Оценка эффективности применения суперпластификаторов для повышения эксплуатационных свойств керамзитобетонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка эффективности применения суперпластификаторов для повышения эксплуатационных свойств керамзитобетонов

Соколов П.Э., Нечай Д.В., Мячина А.А. Институт архитектуры и строительства, Волгоградский государственный технический университет; Сентенберг С.А. Волгоградский технологический колледж

Аннотация

Области применения керамзитобетонов в строительстве расширяются с каждым годом. Это в свою очередь приводит к повышению требований не только к материалам, но и технологии изготовления керамзитобетонов. Одним из направлений повышения эксплуатационных свойств керамзитобетонов является применение и широкое внедрение различных видов химических добавок - суперпластификаторов.

Проблема выбора наилучшей добавки из множества требует технического обоснования ее эффективности. С этой целью проведены исследования влияния различных добавок суперпластификаторов на изменение свойств керамзитобетонных смесей и керамзитобетонов. Произведен анализ полученных при исследовании данных. Результаты анализа позволили дать оценку влияния исследованных добавок - суперпластификаторов на свойства керамзитобетона. На основании проведенного корреляционного анализа выявлены зависимости между исследованными характеристиками и теснота связи между ними. На примере одной из добавок построена регрессионная модель зависимости прочности керамзитобетона от расхода добавки. Применение коэффициента конструктивного качества позволило дать оценку эффективности керамзитобетонов с добавками суперпластификаторов

Ключевые слова: керамзитобетон, суперпластификатор, эффективность, состав, корреляционно-регрессионный анализ.

Abstract

Evaluating the efficiency of superplasticizer usage for operating abilities improvement of expanded-clay concrete

Sokolov P.E., Nechai D.V., Miachina A. A. Institute of Engineering and Architecture, Volgograd State Technical University; Sentenberg S.A. Volgograd College of Technology

Expanded-clay concrete application domain for construction expands as the years pass. Therefore requirements not just to the materials but to the expanded-clay concrete manufacturing technologies increase. One of the ways to improve the operating abilities of expanded-clay concrete is the usage and large-scale implementation of various chemical additives - superplasticisers. The problem of choosing the best additive demands technical justification of its efficiency.

To achieve that goal, research concerning the effect that various superplasticiser additives have on the change of expanded-clay concrete aggregates and expanded-clay concrete performance is conducted. The data obtained through the research is analysed. Analysis results enabled the evaluation of the effect that the studied additives - superplasticisers - had on the expanded-clay concrete performance. Based on the correlation analysis, dependence of the studied characteristics and the strength of relationship between them is discovered. Through the example of one of the additives, the regression model of expanded-clay concrete strength dependence on the amount of the additive is built. The usage of design quality index enabled the evaluation of expanded-clay concrete containing superplasticisers efficiency

Keywords: expanded-clay concrete, superplasticizer, efficiency, composition, correlation-regressive analysis.

Введение

В настоящее время бетон и железобетон остается основным материалом для изготовления изделий и конструкций, возведения зданий и сооружений. Как строительный материал - бетон обладает сложной структурой и свойствами позволяющими эксплуатировать изделия и конструкции в разных условиях.

Проектирование состава бетона позволяет учесть различные факторы, влияющие на его структуру и получить материал с заданными, требуемыми свойствами [1].

Одной из наиболее распространенных и востребованных разновидностей цементных бетонов на искусственных пористых заполнителях является керамзитобетон [2], [3]. Как и любой легкий бетон - керамзитобетон наряду с требуемой прочностью должен обладать более низкой плотностью, которая должна обеспечить определенные теплофизические свойства [4]. Такие бетоны изготавливают с использованием искусственных пористых заполнителей. В силу ряда объективных причин наибольшее распространение среди искусственных пористых заполнителей получил керамзит. Мировая практика в строительстве показывает, что применение легкого бетона стремительно возрастает. В отдельную группу относят цементные бетоны на различных видах пористых заполнителей. В силу экологических и других аспектов искусственные пористые заполнители широко применяются в строительстве. Некоторые из них, например, керамзит на протяжении значительного промежутка времени находится на относительно высоком уровне производства и применения в строительстве [2], [3].

Легкий бетон на керамзите имеет столь разнообразные свойства, что, обладая определенной прочностью, может иметь различные показатели плотности и при этом обладать теплофизическими или конструкционными характеристиками [4]. Что дает хорошую возможность эффективно регулировать и получать необходимые свойства керамзитобетона для строительства.

Керамзит применяется во многих видах строительства, как в России, так и за рубежом [5], [6], [7]. Однако с развитием технологий и появлением новых видов материалов сферы применения керамзитобетона расширяются, повышаются требования к свойствам керамзитобетонной смеси и керамзитобетона, технологии его производства и эксплуатации готовых изделий и конструкций [8]. Поэтому проблема повышения эксплуатационных свойств керамзитобетона и эффективности изготовления керамзитобетонных изделий из него является актуальной задачей.

Одним из путей решения этой задачи является внедрение и применение различных видов современных и перспективных химических добавок. Их использование позволяет целенаправленно регулировать свойства керамзитобетонных смесей и изделий на их основе.

Среди химических добавок в зависимости от сферы воздействия на свойства бетона наибольшее распространение получили пластифицирующие и комплексные добавки. Эффективность применения химических добавок определяется множеством различных факторов, которые позволяют получить необходимый эффект от их введения в керамзитобетонную смесь.

В целях повышения эксплуатационных свойств керамзитобетона на кафедре «Строительные материалы и специальные технологии» ИАиС ВолгГТУ и лаборатории АО «Промстройконструкция» (Волгоград) разработаны составы конструкционного керамзитобетона класса В15. Выбор данного класса объясняется тем, что керамзитобетон этого класса наиболее распространен и востребован в производстве. Подбор состава бетона произведен на основании действующей нормативной документации [9], [11], [12].

Под повышением эффективности легких бетонов, по нашему мнению, следует понимать, прежде всего, повышение степени использования их положительных свойств.

К положительным свойствам легких бетонов по сравнению с тяжелыми относятся:

- меньшая средняя плотность;

- повышение прочности (относительной);

- лучшая теплоизоляционная способность;

- более высокая огнестойкость;

- более высокая сопротивляемость динамическим воздействиям;

- более высокая трещиностойкость.

Кроме того, для легких бетонов характерны более высокая упругость, что позволяет оптимизировать структуру бетона, и в свою очередь способствует повышению надежности и долговечности конструкций.

При выборе марки легких бетонов в целях использования их эффективности следует исходить не только из возможных показателей их прочности, но и из их деформативности, которая в значительной степени зависит от технологических факторов.

В нормативных документах, таких как [13] предусматривается строгое соответствие модуля упругости принимаемой марке бетона. Однако, по данным ряда исследователей, упруго-пластические свойства легких бетонов могут в значительных пределах изменяться при неизменной прочности. Это их свойство является эффективным средством повышения качества конструкции. Прочность же характеризует предельное состояние материала в момент его разрушения.

Методы и принципы исследования

В работе были использованы следующие материалы. В качестве вяжущего вещества применен портландцемент марки ПЦ 500-Д0-Н [14], производства АО «Себряковцемент». Нормальная густота цементного теста составляет - 27%. Мелкий заполнитель - песок кварцевый, с модулем крупности Мк = 1,7 и насыпной плотностью - 1466 кг/м³. Мелкий заполнитель - добывается на территории Волгоградской области. Крупный заполнитель - керамзитовый гравий фракции - 5-20 мм, марка по прочности П125 и маркой по насыпной плотности Д600.

В работе были использованы следующие химические добавки в бетонную смесь:

- суперпластификатор «MasterPolyHeed 3040» [15], с дозировкой в интервале от 0,3 до 2,0% от массы цемента;

- суперпластификатор «Полипласт СП-1» [16], с дозировкой 0,35-0,8%, от массы цемента;

- суперпластификатор «Muraplast FK49» [17], с дозировкой 0,2-2,0%, от массы цемента.

После подбора состава керамзитобетона согласно [9], [10], [11] производился пересчет материалов для лабораторного замеса емкостью - 11 литров. У приготовленной бетонной смеси определялась подвижность стандартным методом [18]. Расход воды в составах бетонной смеси корректировался так, чтобы подвижность бетонной смеси соответствовала группе П2 (5-8 см, осадки стандартного конуса). Аналогичным образом подбирались составы керамзитобетонов с добавками [19],[20], [21].

Далее изготавливались стандартные бетонные кубы с ребром размером 15 см в количестве 3 шт. для каждой серии. Твердение кубов осуществлялось двумя способами. Первая серия кубов подвергалась тепловой обработке по режиму, принятому на предприятии. После чего определялась прочность пропаренных образцов. Вторая серия кубов твердела в нормальных условиях в течение 28 суток согласно [22], с последующим определением ее прочности.

Прочность образцов определялась на гидравлическом прессе ВМ-3.5.1 (см. рисунок 1). Полученные результаты обрабатывались в соответствии с требованиями [23].

Рис. 1 - Пресс гидравлический ВМ-3.5.1 для испытания образцов на сжатие

Основные результаты

В результате расчета и лабораторной проверки состава керамзитобетона расходы материалов на контрольный замес составил (в пересчете на 1 м³ керамзитобетона): цемент - 318 кг; песок - 871 кг; керамзитовый гравий - 345 кг и воды - 235 л. Контрольный состав показал следующие значения по результатам испытаний: прочность после тепловлажностной (ТВО), МПа - 13,4; прочность в возрасте 28 суток, МПа - 19,2; плотность бетонной смеси, кг/м³ - 1759; плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³ - 1590.

В таблице 1-3 приведены расходы составляющих и их характеристики для исследованных добавок.

Таблица 1 - Характеристики составов керамзитобетонов в зависимостиот дозировки добавки «MasterPolyHeed 3040»

Таблица 2 - Характеристики составов керамзитобетонов в зависимостиот дозировки добавки «Полипласт СП-1»

Таблица 3 - Характеристики составов керамзитобетонов в зависимостиот дозировки добавки «Muraplast FK 49»

На рисунке 2 приведены графики зависимости прочности полученных керамзитобетонов от расхода исследованных добавок.

Рис. 2 - Зависимости прочности керамзитобетонов от расхода исследованных добавок: masterpolyheed - суперпластификатор «MasterPolyHeed 3040»; muraplast - суперпластификатор «Muraplast FK49»; poliplast - суперпластификатор «Полипласт СП-1»; tvo - керамзитобетон прошел тепловлажностную обработку, по режиму принятому на заводе; no_28 - керамзитобетон тверделв нормальных условиях 28 суток.

Как видно из таблиц 1-3 и рисунков 2-3 увеличение расхода добавки приводит к повышению прочности керамзитобетонов, как подвергшихся тепловой обработке, так и твердеющих в нормальных условиях. Также очевидно, что твердение керамзитобетонов в нормальных условиях позволяет получать более высокие показатели по прочности на сжатие.

Рис. 3 - Зависимости плотности керамзитобетона и керамзитобетонной смеси от расходов исследованных добавок: masterpolyheed - суперпластификатор «MasterPolyHeed 3040»; muraplast - суперпластификатор «Muraplast FK49»; poliplast - суперпластификатор «Полипласт СП-1»; concrete - керамзитобетон в сухом состоянии; mixure - керамзитобетонная смесь.

Однако необходимо отметить, что при максимальных расходах добавок наблюдается рост плотности. Поэтому для практического применения этих добавок в керамзитобетонах потребуется дополнительная корректировка их по плотности.

Кроме этого, необходимо отметить, что полученные значения для составов с добавками (как после ТВО, так и нормального твердения) показали более высокие значения по прочности по сравнению с контрольным составом.

Обсуждение

Проведем сравнение полученных результатов с помощью «boxplot» диаграмм (диаграмма «ящик с усами») [24]. На рисунках 4 -6 приведены результаты исследований, представленных в таблицах 1-3.

Рис. 4 - Визуализация результатов исследований с помощью диаграмм «boxplot» для суперпластификатора «MasterPolyHeed 3040»: var1 - расход воды, л; var2 - расход добавки, %; var3 - прочность бетона после ТВО, МПа; var4 - прочность бетона в возрасте 28 сут., МПа; var5 - плотность бетонной смеси, кг/м³; var6 - плотность бетонав сухом состоянии, кг/м³

Для анализа описательных характеристик результатов исследований использованы диаграммы размахов - «boxplot». Для количественных переменных эта диаграмма представляет: максимальное и минимальное значение; медиану; нижний и верхний квартиль. Нижний квартиль - значение, которое 25% значений в выборке не превышают. Верхний квартиль - значение, которое 75% значений в выборке не превышает [24]. На примере расхода воды (см. рис. 4, var1 - для добавки «MasterPolyHeed 3040») мы можем заключить следующее. Максимальное значение расхода воды составляет - 153 л. Минимальный расход воды составляет - 132 л. Медианное значение расхода воды - 142 л. Нижний квартиль - 137 л, верхний квартиль - 147 л.

Рис. 5 - Визуализация результатов исследований с помощью диаграмм «boxplot»для суперпластификатора «Полипласт СП-1»: var1 - расход воды, л; var2 - расход добавки, %; var3 - прочность бетона после ТВО, МПа; var4 - прочность бетона в возрасте 28 сут., МПа; var5 - плотность бетонной смеси, кг/м³; var6 - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³

Рис. 6 - Визуализация результатов исследований с помощью диаграмм «boxplot»для суперпластификатора «Muraplast FK49»: var1 - расход воды, л; var2 - расход добавки, %; var3 - прочность бетона после ТВО, МПа; var4 - прочность бетона в возрасте 28 сут., МПа; var5 - плотность бетонной смеси,кг/м³; var6 - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³

Проведем анализ полученных результатов, применив корреляционно-регрессионный метод. Для этого воспользуемся языком статистических вычислений R и пакетом ggplot2 [25]. Анализировать полученные данные о зависимости и независимости переменных в числовом виде достаточно сложно. Поэтому сразу же представим их в виде корреляционной матрицы цветов (см. рисунок 7).

Проанализируем корреляционную матрицу, представленную на рисунке 7. Благодаря использованию цветов видно, что ее элементы имеют как положительную, так и отрицательную связь.

Рис. 7 - Корреляционная матрица между переменными для данных из таблиц 1-3

Примечание: Исходный порядок переменных изменен. Обозначения в тексте

Очень сильная теснота связи имеет место между: прочностью бетона после ТВО (прочность_тво) и прочностью бетона твердеющего в нормальных условиях (прочность_у_н); плотностью бетона (плотность_б) и прочностью бетона после ТВО, а также плотностью бетона и прочностью бетона твердевшего в нормальных условиях. Сильная теснота связи отмечена между: расходом воды на 1 м³ бетона (расход_воды) и плотностью бетонной смеси (плотность_бс). Умеренная теснота связи наблюдается между расходом добавки (расход_добавки) и плотностью бетона.Слабая прямо пропорциональная зависимость имеет место между: расходом добавки и прочностью бетона после ТВО; расходом добавки и прочностью бетона, твердеющего в нормальных условиях, а также расходом добавки и плотностью бетонной смеси. Слабая обратно пропорциональная зависимость отмечена между расходом воды и расходом добавки. Теснота связи между остальными признаками является очень слабой, как прямо пропорциональной, так и обратно пропорциональной.

Определим количественную связь, между расходом добавки и прочностью керамзитобетона после тепловлажностной обработки используя регрессионный метод. Для установления степени зависимости между ними используется коэффициент корреляции. Если коэффициент корреляции по абсолютной величине близок к единице, то для построения зависимости используется линейная модель. Для других случаев используется более сложные нелинейные модели (например, экспоненциальные, полиномиальные и т.п.). Последовательным перебором вариантов регрессионных моделей было установлено, что наилучшие результаты показывает полиномиальная модель (см. рисунки 8 и 9).

Рис. 8 - График регрессионных моделей зависимости прочности керамзитобетона от расхода добавки «MasterPolyHeed 3040» для бетона ускоренного твердения (тепловая обработка)

Рис. 9 - График регрессионных моделей зависимости прочности керамзитобетона от расхода добавки «MasterPolyHeed 3040» для бетона, твердеющего в нормальных условиях

Как видно из графиков величины достоверной аппроксимации R² близки к 1. Это говорит о том, что линия тренда близка к фактическим данным. Причем для керамзитобетона, твердеющего в нормальных условиях, R² имеет незначительно большее значение. Значимость критерия Фишера в обоих случаях гораздо меньше 0,05, что говорит о том, что обе модели могут считаться адекватными с вероятностью 0,95.

Проведем сравнение показателей прочности и плотности для составов с добавками и контрольным составом (без добавки). Как видно из таблицы 4 максимальный рост прочности керамзитобетонов как прошедших ТВО так и твердеющих в нормальных условиях показали составы на добавке «Полипласт СП-1». Минимальные результаты роста прочности при обоих вариантах твердения показали керамзитобетоны на добавке «MasterPolyHeed 3040». Однако в данном случае необходимо уточнить, что керамзитобетоны, полученные на добавке «MasterPolyHeed 3040» обладают наименьшими расходами воды.

Таблица 4 - Расчетные показатели керамзитобетонов

Закономерная связь между пределом прочности и величиной средней плотности используется для оценки эффективности материала в конструкциях и определяется вычислением условного коэффициента конструктивного качества (ККК) по формуле [6]:

(1)

где R_сж - предел прочности при сжатии, кг/см²; с₀ - средняя плотность, кг/м³.

Чем выше ККК, тем выше техническая эффективность материала, выше качество его в конструкциях. Максимальные значения ККК отмечены для керамзитобетонов, полученных с использованием добавки «Полипласт СП-1» для обоих вариантов твердения. Минимальные значения получены для керамзитобетонов с добавкой «MasterPolyHeed 3040». Для контрольной серии керамзитобетона (без добавок) показатели ККК составляют - 0,0084 (керамзитобетон прошедший ТВО) и 0,0121 (керамзитобетон, твердеющий в нормальных условиях) соответственной. Это однозначно доказывает, что использование добавок суперпластификаторов повышает техническую эффективность керамзитобетона. Однако необходимо отметить, что при проведении наших исследований не учитывалась группа цемента по эффективности при пропаривании [26].

добавка суперпластификатор керамзитобетон прочность

Заключение

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы. Применение добавок суперпластификаторов способствует увеличению прочности бетона, как после ТВО, так и при твердении в нормальных условиях. Однако рост прочности керамзитобетона сопровождается ростом плотности, что требует принятия соответствующих мер, т.к. к легким бетонам наряду с прочностью предъявляются требования к плотности.

Список литературы

1. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов : учебное пособие для вузов / Ю.М. Баженов. - М.: Стройиздат, 1975. - 268 с.

2. Орентлихер Л.П. XXI век - век легких бетонов / Л.П. Орентлихер // Технологии бетонов. - 2010. - №1-2. - С. 18-21.

3. Баженов Ю.М. Пути развития строительного материаловедения: новые бетоны / Ю.М. Баженов. // Технологии бетонов. - 2012. - №3-4. - С. 39-43.

4. Комиссаренко Б.С. Перспективы развития производства керамзита и конструкций на его основе / Б.С. Комиссаренко, А.Г. Чикноворьян, Б.М. Горин, С.А. Токарева // Строительные материалы. - 2006. - №8. - С. 14-16.

5. Звездов А.И. Высокопрочные легкие бетоны в строительстве и архитектуре / А.И. Звездов, В.Р. Фаликман // Жилищное строительство. - 2008. - №7. - С. 2-6.

6. Лахтарина С.В. Легкие высокопрочные бетоны с повышенным коэффициентом конструктивного качества : дис. … канд. тех. наук : 05.23.05 : защищена 14.07.16 : утв. 14.10.16 / Лахтарина Сергей Викторович. - Макеевка: ДонНАСА, 2016.- 163 с.

7. Vijayalakshmi R. Structural Concrete Using Expanded Clay Aggregate: A Review / R. Vijayalakshmi and S. Ramanagopal // Indian Journal of Science and Tehnology. 2018. Vol. 11(16). P. 1-12.

8. Горин В.М. Применение керамзитобетона в строительстве путь к энерго- и ресурсоэффективности, безопасности зданий и сооружений / В.М. Горин // Строительные материалы. - 2010. - №8. - С. 8-10.

9. ГОСТ 27006-2019. Бетоны. Правила подбора состава

10. Руководство по подбору составов конструкционных легких бетонов на пористых заполнителях - М.: Стройиздат, 1975. - 43 с.

11. Рекомендации по подбору составов легких бетонов (к ГОСТ 27006-86) - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96 с.

12. Бычков М.В. Особенности разработки легких самоуплотняющихся бетонов на пористых заполнителях / М.В. Бычков, С.А. Удодов // Инженерный вестник Дона. - 2013. - №3.

13. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения

14. ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия

15. Masterpolyheed - суперпластифицирующие добавки на основе эфиров полиарила для железобетонных изделий и конструкций

16. Суперпластификаторы Полипласт

17. Muraplast FK49. Суперпластификатор

18. ГОСТ 10181-2014. Смеси бетонные. Методы испытаний

19. Протько Н.С. Подбор составов керамзитобетонов плотной структуры, в том числе изготовленного из высокоподвижных бетонных смесей / Н.С. Протько // Технологии бетонов. - 2014. - №12(101). - С. 23-29.

20. Дворкин Л.И. Использование методы «приведенного Ц/В» для проектирования составов конструкционных легких бетонов / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, О.М. Бордюженко // Технологии бетонов. - 2013. - №11(88). - С. 36-38.

21. Дружинин С.В. Влияние суперпластифицирующих добавок на прочность бетона / С.В. Дружинин, Д.А. Немыкина, Е.А. Краснова // Инженерный вестник Дона. - 2018. - №2.

22. ГОСТ 18105-2018. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности

23. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам

24. Соколов П.Э. Естественная радиоактивность глинистых горных пород применяемых для производства строительных материалов / П.Э. Соколов, В.Ю. Дрик // Международный научно-исследовательский журнал. - 2017. - №12(66). - Ч.5 - С. 148-151.

25. Соколов П.Э. Оценка влияния обжига на радиоактивность глинистых горных пород и материалов / П.Э. Соколов, С.А. Сентенберг // Инженерный вестник Дона. - 2018. - №2.

26. Афанасьева В.А. Эффективность цементов: факторы качества / В.А. Афанасьева // Технологии бетонов. - 2014. - №2. - С. 12-15.

Размещено на Allbest.ru