Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,858

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ ВПГС

Комарова Н.Д. 1 Лениш А.Ф. 1 Шарапов О.Н. 2 Комарова К.С. 2
1 Северо-Кавказский филиал ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
2 ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
В современных условиях актуальным является использование местных сырьевых материалов при производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций. В регионах зачастую отсутствуют кондиционные заполнители, соответствующие всем техническим требованиям. Достаточно широко практикуется применение валунно-песчано-гравийных смесей ВПГС как источника заполнителей при приготовлении бетонных смесей. Одним из важных условий, определяющих качество и долговечность железобетонных конструкций и возводимых зданий, является технически надежное обеспечение постоянства зернового состава заполнителей при изготовлении бетонной смеси. Нестабильность свойств ВПГС предопределяет решение задач по проектированию составов бетонных смесей оптимального состава, который зависит от правильного соотношения всех исходных компонентов смеси и особенно подбора заполнителей, обеспечивающих проектную прочность бетона. Предложенные результаты исследований и расчета плотности упаковки зерен в многофракционном составе позволяют оптимизировать состав заполнителей при проектировании составов бетонных смесей.
состав бетонных смесей
корректировка
фракционный состав
валунно-песчано-гравийные смеси
плотность упаковки
1. Комарова Н.Д. Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии. Неокомпозиты и наносистемы в строительном материаловедении // Сборник докладов международной научно-технической конференции. Ч. 1. – Белгород, 2007.
2. Комарова Н.Д.Комарова К.С., Марков С.В., Лукьянов А.С. Повышение эффективности бетона для зданий и сооружений оптимизацией гранулометрического состава // БСТ: Бюллетень строительной техники. – 2015. – № 11 (975). – С. 52–55.
3. Комарова Н.Д., Комарова К.С. Техногенные (искусственные пески) в производстве строительных материалов: решение или проблема? // Science Time: материалы Международных научно-практических конференций и конкурсов Общества Науки и творчества за декабрь 2014 года / под. общ. ред. С.В. Кузьмина. – Казань, 2014. – Science Time, 2014. – № 12 (12).
4. Курбатов В.Л., Комарова Н.Д., Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Ковтун М.Н. Стеновые блоки из мелкозернистого бетона на основе техногенного песка Северного Кавказа // Строительные материалы. – 2006. – № 11. – С. 10.
5. Komarova N.D., Kurbatov V.L., Litvinova Y.V., Litho-Mineralogical and Physico-chemical Aspects of Improving Efficiency of Manufacturing Fine-grain Concretes With Technogeneous Sands // Biosciences Biotechnology Research Asia. – 2015. – Т. 12. – № 2. – С. 1381–1388. DOI: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/1796/.

Одним из важных условий, определяющих качество и долговечность железобетонных изделий и конструкций и возводимых зданий, является технологически надежное обеспечение постоянства зернового состава заполнителей при изготовлении бетонной смеси. В карьерах предусматривается предварительная подготовка заполнителей, получаемых из валунно-песчано-гравийных смесей.

Однако следует отметить, что при транспортировке на завод ЖБИ стабильность зернового состава нарушается. Наиболее надежным, технически и экономически доступным способом, который гарантирует однородность и качество заполнителей, является его стабилизация непосредственно перед подачей в расходные бункера бетоносмесительного отделения.

Нестабильность свойств ВПГС предопределяет решение задач по проектированию составов бетонных смесей оптимального состава, который зависит от правильного соотношения всех исходных компонентов смеси и особенно подбора заполнителей, обеспечивающих проектную прочность бетона [2].

Применение проектирования по методу рационального набора фракций зернистого сырья из продуктов дробления и измельчения горных пород по расчетным формулам, обеспечивает расчет высокоплотного гранулометрического состав смеси, позволяющий выполнить корректировку зернового состава заполнителей. Остановимся на корректировке зернового состава щебня, получаемого дроблением ВПГС. Будем исходить из того, что плотность упаковки зерен в продуктах дробления гравия согласно исходным данным при γ = 1497 кг/м3 и ρ = 2600 кг/м3 составляет 0,576. Наибольшее содержание в них зерен с размером 70…40 и 40…20 мм, 40…20 и 20…10 мм и представляют собой двухфракционные составы, частные остатки на ситах + 20 мм и + 10 мм, + 40 мм и + 20 мм составляют соответственно 64,2 и 25,9 %, 70,7 и 25,6. То есть на 100 мас. ч. крупной фракции приходится 36 и 40 мас. ч. второй фракции. Для расчета рационального количества каждой второй фракции в этих составах дадим оценку плотности упаковки зерен в крупной. При соотношении средних размеров двух смежных фракций komarova01.wmf повышение плотности упаковки зерен в смеси происходит на величину komarova02.wmf При η1 ≤ η2 и ηсм = 0,576, следовательно, получим

komarova03.wmf

Отсюда для близких между собой по размеру зерен смежных фракций

komarova04.wmf

Из этого выражения для всех значений komarova05.wmf получим выполнение равенства η1 ≤ η2. Так, при η2 = 0,56 получаем η1 = 0,549, а при η2 ≤ 0,54 получаем η1 ≥ 0,548. Фактическое значение

komarova06.wmf

для d1 = 20...40 мм и

komarova07.wmf

для фракции 10...20 мм.

Расход на 100 мас. ч. крупной фракции с размером зерен + 40 мм и + 20 мм второй фракции для получения плотных зерновых составов щебня при βn = 1...1,1 будет равен

φ2 = 100(1 – 0,56)(1...1,1) = 44...48 мас.ч.;

φ2 = 100(1 – 0,59)(1...1,1) = 41...45 мас.ч.

Эти значения количеств второй фракции щебня φ2 = 41...48 мас.ч. незначительно отличаются от искусственно получаемых дроблением гравия и практически корректировкой их состава в смеси можно пренебречь [4]. Далее остановимся на аспектах корректировки зернового состава песка  продукта отсева дробления гравия и промывки.

В исследованиях были пески валунно-песчано-гравийной смеси, характеристика которых приведена в табл. 1. Здесь же приведены результаты исследований и расчета его дополнительных свойств.

Как видно из табл. 1, зерновой состав песка содержит пониженные количества мелких фракций и не соответствует высокоплотному составу, а также не укладывается в область оптимальных зерновых составов. Насыпная плотность его γ = 1640 кг/м3, а плотность упаковки зерен в смеси ηсм = 0,63.

Пренебрегая фракцией + 5 мм с небольшим ее содержанием в смеси и используя ее в составе в качестве «изюма», количество второй фракции (2,5…1,25 мм) на 100 мас.ч. крупной фракции (5…2,5 мм) при (для минимизации расхода) будет равно

komarova08.wmf

При этом плотность упаковки зерен в двухфракционном составе будет равна

komarova09.wmf

Таблица 1

Свойства песка ВП

Полные остатки на ситах, %

5

2,5

1,25

0,63

0,315

0,16

7

50

64

78

88

96

Частные остатки на ситах, %

7

43

14

14

10

8

Насыпная плотность, кг/м3

1380

1430

1400

1460

1480

1410

Плотность упаковки зерен, %

0,53

0,55

0,54

0,56

0,57

0,54

На 100 мас. ч. фракции 5…25 мм

 

100

32

32

23

19

Так как komarova10.wmf, то приращения плотности упаковки зерен в смесях рассчитывают по показателям из табл. 2 и количеству двойных связей. Для трех фракций в смеси схема распределения зерен в пустотах имеет вид, рис. 1.

komarova11.wmf

pic_18.wmf

Рис. 1. Схема распределения зерен в пустотах трехфракционных смесей

Количество третьей фракции потребуется:

komarova12.wmf

Плотность упаковки зерен в трехфракционной смеси будет равна

komarova13.wmf

Схема распределения зерен в четырехфракционной смеси имеет вид, изображенный на рис. 2.

pic_19.wmf

Рис. 2. Схема распределения зерен в пустотах четырехфракционной смеси

Так как komarova14.wmf либо komarova15.wmf

то komarova16.wmf

komarova17.wmf

σ4 = 0,615 + 0,3850,119 = 0,660; komarova18.wmf

Количество пятой фракции с размером зерен 0,315…0,16 мм потребуется

komarova19.wmf

Плотность упаковки зерен в пятифракционной смеси согласно расчету будет равна 0,72, что значительно больше искусственной смеси отсева, где σ5 = 0,63.

Это позволяет снизить расход водоцементного теста в растворной части бетона. Поскольку насыпные плотности зерен каждой фракции представлены для сухого и рыхлого состояния их слоя, то во влажном состоянии (при работе их в растворной части бетона) плотность упаковки зерен и расход каждой фракции изменяются на величину коэффициента уплотнения слоя [5]. Коэффициент уплотнения слоя зерен каждой фракции зависит от их размера и практически, согласно опытным данным, он будет равен соответственно для каждой фракции: 1; 1,05; 1,1; 1,15; 1,2. Результаты расчета сведены в табл. 2

Наличие лещадных и угловатых зерен в валунно-песчаной смеси приводит к снижению плотности их упаковки и повышенному расходу каждой фракции. Однако расчетный состав имеет повышенную плотность упаковки зерен 0,76…0,79, что позволяет снизить расход растворной части в бетоне на 0,15…0,16 от его объема, то есть на 150…160 л на 1 м3. Однако зачастую используют упрощенный метод расчета зернового состава для бетонов, который основан на расчете количества песка на 100 мас.ч. щебня, состоящего из различного количества в нем фракций, то есть как двухфракционной смеси, состоящей из щебня и полидисперсной смеси песка по относительной величине среднего размера зерен песка к щебню. Средний размер зерен рассчитывается по формуле

komarova20.wmf

где φi – массовая доля каждой фракции в смеси; di – средний размер зерна в каждой фракции, komarova21.wmf.

Приведем расчет состава общего заполнителя для мелкозернистого бетона с использованием щебня, свойства которого приведены в табл. 3.

Средний размер его зерен di ср = 16,6 мм, средний размер зерен песка ВПГС – 2,2 мм, средний размер зерен песка расчетного состава – 1,6 мм.

Данные для расчета приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Результаты расчета состава высокоплотной песчаной смеси.

Кол-во каждой фракции, мас. и долевая ч.

Плотность упаковки зерен в смеси

+ 5 мм

+ 2,5 мм

+ 1,25 мм

+ 0,63 мм

+ 0,315 мм

+ 0,16 мм

ВПГС, мас.ч.

0,63

 

100

32

32

23

19

0,485

0,155

0,155

0,111

0,099

Расчетный состав

100

42

54

69

63

0,79

 

0,312

0,131

0,168

0,193

0,196

Таблица 3

Средние размеры зерен щебня и песка

Частные остатки на ситах, %

25

20

15

10

0,3

9,6

65,1

25,9

мас. доли

0,096

0,651

0,259

Средний размер зерен, мм

22,36 17,32 12,25

Расход песка ВПГС на 100 мас. ч. щебня составит

komarova22.wmf

Расход песка расчетного состава на 100 мас. ч. щебня составит

komarova23.wmf

Отношение komarova24.wmf соответственно равно

komarova25.wmf

komarova26.wmf

Согласно табл. 2 для данных значений komarova27.wmf получим

ψ2 = ε2η2 = 0,370,63 = 0,23 и ψ2 = 0,29.

Плотность упаковки зерен в смесях заполнителя будет равна соответственно:

σ2 = 0,576 + (1 – 0,576)0,231,1 = 0,683;

σ2 = 0,576 + (1 – 0,576)0,291,15 = 0,717,

где Kу = 1,1 и Kу = 1,15 – коэффициент уплотнения при увлажнении смеси.

И в данном случае плотность упаковки зерен заполнителя расчетного состава возрастает на 3,4 %, а при равном расходе цементного теста прочность бетона увеличивается на 15…20 % в результате увеличения прочности на 5 % на каждый 1 % повышения плотности упаковки в нем зерен заполнителя [1].

Как видно из этих расчетов, первое слагаемое следует увеличить путем введения в смесь щебня фракции с размером зерен 5…10 мм в достаточном количестве, тогда как второе слагаемое понижается при этом незначительно.

Так, при введении в эту смесь щебня с размером зерен 5…10 мм с плотностью их упаковки 0,54 в количестве

komarova28.wmf

плотность упаковки зерен щебня возрастает:

σ3 = 0,576 + (1 – 0,576)1185 = 0,626,

где komarova29.wmf при komarova30.wmf.

Плотность упаковки зерен в смеси всего заполнителя при этом дополнительно возрастает до величины (табл. 4):

σ2 = 0,626 + (1 – 0,626)0,291,15 = 0,751.

Прочность бетона при этом согласно эмпирическому правилу возрастает на

(0,751 – 0,683)1005 % = 34 %.

На основании полученных данных рассчитаны высокоплотные зерновые составы песчаной смеси (табл. 4) и заполнителя для мелкозернистого бетона (табл. 5), являющегося наиболее зависимым от фракционного состава [3].

Таблица 4

Высокоплотный зерновой состав песчаной смеси

Фракции с размером зерен, мм

Расход

Плотность упаковки зерен

На 100 мас.ч. крупной фракции

На 1 т смеси

5…2,5

100

312

0,55

2,5…1,25

42

131

0,578

1,25…0,63

54

168

0,615

0,63…0,315

62

193

0,660

0,315…0,14

63

196

0,790

Таблица 5

Высокоплотный зерновой состав заполнителя для мелкозернистого бетона

Щебень, состав фракций, мм

Расход

Плотность упаковки зерен

На 100 мас.ч. щебня

На 1 т смеси, кг

Щебень табл. С

100

   

20…15

100

470

0,576

15…10

100

470

0,576

Дополнительная фракция 10…5

53

250

0,626

Песчаная смесь

60

280

0,751

Таким образом, расчет и подбор высокоплотных зерновых составов песчаной смеси и заполнителя для мелкозернистого бетона позволяют увеличить плотность упаковки в них зерен с 0,63 до 0,79 и с 0,576 до 0,751 соответственно, что позволяет уменьшить пустотность этих смесей до 0,21 и 0,25, а это в свою очередь приводит к снижению цементного теста, расхода цемента и увеличению прочности бетона более чем на

komarova31.wmf

и на komarova32.wmf соответственно.


Библиографическая ссылка

Комарова Н.Д., Лениш А.Ф., Шарапов О.Н., Комарова К.С. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ ВПГС // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 3-1. – С. 38-43;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35688 (дата обращения: 20.10.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252