CC BY
47
УДК 627.823
UDC 627823
СБОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОРОСИТЕЛЬНОИ СЕТИ ИЗ БЕТОНА С МИКРОНАПОЛНИТЕЛЕМ
Федоров Виктор Матвеевич к.т.н., профессор
Новочеркасская государственная мелиоративная академия, Россия
В статье показана целесообразность применения золы-унос и керамзитовой пыли в бетоне плит и труб, широко используемых на проводящих сетях оросительных систем
Ключевые слова: ДОБАВКИ, МИКРОНАПОЛНИТЕЛЬ, ОТХОДЫ, ЗОЛА, КЕРАМЗИТОВАЯ ПЫЛЬ, ПЛИТЫ, ТРУБЫ, БЕТОН, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ФАКТОРЫ
IRRIGATING SYSTEMS OF CONCRETE WITH MICROFILLER MODULAR ELEMENTS
Fedorov Victor Matveevich Cand. Tech. Sci., professor
Novocherkassk State Reclamation Academy, Novocherkassk, Russia
In the article the expediency of application of ashe-ablation and claydite dust in concrete slabs and pipes widely used in the conducting grids of irrigation systems is shown
Keywords: ADDITIVES, MICRO FILLER, WASTE, ASHES, EXPANDED CLAY DUST, PLATES, PIPES, CONCRETE, CRACK RESISTANCE, ENDURANSE, RESISTANCE, MATHEMATICAL MODEL, FACTORS
Эксплуатационная 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 цементным камнем. В результате прочность бетона значительно понижается [1]. На практике отрицательное влияние некондиционного заполнителя компенсируют повышением расхода цемента, что недопустимо. В связи с этим, для экономии цемента в состав бетонной смеси предлагается введение микронаполнителя.
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 Северо-Кавказского 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 керамзитовых заводах ежемесячно вывозится в отвалы порядка 170 т керамзитовой пыли, а Новочеркасская ГРЭС является крупнейшим поставщиком золы-унос, отгрузка которой может производиться практически в неограниченных количествах.
В связи с вышеизложенным, в задачу исследований входило выявление влияния тонкодисперсных промышленных отходов (золы-унос, керамзитовой пыли) на эксплуатационные качества гидротехнического бетона плит и труб, широко используемых на проводящих сетях оросительных систем.
Железобетонные плиты креплений и плиты покрытий работают в сложных условиях, подвергаясь попеременному водонасыщению и высушиванию, отрицательно влияющих на их эксплуатационные свойства, прежде всего на трещиностойкость и долговечность. Указанные свойства оценивались нами на основе изменения прочности при изгибе бетонных образцов, находящихся в среде с переменной влажностью окружающей среды [2]. 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 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 исследуемых бетонов.
Для выяснения влияния добавки золы-унос на трещиностойкость и долговечность бетона был использован двухфакторный симплекс-суммируемый план на правильном шестиугольнике. Этот план, несмотря на то, что не является оптимальным по статистическим характеристикам, выбран из-за его экономичности. По результатам всего семи опытов он
позволяет получить квадратичные двухфакторные модели исследуемых систем. Выбранные в качестве исследуемых факторов расход золы-унос в смесях (фактор х1) варьировался в диапазоне от 0 до 320 кг/м , а расход цемента (фактор х 2), с учётом составов бетона плит изменялся в опытах от
3
180 до 330 кг/м (табл. 1). Матрица и результаты эксперимента
представлены в таблице 2.
Таблица 1 - Кодирование и варьирование факторов
Факторы Код X Основной уровень, X 0, % Интервал варьирования Нижний уровень, «-» Верхний уровень, «+»
Зола-унос X1 160 160 0 320
Цемент X 2 255 75 180 330
Таблица 2 - Реализация плана эксперимента
Номер опыта План X2 22 ^ 2 Факторы ВивЛ в сух Ктр
X1 X 2 X (З) X2 (Ц)
1 0,5 -0,87 0,25 0,75 -0,43 240 180 31,0 30,8 1,01
2 -0,5 0,87 0,25 0,75 -0,43 80 330 47,6 46,5 1,02
3 0 0 0 0 0 160 255 45,8 39,9 1,15
4 -0,5 -0,87 0,25 0,75 0,43 80 180 22,3 22,1 1,00
5 -1 0 1 0 0 0 255 35,7 37,2 0,96
6 +1 0 1 0 0 320 255 46,4 54,4 0,85
7 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 240 330 59,4 58,9 1,01
IXiYk -11,0 2,0 282 303 -1,0 700
Для каждого из опытов изготавливались шесть образцов-призм 40x40x160 мм. Далее, образцы пропаривались и погружались в воду для полного насыщения водой. По истечении двух суток по три образца каждого из семи составов испытывались на изгиб (я^л). Остальные три образца после извлечения из воды дополнительно, в течение 36 часов, выдерживались в воздушно-сухих условиях, после чего также испытывались на изгиб (виух). Трещиностойкость и долговечность согласно [2] оценивалась величиной Ктр = в“/в^ух . В результате обработки
экспериментальных данных и расчёта по известной методике [3] коэффициентов уравнения регрессии была получена начальная математическая модель = 102 • Ктр:
& = 115 - 3,7X1 + 0,7X2 - 24,5X2 -10,5X2 - 1,3^Х2. (1)
Расчёт критических величин коэффициентов и исключение статистически незначимого (ь2), позволили получить конечную математическую модель (^а = 2,7 < = 3,8):
= 115 - 3,7X1 - 24,5X! -10,5X22 -1,3X1X2 . (2)
Анализ математической модели (2) показал, что равнопрочность (К^р = 1) бетонных образцов, находящихся в среде с переменной
влажностью окружающей среды наблюдается в широком диапазоне расходов золы-унос. Учитывая целесообразность максимального использования летучих зол в бетонах, независимо от их марки, количество золы-унос на 1 м смеси может быть доведено до 240-280 кг. Дальнейшее увеличение расхода золы-унос приводит к снижению трещиностойкости и долговечности бетона. Таким образом, введение летучих зол в бетонные смеси в оптимальных количествах обеспечивает не только экономное расходование цемента, но и повышает трещиностойкость и долговечность бетонных и железобетонных элементов (конструкций), работающих в условиях переменной влажности, характерных для водохозяйственных объектов.
В отличие от обычного бетона использование добавки золы в составе центрифугированного бетона железобетонных труб не привело к повышению эксплуатационных качеств бетона. Возможно, это связано с распределением частиц в процессе центрифугирования бетонной смеси. Под действием центробежных сил мельчайшие частицы золы, близкие по размерам к коллоидным, могут удаляться из бетонной смеси вместе с избыточной водой затворения, отжимаемой при центрифугировании из
бетонной смеси. В связи с этим было принято решение отказаться от использования золы в составе центрифугированного бетона железобетонных труб и исследовать влияние добавки керамзитовой пыли на свойства центрифугированного бетона.
Керамзитовая пыль вводилась в бетонную смесь заводского состава взамен части песка (или цемента). Количество воды затворения в каждом опыте подбирали экспериментально из условия получения равноподвижных смесей. Из приготовленных бетонных смесей формовали образцы-призмы 40*40*160 мм и цилиндры диаметром и высотой 30 мм. Цилиндры формовали на лабораторной центрифуге в специальных формах. Затем образцы подвергались тепловлажностной обработке по режиму 4+3+6+4. Далее, призмы испытывались на изгиб, их половинки на сжатие, а цилиндры испытывали на раскалывание вдоль образующей. Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Влияние керамзитовой пыли на прочность бетона
№ состава Цеме нт, кг/м3 Керамзитовая пыль (КП) Прочность образцов после ТВО
-^изгиб -^сжатие усилие на раскалывание
кг/м3 % от массы Ц МПа % МПа % Н %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 517 - 0 2,96 100 12,8 100 2785 100
2 385 130 25 3,00 102 12,4 97 2896 104
3 372 158 30 2,72 92 10,1 79 2613 94
4 525 53 10 3,67 124 17,6 137 3287 118
5 525 103 20 3,52 119 17,1 134 3537 127
6 525 130 25 3,78 128 16,2 126 3928 141
7 525 158 30 3,89 132 16,8 131 3815 137
8 525 185 35 - - - - 3120 112
9 525 210 40 3,44 120 14,3 112 2590 93
10 525 310 50 2,98 101 13,2 103 2005 72
Как следует из представленных в таблице 3 данных, добавка керамзитовой пыли позволяет без снижения прочностных показателей сократить расход цемента на 25 %. При введении добавки керамзитовой пыли не за счёт цемента, а за счёт части песка, прочностные показатели
балочек повышаются в большей мере, чем центрифугированных цилиндров. Оптимальная дозировка добавки керамзитовой пыли находится в пределах 100-160 кг/м (20-30 % от массы цемента). При этом прочность центрифугированных образцов на растяжение при раскалывании повышается на 25-40 % без снижения расхода цемента.
На материалах завода напорных труб были изготовлены образцы центрифугированных бетонных труб диаметром 180 мм, длиной 300 мм с добавкой керамзитовой пыли в количестве 25 % от массы цемента, вводимой за счёт частичной замены песка и для получения сравнительных данных - без керамзитовой пыли. Опытные образцы труб после пропаривания подвергали испытаниям на гидростатическое давление. Образец без добавки выдержал давление 0,5 МПа, а труба с добавкой 25 % керамзитовой пыли разрушилась при давлении воды в ней 0,9 МПа. Добавка керамзитовой пыли повысила прочность на растяжение центрифугированного бетона на 80 %.
Испытания изготовленных в кольцевых формах одновременно с формованием труб бетонных образцов показали, что опытный состав центрифугированного бетона с добавкой 25 % керамзитовой пыли по сравнению с контрольным (заводским) прочнее при раскалывании на 1720 %. Водопоглощение бетона с добавкой на 0,5-0,7 % ниже, чем контрольного. Таким образом, введение добавки керамзитовой пыли в состав центрифугированного бетона железобетонных труб позволяет существенно повысить его прочностные показатели, на 15-20 % снизить расход цемента без ухудшения прочности бетона, повысить трещиностойкость и водонепроницаемость труб, улучшить их качество и снизить процент брака при изготовлении труб по существующей технологии.
Что касается технологии применения добавки золы или керамзитовой пыли в производственном процессе по изготовлению
сборных элементов, то она не имеет принципиальных отличий от применения в производстве других известных порошкообразных материалов, в частности, цемента.
Транспортировка, перегрузочные операции и хранение на складе золы и керамзитовой пыли при поступлении их в россыпи (навалом) сопряжено с большими потерями от распыления и ухудшениями условий труда. В связи с этим, все операции по выгрузке поступающих на завод микронаполнителей и последующему их перемещению по технологической цепочке должны быть комплексно механизированы с использованием оборудования, предназначенного для работы с цементом.
Необходимая ёмкость склада золы (или керамзитовой пыли) зависит от мощности завода по производству сборных элементов и должна обеспечивать не менее 5-7-суточную потребность в микронаполнителе.
Наиболее совершенным средством для доставки микронаполнителя на завод-потребитель являются цементовозы-цистерны с пневматической разгрузкой, позволяющей без дополнительных приёмных устройств подавать золу или керамзитовую пыль в силосный склад на расстояние по горизонтали до 50 м и на высоту до 25 м. Часть микронаполнителя может непосредственно подаваться в расходный бункер, минуя силосы склада.
Для подачи золы (или керамзитовой пыли) в бетоносмесительное отделение, в зависимости от местных условий, может быть использован пневмотранспорт, аэрожёлобы, шнеки, эрлифты, виброжёлобы и другое герметичное типовое оборудование, применяемое в цементоводах.
Дозирование добавки микронаполнителя в бетоносмеситель должно осуществляться дозирующими устройствами, обеспечивающими точность дозирования на замес в пределах ±1 % по массе добавки, заданной заводской лабораторией.
Оптимальная дозировка золы или керамзитовой пыли, зависящая от особенностей используемых в производстве сборных элементов
материалов и специфики технологических процессов на каждом предприятии, должна устанавливаться опытным путём заводской лабораторией и уточняться по мере изменения характеристик сырья и технологических режимов изготовления элементов.
Приготовление бетонной смеси с добавкой микронаполнителя можно осуществлять в бетоносмесителях любого типа, обеспечивающих заданную производительность и однородность перемешивания бетонной смеси.
Список литературы
1. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1984. 672 с.
2. А.С. 346668, СССР. 1973. С 01n 33/38. Способ определения долговечности бетона.
3. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в техникоэкономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981. 262 с.
