CC BY
34Лесовик Р.В., канд. техн. наук, доцент, Глаголев Е.С. инженер, Савин А.В. инженер,
Белгородский государственный технологический университет им. В.ГШухова.
СТРУКТУРНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА БЕТОНОВ ДЛЯ МОНОЛИТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Приводятся исследования по расчету и подбору высокоплотных гранулометрических составов заполнителя и свойств бетонов с их использованием. Установлено, что с увеличением объемной доли крупного заполнителя и всего заполнителя прочность и плотность бетона возрастает, а расход цемента уменьшается. Величина его зависит от плотности упаковки зерен в зернистой смеси и коэффициента разъединения зерен цементным тестом.
Ключевые слова: гранулометрический состав, бетон, заполнитель, свойства бетонной смеси, плотность упаковки зерен
В последние годы ежегодное производство бетона для монолитного строительства в мире превышало полтора миллиарда кубометров в год. По объему производства и применения монолитный бетон намного опережает другие виды строительных материалов.
Вместе с тем физико-технические свойства высокопрочных бетонов для монолитного строительства изучены еще недостаточно. Необходимые для проектирования элементов конструкций расчетные характеристики не имеют полного обоснования.
К материалам, используемым для приготовления высокопрочного бетона, предъявляются повышенные требования, обеспечивающие получение бетона нужной прочности при максимально возможной экономии цемента.
В настоящее время ряд современных научных разработок в строительном материаловедении позволяют значительно изменять структуру и свойства цементного камня и бетона. Эти изменения в основном направлены в сторону повышения прочности бетона и качества бетонной смеси в результате снижения пористости, создания мелкопористой и мелкокристаллической структуры цементного камня.
Необходимыми условиями для получения высокопрочного бетона с оптимальным (минимально необходимым) расходом вяжущего вещества, по нашему мнению, являются:
- создание высокоплотной упаковки зерен крупного и мелкого заполнителя и всей зернистой смеси с целью снижения расхода минерального вяжущего вещества, получения зернистого каркаса и вовлечение его в работу при сжатии (изгибе);
- использование высокопрочного модифицированного вяжущего вещества типа ВНВ (вяжущего низкой водопотребности);
- введение в бетонную смесь эффективных пластифицирующих добавок для снижения водопо-требности и ее разжижения;
- введение в цементное тесто или бетонную смесь активных минеральных добавок микро- и на-норазмерного уровня дисперсности, а также силикатных гелей или их растворов олигомерного состава с целью получения мелкокристаллической структуры цементного камня и др.
Не вызывает сомнения, что прочность цементного камня при одинаковом значении В/Ц отношения больше прочности затвердевшего строительного раствора, а прочность растворной части меньше прочности бетона. Помимо того, что динамические модули упругости цементного камня ((2,3...4)-104 МПа) и заполнителя ((6,5 .. ,7)-104 МПа) различны в оболочках усадочного цементного камня на зернах мелкого заполнителя в зависимости от их толщины и большого радиуса кривизны в контактной поверхности, развиваются реверсивные усадочные деформации. При определенных условиях отношения ^5, где ^ 5 - размер частиц мелкого заполнителя и толщина минеральной оболочки на них, это приводит к локальному отслоению цементного камня от поверхности зерен, к снижению прочности сцепления фаз в контактной зоне и появлению очагов трещи-нообразования.
Согласно [1] обжатие зерен минеральной оболочкой в усадочных цементных композитах наступает при ^5=10...8.
Так, при 5=0,015 мм из этого отношения получим d=0,3...0Д5 мм. Это несколько больше, чем нормативное значение d>0,14 мм. В отдельных случаях (строительные растворы) допускается d>0,1 мм. Однако, при этом следует обеспечить выполнение равенства 12,24<^/5<20 для самой мелкой фракции зерен заполнителя (наполнителя), при котором:
фз=о/а3=о/(1,2656.1,3333) (2)
5<[(а-1)/2]^тт, (3)
где dmin - средний размер наиболее мелкой фракции песка в зернистой смеси.
Так из выражения (3) при dmJn=0,2 мм получим 5<0,01 мм. Следовательно, на зернах различных размеров в строительном растворе или бетоне формируются минеральные оболочки различных размеров. Однако, при перемешивании и уплотнении растворных и бетонных смесей толщина минеральной оболочки на зернах мелкого заполнителя, попадающих в промежутки между крупными зернами, возрастает в результате внедрения их в оболочки крупных зерен. Это позволяет минимизировать общий коэффициент раздвижки зерен в бетонных смесях с использованием пластифицирующих добавок.
Из этого выражения следует, что для снижения расхода вяжущего или увеличения расхода заполнителя в строительном растворе или в растворной части бетона следует увеличивать плотность упаковки в них зерен заполнителя. Это достигается расчетом и подбором рационального гранулометрического состава высокоплотной смеси, а для обеспечения заданной подвижности следует использовать пластифицирующие добавки и вести подбор соответствующего В/Ц отношения для заданной прочности. Наиболее подходящим методом расчета гранулометрического состава является методика, предложенная в работе [2]. Средний размер каждой последующей мелкой фракции для получения высокоплотной зернистой смеси вычисляют по формуле:
dn/dl=(0,2549/nl)(m/3Xn-1), где dn, d1 - средний размер зерен очередной фракции вводимой в наиболее крупную (основу) с размеромd1=20.. .40 мм,
d1 ф=>/20 • 40 мм=28,6 мм,
П1 - плотность упаковки зерен наиболее крупной фракции, п1~0,56. 0,60,
т - класс системы распределения зерен, т=1...12, наиболее подходящим значением т для сохранения каменного каркаса из зерен заполнителя является т=5 .. .7, п- порядковый номер каждой необходимой фракции, п=1.8.
Количество каждой фракции потребуется:
а„ = (1 -а„-1)пв]Гог,
°п-1 1=1
где О] - количество по массе первой, наиболее крупной фракции, обычно принимают 01=100 мас. ч. (либо в кг), оп_1 - плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из п-1 фракций, определяют экспериментально путем смешивания п-1 фракций и уплотнения смеси (утряской, вибрацией и др. способом) Оп=1=ы/р:
уп_1 - насыпная плотность уплотненной смеси, р -средняя плотность зерен заполнителя, в - коэффи-
циент разъединения (раздвижки) зерен в смеси частицами вводимой в нее очередной фракции.
Значение этого показателя приводится в работе [2] в пределах 1<Рп<о0.1/пп, где г|п - плотность упаковки зерен каждой вводимой в смесь фракции,
Пп=Гп/р.
В результате экспериментальных исследований многих зернистых смесей нами получено новое выражение для Р'п=(ап_1/г|п)1/(п~1), которое дает возможность получать умеренно подвижные зернистые смеси заполнителя при т<3 и жесткие смеси с сохранением каменного каркаса из крупных зерен при т>3. Это выражение для Р'п дает хорошие результаты, совпадающие с экспериментом при расчете плотности упаковки оп зерен в смеси различной гранулометрии 1<т<12, по методике изложенной в работе [2]. Оно учитывает при этом и количество всех фракций в смеси с различным размером зерен. Так, при вп=1 объемная доля крупных фракций ^=0,445 и т>3 выходит на средний предел (фю>0,45) сохранение жесткого каркаса, тогда как при Р'п и т=3 объемная доля крупных фракций фкз=0,418 не ниже этого минимального предела (фю>0,41). При т>6 объемная доля крупных фракций из которых формируется в бетоне каменный каркас уходит в область псевдотвердого состояния зернистого слоя (фкз>0,545) при в и ф=0,622, при в и ф=0,596. Обмазка зерен цементным тестом (камнем) приводит к скреплению их в образующемся каркасе.
Отсутствие в ряде регионов РФ гранитного щебня приводит к изысканию его заменителей - как продуктов дробления горных пород, так и к проектированию составов мелкозернистых бетонов. Методика расчета высокоплотных зернистых смесей мелкозернистых бетонов аналогична вышеизложенной. Обязательным условием подбора зернового состава для мелкозернистых бетонов является наличие в нем достаточного количества мелкой фракции щебня (с размером зерен 10.5 мм) для создания каменного каркаса из его зерен в бетоне и отсутствие в нем фракции песка с размером зерен, равным или больше размера пустот, образуемых между зернами щебня.
Для этого наиболее подходящими являются зерновые составы прерывистой гранулометрии, где т>4.. .7. Приведем пример подбора класса т системы распределения зерен по размерам и зернового состава для отсева фракций на стандартных ситах. В качестве щебня с размером зерен 10.5 мм использовался отсев данной фракции из продуктов дробления кварцитопесчанника (р=2700 кг/м3) Лебединского ГОКа. Плотность упаковки его зерен п1=0,59, форма зерен - угловатая, средний размер dсp=(10•5)1/2мм=7,07 мм.
Таблица 1
Сравнительные результаты исследований высокоплотных смесей, составленных из гранитного щебня и кварцевого песка
№ п/п Расчетные относит. И средние размеры зерен Ситовые фракции, мм Tin Зерновые составы класса
т=3 m=6 m=12
ßn=l Mac. 4. Mac. доля ön B'n ßn=l Mac. 4. Mac. доля ön B'n Mac. 4. Mac. доля ön B'n
Mac. ч. Mac. доля Mac. 4. Mac. доля
1 1,0 28,6 40... 20 0,58 100 0,298 0,580 100 0,210 0,580 1 100 0,435 0,580 100 0,420 1 100 0,613 0,580 1
2 0,44 12,6 20...10 0,59 43 0,098 0,622 41 0,086 0,622 1 - - - - - - - - - - -
3 0,193 5,51 10...5 0,60 52 0,119 0,675 53 0,111 0,665 1,02 43 0,187 0,683 42 0,176 0,680 1 - - - -
4 0,085 2,43 3...2 0,61 60 0,137 0,729 62 0,130 0,708 1,03 - - - - - - - - - - -
5 0,037 1,06 1,2...1,0 0,62 59 0,135 0,788 68 0,143 0,770 1,03 41 0,178 0,799 43 0,180 0,791 1,05 42 0,258 0,824 1,07
6 0,016 0,46 0,63... 0,31 0,63 53 0,121 0,846 63 0,133 0,830 1,04 - - - - - - - - - - -
7 0,07 0,20 0,31...0,14 0,61 41 0,094 0,892 51 0,107 0,878 1,05 29 0,126 0,884 32 0,134 0,875 1,09 - - - -
8 0,003 0,086 0,14...0,08 0,60 30 0,068 0,921 37 0,078 0,910 1,06 17 0,074 0,937 21 0,088 0,926 1,10 21 0,129 0,880 1,17
Средний размер (dcp мм) и экспериментальная плотность упаковки (ап) зерен в смесях: dqf'^9,6 dcp(7)=9,0 а7=0,880 dcp(7)=14,8 dcp(7)=14,5 a7=0,880
dep^O dcp(s)=8,4 08=0,910 dcp(s)=13,7 dcp(s)=13,2 08=0,920 dcp(s)=17,8 an=0,88
Таблица 2
Зерновой состав заполнителя, полученного из кварцитопесчанника, для мелкозернистого бетона
№ n/n Расчетные относительные и средние размеры зерен Ситовые фракции, мм Плотность упаковки, г|п Зерновой состав класса т=5
Мае. часть Масс. доля Плотность упаковки,ап ßn' Mac. часть Масс. доля Плотность упаковки,ап Расход на 1 м3 бетона, кг
1 1,0 7,07 10...5 0,59 100 0,435 0,59 1,0 100 0,538 0,59 1150
2 0,247 1,75 2,5...1,25 0,61 40 0,174 0,693 0,97 40 0,215 0,693 460
3 0,061 0,43 0,63... 0,314 0,60 46 0,200 0,784 1,07 46 0,247 0,784 520
4 0,015 0,11 0,14...0,1 0,58 44 0,191 0,858 1,10 - - - -
Средний размер зерен в смеси, мм 3,48 4,30
Экспериментальная плотность упаковки, ап 0,860 0,785
Примечание: в числителе - результаты для составов из 7-ми фракций заполнителя, в знаменателе для 8-ми фракций, твердение бетона - в естественно-влажных условиях 28 суток при температуре +20° С.
dn=7,07(0,2549/0,59)4/3(n"1)=7,07 мм(1,0; 0,327; 0,107; 0,034; 0,011...)=7,07мм; 2,31 мм; 0,76 мм; 0,25 мм; 0,08 мм.
dn=7,07(0,2549/0,59)5/3(n"1)=7,07(1,0; 0,247; 0,061; 0,015; 0,004...)=70,7мм; 1,75 мм; 0,43 мм; 0,1 мм.
Наиболее подходящим для отсева фракций на стандартных ситах оказался состав класса т=5.
Результаты последующих расчетов сведены
в таблице 2, где уи(5)=8п3/2; ^1,ю(10)=Пп3/2.
Расход цемента в мелкозернистом бетоне при В/Ц=0,38 и а3=1,2656 составляет:
3110
срц = (1 - 0,784/1,2656) Расход воды:
1 + 3,11 • 0,38
Втт = (1 - 0,784/1,2656)
1000
1 + 3,11 • 0,38
мелкозернистого бетона с различным классом грануломертии заполнителя и содержанием в нем крупного заполнителя приведены в таблице 3.
Из результатов исследования бетона с высокоплотной упаковкой зерен заполнителя следует, что его прочность зависит не только от расхода цемента, пористости и В/Ц отношения, но и от объемной доли в нем крупного заполнителя. Наблюдается общая закономерность повышения прочности, плотность и трещиностойко-сти бетона с увеличением в нем объемной доли всего заполнителя, крупности зерен и объемной доли крупного заполнителя при образовании каменного каркаса из его зерен, где фкз>0,41.. .0,45. Расчет и подбор высокоплотного гранулометрического состава заполнителя для = 174 л / м змелкозернистого бетона приводит к снижению расхода цемента на 20 % при его прочности при сжатии 50 МПа.
= 542 кг/м
Вопт=В/Ц-Ц=0,38-542=206 л/м3.
Результаты вычислений и физико-механических испытаний крупнозернистого и
Свойства бетонной смеси и бетона с различным классом (т=3; 6; 12)
Таблица 3
№ п/п Свойства Показатели свойств
класс гранулометрии
3 6 12 5
1 Объемная доля заполнителя в бетонной смеси 0,695/0,719 0,695/0,719 0,695 0,619
2 Объемная доля крупного заполнителя в бетоне 0,35/0,32 0,517/0,470 0,484 0,425
3 Расход цемента, кг/м3 435 400 435 540
4 Средняя плотность бетона, кг/м3 2350/2385 2345/2390 2360 2270
5 Пористость, % 8/7 7/6 9 8
6 Предел прочности при сжатии, МПа 54,3/52,5 68,4/61,6 56,2 49,7
Вклад в повышение прочности бетона крупного заполнителя можно выразить приближенной зависимостью: Якзб=Якз(фкз/аз)/(1+со8 а), где угол откола обоймы при сжатии образцов обычно а=45°, Якз - марочная прочность щебня. Так, для данных приведенных выше, получим: ЯКзб=140МПа(0,517/1,265 6)/(1+0,704)=33,5 МПа. Наименьший расход цемента наблюдается в составах с высокоплотной упаковкой зерен и с наибольшей объемной долей заполнителя в бетоне.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баженов, Ю. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю. Баженов, В. Демьянова, В. Калашникав. - М.: Изд АСВ, 2008. -368 с.
2. Лесовик, В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород / В. Лесовик. - М.: Изд. АСВ, 2006. -526 с.
3. Строкова, В.В. К проблеме оценки качества техногенного сырья промышленности строительных материалов / В.В. Строкова // Горный журнал. - 2004. - №1. - С.78-79.
4. Рахимбаев, Ш.М. О влиянии формы цементного камня на его собственные деформации и напряжения / Ш.М. Рахимбаев, М.В Кафтаева // Строительные материалы. - 2009. - №9. - С. 91-92.
5. Гордон, С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях / С. Гордон. - М.: Стройиздат, 1969. -151 с.
6. Хархардин, А.Н. Способы получения высокоплотных составов зернистого сырья // Известия вузов. Строительство. - 1996. - №10. - С.56-60.
