Бакиров К.К.
к.т.н., профессор Казахского национального
технического университета
имении К.И.Сатпаева,
академик МАИН
Кабдыгалиева Л.
студент
КазНТУ имени К.И.Сатпаева, Казахстан
ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ НА
ОСНОВЕ ВЯЖУЩЕГО ИЗ ФОСФОРНОГО ШЛАКА И МЕСТНЫХ ОТХОДОВ ЩЕЛОЧНЫХ
ПРОДУКТОВ
Аннотация:
в статье приведены результаты испытания кубов и призм из стеклошлакового
керамзитобетона на сжатие при кратковременном статическом действии нагрузки. Соотношения
между призменной и кубковой прочности этого вида бетона хорошо совпадает с
зависимостью изложенном в СНиП 2.03.01-84*. Предельные продольные и поперечные
деформации бетона при сжатии среднем равны соответственно 1,8 ‰ и
0,4‰, а при растяжении – в пределах 0,2 – 0,35‰.
В химической промышленности на удаление отходов
расходуются средства в среднем около 8-10% стоимости производимой основной
продукции. При этом отвалы, как правило, занимают ценные сельскохозяйственные
угодья и служат источником промышленных загрязнений атмосферы и водоемов. Поэтому
наличии значительного количества производственных шлаков выдвигает задачу их
комплексного использования в народном хозяйстве. Определенном вкладом решения
этой проблемы может явиться использование
отходов фосфорных заводов в строительных материалах.
Алматинским НИИстромпроектом
разработан способ активизации вяжущих свойств отходов фосфорного производства
некондиционным жидким стеклом, в результате чего получено новое
бесклинкерное вяжущее для бетонов, названное
стеклошлаковым. Произведен подбор составов стеклошлакового керамзитобетона
различных марок. Применение в строительстве бетона с бесклинкерным вяжущим дает
возможность снизить потребность в дефицитном строительном материале – цементе.
Проведены исследования
физико-механических свойств стеклошлакового керамзитобетона с объемным весом
1000 – 1400 кг/м3 при кратковременном статическом действии нагрузки.
Проведены исследования сжатых и изгибаемых железобетонных
элементов, на основе стеклошлакового
вяжущего при кратковременных статических нагрузках. Изучалось элементы
железобетонных конструкций из бетона призменной прочности 18,3 кгс/см2,
33,0 кгс/см2 и объемным весом 1050-1200 кг/м3 и керамзитовом гравии и вяжущем из
гранулированного шлака и жидкого
стекла. При этом в задачи настоящей работы входили:
а) исследование
работы изгибаемых железобетонных элементов при кратковременном действии
изгибающего момента;
б) исследование работы изгибаемых железобетонных элементов
при кратковременном совместном действии изгибающего момента с поперечной силой;
в) исследование
работы сжатых железобетонных элементов при центральном и внецентренном (с
различными начальными эксцентриситетами) приложении продольной силы.
Исследования элементов железобетонных конструкций включали
изучение границы армирования, прочности, жесткости и трещиностойкости при
действии изгибающего момента, поперечной и продольной силы.
Опытные образцы для исследование
работы элементов железобетонных конструкций были изготовлены из 4-х замесов
стеклошлакового керамзитобетона. В качестве крупного заполнителя во всех
замесах использовали керамзитобетон фракции 5-20 мм, вяжущего – жидкое стекло
плотностью 1,3 г/см3 модулем 1,8 и молотый фосфорный шлак, мелкого
заполнителя – кварцевый песок.
Одновременно с опытными образцами для
исследования прочностных и деформативных свойств стеклошлакового
керамзитобетона при осевом сжатии и растяжении были изготовлении из бетонов
всех 4-х замесов призмы размерами 15х15х60 см и кубы с гранями по 15 см.
Формирование призм и кубов производили
группами в металлических инвентарных кассетах. Перед бетонированием внутренние
поверхности опалубки смазывали тонким слоем масла. Уплотнение бетонной смеси
осуществлялось глубинным вибратором. После окончания вибрирования избыток
бетонной смеси срезали вровень с краями формы с последующим заглаживанием
поверхности мастерком.
Отформованные образцы засыпали
влажными опилками поверх бумаги и хранили в течение 4-5 суток. После
распалубливания призмы и кубы опять укрывали влажными опилками. В таком
состоянии образцы находились до момента их испытания.
Перед началом испытания призмы и кубы
подвергались предварительному осмотру, измерению всех геометрических размеров и
взвешиванию, после чего определяли объемную
массу бетона.
При осмотре образцов – кубов выбирали
опорные грани, которые будут прилегать к плитам пресса. Опорные грани выбирали
так, чтобы сжимающая сила при испытании была направлена параллельно слоям
укладки бетонной смеси в формы. Для испытания
куб устанавливали на нижнюю опорную плиту пресса центрально относительно
его оси, пользуясь рисками, нанесенными на плите. Нагрузка на образец
возрастала непрерывно с постоянной скоростью 4-6 кгс/см2 в секунду
до его разрушения. Достигнутое в процессе испытания максимальное усилие принимали за величину разрушающей
нагрузки. Предел прочности бетона вычисляли для каждого образца по формуле:
где Np - разрушающая нагрузка;
А -
средняя площадь образца.
Результаты испытаний кубов приведены в
таблице 1.
Таблица
1.
Результаты испытаний кубов.
|
№ замеса |
Объемная масса кг/см3 |
Размеры кубов в см |
Разруш. нагрузка в кН. |
Кубиковая прочность в МПа |
|||
|
а |
в |
h |
в отдельн. |
средняя |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
1-ый |
1033 |
14,85 |
14,73 |
14,82 |
108 |
4,94 |
|
|
1100 |
14,95 |
14,78 |
14,79 |
134 |
6,06 |
|
|
|
1020 |
14,95 |
15,06 |
15,67 |
112 |
4,97 |
5,5 |
|
|
1045 |
15,03 |
15,23 |
15,68 |
138 |
6,03 |
|
|
|
2-ой |
1030 |
14,93 |
15,05 |
15,11 |
67 |
2,98 |
3,02 |
|
1020 |
14,87 |
14,92 |
15,28 |
66 |
2,97 |
3,05 |
|
|
1030 |
14,78 |
14,97 |
14,95 |
70 |
3,16 |
|
|
|
990 |
14,92 |
15,14 |
15,04 |
70 |
3,10 |
|
|
|
3-ий |
1110 |
15,28 |
15,03 |
15,1 |
74 |
3,22 |
2,98 |
|
1070 |
15,3 |
14,78 |
15,24 |
72 |
3,18 |
|
|
|
980 |
15,3 |
15,39 |
15,38 |
63 |
2,68 |
|
|
|
1050 |
15,18 |
15,0 |
15,3 |
70 |
3,07 |
|
|
|
4-ый |
1050 |
14,92 |
14,94 |
14,95 |
122,5 |
5,5 |
|
|
1080 |
14,85 |
14,98 |
14,93 |
107,5 |
4,83 |
|
|
|
1030 |
14,95 |
15,12 |
14,88 |
107,5 |
4,76 |
|
|
Определение призменной прочности,
деформативности и начального модуля упругости стеклошлакового керамзитобетона при сжатии производили на
призмах с размерами 15х15х60 см. Продольные и поперечные деформации бетонных
призм замеряли с помощью тензорезисторов базой 50 мм, наклеенных на каждой
грани опытных образцов.
Для испытания призму устанавливали на
нижнюю опорную плиту пресса центрально относительно его оси, пользуясь рисками,
нанесенными на плите. Затем производили центрирование образца при уровне
нагрузки равным 25% от предполагаемого разрушающего усилия. При испытании
нагрузку на призму прикладывали ступенями до разрушения. Величина двух первых
ступеней составляла 0,05 от ожидаемой разрушающей нагрузки, затем величина
ступени увеличивалась вдвое. Начиная со
ступени 0,7-0,8 Np все последующие ступени нагружения опять
снижались до 0,05 Np с тем, чтобы более точнее определить величину
разрушающей нагрузки. На каждой ступени производили выдержку нагрузки в течение
3 минут. Отчеты по показаниям тензорезисторов снимали до и после выдержки.
В таблице 2 приведены характеристики и
результаты испытаний призм. Проведено сравнение опытных значений коэффициента призменной
прочности из табл. 2. с его значениями, определенными по формуле СНиП
Таблица 2.2.
Результаты испытаний
призм на сжатие
|
№ замеса |
Объем-ная масса кг/см3 |
Размеры призм в см |
Разруш. нагрузка в кН. |
Кубиковая прочность в МПа |
|
|||
|
а |
в |
h |
в отдельн. |
средняя |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
1-ый |
1070 |
14,9 |
14,58 |
59,9 |
75 |
3,45 |
3,3 |
|
|
1060 |
14,78 |
15,03 |
60,1 |
70 |
3,15 |
|
|
|
|
2-ой |
1150 |
14,84 |
15,67 |
59,85 |
60 |
2,58 |
|
|
|
1140 |
14,82 |
14,64 |
59,9 |
53,5 |
2,46 |
2,57 |
|
|
|
1100 |
15,58 |
14,75 |
59,7 |
45 |
1,96 |
|
|
|
|
1170 |
15,07 |
14,86 |
60,1 |
60 |
2,68 |
|
|
|
|
3-ий |
1220 |
15,01 |
15,05 |
60 |
41 |
1,81 |
1,83 |
|
|
1220 |
15,02 |
15,05 |
60 |
41 |
1,81 |
|
|
|
|
1220 |
15,0 |
15,05 |
60 |
42 |
1,86 |
|
|
|
|
4-ый |
1160 |
15,3 |
15,3 |
59,4 |
70 |
2,99 |
|
|
|
1150 |
15,0 |
15,4 |
58,9 |
75 |
3,20 |
3,06 |
|
|
|
1140 |
15,5 |
15,4 |
59,5 |
75 |
3,14 |
|
|
|
Предельные продольные и поперечные
деформации составили в среднем соответственно 1,8‰ и 0,4‰.
Определен начальный модуль упругости
бетона при сжатии по формуле:
где
ΣΔδ – сумма приращений напряжений на каждой ступени
от 0,05 Np до 0,3 Np;
ΣΔ
Еум – сумма приращений относительной упруго мгновенной
деформации на каждой ступени в тех же пределах.
Для стеклошлакового керамзитобетона
начальный модуль упругости определяли по формуле
где Еб – модуль упругости бетона,
тс/см2;
γ
- объемная масса, т/м3;
R
– кубиковая прочность (марка бетона), кгс/см2.
Определение прочности бетона «Rр»
и его максимальной деформации производили путем испытания призм с размерами
15х15х60 см на осевое растяжение. Испытание бетонных призм на растяжение
осуществляли с помощью специальных инвентарных устройств, тяговые болты которых
ввинчиваются в стальной оголовник, приклеиваемые эпоксидной смолой к очищенным
торцам призм. Продольные деформации замеряли с помощью тензорезисторов,
наклеенных на каждой грани опытного образца. Перед испытанием производили
центрирование образцов пробными нагрузками до 0,2 Np. Аналогично
испытанию призм на сжатие при осевом растяжении нагрузка прикладывалась на
образец ступенями с трехминутной выдержкой.
Опытные
значение предела прочности стеклошлакового керамзитобетона определяли по
формуле (1), но только в этом случае Np обозначала максимальную нагрузку, вызвавшую разрушение опытного образца при центральном растяжении.
Испытанию подвергались по 3 призмы из каждого замеса. Характеристики опытных образцов и результаты их испытаний приведены
в таблице 3.
Предельные продольные деформации призм при
растяжении находились в пределах 0,2 – 0,35‰.
Таблица
3.
Прочность призм при осевом растяжении
|
№ замеса |
Объемная масса кг/см3 |
Размеры призм в см |
Разруш. нагрузка
кН. |
Прочность на осевое растяжение в МПа |
|||
|
а |
в |
h |
в отдельн. |
средняя |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
1-ый |
1180 |
14,04 |
14,15 |
59,5 |
14 |
0,704 |
|
|
1210 |
14,05 |
14 |
59,45 |
2,15 |
1,093 |
0,86 |
|
|
1160 |
14,06 |
14,07 |
59,5 |
15,5 |
0,784 |
|
|
|
2-ой |
1150 |
14,85 |
15,4 |
59,05 |
15,5 |
0,678 |
|
|
1140 |
15,15 |
15,2 |
59,4 |
14,0 |
0,608 |
0,632 |
|
|
1110 |
15,15 |
15,15 |
59,15 |
14,4 |
0,611 |
|
|
|
3-ий |
1260 |
15,09 |
15,24 |
59,3 |
10,6 |
0,461 |
|
|
1260 |
14,94 |
15,0 |
60,0 |
10,0 |
0,446 |
0,454 |
|
|
4-ый |
1120 |
15,2 |
15,25 |
59,3 |
13,0 |
0,561 |
|
|
1140 |
15,5 |
15,3 |
59,4 |
12,0 |
0,506 |
0,535 |
|
|
1140 |
15,2 |
15,25 |
59,1 |
12,5 |
0,539 |
|
|
Заключение
1. Соотношение между призменной и кубковой
прочностью стеклошлакового керамзитобетона хорошо совпадает с зависимостью,
изложенным СНиП 2.03.01-84*.
2.
Предельные продольные и поперечные деформации бетона при сжатии в
среднем равны соответственно 1,8‰
и 0,4‰.
3.
Начальный модуль упругости стеклошлакового керамзитобетона ниже, чем у
обычных бетонов и хорошо описывается зависимостью
4.
Предельные продольные деформации бетона при осевом растяжении находились в пределах
0,2 – 0,35‰.
Литература:
1. Бондаренко В. М..
Железобетонные и каменные конструкции. М., Высшая школа, 2008.
2.
Бакиров
К. К.. Керамзитобетон на безцементном вяжущем. В
MATERIÁLY IX MEZINÁRODNI VĚDEKO - PRAKTICÁ KONFERENCE “AKTUÁLNĺ
VYMOŽENOSTI VĚDY – 2013”. 27.06.2013 – 05.07.2013. Praha: Publishing
House “Education and Science” s.r.o.
с.75-77.
3.
Бакиров
К.К., Есенбаева А.Н. Прочность на местное сжатие бесцементного керамзитобетона.
Materiały X
Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowa przestrzeń
Europy - 2014» Volume 30. Ekologia.
Geografia i geologia.: Przemyśl. С.102-105.