Коэффициенты конструктивного качества облегченного центрифугированного бетона на воде, активированной щелочью

Исследованиям в области активации воды, применяемой для затворения бетонов, посвящено большое количество работ [1 - 11]. При различных воздействиях на воду (как физических, так и химических) она способна регулировать свои свойства за счет изменения собственной структуры. Это позволяет называть ее активированной, т. е. имеющей некоторый избыточный запас внутренней энергии в течение длительного времени.

В связи с этим интересным направлением видится активация, но не физическая, связанная с воздействиями различного рода [1 - 7], затрачивающими магнитную [2], электрическую [4], тепловую и иную энергию [1, 3, 5 - 7], а активация химическая [8 - 11], в результате которой происходит воздействие на формирование структуры и образование свойств получаемых бетонов на стадии взаимодействия участвующих компонентов и веществ при формовании бетонной смеси. Перспективным является применение технологии ощелачивания воды и впоследствии использование ее в качестве воды затворения для таких активируемых бетонов.

В настоящее время актуальным направлением является разработка новых видов строительных материалов изделий и конструкций для сложных с точки зрения инженерной геологии условий строительства, а также потребности в возведении многоэтажных высотных большепролетных зданий и сооружений. В связи с этим основной задачей современной строительной науки является поиск видов рецептуры, технологии и конструктивных решений для получения современных и функциональных строительных материалов изделий и конструкций.

Цель исследования – получение облегченных бетонов с повышенным коэффициентом конструктивного качества за счет активации воды.

Задачами настоящего исследования являются поиск оптимальной рецептуры и технологии для получения облегченных бетонных и железобетонных конструкций с повышенным коэффициентом конструктивного качества.

При этом следует понимать, что конструкции подвергаются различным видам напряженно-деформированного состояния, поэтому следует оценить коэффициенты конструктивного качества по разным видам прочностей: прочность на сжатие образцов-кубов; прочность на осевое сжатие образцов-призм; прочность на растяжение при изгибе образцов-призм; прочность на осевое растяжение образцов-призм. Полученные в результате исследования результаты рекомендуется внедрить в производственный процесс.

Методы и материалы

При проведении исследований применялся бездобавочный портландцемент марки ПЦ 500 Д0, физико-механические характеристики которого представлены в таблице 1.

Физико-механические характеристики портландцемента ПЦ 500 Д0

Таблица 1

Наименование показателя	Фактическое значение
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут, МПа	55,7
Сроки схватывания, мин - начало - конец	165 270
Тонкость помола, проход через сито № 008, %	97,8
Удельная поверхность, м2/кг	380
Нормальная густота цементного теста, %	25,5

В качестве крупного плотного заполнителя применялся гранитный щебень, а в качестве пористого - керамзитовый гравий. Физико-механические характеристики крупного плотного и пористого заполнителей представлены в таблицах 2 - 3.

Таблица 2

Физико-механические характеристики щебня

Фракция	Насыпная плотность, кг/м3	Истинная плотность, г/см3	Дробимость, % по массе	Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, % по массе	Пустотность, %
5-20	1430	2,66	11,4	9,5	47

Таблица 3

Физико-механические характеристики керамзитового гравия

Фракция	Насыпная плотность, кг/м3	Истинная плотность, г/см3	Прочность по ГОСТ 32496-2013, МПа	Пустотность, %
5-20	480	0,88	2,1	46

В качестве плотного мелкого заполнителя применялся песок кварцевый, физические характеристики которого представлены в таблице 4.

Таблица 4

Физические характеристики плотного мелкого заполнителя

Зерновой состав							Проход через сито с сеткой № 0,16, % по массе	Модуль крупности	Содержание пылевидных и глинистых частиц, %	Истинная плотность, г/см3	Насыпная плотность кг/м3
размеры отверстий сит, мм
остатки на ситах		частные и полные остатки на ситах, %
10	5	2,5	1,25	0,63	0,315	0,16
0	0	0,17	1,39	8,86	45,80	41,03	2,49	1,66	1,1	2,61	1438
		0,17	1,56	10,42	56,21	97,25	99,74

Также в данном исследовании применялись активированная щелочью и очищенная сорбентом вода с pH - 8,7.

Активации воды осуществлялась путем ее очистки, заключавшейся в фильтровании через сорбент – активированный биоуголь из отходов агропромышленного комплекса – рисовой соломы. Более подробно процесс получения активированной воды описан в работе [12]. Уровень рН воды определялся при помощи стационарного pH-метра Starter 2100 (ОХАУС СНГ, Россия).

Для изготовления центрифугированных образцов была применена экспериментальная лабораторная центрифуга, принципиальная схема данной установки и подробное описание представлены в работе [13]. Приготовление бетонной смеси осуществлялось в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия.

Также для исследований были применены: испытательное оборудование (пресс гидравлический ИП-1000 (ООО НПК «ТЕХМАШ», г. Нефтекамск, Республика Башкортостан, Россия), 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 три базовых образца кольцевого сечения с размерами:

• -    внешний диаметр D = 450 мм;

• -    внутренний диаметр отверстия d = 150 мм;

• -    общая высота H = 1200 мм.

Методика изготовления опытных образцов для определения прочностных интегральных характеристик бетона описана в [13 - 15]. Программа экспериментальных исследований представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Программа экспериментальных исследований

Значения коэффициентов конструктивного качества (далее - К.К.К.) для разных видов прочностей рассчитывались по следующим формулам:

R

К.К.К      =   ^b,cub

Rb,cub      ρ ,(1)

где R b,cub – кубиковая прочность на сжатие, МПа; ρ – плотность бетона, г/см³.

R

.  . Rb =

Rb где R b – призменная прочность на сжатие, Мпа; ρ – плотность бетона, г/см3.

К.К.КR   =Rbtb ,(3)

Rbtb где R – прочность на растяжение при изгибе, Мпа; ρ – плотность бетона, г/см3.

К.К.К = ^Rbt ,

Rbt где Rbt – прочность на осевое растяжение, Мпа; ρ – плотность бетона, г/см3.

Результаты и их обсуждение

В качестве контрольного состава запроектирован бетон класса В30 с требуемой маркой по удобоукладываемости П1 (осадка конуса - 1 - 4 см). Содержание фракций крупного заполнителя представлено следующим соотношением: 60 % – фракция 10-20 мм; 40 % – фракция 5 - 10 мм. Полученные в результате расчетов параметры состава бетонной смеси отражены в таблице 5.

Результаты, полученные по итогам испытаний опытных образцов тяжелых и облегченных центрифугированных бетонов, представлены в таблице 6.

Параметры состава бетонной смеси

Таблица 5

Наименование параметра	В/Ц	Абсолютный объем цементного теста, л	Абсолютный объем заполнителей, л, при соотношении r = П/Щ = 0,4	Расход цемента на 1 м3 бетонной смеси, кг	Расход щебня на 1 м3 бетонной смеси, кг	Расход песка на 1 м3 бетонной смеси, кг
Значение параметра	0,38	319	1805	400	1290	515

При изготовлении облегченных центрифугированных бетонов производилась замена части объема плотного заполнителя таким же объемом пористого в количестве 30 %. Расход цемента и соотношение П/Щ оставались неизменными. Расход воды корректировался до получения требуемой подвижности бетонной смеси.

Результаты испытаний опытных образцов тяжелых и облегченных центрифугированных бетонов представлены в таблице 6 и на рисунках 2 и 3.

Результаты испытаний опытных образцов тяжелых и облегченных центрифугированных бетонов

ОЦБ          ОЦБ+АВ

ОЦБ         ОЦБ+АВ

б

Рисунок 2 – Значения коэффициентов конструктивного качества различных видов центрифугированного бетона, рассчитанные по результатам определения кубиковой прочности: а - на сжатие; б - призменной порочности на сжатие (ОЦБ – облегченный центрифугированный бетон; ОЦБ+АВ – облегченный центрифугированный бетон на активированной воде)

а

Таблица 6

Характеристики бетона	Облегченный центрифугированный бетон	Облегченный центрифугированный бетон на активированной воде
Плотность, кг/м3	2078	2031
Кубиковая прочность на сжатие, МПа	52,6	60,9
Призменная прочность на сжатие, МПа	38,1	46,7
Прочность на растяжение при изгибе, МПа	6,1	7,3
Прочность на осевое растяжение, МПа	3,7	4,3

а                                                  б

Рисунок 3 – Значения коэффициента конструктивного качества различных видов центрифугированного бетона, рассчитанные по результатам определения прочности: а - на растяжение при изгибе; б - прочности на осевое растяжение (см. рис. 2)

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что применение активированной воды при изготовлении облегченных центрифугированных бетонов приводит к улучшению прочностных характеристик. Это связано с тем, что вода с более высоким значением уровня pH способствует увеличению степени гидратации цемента и повышению однородности структуры бетона.

Так, в сравнении с облегченным центрифугированным бетоном, изготовленным на неактивированной воде, прирост кубиковой прочности на сжатие у облегченных центрифугированных бетонов, изготовленных с применением активированной воды, составил 14 %, прирост призменной прочности на сжатие - 18 %, а прирост прочности на растяжение при изгибе и прочности при осевом растяжении - 16 %. Таким образом, использование воды затворения, активированной щелочью, позволяет получать наиболее эффективный в конструктивном отношении облегченный центрифугированный бетон.

Коэффициенты конструктивного качества для разных видов прочностей у облегченного центрифугированного бетона на активированной воде были больше в сравнении с бетоном на неактивированной воде в среднем на 18 - 25 %.

Выводы

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы. Установлено, что применение в технологии центрифугирования комбинированного крупного заполнителя, в данном случае смеси керамзитового гравия и гранитного щебня с рационально определенным зерновым составом крупного заполнителя и оптимальным объемным содержанием крупного пористого заполнителя, а также активированной воды, позволяет получать наиболее эффективные маломатериалоемкие конструкции кольцевого сечения с повышенным коэффициентом конструктивного качества (до 25 %).

Так, вопрос дальнейшей перспективы исследования в части регулирования рецептурных и технологических факторов при изготовлении центрифугированных изделий и конструкций является актуальным и, безусловно, требует поиска рационального решения. Целью дальнейших исследований является разработка рецептуры облегченных дисперсноармированных центрифугированных бетонов, а также поиск технологических способов равномерного распределения фибрового волокна в процессе центрифугирования.