Влияние рецептурно-технологических факторов на свойства мелкозернистых бетонов жесткого прессования

Влияние рецептурно-технологических факторов на свойства мелкозернистых бетонов жесткого прессования

Е.О. Лотошникова, В.Н. Телегина, Л.М. Усепян, И.М. Усепян Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье представлена методика проектирования и назначения состава формовочной смеси, которая базируется на расчетно-экспериментальном подходе к определению состава с учетом качества используемых сырьевых материалов и требований к свойствам бетона производимых изделий.

Ключевые слова: жесткопрессованный бетон, цемент, водосодержание смеси, двухфак-торный эксперимент, ротатабельный композиционный симплекссуммируемый план, регрессивное уравнение эксперимента, квазиоднофакторный анализ

Важнейшими факторами формирования структуры бетонов являются начальное водосодержание формовочной смеси, расход цемента в ней, удельное давление прессования и расход низкомодульной добавки [1]. Изменение перечисленных факторов неоднозначно влияет на физико-механические свойства бетонов. Если фактор водосодержания бетонной смеси имеет оптимальное значение, зависящее от состава компонентов формовочной смеси и легко определяется экспериментально, то влияние других факторов неоднозначно и тем существеннее становится оценка их взаимного влияния [2]. С этой целью методом математического планирования было реализовано два эксперимента, последовательно дополнившие один другой. В первом из них был поставлен двухфакторный эксперимент по ротатабель-ному композиционному симплекссуммируемому плану на шестиугольнике с целью детального изучения влияния расхода цемента и давления прессования на свойства мелкозернистого бетона без демпфирующей добавки [3].

Основной уровень исследуемых факторов был назначен по результатам прямых опытов. В эксперименте водосодержание смесей (6,5% от массы твердых компонентов), условия их приготовления и твердения отформован-

ных образцов оставались постоянными [4]. Параметры варьирования факторов и результаты испытаний приведены в табл. 1 и .2.

Таблица 1

Параметры варьирования факторов

Код Значение кода Исследуемые факторы и интервалы их варьирования

Х1 - количество цемента, % Х2 - давление прессования, МПа

Основной уровень 0 25 40

Интервал варьирования AXi 5 20

Верхний уровень +1 30 60

Нижний уровень -1 20 20

Таблица 2

Результаты эксперимента

№ точки плана Исследуемые факторы Средняя плотность бетона, кг/м3 - У1 Водопогло-щение по массе, % - У2 Прочность на сжатие, МПа - У3

Х1 - количество цемента, % Х2 - давление прессования, МПа

1 20 40 2175 5,5 42,4

2 30 40 2203 5,5 57,5

3 27,5 37,4 2298 4,6 55,9

4 27,5 22,6 2146 5,8 32,9

5 22,5 37,4 2261 4,8 44,5

6 22,5 22,6 2155 5,6 29,2

7-10 25 40 2220 4,6 52,8

Математическую обработку результатов экспериментов проводили на ЭВМ по специальной программе - "Plan.exe". Полученные регрессивные уравнения приведены в табл. 3.

Таблица 3

Регрессионные уравнения эксперимента

Исследуемое свойство Уравнение регрессии

Средняя плотность бетона, кг/л 71=2,22+0,031х1+0,074х2+0,014х12+0,004х22 +0,027вд

Водопоглощение по массе, % 77=4,65 - 0,251x7 - 0,629х2 - 0,837 х12

Предел прочности при сжатии, МПа У1=52,76+3,57Х1+11,06Х2+3,19 х12 - 5,24 х22+4,42х7х2

На рисунке 1 представлен квазиоднофакторный анализ полученных регрессионных уравнений. С одной стороны, он подтверждает известные закономерности влияния изучаемых факторов на свойства бетонов [5], а с другой, позволяет установить, что растущее давление прессования сверх 40 МПа и увеличение расхода цемента свыше 25% становятся малоэффективными для повышения качества мелкозернистого жесткопрессованного бетона [6].

а) б)

Рис. 1 - Квазиоднофакторный анализ двухфакторного эксперимента. а - влияние расхода цемента; б - влияние давления прессования.

Во втором эксперименте влияние расхода цемента и удельного давления прессования было изучено на жесткопрессованных бетонах с демпфирующей добавкой, дозировка которых менялась на трех уровнях от 3 до 7% [7]. Начальное водосодержание формовочной смеси во всех опытах было постоянным, равным 6,5% от массы твердых компонентов, а удельное давление прессования изменялось от 20 до 60 Мпа [8]. После формования образцы-цилиндры твердели в нормальных условиях до проектного возраста 28 суток. Для реализации этого эксперимента был выбран полный трехфакторный план (Бокса, В3) [9]. Параметры варьирования факторов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Параметры варьирования трехфакторного эксперимента

Код Значение Исследуемые факторы и интервалы их варьирования

кода Х1 Х2 Х3

Основной 0 25 40 5

уровень

Интервал 5 20 2

варьирования

Верхний +1 30 60 7

уровень

Нижний -1 20 20 3

уровень

Исследуемые факторы и интервалы их варьирования следующие: Х1 - относительное содержание вяжущего, %; Х2 - давление прессования, МПа;

Х3 - относительное содержание зольных микросфер, %

Результаты данного эксперимента приведены в табл. 5

Таблица 5

Результаты трехфакторного эксперимента

№ Значение исследуемого фактора Свойства затвердевшего бетона

№ Х1 - отно- Х2 - Относите- У1 - сред- У2 - пре- У3 - во-

п/ сите-льное удельное льное со- няя плот- дел проч- допог-

п содержа- давление держание ность бе- ности при лощении

ние вяжу- прессова- добавки, % тона, кг/м3 сжатии, по массе,

щего,% ния, МПа МПа %

1 30 60 7 2213 49,0 2,36

2 20 60 7 2248 49,1 3,82

3 30 20 7 2047 25,4 4,80

4 20 20 7 2082 28,1 5,28

5 30 60 3 2160 36,9 2,24

6 20 60 3 2190 41,9 3,91

7 30 20 3 2021 23,4 5,09

8 20 20 3 2064 24,9 5,51

9 30 40 5 2114 36,0 3,68

10 20 40 5 2190 44,8 4,72

11 25 60 5 2257 50,4 2,91

12 25 20 5 2123 38,9 4,95

13 25 40 7 2180 44,6 4,41

14 25 40 3 1164 39,9 4,57

15 25 40 5 2186 47,0 4,19

16 25 40 5 2190 46,1 4,19

17 25 40 5 2188 48,8 4,19

При реализации данного эксперимента было изучено влияние приведенных факторов на среднюю плотность бетона, его прочность при сжатии и водопоглощение по массе [10].

Литература

1. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Стройиз-дат, 1986. С. 688.

2. Невский В. А. Строительное материаловедение. Учебное пособие для студентов строительных специальностей под общей редакцией В. А. Невского. Ростов-на-Дону. М.: Феникс, 2010. С. 588.

3. Лотошникова Е.О. Мелкозернистые жесткопрессованные бетоны с демпфирующими добавками : дис. ... канд. тех. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 2005. С. 221.

4. Bogue R.H. The Chemistry of Portland Cement, 2nd Ed. Reinhold Publishing Corp, New York, 1955, Vol.2, 703 p.

5. Turriziani R. The calcium aluminate hydrates and related compounds. In: Taylor H.F.W. (ed.) The Chemistry of Cements. Academic Press, London, 1964, Vol. 1, pp. 233 - 286.

6. Зоткин А.Г. Микронаполняющий эффект минеральных добавок в бетоне. Бетон и железобетон, 1994, №3. С. 7-9.

7. Лотошникова Е.О., Усепян Л.М., Телегина В.Н., Усепян И.М. Методика назначения состава формовочной смеси для изготовления мелкоштучных изделий из бетона жесткого прессования с демпфирующей добавкой. Инженерный вестник Дона, 2017, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2017/4612.

8. Явруян Х.С., Филонов И.А., Фесенко Д.А. К вопросу о применении на-нотехнологий в производстве строительных материалов. Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1021.

9. Бабков В.В., Попов А.В., Мохов В.Н., Колесник Г.С., Якушин В.А. Бетоны повышенной ударной стойкости на основе демпфирующих компонентов. Бетон и железобетон, 1985, №2. С. 2.

10. Несветаев Г.В. Бетоны: Учебно-справочное пособие. Ростов на-Дону. Феникс, 2011. С. 381.

References

1. Gorchakov G.I., Bazhenov Ju.M. Stroitel'nye materialy [Building material]. M.: Strojizdat, 1986. P. 688.

2. V. A. Nevski. Stroitel'noe materialovedenie [Construction material scienc]. Uchebnoe posobie dlja studentov stroitel'nyh special'nostej pod obshhej redakciej V.A. Nevskogo. Rostov-na-Donu. Feniks, 2010. P. 588.

3. Lotoshnikova E.O. Melkozernistye zhestkopressovannye betony s dempfi-rujushhimi dobavkami [Fine-grained escapes the loaf with damping additives]: dis. ... kand. teh. nauk: 05.23.05. Rostov-na-Donu, 2005. P. 221.

4. Bogue R.H. The Chemistry of Portland Cement, 2nd Ed. Reinhold Publishing Corp, New York, 1955, Vol.2, 703 p.

5. Turriziani R. The calcium aluminate hydrates and related compounds. In: Taylor H.F.W. (ed.) The Chemistry of Cements. Academic Press, London, 1964, Vol. 1, pp. 233-286.

6. Zotkin A.G. Beton i zhelezobeton, 1994, №3. Р. 7-9.

7. Javrujan H.S., Filonov I.A., Fesenko D.A. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1021.

8. Lotoshnikova E.O., Usepyan L.M., Telegina V.N., Usepyan I.M. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №4. URL: iv-don.ru/magazine/archive/n4y2017/4612.

9. Babkov V.V., Popov A.V., Mohov V.N., Kolesnik G.S., Jakushin V.A. Beton i zhelezobeton, 1985, №2. P. 2.

10. Nesvetaev G.V. Betony: Uchebno-spravochnoe posobie [Concrete: a Training and reference manual]. Rostov n/D. Feniks, 2011. P. 381.