Определение оптимального состава сталефибробетона

Для зон с водовоздушным охлаждением величина к, определяемая выражением (3), получилась практически одинаковой для всех трех случаев: кВВ = = 1143 кДж/кг. Величина к определяет количество тепла, отведенное от поверхности сляба, за счет разбрызгивания форсунками 1 кг воды.

Для зон с водяным охлаждением величина к должна определяться по выражению (2), но в этом случае неизвестна температура воды на сливе . Эту температуру сложно измерить, однако достаточно просто измерить температуру общего потока сливающейся воды /сл на выходе из бункера МНЛЗ (вода сливается по желобу под МНЛЗ). После этого температуру можно рассчитать следующим образом. Расходы воды, которые сливаются из зон с водяным и водовоздушным охлаждением, определяются выражением:

осВл = (1 - хпВ0) ОД,; ОсВлВ = (1 - хВВ) овВВ.

Суммарный расход сливающейся воды:

Осл = оВ+оВВ.

Уравнение теплового баланса для сливающейся воды имеет вид:

G t — GB tв + Gвв t

сл сл _ сл сл сл нас’

где /сл - неизвестная температура воды, сливающейся из зон с водяным охлаждением; /нас = 100 °С -температура насыщения.

Если температура /сл измерена, то из выражения (16) можно определить температуру воды на сливе из зон с водяным охлаждением /сВ, и затем по фор-

муле (2) определить коэффициент кВ для зон с водяным охлаждением.

На основе выше изложенного, для зон с водовоздушным охлаждением МНЛЗ № 3 ЧерМК ОАО «Северсталь» можно предложить зависимость для определения средней плотности теплового потока, кВт/м2, в i-й зоне ЗВО:

q =1143 gi + з’рощ , И = кг/(м2 •с);

q =317,9 gi + qw.i , Lg ] = м3/

где gi - удельный расход воды в i-й зоне; дрол^ -плотность теплового потока, отводимого роликами в i-й зоне, определяемая по формуле (4) на основе текущих значений расходов и нагрева воды в роликах i-й зоне.

Зависимость (17) может быть использована при математическом моделировании процесса затвердевания сляба в МНЛЗ, при разработке режимов охлаждения сляба в ЗВО.

Литература

1. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. - М, 1983.

2. Лукин, С.В. Исследование вторичного охлаждения в слябовой машине непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, Д.В. Поселюжный // Вестник ЧГУ. - 2011. - № 1. -С. 86 - 90.

3. Лукин, С.В. Контроль процесса теплоотдачи от сляба в зоне вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок / С.В. Лукин, Н.И. Шестаков, А.В. Зверев, С.А. Зимин // Известия вузов. Черная металлургия. - 2007. - № 5. - С. 61 - 66.

4. Ривкин, С.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник / С.А. Ривкин, А.А. Александров. - М., 1984.

УДК 691.328.2

Ю.Р. Султанова, А.Г. Каптюшина ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА

Сталефибробетон - это один из самых высокоэффективных конструкционных материалов нашего времени, свойствами которого можно управлять в достаточно широких пределах. Областями эффективного применения сталефибробетона являются: промышленные полы, взлетно-посадочные полосы аэродромов, шпунты, сваи, укрепление откосов, гидросооружения (причалы, волноломы, дамбы, плотины) и т.п. В связи с отсутствием широких исследований в данной области в Череповецком государственном университете (г. Череповец) подобран оптимальный состав сталефибробетона на основе стальной проволочной фибры Миксарм.

Сталефибробетон, фибра, прочность на сжатие, математическое планирование эксперимента, оптимальный состав.

Steel fibre concrete is one of the most high-performance structural materials of at present; its properties can be controlled over a wide range. Steel fibre concrete can be applied in various fields: industrial floors, runways of airdromes, groove, piles, strengthening of slopes, hydraulic work (loading berth, breakwater, and dams). In connection with the lack of researches in this area, the optimum composition of the steel fiber concrete on the basis of steel wire fiber MIXARM is found in Cherepovets.

Steel fibre concrete, fibre, compressive strength, mathematical planning of the experiment, optimal composition.

В настоящее время высококачественные бетоны отрасли в связи с различными современными конст-

становятся все более востребованы в строительной рукторскими решениями, новыми видами зданий и

сооружений, а также нестандартными архитектурными формами, наличие которых предполагает применение высокопрочных бетонов, в том числе стале-фибробетонов.

Цель данной работы - проектирование состава и исследование свойств тяжелого бетона на основе стальной фибры. Для этого необходимо выбрать материалы, исследовать основные свойства составляющих сталефибробетонной смеси, произвести подбор оптимального состава и исследовать основные свойства СФБ.

На основании мирового и отечественного опыта экспериментального строительства можно выделить следующие области эффективного применения ста-лефибробетона (СФБ):

- промышленные полы;

- тяжелонагруженные полы складов, промышленных зданий;

- взлетно-посадочные полосы аэродромов;

- шпунты, сваи;

- конструкции из сборного железобетона (водоотпускные трубы, кольца стеновых колодцев, лестничные марши, ступени);

- укрепление лавиноопасных участков, откосов, обделка тоннелей;

- плиты перекрытий;

- гидросооружения (причалы, волноломы, дамбы, плотины).

Применение бетона, армированного стальной фиброй, в ряде случаев дает возможность исключить из конструкции часть арматуры, а в некоторых случаях полностью отказаться от стержневой арматуры.

Существует несколько типов стальной фибры.

1. Фибра, фрезерованная из слябов, имеет особую конфигурацию, общая площадь сцепления с бетоном в 4 раза больше, чем у проволочной или рубленой из листа.

2. Фибра, фрезерованная из расплава. Производство такой фибры основано на ее экстрагировании из расплава металла. Данная разновидность материала отличается весьма низкой стоимостью исходного сырья. Однако ввиду из-за сложной технологии изготовления она выходит наиболее дорогостоящей из представленных 4 типов.

3. Фибра листовая, рубленная из листового проката. Данный вид продукции обладает хорошими характеристиками только в том случае, если при

производстве использовался стальной лист, предварительно подвергшийся обработке давлением. Этот тип имеет самую малую точность изготовления и является наименее прочным.

4. Проволочная фибра. Этот вид поддается точному нормированию на этапах производства проволоки. Сталефибробетон, производимый с ее использованием, в большей степени, чем прочие виды бетонов, обладает необходимыми свойствами и повторяемостью эксплуатационных характеристик. Данный тип фибры проявил себя как наиболее универсальный материал, поэтому в настоящий момент наиболее распространен на мировом рынке.

Основные характеристики стальной фибры при разных способах изготовления приведены в табл. 1.

Современный рынок представлен большим количеством отечественных производителей, продукция которых является аналогом более дорогостоящих импортных марок, таких как: МИКСАРМ

(МІХЛИМ), ХЕНДИКС (ИЕМОІХ), ТВИНФЛЭТ (ТШШБЬАТ) и ФИБЕКС (ИВАХ).

В данной работе был произведен подбор составов СФБ с использованием проволочной стальной фибры Миксарм производства ОАО «Северсталь-Метиз». Использование стальной фибры при производстве сталефибробетона (СФБ) обуславливает резкое повышение устойчивости к образованию сколов, тре-щинообразованию. Удается уменьшить количество стыков и швов, существенно снизить период последующих ремонтов, а также их стоимость. Применение технологий армирования стальной фиброй позволяет достигать проектных характеристик при меньшей металлоемкости и толщине конструкций, повышая при этом надежность при эксплуатации. Сталефибробетон, армированный стальной фиброй, обладает особой устойчивостью к воздействиям внешних факторов.

Для производства качественного сталефибробе-тона необходимо оценить основные свойства составляющих бетонной смеси. В работе был проведен подбор состава сталефибробетона на следующих материалах: природный кварцевый песок, гранитный щебень, портландцемент ЦЕМ ІІ/А-Ш 32,5Б, проволочная стальная фибра Миксарм, вода и суперпластификатор «Реламикс». Основные характеристики исходных материалов представлены в табл. 2.

Таблица 1

Характеристики стальной фибры по различным способам ее производства

Метод изготовления Длина

Поперечное сечение (мм2) Особенность заанкеривания Поверхность

Фрезерование из сляба 15 - 60 В виде серпа А=0,2 - 1,0 Прямая гофрированная деформация на концах Шероховатая 700 - 1000

Вытяжка из расплава 40 - 60 Сегмент А=0,4 - 0,8 Прямая Гладкая 500 - 1000

Рубка из листа 20 - 60 Прямоугольник А=0,2 - 0,8 Прямая деформация на концах Гладкая рифленая 400 - 1000

Резка из проволоки 15 - 100 Круг А=0,25 - 1,2 Прямая гофрированная деформация на концах Гладкая или рифленая 1000 - 2000

Таблица 2

Основные характеристики используемых материалов

Природный кварцевый песок

Насыпная плотность, рн, кг/м3 Истинная плотность, ри , г/см3 Пустотность, Ушп , % Модуль крупности, Мкр , %

1543 2,71 43,1 2,99

Гранитный щебень

Насыпная плотность, рн, кг/м3 Плотность зерен в куске, рк , ЛиаЛ мм Днаим, мм Водопоглащение, %

1490,7 2,63 40 5 2,54

Дробимость

Фракция, мм 5 - 10 10 - 20 20 - 40

Др, % 7 6 7

Марка 1200 1200 1200

Портландцемент ЦЕМ ІІ/А-Ш 32,5Б

Характеристика Значение Норматив в соответствии ГОСТ 10178-85

Тонкость помола цемента (остаток на сите № 008), % 4,14 не более 15

Прочность После нормального твердения на 28-е сут.

результат испытаний норматив по ГОСТ 10178-85

^сж 39,4 МПа М300 - 29,4 МПа М400 - 39,2 МПа

Содержание фибр в сталефибробетоне (расход на 1м3 СФБ смеси) определяется требованиями к его физико-механическим свойствам, назначаемым из условий применения. В зависимости от области применения сталефибробетона содержание в нем фибры может быть рекомендовано следующим, в кг/м3: для плит индустриальных полов - 20...50, конструкций жилых домов - 35. 120, конструкций тоннелей, дорог и т.п. - 50. 120, защитных, морских сооружений и др. особых случаев - 120. 240.

В литературе [1] приведены рекомендуемые составы СФБ. Их прочностные характеристики графически представлены на рис. 1, из которого видно, что с увеличением водоцементного отношения (В/Ц) уменьшается прочность. Для дальнейшего исследования был выбран диапазон В/Ц от 0,48 до 0,58, так как последующее снижение В/Ц приводит к потере подвижности и ухудшается удобоукладываемость бетонной смеси.

В данной работе проводилась оптимизация состава СФБ с применением метода математического планирования эксперимента [2].

Полученная математическая зависимость использовалась для назначения и поиска оптимальных составов. Построение математических зависимостей производилось на основе специальных лабораторных исследований с последующим уточнением.

В качестве факторов были выбраны:

— расход цемента, так как цемент - основной сырьевой компонент сталефибробетона. На основном уровне он составил Ц = 270 кг/м3;

- В/Ц, для регулирования количества воды. В основном составе было принято В/Ц = 0,53;

— объемное содержание фибры (%). Значение фактора в основном составе - 1,5 %.

Прочность на сжатие, МПа

Рис. 1. Зависимость прочности сталефибробетона от водоцементного отношения при различных условиях твердения:

- после тепловлажностной обработки на 3 сутл ^ - после тепловлажностной обработки на 28 сутл

- после нормального твердения на 28 сут.

При проведении исследований все факторы варьировались на трех уровнях - основном, нижнем и верхнем, отстоящих от основного на одинаковую величину, называемую интервалом варьирования (табл. 3).

Таблица 3

Значения интервалов варьирования факторов

Хш Значение кода Хв/ц Х1 Хц = Х2 ХФ = Хз

Основной уровень 0 0,53 270 1,5

Интервал варьирования Ах,- 0,05 20 1

Верхний уровень + 0,58 290 2,5

Нижний уровень - 0,48 250 0,5

В результате проведения эксперимента были получены следующие характеристики СФБ: прочность и плотность при различных условиях твердения, на основании которых были выведены уравнения зависимостей и построены их графические интерпретации (рис. 2).

35,00

н

W

S

00

(N

о

X

tr

о

&

с

20,00

♦ _

1

0,40 0,90 1,40 1,90 2,40 2,90

Расход фибры, %

35,00

н

W

S

«

н

о

X

tr

о

&

с

20,00

10,00

0,40 0,90 1,40 1,90 2,40 2,90

Расход фибры, %

н

W

S

00

(N

о

X

tr

о

&

с

35,00

25,00

10,00

♦ Л

А

0,40 0,90 1,40 1,90 2,40 2,90

Расход фибры, %

Рис. 2. Зависимость прочности сталефибробетона на 28 сутки после нормального твердения от расхода фибры при: а - расходе цемента 250 кг/м3; б - расходе цемента 270 кг/м3; в - расходе цемента 290 кг/м3

Уравнения прочности сталефибробетона:

- на 1 сутки после тепло-влажностной обработки

RT ВО = 22,338 - 0,917 х - 0,846 х3 +

+ 0,224 х2 - 0,037 х22 - 3,172 х32 + 3,663 х2 х3;

- на 28 сутки после тепло-влажностной обработки

ЯТ8Ш = 33,789 - 2,642 х2 -

- 4,468 х22 +1,531 х32 + 6,301 х2 х3;

- на 28 сутки после нормального твердения

RT = 25,754 -1,298 х -1,926 х2 - 0,767 х22 -

-1,395х32 -2,460Xj х2 + 5,186х2 х3.

При анализе графиков зависимостей сделаны следующие выводы:

1. При минимальном расходе цемента прочность сталефибробетона уменьшается при увеличении процентного содержания фибры для всех водоцемен-тых отношений.

2. При расходе цемента 270 кг процентное содержание фибры влияет на прочность незначительно.

3. При высоком расходе цемента с увеличением процента вводимой фибры прочность сталефибробе-тона увеличивается.

Выбор оптимального состава производился на основе полученных уравнений и построенных графиков зависимостей. При уменьшении количества воды растет прочность, но затрудняется перемешивание смеси и ее уплотнение.

По результатам работы был выбран оптимальный состав сталефибробетона с водоцементным отношением равным 0,58, расходом цемента 270 кг на 1 м3 и содержанием стальной фибры 1,5 % от массы бетонной смеси, исследованы основные свойства СФБ: прочность и плотность на 28 сутки после ТВО: R = 29,92 МПа, р = 2417,5 кг/м3. Определена возможность применения данного бетона в ответственных сооружениях, таких как: взломо- и взрывоустойчивые сооружения, укрепление лавиноопасных участков тоннелей и тяжелонагруженные промышленные полы.

Литература

1. Сталефибробетон, проектирование конструкций, технология изготовления и режимы выдерживания, контроль качества. Рекомендации по проектированию и изготовлению строительных сталефибробетонных конструкций и технологии производства сталефибробетона. - Минск, 2008.

2. Ферронская, А.В. Лабораторный практикум по курсу «Технология бетонных и железобетонных изделий» / А.В. Ферронская, В.И. Стамбулко. - М., 1988.

В = 0,48; Ц

— = 0,53;

ц

В = 0,58 Ц