Дослідження властивостей арболітових вставок для бетонних і залізобетонних конструкцій та їх взаємодії з бетоном

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження властивостей арболітових вставок для бетонних і залізобетонних конструкцій та їх взаємодії з бетоном

Мельник І.В.

Подано результати експериментальних досліджень підбору оптимального складу арболітових легких вставок для використання у бетонних і залізобетонних конструкцій та їх сумісності і взаємодії з бетоном. арболітів цементний бетон

Постановка проблеми. Бетон є і в осяжному майбутньому залишатиметься основним будівельним матеріалом, в т.ч. як компонент залізобетону - найбільш розповсюдженого конструкційного матеріалу, який широко використовується при зведенні будівель різного призначення -промислових, цивільних, гідротехнічних, сільськогосподарських, об'єктів шляхової інфраструктури, споруд енергетичного комплексу та ін.

Щорічно в світі виготовляється понад 2 млрд. м³ бетону. В технічно розвинутих країнах обсяги виробництва бетону і залізобетону щорічно зростають і вимірюються сотнями мільйонів кубів.

Разом з тим вироби з бетону і залізобетону є крупними споживачами сировинних матеріалів, у т.ч. в Україні. Як відзначалося на 2-ій науково-технічній конференції "Ресурсоекономні матеріали конструкції та будівлі" (Рівне, 1999 p.), за попередніми розрахунками будівельна галузь України споживає 87,6 млн. т. умовного палива або 29,2 % від його загального споживання.

Приведений в [1] огляд і аналіз результатів наукових досліджень підтверджує, що бетон і залізобетон є дуже енергомісткими матеріалами. Тому здешевлення будь-якого виду затрат (витрат сталі, цементу, заповнювачів, трудозатрат і особливо енергоспоживання) є важливим народногосподарським питанням.

Все гострішою стає проблема збереження оточуючого середовища, на яке, крім інших факторів, згубний вплив має виробництво бетону і залізобетону. Їх виготовлення супроводжується значним вичерпанням природних ресурсів (піску, щебеню, вапна) і забрудненням середовища. Особливо небезпечним в цьому відношенні є цемент - найбільш енергомістка і екологічно шкідлива складова частина бетону. Тому зменшення його витрати є суттєвою економією енергії і природних ресурсів.

Найбільш ефективним способом безпосередньо зменшення витрат бетону при виготовлені бетонних і залізобетонних конструкцій є їх оптимізація шляхом формоутворення. Для багатьох конструкцій цього можна досягти порожниноутворенням зсередини при незмінних габаритних розмірах виробу.

В основному це лінійні довгомірні збірні залізобетонні конструкції: плити перекриття, балки прольотних будов, центрифуговані стояки та колони тощо. Їх виробництво можливе лише на спеціалізованому стаціонарному устаткуванні (наприклад, з використанням пуансонів при виготовленні порожнистих плит) і в силу технологічних особливостей не може бути використане для переважної більшості бетонних і залізобетонних виробів. Створення в такий спосіб пустот пов'язане з додатковими трудо- і енергозатратами, що зменшує ефект від безпосередньої економії матеріалів.

Інші розроблені способи порожниноутворення, зокрема в брускових елементах з допомогою пресування зсередини, мають ту саму специфіку, що і попередні - вони потребують спеціалізованого устаткування і можуть бути використані у заводських умовах лише для окремих типів збірних залізобетонних конструкцій [2]. Окремі способи утворення порожнин з допомогою коробів, зокрема дерев'яних, мали поодинокі індивідуальні вирішення і не знайшли широкого застосування як невигідні.

Поза тим, багато залізобетонних елементів різного призначення виготовляють масивними або суцільного перерізу. Улаштування в них порожнин є допустимим і доцільним в конструктивному відношенні, але неможливим з технологічних міркувань при традиційних способах пустотоутворення чи недоцільним з врахуванням загальних витрат на виріб.

Суть нових конструктивно-технологічних рішень оптимізації бетонних і залізобетонних елементів порожниноутворенням у тому, що при їх виготовленні використовують вставки як окремі вироби з відносно легких і дешевих матеріалів, які залишаються у тілі бетону [3,4]. Порівняно з оточуючим бетоном матеріал вставок має на порядок меншу міцність і жорсткість, тому умовно можна вважати, що простір, який вони займають, у конструктивному відношенні є порожниною. Зрештою можливе і доцільне порожнисте виготовлення самих вставок.

В пошуку ефективних матеріалів вставок в Національному університеті "Львівська політехніка" були проведені дослідження з підбору складу вставок на основі відходів з деревини та їх взаємодії з бетоном. Нижче подаються результати цих досліджень.

Підбір складу і дослідження властивостей вставок на основі відпадків деревини. При виборі матеріалу вставок важливими є їх такі властивості:

- відносна легкість, вартість і можливість використання відпадків промисловості;

- сумісність з контактуючим матеріалом (бетоном);

- простота виготовлення і технологічність.

Одним з найбільш прийнятих, що відповідають цим вимогам, матеріалів для вставок є композитна суміш на основі відпадків деревини, які є у значній кількості як відходи виробництва. Вони є основою для виготовлення арболіту. Як відомо, параметри конструкційного і теплоізоляційного арболіту регламентуються ГОСТ 19222, який передбачає його марки за міцністю на стиск і визначає загальні вимоги до нього. Проте в цьому стандартні не подані технологічні особливості приготування арболітної суміші, тим більше такої специфічної, яка потрібна для вставок.

Вимоги до матеріалу вставок невисокі:

- відносно мала міцність, достатня для структуроутворення і сприймання тиску від свіжоформованого бетону;

- економічність і довговічність (стійкість до загнивання).

З метою пошуку такого матеріалу в НУ "Львівська політехніка" були проведені ціленаправлені експериментальні дослідження кількох складів суміші на основі відпадків деревини, в принципі близькою за складом до арболіту за ГОСТ 19222, тому у подальшому вони також умовно названі арболітом. На відміну від ГОСТ 19222, підібрані суміші передбачають використання інших відходів промисловості, зокрема золи виносу. Наявність лужного середовища сприяє їх стійкості проти загнивання.

В результаті проведених досліджень встановлено, що на властивості арболіту найбільш суттєво впливають наступні фактори:

- співвідношення між вмістом деревини і мінеральної частини в'яжучого (дерево-цементним відношенням (Д/Ц)), яке повинно знаходитись в певних межах;

- витрата цементу на 1 м³ бетону, яка повинна бути оптимальною; для досягнення необхідного Д/Ц в склад арболіту необхідно вводити дрібнодисперсні мінеральні наповнювачі (золу виносу, молотий доменний шлак, молоту горілу породу, молотий вапняк, тонкомелене негашене вапно);

- спосіб ущільнення бетонної суміші: при значному ущільненні (вібропресуванні, вібропрокаті, механічному пресуванні) практично неможливо одержати арболіт з середньою густиною менше 400 кг/м³, тому для одержання особливо легких складів з густиною 300... 350 кг/м³ необхідно використовувати спосіб неповного ущільнення;

- вид деревної тирси; для одержання легкого арболіту недоцільно використовувати тирсу із твердих порід, які негативно впливають на твердіння цементу, значно знижуючи кінцеву міцність бетону.

В залежності від виду компонентів і їх співвідношення було досліджено 3-и склади арболіту.

Окремі результати дослідження впливу різних факторів на технологічні властивості одержаних арболітів наведені на рис. 1.

Як видно з одержаних даних, зростання дерево-цементного відношення закономірно призводить до зменшення середньої густини бетону і падіння механічної міцності. Таким чином, для надання бетону достатньої конструктивної міцності Д/Ц повинно знаходитись в межах 0,45...0,55, середня густина бетону при цьому становить 420...500 кг/м3 при ущільненні бетонної суміші методом ручного штикування.

Рис. 1. Вплив дерево-цементного відношення на середню густину і міцність легкого арболіту при стиску.

На основі одержаних експериментальних даних були розроблені склади легкого арболіту, в яких частина цементу замінювалась золою виносу Бурштинської ТЕЦ, а в якості мінералізатора використовувалось рідке скло виробництва Стебниківського хімічного комбінату з густиною 1,3 г/см³ за ГОСТ 13078. При формуванні взірців арболіту розмірами 10x10x10 см використовувався метод неповного ущільнення: тирса після обробки водою з рідким склом і перемішування з цементом і золою, укладалась шарами в форму і ущільнювалися ручним штикуванням. Такий спосіб забезпечував неповне ущільнення і добрий контакт між окремими шарами суміші.

Після витримування в формах протягом 3...4 діб взірці зберігались ще 8... 10 діб у вологих умовах ( закритій посудині над водою). У віці 14 діб і 28 діб визначалась середня густина арболіту в абсолютно сухому стані і механічна міцність. Оскільки механічну міцність арболіту, одержаного таким способом, оцінити кількісно було важко у зв'язку зі значними деформаціями взірців під час випробування на пресі, міцність оцінювалась візуально за комплексним показником. Використовувалась умовна 5-х бальна шкала, яка враховувала приблизну міцність арболіту на стиск і його здатність утримувати дерев'яну тирсу при її вириванні з маси арболіту:

1. - дуже погана міцність (бетон розсипається при натискуванні);

2. - погана міцність (взірці руйнуються на окремі частини);

3. - посередня міцність (для руйнування потрібно прикласти значне зусилля, частини тирси витягуються разом з цементним розчином);

4. - добра міцність (висока утримуюча здатність бетону, при витягуванні тирси вона розривається або відколюються цілі кусочки разом з цементним розчином);

5. - дуже добра міцність арболіту (характеризується однорідністю і значною міцністю).

Додатково досліджували водопоглинання і коефіцієнт водостійкості арболіту з використанням стандартних методів. Водопоглинання визначалось методом занурення взірців арболіту у воду при температурі +20°С протягом 48 год.

Коефіцієнт водостійкості визначався з відношення:

де

R_н - міцність при стиску в насиченому водою стані;

R_с - міцність бетону в абсолютно сухому стані.

Згідно з результатами випробувань, водопоглинання легкого арболіту закономірно зростає зі зменшенням витрат портландцементу на 1 м³ бетону і зростанням кількості золи і вапна. Водостійкість арболіту є меншою в порівнянні зі звичайним важким бетоном, що пов'язано з явищами деструкції деревини під час зволоження. На рис. 2 наведена кінетика водопоглинання арболіту різного складу, який був різним в пошуках оптимального співвідношення компонентів.

Рис. 2. Кінетика водопоглинання арболіту різного складу

Як видно із графіка, незалежно від складу, найбільша швидкість водопоглинання арболіту була в перші дві години витримки у воді. Ця характеристика є важливою при використанні його у якості вставок для бетонних і залізобетонних конструкцій. Такий легкий арболіт буде поглинати основну масу води до початку тужавіння цементу в важкому бетоні і в подальшому віддавати її при тепловологій обробці бетону чи витримці його в нормальних умовах твердіння.

Дослідження взаємодії арболітових вставок і тирси з бетоном. З метою дослідження взаємного впливу на бетон арболіту і тирси були одночасно виготовлено по 5 кубів слідуючої конструкції (рис. 3):

марки КА-15/10 - куби з розміром ребра 15 см, всередині яких забетоновані попередньо виготовлені арболітові куби з розміром ребра 10 см;

марки КАп-15/10 - аналогічно кубам марки КА-15/10, але арболітові куби перед бетонуванням герметично загорнуті в поліетиленову плівку;

марки КТ-15/10 - куби з розміром ребра 15 см, всередині яких забетонована тирса об'ємом 10x10x10 см;

марки К-15 і К-10 - звичайні куби з розміром ребра відповідно 15 і 10 см, які виготовляють для контролю міцності бетону.

Рис. 3. Конструкція дослідних кубів з вставками

а - марки КА - 15/10; б - марки КАп - 15/10; в - марки КТ - 15/10;

1 - бетон; 2 - арболіт; 3 - плівка; 4 - тирса

Арболітові куби 10x10x10 см виготовляли паралельно з виготовленням вставок для блоків стін підвалів [5] і витримували до набирання необхідної міцності (~0,7...0,8 МПа).

При виготовленні кубів марок КА-15/10 і КАп-15/10 використовували спеціальні пристрої, які дозволяли фіксувати арболітові кубики в проектному положенні і ущільнювати бетон на вібростолі. Для виготовлення кубів марки КТ-15/10 була виготовлена рамка 10x10x10 см без дна, яка при наповненні знизу форми куба з ребром 15 см на 2,5 см фіксувалася в проектному положенні, після чого бетонувалися вертикальні стінки куба зазначеної марки. Після ущільнення бетонної суміші рамка витягалася, утворений простір заповнювали мокрою тирсою, зверху укладали шар бетону висотою 2,5 см і проводили ще одне вібрування. При цьому внаслідок деякого ущільнення (стискання) тирси ще докладали бетон зверху і його доущільнювали.

Цільні куби з розміром ребра 10 і 15 см виготовляли за звичайною технологією. Для проведення досліджень був прийнятий бетон проектного класу В15 (~М200) з щебеню фракції 10...20 мм на Миколаївському портландцементі М400. Виготовлення і дослідження кубів проводили в лабораторії ВАТ "Львівського заводу будівельних виробів".

Виготовлені в один день взірці на 3-й день розпалубили і після зважування помістили на стелажах в спеціальному приміщенні, де за допомогою електронагрівачів підтримувалася температура 17... 19° С при вологості 57...68 %.

Періодично (на 3,7,14,21 і 28 день) взірці зважували для контролю втрати вологи. На 28 день після виготовлення взірці були випробувані на стиск згідно з ГОСТ 10180 на пресі марки ПСУ-50 (зав.№ 2383).

Результати досліджень втрати вологості як усередненої величини по 5-х кубах кожної марки подані на рис. 4 у вигляді графіків зміни відносної ваги взірців (в %). Як бачимо, найшвидше "висихали" цільні куби 10 і 15 см, найповільніше - куби з вставками. Причому куби з арболітовими вставками без плівки мали дещо меншу втрату вологи порівняно з кубами, в яких арболіт був ізольований плівкою. Куби з тирсою мали проміжне значення.

Висновки

1. Проведеними дослідженнями підібрано матеріал вставок за складом, подібним до легкого арболіту. Основою складу є відпадки деревини, які підлягають утилізації.

2. Арболітові вставки і відпадки деревини (тирса) є сумісними з бетоном матеріалами. Дослідженнями встановлено позитивний вплив цих матеріалів на бетон, які спочатку забирають зайву (хімічно не зв'язану воду) при формуванні (бетонуванні), а при тужавінні віддають її бетону.

3. Підібраний склад арболітових вставок є стійким до загнивання.

4. Для полегшення вставок їх доцільно виготовляти порожнистими.

Литература

1.Енергоемкость тяжелого бетона для сборных и монолитных конструкций / Малинина Л.А., Фоломеев А.А. Обзор. - М., 1985. 49с.

2. Матвеев В.Г. Кришын А.Л., Варламов А.А. Стержневые элементы пустотного сечения / Бетон и железобетон М., 1993. № 1 - С. 2-4.

3. Мельник І.В. Спосіб виготовлення пустотілих бетонних і залізобетонних виробів / Деклараційний патент на винахід. - Державний департамент інтелектуальної власності. Бюл. №7-ІІ від 15.12.2000р.

4. Мельник І.В. Оптимізація залізобетонних конструкцій з допомогою ефективних вставок // Проблеми теорії і практики будівництв: Збірник наукових статей, том IV, Львів, 1997- С.89-90.

5. Мельник І.В., Паньків М.І. Дослідження блоків стін підвалів з арболітовими вставками // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць, вип. 3 - Рівне 2000 р. - С. 211 - 215.

Размещено на Allbest.ru