Проектирование оптимальных составов бетонов с комплексным золомикрокремнеземистым наполнителем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ БЕТОНОВ С КОМПЛЕКСНЫМ ЗОЛОМИКРОКРЕМНЕЗЕМИСТЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

Дворкин О.Л. д.т.н, проф. (Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно)

В статье приведены результаты экспериментальных исследований свойств малоцементных бетонов с комплексным золомикрокремнеземистым наполнителем (ЗМКН). Предлагается алгоритм проектирования составов бетонов с ЗМКН.

В настоящее время в строительстве находят применение бетоны, содержащие 200...600 кг/м³ портландцемента. Результаты исследований и практический опыт показывают, что при определенных условиях бетоны классов В7,5...В25, т.е. наиболее широко применяемые, могут быть получены и при расходе цемента менее 200 кг/м³. Такие бетоны можно условно назвать малоцементными [1].

Уменьшение расхода цементного теста без увеличения жесткости бетонной смеси с успехом может быть достигнуто с применением пластифицирующих ПАВ, в особенности суперпластификаторов. Наиболее эффективно сказывается введение композиции суперпластификатор - наполнитель, позволяющей получить бетоны с минимальным расходом цемента даже при использовании литых смесей [2].

Роль наиболее активных наполнителей могут выполнять ультрадисперсные порошки т.н. микрокремнезомы (МК), улавливаемые при газоочистке на ряде металлургических производств, например, при производстве ферросплавов. Эффективность МК как активных наполнителей бетонов показана во многих работах как зарубежных, так и отечественных исследователей [3]. Эти работы выполнены, как правило, для бетонов с относительно высоким расходом цемента.

Содержание МК в бетонах рекомендуется в количестве 20...50 кг/м³. Большее содержание МК приводит к резкому возрастанию водопотребности бетонных смесей, необходимости повышенного количества суперпластификаторов, снижению трещиностойкости бетонов.

Для малоцементных бетонов, когда требуемый расход наполнителя соизмерим с расходом цемента или больше его, МК представляют интерес как активирующие компоненты композиционных наполнителей.

Каменноугольные кислые золы-унос относятся к числу наиболее распространенных и сравнительно хорошо изученных минеральных наполнителей цементных бетонов [4]. Пуццолановая активность золы-уноса сравнительно невелика (10...50 мг СаО/г), она зависит в основном, от содержания и состава стекловидной фазы, а также дисперсности.

Большим преимуществом зол-уноса как наполнителей цементных бетонов является их низкая водопотребность. Введение в бетонную смесь золы в отличие от других активных минеральных добавок не ухудшает, а, как правило, улучшает удобоукладываемость [5].

Можно предположить, что композиционные золомикрокремнеземистые наполнители (ЗМКН) должны обладать с одной стороны повышенной пуццолановой активностью и поверхностной энергией, а с другой - умеренной водопотребностью и обеспечивать долговременный рост прочности, что особенно важно для малоцементных бетонов.

Для количественной оценки влияния факторов состава наполненного вяжущего на удобоукладываемость малоцементных бетонных смесей выполнены алгоритмизированные эксперименты в соответствии с планом Ha₅. В качестве планируемых факторов выбраны:

- Объемная концентрация МК в ЗМКН -

Х₁ =_{мк мк з} ;

- Объемная концентрация ЗМКН в наполненном вяжущем -

Х₂=_{мкзмкзц};

- Объемная концентрация наполненного вяжущего в водной пасте -

Х₃ = _{мк з цмкзцв};

- Объемная концентрация водной пасты наполненного вяжущего в бетонной смеси -

Х₄ =_{мкзцвмкзцвзап};

- Объемная концентрация суперпластификатора в воде затворения -

Хс =ссв,

где мкзцвзапс- соответственно объёмы МК, золы-унос, цемента, воды, заполнителей, суперпластификатора, расходуемые на изготовление бетонной смеси.

Выбор в качестве планируемых 4-х концентрационных факторов (Х₁, Х₂, Х₃ и Х₄), представленных объемными соотношениями, позволяет: во-первых, проследить влияние на изучаемое свойство 5 параметров состава расхода МК, золы-унос, цемента, воды и заполнителей (при условии _{мкзцвзап}=1, фактор Х_с характеризует влияние расхода суперпластификатора), во-вторых, применить полиструктурный метод технологического анализа, учитывая, что каждый последующий фактор характеризует более сложный структурный уровень элементов бетонной смеси, чем предыдущий.

Переход от объемных соотношений к объемным и массовым расходам отдельных компонентов на 1 м³ бетонной смеси производили по формулам:

_мк= Х₁ Х₂ Х₃ Х₄ ; МК =_мкмк ;(1)

_з = ( 1 - Х₁ ) Х₂ Х₃ Х₄; З = _зз ;(2)

_ц= ( 1 - Х₂ ) Х₃ Х₄; Ц = _цц;(3)

_в= ( 1 - Х₃ ) Х₄; В = _вв;(4)

_зап = 1 - Х₄; Зап = _запзап ;(5)

где МКЗЦВЗап - соответственно расходы МК, золы-унос, цемента, воды, заполнителей, кг/м³.

При расчете по формулам (1-5) принимали значения плотности микрокремнезема, золы-унос, цемента, воды и заполнителей соответственно: _мк=2100, _з=2200, _ц=3100, _в=1000, _зап=2650 кг/м³.

В качестве исходных материалов использовали: портландцемент М 500 (ПЦ-1) Здолбуновского ЦШК, песок средней крупности с водопотребностью B_п =7,5%, гранитный щебень фракции 5…20 мм. Суперпластификатором служила добавка С-3. В качестве основных компонентов ЗМКН применяли среднедисперсную (330м²/кг) золу-унос Бурштынской ТЭС, активностью 31,5 мг СаО/г и микрокремнезем Стахановского завода ферросплавов с содержанием SiO₂ -91,5%, удельной поверхностью 2250 м²/кг, активностью 155,4 мг СаО/г.

Установив общий расход заполнителей, с помощью известных рекомендаций 6 находили расход мелкого и крупного заполнителей.

В табл.1 приведены условия планирования экспериментов при изучении влияния указанных выше факторов на жесткость бетонной смеси с ЗМКН.

Таблица 1. Условия планирования экспериментов

В области варьирования факторов расход МК колеблется от 0 до 194 кг/м³, золы от 0 до 203, цемента от 139 до 338, воды от 100 до 168 кг/м³.

Обработка экспериментальных данных позволила получить математическую модель жесткости бетонной смеси, наполненной ЗМКН:

Y₁ = 58,5 + 32,4 х₁ + 24,5 х₂ + 7,6 х₃ - 28,2 х₄ - 20,5 х_с + 8,5 х₁² -

- 5,6 х₂² + 7,5 х₃² + 6,8 х₄² +6,2 х_с² - 14,3 х₁ х₂ -7,4х2хс + 18,8х₁х₂(6)

Анализ модели позволяет констатировать, что объемная доля МК в ЗМКН является сильнейшим фактором, определяющим жесткость наполненной бетонной смеси, при этом стремительное возрастание жесткости имеет место при Х₁>0,5 и, особенно, в смесях с пониженным содержанием суперпластификатора или без него. Обращает внимание наличие в модели сильных эффектов взаимодействия между факторами Х₁ и Х₂, Х₁ и Х_с, указывающих на необходимость тесной взаимосвязи при назначении составов удобоукладываемых бетонных смесей расходов МК, золы и суперпластификатора. При одной и той же обьемной концентрации цементного теста в бетонной смеси (Х₄=0) изменение состава наполненного теста при максимальном содержании суперпластификатора в пределах области варьирования вызывает изменение жесткости от 30 до 116 с.

Изучали влияние на прочность бетона при сжатии после пропаривания и нормального твердения в возрасте 28 суток, факторов Х₁...Х₄, характеризующих основные уровни структуры и состав бетонов, наполненных ЗМКН, а также фактора Х_с - объемной концентрации суперпластификатора в водном затворителе.

Изготавливали образцы-кубы с размером ребра 10 см. Пропаривание проводили в лабораторной пропарочной камере по режиму (2) +3 +6 +2 при 80C.

Образцы испытывали через 0,5 ч после охлаждения. Опыты проводили в соответствии с факторным планом На₅. В результате обработки экспериментальных данных получены математические модели прочности пропаренного бетона У₂ и бетона нормального твердения У₃:

Y₂=18,5+4,5x₁+3,3x₂+4,3x₃+2,8x_c-2,4x₁²-1,9x₂²-0,5x₃²-

-0,7x_c²+2,4x₁x_c-0,6x₁x₂;(7)

Y₃=23,4+4,9x₁+2,8x₂+4,1x₃+2,7x_c-2,7x₁²-2,1x₂²-0,3x₃²-

-0,8x_c²+1,9x₁x_c-0,8x₁x₂.(8)

Модели прочности бетона У₂ и У₃ позволяют проводить интерполяционные расчеты, оценивать возможность стабилизации и регулирования предела прочности бетона при сжатии как после пропаривания, так и через 28 сут нормального твердения при изменении варьируемых технологических факторов. Такие расчеты удобно производить с помощью номограмм (рис.1, 2).

Наиболее распространенный расчетно-экспериментальний метод проектирования составов, основанный на обобщенной зависимости прочности бетона от Ц/В [6], не учитывает особенности твердения бетонов с микронаполнителями. Это способствует разработке ряда новых методов проектирования составов наполненных бетонных смесей, общей особенностью которых является использование полиноминальних математических моделей [7]. Вид и число моделей, совокупность учитываемых факторов определяются конкретной постановкой задачи.

При заданных значениях удобоукладываемости бетонной смеси с ЗМКН и прочности наполненного бетона для проектирования составов могут быть использованы модели У₁, У₂ и У₃.

Анализ моделей показывает, что изменение в определенной области основных технологических факторов (за исключением Х_с), увеличивая прочность, вместе с тем ведет и к повышению жесткости бетонной смеси. Очевидно, оптимальный состав наполненной бетонной смеси должен находится в некоторой компромиссной области. Примем в качестве критерия оптимизации составов возможен минимальный расход цемента при обеспечении требуемой прочности бетона с ЗМКН и удобоукладываемости бетонной смеси. При отсутствии ограничений на ресурсы (МК, золу-унос, суперпластификатор) можно предложить следующую схему подбора состава бетонных смесей с ЗМКН:

1. Из модели прочности находим частные производные dY/dX_i (Х₁, Х₂ и Х_с) и решением системы трех линейных уравнений рассчитываем Х₁^opt, Х₂^opt и Х_с^opt. Оптимальные значения факторов для предотвращения риска экстраполяции не должны выходить за граничные значения области варьирования.

2. При расчетных значениях Х₁, Х₂ и Х_с и заданой прочности находим Х₃^р- объемную концентрацию вяжущего, включающего цемент, микрокремнезем (МК) и золу-унос, в тесте, содержащем дополнительно воду затворения. Если нормируются одновременно прочность пропаренного бетона и бетона нормального твердения Х₃^р должен обеспечить оба прочностных параметра. При этом выбираются Х₁, Х₂ и Х_с, обеспечивающие меньшее значение Х₃^р.

3. При заданных удобоукладываемости бетонной смеси, Х₁, Х₂ и Х_С находим Х₄^р - объемную концентрацию наполненого цементного теста в бетонной смеси.

4. С помощью расчетных значений Х₁^opt, Х₂^opt, Х_С^opt, Х₃^p и Х₄^p по формулам (1-5) находим расходы цемента, золы-унос, МК, воды и заполнителя - смеси песка и щебня. По известным формулам или таблицам [2,7] находим с учетом объема наполненного цементного теста и вяжуще-водного отношения расходы мелкого и крупного заполнителей.

5. Расчетный состав наполненного бетона уточняем экспериментально по обычной методике корректирования расчетного состава бетонной смеси.

В табл.2 приведены примеры определения расчетных составов бетонных смесей с ЗМКН.

бетон цементный прочность математический

Таблица 2 Примеры расчетных составов бетона с ЗМКН (Х₁^oрt = 0,21; Х₂^opt = 0,53; Х_с^opt = 0,02)

Примечание. R_н, R_пр - соответственно, прочность бетона нормального твердения и пропариваемого бетона; Ж- жесткость бетонной смеси.

При ограничении имеющихся ресурсов (МК, золы-унос, суперпластификатора) корректируются Х₁, Х₂ и Х_с. При этом возможно использование линейных уравнений, полученных дифференцированием dY₂/dX₁ или dY₃/dX₁.

Для проектирования составов бетонов с ЗМКН с учетом изменчивости качественных показателей исходных компонентов можно использовать методологию оперативного корректирования моделей с помощью адаптивных алгоритмов [8].

Литература

1. Судаков В.Б. Рациональное использование бетона в гидротехнических сооружениях. - М.: Энергия, 1976. - 240 с.;

2. Дворкин Л.И., Кизима В.П. Эффективные литые бетоны. - Львов: Вища школа, 1986. - 143 с.;

3. Добавки в бетон/ Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. и др.; Под ред. В.С. Рамачандрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.;

4. Сергеев А.М. Использование в строительстве отходов энергетической промышленности. - К.: Будівельник, 1984. - 120 с.;

5. Цементные бетоны с минеральными наполнителями/ Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М.; Под ред. Л.И. Дворкина. - К.: Будівельник, 1991. - 136 с.;

6. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Высшая школа, 1987. - 415 с.;

7. Дворкин Л.И. Оптимальное проектирование составов бетона. - Львов: Вища школа, 1981. - 160 с.;

8. Дворкин Л.И., Шамбан И.Б. Многофакторное прогнозирование свойств и проектирование составов бетонов. - М.: Стройиздат, 1992. - 132 с.

Размещено на Allbest.ru