Кералитобетон и его свойства при кратковременном действии нагрузки

, , (Одесская государственная академия строительства и архитектуры, г. Одесса)

КЕРАЛИТОБЕТОН И ЕГО СВОЙСТВА ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ НАГРУЗКИ

Приведены: результаты химического анализа илистых грунтов разных портов; физико-механические характеристики заводских проб кералита; оптимальные составы; прочностные и деформативные свойства кералитобетона и их изменение во времени.

Опыт применения легких бетонов в мировой практике строительства показал высокую технико-экономическую эффективность и широкие возможности их использования во всех областях строительства. Дополнительный экономический эффект можно получить при использовании для строительства зданий и сооружений легких бетонов на местных заполнителях и конструкций на их основе по-прежнему актуальны и перспективны.

Кералитобетон – новый местный материал для южных районов Украины, в котором крупным заполнителем является кералит. Кералит – аналог керамзиту получен, впервые в мире, обжигом при высокой температуре гранул из морских илов.

Для создания и поддержания навигационных габаритов акватории портов и внутренних водных путей проводятся капитальные и ремонтно-экспуатационные дноуглубительные работы с выемкой большого объема грунтов. В портах Черноморского и Азовского бассейнов Украины объем дноуглубительных работ составляет более 10 млн. м3 в год. Эти грунты, представленные до 80% типичными илами сбрасываются в прибрежные подводные свалки (дампинг), что приводят к нарушению биологического равновесия в системе "море-суша". Попытка переноса дампинга на большие глубины значительно увеличивает затраты на дноуглубительные работы и не снижает ущерба от загрязнения моря.

Экологически и экономически выгодной альтернативой дампингу является береговой отвал грунтов, регулируемых и укладываемых в картах намывам по специальной без отходной технологии. Безотходная технология обеспечивает полную или частичную утилизацию вынутых грунтов с минимальным антропогенным воздействием на окружающую среду.

Разработанная и внедренная технология утилизации грунтов при дноуглублении решает актуальную задачу производства новых строительных материалов – гравия, щебня, песка из бросовых грунтов в современных условиях дефицита сырьевых ресурсов. Впервые получены опытно-промышленные партии качественного вспученного пористого заполнителя путем обжига илистого сырья в более короткий период и при более низкой температуре (1150… 1170 С) по сравнению с легкоплавкими глинами.

Полученный вспучиванием бросовых илистых грунтов морского дноуглубления поризованный материал с мелко-ячеистой внутренней структурой, обладает малой плотностью, достаточной прочностью с высокими теплоизоляционными свойствами. Название нового материала "кералит" подчеркивает родство его с керамзитом и учитывает природу исходного сырья, а также схожие его физико-механические свойства.

Исследование технической возможности и экономической целесообразности использования крупного пористого заполнителя – кералита и мелкого пористого заполнителя – карбонатного песка для бетона и железобетона представляет собой важную народно-хозяйственную задачу.

Суглинистые и глинистые илы имеют широкое распространение практически во всех прибрежных лимано-морских, речных (устья) отложениях.

В современных илистых осадках имеются в достаточном количестве для создания структуры керамических материалов и изделий оксиды кальция (СаО), калия (К2О), натрия (Nа2О), титана (ТіО2) и др. Количественный состав их колеблется в широких пределах (% по массе): SіО2 – 50…70; Аl2О3 – 12…27; Fе2О3+FеО – 1,5…1,4; СаО – 2…6 и т. д. Химические составляющие почти всех исследованных проб находятся в пределах нормативных требованиях к традиционному глинистому сырью. Отдельные пробы (Николаев, Ильичевск, Усть-Дунайск, Батуми) выявили несколько завышенное содержание сернистых соединений в пересчете на SО3 – (2…4% по массе). Также грунты не рекомендуется рассматривать в качестве сырья.

Химического анализа илистых отложений акватории и береговых отвалов ряда портов приведены в табл. 1.

Крупномасштабные заводские испытания позволили получить из оптимальных модифицированных шахт гранулы разной крупности (5-40 мм) округлой формы со спекшейся стекловидной корочкой и шероховатой поверхностью, с насыпной плотностью 350-540 кг/м3. По своим физико-механическим характеристикам табл. 2., вспученный материал соответствует стандарту на пористые заполнители первой и высшей категории качества.

Таблица 1

Результаты химического анализа илистых грунтов

(силикатный состав)

Наименование химических составляющих (результаты рентгено-спектрального анализа)	Место отбора проб илистых грунтов и содержание основных химических составляющих, % по массе	Требования к глинистому сырью ГОСТ 9757-90 ТУ1290
п. Южный (Андил. Лиман)	п. Николаев ( вост. Набереж.)	п. Белгород-Днестровский (берег отвал)	п. Усть-Дунайск (эксп. Свалка)	п. Мариуполь (акватория и подходный канал)
SіО2	59,2	71,3	64,2	53,0	69,2	≤ 70
Аl2О3+ТіО2	17,3	15,6	12,7	15,8	7,4	10-25
Fе2О3+FеО	5,2	2,8	5,0	7,0	3,6	2,5-12,0
СаО	5,5	2,5	7,5	5,0	7,0	≤ 6,0
МgО	3,0	1,2	2,1	3,0	1,3	≤ 4,0
SО3	1,3	0,5	1,0	2,4	1,0	≤ 1,5
К2О+Nа2О	3,2	1,5	3,0	10,0	3,1	1,5-30

Таблица 2

Физико-механические свойства заводских проб кералита

Наименование показателя	Фракция, мм	Значение по ГОСТ 9757-90
5 - 10	10 - 20
Насыпная плотность, кг/м3	350-540	300-500	250-600
Содержание фракции, %	36,5	61,5	-
Прочность при сжатии (сдавливание в цилиндре), МПа	2,5-3,3	2,0-2,5	0,8-2,5 и более
Водопоглощение, %	7-9	9-11	не более 30
Влажность, %	0,1-0,4	0,2-0,5	не более 5,0
Коэффициент формы зерен	1,3-1,4	1,3-1,5	не более 2,5
Коэффициент вспучивания	2,5-3,0	2,5-5,0	-
Содержание размолотых зерен, %	3	4	не более 15
Морозостойкость (25 циклов), %	Нет потерь	Нет потерь	Не более 8
Потеря в массе при кипячении, %	3,2	3,2	Не более 5
Содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений, %	0,02	0,02	Не более 1

В опытно-промышленных печах илокерамзит (кералит) был получен в 1991 году в печах обжига ПВ 2,5х40 на Кулиндоровском ЗЖБК ПО «Одесжелезобетон». В качестве сырья использовали илистые грунты на береговых гидроотвалов портов Белгород-Днестровский, Усть-Дунайск и Южный (Аджелыйский лиман). Впервые в промышленных масштабах был утилизирован бросовый илистый грунт, извлекаемый при дноуглублении судоходных каналов и портовых акваторий.

В соответствии с СН 483-76 такой кералитовый гравий может быть рекомендован для получения конструкционных кералитобетонов прочностью 10…25МПа и выше.

В табл. 3. приведены усредненные физико-механические характеристики различных партий кералитового гравия, полученные по результатам испытаний (ГОСТ 9758-86).

Таблица 3

Характеристики кералитового гравия

Размер фракции, мм	Прочность (сдавливания в цилиндре), Rц, МПа	Насыпная плотность, ρнас, кг/м3	Коэффициент конструктивного качества, К. К.К.	Удельная плотность, ρцd, г/см3	Плотность в цементном тесте, ρцdцтг/см3	Водопоглощение, %	Объем межзерновых пустот, V, %	Содержание расколотых зерен, % по массе	Марка гравия по насыпной плотности, (ГОСТ 9759-83)
5-10	3,38	537	629	2,51	1100	11,2	37,8	3,2	550
10-20	2,79	379	799	2,51	975	9,8	43,2	4,4	350
смесь	3,15	462	682	2,51	1050	10,6	40,0	3,7	500

Анализ литературных источников в подобного ряда исследованиях, а также результаты проведенных предварительных опытов позволили выбрать следующие факторы и назначить уровни их варьирования:

1 – расход цемента Ц, кг/м3 – Х1 (390±0,35);

2 – агрегатно-структурный фактор r –Х2 (0,65±0,35)

3 – удобоукладываемость смеси ОК – Х3 (4±2см).

Обработка результатов эксперимента с целью выявления закономерностей влияния исследуемых факторов – х1, х2, х3 на водопотребность кералитобетонных смесей, плотность смеси и кералитобетона ρ0 и ρ, кубиковую прочность R(28), однородность кералитобетона по прочности и плотности S2R и S2ρ, позволила получить с 95% надежностью квадратичные уравнения регрессии В, ρ0, ρ, R(28), S2R, S2ρ.

Оптимальный состав конструкционного кералитобетона должен обеспечить заданную прочность, минимально возможную плотность и минимально возможную стоимость. Очевидно, что два последних требования одновременно не могут быть обеспеченны, так как снижение плотности кералитобетона приводит к увеличению его стоимости и наоборот.

Для оптимизации кералитобетона с учетом экономического критерия на базе экспериментальных данных по фактическим составам были рассчитаны их стоимости, обработка результатов эти расчетов позволила получить с 95 % надежностью, квадратичные уравнения регрессии, связывающие стоимость 1м3 кералитобетона с расходами его компонентов.

На основании полученных зависимостей и графиков, а также исходя из требований, предъявляемых к легким бетонам, производим назначение оптимальных составов кералитобетона на карбонатном песке приведенные в табл. 4.

Таблица 4

Составы кералитобетона на карбонатном песке

Проектная прочность, МПа	Агрегатно-структурный фактор, r	Расход материалов на 1 м3 бетона, кг/м3	Плотность бетона, ρ кг/м3
Цемент	Песок	Кералит	Вода
10	0,85	250	1194	211	202	1685
15	0,75	280	1025	342	178	1675
20	0,75	360	975	325	192	1690
25	0,75	455	919	306	203	1710
30	0,75	540	870	290	210	1730

По результатам экспериментальных исследований прочности свойств кералитобетона с 95% надежностью получены квадратичные уравнения регрессий призменной прочности в возрасте t = 7*, 28, 115*, 300*, 500* сут. Уравнение по F-критерию Фишера адекватны (Fад<Fтабл.) и имеют информационную ценность (Fинф>Fтабл.).

R(28) = 19,95+3,7х1+1,7х2+1,9х3 +3,0х4 +2,7х12 +1,2х1х3-

-1,2х3х4-1,4х42-2,1х

Из уравнений регрессии призменной и кубиковой прочностей установлено, что влияние расхода цемента (х1) и агрегатно-структурного фактора r (х2) в возрасте t = 28сут.

ПРИМЕЧАНИЕ: Результаты возраста 180*, 360* сут. здесь и в дальнейшем не приведены из-за сокращения объема статьи.

С увеличением возраста кералитобетона (t > 28сут) характер влияния исследуемых факторов на призменную прочность изменяется. Особенно ярко это выражено для бетона с большей концентрацией кералитового гравия.

Для упрощения квадратичных уравнений регрессии, была использована зависимость вида у = b0 + bіх при назначении аргумента "х" исходили из необходимости учета существенно влияющего на прочность, но не включенного в качестве фактора расхода воды. Окончательно аргументом назначим х = (В/Ц)+r, который можно принять в качестве обобщенного фактора состава. По результатам анализа установлено, что случайные величины х = (В/Ц)+r подчиняются закону нормального распределения. Нулевая гипотеза о равенстве нулю генерального коэффициента корреляции Н0: отвергнута в пользу альтернативной Н1: 0 при уровне зависимости α = 0,05, что свидетельствует о наличии линейной связи между Rb(t) и (В/Ц)+r в каждом из принятых возрастов кералитобетона. Это позволило, используя методику регрессионного анализа, для каждого из принятых возрастов кералитобетона получить линейные уравнения регрессии вида:

Rb(28) = 41,3 – 14,7[(В/Ц) + r]. (2)

В общем виде зависимость Rb(t; В/Ц; г) имеет структуру линейного уравнения:

Rb(t; В/Ц; г) = K(t) – A (В/Ц+г

Значение коэффициента А равно усредненному по всем возрастам значению коэффициента регрессии при обобщенном факторе состава (В/Ц) + r в линейных уравнениях регрессии.

С учетом полученных коэффициентов временная зависимость прочности имеет вид:

Rb(t, В/Ц, г) = (50,4 - 16,8e-0.0133t ) – 15,8(В/Ц+г

Для установления коэффициента призменной прочности φb были использованы опытные значения контролируемых параметров R(28), Rb(28), что позволило методом наименьших квадратов получить уравнение регрессии:

φb=0,933+0,0032R–0,000149R2. (5)

По результатам экспериментальных исследований с 95% надежностью получены квадратичные уравнения регрессий модуля упругости на карбонатном песке в возрасте t = 7*, 28, 115*, 300*, 500* сут. Уравнение по F-критерию Фишера адекватны (Fад<Fтабл.), имеют информационную ценность (Fинф>Fтабл.).

Еb(28)=12392+2178х1+-1760х2+1697х1х 2 -1896+1127х

Из этого уравнения видно, что "мощность" влияние расхода цемента (х1) на модуль упругости несколько больше фактора r (х2), хотя оба они в значительной степени влияют на указанную величину.

Для упрощения квадратичных уравнений регрессии была использована зависимость для описания достаточно надежной статической связи у = Еb(t ) и х = (В/Ц)+r и был проведен математико-статистический анализ, в результате которого нулевая гипотеза о равенстве нулю коэффициента корреляции (Н0:) отвергнута в пользу альтернативной при уровне значимости α = 0,05, что свидетельствует о наличии линейной связи между Еb(t ) и (В/Ц)+r в каждом из принятых возрастов кералитобетона.

В результате применения регрессионного анализа для каждого из принятых возрастов кералитобетона получены линейные уравнения регрессии вида:

. (7)

Статические расчеты показали, что характер выявления исследуемых факторов на модуль упругости не зависит статистически значимо от возраста кералитобетона: Fmахад<Fmахтабл при уровне зависимости α = 0,05.

Результаты статистических расчетов свидетельствует о том, что нулевая гипотеза о равенстве дисперсий обобщенного фактора состава S2х, и модуля упругости S2у во всех возрастах кералитобетона не отвергается. Однако гипотеза о незначимости различия между выборочными коэффициентами корреляции rху отвергнута: Z>Z1 – α/2. Следовательно, коэффициенты регрессии при обобщенном факторе состава (В/Ц)+r и линейных уравнениях Еb(7)… Еb(500)не принадлежат единой генеральной совокупности. Из этого следует, что расход воды оказывает статистически значимое влияние на изменение модуля упругости во времени и этот факт необходимо учитывать при построении зависимостей для расчетов Еb(t).

Основываясь на имеющихся рекомендациях, изменение модуля упругости во времени в наших исследования предложено описывать зависимостью вида:

Еb(t) = Еb(∞)[1 – е -αt]. (8)

Для каждого состава кералитобетона, обусловленного уравнениями варьирования факторов х1 и х2, по опытным значениям Еb(t) были получены предельные значения Еb(t), МПа = 15900…11400 и коэффициент α = 0,631…0,225.

В случае, если влиянием воды на изменение во времени характера модуля упругости не пренебрегать, то для определения значений параметров Еb(∞) и α можно использовать линейные выражения, имеющие вид:

Еb(∞)= 18380 – 3972[(В/Ц) + r]; (9)

α = 0,87 – 0,34[(В/Ц) + r] . (10)

Эти выражения с несколько меньшей точностью по сравнению с квадратичными уравнениями описывают параметры Еb(∞) и α, но удобны для практических расчетов.

Модуль упругости легких бетонов зависит не только от рецептурно-технологических факторов, но и от прочности и плотности. Учет этого обстоятельства необходим и позволяет получить и прогнозировать значение модуля упругости с заданной надежностью.

Для выявления формы наиболее тесной связи между модулем упругости Ев, прочностью Rв и плотностью ρ кералитобетона на карбонатном песке по результатам исследований был проведен корреляционный анализ между функцией У - расчетными предельными значениями модуля упругости Еb(∞) и набором аргументов . Установлено, что требованию наиболее тесной линейной связи соответствует выражение вида:

, (11)

где = 0,87 и δЕ = 896.

Условиям наиболее тесной линейной связи между модулем упругости Еb плотность ρ и классу по прочности на сжатие В соответствует выражение вида:

; (12)

α = 0,0195В+0,0

Для определения границ области микротрещинообразования кералитобетона на карбонатном песке использовали квадратичные уравнения регрессии (7,28,115) и (7,28,115) в зависимости от факторов состава.

Проведенный математико-статистический анализ выявил возможность использования линейных уравнений границ области микроразрушения.

В результате применения регрессионного анализа для каждого из принятых возрастов кералитобетона были получены линейные уравнения регрессии вида:

; (14)

. (15)

Результаты математико-статических расчетов и статистические характеристики уравнений дали положительные результаты.

Полученные зависимости для определения R0crc и Rνcrc хоть и характеризуют степень влияния на эти величины различных факторов, но не очень удобны для практических расчетов, поскольку связаны с использованием параметров, обычно неизвестных при проектировании.

Многие исследователи связывают параметрические уровни R0crc/Rb и Rνcrc /Rb с прочностью бетона. Такой подход относительно прост и обладает существенным расчетным преимуществом. Для определения границ области микротрещинообразования кералитобетона в зависимости от его прочности рекомендуется использовать выражения:

R0crc/Rb = 0,386 + 0,081lg Rb; (16)

Rνcrc /Rb = 0,861 + 0,062lg Rb; (17)

Между предельными деформациями сжатия и прочностью кералитобетона не выявлено статистически надежной связи. Для прогнозирования предельных деформаций сжатия при известных характеристиках состава кералитобетона можно использовать усредненное уравнение регрессии.

Следовательно, для описания зависимости предельных деформаций сжатия от обобщенного фактора состава [(В/ЦИЗ)+ r], независимо от возраста керамзитобетона, может быть использовано усредненное линейное уравнение регрессии вида:

(18)

Выводы:

1. Кералитобетон – одна из разновидностей легкого бетона, крупным заполнителем которого является кералит, полученный, подобно керамзиту, путем обжига при высокой температуре гранул из бросовых морских и лиманских илов дноуглубления подходных каналов и портовых акваторий.

2. Рецептурно-технологические факторы оказывают существенное влияние на формирование основных свойств кералитобетона на карбонатном песке, смесей и бетона. Учет влияния указанных факторов с достаточной для практики точностью рекомендуется осуществлять, используя квадратические уравнения регрессии для смесей и линейных уравнений для бетона.

3. Для оптимизации составов кералитобетона на карбонатном песке рекомендуется использовать методику комплексного подхода, учитывающую технологические и эксплуатационные требования к бетону. Использование рекомендованной методики позволяет получить рациональные составы, удовлетворяющие требованиям минимальной стоимости бетона с учетом его назначения.

4. Значение призменной прочности φb и модуля упругости Еb кералитобетона отличаются от рекомендуемых СНиП 2.03.01-84*. Поэтому величины φb и Еb рекомендуется определить по выражениям (4) и (5).

5. Для прогнозирования изменяющихся во времени значений прочности Rb (t) и модуля упругости Еb(t) рекомендуется использовать выражения (6), (7) с учетом (9), (10).

1. Легкие бетоны. Проектирование и технология. /А. Шорт., ., Рой и др. Пер. с англ. Под ред. , М.: Стройиздат, 1981. – 240 с. 2. Современные методы оптимизации композиционных материалов. /, Н,, Я и др.- К.: Будівельник, 1983. – 144 с. 3. Рекомендации по проектированию и возведению береговых отвалов и образованию искусственных територрий при морском дноуглублении. РД 31.31.50-68.М., "МТИР", 1989. 52с. (СоюзморНИИПроект). 4. и др. Грунты илистые для производства кералитовых гравия, щебня, песка. ТУ -01-91. № Гос. рег. Одесса: Госстандарт, 1991 (Н)- 15 с. 5. , Емельянов , щебень и песок кералитовий. ТУ -02-91. № Гос. рег. 095/002229. Одесса: Госстандарт., 1991. (НИИКерамзит – ЧМНИИП).