УДК 666.972.16
Н. И. НЕТЕСА (ДИИТ)
СНИЖЕНИЕ
ПУСТОТНОСТИ
БЕТОННЫХ
СМЕСЕЙ
ПОДБОРОМ
РАЦИОНАЛЬНОГО
ЗЕРНОВОГО
СОСТАВА
КОМПОНЕНТОВ
Розглянутопроблемиефективноговикористаннязаповнювачівівториннихресурсівпромисловостівбе -тонахміцністюдо 20 МПа, вирішенняякихзабезпечуєекономіюцементу.
Изложеныпроблемыэффективногоиспользованиязаполнителейивторичныхресурсовпромышленнос -тивбетонахпрочностьюменее 20 МПа, решениекоторыхобеспечиваетэкономиюцемента.
The article deals with the tasks of efficient use of fillers and reusable industrial materials in the concretes with strength less than 20 MPa, the solution of which provides savings of cement consumption.
Постановка проблеми. Состав бетоной
смесиопределяетважнейшиесвойствабетонаи
его экономичность. Применение общепризнан
-ных методик, базирующихся на формировании
системычетырехуравненийспоследующимих
решением иопределением количества каждого
из четырех основных компонентов, не обеспе
-чиваетэффективного использования цемента в
бетонах. Особенно этапроблема актуальнадля
бетонов прочностью менее 20 МПа, а также в
связис появившейсяв последниегоды тенден
-цией модификации бетонов наполнителями и
пластификаторами. А применение для транс
-портирования бетонных смесей на строитель
-ных площадках бетононасосов при сущест
-вующих подходах к определению составов бе
-тонных смесей по сути вынуждает строителей
для обеспечения требуемой удобоукладывае
-мости бетонных смесей значительно увеличи
-ватьрасходыцемента. Этоприводит кобостре
-ниювесьмаактуальных экологических, энерге
-тическихиэкономическихпроблем [1].
Анализпоследних исследованийи опреде
-ление нерешенных проблем.Проведенный на
-ми анализ существующих методовопределения
составов многих композиционных материалов,
сходных по свойствамс бетонами (силикальци
-тов, асфальтобетонов, керамическихидр.), пока
-зал, что они принципиально отличаются от тех,
которые применяются в бетоноведении [2–6].
Наши исследования подтвердили, что идля оп
-ределениясоставов бетонов, как ивышеназван
-ных композиционных материалов, необходимо
учитывать тот рациональный зерновой состав
компонентов, которыйможетобеспечитьнаибо
-лее высокую плотность смеси, а следовательно
наименьшую дефектность затвердевшего бето
-на. Кроме того не декларативное, как это на
-блюдается в общепринятых методиках опреде
-ления составов бетонных смесей, а реальное
обеспечение рационального зернового состава
компонентов предопределяет также и улучшен
-нуюудобоукладываемостьбетонныхсмесейпри
существенной экономии цемента, особенно для
бетоновпрочностьюменее 20 МПа [7; 8].
Цель проведенных исследований. Разра
-ботать эффективную методику определения
составовбетонныхсмесейсрациональнымзер
-новым составом компонентов, обеспечиваю
-щим требуемые технологические характери
-стики бетонной смеси исвойства затвердевше
-го бетонапри минимальномрасходе цементаи
требуемом количестве вторичных мелкозерни
-стыхпродуктовпромышленности.
Основной материал исследований.Анализ
проведенных нами исследований показал, что
как при наличии цемента в наиболее мелкой
фракции, такибезнего, пустотностьсмесинаи
-меньшая при количественном соотношении
фракций (по абсолютным объемам) крупной,
средней и мелкой равном 52:23:25 %. С умень
-шением мелкой фракции до 20 % и соответст
-вующем пропорциональном увеличении содер
-жания других фракций, пустотность смеси уве
-личивается незначительно. Но с увеличением
мелкой фракции до 30 % и соответствующем
пропорциональном уменьшении содержания
других фракций, пустотность смеси увеличива
-ется более существенно. При этом содержание
цемента в составе наиболее мелкой фракции
практическиневлияетнапустотностьсмеси.
Проведенными экспериментальными иссле
-дованиями определены рациональные соотно
-шения важнейших характеристик зернового
состава компонентов бетонной смеси, обеспе
-чивающиеповышенную плотностьее минераль
-ного скелета. Но реальные характеристики при
-меняемых вбетонахматериалов, втомчислесо
-отношениеразмеров зерени ихколичество, ми
-нералогический состав могут существенно
отличаться от полученных рациональных соот
-ношений. Так, например, наиболее широко при
в основном (примерно 85 %) из зерен крупно -стью более 0,14 и менее 0,63 мм, т. е. средним
размером около 0,4 мм. В то же время приме
-няемыйдлябетоновцемент состоитв основном
из зерен средней крупностью 60…70 мкм, т. е.
основная часть зерен примерно в 7 раз мельче
зерен песка. Чтобы обеспечить соотношение
размеровзеренэтих компонентов 1:10, необхо
-димолибодоизмельчитьцемент, либонаходить
более крупный песок. Кроме цемента необхо
-дим также наполнитель с таким же размером
зерен, какуцемента.
Однако для помола песка до требуемой то
-нины, а также доизмельчения цемента требу
-ются значительные энергозатраты. Поэтому,
очевидно, в качестве наиболее мелкой состав
-ляющей целесообразно кроме цемента исполь
-зоватьвторичные тонкомолотые продукты, ко
-торые были измельчены ранее и не находят
своегоприменения.
Для определения их основных характери
-стик по тонине помола нами проведен плани
-рованный эксперимент. Кодовые и натураль
-ныезначенияпеременныхэтогоэкспериментас
использованием в качестве наиболее мелкой
составляющей хвостов обогащения железных
рудприведенывтабл. 1.
Таблица 1 Кодовые и натуральные значения переменных
в эксперименте с хвостами обогащения железных руд
Натуральныезначения Код
W, % (X1) Vм, % (X2) Dз/dм (X3)
–1 6,0 10 5
0 7,5 20 7,5
+1 9,0 30 10,0
Хвосты обогащения железных руд предва
-рительно рассеяли на фракции, выделив три:
мельче 40 мкм, 50…60 мкм и 80…90 мкм. Та
-ким образом, в сочетании с зернами песка
крупнее 0,14 мм – мельче 0,63 ммсоотношение
размеров зерен средней фракции к мелкой
м
c
D d (X3) варьировали впределах 10; 7,5; 5.
А в качестве наиболее крупной использовали
фракцию 3…5 мм, которую получили из гра
-нотсева. Следовательно, соотношениеразмеров
зерен крупной фракции к средней оставляли
постоянным и равным 10:1 во всех вариантах.
Аколичественноесоотношениенаиболее круп
-ной фракции к средней во всех вариантах ос
-тавлялипостояннымиравным 7:3. Содержание
наиболее мелкой фракцииVм, % (X2) варьиро
-валивпределах 10…30 % отобщеймассытрех
-фракционнойсмеси. Варьировали такжеивлаж
-ностьюсмесиW, % (X1) впределах 6…9 %.
Матрица плана эксперимента по трем вы
-шеприведенным переменным представлена в
табл. 2. В качестве оптимизируемого фактора
принята пустотность минерального скелета за
вычетом воды, используемой для увлажнения
смеси. Уплотнение смесипроводили трамбова
-ниемповышеприведеннойметодике.
Таблица 2 Матрица плана трехфакторного эксперимента
по оптимизации пустотности смеси с хвостами обогащения железных руд
№вариантов X1(W) X V2( )м X3( )Д3
1 +1 +1 –1
2 –1 +1 –1
3 0 0 –1
4 +1 –1 –1
5 –1 –1 –1
6 0 0 0
7 +1 0 0
8 –1 0 0
9 0 +1 0
10 0 –1 0
11 +1 +1 +1
12 –1 +1 +1
13 0 0 +1
14 +1 –1 +1
15 –1 –1 +1
Результаты статистической обработки этого
экспериментапредставленыввидеполинома (1).
(
1, ,2 3)
15,78 1,08 1 0,77 2Y x x x = − x − x −
2 2 2
3 1 2 3 1 2
0,083x +2,9x +1,42x +2x −0,013x x −
1 3 2 3 1 2 3
0,845x x 0,65x x 0,77x x x
− + + . (1)
Для детального анализа, полученного по ре
-зультатам планированного эксперимента урав
-нения регрессии (1), нами строились графиче
-ские зависимости (номограммы) влияния иссле
-дуемых факторовнапустотностьсмеси. Некото
-рые наиболеехарактерные из них представлены
ниже. На рис. 1 представлены зависимости пус
-тотности трехкомпонентнойсмеси отвлажности
и соотношения диаметров средних и мелких
(D dc м) зеренприсодержаниимелкойфракции
j
, j
M
5 6 7 8 9 10
6 7 8 9 23 22.5 22 22 22 21.5 21.5 21.5 21.5 21 21 21 21 20.5 20.5 20.5 20.5 20.5 20 20 20 20 j , j M
5 6 7 8 9 10
6 7 8 9 19 18.5 18 18 17.5 17.5 17.5 17.5 17 17 17 17 17 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16 16 16 16
Рис. 1. Номограммызависимостипустотноститрехкомпонентныхсмесейотсоотношениядиаметров среднейимелкойфракцийивлажностисмесиприсодержаниимелкойфракции:
а – 10 %; б – 20 %
Иханализ показывает, что по мереувеличе
-ния влажности в исследуемом диапазоне пус
-тотность смеси сначала снижается и достигает
минимумапривлажностивпределах 7…8 %. А
придальнейшемувеличении влажностипустот
-ность смеси возрастает, достигая максимума
равного 24,5 % при максимальной влажности
смеси 9 % и минимальном соотношении диа
-метровсредней имелкой фракцийравном 5. Но
притойжевлажностиисоотношениидиаметров
средней и мелкой фракций равном 7 и более
пустотностьравнаоколо 22,5 % (см. рис. 1, а).
По мере увеличения соотношения диамет
-ров средней и мелкой фракций пустотность
смеситакже уменьшаетсяи достигаетминиму
-маприихсоотношениибольшем 7. Минималь
-ная пустотность при постоянном содержании
мелкой фракции обеспечивается практически
при одинаковых значениях остальных иссле
-дуемых параметров – влажности 7…8 %, соот
-ношениидиаметровсреднейимелкойфракций
более 7. Ноонасущественно (на 4 %) меньшеи
равна 16 % при содержании мелкой фракции
20 % (см. рис. 1, б), чем при ее содержании 10 % (пустотностьравна 20 %, см. рис. 1, а).
Зависимость пустотности от влажности и
содержания мелкой фракции при постоянном
соотношении диаметров средней и мелкой
фракций равном 5 представлена на рис. 2, а;
равном 7,5 – нарис. 2, б. j
, j
M
10 15 20 25 30 6 7 8 9 22.5 22 22 21.5 21.5 21.5 21 21 21 20.5 20.5 20.5 20 20 20 20 20 19.5 19.5 19.5 19.5 19 19 19 19 18.5 18.5 18.5 18.5 18.5 18 18 18 j , j M
10 15 20 25 30
6 7 8 9 20.5 20 19.5 19 19 19 18.5 18.5 18.5 18 18 18 18 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17 17 17 17 17 17 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16 16 16
Рис. 2. Номограммызависимостипустотноститрехкомпонентныхсмесейотсодержаниямелкойфракции ивлажностисмесиприсоотношениидиаметровсреднейимелкойфракции:
а – 5; б – 7,5
а б
Соотношение Dс/dм (Х3) Соотношение Dс/dм (Х3)
б
а
Анализ представленных зависимостей по
-зволяет определить следующие закономерно
-сти. Приминимальномсоотношениидиаметров
зеренсреднейимелкойфракцийравном 5, пус
-тотность смеси уменьшается по мере увеличе
-ния влажности и достигает минимума (18 %)
при влажности 7,5…8,5 % в диапазоне содер
-жания мелкой фракции 20…25 %. А по мере
дальнейшего увеличения влажности пустот
-ность несколько увеличивается. Максимальная
пустотность равная 24,5 % определена при
влажности 9 %, минимальномсодержаниимел
-койфракции 10 %, а также привлажности 6 %
и максимальном содержании мелкой фракции
30 %, если соотношение диаметров средней и мелкойфракцийравно 5 (см. рис. 2, а).
При соотношении диаметров средней и
мелкой фракций равном 7,5 (см. рис. 2, б) ми
-нимальная пустотность ниже, чем в предыду
-щемварианте (см. рис. 2, а) на 2 % исоставляет 16 % при влажности 7…8 %, содержаниимел
-койфракции 20…25 %. Примернона 2 % ниже
имаксимальныезначенияпустотности, чемпри
соотношении диаметров средней и мелкой
фракцийравном 5, ноониопределеныприоди
-наковых значениях влажности и содержания
мелкойфракции.
Из трех исследуемых факторов наиболее
существенное влияние на пустотность смеси
оказываетсодержание мелкозернистого компо
-нента. Приегоизмененииот 10 дооптимально
-го значения около 25 % пустотность уменьша
-ется на 3,5…4 % и составляет 16 % при опти
-мальномзначенииостальныхфакторов – влаж
-ности 7…8 %, соотношениисреднихдиаметров
зеренсредней имелкой фракцийнеменее 8. А
при дальнейшем увеличении содержания мел
-койфракциидо 30 % пустотностьувеличивает
-сяна 1,5 %. Характерно, чтоаналогичная зако
-номерность изменения пустотности смеси в
зависимости от изменения содержания мелкой
фракции наблюдается и при неоптимальных
значениях двух других переменных. Так, на
-пример, если соотношение диаметров средней
и мелкой фракций равно 7,5 (близко к опти
-мальному), то при влажности 6 % пустотность
смесиуменьшается от 21 до 17,5 % при увели
-чении содержания мелкой фракции от 10 до
20…25 %. А при дальнейшем увеличении со
-держания мелкой фракции и тех же значениях
двухдругих переменных пустотность увеличи
-вается до 20 % (см. рис. 2, б). Если влажность
смесиравна 6 %, соотношениедиаметровсред
-нейимелкойфракции – 5, то помереувеличе
-ниясодержания мелкойфракцииот 10 до 20 %
пустотностьуменьшаетсяот 23 до 20,5 %. Апо
мере дальнейшего увеличения содержания
мелкой фракциидо 30 % пустотностьувеличи
-ваетсядо 24 % (см. рис. 2, а).
Менее существеннонаизменение пустотно
-сти влияют две других исследуемых перемен
-ных. При изменении влажности от 6 до 7 %
пустотность смеси уменьшается максимум на
2,5 % (см. рис. 1, а), а, восновном, как приоп
-тимальных так и неоптимальных значениях
другихпеременных, пустотностьизменяетсяна
1,5…2 %. Примерновтехжепределахизменя
-ется пустотность и при изменении соотноше
-ниядиаметровсреднейимелкойфракцийвис
-следуемых границах. Наиболее существенно
(3 %) пустотностьуменьшаетсяприсодержании
мелкой фракции 20 %, влажности 6 % иувели
-чениисоотношениядиаметровсреднейимелкой
фракций от 5 до 9 (см. рис. 2, а). А во всехос
-тальных вариантах изменения этого параметра
изменениепустотностинепревышает 2 %.
Весьма важной для практики производства
бетонов являетсянаблюдаемая закономерность
плавного, постепенного увеличения и умень
-шенияпустотностипомереизменения всехис
-следуемых переменных. В довольно широком
диапазонеихварьированияпустотностьостает
-ся практически на одном уровне. Так, пустот
-ностьостаетсяминимальной (см. рис. 1, 2) при
изменениивлажности смесиболеечемна один
процент (более 20 литров воды на кубометр
смеси). Пустотностьсмеситакжеостаетсяпрак
-тически постояннойвдовольно широком диапа
-зоне содержаниямелкойфракцииот 19 до 26 %
отобщегосодержаниятвердыхкомпонентов, что
составляет 120…150 кг/м3 смеси (см. рис. 1, 2).
Следовательно, возможное колебание этих па
-раметров в процессе производства бетонов не
приведет к резкому изменению плотности, а,
вероятно, идругихфизико-механическиххарак
-теристикбетонов. Ноболеесущественноеизме
-нение, особенно уменьшение расхода мелкозер
-нистогокомпонентадопятнадцатиименеепро
-центов, что часто имеет место, особенно при
производстве низкопрочных бетонов, может
привестиксущественномуснижениюпустотно
-сти смеси, следовательно, и важнейших харак
-теристикзатвердевшегобетона.
Какотмечалосьранее, соотношениедиамет
-ров смешиваемыхсреднихимелкихфракцийв
исследуемом диапазоне наименее существенно
влияет на пустотность смеси, но после его
уменьшения дошести – семи раз и менее пус
-тотность смеси начинает интенсивно снижать
на оптимальном уровне поддерживать количе
-ствомелкой фракцииивлажностьсмеси. Аце
-лесообразность выдерживания определенного
соотношения диаметров средних и мелких
фракций необходимо определять по результа
-тамтехнико-экономическихрасчетов. Дляэтого
необходимо продолжить экспериментальные
исследования с поиском оптимальных соотно
-шений исследуемых параметров не только по
пустотности смеси, но также прочности и дру
-гимважнейшимхарактеристикамзатвердевшего
бетона. В этих экспериментах необходимо ис
-пользовать полученные выше закономерности
повлиянию зерновогосостава смесинапустот
-ность. Но продолжать экспериментальные ис
-следования целесообразно с использованием
реально применяемых для получения бетонов
составляющихирежимовихформования.
Выводы
1. Для обеспечения повышенной плотности
бетонныхсмесей изатвердевшегобетона необ
-ходимо обеспечивать рациональный зерновой
компонентов.
2. Требуются дальнейшие исследования по
обеспечению надежного перемешивания сме
-сейс низкимирасходами цемента, атакже изу
-чениюдолговечноститакихбетоновизащитев
нихарматурыоткоррозии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Труды 1 Всероссийскойконференциипобетону ижелезобетону «Бетоннарубеже третьего ты -сячелетия», проходившей 9…14 сентября 2001 г. В 3-хт. М.: НИИЖБ, 2001. – 1820 с.
2. Боженов П. И. Технология автоклавных мате -риалов. – Л.: Стройиздат, 1978. – 368 с.
3. ХавкинЛ. М. Технологиясиликатногокирпича. – М.: Стройиздат, 1982. – 384 с.
4. Попильский Р. Я. Прессование керамических порошков / Р. Я. Попильский, Ф. В. Кондрашов. – М.: Металлургия, 1968. – 272 с.
5. ГуменскийБ. М. Основныесведенияизобщего грунтоведения. – Л.: ЛИИЖТ, 1968. – 54 с. 6. ЮшкевичМ. О. Технология керамики / М. О.
Юшкевич, М. И. Роговой. – М.: Наука, 1969. – 379 с.
7. Нетеса Н. И. Проблемы экономии цемента в бетонах введением рационального количества микронаполнителей // Строительство, мате -риаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов. – Д.: Изд-воПГАСА, 2001. - Вып. 12. - С. 301–305.
8. НетесаН. И. Влияние зерновогосостава ком -понентов на структуру, прочность и морозо -стойкость бетонов // Строительство, материа -ловедение, машиностроение. – Д.: Изд-во ПГАСА. - 2002. - Вып. 16. – С. 100–107.
