Исследование физико-механических свойств гидромелиоративного бетона на основе барханных песков

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Сегодня в мире динамично развивается строительная индустрия.

В нашей стране в результате уделяемого большого внимания на развитию интеграции науки, образования и производства, поддержки интеллектуального потенциала последовательно развивается и это направление.

Постановление Президента Ислама Каримова «О дополнительных мерах по стимулированию внедрения инновационных проектов и технологий в производство» от 15 июля 2008 года способствует дальнейшему расширению масштабов исследований по разработке современных строительных материалов и технологий.

Динамично развивающиеся промышленность и производство строительных материалов невозможно представить без новых качественных строительных материалов, в том числе композиционных.

Для обеспечения потребности в новых строительных материалах требуется всестороннее исследование различных видов местного сырья, и техногенных отходов промышленности для получения изделий и конструкции с требуемыми показателями и хорошей качеством.

Комитетом по координации развития науки и технологий при Кабинете Министров Республики Узбекистан совместно с Академией наук, министерствами и ведомствами, с участием ведущих ученых и специалистов страны определены восемь приоритетных направлений развития науки и технологий на 2012-2020 годы.

Они включают следующие сферы:

- духовно-нравственное и культурное развитие демократического правового общества, формирование инновационной экономики;

- энерго- и ресурсосбережение в электроэнергетике;

- расширение использования возобновляемых источников энергии;

- развитие информационно-коммуникационных технологий;

- внедрение современных технологий, экологические аспекты и охрана окружающей среды;

- медицина и фармакология;

- химические технологии и нанотехнологии;

- наука о земле (геология, геофизика, сейсмология и переработка минерального сырья).

В соответствии с приоритетными направлениями развития науки и технологий формируются научно-технические программы в области фундаментальных (рождение научной идеи) и прикладных исследований (конкретные разработки), а также инноваций (первый шаг к промышленному производству).

Исходя из выше перечисленных направлений намеченный государством нами были поставлены задачи получения долговечного и технологичного гидромелиоративного бетона из барханного песка с фибро волокном используемых для ирригационных систем.

Возрастающий дефицит крупного заполнителя в отдельных регионах нашей Республики, в частности, в пустынных зонах Бухарской, Навоийской, Кашкадарьинских областях и в республике Каракалпакстан, обуславливает использование местного материала - барханного песка, целесообразность применения которого обусловлена, прежде всего, тем, что песчаные бетоны на их основе в отмеченных регионах намного дешевле, чем получаемые на привозных крупных заполнителях.

Но основа применения этих местных материалов заключается прежде всего в долговечности изготавливаемых конструкций и изделий. Разработка качественных песчаных бетонов на основе барханного песка еще недостаточно изучена, особенно в составе конструкций на гидромелиоративных и гидротехнических бетонах, таких как лотки, облицовочные плиты ирригационных каналов и др.

В настоящее время вопрос использования различных добавок (в том числе техногенных отходов и некондиционных местных материалов) в вещественный состав, возник с новой остротой. Предлагаются различные новые подходы к повышению эффективности и экономии цемента, применению химических добавок путем их комбинирования с высокодисперсными минеральными наполнителями с удельной поверхностью 5000 и более. В настоящее время разработана широкая номенклатура химических добавок разного назначения и изучены механизмы действия на процессы гидратации и структурообразования при твердении бетона.

Для конструкций, работающих в агрессивных средах, для предотвращения коррозии стальной арматуры и самого бетона, предлагаются современные подходы вплоть до замены традиционной металлической арматуры на фиброволокна (стекло, базальтовые, органические и др.). Микроармирование матрицы цементного камня обеспечивает долговечность конструкций, работающих в агрессивных средах. Как известно, лотки и облицовочные плиты каналов работают в очень сложных условиях, таких как: попеременное увлажнение и высушивание; замораживание и оттаивание; подвергаются воздействию различных ионов типа хлоридов и сульфатов.

Коренные изменения развития народного хозяйства страны во многом зависят от ускорения научно-технического прогресса.

В области строительства важной задачей является повышение долговечности и коррозионной стойкости бетонов при одновременной экономии материальных ресурсов, разработка и применение новых эффективных добавок.

В настоящее время вопросы добычи и переработки материалов, используемых в качестве заполнителей бетона, имеют первостепенное значение. Дефицит кондиционных заполнителей сдерживает быстрое наращивание темпов строительства, а неравномерное распределение запасов вынуждает перевозить их на значительное расстояние.

Для строительства в пустынных районах Средней Азии, где практически отсутствуют запасы крупного заполнителя, возникает необходимость доставки его из других районов на расстояние 300-600 км, что приводит к удорожанию стоимости строительства на 30-40 %. В то же время эти районы обладают неограниченными запасами некондиционных мелких пылевидных барханных песков.

В последние годы в связи с развитием в этих районах гидромелиоративного строительства повышается интерес к мелкозернистым бетонам, получаемым на местном строительном сырье.

На сегодняшний день не решена важная задача - повышения срока службы бетона на барханном песке, эксплуатируемого в гидромелиоративном строительстве.

Наряду с прочностью при сжатии для гидромелиоративного бетона, эксплуатационные качества которых определяются работой растянутой зоны., при повышенных требованиях по трещиностойкости нормируются также марки (классы) по прочности на осевое растяжение.

Для гидромелиоративного бетона сборных конструкций отпускная прочность должна быть не менее 70% от проектной. Для монолитных бетонных одежд каналов марка бетона назначается в зависимости от глубины воды в канале, толщины облицовки и технологии производства.

Трещиностойкость гидротехнического бетона массивных конструкций прямо связана с температурными напряжениями, обусловленными тепловыделением при твердении. Максимально допустимое значение тепловыделения бетона назначается в зависимости от нормируемой температуры при его разогреве в блоках.

Водонепроницаемость гидромелиоративного бетона в зависимости от вида сооружений может задаваться как марками так и коэффициентом фильтрации, между которыми как указывалось в гл.2 имеется корреляционная связь. При воздействии агрессивной среды указывается вид бетона по плотности. Показателями плотности бетона являются его водонепроницаемость и водопоглощение. Для зоны переменного уровня воды водопоглощение бетона не должно превышать 5% (от массы высушенных образцов), других зон не более 7%.

Проектирование составов гидромелиоративного бетона с большим количеством нормируемых параметров относится к наиболее сложным задачам многопараметрического проектирования составов бетона.

Предлагаемая автором работа является продолжением исследований кафедры строительных материалов по проблеме получения изделий из бетонов на основе барханных песков для гидомелиоративного строительства.

1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1 Особенности работы гидромелиоративного бетона

Развитие строительного производства и технологии производства бетона уже в первые десятилетия показало, что, наконец, найден материал, который будет долговечным, и срок его службы будет измеряться столетиями.

Фактические сроки службы бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых примерно в одинаковых условиях, различаются в 3-7 и даже более раз. С течением времени на этот вид материала оказывают влияние сложные и комплексные нагрузки, включающие силовые, температурные, влажностные, коррозионные, экологические, радиационные воздействия.

В структуре бетона протекают длительные процессы усадки и ползучести, образования и развития различного рода структурных дефектов. В то же время под влиянием окружающей среды «худшие» факторы деструктурируют свойства материала менее интенсивно, чем исходно «лучшие».

Механизм приспособления бетона к условиям внешней среды связан, прежде всего, с «включением» его внутренних резервов для поддержания очередного уровня технического состояния.

Конец прошлого столетия показал, что функциональное приспособление структуры и свойств цементного бетона далеко не однозначно по качеству и долговечности.

Бетон - материал универсальный по своим свойствам, простой и мало энергоемкий в технологии производства, но сложный по своей капиллярно-пористой гетерогенной структуре. В действительности долговечность и надежность бетона в конструкциях и сооружениях, работающих в экстремальных условиях окружающей среды, во многих случаях можно оценить только на «удовлетворительно».

Согласно статистическому анализу, адаптационная изменчивость таких свойств бетона как трещиностойкость и коррозионная стойкость, связанная с приспособлением структуры и ее функций к условиям внешней среды, отвечает только эпохе классического бетона периода XIX и первой половины XX столетий.

Современные представления о технологических и технических свойствах бетона как композиционного материала разрабатываются с учетом строения и химии поверхности его составляющих компонентов, физико-химии их межфазного взаимодействия. Железобетонные конструкции гидромелиоративных сооружений также отличаются от железобетонных конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений некоторыми специфическими особенностями возведения и эксплуатации.

Основными отличиями являются: работа в условиях водной среды; часто - массивность и тонкостенной конструкций при относительно малом содержании арматуры; большое влияние температурных воздействий водной и воздушной сред эксплуатации и агрессивность указанных сред.

Эти особенности учитываются при проектировании, расчете и строительстве гидротехнических систем и сооружений.

Прочность и долговечность железобетонных конструкций напрямую зависят не только от качества применяемых материалов, способа уплотнения бетонной смеси и условий выдерживания бетона, но и, главным образом, от рационального подбора состава бетонной смеси, ее подвижности (жесткости) и дозировки материалов.

Выполняя подбор состава гидромелиоративного бетона очень важно учитывать все параметры и компоненты бетона, таких как: состав бетона, правильный расчет состава бетона, баланс и правильные нормы содержания воды в бетонной смеси, оптимальное содержание песка в бетоне, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя в бетоне, водоцементное отношение и структура бетона; температурные влажностные условия твердения в зависимостях прочности бетона от В/Ц, расчетно-экспериментальное прогнозирование морозостойкости при проектировании составов бетона, морозостойкость, водонепроницаемость, адаптация расчетных составов бетона к производственным условиям, цементы с минеральными добавками и портландцемент, не содержащими минеральных добавок, активные минеральные добавки в бетонах, химические добавки, заполнители бетона. От этих данных в основном зависит качество бетона, поэтому при производстве бетона необходимо учитывать все расчеты. Подбор состава бетона - дело и, можно сказать, искусство профессиональных строителей. Реализация сложных строительных проектов требует тщательного подбора строительных материалов. В этих условиях подбор состава бетона становится отдельной задачей, решение которой зависит от профессионализма строителей. Свойства бетона, достаточно хорошо изученные, зависят от многих факторов. В их числе, водоцементное отношение, вид вяжущего, качество наполнителей, виброуплотнение и выдерживание готовой смеси.

В современном строительстве все больший интерес проявляется к композитной (FRP) арматуре (базальто-, стеклопластиковой и др.), обладающей рядом существенных преимуществ перед стальной арматурой - низкой плотностью, малой теплопроводностью, высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Сегодня остро стоит вопрос о долговечности и календарном сроке службы неметаллической арматуры, поэтому актуальным является создание методов оценки и прогнозирования сроков службы данного материала. Известно, что на протяжении всего периода эксплуатации арматура находится под воздействием щелочной среды бетона (рН = 12-13), что является одним из основных факторов, ответственных за старение и разрушение данного материала. Изучено влияние высокощелочной жидкой агрессивной среды на физико-механические свойства неметаллической арматуры. В качестве среды, моделирующей воздействие щелочной среды бетона, был выбран насыщенный раствор Ca(OH)2, при этом pH регулировалось в пределах 12,0-12,8. Получены экспериментальные температурно-временные зависимости изменения физико-механических характеристик арматурных стержней после экспозиции в Ca(OH)2.

Бетон является одним из самых распространенных строительных материалов, бетон, который при приготовлении армирован дисперсными волокнами (фибрами) именуется - фибробетоном.

Фибробетон обладает более высокой ударной прочностью, прочностью на срез и при растяжении, водонепроницаемостью, морозостойкостью, пожаростойкостью и сопротивлением кавитации.

Перечисленные достоинства в совокупности обеспечивают высокую эффективность применения данного материала, поэтому изделия из фибробетона, такие как фибробетонные блоки, панели и плиты используют в строительных конструкциях.

Технология производства фибробетона является обычной смесью песка, цемента, воды и определенного количества дисперсных волокон (фибры). Фибра, в свою очередь, производится из различных материалов.

Таблица 1.1. Характеристики видов волокон, которые используют для изготовления фибробетона

Волокно	Плотность, г/см 3	Модуль упругости, МПа	Прочность на растяжение, МПа	Удлинение при разрыве, %
Полипропиленовое	0,9	3500-8000	400-700	10-25
Полиамидное	0,9	1900-2000	720-750	24-25
Полиэтиленовое	0,95	1400-4200	600-720	10-12
Акриловое	1,1	2100-2150	210-420	25-45
Нейлоновое	1,1	4200-4500	770-840	16-20
Вискозное сверхпрочное	1,2	5600-5800	660-700	14-16
Полиэфирное	1,4	8400-8600	730-780	11-13
Хлопковое	1,5	4900-5100	420-700	3-10
Карбоновое	1,63	280 000-380 000	1200-4000	2,0-2,2
Углеродное	2,00	200 000-250 000	2000-3500	1,0-1,6
Стеклянное	2,60	7000-8000	1800-3850	1,5-3,5
Асбестовое	2,60	68 000-70 000	910-3100	0,6-0,7
Базальтовое	2,60-2,70	7000-11 000	1600-3200	1,4-3,6
Стальное	7,80	190 000-210 000	600-3150	3-4

С точки зрения экономической эффективности стальная арматура является оптимальным материалом для повышения прочности бетона. Свойства фибробетона как композиционного материала определяются свойствами составляющих его компонентов.

Для производства фибробетона с наилучшими характеристиками необходимо выполнение следующих условий: добиться технологической совместимости бетона-матрицы и фибры, выбрать наилучшее сочетание вида фибры и бетона матрицы для того, чтобы получить необходимый по эксплуатационным характеристикам материал, для наиболее эффективного использования свойств прочности фибры необходимо максимальное заанкерирование фибры в бетоне. И необходимо учитывать, что при добавлении в бетон фибра должна быть очень тщательно перемешана, так как категорически не допускается попадание фибры комками.

Отмечается повышенная прочность на растяжение, изгиб, высокая трещиностойкость, водонепроницаемость, сопротивляемость ударным и циклическим нагрузкам, более высоким сопротивлением истиранию. Использование фибробетона в изгибаемых элементах повышает в значительных пределах трешиностойкость и вязкость по сравнению с чистым бетоном. При объемном содержании фибр 1-2,3% трешиностойкость бетона повышается в 2-3,3 раза, вязкость - 15-33 раза. При этом значительно снижаются трудозатраты.

Установлена экономическая целесообразность сталестеклофибробетонов. Приводится сравнительных расход на изготовление колец обделки тоннелей с применением традиционного бетона и сталестеклофибробетона Композитная арматура: достойная альтернатива металлическим изделиям.

Рассмотрены ряд направлений в строительной области, в которых применение композитной арматуры предпочтительнее металлического аналога. Прежде всего, к подобным сферам относятся гибкие связи при возведении многослойных ограждающих, облицовочных и других конструкций. Композитная арматура может быть использована для укрепления дорожного полотна, а также при возведении фундаментов и иных строительных работ. Данный материал нашел применение в восстановительных и реставрационных работах, ремонте. Современная технология производства арматуры позволила значительно снизить эксплуатационные и трудовые затраты на изготовление данного материала. В работе обоснована экономическая целесообразность применения композиционной арматуры место традиционной стальной.

В настоящее время промышленность сборного и монолитного бетона все чаще начинает использовать комплексные добавки для одновременного повышения ряда свойств. Недостаточно изученным является вопрос о влиянии каждого компонента в составе комплексной добавки и о порядке введения данных добавок в бетонную смесь.

Математическим планированием эксперимента проведена оптимизация новой комплексной добавки и выявлена роль каждого компонента в составе комплексной на физико-механические свойства бетона. Получены математические зависимости, позволяющие определить влияние каждого компонента комплексной добавки на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона. Исследовано влияние комплексной добавки и ее компонентов усадку и кинетику набухания в сульфатных средах.

Грамотный подбор состава бетона позволяет получить водонепроницаемый бетон, морозостойкий бетон. Для достижения повышенных прочностных характеристик тяжелых бетонов в настоящее время разработаны довольно эффективные методы, а именно снижение водопотребности бетонной смеси за счет использования суперпластификаторов, применение чистых высокопрочных фракционированных заполнителей, высокоактивных вяжущих веществ, микронаполнителей и т.д. в сочетании со строгим контролем на всех стадиях технологического процесса.

Однако необходимо обратить внимание на возникающую в связи с этим проблему: с повышением прочности бетона растет и его хрупкость, снижаются пластично-деформационные свойства, что влечет за собой практически мгновенное разрушение материала при достижении им предельного состояния. Поэтому сейчас назревают предложения по введению повышенных коэффициентов безопасности и надежности при проектировании конструкций из высокопрочного бетона.

Таким образом, возникает необходимость повышения вязкости разрушения (трещиностойкости) высокопрочного бетона. Наиболее эффективное решение настоящей проблемы лежит в плоскости применения дисперсного армирования, способного обеспечить коренное улучшение механических характеристик бетона (прочности, трещиностойкости, ударопрочности и т.д.).

Повышение эксплуатационной надежности конструкций, в том числе в условиях действия агрессивных сред, возможность сокращения рабочих сечений конструкций, уменьшение расхода стержневой арматуры за счет увеличения несущей способности материала.

Рассматривается вопросы сцепления фибры цементной матрицей , так как создать композит, в котором прочность сцепления на границе раздела фаз «стальная фибра - матрица» преобладала бы над временным сопротивлением на разрыв самого волокна, весьма проблематично, причем в этом нет никакой необходимости для получения вязкого разрушения, то рассматривается случай: l<lкр.

Разрушение происходит за счет нарушения границ раздела между волокном и матрицей и вытягивания волокон из матрицы, что в большей степени способствует вязкому разрушению. Таким образом, большее значение имеют касательные напряжения (), а не напряжения в самом волокне (у), и вязкость разрушения, основной вклад в которую вносит энергия, затраченная на вытягивание волокон, зависит от:

- объемной доли волокон Vв;

- величины касательных напряжений на границе раздела фаз «фибра - матрица»;

- геометрических характеристик волокон (l/d).

При этом важно, что зависимость энергии по вытягиванию от длины волокна является более тесной, так как в выражении (9) имеется показатель степени, поэтому для увеличения энергии по вытягиванию необходимо стремиться к увеличению длины волокна, а в связи с этим - к увеличению отношения (l/d). Исходя из этого установлено, что отношение длины волокна к его диаметру (l/d) в большей степени влияет на трещиностойкость, чем на прочность сталефибробетона.

Таким образом, критериями управления вязкостью разрушения фибробетонах следует считать:

- геометрические характеристики (типоразмер) волокон;

- объемную долю волокон в матрице;

- характеристику сцепления волокон с матрицей.

В данном случае дисперсная арматура, располагаясь в бетонной матрице, создает пространственный каркас, который препятствует образованию, росту и распространению трещин, при этом повышается не только прочность, но и, главное, вязкость разрушения бетона.

Соответствующий подбор состава бетона также требуется, чтобы качественно осуществить ремонт бетона. Как известно, для гидротехнических сооружений срок твердения (возраст) бетона, отвечающий его классам по прочности на сжатие, на осевое растяжение и марке по водонепроницаемости, принимается, как правило, для конструкций ирригационных канальных и речных гидротехнических сооружений 180 суток, для сборных и монолитных конструкций морских и речных портовых сооружений -28 суток. Срок твердения (возраст) бетона, отвечающий его проектной марке по морозостойкости, принимается 28 суток, для массивных конструкций, возводимых в теплой опалубке, 60 суток. Если известны сроки фактического нагружения конструкций, способы их возведения, условия твердения бетона, вид и качество применяемого цемента, то допускается устанавливать класс бетона в ином возрасте. Для сборных, в том числе предварительно напряженных конструкций, отпускную прочность бетона на сжатие следует принимать в соответствии с ГОСТ 13015.0-83, но не менее 70 % прочности принятого класса бетона.

Проектирование состава бетона сводится к трем взаимосвязанным задачам:

1. Назначение требований к техническим свойствам бетона и технологическим свойствам бетонной смеси.

2. Выбор материалов для бетона.

3. Собственно проектирование состава бетона, т. е. установление:

- величины водоцементного отношения В/Ц,

- оптимального зернового состава смеси заполнителей,

- минимально необходимого расхода цемента Ц, кг/м 3.

Эта система параметров удобна тем, что такие важные свойства бетона, как прочность, морозостойкость и водонепроницаемость, выражаются сравнительно простыми функциями от параметров состава бетона. Комплекс требований, предъявляемых к бетону, должен обеспечить три основных качества: прочность, долговечность и экономичность бетона. Эти требования назначаются в проекте сооружения. Прочность бетона задается классами по прочности при сжатии и растяжении, с учетом напряженного состояния конструкции.

Долговечность бетона зависит от многих факторов и определяется рядом свойств, таких как морозостойкость, водонепроницаемость, водостойкость и др. Для массивных сооружений большое значение имеет термическая трещиностойкость бетона, которая обеспечивается пониженным тепловыделением, высокой предельной растяжимостью, малым коэффициентом температурного расширения. Параметры бетонной смеси должны обеспечить высокую технологичность ее транспортирования, укладки и уплотнения с учетом применяемых механизмов и методов бетонирования. Эти требования задаются в проекте производства работ в виде: осадки конуса (ОК), либо показателя жесткости (Ж), характеризующих удобоукладываемость; жизнеспособность и т. п.

Экономичность песчаного бетона определяется в основном расходом цемента, как наиболее дорогим компонентом в бетоне (если не принимать во внимание добавок). Здесь следует пояснить, что добавка не является обязательной составляющей в бетоне, а присутствие цемента - обязательно, но количество его для обеспечения требуемых свойств может быть и больше необходимого, что неоправданно увеличивает стоимость бетона. Поэтому общим экономическим принципом проектирования состава бетона является отыскание минимально необходимого расхода цемента.

2. Выбор материалов для бетона:

1. Выбор цемента.

При выборе вида цемента учитывают следующие моменты:

- Агрессивность воды-среды. Если вода-среда характеризуется сульфатной агрессивностью, то следует применять сульфатостойкий портландцемент, пуццолановый портландцемент или сульфатостойкий шлакопортландцемент;

- Положение песчаного бетона в сооружении. В зоне переменного уровня воды нельзя применять пуццолановый и шлаковый портландцементы из-за их низкой морозостойкости;

- Класс бетона по прочности. Высокоактивные цементы нецелесообразно применять для бетона, к которому не предъявляется высоких требований по прочности. Если для бетона низкой прочности использовать высокоактивный цемент, то расход цемента на 1 м 3 бетонной смеси окажется по расчету недопустимо низким, и это вызовет ухудшение технологических свойств бетонной смеси и некоторых технических свойств бетона (повышенное водоотделение и пониженная связность бетонной смеси, снижение объемной массы и водонепроницаемости бетона). Активность цемента не должна превышать класс бетона по прочности более чем в 3 раза, если проектный возраст бетона 28 дней, или в 2 раза, если проектный возраст 180 дней.

2. Выбор заполнителей.

Выбор заполнителей проводится на основании результатов испытаний отобранных проб, а также после технико-экономических сравнений различных вариантов заполнителей.

3. Выбор добавок.

Для приготовления бетона чаще всего применяют поверхностно-активные добавки. Они могут вводиться в бетонную смесь при ее затворении в бетономешалке. Иногда эти добавки уже содержатся в самом цементе.

1.2 Особенности подбора состава гидромелиоративного бетона

На практике правильно запроектировать состав бетона можно только экспериментальным подбором параметров под заданные свойства, т.е. из выбранных материалов готовят бетонную смесь и бетон произвольного состава и определяют их свойства путем испытаний. Если свойства испытанных образцов не соответствуют заданным, то изготавливают образцы другого состава, снова испытывают, и т.д. Важно, чтобы работа по проектированию свойств бетона была выполнена при минимальных затратах труда и не содержала лишних опытов. Разработаны основные принципы нахождения параметров состава бетона.

Рассмотрим для наиболее простого случая - когда заданных свойств всего два:

1) прочность бетона при сжатии,

2) подвижность бетонной смеси.

Кроме того, пусть заполнители рассеиваются только на две фракции: фракция 0-5 мм - мелкий заполнитель (песок) и фракция более 5 мм - крупный заполнитель. В этом случае зерновой состав заполнителей характеризуется всего одним параметром r - долей песка от массы заполнителей. Тогда определение параметров состава бетона можно провести по схеме, представленной в таблице.

Проектирование состава гидромелоративного бетона представляет собой несколько более сложную задачу, т.к. в число заданных свойств, помимо прочности и подвижности, обычно входят и другие, например, водонепроницаемость и морозостойкость. Кроме того, для повышения качества бетона смесь заполнителей составляют не из двух, а из большего числа фракций (0-5, 5-10, 10-20, 20-40, 40-80 мм и т.д.), и параметр r должен быть заменен другим, который условно обозначим ЗС. По существу, ЗС подразумевает набор чисел, выражающих процентное содержание каждой фракции в смеси заполнителей. Таким образом, несколько видоизменяется постановка задачи по проектированию, которая показана в соответствующей колонке таблицы.

2. Сырьевые материалы и методики проведения экспериментов

2.1 Характеристика сырьевых материалов

При проведении исследований по изучению физико-механических свойств гидромелиоративного бетона из барханных песков применяли следующие виды материалов:

В качестве заполнителя для изучения физико-механических свойств песчаного бетона использовались пески следующих месторождений.

1. Бухарский барханный песок;

2. Самаркандский речной песок.

Характеристика песков различных месторождений приведена в табл. 2.1. Определен по методикам ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний».

Таблица 2.1. Характеристика песков различных месторождений

Месторождение песка	Истинная плотность г/см3	Средняя плотность, кг/м3	Пустотность %	Модуль крупности Мк	Удельная поверхность, см2/г
1. Бухарский	2.65	1390	48.0	0.44	365
2. Самаркандский	2.66	1430	47.2	0.56	276

Химико-минералогические, гранулометрический характеристики песков приведены в таблице:

Таблица 2.2. Минеральный состав песка

№	Наименование	Ед. изм.	Месторождение песка
			Бухарское	Самаркандское
1	Кварц	%	70
	Полевой шпат		15
	Слюды: биотит, мусковит		4,5
	Гранаты		1,5
2	Пироксены, амфиболы	%	3,2
	Кальцит		2,1
	Гематит		0,2
	Обломки пород		1,5
	Лимонит		1
	Опал		1
3	Размеры фракций	мм

В качестве вяжущего вещества в исследованиях был использован цемент Кызылкумского цементного завода.

Для приготовления бетонной смеси применяли водопроводную воду рН=7, удовлетворяющую требованиям ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».

В респубике запасы неразработанных базальтовых пород составляет 56,1 тыс.т - Гавасайское месторождение (блоки I-B, II-C1) Наманганская область Чустский район (трахи-базальтовые порфириты).

Базальтовая фибра (38) (от лат. fibra -- волокно) -- короткие отрезки базальтового волокна предназначенные для дисперсного армирования вяжущих смесей, типа бетона, в строительстве. Диаметр волокна от 20 мкм до 500 мкм. Длина волокна от 1 мм до 150 мм. Базальтовая фибра производится из расплава горных пород типа базальта при температуре выше 1400С. Назначение -- дисперсное 3D армирование бетонных и других изделий на основе вяжущих.

Свойства: Уникальность материала состоит в том, что базальтовое волокно созданное из природного камня имеет очень хорошие показатели по химической стойкости. Волокна диаметром 16-18 мкм имеют 100 % стойкость к воде, 96 % к щелочи, 94 % к кислоте. Модуль упругости волокна находится в пределах от 7 до 60 ГПа, прочность на растяжение от 600 до 3500 МПа.

Дисперсное армирование базальтовой фиброй повышает следующие показатели изделий:

- Ударную прочность до 500 %. Этот показатель характеризует хрупкость материала и оценивается количеством работы, которую нужно затратить на разрушение материала.

- Сопротивление истираемости до 300 %.

- Прочность на растяжение при изгибе до 300 %, на раскалывание до 200 %, сжатие до 150 %, по осевому растяжению до 150 %.

- Предел трещиностойкости до 250 %. Этот показатель характеризует способность фибры препятствовать возникновению и распространению трещин, за счет трехмерного армирования.

- Морозостойкость до 200 %.

- Коррозионная стойкость до 500 %. Этот показатель достигается за счет отсутствия трещин и оказывает влияние снижение глубины карбонизации.

- Кавитационная стойкость до 400 %.

- Водонепроницаемость до 150 %.

Преимущества применения. Базальтовая фибра повышает трещиностойкость в три раза, прочность на раскалывание в два раза, ударную прочность в 5 раз, что дает возможность эффективно использовать ее при возведении сейсмостойких сооружений, взрывобезопасных объектов и военных укреплений. Характеристики базальтовой фибры позволяют использовать ее для сооружения радиопрозрачных конструкций сложной формы. Базальтовая фибра позволяет повысить ударную нагрузку более чем в 5 раз. Основные преимущества гидросооружений изготовленных с применением базальтовой фибры это:

- Долговечность;

- Высокое сопротивление истираемости;

- Высокая ударная стойкость;

- Высокая морозостойкость;

- Высокая коррозионная стойкость;

- Повышенная водонепроницаемость.

Отличие базальтовой фибры от металлической состоит в том, что прежде всего базальтовая фибра не имеет в изделиях негативного катодного эффекта, так же она не подвержена какой либо коррозии. По объему одна металлическая фибра диаметром 1 мм соответствует более чем 600 базальтовых фибр, при этом площадь поверхности у базальтовой фибры больше в 25 раз. Удельный вес металлической фибры 7,8 т/мі, а базальтовой 2,8 т/мі. Это значит, что по массе фибры требуется в 2,7 раза меньше и изделие на основе базальтового волокна легче. Так же в изделия на основе базальтового волокна радиопрозрачны и не имеют эффекта трансформатора. Металлическую фибру выпускают разной конфигурации волнистую, с расплющенными и загнутыми концами для увеличения анкерности, в связи со слабой адгезией металла и цементной матрицы. Базальтовая фибра в изделиях имеет высокую адгезию с цементным камнем и ей не требуется дополнительных изменений конфигурации волокна. Так же, имея одну природу, цементный камень и базальтовая фибра имеют один коэффициент температурного расширения, в отличие от металлической. Дисперсионное армирование базальтовой фиброй повышает пластичность бетонной массы и уменьшает образование усадочных трещин и в отличие от стальной сетки, которая имеет ценность только после того, как бетон треснул, фибра предотвращает появление трещин в бетоне еще на стадии, когда он пребывает в пластическом состоянии.

Пластификаторы для бетона - это специальные добавки, улучшающие технологические свойства бетонной смеси, а также строительно-технические свойства бетонов. Пластификаторы - самые используемые на сегодняшний день добавки для бетона, среди которых нужно выделить суперпластификаторы СП-3,СП-1,Реламикс, Megaplast JK-02, JK-08, JK-15 и другие.

Способы применения пластификаторов для бетона:

· Добавление пластификатора для бетона с водой затворения в бетоносмеситель;

· Смешивание с песком и цементом во время приготовления растворной смеси;

· Растворение пластификатора в воде концентрации с последующим его добавлением в бетоносмеситель после введения основной массы воды.

Пластификаторы широко применяются с середины прошлого века. В настоящее время в основном встречается улучшенная версия пластификаторов - суперпластификаторы. Одним из лидеров по производству суперпластификаторов является наша компания.

На сегодняшний день часто применяются комплексные добавки в бетон. Например: на основе нафталин сульфонатных суперпластификаторов, а в дополнение специальные компоненты для ускорения затвердения бетона или улучшения пластифицирующего эффекта.

2.2 Методика проведения экспериментов

Перед началом экспериментов непосредственно по поиску оптимального состава бетонной смеси, проводим эксперименты с материалами для определения ряда параметров.

Эксперименты с песком проводим в соответствии с требованиями ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ».

Проводим следующие эксперименты:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗЕРНОВОГО СОСТАВА И МОДУЛЯ КРУПНОСТИ.

Зерновой состав определяют путем рассева песка на стандартном наборе сит.

Аппаратура:

Весы по ГОСТ 29329;

Набор сит по ГОСТ 6613 и сита с круглыми отверстиями диаметрами 10; 5 и 2,5 мм.;

Шкаф сушильный.

Подготовка к испытанию:

Аналитическую пробу песка массой не менее 2000 г высушивают до постоянной массы.

Проведение испытания:

Высушенную до постоянной массы пробу песка просеивают через сито с круглыми отверстиями диаметром 5 мм. Из части пробы песка, прошедшего через сито с отверстиями диаметром 5 мм, отбирают навеску массой не менее 1000 г для определения зернового состава песка.

Подготовленную навеску песка просеивают через набор сит с круглыми отверстиями диаметром 2,5 мм и с сетками № 1,25; 063; 0315 и 016.

Просеивание производят ручным способом. При ручном просеивании допускается определять окончание просеивания, интенсивно встряхивая каждое сито над листом бумаги. Просеивание считают законченным, если при этом практически не наблюдается падения зерен песка.

Обработка результатов:

Определение истинной плотности.

Пикнометрический метод.

Сущность метода:

Истинную плотность определяют путем измерения массы единицы объема высушенных зерен песка.

Аппаратура:

Пиконометр вместимостью 100 см3 по ГОСТ 22524.

Весы по ГОСТ 29329 или ГОСТ 24104.

Эксикатор по ГОСТ 25336.

Шкаф сушильный.

Ванна песчаная или водяная баня.

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

Подготовка к испытанию:

Из аналитической пробы песка берут навеску около 30 г, просеивают ее через сито с отверстиями диаметрам 5 мм, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе над концентрированной серной кислотой или безводным хлоридом кальция. Высушенный песок перемешивают и делят на две части.

Проведение испытания:

Каждую часть навески всыпают в чистый высушенный и предварительно взвешенный пикнометр, после чего взвешивают его вместе с песком. Затем наливают в пикнометр дистиллированную воду в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен примерно на 2/3 его объема, перемешивают содержимое и ставят его в слегка наклонном положении на песчаную ванну или водяную баню. Содержимое пикнометра кипятят в течение 15--20 мин для удаления пузырьков воздуха; пузырьки воздуха могут быть удалены также путем выдерживания пикнометра под вакуумом в эксикаторе.

После удаления воздуха пикнометр обтирают, охлаждают до температуры помещения, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают. После этого пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и снова взвешивают. Все взвешивания производят с погрешностью до 0,01 г.

Расхождение между результатами двух определений истинной плотности не должно быть более 0,02 г/см3. В случаях больших расхождений проводят третье определение и вычисляют среднее арифметическое двух ближайших значений.

3. Исследование и разработка состава песчанного бетона с фибро волокнами

3.1 Разработка состава бетонный смеси из барханного песка

В проведенном исследовании были использованы барханные пески с модулем крупности 1,72 с насыпной плотностью 1,21 т/м3. В качестве вяжущего использовался сульфатостойкий цемент М400 Навоийского цементного завода.

Производство бетонных изделий и конструкций - наиболее материало-, энерго- и трудоемкая область строительной индустрии. Важнейшей задачей современного строительного материаловедения является разработка высокоэффективных способов улучшения структуры, физико-механических и функциональных свойств бетонов и изделий, а также снижение удельных расходов вяжущего и дорогостоящих модифицирующих добавок. Одним из основных направлений в совершенствовании структуры и свойств бетона, экономии цемента является применение функциональных химических добавок (72, 75). Однако только с помощью химических добавок изменить свойства бетона с учётом уровня современных требований весьма сложно. Кроме того, большой расход добавок, улучшая одни свойства бетона, ухудшает другие. Другим путём направленного изменения структуры и свойств бетона и бетонной смеси является активация их компонентов. Совместная механическая активация цемента с волокном сможет не только улучшить прочностные свойства получаемого бетона, но и на порядок снизить количество вводимых в бетон химических добавок. В связи с этим применение механической активации компонентов бетонной смеси в производстве мелкозернистого бетона представляется актуальным.

Было рассмотрено 6 различных состава с водоцементным отношением 0,4 и 0,5. Для улучшения трещиностойкости и увеличения физико-механических свойств бетона в составах 3, 4, 5 и 6 применялось базальтовое фиброволокно в количестве 5 % от массы цемента. В составах 5,6 кроме этого для улучшения технологических свойств бетона вводился химическая добавка С-3.

Композиционный состав для получения качественного бетона для ирригационных систем на основе минерального вяжущего включает: сульфатостойкий цемент М400; молотый песок и микроволокно базальтовое. Образцы бетона размером 4х4х16 см указанных составов после двухчасовой выдержки проходили тепловлажностную обработку (ТВО) при изотермической температуре 85С по режиму 2+8+2 ч. Полученные результаты испытаний прочности образцов приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

№ составов	R изгиб, МПа	R сжатие, МПа
	после ТВО	7 сут	14 сут	28 сут	после ТВО	7 сут	14 сут	28 сут
1	3,2	3,7	4,8	7,2	7,1	8,2	10,6	16,9
2	2,4	2,8	3,8	5,4	4,7	6,1	11,0	15,4
3	4,7	5,3	8,5	11,1	21,7	24,4	26,0	28,5
4	4,0	4,5	6,7	9,0	11,8	14,2	16,3	22,8

3.2 Влияние фибр (базальтовой волокно) бетона на прочность изгиба при растяжении и на сжатии

Анализ результатов табл. 3.1 показал, что прочность образцов с составом № 3 при водоцементном отношении В/Ц=0,5 (относительно прочности образцов контрольного состава № 1) увеличил на 123% по показателю растяжение на изгиб; прочность на сжатие увеличивался на 305 %.

Состав № 4 при водоцементном отношении В/Ц=0,4 (относительно прочности образцов контрольного состава № 2) увеличил на 166% по показателю растяжение на изгиб.

Рис. 1. Результаты испытаний образцов на изгиб

Рис. 2. Результаты испытаний образцов на сжатие

Полученные результаты объясняются следующим.

Структурообразование сопровождается процессом образования кристаллогидратов, срастанием микроволокна с матрицей цементного камня и уплотнением структуры бетона. Наполнители в виде измельченного песка, входящие в состав, способствуют уплотнению искуственного камня за счет блокирования и заполнения пор сопоставимого размера. Микроволокно, срастаясь с частицами цементного камня, увеличивает прочность контактной зоны. Механическая активация способствует увеличению удельной поверхности цемента, что, в свою очередь, способствует уплотнению структуры бетона. При помоле цементных минералов активизируется. У домолотого цемента частицы реагируют с водой более активно. При уменьшении размера частиц, происходит увеличение доли поверхностных несвязанных атомов, что увеличивает активность частиц и ведет к уменьшению содержания внутренних дефектов.

Определенным недостатком технологии композиции является скопление фибр в кучу. Для устранения этого недостатка волокно дробили до определенной величины при совместном помоле с цементом. Это дало возможность устранить отмеченный недостаток. Комплексы глубокой активации на основе совмещения методов тонкого помола цемента с последующей вибро и гидроактивацией.

Для комплексной активации характерно наибольшее увеличение вяжущих свойств цемента. Соответственно, марочная прочность бетонных изделий на основе активированных материалов будет значительно выше, а экономия цемента на производстве будет максимальной. Комплексная активация цемента включает в себя как работы по увеличению удельной поверхности цемента, либо иного вяжущего компонента, так и последующую гидроактивацию материала в смесителе-активаторе. Полученный активированный водоцементный раствор может быть использован для производства различных бетонных изделий и конструкций. Особенно актуально использование комплексов активации материалов в производстве мелкозернистого бетона с фиброволокном. При производстве мелкозернистого бетона на барханных песках применение комплексной активации цемента и смешевание фибри позволяет получать материал увеличенной прочности (до + 85% от прочности контрольных образцов), значительно сократить сроки выдержки материала в формах, тем самым резко увеличить оборот формующей оснастки на производстве, сократить процент повреждения изделий при распалубке (кассетные формы) либо резке (резательные комплексы). И, наконец, применение комплексной активации цемента позволяет значительно сократить расход высокомарочного цемента. Использование комплексной активации компонентов делает возможным применение для выпуска превратив его в материал с отличными эксплутационными характеристиками, и выпуская на его основе водонепроницаемые облицовочные строительные материалы, полностью отвечающие требованию ГОСТа.

Анализ результатов показывает, что для всех составов, где присутствует базальтовое волокно, характерны тенденции к увеличению прочностных показателей на сжатие, особенно на растяжение и изгиб.

При испытании образцов с добавками базальтового волокна на изгиб, при растяжении наблюдался вяло текущий разрыв, что отличается от тенденции разрушения образцов с контрольным составом, которые разрушались практически со взрывом. Т.е. после начала хрупкого разрушения для образцов с добавками волокна требуются дополнительные усилия для полного их разрушения. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что микроволокна, сцепляясь с матрицей цементного камня, до определенного времени не дают быстрого хрупкого разрушения конструкций, что является немаловажным фактором эксплуатации таких конструкций в сейсмоопасных районах.

После выбора оптимального составов за основу дальнейших исследованиях приняты составы № 3 и 4.

С целью изучения влияние химической добавки, улучшения физико-механических и технологических свойств мелкозернистого бетона барханном песке добавляли суперпластификатор С-3 в 1,5% от массы цемента с водой затворения. В/Ц отношения остался безизменения, способ приготовления и режимы выдерживания бетонной смеси соответствовал к прежнем условиям.

Таблица 3.2

№ составов	R изгиб, МПа	R сжатие, МПа
	после ТВО	7 сут	14 сут	28 сут	после ТВО	7 сут	14 сут	28 сут
3	4,7	5,3	8,5	11,1	21,7	24,4	26,0	28,5
4	4,0	4,5	6,7	9,0	11,8	14,2	16,3	22,8
5	5,1	5,6	8,7	11,7	20,9	24,8	28,4	30,2
6	4,2	4,7	6,6	9,4	12,6	15,9	17,4	24,7

Как показывает полученные результаты применение суперпластификатора С-3 дало возможность увеличения пластичности смеси улучшая удобоукладиваемость и формуемость и увеличил прочностные характеристики на 5-10%.

Базальтовая волокно (арматура) отличается от остальных составляющих в бетонной смеси своей формой. Частицы цемента и барханного песка имеет приближенным к шарообразным формам. Длина не мене 1000 раз больше чем диаметра волокна. И именно эта особенности улучшает конструкционных свойств песчаного бетона.

Анализируя результаты испытаний прочности на сжатие и изгиб выше приведенных составов( табл.1 и табл.2), можно сделать вывод, что фибробетонах наблюдается рост прочности на изгиб и на сжатии. Согласно вышеизложенному , это объясняется армирующей способностью фибры.

Улучшение структуры твердеющей системы происходит на основе реакционного взаимодействия базальтовой фибры с цементной матрицей.

Базальтовое волокно, обладая рыхлой веретено образной структурой хемосорбционно взаимодействует с цементной системой, вызывая в зоне контакта рост новообразований. Что упрочняет структуры матрицы за счет сцепления, а точнее срастания волокон базальта с новообразованиями твердеющей цементной матрицы. Уплотняя структуру межпорового пространства песчаного бетона.

Исходя из изложенного и анализируя данные, полученные при проведении эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Применение базальтового волокна в количестве 5 % от массы цемента увеличило прочность песчаного бетона на изгиб при растяжении на 123 % и 166 %, а на сжатие на 168,64 % и 148,14.

2. Применение суперпластификатора С-3 улучшает удобоукладиваемость и формуемость бетонной смеси что важно при производстве тонкостенных конструкций для ирригационных каналов и увеличивает прочностные характеристики на 5-10 % затвердившего бетона.

3. Применение в исследуемых составах мелкозернистых бетонов с микроволокном при облицовке каналов снижает вес конструкции ;

4. Изменяется система армирования, снижается расход арматуры и трудозатраты на укладку бетона;

5. Увеличивается трещиностойкость бетона, что повышает сейсмостойкость сооружения.

3.3 Моделирование определение оптимальной длины сцепления базальтовой волокно с цементным камнем

Несмотря на значительные успехи в создании композиционных материалов армированных дискретными волокнами до настоящего времени нет единой методики определения основных параметров армирующих компонентов.

К таким параметрам следует отнести длину волокон и их количественное содержание. В основном содержание волокон определяется на основании правила аддитивности, позволяющего определить количество непрерывных волокон, и только затем, введя коэффициенты ориентации волокон, определяют содержание дискретных волокон.

Рассматривая армирование микрообъема, имеющего длину l, сделав допущение: сцепление между волокном и матрицей является идеальным и сохраняется в процессе работы, тогда согласно правилу аддитивности, нагрузка воспринимаемая микрокомпозитом при осевом растяжении составит:

Рк = Рв + Рм,

где Рк, Рв, Рм - соответственно, нагрузка на композит, волокно и матрицу, Н, кгс;

Выполнив определенные преобразования, определяют содержание волокон:

уKFK = уbFb+ уMFM,

или:

уK = уBvB+уMvM = ув (1 - vM) + уMvM

ук = EM еMvM+ EBеBvB, vM+vB= 1, ук= EM еMvM+ EBеB(1 -vM),

где ук, ув, ум - напряжения композита волокна и матрицы, МПа, кгс/см2; FK, FB, FM - площадь поперечного сечения композита, волокна и матрицы, см2; vM; vB - объемные доли матрицы и армирующих волокон; Ек, Ев, Ем - модули упругости, МПа.

Рассматривая работу армированных композиционных материалов и характер их разрушения, можно отметить, что для получения упрочняющего эффекта следует применять волокна, модуль упругости и прочность которых выше соответствующих характеристик матрицы. На особенности композиционного материала значительное влияние оказывает соотношение между предельными деформациями волокон ев и матрицы ем, которые может изменяться в широких пределах:

ев=ем; 2 - ев < ем ; 3 - ев > ем.

Упрочнение дискретными волокнами отличается от армирования непрерывными волокнами тем, что упрочняются отдельные микрообъемы, а не весь объем, следовательно, волокна должны быть расположены в объеме материала равномерно, чтобы передача усилий происходила непрерывно. Таким образом, следует рассматривать не только вопросы, связанные с упрочнением микрообъема, но и взаимосвязь (передачу усилий между микроблоками).

Предлагается несколько иной подход для определения содержания волокон, исходя из соображений равенства нагрузок, которые выдерживают единичные объемы волокна и матрицы:

Рм = Рв,

Для микрообъема композиционного материала, армированного волокном, матрица должна выдерживать нагрузку, которую выдерживает волокно диаметром d. Превышение прочности матрицы позволяет сделать вывод, что количество волокон недостаточно в микрообъеме композита и, наоборот, пониженная прочность матрицы по сравнению с волокном говорит о повышенном содержании волокон, следовательно, в ситуации, когда матрица и волокно сечением FB и FM, выдержав одинаковую нагрузку, является оптимальным.

Следовательно, нагрузки, которые выдерживают волокно и матрица должны быть одинаковы. Их можно определить исходя из максимальных напряжений, которые могут выдержать волокно и матрица:

PB = уBFB; PM = уMFM,

Тогда равенство (5) примет вид:

FMуM = Fвув,

Площадь поперечного сечения матрицы единичного объема составит:

FM = FBуB / уM = рd2/ 4x (уB / уM),

где d - диаметр волокон.

...