Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
employee from 01.01.2017 until now
stanica Leningradskaya, Krasnodar, Russian Federation
employee
Rostov-on-Don, Russian Federation
employee
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
employee
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
VAC 05.23.05 Строительные материалы и изделия
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 08.06.01 Техника и технологии строительства
BBK 383 Строительные материалы и изделия
BBK 385 Строительные конструкции
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
BISAC TEC005000 Construction / General
In this work, a study of the strength and deformation characteristics of the variatropic layers of centrifuged and vibrocentrifuged concretes on activated Portland cement was carried out. Mechanical activation of cement was carried out using a specialized grinding unit - a planetary ball mill "Aktivator-4M". The optimal mode of grinding Portland cement is proposed. For the manufacture of centrifuged and vibrocentrifuged samples, an experimental laboratory centrifuge TsSRL-1 with a DC electric motor with thyristor power supplies was used, and the form vibrations were carried out due to additional dowels (protrusions) put on the shafts. All samples were made from concrete of the same composition. In total, four basic samples of annular cross-section were manufactured and tested with the following dimensions: outer diameter D = 450 mm; inner hole diameter d = 150 mm; total height H = 1200 mm. The optimal values of technological parameters of centrifugation and vibrocentrifugation are given. A scheme is proposed for obtaining small-sized samples to determine the strength and deformative characteristics of various layers of a sample by cutting them out of a common annular section. According to the results of the study, it was found that the activation of Portland cement at its rational values is the optimal way to enhance variatropia.
Centrifuged concrete, vibrocentrifuged concrete, reinforced concrete, activated Portland cement, differential characteristics, deformation characteristics, strength characteristics
Введение. Актуальность исследования обусловлена острой проблемой нехватки эффективных строительных железобетонных конструкций – ресурсосберегающих, энергосберегающих и материалоемких по своей сути.
Ранее в наших работах и в исследованиях других авторов были установлены рациональные конструктивные рецептурные и технологические решения касательно центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов, имеющих вариатропную структуру и применяемых для полых изделий и конструкций, имеющих кольцевое сечение. Такие конструктивные особенности позволяют, во-первых, более полно использовать преимущества, возникающие вследствие вариатропии бетона при возведении таких конструкций, а во-вторых, снизить материало- энерго- и ресурсоемкость в самой технологической последовательности операций при заводском изготовлении, а также при их монтаже в условиях стройплощадки.
Известно из работ многих авторов о том, что активированный портландцемент, то есть домолотый механическим способом в шаровых мельницах, позволяет существенно повысить качество и характеристики получаемых с его применением изделий и конструкций как бетонных, так и железобетонных и фибробетонных [1-8]. Поэтому ранее в наших работах была выдвинута гипотеза о возможности совмещения активации портландцемента и изготовления железобетонных изделий и конструкций методом центробежного уплотнения с дополнительным вибрированием, то есть виброцентрифугирование [9]. Таким образом, получая вариатропную конструкцию с максимально возможным уровнем вариатропии на современной стадии технологических возможностей и добавив при этом рецептурный аспект в виде активированного тонкодисперсного портландцемента с высоким уровнем удельной поверхности, мы получаем синергетический эффект и, тем самым, влияем на прочностные и иные характеристики получаемых бетонов. Также с учетом того, что в наших работах интерес вызывает именно дифференциация по слоям [10, 11], то есть вариатропия, нас в первую очередь будут интересовать дифференциальные, то есть различающиеся по сечению прочностные характеристики виброцентрифугированных и центрифугированных бетонов. В этой связи была выдвинута гипотеза о том, что дифференциальные прочностные характеристики напрямую будут зависеть от вида применяемого портландцемента.
Таким образом, целью настоящей статьи является выявление роли активации портландцемента в процессе формирования характеристик, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов, а также в выявлении влияния этой активации портландцемента на значения дифференциальных прочностных характеристик.
Таким образом, задача исследования сводится к следующему: обзор и анализ литературы, посвященной повышению качества портландцемента, применяемого при производстве железобетонных изделий и конструкций, анализ работ, посвященных вариатропным конструкциям, постановка целей и задачи исследования, разработка программы методики эксперимента, экспериментальные исследования, формулирование выводов и разработка предложений по практическому внедрению полученных результатов.
Материалы и методы. Механическая активация цемента осуществлялась с помощью специализированного помольного агрегата – шаровой планетарной мельницы «Активатор-4М». Технические характеристики шаровой планетарной мельницы представлены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики «Активатор-4М»
|
Наименование показателя |
Единицы измерения |
Показатель |
|
Планетарный диск: - скорость вращения - эффективный диаметр |
об/мин мм |
100–800 400 |
|
Скорость вращения барабанов |
об/мин |
150–1650 |
|
Центробежное ускорение |
м/с2 |
1500 |
|
Барабаны |
шт |
4 |
|
Объем барабана |
мл |
1000 |
|
Загрузка шаров |
г |
600–1400 |
|
Загрузка порошка |
г |
50–400 |
|
Материал: шары |
|
ШХ15СГ |
|
барабаны |
мм |
Ø95×180 |
В качестве вяжущего применялся портландцемент марки ПЦ 400 Д0, в таблице 2 представлены его физико-механические характеристики, а в таблице 3 – его минералогический состав.
Таблица 2. Физико-механические характеристики портландцемента ПЦ 400 Д0
|
Наименование свойства |
Значение |
|
Тонкость помола, проход через сито № 008, % |
95,8 |
|
Удельная поверхность, см2/г |
2988,5 |
|
Нормальная густота цементного теста, % |
26,5 |
|
Сроки схватывания, час:мин -начало - конец |
0:48 4:00 |
|
Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, МПа |
42,5 |
Таблица 3. Минералогический состав портландцемента
|
Марка цемента |
Минералогический состав, % |
|||
|
C3S |
C2S |
C3A |
C4AF |
|
|
ПЦ 400 Д0 |
64 |
11 |
7,1 |
13,2 |
Режим помола портландцемента марки ПЦ 400 Д0 рекомендуется проводить при следующих параметрах (время помола τ = 2 мин; частота вращения ротора νр = 35 Гц).
Для изготовления центрифугированных и виброцентрифугированных образцов была применена экспериментальная лабораторная центрифуга ЦСРЛ-1 с электродвигателем постоянного тока с тиристорными блоками питания, принципиальная схема и подробное описание которой представлены в работе [12]. Вибрации формы осуществлялись за счет дополнительно надеваемых на валы шпонок (выступов), на которых вращающаяся форма с бетонной смесью подвергалась дополнительной вибрации [13-15].
В качестве крупного заполнителя применялся гранитный щебень, физико-механические характеристики которого представлены в таблице 4.
Таблица 4. Физико-механические характеристики щебня
|
Фракция |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Пустотность, % |
Содержание пылевидных и глинистых частиц, % по массе |
Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, % по масса |
Дробимость, % по массе |
|
5-20 |
1470 |
45,7 |
0,65 |
17 |
12,7 |
В качестве мелкого заполнителя применялся песок кварцевый, физико-механические характеристики которого представлены в таблице 5.
Таблица 5. Физические свойства мелкого заполнителя
|
Плотность, г/см3 |
Насыпная плотность, кг/ м3 |
Модуль крупности |
Пустотность, % |
Водопотребность, % |
|
2,62 |
1480 |
1,4 |
43,3 |
9 |
Для регулирования подвижности бетонных смесей использовался суперпластификатор Muraplast FK 48 в количестве 1,5 % от массы цемента.
Все образцы были изготовлены из бетона одинакового состава, расход материалов на 1 м3 составил: Ц = 520 кг, Щ = 1331 кг, П = 396 кг, В = 193 л.
Всего изготовлено и испытано четыре базовых образца кольцевого сечения с размерами:
- внешний диаметр D = 450 мм;
- внутренний диаметр отверстия d = 150 мм;
- общая высота H = 1200 мм.
Изготовление центрифугированных образцов с активированным и неактивированным портландцементом осуществлялось при следующих значениях параметров центрифугирования: режим разгона и торможения вращения – традиционный; угловая скорость вращения – 156 рад/с; время центрифугирования – 12 мин.
Изготовление виброцентрифугированных образцов с активированным и неактивированным портландцементом осуществлялось при тех же самых значениях параметров центрифугирования и при следующих значениях параметров виброцентрифугирования: высота технологических выступов хомутов – 5 мм; длина технологических выступов хомутов – 20 мм; шаг между технологическими выступами хомутов – 30 мм; режим вибрирования – попеременный. Попеременный режим вибрирования характеризуется тем, что на приводном вале выступы хомутов, надетых на вал с обеих сторон, расположены симметрично и параллельно по отношению друг к другу, а на опорном вале – несимметрично с различным градиентом запаздывания.
Исследование дифференциальных прочностных и деформативных характеристик центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов на активированном портландцементе заключается в определении данных характеристик различных слоев образца. Изготовление малоразмерных образцов для определения прочностных и деформативных характеристик различных слоев образца осуществлялось путем их выпиливания из общего кольцевого сечения, схема получения малоразмерных образцов представлена на рис. 1. Для этой цели из общего кольцевого сечения образца условно был выделен квадрант размером 150х150х150 мм, сечение квадранта делилось на три слоя по 50 см каждый – внешний, средний и внутренний. По высоте образец делился на четыре уровня: первый уровень – выпиливалось 9 кубов размерами 50х50х50 мм, для определения кубиковой прочности при сжатии; второй уровень – 9 призм размерами 50х50х200 мм для определения призменной прочности при сжатии; третий уровень – 9 призм размерами 50х50х200 мм для определения прочности на растяжение при изгибе; четвертый уровень – 9 призм размерами 50х50х200 мм для определения прочности при осевом растяжении.
Рис. 1. Схема получения малоразмерных образцов
Испытания на сжатие и растяжение при изгибе проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10180.
Испытания на осевое сжатие и осевое растяжение проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 24452.
Результаты обсуждения. Результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик вариатропных слоев центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов на активированном портландцементе представлены в таблицах 6 – 7 и на рис. 2 – 8.
Таблица 6. Результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик вариатропных слоев центрифугированных бетонов на активированном портландцементе
|
Центрифугированный бетон |
|||||||||||||
|
На неактивированном портландцементе |
На активированном портландцементе |
||||||||||||
|
Rb.cub, МПа |
Rb, МПа |
Rbt, МПа |
Rbtb, МПа |
EbR, мм/м·10-3 |
EbtR, мм/м·10-4 |
Eb=Ebt, МПа·103 |
Rb.cub, МПа |
Rb, МПа |
Rbt, МПа |
Rbtb, МПа |
EbR, мм/м·10-3 |
EbtR, мм/м·10-4 |
Eb=Ebt, МПа·103 |
|
Внешний слой |
|||||||||||||
|
67,8 |
34,9 |
8,1 |
4,7 |
1,89 |
1,08 |
36,7 |
74,8 |
37,4 |
9,1 |
5,2 |
1,79 |
0,92 |
37,3 |
|
Средний слой |
|||||||||||||
|
42,1 |
21,6 |
5,1 |
3,1 |
2,02 |
1,11 |
32,1 |
44,2 |
23,1 |
5,4 |
3,3 |
1,95 |
1,01 |
33,7 |
|
Внутренний слой |
|||||||||||||
|
30,2 |
15,6 |
3,2 |
2,2 |
2,15 |
1,17 |
27,4 |
33,2 |
16,9 |
3,9 |
2,4 |
2,07 |
1,08 |
28,2 |
Таблица 7. Результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик вариатропных слоев виброцентрифугированных бетонов на активированном портландцементе
|
Виброцентрифугированный бетон |
|||||||||||||
|
На неактивированном портландцементе |
На активированном портландцементе |
||||||||||||
|
Rb.cub, МПа |
Rb, МПа |
Rbt, МПа |
Rbtb, МПа |
EbR, мм/м·10-3 |
EbtR, мм/м*10-4 |
Eb=Ebt, МПа·103 |
Rb.cub, МПа |
Rb, МПа |
Rbt, МПа |
Rbtb, МПа |
EbR, мм/м·10-3 |
EbtR, мм/м·10-4 |
Eb=Ebt, МПа·103 |
|
Внешний слой |
|||||||||||||
|
69,4 |
35,2 |
8,3 |
4,8 |
1,83 |
0,92 |
37,5 |
78,3 |
39,8 |
9,4 |
5,4 |
1,68 |
0,89 |
38,5 |
|
Средний слой |
|||||||||||||
|
43,8 |
22,3 |
5,3 |
3,3 |
1,97 |
1,01 |
32,1 |
46,8 |
24,6 |
5,6 |
3,5 |
1,85 |
0,95 |
34,2 |
|
Внутренний слой |
|||||||||||||
|
31,9 |
17,8 |
3,4 |
2,4 |
2,10 |
1,21 |
27,4 |
33,2 |
17,9 |
4,0 |
2,5 |
2,05 |
1,06 |
29,1 |
Рис. 2. Зависимость изменения кубиковой прочности вариатропных слоев при сжатии (ЦБ+НПЦ – центрифугированный бетон на неактивированном портландцементе; ЦБ+АПЦ – на активированном портландцементе; ВЦБ+НПЦ – виброцентрифугированный бетон на неактивированном портландцементе; ВЦБ+АПЦ – на активированном портландцементе)
Рис. 3. Зависимость изменения призменной прочности вариатропных слоев при сжатии (см. Рис. 2)
Рис. 4. Зависимость изменения прочности на растяжение при изгибе вариатропных слоев (см. Рис. 2)
Рис. 5. Зависимость изменения прочности при осевом растяжении вариатропных слоев (см. Рис. 2)
Рис. 6. Зависимость изменения предельных деформаций при осевом сжатии вариатропных слоев (см. Рис. 2)
Рис. 7. Зависимость изменения предельных деформаций при осевом растяжении вариатропных слоев (см. Рисунок 2)
Рис. 8. Зависимость изменения модуля упругости вариатропных слоев (см. Рисунок 2)
Проанализировав полученные данные, установлено, что значения прочностных и деформативных характеристик внутреннего, среднего и внешнего слоев центрифугированного бетона на неактивированном портландцементе ниже тех же значений центрифугированного бетона на активированном портландцементе. Данная тенденция наблюдается и у виброцентрифугированных образцов. Максимальные значения прочностных и минимальные значения деформативных характеристик зафиксированы у виброцентрифугированных бетонов на активированном портландцементе. Таким образом совместное влияние технологии виброцентрифугирования и активации портландцемента приводит к заметному улучшению прочностных и деформативных характеристик бетона.
Выводы. По результатам исследования можно сделать следующие выводы. Вариатропностью центрифугированных и виброцентрифугирвоанных железобетонных изделий возможно управлять с помощью активации портландцемента, применяемого при их изготовлении. Активация портландцемента при ее рациональных значениях является оптимальным способом усиления вариатропии и, тем самым, ведет к улучшению характеристик бетона.
Результаты проведенного исследования рекомендуются к применению в промышленном и гражданском строительстве при проектировании и расчете строительных конструкций, изготовленных из железобетонных изделий кольцевого сечения с вариатропной структурой и при промышленных технологиях производства таких изделий, в нормативно-технических документах на расчет, проектирование и изготовление таких конструкций, для условий стройплощадки и для применения в учебно-методических документах при изучении дисциплин по технологии железобетонных изделий.
1. Bazhenov Yu.M. Sovremennaya tekhnologiya betona [Modern concrete technology]. Tekhnologii betonov [Concrete technology]. 2005. № 6. pp. 6-8.
2. Fedyuk R.S. Sovremennye sposoby aktivatsii vyazhushchego i betonnykh smesei [Modern methods of activating binder and concrete mixtures]. Vestnik Inzhenernoi shkoly DVFU [FEFU: School of Engineering Bulletin]. 2018. I. 4(37). pp. 85-99. DOI:https://doi.org/10.5281/zenodo.2008670.
3. Saadoon T. New predictive methodology for the apparent activation energy and strength of conventional and rapid hardening concretes / T. Saadoon, B. Gómez-Meijide, A. Garcia // (2019) Cement and Concrete Research 115, pp. 264-273. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.10.020.
4. Williamson T. The role of activating solution concentration on alkali-silica reaction in alkali-activated fly ash concrete / T. Williamson, M.C.G. Juenger M.C.G. // (2016) Cement and Concrete Research 83, pp. 124-130. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2016.02.008.
5. Buttress A. Microwave processing of cement and concrete materials - towards an industrial reality / A. Buttress, A. Jones, S. Kingman // (2015) Cement and Concrete Research 68, pp. 112-123. DOI: 0.1016/j.cemconres.2014.11.002.
6. Prokopets B.C., Lesovik V.S. Proizvodstvo i primenenie dorozhno-stroitel'nykh materialov na osnove syr'ya, modifitsirovannogo mekhanicheskoi aktivatsiei [Production and use of road-building materials based on raw materials modified by mechanical activation]. Belgorod Izd. BGTU [Belgorod BGTU Publishing House]. 2005. 264 p.
7. Ibragimov R.A. Effect of mechanochemical activation of a binder on the properties of fine-grained concrete / R.A. Ibragimov R.A., S.I. Pimenov, V.S. Izotov // (2015) Magazine of Civil Engineering. №2. pp. 63-69. DOI:https://doi.org/10.5862/MCE.54.7.
8. Zaichenko N.M., Khalyushev A.K., Stel’makh S.A., Shcherban’ E.M., Nazhuev M.P., Chernil’nik A.A. Method for surface modification of cement // Pat. for invention 2715276 Russia, IPC C04B 40/02. - No. 2019138010; declared 11/25/2019; publ. 02/26/2020, Bul. No. 6.
9. Mayilyan L.R. Vliyanie tekhnologii proizvodstva na strukturoobrazovanie i svoistva betona vibrotsentrifugirovannykh kolonn [The influence of production technology on the structure formation and properties of concrete by vibrocentrifuged columns]. Stroitel'stvo i arkhitektura [Construction and architecture]. 2017. Vol. 5. I. 4 (17). pp. 224-228.
10. Mailyan L.R. Rekomendatsii po uchetu variatropii pri raschete, proektirovanii i izgotovlenii tsentrifugirovannykh konstruktsii iz tyazhelogo betona [Recommendations for the consideration of variatropy in the calculation, design and manufacture of centrifuged structures made of heavy concrete]. Vestnik Evraziiskoi Nauki [Bulletin of Eurasian Science]. 2018. I.4. URL: https://esj.today/PDF/07SAVN418.pdf.
11. Stel'makh S.A. Theoretical and Practical Aspects of the Formation of the Variational Structure of Centrifuged Products from Heavy Concrete / S.A. Stel'makh, E.M. Shcherban, A.I. Shuyskiy, M.P. Nazhuev // (2018) Materials Science Forum 931, pp. 502-507.
12. Kholodnyak M.G. Sovershenstvovanie rascheta i tekhnologii sozdaniya vibrotsentrifugirovannykh zhelezobetonnykh kolonn s uchetom variatropii struktury: dis. kand. tekhn. nauk [Improvement of the calculation and technology of creating vibrocentrifuged reinforced concrete columns taking into account the variatropy of the structure: dis. Cand. of Eng. sciences]. Rostov-na-Donu: DGTU [Rostov-na-Donu: DSTU]. 2020. 185 p.
13. Nazhuev M.P. Vliyanie tekhnologicheskikh faktorov na konstruktivnye kharakteristiki betona opytnykh obraztsov tsentrifugirovannykh zhelezobetonnykh kolonn kol'tsevogo secheniya [Influence of technological factors on the structural characteristics of concrete of prototypes of centrifuged reinforced concrete annular columns]. Vestnik Evraziiskoi Nauki [Bulletin of Eurasian Science]. 2019. I. 3. URL: https://esj.today/PDF/20SAVN319.pdf.
14. Nazhuev M.P. Vliyanie rezhimov vibrotsentrifugirovaniya na svoistva poluchaemykh betonov [Influence of vibration centrifugation modes on the properties of the concretes obtained] Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhova]. 2021. I. 1. pp. 8-19. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-6-1-8-19.
15. Nazhuev M.P. Upravlenie integral'nymi deformativnymi kharakteristikami betona za schet var'irovaniya vysoty i shaga tekhnologicheskikh vystupov khomutov vibrotsentrifugiruyushchikh ustroistv [Control of the integral deformative characteristics of concrete by varying the height and pitch of the technological protrusions of the clamps of vibrating centrifugation devices]. Vestnik PNIPU. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika. [Bulletin of the PNRPU. Applied ecology. Urbanism] 2021. I 1. pp. 108-118. DOI: 10/248666/2227-6858/2021-1-12.
