CC BY
3
УДК 666. 97(075.8)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМ ПОСРЕДСТВОМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В
БЕТОНЕ МИКРОНАПОЛНИТЕЛЕЙ
Е.В. Васильева, В.М. Федоров
ENSURING THE SAFETY AND RELIABILITY OF ELEMENTS OF WATER MANAGEMENT SYSTEMS THROUGH THE USE OF MICRO-FILLERS IN CONCRETE
E.V. Vasilyeva, V.M. Fedorov
Аннотация. В статье произведена оценка эффективности применения микронаполнителей в составе гидротехнического бетона плит и труб, широко используемых на водохозяйственных системах. Используемые в настоящее время на основе молотых минеральных материалов микронаполнители, способствуют увеличению себестоимости элементов и конструкций. Предлагаемые - зола-унос, известняковая пыль и керамзитовая пыль, являясь промышленными отходами региональных производств, не только обеспечивают повышение эксплуатационных качеств и надежности бетона, но, за счет утилизации, положительным образом влияют и на минимизацию ущерба для окружающей среды.
Ключевые слова: микронаполнитель; тонкодисперсный компонент; зола-унос; известняковая и керамзитовая пыль; надежность; бетон; элементы; цемент; заполнители; прочность и прочностные показатели; трещиностойкость и долговечность; образцы; эксплуатационные свойства
Annotation. The article evaluates the effectiveness of the use of micro-fillers in the composition of hydraulic concrete slabs and pipes, which are widely used in water management systems. The micro-fillers currently used on the basis of ground mineral materials contribute to an increase in the cost of elements and structures. The waste-fly ash, limestone dust and expanded clay dust, being industrial waste of regional production, not only provide an increase in the performance and reliability of concrete, but, due to recycling, have a positive effect on minimizing damage to the environment.
Keywords: micro-filler; fine component; fly ash; limestone and expanded clay dust; reliability; concrete; elements; cement; aggregates; strength and strength indicators; crack resistance and durability; samples; operational properties.
Введение
Надёжность бетонных и железобетонных элементов во многом определяется физико-механическими свойствами бетона, зависящими от качества слагающих его компонентов. Большинство природных заполнителей, особенно песков, в связи с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц, являются некондиционными. Пылевидные и особенно глинистые частицы создают на поверхности зёрен заполнителя плёнку, препятствующую сцеплению их с цементом. В результате прочность бетона значительно понижается. На практике отрицательное влияние некондиционного заполнителя компенсируют повышением расхода цемента, что недопустимо. В связи с этим, для экономии цемента в состав бетонной смеси рекомендуют введение микронаполнителя -тонкодисперсного компонента [1- 4].
Исходные данные
Современное бетоноведение не в состоянии однозначно и доказательно оценить роль
тонкодисперсных (пылевидных, молотых минеральных материалов, и др.) компонентов в структурообразовании бетона на некондиционных заполнителях. Однако, исходя из общетеоретических представлений, можно предположить, что из «пассивной» компоненты смеси, тонкодисперсная составляющая, по-видимому, переходит в «активную» , когда наиболее мелкие частицы, близкие по размерам к коллоидным, располагаясь между зёрнами цемента или вблизи них образуют новые центры кристаллизации в контактной зоне цемента (см. рис. 1), дополнительно повышая прочность цементного камня и бетона. Именно этим можно объяснить достаточно значительный (на 20-25 %) рост прочности бетона с тонкодисперсными компонентами на некондиционных заполнителях с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц.
а) б)
компонента; б - с добавкой тонкодисперсного компонента; 1 - заполнитель; 2 - плёнка на поверхности заполнителя; 3 - зёрна цемента; 4 - вода; 5 - вода с добавкой ; 6 - зёрна
тонкодисперсной составляющей
Наиболее желательно было бы применение молотых минеральных материалов. Но использование их в смесях приводит к повышению себестоимости бетонных и железобетонных элементов. Поэтому, учитывая особенности сырьевой базы СевероКавказского региона, большой практический интерес представляет изучение возможности применения в качестве микронаполнителей тонкодисперсных промышленных отходов. О целесообразности такого направления исследований свидетельствует тот факт, что только на региональных заводах (карьерах) по производству известняка и керамзита ежемесячно вывозится в отвалы порядка 500 т известняковой пыли и 200 т керамзитовой, а Новочеркасская ГРЭС является крупнейшим поставщиком золы-унос, отгрузка которой может производиться практически в неограниченных количествах.
Цель работы. Оценка эффективности микронаполнителей - золы-унос, известняковой и керамзитовой пыли в составе гидротехнического бетона.
Задача исследования. Выявление влияния тонкодисперсных промышленных отходов (золы-унос, известняковой и керамзитовой пыли) на эксплуатационные качества гидротехнического бетона плит и труб, широко используемых на водохозяйственных системах.
Методика и результаты исследований
Бетонные и железобетонные плиты креплений и плиты покрытий работают в сложных условиях, подвергаясь попеременному водонасыщению и высушиванию, отрицательно влияющих на их эксплуатационные свойства, прежде всего на прочность, трещиностойкость и долговечность. Указанные свойства оценивались нами на основе изменения прочности при изгибе бетонных образцов, находящихся в среде с переменной влажностью окружающей среды. При этом сравнивались прочностные показатели при изгибе затвердевших образцов, после насыщения их водой, с прочностными показателями аналогичных образцов, после насыщения их водой и дополнительного выдерживания в
Вестник науки и образования Северо-Запада России, 2021, Т.7, №2
- http://vestnik-nauki.ru -^ 2433-9888
воздушно-сухих условиях, при относительной влажности воздуха от 40 до 60 % в течение от 12 до 36 часов и, по полученным коэффициентам оценивались трещиностойкость и долговечность бетонов [5,6].
Для выяснения влияния добавки золы-унос на прочность, трещиностойкость и долговечность бетона было осуществлено приготовление бетонных смесей контрольного состава (без золы-унос) и с добавлением золы-унос (80-280 кг/м3).
Для каждого из опытов изготавливались шесть образцов-призм 40*40*160 мм. Далее, образцы пропаривались и погружались в воду для полного водонасыщения. По истечении
двух суток, по три образца каждого из опытов испытывались на изгиб (Л™ ). Остальные три образца, после извлечения из воды, дополнительно, в течение 36 часов, выдерживались в воздушно-сухих условиях, после чего также испытывались на изгиб (^иух). Трещиностойкость и долговечность оценивалась величиной Ктр = Л™/Лиух (табл. 1).
Таблица 1 - Влияние золы-унос на эксплуатационные свойства бетона
№ состава Цемент, кг/м3 Зола-унос (З) Эксплуатационные свойства
Ливл Лисух Ктр = Ливл/Лисух
кг/м3 % от массы Ц МПа % МПа %
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 330 0 0 4,66 100 5,24 100 0,89
2 330 80 25 4,76 102 4,65 89 1,02
3 330 160 50 5,71 123 5,65 108 1,01
4 330 240 75 5,94 128 5,89 113 1,01
5 330 280 85 5,87 126 5,75 110 1,02
Как следует из приведенных в таблице данных, введение золы-унос в бетонные смеси в количестве от 160 до 280 кг/м3 взамен части песка, обеспечивает не только прирост прочности бетона. Ввиду равенства прочностных показателей (Ктр = 1), повышается
трещиностойкость и долговечность бетонных элементов, работающих в условиях переменной влажности, характерных для водохозяйственных систем.
Что касается центрифугированного бетона железобетонных труб, то в отличии от обычного вибрированного бетона плит, добавление сухой пылевидной золы в заводской состав центрифугированного бетона труб не обеспечило повышение эксплуатационных качеств (трещиностойкости, долговечности) бетона. Предположительно, обусловлено это распределением частиц в процессе центрифугирования бетонной смеси. Под действием центробежных сил, наиболее мелкие частицы пылевидной золы-унос, соразмерные с коллоидными, способны удаляться из бетонной смеси вместе с отжимаемой при центрифугировании избыточной водой затворения. Поэтому, было решено отказаться от использования золы-унос в составе центрифугированного бетона железобетонных труб, и изучить влияние добавки известняковой пыли, а затем и керамзитовой пыли, на качества центрифугированного бетона.
Известняковая пыль добавлялась в заводской состав бетонной смеси взамен части песка (или цемента). Дозировку воды в каждом опыте подбирали экспериментальным путем, исходя из условия получения смесей с равной подвижностью. Используя приготовленные бетонные смеси изготавливали призматические образцы размером 40*40*160 мм и образцы-цилиндры, высотой и диаметром 30 мм. Цилиндрические образцы изготавливали на центрифуге в специальных формах (см. рис. 2).
ISSN 2413-9858
Рисунок 2 - Образцы центрифугированного мелкозернистого бетона
Далее, образцы подвергали тепловлажностной обработке по режиму 4+3+6+4. После чего, призматические образцы испытывали на изгиб, их половинки на сжатие, а цилиндрические образцы испытывали на раскалывание вдоль образующей. Результаты испытаний приведены в табл.2.
Таблица 2 - Влияние известняковой пыли на прочность бетона
№ Цемент, Известняковая пыль Прочность образцов после ТВО
состава кг/м3 (ИП) ^изгиб ^сжатие усилие на раскалывание
кг/м3 % от массы Ц МПа % МПа % Н %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 560 0 0 4,58 100 19,8 100 3902 100
2 420 140 25 4,67 102 19,2 97 4097 105
3 390 170 30 4,35 95 15,6 79 3668 94
4 570 170 30 6,18 135 25,7 130 5424 139
5 570 200 35 5,73 125 23,8 120 4956 127
Из приведенных в табл. 2 данных следует, что добавление известняковой пыли, обеспечивает, без ухудшения прочностных показателей, уменьшение расхода цемента на 25 %. При добавлении известняковой пыли не вместо цемента, а вместо части песка, прочностные показатели образцов-балочек повышаются менее значительно, чем центрифугированных образцов-цилиндров. Лучшая дозировка добавки известняковой пыли в составе смеси около 170 кг/м3 (30 % от массы цемента). При этом, прочностные показатели центрифугированных цилиндрических образцов на растяжение при раскалывании повышаются на 25-40 % без увеличения дозировок цемента.
Ниже, в табл. 3 приведены результаты испытаний образцов с добавлением керамзитовой пыли. Нетрудно заметить, что применение известняковой пыли в составе центрифугированного бетона железобетонных труб, несколько предпочтительнее. В основе повышенных прочностных показателей лежит то обстоятельство, что величина сцепления цементного камня с известняковой пылью существенно выше, чем с керамзитовой. В отличие от керамзитовой пыли, известняковая, благодаря особенностям кристаллохимического строения, обладает большей способностью к физико-химическому взаимодействию с продуктами гидратации цемента, что повышает монолитность структуры бетона и его прочностных показателей.
Таблица 3 - Влияние керамзитовой пыли на прочность бетона
№ Цемент, Керамзитовая пыль Прочность образцов после ТВО
состава кг/м3 (КП) ^изгиб Rсжатие усилие на раскалывание
кг/м3 % от массы Ц МПа % МПа % Н %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 560 0 0 4,58 100 19,8 100 3902 100
2 420 140 25 4,17 91 16,8 85 3668 94
3 570 170 30 5,59 122 22,8 115 4995 128
4 570 200 35 5,22 114 21,0 106 4487 115
Заключение
Повышению эксплуатационных качеств гидротехнического бетона уделяют особое внимание, поскольку выполненные из него элементы и конструкции работают в сложных природно-климатических условиях. На практике, повышение прочности, трещиностойкости и долговечности бетона элементов водохозяйственных систем обеспечивают повышенным расходом цемента или использованием тонкомолотых минеральных материалов, что приводит к увеличению себестоимости элементов и конструкций. В связи с этим, для повышения эксплуатационных свойств гидротехнического бетона плит и труб, рекомендовано, в состав бетонной смеси введение микронаполнителя в виде одного из тонкодисперсных промышленных отходов - золы-унос, известняковой или керамзитовой пыли. Предложенные микронаполнители обеспечивают повышение прочностных показателей гидротехнического бетона, улучшают его эксплуатационные качества и надежность, а при необходимости уменьшают и расход цемента, без снижения прочности бетона. Кроме этого, обеспечивается утилизация тонкодисперсных (пылевидных) промышленных отходов, что положительным образом скажется на окружающей среде и качестве жизни общества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоров В.М. Оценка надёжности водопроводящей сети оросительных систем // Научный журнал КубГАУ, 2011. № 65(01). 10 с.
2. Федоров В.М., Васильева Е.В., Яковенко Е.А. Безопасные и надежные сооружения водохозяйственных систем из укатанных бетонов. Новочеркасск: Лик, 2019. 166 с.
3. Патент 2028279 РФ МПК В 28 В 11/00. Способ приготовления бетонной смеси / А.М. Питерский, В.М. Федоров, В.М. Пилипенко, Е.А. Шляхова, А.А. Лисконов, 1995. Бюл. № 4.
4. Сергеев Б.И., Федоров Вад.М., Федоров В.М. Водопроводящие сооружения из полимерных материалов // Гидротехника и мелиорация,1982. №1. С.26-30.
5. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981. 262 с.
6. Авторское свидетельство 346668 СССР МПК В28 В 13/00. Способ определения долговечности бетона / А.Е. Шейкин,1973. Бюл. № 37.
REFERENCES
1. Fedorov V. M. Ocenka nadyozhnosti vodoprovodyashchej seti orositel'nyh system [Evaluation of the reliability of the water supply network of irrigation systems]. Nauchnyj zhurnal KubGAU. 2011. No. 65 (01). 10 p.
2. Fedorov V.M., Vasilyeva E.V., Yakovenko E.A. Bezopasnye i nadezhnye sooruzheniya vodohozyajstvennyh sistem iz ukatannyh betonov [Safe and reliable structures of water management systems made of rolled concrete]. Novocherkassk: Lik, 2019. 166 p.
3. Patent 2028279 RF IPC V 28 V 11/00. Sposob prigotovleniya betonnoj smesi [A method for preparing a concrete mixture]. A.M. Petersky, V.M. Fedorov, V.M. Pilipenko, E.A. Shlyakhova, A.A. Liskonov, 1995. Byul. no. 4.
4. Sergeev B. I., Fedorov VAD.M., Fedorov V. M. Vodoprovodyashchie sooruzheniya iz polimernyh materialov [Water-conducting structures of polymeric materials]. Gidrotekhnika i melioraciya. 1982. No. 1, pp. 26-30.
5. Voznesensky V.A. Statisticheskie metody planirovaniya eksperimenta v tekhniko-ekonomicheskih issledovaniyah. [Statistical methods of experiment planning in technical and economic studies]. Moscow: Finance and statistics, 1981. 262 p.
6. Copyright certificate 346668 USSR IPC B28V 13/00. Sposob opredeleniya dolgovechnosti beton [A method for determining the durability of concrete]. A.E. Sheikin, 1973. Byul. No. 37.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Васильева Елена Викторовна Южно-Российский государственный политехнический университет (НИИ) им. М.И.Платова, г. Новочеркасск, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность», E-mail: karalenka5@yandex.ru
Vasilyeva Elena Viktorovna South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov, Novocherkassk, Russia, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of "Ecology and Industrial Safety",
E-mail: karalenka5@yandex.ru
Федоров Виктор Матвеевич Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова, Донской государственный аграрный университет, г. Новочеркасск, Россия, доктор технических наук, профессор кафедры «Техносферная безопасность и нефтегазовое дело», E-mail: viktor-fedorov1955@yandex.ru
Fedorov Viktor Matveyevich Novocherkassk Engineering and Reclamation Institute named after A.K. Kortunov, Donskoy State Agrarian University, Novocherkassk, Russia, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department "Technical Safety and Oil and Gas Business", E-mail: viktor-fedorov1955@yandex.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 346428, Россия, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮрГПУ(НПИ), Васильева
Е.В.,89085080528
