Исследовательская работа по определению марки портландцемента стандартным методом с использованием песка фракции 0,315 взамен фракции 0,5 мм

Сорокин Андрей Сергеевич Сорокин Роман Сергеевич ВиВ-02, технологический факультет, ЯГИТИ Д. Г. Сосин, Заведующий лабораторией материаловедения ЯГИТИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Якутск 2004 г. Содержание стр Введение 1 Методы определения марки портландцемента:

1.1 Стандартные методы определения прочности портландцемента 1.2 Ускоренные методы определения активности цементов 1.3 Неразрушающие методы определения прочности 2. Исследовательская работа по определению марки портландцемента стандартным методом с использованием песка фракции 0,315 взамен фракции 0,5 мм: 2.1 Определение фракционного состава песка 2.2 Изготовление и испытание образцов 10 2.3

Обработка результатов 12 Библиографический список 15 Введение Марку портландцемента определяют по прочности стандартных образцов. Прочность портландцемента зависит от многих фак¬торов: вида портландцемента, степени его измельчения, водоцементного отношения, сроков и условий твердения и др. Для портландцемента установлен стандартный ме¬тод испытания на прочность, в которых нормированы форма

и размеры образцов, состав и консистенция сме¬си для их приготовления, условия изготовления и хране¬ния образцов, сроки и условия испытаний и т. д. В исследовательских работах, а также для оператив¬ного контроля применяют и нестандартные методы опре¬деления прочности. Особого внимания заслуживают так называемые неразрушающие методы, при которых проч¬ность портландцемента характеризуется косвенными показателя¬ми, определяемыми без разрушения образцов.

Поэтому целью данной работы является рассмотрение всех методов определения марки портландцемента, и исследовать возможность использования, в стандартном методе, песка фракции 0,315 мм, вместо фракции 0,5 мм, в связи с малым содержанием данной фракции в Якутском речном песке. Данная работа состоит из двух глав. В первой главе описаны методы определения марки портландцемента: стандартные, ускоренные и неразрушающие. Во второй главе описана возможность применения в стандартном

методе песка фракции 0,1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА 1.1 СТАНДАРТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Марку портландцемента определяют по прочности стандартных образцов. Прочность портландцемента принято характеризо¬вать предельным напряжением, приходящимся на едини¬цу площади первоначального сечения образца из це¬ментного камня или раствора и вызывающим его разру¬шение.

В зависимости от прилагаемых при этом внешних усилий, вызывающих соответствующее напряжение в образцах, различают прочность портландцемента при сжатии, растяжении, изгибе и т. д. Механические испытания портландцемента производят в образцах из вибрированных растворов пластичной консистенции. По ГОСТ 310—60 цементы испытывают на сжатие и изгиб. Для испытаний изготовляют образцы в виде призм размером 40X40X160 мм из раствора состава 1:3 по массе

с нормальным песком. Для изготовления образцов необходимо применять цементы с температурой в пределах 20±3°. Использо¬вать холодные или горячие цементы недопустимо. Нормальный кварцевый песок (ГОСТ 6139—70) должен удовлетворять следующим техниче¬ским условиям: содержать двуокиси кремния (SiO2) не менее 96%, глинистых, илистых и пылевидных примесей не более 1% и п.п.п. не выше 0,3%. При просеивании песка остаток на сите 09 должен составлять не более 3%, а через сито 05

должно проходить не более 8% взя¬той навески. Для изготовления образцов смешивают вручную в те¬чение 1 мин в сферической чаше 500 г цемента и 1500 г песка, затем вливают в смесь 200 г воды (В/Ц=0,4) и перемешивают 1 мин. По ГОСТ 10178—62* портландцемент и его разно¬видности (шлаковый, пуццолановый и сульфатостойкий) испытывают через 28 сут. твердения; быстротвердеющие портландцемент и шлаковый портландцемент — через 3 сут твердения. Первоначально определяют прочность образцов на изгиб, а затем их половинок — на сжатие.

Предел прочности при изгибе балочек на машине МИИ-100 фиксируется счетчиком. Наибольшая разрыв¬ная нагрузка на ней соответствует пределу прочности при изгибе 12 МПа. Погрешность показаний в диапазоне 2—10 МПа — не более 1%. Предел прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое из двух наиболь¬ших результатов испытаний трех образцов. Полученные после испытаний на изгиб шесть полови¬нок балочек сразу же испытывают на сжатие.

Предел прочности исследуемого цемента при сжатии вычисляют как среднее арифметическое из четырех наи¬больших результатов, полученных при испытании шести образцов. 1.2 УСКОРЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ЦЕМЕНТОВ Для получения основной характеристики портландцемента — их активности стандартные испытания предусматривают длительное, 28-суточное выдерживание образцов в нормальных усло¬виях.

Между тем на цементных заводах и особенно на заводах железобетонных изделий часто возникает необ¬ходимость ускоренного определения активности и марки портландцемента. Метод пропаривания: сущность его заключается в том, что вместо длительного хранения образцов при комнатной температуре преду¬сматривается применение той или иной тепло влажностной обработки и установление переходных коэффициен¬тов от результатов испытаний после этой обработки к стандартным испытаниям.

Однако из-за многообразия факторов, влияющих на кинетику нарастания прочности разных цементов при тепловой обработке, все известные методы ускоренных испытаний позволяют лишь ориен¬тировочно оценить активность и марку цементов. Наибо¬лее часто применяют метод, основанный на ускорении твердения цемента путем кратковременного прогрева об¬разцов в закрытых формах, позволяющий определить приближенно марку цемента в течение одной рабочей смены. Метод измерения электрического сопротивления водоцементного раствора.

На данном методе основан прибор «ИНДИКАТОР АКТИВНОСТИ ЦЕМЕНТА ИАЦ-03» фирмы OOO ""ВНИР". Индикатор активности цемента предназначен для определения основного показателя качества цемента - активности. Прибор обеспечивает опреде¬ление активности портландцемента, шлакопортландцемента, портландцемента с минеральными добавками поставляемого отечественными производителями.

Принцип работы прибора состоит в измерении удельной, проводимости водоцементного раствора контролируемой пробы цемента. Преобразовании сигнала в данные соответствующие активности контролируемой пробы цемента. 1.3 НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ Рассмотренные выше методы оценки прочностных свойств портландцемента связаны с разрушением образ¬цов при каждом определении их показателей. Это, а так¬же большой разброс результатов даже при испытании образцов-близнецов обусловливают необходимость

ис¬пользования для получения достоверных данных об из¬менении прочностных свойств вяжущих большого коли¬чества образцов, что требует значительных затрат труда и материалов. Поэтому в последние годы все большее признание находят методы оценки прочности портландцемента и других строительных материалов без разруше¬ния, позволяющие использовать одни и те же образцы не для одного, а для многократных определений. Особое значение эти методы имеют для контроля прочности вяжущих в бетонных

и других конструкциях непосредст¬венно в сооружениях. В настоящее время разработано много различных приборов, начиная от простейшего молотка и кончая электронными установками, которые дают возможность определять прочность материалов без разрушения. Раз¬личают механические и физические неразрушающие ме¬тоды оценки прочности материалов. Механические неразрушающие способы оценки проч¬ности заключаются в определении величины пластичной

деформации поверхностного слоя (заглубления, отпечат¬ков) при воздействии различного рода вдавливания или ударов, либо величины упругой деформации (упругого отскока от поверхности при ударе), численные значения которых затем используются для характеристики проч¬ности исследуемого материала. Физические методы основаны на использовании свя¬зи между прочностью материала и скоростью распрост¬ранения ультразвука, ослаблением потока γ-лучей и из¬менением других физических характеристик исследуемо¬го

материала. Механические методы наиболее полно характеризуют прочность поверхностного слоя материала, которая к то¬му же в значительной мере зависит от его влажности. Поэтому в исследовательской практике (в лаборато¬риях) применяют физические методы: акустические, ра¬диометрические и др позволяющие судить о качестве материала не только по поверхностному слою, но и по его внутренней структуре. Акустические методы определения прочности портландцемента.

Определение прочности этими методами базируется на использовании корреляции (соотносительности) меж¬ду упруго вязкопластичными и прочностными свойствами материала, с одной стороны, и физическими параметра¬ми, характеризующими распространение звуковых коле¬баний (волн) в этом материале, с другой. Акустические методы исследований прочности мате¬риала разделяют на два основных вида: импульсный и вибрационный (резонансный). Импульсный метод испытаний основан на из¬мерении в материале (в образцах

или конструкциях) скорости распространения ультразвуковых волн, а иног¬да и интенсивности их затухания. Для этих целей ис¬пользуют специальные электродные приборы. Вибрационный (резонансный) метод ис¬следований основан на оценке механических свойств ма¬териала по динамическому модулю упругости и логариф¬мическому декременту затухания, вычисляемым по ча¬стоте собственных колебаний образца и их затуханий, которые замеряются приборами.

Определение прочностных свойств цементного камня, раствора или бетона по акустическим показателям осу¬ществляют двумя способами: 1) устанавливая прямые эмпирические зависимости между акустическими показа¬телями и прочностью путем проведения параллельных определений акустическими методами и обычных меха¬нических испытаний до разрушения и построения по этим данным тарировочных графиков и формул; 2) по относительным изменениям акустических свойств образцов при изменении температурно-влажностных

условий их хранения, при воздействии поперемен¬ного замораживания и оттаивании и других факторов. При определении прочности по первому способу наи¬более часто используют связь между прочностью при сжатии Rcж и скоростью распространения продольных ультразвуковых волн. Установлено, что на устойчивость этой связи влияет, прежде всего, вид заполнителей (особенно крупного при испытании бетонных образцов), водоцементное отноше¬ние, продолжительность твердения образцов к моменту

испытаний, вид тепловлажноcтной обработки, влажность образцов. Если указанные факторы меняются незначительно, то оценка прочности портландцемента по тарировочной кривой «скорость ультразвука — прочность» может дать достаточно точные для практики результаты. При возможных неблагоприятных сочетаниях указанных факто¬ров и при большом их изменении необходимо при оценке прочности вяжущих веществ учитывать и другие акусти¬ческие показатели.

Второй способ оценки прочности основан на том, что акустические показатели являются чувствительными кос¬венными характеристиками изменений физико-механиче¬ских свойств цементного камня, раствора или бетона при воздействии тех или иных факторов. Установлено, что увеличение скорости распростране¬ния продольных ультразвуковых колебаний в бетоне со¬ответствует нарастанию прочности бетона во времени. Находят свое отражение в изменении скорости ульт¬развука, в коэффициенте его затухания, частоте собст¬венных

колебаний, логарифмическом декременте затуха¬ния и др. и деструктивные процессы, происходящие в бе¬тоне под воздействием неблагоприятных внешних фак¬торов: замораживания и оттаивания, высушивания и увлажнения и др. Работы ряда исследователей показы¬вают, что акустические характеристики более точно ха¬рактеризуют изменения физико-механических свойств бетонов, чем непосредственные испытания образцов ме¬ханическими способами. Кроме того, для характеристики изменения прочности свойств материала при тех или иных воздействиях

аку¬стическими методами не требуется изготовлять много образцов (на одном образце можно провести любое ко¬личество повторяющихся измерений). Все это способст¬вует все более широкому распространению данного спо¬соба для определения долговечности материалов. 2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ МАРКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА СТАНДАРТНЫМ МЕТОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕСКА ФРАКЦИИ 0,315

ВЗАМЕН ФРАКЦИИ 0,5 2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ПЕСКА При определении марки портландцемента мы ориентировались на ГОСТ 310.4 – 81. По данному ГОСТу марка портландцемента определяется цементно-песчаным способом (смотри первую главу). К песку, для определения марки портландцемента, предъявляются требования по ГОСТ 6130 – 91, к числу требований относится и фракционный состав, т.е. для определения марки портландцемента,

по стандартному методу, используется песок фракции 0,5 мм. Цель данной работы: рассмотреть возможность применения песка фракции 0,315 для определения марки портландцемента и выявить соответствующие коэффициенты и формулы для перерасчёта на стандартный вид. Суть данной работы вытекает из исследования песка на фракционный состав: исследование песка на фракционный состав показала, что речной песок, взятый в г. Якутске на 202 микрорайоне, содержит фракцию крупности 0,5

мм – 1,8 %; 0,315 мм – 30,13 %; 0,16 мм – 57 %, т. е. чтобы получить необходимое количество песка для стандартного испытания портландцемента, а именно 1,5 кг песка фракцией 0,5 необходимо промыть и рассеять около 84 кг речного песка, в тоже время в речном песке содержится 30% фракции 0,315, т.е. необходимо промыть и рассеять всего 5 кг речного песка. Таблица 1: фракционный состав Якутского речного песка Показатели Размеры отверстий сит 2,5 1,5 1 0,5 0,31 0,16

Проход через сито № 0,16 Остатки частные (а), г. 2,3 3,3 3,6 17,9 301,3 569,1 102,5 Остатки частные (а), %. 0,23 0,33 0,36 1,79 30,13 56,91 10,25 Остатки полные А, %. 0,23 0,56 0,92 2,71 32,84 89,75 100 Модуль крупности песка: Мк = (А2,5 + А1,25 + … + А0,16)/100 = (0,23 + 0,56 + 0,92 + 2,71 + 32,84 + +89,75)/100 = 1,27 Данный песок относится к группе очень мелких песков, с водопотребностью более 10 %.

На основании таблицы 1 был построен график фракционного состава Якутского речного песка. График 1: фракционный (зерновой) состава Якутского речного песка 1 – Якутский речной песок, 2 – Область стандартного песка. 2.2 ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦОВ Для лабораторных исследований были взяты следующие материалы: цемент марки 500; фракция песка 0,5;

фракция песка 0,315 – выделенная из Якутского речного песка; вода водопроводная. Проверка цемента прибором «Индикатором активности цемента ИАЦ-03» (смотри главу 1.2) также подтвердил, что взятый цемент для исследования имеет марку 500. Для изготовления образцов было взято 500 г цемента и 1500 г песка (фракция 0,315). Водоцементное соотношение (В/Ц) определили по ГОСТ 310.4 – 81 по расплыву конуса из цементного теста:

В/Ц = 0,74 Далее по полученному соотношению изготовили образцы по ГОСТ 310.4 – 81, размерами 160х40х40 мм. На каждый намеченный срок испытания изготавливаем по три образца. Образцы хранились по ГОСТ 310.4 – 81: первые сетки в формах во влажной среде; во вторые и последующие сутки в ванной в воде. По истечению срока образцы испытываем на изгиб и сжатие. Данные испытаний смотри в таблице 2 Таблица 2: Испытание образцов на изгиб и сжатие

Срок твердения, сутки Температура испытания, оС С песком фракции 0,315 С песком фракции 0,5 Прочность при изгибе Rизг, МПа Прочность при сжатии Rсж, МПа Прочность при изгибе Rизг, МПа Прочность при сжатии Rсж, МПа 3 18,8 0,45 3,62 3,62 4,08 4,57 5,43 6,52 3,1 15,16 15,62 16,3 17,16 16,3 16,5 10 19,1 0,5 12,56 12,35 11,4 11,23 10,65 9,76 4,2 33,68 34,91 35,84 36,22 37,37 36,22 14 18,6 0,61 16,35 13,77 12,66 12,4 13,77 12,66 4,7 42,8 41,75 40,45 40,5 40 41,15 21 18,5 0,62 16,98 16,17 15,36 16,98 16,17 15,36 5,5 46,37 47,67 48 48,24 48,74 46,3 28 19 0,63 18,9 18,27 17,9 17,59 18,15 17,81 5,9 48,48 50 50,23 51 50,3 50,58 2.3 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ Высокое водоцементное отношение при одинаковом расходе и виде цемента можно объяснить

большим водопотреблением песка. При одинаковом виде и расходе цемента водопотребность образцов определяется, главным образом, видом и качеством заполнителя – зерновым составом (крупностью), плотностью (водопоглощением) зерен заполнителя. С уменьшением зерен заполнителя, увеличением содержания в заполнителе загрязняющих примесей в виде пыли, глинистых и илистых включений, увеличением пористости и водопотребность цементных образцов возрастает. Следствием этого, в свою очередь, является снижение прочности цементного камня.

Зависимость прочности образцов от времени. Прочность образцов изготовленных из песка фракции 0,5 подчиняются следующему закону: (1) где – прочность образца изготовленного из песка фракции 0,5 в возрасте n суток. n – число дней твердения образца, сут, – прочность образца в возрасте 28 суток. Прочность образцов изготовленных из песка фракции 0,315 подчиняются несколько иному закону: (2) где – прочность образца изготовленного из песка фракции 0,315 в возрасте n суток. n – число дней твердения

образца, сут, – прочность образца в возрасте 28 суток. По функциям 1 и 2 был построен график 2 «Зависимость прочности от времени твердения цементно-песчаных образцов с маркой портландцемента 500». Если сравнить прочность в возрасте 28 суток, то прочность понизилась на коэффициент k, который совпал с отношением квадратов диаметров сит и равен 0,362. Сравнивая полученные формулы с формулой И. Боломея и

Б.Г. Скрамтаева, выражающая зависимость прочности от цементно-водного отношения, то формула прочности имеет вид: (3) R28 – активность цемента, определяемая стандартным методом (по ГОСТ 310.4 – 81), т.е. с использованием песка фракции 0,5мм. А – коэффициент, характеризующий качество используемых заполнителей и цемента. Если сравнить формулы «1», «2» с «3» и подставить значения найденные экспериментально, то можно найти

коэффициенты «А» для песка 0,5 и фракции 0,315 мм: А0,5 = 0,5 А0,315 = 0,42 График 2: Зависимость прочности от времени твердения цементно-песчаных образцов с маркой портландцемента 500 1 – образцы, изготовленные из песка с фракцией 0,5 мм (формула 1) 2 – образцы, изготовленные из песка с фракцией 0,315 мм (формула 2) Из графика 2 видно, что при равных условиях изготовления образцов, кривая прочности 2 ниже.

Основываясь на полученные формулы и переводной коэффициент были составлены график 3 и таблица 3 по которым, собственно, и можно определить марку портландцемента используя песок фракции 0,315мм. График 3: Определение марки портландцемента Таблица 3: Марка портландцемента Марка С песком фракции 0,5 С песком фракции 0,315 Предел прочности, МПа, не менее при изгибе при сжатии при изгибе при сжатии 400 5,4 39,2 0,5 14,2 500 5,9 49,0 0,63 17,7 550 6,1 53,9 0,72 19,5 600 6,4 58,8 0,75 21,3

Данную работу рекомендуется применять в тех случаях, где выделение фракции 0,5 затруднительно, то мы рекомендуем применять фракцию 0,315 для определения марки портландцемента. Библиографический список 1. ГОСТ 310.4 – 81 «Цементы. Методы определения прочности» 2. ГОСТ 6130 – 91 «Песок стандартный для испытания цемента» 3. Виноградов Б.Н. «Лабораторный практикум по курсу цементы»;

М.: 1988г. 4. Попов К.Н. «Строительные материалы и конструкции: Учеб./ М.: Высш. шк 2002. – 367 с.: ил. 5. Строительные материалы: Учебник /Под общей ред. В.Г. Микульского – М.: Издательство АСВ, 2000. –536 с с ил. Речь Данная работа называется определение марки портландцемента. Научный руководитель: Сосин Даник Густович, заведующий лабораторией материаловедения.

Существуют три основных метода определения марки портландцемента: Первый это стандартный метод по ГОСТ 310.4 – 81, где марка портландцемента определяется путём испытания цементно-песчаных образцов на изгиб и сжатие в возрасте 28 суток. Второй метод это ускоренный метод определения марки портландцемента: путём пропаривания образцов или измерения удельной электрической проводимости цемента в водном растворе.

Третий метод это неразрушающие методы определения марки портландцемента их подразделяют на механические и физические методы. Механические неразрушающие способы выражают зависимость прочности от величины упругой деформации или от величины пластичной деформации поверхностного слоя; Физические методы основаны на использовании связи между прочностью материала, от скорости распространения ультразвука, от динамического модуля упругости, или от ослаблением потока γ-лучей,

В данной работе мы рассмотрели применение в определении марки портландцемента песка фракции 0,315 мм взамен фракции 0,5 мм в стандартном методе, в виду минимального содержания данной фракции в местном речном песке. Исследование местного речного песка на фракционный состав показал, что речной песок, взятый в г. Якутске на 202 микрорайоне, содержит фракцию крупности 0,5 мм всего 1,8 %, т.е. та фракция, которая необходима для стандартного испытания цемента, а фракции 0,315 мм – 30 %;

0,16 мм – 57 %, т.е. чтобы получить необходимое количество песка для стандартного испытания портландцемента, а именно 1,5 кг песка фракцией 0,5 необходимо промыть и рассеять около 84 кг Якутского речного песка, в тоже время в речном песке содержится 30% фракции 0,315, т.е. необходимо промыть и рассеять всего 5 кг речного песка. Поэтому целью нашей работы является изучить возможность применения песка фракции 0,315 для определения марки портландцемента.

Для испытания цемента были сделаны образцы по ГОСТ 310.4 – 81 с песком фракции 0,5 мм и с песком фракции 0,315 мм. По результатам опытов на сжатие и изгиб была составлена таблица экспериментальных данных. По этим данным были составлены графики. График 2: Зависимость прочности от времени для цементно-песчаных образцов с маркой портландцемента 500: кривая 1. образцы, изготовленные из песка фракции 0,5 мм кривая 2. образцы, изготовленные из песка фракции 0,315

мм Из графика видно, что при равных условиях изготовления образцов, кривая прочности 2 (с песком фракции 0,315) ниже. Если сравнить прочность в возрасте 28 суток, то прочность понизилась на коэффициент k, который совпал с отношением квадратов диаметров сит и равен 0,362. По данным этого графика были выведены функции прочности образцов от времени. для фракции 0,5 – для фракции 0,315 – Если сравнить эти формулы с формулой Скромтаева, то можно найти коэффициент

А – характеризующий качество заполнителей данных образцов: для фракции 0,5 А = 0,5 для фракции 0,315 А = 0,42 По этим формулам была составлена таблица 3 и график 3, по которым можно определить марку портландцемента, используя песок фракции 0,315. Данную работу рекомендуется применять в тех случаях, где выделение фракции 0,5 затруднительно, то мы рекомендуем применять фракцию 0,315 для определения марки портландцемента.