Мелкозернистые фибробетоны с применением вулканического пепла, армированные базальтовыми волокнами

УДК 691.32

Дзугулов И.А., Кажаров А.Р., Курбанов Р.М.

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ ФИБРОБЕТОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ПЕПЛА, АРМИРОВАННЫЕ БАЗАЛЬТОВЫМИ ВОЛОКНАМИ

Dzugulov I.A., Kazharov A.R., Kurbanov R.M.

FINE-GRAINED THE FIBER CONCRETE WITH APPLICATION VOLCANIC ASH, REINFORCED BY THE BASALT FIBRES

Разработаны составы мелкозернистого бетона с применением вулканического пепла. Исследованы составы и свойства мелкозернистых фиб-робетонов с вулканическим пеплом с применением методов математического планирования эксперимента. Выявлено, что армирование мелкозернистого бетона базальтовыми волокнами существенно повышает их прочность при изгибе.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, вулканический пепел, базальтовое волокно, планирование эксперимента.

The compositions of fine-grained concrete with the application of volcanic ash are developed. Are investigated compositions and properties of fine-grained fiber concrete with the volcanic ash with the application of methods of the mathematical planning of experiment. It is revealed, that the reinforcement of finegrained concrete by basaltic fibers substantially increases their strength with the bend.

Key words: fine-grained concrete, volcanic ash, basaltic fiber, planning experiment.

Одним из главных путей научно-технического прогресса в строительстве является широкое применение новых эффективных материалов, способов увеличения эксплуатационных характеристик бетонов. Возведение современных зданий и сооружений требует применение бетонов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, такими как прочность на сжатие и растяжение, трещиностойкость, ударная вязкость, износостойкость, коррозионная стойкость, морозостойкость и т.д.

Одним из путей решения задач по совершенствованию эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона является применение активных минеральных добавок, его армирование различными видами металлических и неметаллических фибр минерального или органического происхождения [1].

В качестве активной минеральной добавки в мелкозернистом бетоне

101

нами исследовался вулканический пепел. Целесообразность их применения обуславливается тем, что из 60 - 75 % кремнезема, входящего в состав вулканических пород, 30 - 35 % находится в аморфном (активном) состоянии [2].

Выбор базальтового волокна для дисперсного армирования можно объяснить следующими причинами: наличие больших запасов базальта, диабаза, габбродорелита для производства базальтовых волокон во многих регионах страны является предпосылкой для массового применения в строительстве; экологическая безопасность их применения; более высокий модуль упругости и низкая себестоимость базальтовых волокон по сравнению со стеклянными; более высокая щелочестойкость базальтовых волокон по сравнению со стеклянными волокнами из алюмоборосиликатного состава.

В исследованиях для разработки мелкозернистых фибробетонных композитов применялись: портландцемент ПЦ500-ДО производства ЗАО «Белгородский цемент»; песок «Малкинского» месторождения с максимальной крупностью зерен 5 мм; вулканический пепел фракции 0-0,14 мм Заюковско-го месторождения; базальтовое волокно производства ОАО «Ивотстекло» марки РНБ-9-1200-4с.

Химический состав вулканического пепла «Заюковского» месторождения, использованного в исследованиях, представлен в табл. 1.

Таблица 1 - Химический состав вулканического пепла

Содержание основных компонентов в % от массы

Fe2Oз CaO MgO ТО Na2O+ SOз п.п.п.

73,1 13,75 1,75 1,65 1,12 0,23 3,87 0,12 2,0

Гранулометрический состав песка «Малкинского» месторождения приведен в табл. 2.

Таблица 2 - Гранулометрический состав песка

Наименование материала Частные остатки на ситах, % Прошло сквозь сито 0,14

2,5 1,25 0,63 0,315 0,14

Песок 4,6 9,3 25,5 35,5 21 4,1

Приготовление смеси осуществляли в смесителе принудительного действия, в который последовательно загружали цемент, вулканический пепел, песок, базальтовое волокно и перемешивали до получения однородной сухой смеси, затем добавляли воду и вновь продолжали перемешивание до получения однородной дисперсно-армированной мелкозернистой бетонной смеси.

Подвижность мелкозернистой бетонной смеси определяли по вискозиметру Суттарда. Расплыв смеси составлял 18 см. Образцы размером 4х4х16

см формовали литьевым способом и осуществляли естественную сушку в воздушно-сухих условиях.

Результаты исследований мелкозернистого бетона с добавкой вулканического пепла в качестве активной минеральной добавки приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Физико-механические свойства мелкозернистого бетона

Соотношение Количество Предел Предел Водопоглощение

цемента к добавки прочности прочности по массе, %

песку по пепла в % от на изгиб, на сжатие,

массе массы цемента МП) МПа

1:2 — 4,3 19,5 12,4

1:2 10 4,2 19,1 12,6

1:2 20 4,1 19,0 12,9

1:2 30 3,8 18,3 13,2

Из табл. 3 следует, что с увеличением количества добавки вулканического пепла в цемент происходит снижение прочности на изгиб и сжатие мелкозернистого бетона. В портландцемент ПЦ500-ДО можно вводить до 20 % вулканического пепла с максимальными размерами зерен до 0,14 мм без существенного уменьшения показателей пределов прочности на изгиб и сжатие образцов нормального твердения, что обусловлено гидравлической активностью мелкодисперсных частиц пепла.

Были проведены эксперименты по определению влияния на характеристики мелкозернистого бетона замена пылевидной фракции (ё < 14 мм) кварцевого песка на вулканический пепел. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Физико-механические свойства мелкозернистого бетона с добавками вулканического пепла взамен пылевидной фракции кварцевого

песка

Соотношение Количество Предел Предел Водопоглощение

цемента к добавки пепла прочности прочности по массе, %

песку по в % от массы при изгибе, при сжатии,

массе кварцевого МПа МПа

песка

1 2 — 4,3 19,5 12,4

1 2 4,1 5,8 21,3 7,8

1 3 — 3,4 12,3 —

1 3 4,1 4,9 14,4 —

1 4 — 2,6 7,4 —

1 4 4,1 3,6 8,7 —

Из табл. 4 следует, что замена пылевидной фракции кварцевого песка вулканическим пеплом приводит к увеличению прочности при изгибе на 34,8-44,0 %, при сжатии на 9,2-12,5 %. Водопоглощение для состава 1:2 по массе уменьшилось в 1,59 раза.

Разработанные мелкозернистые бетоны имеют такие недостатки, как хрупкость, относительно низкая прочность на изгиб и сжатие. Введение в смесь базальтовой фибры может устранить эти недостатки, а также улучшить физико-механические характеристики мелкозернистого бетона.

Состав исходной бетонной матрицы и ее физико-механические свойства мелкозернистого бетона для армирования базальтовыми волокнами приведены в табл. 5.

Таблица 5 - Расход компонентов в смеси и физико-механические _свойства мелкозернистого бетона_

№ состава Расход компонентов в смеси на 1 м3, кг Предел прочности, МПа

песок цемент вулканический пепел а<0,14 мм, 20 % от массы цемента на сжатие на изгиб

1 2 3 4 5 6

1 1302 521 130 19,0 4,1

Для изучения влияния параметров фибрового армирования на свойства мелкозернистого бетона был реализован ротатабельный план второго порядка типа правильного шестиугольника с центральными точками.

Геометрическая интерпретация такого плана представлена на рис. 1.

1/с1

2444

1444

444

5 3

1 / 7 + \ 2

V 1 1 1 4 1

0.5

0.75

1,25

Ц %

Рисунок 1 - План эксперимента

В качестве исследуемых факторов были приняты основные параметры дисперсного армирования: X1 - процент армирования по объему , %; X 2 - отношение длины волокон к их диаметру г. В качестве параметров оп-

104

тимизации рассматривались: у - предел прочности при сжатии я ж, МПа; У2 - предел прочности при изгибе Яизг, МПа. Матрица эксперимента имеет следующий вид (табл. 6).

Таблица 6 - Матрица эксперимента

№ п/п Натуральные переменные Матрица эксперимента

Х2 X, X 2 X ,2 X 22 Х1Х 2

1 0,5 1444 -1 0 +1 0 0

2 1,5 1444 +1 0 -1 0 0

3 1,25 2444 +0,5 +0,87 +0,25 +0,75 +0,43

4 1,25 444 +0,5 -0,87 +0,25 +0,75 -0,43

5 0,75 2444 -0,5 +0,87 +0,25 +0,75 -0,43

6 0,75 444 -0,5 -0,87 +0,25 +0,75 +0,43

7 1,0 1444 0 0 0 0 0

Результаты экспериментов приведены в табл.7 и 8.

Таблица 7 - Результаты испытания образцов на сжатие

№ п/п Значения параллельных измерений функции отклика Y1, МПа Среднее значение Уь МПа Дисперсия ^ Коэффициент вариации, % Ошибка ^

У1 У2 У3 У4 У5 У6

1 14,23 14,73 14,23 14,53 15,13 14,13 14,5 0,15 0,03 0,38

2 13,80 13,80 14,20 13,56 14,35 13,60 13,9 0,10 0,02 0,32

3 13,95 14,21 14,50 14,20 14,05 14,15 14,2 0,03 0,01 0,19

4 13,10 12,95 12,80 13,10 13,20 12,85 13,0 0,03 0,01 0,16

5 14,80 15,20 14,55 14,70 14,68 14,95 14,8 0,05 0,02 0,23

6 12,90 14,40 13,10 12,95 13,60 14,20 13,5 0,43 0,05 0,65

7 15,20 15,50 15,40 14,95 15,10 14,75 15,2 0,08 0,02 0,28

Таблица 8 - Результаты испытания образцов на изгиб

№ п/п Значения параллельных измерений функции отклика Y2, МПа Среднее значение У2, МПа Дисперсия ^ Коэффициент вариации,% Ошибка ^

У1 У2 У3 У4 У5 У6

1 9,29 8,76 8,43 8,52 8,85 8,94 8,8 0,10 0,04 0,31

2 9,50 9,80 10,10 9,70 9,60 10,00 9,8 0,05 0,02 0,23

3 9,34 9,29 9,12 9,31 9,15 9,32 9,3 0,01 0,01 0,09

4 9,31 9,02 8,76 9,25 8,96 8,85 9,0 0,05 0,02 0,22

5 9,60 8,23 9,22 9,42 8,55 9,37 9,1 0,30 0,06 0,55

6 7,96 9,37 8,32 8,25 9,10 8,70 8,6 0,29 0,06 0,54

7 10,05 9,73 9,54 9,63 9,90 9,70 9,8 0,03 0,02 0,19

После проведения эксперимента и обработки полученных данных получены следующие уравнения регрессии в кодированном виде:

у = 15,2 - 0,38Х^ + 0,71 X2 - Х1 - 1,43X- 0,06Х±Х2

У2 = 9,8 + 0,43Х1 + 0,23X - 0,5Х^ - 0,9X - 0,12Х±Х2

2

2

2

2

По приведенным выше уравнениям были построены поверхности отклика (рис. 2).

Рисунок 2 - Поверхности отклика. Здесь: Ясж - предел прочности при сжатии, МПа; Яизг - предел прочности при изгибе, МПа; Ш - отношение длины волокон к их диаметру; ц— процент армирования по объему

Вывод.

Анализ полученных уравнений и поверхностей отклика показал, что наибольшие значения прочности на сжатие наблюдаются в области плана с д,« 1,0% и у^ = 1444, а прочности на изгиб - 1,25% и у^ = 1444 Дальнейшее

увеличение процента армирования приводит к снижению прочности, что объясняется нарушением структуры дисперсно-армированного мелкозернистого композита.

Таким образом, применение вулканического пепла в мелкозернистых бетонах позволяет существенно уменьшить расход цемента, армирование базальтовыми волокнами повышает прочность на изгиб мелкозернистого бетона в 2,5 раза.

Библиографический список:

1. Волков И.В. Фибробетон: состояние и перспективы применения // Промышленное и гражданское строительство. - 2002. - № 9. - С. 37.

2. Ахматов М.А. Эффективность применения местных строительных материалов и бетона. - Нальчик: Эльбрус, 1986. - 160 с.

3. Жуков А.З., Хаджишалапов Г.Н., Хежев Т.А., Хежев Х.А. //Жаростойкие фибровермикулитобетонные композиты с применением вулканического пепла//Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. Махачкала № 35 (4) 2014, С 118-123 стр.