7.6 Расчет и оптимизация состава мелкозернистого шлакобетона плотной структуры

Существует несколько способов подбора состава мелкозернистого бетона плотной структуры.

Классическим методом подбора состава бетона является метод абсолютных объемов (Б.Г. Скрамтаев и Ю.М. Баженова) 44. Он заключается в установлении расхода по массе всех основных компонентов бетонной смеси на 1 м³, исходя из абсолютных объемов этих компонентов. При этом считается, что заполнитель соответствует по своему зерновому составу предъявляемым к нему техническим требованиям. В основе расчета лежит формула Скрамтаева:

, (7.19)

где R_б – прочность бетона в возрасте 28 суток естественного твердения или после пропаривания, МПа;

R_ац – активность цемента, определенная на образцах, которые твердели в условиях аналогичных условиям твердения бетона, МПа;

Ц/В – цементо-водное соотношение;

А – эмпирический коэффициент учитывающий качество заполнителей;

Основным недостатком этого метода является то, что данный метод пригоден для расчета крупнозернистых бетонов.

При приготовлении цементно-песчанной смеси, Ю.М. Баженов 35 определил, что и при уплотнении ее обычным вибрированием в нее вовлекается воздух, распределенным в виде мельчайших пузырьков по всему объему смеси. Вовлечение воздуха повышает пористость бетона и снижает его прочность. Песок обладает более высокой пустотностью, чем смесь песка и щебня. В этом случае возникает дополнительный объем пор, обусловленный нехваткой цементного теста. Учитывая вышеизложенные особенности влияния различных факторов на прочность мелкозернистого песчаного бетона, обобщенную зависимость его прочности от различных факторов можно представить в виде выражения:

, (7.20)

где В, Ц – соответственно расходы воды и цемента, кг/м³;

ВВ – объем вовлеченного воздуха, л;

А – эмпирический коэффициент, для материалов высокого качества А=0,8, среднего качества – 0,75 и низкого качества – 0,65.

Подбор состава шлакобетонной смеси может быть определен расчетно-экспериментальным способом по методике разработанной УралНИИ 44. Зависимость прочности на сжатие мелкозернистого шлакобетона от активности цемента и В/Ц с достаточной точностью описывается формулой Боломея-Скрамтаева:

(7.21)

где А – эмпирический коэффициент, учитывающий структуру материала, характеристики заполнителя и особенности технологии.

По результатам опытов 42, при активности шлакопортландцемента в пределах 300…400 кг/см² и 400…500 кг/см², коэффициент А соответственно равен 0,6…0,7.

Данный метод учитывает характерные особенности мелкозернистого шлакобетона, но он позволяет проводить расчет только двухкомпонентной смеси, один из компонентов которой – доменный шлак, второй – домолотый шлак. При использовании этого метода необходимо принять соотношение между мелкими и крупными фракциями, которое определяется графически, это затрудняет подбор и является недостаточно точным.

Чтобы устранить эти недостатки, предложена обобщенная методика расчета 42. Особенность метода состоит в том, что он позволяет производить расчет для трехкомпонентной смеси, включающей: мелкий заполнитель (М), тонкомолотую минеральную добавку (Д), и до четырех раздельно дозируемых фракций крупного заполнителя (К). Расчет по этому методу построен на последовательном заполнении принятого расчетного объема (1 м³) цементным клеем и зернами заполнителя в оптимальном их соотношении по объему, до полного заполнения расчетного объема всеми предусмотренными компонентами, что обеспечивает создание в проектируемом бетоне плотной структуры. При этом максимальная упаковка всех зерен заполнителя достигается путем оптимизации состава смеси: либо на основании соответствующего расчета, либо на основании предварительно известных экспериментальных данных.

Пример расчета состава шлакобетонной смеси. Цель работы: расчитать состав мелкозернистого декоративного шлакобетона для получения изделий плотной структуры, например для производства тротуарной плитки.

Заполнители бетона: крупный (К) – дробленый шлак; мелкий (М) – отработанная формовочная смесь (ОФС); тонкодисперсная добавка (Д) – пигмент в виде отхода метизного производства в смеси с тонкомолотым, гранулированным доменным шлаком. Расход пигмента в количестве 2…5 % от массы вяжущего.

Исходные данные:

R_шб=25 МПа – заданная прочность бетона (средний уровень);

РК=160 мм – расплыв конуса;

R_ац=30 МПа – активность цемента (ШПЦ);

ρ_ц=3000 кг/м³ – истинная плотность цемента (Ц);

ρ_нд=1160 кг/м³ – насыпная плотность добавки (Д);

_д=2600 кг/м³ – средняя плотность добавки (Д);

ρ_нм=1440 кг/м³ – насыпная плотность мелкого заполнителя (М);

_м=2500 кг/м³ – средняя плотность мелкого заполнителя (М);

ρ_к=1420 кг/м³ – насыпная плотность крупного заполнителя (К);

_к=2500 кг/м³ – средняя плотность крупного заполнителя (К);

D_max=10 мм – наибольшая крупность зерен крупного заполнителя.

Порядок расчета

1. Устанавливается расчетная масса воды В_р, кг, на 1 м³ бетонной смеси, исходя из заданной консистенции и физических особенностей заполнителей. Жесткость смеси оценивается расплывом конуса на встряхивающем столике и составляет 160 мм; максимальная крупность зерен - D_max=10 мм: Расход воды составляет В_р=200 л/м³;

2. Устанавливается коэффициент качества сыпучих материалов, исходя из активности, вида Ц; принят коэффициент А₁=0,60;

3. Определяется расчетное значение Ц/В исходя из уравнения 7.21

(7.22)

4. Определяется расчетная масса Ц_р, кг, на 1 м³ бетонной смеси:

Ц_р=В_рЦ/В=2001,8=360,0 кг (7.23)

5. Определяется масса цементного клея m_цк, кг, на 1 м³ бетонной смеси:

m_цк= Ц_р+В_р=200+360=560 кг (7.24)

6. Определяется истинная плотность цементного клея с расчетным значением Ц/В и ρ_цк, кг/м³, по формуле:

ρ_цк=m_цк/(V_ав+V_ац), (7.25)

где: V_ав и V_ац – абсолютные объемы на 1м³ бетонной смеси расчетных количеств воды и цемента, м³.

V_ав= м³,

V_ац= м³,

ρ_цк= кг/м³

7. Определяется объем цементного клея V_цк, м³, на 1м³ бетонной смеси:

V_цк= м³ (7.26)

8. Устанавливается суммарный объем зерен М и К в естественном состоянии, м³, на 1 м³ бетонной смеси:

V_езд=1-V_цк=1-0,32=0,68 м³, (7.27)

9. Определяется по массе долю тонкомолотой добавки Ч_д в ее смеси с мелким заполнителем:

(7.28)

10. Определение усредненного показателя средней плотности зерен смеси состоящей из добавки и мелкого заполнителя, кг/м³:

, (7.29)

кг/м³

11. Определяется _н смеси, состоящей из Д и М, кг/м³:

, (7.30)

кг/м³

12. Определяется по массе общая доля добавки и М в смеси с К:

, (7.31)

13. Определяется усредненный показатель средней плотности зерен рабочей смеси, состоящей из тонкомолотой добавки и всего заполнителя (Д+М+К):

, (7.32)

г/м³

14. Устанавливается суммарная масса рабочей смеси, состоящая из Д и М+К, кг, на 1 м³ бетонной смеси:

m_дмк=_дмкV_езд=2536,60,68=1724,9 кг (7.33)

15. Устанавливается суммарная масса тонкомолотой добавки и мелкого заполнителя m_дм, кг, на 1 м³ бетонной смеси:

m_дм=ч_дмm_дмк=0,36·1724,9=620,3 кг (7.34)

16. Устанавливается расчетная масса крупного заполнителя К_р, кг, на 1 м³ бетонной смеси:

К_р=m_дмк-m_дм=1724,9-620,3=1104 кг (7.35)

17. Устанавливается расчетная масса тонкомолотой добавки Д_р:

Д_р=Ч_дm_дм=0,28620,3=173,8 кг (7.36)

18. Устанавливается расчетная масса М_р, кг, на 1 м³ бетонной смеси:

М_р=m_дмк-(Д_р+К_р)=1724,9-(173,8+1104)=447,1 кг (7.37)

19. Определяется расчетная средняя плотность бетонной смеси,кг/м³:

_рбс=Ц_р+Д_р+М_р+К_р+В_р (7.38)

_рбс=360+173,8+447,1+1104+200=2284,9 кг/м³.

С целью автоматизации расчета состава бетона разработана программа для реализации ее на ЭВМ [27].

Оптимизация состава бетона методом математического планирования. Цель эксперимента: определить влияние клинкера, соотношения вяжущее : заполнитель и расхода домолотого доменного гранулированного шлака на свойства мелкозернистого шлакобетона. Бетон изготовлен из декоративного шлакового вяжущего, следующего состава: молотый шлак - 76 %; сульфат натрия - 4 %; известковая пыль - 16 %; пигмент - 4%.

Таблица 7.41 – Расход материалов на 1 м³ бетонной смеси

Составляющие шлакобетонной смеси	Масса компонентов, кг	Соотношение компонентов, %
Фракция	1104	52,9
ОФС	447,1	21,4
Шлак + ОМП	173,8	8,3
ШПЦ М300	360	17,3
Сумма	2084,9

В качестве основного заполнителя использована фракция доменного шлака 5…10 мм. Наполнителем являлся доменный граншлак, фракции менее 1,2 мм. Все составы содержат добавку С-3 – 0,7 %. Водоцементное отношение – 0,45.

Откликами проведенного эксперимента являлась прочность на сжатие, прочность на изгиб, средняя плотность и открытая пористость (таблицы 7.42, 7.43).

Таблица 7.42 – Факторы варьирования и их значения

Факторы варьирования	Обозначения	Значение факторов варьирования на уровнях
		1	2	3	4	5
Содержание клинкера	Х1	0	5	10	15	20
Содержание доменного гранулированного шлака	Х2	0	5	10	15	20
Соотношение вяжущее : заполнитель	Х3	1:2	1:3	1:4	0	0

Таблица 7.43 – Расчетная данные для выполнения эксперимента

№ опы та	клинкер		граншлак		В : З		Расход заполнителя		Расход вяжущего
	Х1	%	Х2	%	Х3		Всего, г	Фракция	Всего, г	ДШЦ
1	1	0	1	20	1	1:2	1340	1072	660	660
2	2	5	5	0	1	1:2	1340	1340	660	627
3	3	10	4	5	1	1:2	1340	1273	660	594
4	4	15	3	10	1	1:2	1340	1206	660	561
5	5	20	2	15	1	1:2	1340	1139	660	528
6	1	0	4	5	2	1:3	1500	1425	500	500
7	2	5	3	10	2	1:3	1500	1350	500	475
8	3	10	2	15	2	1:3	1500	1275	500	450
9	4	15	5	0	2	1:3	1500	1500	500	425
10	5	20	1	20	2	1:3	1500	1200	500	400
11	1	0	2	15	3	1:4	1600	1360	400	400
12	2	5	4	5	3	1:4	1600	1520	400	380
13	3	10	5	0	3	1:4	1600	1600	400	360
14	4	15	1	20	3	1:4	1600	1280	400	340
15	5	20	3	10	3	1:4	1600	1440	400	320

Образцы прошли тепловлажностную обработку по режиму 3+8+3 ч, при t_мах=90…95^оС. После ТВО образцы были испытаны на сжатие, изгиб, определялась средняя плотность, открытая пористость. Результаты эксперимента приведены в таблице 7.44 и показаны в виде графической зависимости на рисунках 7.26, 7.27, 7.28. Установлено, что оптимальный расход клинкера в шлакобетоне составляет 10…15%, при этом наблюдается минимальная пористость, менее 7%. Содержание доменного граншлака в составе вяжущего от 5 до 10 % оказывает положительный эффект на рост прочности и снижение пористости, дальнейшее ее увеличение резко снижает прочность при сжатии и изгибе.

При соотношении вяжущее : заполнитель, равном 1 : 2 наблюдается максимальная прочность при сжатии. При соотношении В : З, равном 1 : 3, происходит увеличение прочности при изгибе на 20 %, а открытая пористость уменьшается на 30 %. Коэффициент размягчения колеблется от 0,8 до 1,1, то есть полученный бетон на данном вяжущем является водостойким. Средняя плотность бетона колеблется от 2000 до 2200 кг/м². Обработка результатов осуществлена по методу Стьюдента [27].

Оптимальный состав 1:3 был апробирован в производстве для получения тротуарной плитки. Качество бетона отмечено следующими показателями: марка бетона 200, морозостойкость 200, пористость при водопоглащении – 5…7 %.

Рисунок 7.26 – Оптимизация по прочности на сжатие

Рисунок 7.27 – Оптимизация по прочности при изгибе

Рисунок 7.28 – Оптимизация по открытой пористости

Таблица 7.44 – Результаты трехфакторного эксперимента

№ опы та	Средняя плотность	Истинная плотность	Rсж, МПа	Rиз, МПа	Пот %	Rсж, (мокр) МПа	Кразм	КККсж	КККизг	Побщ	Пзакр
1	2,1	2,5	291,3	22,33	10,2	292,6	0,9983	139,6	10,63	16,64	3,44
2	2,06	2,5	133,05	12,93	10,3	147,26	1,107	64,59	6,28	17,6	7,3
3	2,13	2,67	327,48	27,72	2,45	264,24	0,81	154,75	13,01	20,5	18,05
4	2,19	2,5	274,4	47,01	8,3	312,64	1,14	75,02	14,8	14	2,6
5	2,155	2,5	161,3	31,9	11,4	265,5	1,65	75,02	14,8	14	2,6
6	2,1	2,6	186	47,8	4,8	254,5	0,81	90,19	9,3	13,82	9,02
7	2,19	2,5	239,29	25,28	10,83	242,86	1,05	109,5	11,57	12,4	1,57
8	2,13	2,8	253,57	34,5	4,5	271,3	1,07	118,99	16,19	24	19,5
9	2,2	2,5	219	21,8	6	237	1,08	99,5	9,9	12	6
10	2,2	2,22	175	45,7	5	276	0,92	101,2	9,6	13,7	8,7
11	2,13	2,5	135	20,1	11	146,3	1,1	62,3	15,4	17,3	6,3
12	2,06	2,35	105,93	13,34	9,85	101,7	0,96	72,52	6,48	12	2,15
13	2,17	2,5	179,8	19,8	11	211,6	1,18	82,9	9,1	13,2	2,2
14	2,07	2,5	262,24	29,53	11,98	181,01	1,07	126,81	14,28	17,28	5,3
15	2,16	2,5	135	35,8	12,3	148,7	1,1	32,5	16,6	13,6	1,3