Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Статья посвящена проблеме неоднородности физико-механических свойств центрифу-гированного бетона по толщине стенки кольцевого сечения изделия. Одним из путей решения данной проблемы является управление фактором заполнителей, оказывающим влияние на свойства бетона изделий и конструкций, работающих на осевое сжатие. Авторами про-анализирована научно-техническая литература, касающаяся этого вопроса. Проведено экс-периментальное исследование влияния фракционного состава гранитного щебня на проч-ностные характеристики бетона центрифугированных изделий. Установлено, что процент-ное соотношение фракций применяемого гранитного щебня фракция5-10 / фракция5-20 = 50/50 при прочих равных условиях оказывает наилучшее влияние на призменную прочность тяже-лого бетона. Полученные результаты будут применены в последующих экспериментальных исследованиях авторов, направленных на выявление факторов, влияющих на качество бето-на центрифугированных изделий и связанных с характеристиками заполнителей.
центрифугированный бетон, осевое сжатие, изделие кольцевого сечения, фракция заполни-теля, процентное соотношение фракций заполнителя, призменная прочность.
Введение. Центрифугированные железобетонные конструкции находят широкое применение в промышленном, энергетическом, транспортном, гидромелиоративном и коммунальном строительстве. По своим технико-экономическим показателям они в ряде случаев превосходят изделия, изготовленные по другой технологии.
В настоящее время наиболее перспективно использование центрифугированных конструкций при строительстве контактной сети энергоснабжения железных дорог (конические опоры контактной сети и автоблокировки с предварительным напряжением проволочной арматуры) и воздушных линий электропередачи (конические и цилиндрические стойки опор с предварительно напряженной стержневой арматурой).
Значительный опыт производства и эксплуатации центрифугированных опор в России и за рубежом свидетельствует об их достаточной эксплуатационной надежности, чему способствовали многочисленные научно-исследовательские и проектные работы в направлении совершенствования конструкции опор и технологии их изготовления.
Однако практика эксплуатации этих весьма ответственных изделий дает множество примеров их преждевременного выхода из строя. Наряду с производственными дефектами одной из основных причин недостаточной долговечности является неоднородность физико-механических свойств центрифугированного бетона по толщине стенки кольцевого сечения изделия. Технологические приемы борьбы с этим недостатком центрифугированного бетона сложны и неэффективны. Повышение эксплуатационной надежности предварительно напряженных железобетонных конструкций возможно путем учета структурной неоднородности бетона в расчетах прочности, деформативности и трещиностойкости железобетонных изделий кольцевого сечения [4].
Целью проведения исследований авторов является выявление влияния фактора заполнителей на свойства бетона изделий и конструкций, работающих на осевое сжатие.
Авторами был проведен анализ некоторой научно-технической литературы, касающейся этой проблемы.
Исследованиями В.Г. Пашковского [9, 10] доказана возможность повышения качества центрифугированного бетона за счет регулирования свойств используемых материалов. Так, количество трещин, зарождающихся в бетоне при передаче усилий предварительного напряжения, можно уменьшить примерно в 2 раза уменьшением размера заполнителя (до оптимального) и улучшением сцепления с цементным камнем.
В ряде работ других авторов [7, 8, 11−16] показано, что применяя смесь зерен заполнителя с различной средней плотностью, можно при соответствующих скоростях центрифугирования добиваться их равномерного и желательного распределения по сечению изделия, так как неравномерность распределения этих компонентов по сечению бетонного элемента оказывает существенное влияние на колебания его физико-механических свойств.
Если часть зерен плотного заполнителя в бетоне заменить определенным количеством пористых фракций, то при центрифугировании такой бетонной смеси будет неизбежно происходить направленное перемещение относительно друг друга плотных и пористых частиц и компонентов цементного теста. Подавляющая часть пористых частиц, имеющих более низкую плотность, будет выжиматься во внутренний слой бетонного кольца и формировать слой облегченного бетона с улучшенными физико-механическими свойствами, выполняя при этом многоцелевые функции как при становлении структуры бетонного камня, так и при его эксплуатации в конструкции.
Г.И. Горчаков, А.М. Подвальный, Б. Хенк, Ю.В. Осетинский, рассматривая структурный элемент бетона в виде зерна и оболочки, показали, что напряжение на поверхности контакта ядра и оболочки зависят от соотношения модулей упругости заполнителя и цементного камня. С увеличением модуля упругости заполнителя структурные напряжения в системе повышаются. Замена части плотных зерен заполнителя пористыми приведет к снижению напряженного состояния в бетонном композите, а при центробежном уплотнении бетонной смеси – к более рациональному распределению заполнителя по сечению изделия.
Зерна пористого заполнителя должны выполнять свою демпфирующую роль и в центрифугированном бетоне. Во внешнем слое бетонного кольца, оставаясь как случайно захваченные, они будут снижать жесткость сложившейся структуры бетона. Во внутренних же слоях их роль будет проявляться не только в повышении прочности, но и в его стойкости к температурно-влажностным воздействиями. Указанный характер распределения пористых частиц по толщине стенки кольца подтверждается микроскопическим анализом шлифов из центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем.
Важнейшими характеристиками, обеспечивающими эффективность введения пористых заполнителей в состав центробежно уплотняемой бетонной смеси, являются зерновой состав, хорошо развитая поверхность и достаточная прочность зерна с открытой пористостью и, наконец, доступность используемого материала [5].
Регулируя содержание, гранулометрический состав и упругопластические свойства добавки пористого материала, можно управлять структурообразованием и свойствами центрифугированного бетона, получая при этом новый вид бетонов с комбинированным заполнителем [6, 12].
Баташев В.М., Ахвердов И.Н. отмечают неоднородность деформативных свойств бетона по толщине стенки кольцевого сечения, следует ожидать, что повышение однородности структуры бетона с комбинированным заполнителем должно привести к выравниванию деформативных свойств и повышению трещиностойкости материала.
Повышение прочности центрифугированного бетона за счет замены части плотного заполнителя эквивалентным объемом пористого позволяет получать высокопрочные центрифугированные бетоны на обычных сырьевых материалах при умеренных расходах цемента. Увеличение водопотребности бетонных смесей при использовании мелких плотных песков может быть с успехом компенсировано при их обогащении пористыми, а регулирование внутреннего водоотделения за счет явления самовакуумирования позволяет уменьшить негативное влияние недостаточного водоотделения при центрифугировании. За счет уменьшения внутреннего водоотделения может быть улучшен контакт зерна плотного заполнителя с цементным тестом даже при наличии на его поверхности пылеватых частиц.
Между тем, можно предположить, что с ростом прочности центрифугированных бетонов с добавками пористого заполнителя должны возрасти их модуль упругости, границы микротрещинообразования, предельная деформативность и трещиностойкость. Все это может благоприятно отразиться не только на повышении несущей способности центрифугированных изделий, но и на их жесткости и трещиностойкости, позволив тем самым исключить дополнительное армирование конструкций, не снижая при этом их эксплуатационной надежности [5].
Основная часть. В научно-исследовательской лаборатории Академии строительства и архитектуры Донского государственного технического университета авторами были проведены исследования прочностных свойств образцов-балочек из тяжелого бетона, изготовленного с применением щебня из гранита, производимого в Воронежской области, и песков месторождений Ростовской области, предназначенного для изготовления изделий кольцевого сечения методом центрифугирования.
Известно, что, учитывая специфику центрифугированных изделий и конструкций из тяжелого бетона, для их изготовления, как правило, применяют фракцию крупного заполнителя 5–20. Данная фракция, в свою очередь, включает в себя фракции 5–10 и 10–20. Исходя из проведенного анализа литературных и практических данных, по мнению авторов, процентное соотношение этих фракций может оказать влияние на прочностные характеристики готового изделия.
В условиях лаборатории были определены некоторые физико-механические характеристики применяемого в экспериментах щебня. Испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» по методикам ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний». Результаты представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Результаты испытаний зернового состава щебня
|
Показатели |
Фракционный состав |
||
|
Фракция 20−40 |
Фракция 10−20 |
Фракция 5−10 |
|
|
Частный остаток ai (г) |
1039 |
7470 |
2245 |
|
Частный остаток ai (%) |
9,5 |
68,3 |
20,5 |
|
Полный остаток Ai (%) |
9,5 |
77,8 |
98,3 |
Таблица 2
Физико-механические показатели щебня
|
Наименование показателей |
Фактические показатели |
|
|
Содержание пылеватых и глинистых частиц, % по массе |
0,96 |
|
|
Содержание глины в комках, % по массе |
Фракция 5−10 |
- |
|
Фракция 10−20 |
- |
|
|
Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм |
Фракция 5−10 |
43,0 |
|
Фракция 10−20 |
41,0 |
|
|
Дробимость, % по массе |
Фракция 5−10 |
10,2 |
|
Фракция 10−20 |
9,9 |
|
Испытания заформованных образцов-балочек производились по методикам ГОСТ 24452-80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона».
Полученные результаты представлены в графическом виде на рис. 1−3.
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии от процентного соотношения фракций щебня
при использовании песка из отсевов дробления
Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии от процентного соотношения фракции щебня при использовании карьерного песка
Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии от процентного соотношения фракций щебня при использовании речного песка
Вывод. Из полученных зависимостей можно сделать вывод, что процентное соотношение фракций применяемого гранитного щебня
Фр5-10 / Фр5-20 = 50/50 при прочих равных условиях оказывает наилучшее влияние на призменную прочность тяжелого бетона. Эти результаты будут применены в последующих экспериментальных исследованиях авторов, направленных на выявление факторов, влияющих на качество бетона центрифугированных изделий и связанных с характеристиками заполнителей.
1. ГОСТ 24452-80 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона».
2. ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных ра-бот. Технические условия».
3. ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промыш-ленного производства для строительных ра-бот. Методы физико-механических испыта-ний».
4. Раджан Сувал Свойства центрифугиро-ванного бетона и совершенствование проек-тирования центрифугированных железобе-тонных стоек опор ЛЭП : дис…. канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1997. 267 с.
5. Романенко Е.Ю. Высокопрочные бето-ны с минеральными пористыми и волокни-стыми добавками для изготовления длинно-мерных центрифугированных конструкций: дис.... канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1989. 179 с.
6. Мчедлов-Петросян О.П. Современные взгляды на процессы твердения вяжущих / В сб.: Новое в технологии и технике производ-ства цемента // Тр. ин-та Южгипроцемент. Вып. 4, М.: Стройиздат, 1964. С. 144-153
7. Невский В.А. Прогнозирование стойко-сти бетона при чередующихся воздействиях внешней среды с учетом его структуры и де-формативных свойств: Автореф. дис. докт. техн. наук. М., 1984. 42 с.
8. Невский В.А., Федоренко Ю.В., Лысен-ко Е.И., Петров В.П., Шурыгин В.П. Комби-нированные заполнители в центрифугирован-ном бетоне // Транспортное строительство. 1983. №7. С. 30−31.
9. Пашковский В.Г. Влияние температур-ного фактора на образование и развитие тре-щин в опорах КС // Транспортное строитель-ство. 1964. №8. С. 45−46.
10. Михайлов Н. В., Пашковский В. Г. Проблема продольных трещин в центрифуги-рованных опорах // Электрическое строитель-ство. 1967. №2. С. 60−66.
11. Петров В.П., Лысенко Е.И., Ткаченко Г.А., Шурыгин В.П. Бетон с комбинирован-ным заполнителем в производстве центрифу-гированных опор контактной сети // Транс-портное строительство. 1983. №10. С. 32.
12. Петров В.П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбиниро-ванным заполнителем для стоек опор кон-тактной сети: дис.… канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1983. 175 с.
13. Руководство по изготовлению желе-зобетонных центрифугированных стоек опор контактной сети и воздушных линий автобло-кировки из бетонов с комбинированным за-полнителем. М.: ЦНИИС, 1989. 35 с.
14. Ткаченко Г.А., Петров В.П., Романен-ко Е.Ю. Высокопрочный бетон с комбиниро-ванным заполнителем для центрифугирован-ных опор контактной сети // Тезисы докладов научно-технической конференции, М.: ЦНИИС, 1988. С. 37−38.
15. Авторское свидетельство 1004298 СССР. Бетонная смесь / В.П. Шурыгин, В.А. Невский, Г.А. Ткаченко, В.П. Петров,1983.
16. Шурыгин В.П., Ткаченко Г.А., Петров В.П., Романенко Е.Ю. Повышение трещино-стойкости центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем // Транс-портное строительство. 1988. №8. С. 33−34.
17. Яновская А.В., Сердюков К.В., Стельмах С.А. Изучение влияния фактора за-полнителя на характеристики центрифугиро-ванных железобетонных изделий и конструк-ций // НОВАЯ НАУКА: СТРАТЕГИИ И ВЕК-ТОРЫ РАЗВИТИЯ: Международное научное периодическое издание по итогам Междунар. науч.-практ. конф. (Магнитогорск, 8 апр. 2017 Г.), Стерлитамак: АМИ, 2017. №4. 3. 3. С. 214−216.
18. Pooya Alaee, Bing Li. High-strength concrete exterior beam-column joints with high-yield strength steel reinforcements // Engineering Structures. 2017. Vol. 145. P. 305–321.
19. Mohamed K. Ismail, Assem A.A. Has-san. An experimental study on flexural behav-iour of large-scale concrete beams incorporating crumb rubber and steel fibres. 2017. Vol. 145. P. 97–108.
