<ё<0,31 мм.
Исследовались:
- У] - прочность на сжатие Ксж, МПа;
- У2 - прочность при изгибе Яизг, МПа.
План эксперимента приведен в табл. 3.
Таблица 3
План эксперимента
№№ Кодированные переменные (доля фракций песка в заполнителе) МПа У2, МПа У
Х1 Х2 Х3
1 1 0 0 29,55 6,27 У1
2 0 1 0 20,55 6,48 У2
3 0 0 1 18,58 5,13 У3
4 0,5 0,5 0 33,72 7,68 У12
5 0,5 0 0,5 28,50 5,66 У13
6 0 0,5 0,5 22,80 5,48 У23
7 0,33 0,33 0,33 26,03 5,70 У123
В результате исследований получены уравнения регрессии:
71 = 29,55X + 20,55Х2 + 18,58Х3 + 34,66ХХ +17,73Х^3 + 12,93Х2Х3 -34,41ХХХ3; У2 = 6,27Х1 + 6,48X2 + 5,13Х3 + 5,23ХХ - 0,13Х1Х3 -1,3Х2Х3 - 5,65Х1Х2Х3
По уравнениям регрессии построен рисунок 3.
Рисунок 3. Диаграммы зависимости прочности на сжатие и изгиб мелкозернистого бетона от зернового состава заполнителя; "к" - точка, соответствующая прочности бетона на заполнителе исходного зернового
состава
Диаграммы показывают, что при увеличении содержания крупных фракций заполнителя прочность на сжатие и изгиб мелкозернистого бетона возрастает в результате более компактного расположения зерен песка. Увеличение содержания мелких фракций песка снижают прочностные характеристики бетона, и повышает водопоглощение.
Для улучшения свойств мелкозернистого бетона нами осуществлялось армирование фибрами из базальта. Исследовалась зависимость прочности на сжатие и при изгибе мелкозернистого бетона от параметров фибрового армирования с использованием ротатабельного плана второго порядка типа правильного шестиугольника.
В результате выявлено, что армирование базальтовыми волокнами обеспечивает существенный рост прочности на сжатие (36,4 МПа) и на изгиб (15,2 МПа) бетона мелкозернистого.
Свойства мелкозернистого фибробетона существенно зависят от способа перемешивания смеси и формования изделий [9, 10].
Поэтому проводились исследования влияния порядка загрузки компонентов мелкозернистого фибробетона на их свойства с применением турбулентного смесителя СБ-133.
Загрузка компонентов и приготовление мелкозернистой фибробетонной смеси осуществлялось двумя способами:
1) приготовление сухой однородной смеси, затем фибробетонной смеси с добавлением воды;
2) приготовление подвижной однородной смеси без волокон, далее мелкозернистой фибробетонной смеси с добавлением фибр.
Установлено, что второй способ приготовления смеси обеспечивает более высокие прочностные показатели фибробетона при формовании на виброплощадке за счет равномерного распределения базальтовых волокон (табл. 4).
Таблица 4
Влияние способа приготовления смеси на прочность мелкозернистого
фибробетона
№№ п/п Портландцемент к отсеву по массе Содержание фибр 1А = 1444 % по объему Подвижность, см Способ перемешивания Прочность, МПа
при изгибе при сжатии
1 1:2 1,0 4 первый 13,3 30,5
2 1:2 1,0 4 второй 15,2 36,4
Далее исследовалось влияние способа формования на прочность мелкозернистого фибробетона. Образцы формовались методом литья и вибрирования на стандартной виброплощадке из смесей, приготовленных по второму способу (табл. 5).
Таблица 5
Влияние способа формования образцов на прочность мелкозернистого
фибробетона
№№ п/п Портландцемент к отсеву по массе Содержание фибр V, = 1444 (/ё ), % по объему Подвижность, см Способ перемешивания Прочность, МПа
при изгибе при сжатии
1 1:2 1,0 4 вибрационный 15,2 36,4
2 1:2 1,0 8 литьевой 11,7 29,2
Выявлено, что формование образцов методов вибрирования повышает предел прочности мелкозернистого фибробетона на сжатие в 1,25, а на изгиб в 1,3 раза по сравнению с методом литья.
Таким образом, исследованы влияние зернового состава заполнителя, добавки пепла, содержания базальтовых фибр, способа приготовления смеси и формования изделий на свойства мелкозернистого фибробетона на основе отходов камнедробления.
Литература
1. Волков И.В. Фибробетон: Состояние и перспективы применения // Промышленное и гражданское строительство. 2GG2. №9. С. 37.
2. Craig J., Parr J.A., Germain E., Mosquera V, Kamilares S. Fiber reinforced beams in torsion // ACI Journal. 2G14. Vol. 83. Heft б. pp. 934-942.
3. Gopalaratnam V.S., Shah S.P. Properties of steel fiber reinforced concrete subjected to impact loading // ACI Journal. 2G14. Vol. 83. Heft l. pp. 117-12б.
4. Хежев Х.А., Хежев Т.А., Кимов У.З., Думанов К.Х. Огнезащитные и жаростойкие композиты с применением вулканических горных пород // Инженерный вестник Дона, 2G11. №4 URL: ivdon.ru /magazine/archive/n4y2011/710.
5. Хежев Т.А., Кажаров А.Р., Налоев А.Ю., Семенов Р.Н., Хамуков З.А., Желоков Т.Х. Строительные растворы на отходах камнедробления // Инженерный вестник Дона, 201 б. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2G1б/377б.
6. Ахматов М.А. Эффективность применения местных строительных материалов и бетона. Нальчик: Эльбрус, 198б. 1б0 с.
7. Ахматов М.А. Эффективность применения легких бетонов, изделий и конструкций из них // Строительные материалы. 1998. № 4. С. 9 - 13.
8. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. 415 с.
9. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. М.: Стройиздат, 1989. 174 с.
10. Моргун Л.В., Моргун В.Н. Технология производства и применение фибробетона в строительстве // Строительные материалы. 2005. №8. С. 3435.
References
1. Volkov I.V. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2002. №9. P. 37.
2. Craig J., Parr J.A., Germain E., Mosquera V, Kamilares S. ACI Journal. 2014. Vol. 83. Heft 6. pp. 934-942.
3. Gopalaratnam V.S., Shah S.P. ACI Journal. 2014. Vol. 83. Heft l. pp. 117-126.
4. Khezhev Kh.A., Khezhev T.A., Kimov U.Z., Dumanov K.Kh. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011. №4 URL: ivdon.ru /magazine/archive/n4y2011/710.
5. Khezhev T.A., Kazharov A.R., Naloys A.YU., Semenov R.N., Khamukov Z.A., Zhelokov T.KH. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3776.
6. Akhmatov M.A. Effektivnost' primeneniya mestnykh stroitel'nykh materialov i betona [Effectiveness of the application of local building materials and concrete]. Nal'chik: El'brus, 1986. 160 p.
7. Akhmatov M.A. Stroitel'nye materialy. 1998. № 4. pp. 9-13.
8. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona [Concrete technology]. Moscow: Vysshaya shkola, 1987. 415 p.
9. Rabinovich F.N. Dispersno armirovannyye betony [Disperse reinforced concrete]. Moscow: Stroyizdat, 1989. 174 p.
10. Morgun L.V., Morgun V.N. Stroitel'nyye materialy. 2005. №8. pp. 3435.
