Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
с 01.01.2020 по настоящее время
Ростов-на-Дону, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
ВАК 05.02.2000 Машиностроение и машиноведение
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 383 Строительные материалы и изделия
ТБК 54 Строительство
BISAC TEC005000 Construction / General
В условиях плотной городской застройки и разнообразия инженерно-геологических условий применение бетонов с комбинированным заполнителем рационально подобранного состава позволит решить существующую проблему снижения массы железобетонных конструкций зданий и сооружений и сохранения при этом требуемых прочности и деформативности. В данной работе проведены исследования по выбору рациональной рецептуры облегчённого бетона на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака посредством варьирования объёмного содержания пористого крупного заполнителя и объёмного содержания мелкого заполнителя по отношению к смеси. Всего изготовлено и испытано 9 серий опытных образцов и 1 серия контрольных образцов. Одна серия образцов включает в себя три куба с размерами 10×10×10 см. Все образцы испытаны по показателям плотность и прочность при сжатии определен коэффициент конструктивного качества. По результатам исследования установлено, что введение в состав тяжелого бетона керамзитового гравия вместо части плотного крупного заполнителя и замена мелкого плотного заполнителя на гранулированный доменный шлак приводит к повышению коэффициента конструктивного качества, то есть снижение прочности при сжатии бетона компенсируется еще более существенным снижением плотности материала, а значит снижением массы конструкций. Прирост коэффициента конструктивного качества бетона на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака в сравнении с контрольным составом составил 15,6 %.
облегченный бетон, коэффициент конструктивного качества, плотность, прочность, объёмное содержание, плотный заполнитель, пористый заполнитель
Введение. В современных условиях строительства особую роль приобретают конструкции из облегченного бетона. Плотная застройка городов и разнообразие инженерно-геологических условий приводят к необходимости возведения зданий и сооружений со сниженной массой. При этом с увеличением этажности, а также созданием новых большепролетных и высотных зданий и сооружений с повышенными требованиями к прочности и деформативности применяемых строительных материалов, изделий и конструкций, встаёт острая проблема нехватки достаточно прочных и при этом облегченных изделий.
В сравнении с тяжелыми бетонами бетоны на легких пористых заполнителях (керамзитовый гравий, керамзитовый щебень, шлаковая пемза, шлаковый щебень, доменный гранулированный шлак) обладают рядом преимуществ, а именно низкой плотностью и теплопроводностью, более высоким сцеплением цементно-песчаного раствора и заполнителя и высокой трещиностойкостью [1–3]. В связи с дефицитом природных заполнителей в ряде регионов применение искусственных пористых заполнителей в экономическом и экологическом плане является более выгодным [4–6].
Основными недостатками легких бетонов в сравнении с тяжелыми являются худшие физико-механические показатели, а именно низкий модуль упругости, повышенные усадка и ползучесть [7, 8].
Применение комбинированных (смеси пористых и плотных) заполнителей для бетона является одним из перспективных направлений повышения их эффективности. Известно, что полная замена плотного заполнителя пористым приводит к потере прочности [9–12]. При необходимости снижения плотности бетона и дефиците плотных заполнителей используют бетоны с частичной заменой плотного заполнителя пористым. Занимая промежуточное положение между тяжелыми и легкими бетонами, бетоны на смешанных заполнителях мало отличаются от первых по прочности на сжатие и одновременно обладают положительными качествами вторых: высокой трещиностойкостью и прочностью на растяжение, выносливостью и долговечностью [13–16].
Таким образом, разработка оптимальной рецептуры, проектных решений, технологии возведения и заводского производства изделий и конструкций из облегченного бетона является актуальным направлением.
Целью настоящего исследования стало получение облегченного бетона на комбинации разноплотных заполнителей в рациональном сочетании по предварительно выбранной рецептуре, обоснованной теоретически и экспериментально.
Методы и материалы.
При проведении исследований был использован бездобавочный портландцемент марки ПЦ 400 Д0 производства ООО «Топкинский цемент», физико-механические характеристики которого представлены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики портландцемента ПЦ 400 Д0
|
Наименование свойства |
Значение |
|
Тонкость помола, проход через сито № 008, % |
95,8 |
|
Удельная поверхность, см2/г |
2988,5 |
|
Нормальная густота цементного теста, % |
26,5 |
|
Сроки схватывания, час: мин - начало - конец |
0: 48 4: 00 |
|
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, МПа |
42,5 |
В качестве крупного плотного заполнителя применялся щебень природный из кварцитовых пород, а в качестве крупного пористого заполнителя применялся керамзитовый гравий. Физико-механические характеристики плотного и пористого крупного заполнителя представлены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики крупного заполнителя
|
Наименование |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Прочность по ГОСТ 9758, МПа |
Дробимость по ГОСТ 8269, % |
Плотность |
Пустотность, % |
|
Керамзитовый гравий фракции 5–20 мм |
500 |
1,7 |
– |
0,85 |
48 |
|
Щебень фракции |
1380 |
– |
12,1 |
2,57 |
47 |
В качестве мелкого плотного заполнителя применялся кварцевый песок, а в качестве мелкого пористого заполнителя применялся гранулированный шлак. Физико-механические характеристики мелкого плотного и пористого заполнителей представлены в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические характеристики мелкого заполнителя
|
Наименование |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Модуль |
Плотность зерен, г/см3 |
Пустотность, % |
|
Гранулированный шлак |
1021 |
3,8 |
1,95 |
50 |
|
Песок |
1480 |
1,4 |
2,61 |
43,3 |
Приготовление бетонной смеси осуществлялось в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия БЛ-10. Для изготовления кубов были применены стандартные формы марки 2ФК-100. Уплотнение бетонной смеси в процессе формования образцов осуществлялось на лабораторной виброплощадке СМЖ-539-220А с механическим креплением, время вибрирования в среднем составляло 70 секунд. Для уплотнения легкобетонных смесей использовался пригруз. На следующие сутки после формования образцы были распалублены и помещены в камеру нормального твердения на 28 суток до набора проектной прочности.
Также для исследований нами было применено: испытательное оборудование (пресс гидравлический ИП-1000), средства измерения (линейка измерительная металлическая, весы лабораторные, прибор для измерения отклонений от плоскости НПЛ-1, прибор для измерения отклонений от перпендикулярности НПР-1).
Всего изготовлено и испытано 9 серий опытных образцов и 1 серия контрольных образцов. Одна серия образцов включает в себя три куба с размерами 10×10×10 см.
Испытания образцов на сжатие проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» [17–20].
Результаты и их обсуждение. В качестве контрольного состава запроектирован тяжелый бетон на плотных заполнителях класса В30 с требуемой маркой по удобоукладываемости П1 (осадка конуса 1-4 см). Полученные в результате расчетов параметры состава бетонной смеси отражены в таблице 4.
Таблица 4
Параметры состава бетонной смеси
|
Наименование параметра |
Цемент, кг/м3 |
Вода, л/м3 |
Щебень, кг/м3 |
Песок, кг/м3 |
ρбс, кг/м3 |
|
Значение |
378 |
203 |
1198 |
721 |
2500 |
Выбор оптимальных объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей осуществлялся посредством проведения расчетов методом математического планирования эксперимента с использованием программы «MathCAD».
В качестве функций были приняты изменяющиеся в зависимости от различных объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей следующие показатели: плотность, прочность на сжатие и коэффициент конструктивного качества.
За функцию отклика были приняты параметры:
- Rb.cub (Vкг; Vгш) – прочность на сжатие, МПа;
- ρбс (Vкг; Vгш) – плотность облегчённого бетона, кг/м3;
- К.К.К. (Vкг; Vгш) – коэффициент конструктивного качества, ×103 МПа·м3/кг.
В качестве же аргументов принимались объёмные содержания крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей в абсолютных показателях с различными уровнями варьирования. Значения факторов варьирования представлены в таблице 5
Таблица 5
Значения факторов варьирования ПФЭ 2к
|
№ п/п |
Код |
Физический смысл фактора |
Ед. измерения |
Уровни фактора |
||
|
-1 |
0 |
+1 |
||||
|
1 |
Vшп |
Объёмное содержание крупного |
% |
40 |
50 |
60 |
|
2 |
Vгш |
Объёмное содержание мелкого |
% |
30 |
35 |
40 |
Результаты экспериментальных исследований влияния объёмного содержания крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей на плотность, прочность при сжатии и коэффициент конструктивного качества облегчённого бетона представлены в таблице 6 и на рисунках 1-3.
Таблица 6
Результаты экспериментальных исследований влияния объёмного содержания пористого
крупного и мелкого заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей на плотность, прочность на сжатие и коэффициент конструктивного качества облегчённого бетона
|
Номер опыта |
Объёмное содержание пористого крупного заполнителя, % |
Объёмное содержание мелкого заполнителя по отношению к смеси крупных заполнителей, % |
Плотность облегчённого бетона, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа |
Коэффициент конструктивного качества облегчённого бетона, (МПа·м3/кг)·103 |
|
1 |
40 |
30 |
2054 |
38,1 |
18,5 |
|
2 |
60 |
30 |
1827 |
34,8 |
19,0 |
|
3 |
40 |
40 |
1997 |
37,9 |
19,0 |
|
4 |
60 |
40 |
1816 |
36,1 |
19,9 |
|
5 |
40 |
35 |
2011 |
38,3 |
19,0 |
|
6 |
60 |
35 |
1811 |
35,1 |
19,4 |
|
7 |
50 |
30 |
1958 |
37,0 |
18,9 |
|
8 |
50 |
40 |
1961 |
36,3 |
18,5 |
|
9 |
50 |
35 |
1970 |
36,8 |
18,7 |
По результатам исследований методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, которые представлены в виде полиномов второй степени:
(1)
(2)
(3)
При расчете состава облегчённого бетона в каждом опыте значения расхода заполнителей (таблица 7) рассчитывался по формулам:
(4)
(5)
(6)
(7)
где М – расход мелкого заполнителя, м3/м3; r – доля песка по объему в смеси заполнителей; ∑V – сумма пофракционных объемов (общий расход заполнителей на 1м3 бетона) – принимается по результатам исследований свойств смесей заполнителей, м3/м3; К – суммарный расход крупных заполнителей, м3/м3; Kкг – расход керамзитового гравия, м3/м3; Kщ – расход щебня, м3/м3; Vкг – доля керамзитового гравия; Vщ – доля щебня.
Таблица 7
Результаты экспериментальных исследований влияния объёмного содержания пористого крупного и мелкого заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей на плотность, прочность на сжатие и коэффициент конструктивного качества облегчённого бетона
|
Номер опыта |
Сумма пофракционных объемов, м3/м3 |
Расход |
Расход керамзитового гравия, м3/м3 |
Расход щебня, м3/м3 |
|
|
1 |
1,448 |
0,434 |
0,405 |
0,608 |
|
|
2 |
1,418 |
0,425 |
0,596 |
0,397 |
|
|
3 |
1,432 |
0,573 |
0,344 |
0,516 |
|
|
4 |
1,408 |
0,563 |
0,507 |
0,338 |
|
|
5 |
1,435 |
0,574 |
0,344 |
0,517 |
|
|
6 |
1,421 |
0,497 |
0,554 |
0,369 |
|
|
7 |
1,428 |
0,500 |
0,464 |
0,464 |
|
|
8 |
1,420 |
0,426 |
0,497 |
0,497 |
|
|
9 |
1,431 |
0,572 |
0,429 |
0,429 |
|
При приготовлении опытных замесов бетонных смесей на комбинированном заполнителе расход цемента оставался неизменным, а расход воды корректировался до получения требуемой подвижности бетонной смеси.
Рис. 1. Изменение плотности облегчённого бетона в зависимости от объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей
(К – контрольный состав; 1, 2…9 – опытные составы)
Рис. 2. Изменение прочности при сжатии облегчённого бетона зависимости от объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей
(К – контрольный состав; 1, 2…9 – опытные составы)
Рис. 3. Изменение коэффициента конструктивного качества облегчённого бетона в зависимости от объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей
(К – контрольный состав; 1, 2…9 – опытные составы)
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что введение в состав тяжелого бетона керамзитового гравия вместо части плотного крупного заполнителя и замена мелкого плотного заполнителя на гранулированный доменный шлак приводят к повышению коэффициента конструктивного качества, то есть снижение прочности при сжатии бетона компенсируется еще более существенным снижением плотности материала, а значит снижением массы.
Максимальное повышение коэффициента конструктивного качества бетона на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака наблюдается при замене части крупного плотного заполнителя керамзитового гравия в количестве 60 % от общего объёма крупного заполнителя в составе бетонной смеси и объёмного содержания мелкого заполнителя по отношению к смеси крупных заполнителей в количестве 40 %.
Вывод. В результате проведённых исследований нами сделаны следующие выводы. Технология комбинирования заполнителей, то есть замена части плотного заполнителя, в нашем случае щебня из кварцитных пород и кварцевого песка, на пористые, а именно на керамзитовый гравий фракции 10-20 мм и доменный гранулированный шлак, позволяет добиться существенного снижения плотности бетона за счет уменьшения его массы в среднем на 25–30 %. Тем самым повышается коэффициент конструктивного качества таких бетонов.
Прирост коэффициента конструктивного качества бетона на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака в сравнении с контрольным составом составил максимум 15,6 %.
Тем самым, применяя комплексное рецептурное решение, включающее в себя замену части плотных крупного и мелкого заполнителей на пористые, существенно снижается вес конструкции, обеспечивается ресурсо- и материалосбережение, а также энергосбережение при производстве и изготовлении таких изделий и конструкций, повышаются прочностные характеристики и достигается положительный эффект при строительстве зданий и сооружений в целом.
1. Астраханкина О.А. Конструкционные облегченные бетоны на комбинированных заполнителях. дисс. канд. техн. наук. СПб, 1999. 174 с.
2. Абдыкалыков Т.А., Джамаева А.М. Облегченные мелкозернистые бетоны на основе композиционных вяжущих веществ // Материаловедение. 2017. № 2(22). С. 20-23.
3. Бугаевский С.А. Применение самоуплотняющегося бетона в технологии устройства облегченных железобетонных перекрытий // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2015. № 69. С. 79-90.
4. Савенков А.И., Савенков В.А. Облегченные вариатропные железобетонные перекрытия // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2016. Т. 1. № 1. С. 288-293.
5. Коянкин А.А. Облегченное сборно-монолитное перекрытие // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 6(105). С. 636-641.
6. Беляев А.В. К расчету трехслойных железобетонных плит перекрытий // Инженерный вестник Дона. 2015. № 1-2(34) [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1p2y2015/2815 (дата обращения: 08.07.2021).
7. Кокорина Д.В., Сумарокова Л.С., Капустин Ф.Л. Подбор состава бетона на безобжиговом зольном гравии // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. 2017. С. 521-523.
8. Акулова М.В., Исакулов Б.Р., Джумабаев М.Д., Толеуов Т.Ж. Получение мелкозернистого арболитобетона на основе твердых фруктовых отходов // Научное обозрение. 2016. № 14. С. 107--115.
9. Гаврилов А.В., Алоян К.Д., Доброхотов В.Б., Придатко Ю.М. Совершенствование технологии получения облегченных бетонов // Шестьдесят восьмая всеросс. науч.-технич. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: сборник материалов конференции. Ярославский государственный технический университет. 2015. С. 765-767.
10. Щербинина Е.О., Панова В.Ф., Панов С.А. Бетон для монолитного домостроения с применением вторичноминеральных ресурсов (ВМР) // Материалы и технологии XXI века: сборник статей ХIV Междунар. науч.-технич. конф. Автономная некоммерческая научно-образовательная организация «Приволжский Дом знаний». 2016. С. 247-250.
11. Маилян Д.Р., Меретуков З.А., Беляев А.В., Умаров Р.Г. Особенности деформационного расчета трехслойных железобетонных плитных конструкций // Инженерный вестник Дона. 2020. № 10. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6641 (дата обращения: 08.07.2021).
12. Лесовик В.С., Мосьпан А.В. Конструкционно-теплоизоляционные прессованные силикатные изделия на гранулированных заполнителях // Известия КГАСУ. 2012. № 3(21). С. 144-150.
13. Karaburc S.N., Yildizel S.A., Calis G.C. Evaluation of the basalt fiber reinforced pumice lightweight concrete // Magazine of Civil Engineering. 2020. 94(2). Pp. 81-92.
14. Begich Y.E., Klyuev S.V., Jos V.A., Cherkashin A.V. Fine-grained concrete with various types of fibers. // Magazine of Civil Engineering. 2020. № 97(5). 9702. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://doi.org/10.18720/MCE.97.2 (дата обращения: 09.07.2021).
15. Vieira G.B., Petrichenko M.R., Musorina T.A., Zaborova D.D. Behavior of a hollowed-wood ventilated façade during temperature changes // Magazine of Civil Engineering. 2018. № 3(79). Pp. 103-111.
16. Карпенко Н.И., Каприелов С.С., Петров А.Н., Безгодов И.М., Моисеенко Г.А., Степанов М.В., Чилин И.А. Исследование физико-механических и реологических свойств высокопрочных сталефибробетонов из самоуплотняющихся смесей // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2017 году: Сборник научных трудов Российской академии архитектуры и строительных наук. Издательство АСВ. 2018. С. 237-246.
17. Stel'makh S.A., Shcherban E.M., Shuyskiy A.I., Nazhuev M.P. Theoretical and practical aspects of the formation of the variational structure of centrifuged products from heavy concrete // Materials Science Forum. 2018. Т. 931. Pp. 502-507.
18. Stel'makh S.A., Shcherban E.M., Zholobova O.A. Prescription and Technological Aspects of Manufacturing High-Quality Centrifuged Products and Structures from Heavy Concrete // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Т. 463. 022056. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: https://doi.org/10.1088/1757-899X/463/2/022056 (дата обращения: 09.07.2021).
19. Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Маилян Л.Р., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Изучение характера механизма дрейфа компонентов бетонной смеси при производстве центрифугированных колонн вариатропной структуры на примере физической модели движения заполнителей // Строительство и архитектура. 2017. Т. 5. № 4. С. 229-233.
20. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Нажуев М.П., Рымова Е.М., Лиев Р.А. Влияние вида заполнителя и дисперсного армирования на деформативность виброцентрифугированных бетонов // Вестник евразийской науки. 2018. № 5. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: www.esj.today/PDF/51SAVN518.pdf (дата обращения: 09.07.2021
