Пескобетон применение: Сфера применение пескобетона

Разное

Содержание

Применение пескобетона — Завод строительных смесей «ВосЦем»

Люди стали применять песок и цемент для строительства уже очень давно. Эти материалы применяются повсеместно и сегодня. Самые первые материалы на любом строительстве это природные материалы, подвергшиеся переработке. Причем, неважно, какая это стройка. Небольшой загородный дом или огромный торговый центр. Ценность этих материалов еще и в том, что они не горючи и способны выдерживать большую нагрузку. Все чаще пескобетонные смеси используются для индивидуального строительства. Применение пескобетонных смесей доступно даже не профессионалам в этой области. Из этих смесей легко можно изготовить блоки, затем уложить их и получившиеся блоки будут не хуже, чем из кирпича. Такие блоки могут участвовать и в фундаменте здания, где на них будет оказываться большое давление и их прочность может стать решающей при проектировке всего здания. Очевидно, что изготовленные на основе песка и цемента материалы, например бетон, являются основой для любого строительства.

Пескобетон в виде сухой смеси под маркировкой М300 широко используется для устройства стяжки пола. Даже при большой толщине слоя бетона, он остаётся довольно прочным и устойчивым к трещинам. Если учесть, что для повышения прочности еще используют специальные волокна и пластифицирующие добавки, то такой бетон становится просто незаменимым для строительства. Его пластифицирующие добавки повышают его эластичность. При толщине в 2 сантиметра одного мешка цемента в 50 кг хватает примерно на 1 квадратный метр. При этом расход воды составляет около 7,5 литров.

Конечно, область применения таких пескобетонных смесей довольно широка. Хотя, технология производства таких пескобетонных смесей не слишком отличается от других смесей, изготавливаемых на сонове песка и цемента. Однако эта смесь может быть разбавлена различными добавками, например, мелкозернистым щебнем.

По маркировки смеси можно узнать его прочность бетона изготавливаемого из него. Чаще всего изготавливают с добавлением, так называемого портландцемента марки М500, а также песка. Песок может быть как мелкозернистым, так и крупнозернистым. Это здесь роли не играет. Количество цемента от этого не меняется.

Для производства бетона для фундаментов используют, в основном, пескобетон М-300. Для производства используют только цемент, песок и воду. После чего материал подвергается специальной обработке, затем формировке. При этом используют вибропрессование. В итоге получаются либо пустотелые, либо щелевые блоки. Для строительства стен малоэтажных строений такие блоки очень подходят. Если добавлять мелкозернистый песок, получаются блоки повышенной прочности. Расположение некоторых городов позволяет использовать близлежащие песчаные карьеры как раз для этих целей. Так, в Москве получают довольно прочные бетонные блоки из песка и цемента.
Существует ряд правил для производства блок из бетона. Прежде всего, необходимо следить, чтобы смесь не была слишком сухой.

Пескобетон М300 и его применение

Бетонная смесь на мелких плотных заполнителях с фракциями до 5 мм и цементном вяжущем была обозначена, как мелкозернистый бетон (пескобетон) еще в 82 году прошлого века в ГОСТ 25192, но на текущий момент ни один из действующих стандартов достаточно полно не регламентирует все производимые в России и импортируемые из ближнего/дальнего зарубежья пескобетоны. Связано это, как с практическим отсутствием в РФ актуализированных стандартов по бетонным смесям, так и очень большим количеством разных рецептур пескобетонов, получаемых при варьировании крупностью наполнителя, качественным составом вяжущего и различными специализированными добавками.

Из пекобетонов с различными эксплуатационными свойствами строители выделяют пескобетон М300, средняя прочность которого делает смесь почти универсальной для выполнения целого перечня строительных работ. Прочность пескобетона М300 позволяет использовать бетонную смесь для кладки, покрывной наружной и внутренней штукатурки, формирования постелей под фундаменты и фундаментов, цоколей, стяжки пола и ряда готовых армированных изделий (плиты, перемычки, бордюры, еврозаборы, тротуарная плитка и т.д.). Лучшие отечественные и зарубежные производители варьируют крупностью песка и специальными добавками, получая пескобетоны М300, преимущественно ориентированные на выполнение конкретных строительных задач. Для стяжки пола и изготовления штучных армированных изделий используют пескобетон М300 на фракционированных песках с крупностью 1,8-2,2 мм, пескобетон М300 на песках мелких фракций (0,8-1,2 мм) применяют в качестве альтернативы кладочным и штукатурным растворам, пескобетон М300 на крупных песках (2,5-4,0 мм) — для работ по забивке фундаментов, цоколей, формования плит перекрытий и перемычек. Оптимизация свойств пескобетонов М300 достигается введением противоморозных, воздухововлекающих, пластифицирующих добавок, микрокремнезема и, при необходимости, армированием фиброволокном.

Стяжки пола выполняют из пескобетонов М300 на песках с средней крупностью фракций, причем если это фракционированные пески, а в смесь введены пластифицирующие добавки и микрокремнезем, то пескобетон М300 служит хорошей альтернативой специализированным наливным полам, образуя при заливке самонивелирующуюся поверхность. В целом многие рецептуры смеси позволяют использовать пескобетон М300 для многослойных и однослойных стяжек пола, а также теплых полов с электро или трубно-водяным подогревом. Но на практике решение всех задач стяжки пола могут реализовать только пескобетоны с хорошей удобоукладываемостью, самоуплотняемостью, отсутствием температурно-влажностной усадки и морозостойкостью, расширяющей температурный интервал проведения работ и устраняющей риски трещинообразования при воздействии отрицательных температур.

Следует отметить, что пока в стране пескобетонов М300 с полным комплексом требуемых свойств для стяжки пола, наливных и теплых полов очень мало, причем, как импортируемых, так и отечественных. Лучшим по эксплуатационным характеристикам строители (подрядчики и индивидуальные застройщики) признают пескобетон М300 QUICK BETON, изготавливаемый в виде сухой смеси на фракционированном песке и высококачественном вяжущем с комплексом добавок, оптимизирующих смесь под выполнение всех типов стяжки пола, наливных и теплых полов, а также изготовления штучных изделий.

Похожие статьи

что это такое? Свойства и отличия пескобетона от цемента

Компания «БЕТОНИР» производит и реализует в Омске и области пескобетон, который широко применяется при строительстве, изготовлении бетонных конструкций и многих других строительных работах.

Что такое пескобетон и его свойства

Наш завод производит пескобетон в Омске, как смесь из портландцемента, крупно- и мелкозернистого песка, различных химических добавок. При смешивании материала с водой получается масса, которая быстро становится прочной. За счет этих особенностей материал востребован для строительных работ, где важна оперативность.

Свойства материала, а соответственно и марка зависят от точных пропорций всех компонентов состава. Но в целом пескобетон имеет следующие характеристики:

  • прочность и отличная устойчивость к износу;
  • пластичность раствора;
  • морозостойкость;
  • высокая водонепроницаемость.

Отличия пескобетона от цемента

Наша компания предлагает качественный пескобетон в Омске, который можно использовать вместо цементного раствора. Несмотря на похожие характеристики, у данных материалов немало отличий.

Во-первых, состав. Так в цементе есть клинер и технологические добавки, но в целом имеет слабую устойчивость к воздействию нагрузок, влаги и прочих факторов. А пескобетон имеет в составе вяжущий портландцемент, песок и инертные составляющие. За счет этого, материал быстро застывает, прочен и устойчив к различным внешним условиям.

Во-вторых, растворы отличаются применением. Цементный ограниченно востребован для стяжек, заполнения швов и кладки. Уникальные свойства пескобетона делают его практически универсальным в использовании.

Из преимуществ строительного материала можно выделить не только прочность и скорость затвердевания, но и невосприимчивость к перепадам температур, эрозии, длительный срок службы и относительно невысокую цену.

Узнавайте больше о продукции и условиях поставок у менеджера по телефону: +7(3812)38-38-68.

Пескобетон М300 характеристики, рекомендации по использованию сухой смеси

Следует отметить, что пескобетон м300 является довольно пластичным материалом, имеющим небольшое время затвердения. К его основным характеристикам можно отнести высокую плотность, морозостойкость, водонепроницаемость, устойчивость к коррозии, к износу и деформации.

Технология изготовления раствора из этого материала сложности не представляет. Сухую смесь нужно разбавить до однородной массы при тщательном размешивании и выдержать готовый раствор пять минут. По истечении этого времени раствор готов к использованию. Заливая раствором пол, смесь тщательно уплотняют. Пол набирает прочности через 28 часов, а через сорок восемь часов его уже можно использовать.

Благодаря тому, что пескобетон быстро затвердевает, его часто используют в строительстве, а также при аварийных ситуациях, требующих быстрого реагирования.

Для строительства износостойких высокопрочных конструкций или изделий из бетона — наилучшим вариантом является пескобетон м300. Этот материал прекрасно подходит для заделки швов, с его помощью выравнивают горизонтальные бетонные или цементно-песчаные основания. Помимо этого, его используют для устранения дефектов заливки конструкций из бетона, устройства высокопрочной стяжки или фундамента, проведения различных монтажных работ.

Также пескобетон м300 применяется для укладки выравнивающих слоёв, связанных с основанием пола для помещений с небольшими механическими нагрузками, и с нормальной влажностью, — то есть используется для жилых, бытовых, общественных, административных и других помещений. Выравнивающий слой раствора рекомендуется делать от 10 до 50 мм, или с заливкой слоя до 100 мм при условии, если будет произведена укладка армирующей сетки.

Сухая смесь пескобетон м300 предназначена для выравнивания полов и любых других горизонтальных оснований. С ее помощью легко и удобно заделывать швы между различными бетонными элементами. Пескобетон м-300 легко устраняет дефекты заливки бетонных конструкций. При разведении смеси нельзя допускать избыточное количество воды в растворе, иначе может снижаться прочность и образовываться трещины.

Подготовка основания

Пескобетон наносится на сухое, прочное основание, которое очищено от пыли, смазочных масел, жировых загрязнений и лакокрасочного покрытия. Удаляются непрочные, осыпающиеся поверхности. Если поверхность сильновпитывающая, то ее увлажняют перед нанесением раствора или грунтуют.

Приготовление раствора  пескобетона М300

Пескобетон м300 разводят чистой водой. В воду постепенно добавляют сухую смесь, тщательно перемешивая ее дрелью с насадкой или низкооборотным миксером до образования однородной массы. Выдерживают раствор 5 минут и снова перемешивают, не добавляя воду. Готовую смесь нужно израсходовать за 45 минут. Допустимо при загустевании повторное перемешивание.

Рекомендации по нанесению

Смесь в виде раствора выливают на основание и распределяют по всей площади, используя рейку, полутерку, шпатель или другие приспособления. Чтобы не происходило быстрое испарение влаги, конструкцию нужно накрыть брезентом или пленкой на 3 суток. Не допускать сквозняков.

После работы или в перерывах работы больше чем на 15 минут — инструменты и оборудование нужно промыть водой. Если раствор на них затвердеет, его можно будет удалять только механическим способом, а это может испортить инструмент.

Выполнять работы требуется в сухих условиях, с относительной влажностью не больше 80%, температура воздуха при этом должна быть в промежутке от +5 до +30°С.

Обращаться с пескобетоном м300 следует очень аккуратно, избегая попадания ее на кожу и тем более в глаза, ибо она содержит цемент и при соединении с водой дает щелочную реакцию. Лучше всего использовать вспомогательные инструменты и работать в перчатках.

состав, характеристики, область применения и производители

Дата публикации: 02.02.2019 11:24

Пескобетон представляет собой готовую сухую смесь из портландцемента, песка мелкой либо крупной фракций, а также специальных модификаторов на основе минеральных химических соединений. В процессе добавления воды исходная сухая смесь обретает пастообразную консистенцию, после укладки быстро затвердевает и сохраняет прочность на длительный период.

Несмотря на относительную новизну, этот материал уже завоевал популярность среди строителей и мастеров-ремонтников, позволяя быстро и качественно вести работы по обустройству монолитных конструкций, дорог, ремонту помещений и придомовых территорий. Пескобетон может выступать составляющим компонентом керамзитобетона и других монолитных стройматериалов.

Особенности состава пескобетона

Отечественные производители пескобетона жестко соблюдают пропорции его исходных компонентов, поскольку каждой марке материала свойственны конкретные потребительские характеристики, необходимые для определенных технологических операций. Так, самый распространенный пескобетон марки М300 имеет весовое соотношение крупнофракционного речного песка 3-4 мм и цемента марки М500 как 2,5 к 1. Количество воды подбирают по месту, для абсолютно сухой смеси потребуется около 0,2 литра на 1 кг пескобетона, после чего состав следует тщательно перемешать.

Важными составляющими материала выступают модифицирующие добавки, позволяющие привести качественные характеристики пескобетона к желаемым, сделав конечный продукт более прочным, стойким к воздействиям влаги, мороза и агрессивных химреагентов. Отдельные марки пескобетона имеют структуру разной зернистости и разный набор добавок, что отражается как на конечной стоимости смесей, так и на эксплуатационных качествах таковых. Во всех случаях материал практически не дает усадки и способен выдержать значительные механические нагрузки.

Маркировка пескобетонных смесей сходна с маркировкой строительного бетона, отображая предел прочности застывшего материала на сжатие, выраженный в килограммах на см. кв.: М200, М300 и пр. Этот параметр, хотя и важен, но не влияет на истираемость и трещиностойкость готового пескобетона. Кроме этого, материал может иметь разный размер песчаных частиц и в соответствии с этой характеристикой бывает мелкофракционным(зерно 1,2 мм), среднефракционным (зерно 1,2 — 2,5 мм) и крупнофракционным (зерно до 4 мм). Причем, среднефракционнаясмесь считается наиболее универсальной.

Применение готового пескобетона

Изготовленный в заводских условиях согласно госстандарту фасованный пескобетон находит применение в частном, промышленном и общественном строительстве, в том числе при:

  • обустройстве подстилающих и чистых полов;
  • изготовлении внешних отмосток, парковых дорожек и стяжек;
  • заделке выбоин, швов, рустов, сколов и трещин в железобетоне;
  • штукатурных и отделочных операциях;
  • монтаже сборных бетонных конструкций;
  • изготовлении штучных изделий и декоративных составов с введением мраморной/гранитной крошки, красителей, опила, шлаков и пр.

Материал во многом перенял свойства портландцемента — прочность, невосприимчивость к коррозии и усталости, механическую устойчивость. Благодаря этому он используется для укладки несущих бетонных слоев, крепления ЖБИ, изготовления лестниц и сточных желобов.

Практика показывает, что самостоятельное изготовление пескобетонных смесей часто дает негативный результат, поскольку среди подручных материалов не всегда найдутся песок с нормированной зернистостью, качественный цемент без золы, пластификаторы и модификаторы. Поэтому даже при возведении частного дома или наружном оборудовании дачного участка полезно приобретать заводской упакованный материал, соответствующий отраслевым нормативам и проходящий лабораторное тестирование.

Что такое пескобетон? Описание и применение Дон Бетон

Пескобетон сравнительно недавно появился в продаже, его можно купить с доставкой по различным ценам, но с каждым годом этот интересный материал приобретает все большую популярность как среди строительных компаний, так и у частных лиц, занимающихся строительством и ремонтом.

Пескобетон представляет собой смесь песка и цемента со специальными добавками, позволяющими улучшить свойства материала. Разумеется, для использования в строительстве или ремонте необходимо не только купить пескобетон и дождаться доставки, но и смешать его с требуемым количеством воды. Среди отличительных особенностей готового пескобетона следует в первую очередь перечислить практически полное отсутствие усадки и высокую прочность, что и определяет в качестве одного из основных применений пескобетона заливку полов, а также строительство фундаментов. Благодаря тому, что пескобетон практически не дает усадки, пол из этого материала и после его застывания остается идеально гладким, позволяя существенно сэкономить как время, так и трудозатраты по его дальнейшей отделке. Успеху применения пескобетона в данных сферах способствует также высокая степень его устойчивости к неблагоприятным атмосферным воздействиям: перепадам температур, замерзанию, влажности и т. д.

Можно купить пескобетон в виде готовых смесей, к которым сразу после доставки можно добавлять воду и немедленно приступать к выполнению работ. Необходимо отметить, что в торговых организациях предложат купить различные марки пескобетона, цена которых также различается: м200, м300, м400 и др. Разумеется, от маркировки пескобетона зависит не только цена, по которой его можно купить, но и другие свойства материала, в первую очередь, разумеется, прочность. Пользуется спросом пескобетон м200 и м400, но пескобетон м300 все же используется значительно чаще, чем другие марки этого вида строительных смесей. Сама маркировка м300 означает, что каждый квадратный сантиметр данного пескобетона должен выдерживать нагрузку не менее 300 килограмм без образования деформаций, трещин и т. п. Разумеется, на данные показатели прочности пескобетон м300 выходит лишь после полного и окончательного застывания.

Если песок и цемент являются достаточно привычными строительными материалами с огромной историей их использования, то присутствием в пескобетоне м300 еще одного компонента — пластифицирующих добавок — мы обязаны бурному развитию самых современных технологий. Конечно, цена состава с такими добавками может быть несколько выше, чем в случае простой смеси песка с цементом в определенных пропорциях. Однако, несмотря на это цена осуществления строительных или ремонтных работ может оказаться даже ниже благодаря тем уникальным характеристиками, которые придают пескобетонной смеси пластифицирующие и иные добавки.

 

Например, благодаря пластифицирующим добавкам слой пескобетона для стяжки пола может быть уменьшен всего до 2 см, что позволяет расходовать всего 1 мешок цемента на каждый квадратный метр пола.

Пескобетон м300 может применяться также для возведения фундаментов и изготовления стеновых блоков методом вибропрессования. Блоки из пескобетона исключительно популярны в малоэтажном строительстве, что обусловлено привлекательным сочетанием невысокой цены (ведь по этому показателю пескобетон заметно выигрывает как у традиционного кирпича, так и у пенобетона) и отличных характеристик этого строительного материала.

Как используется пескобетон? Сферы применения в строительстве и ремонте

Пескобетон (п/б) активно используется как в строительстве, так и в ремонте. Благодаря его высокой прочности, он применяется в тех видах работ, которые связаны с большой ответственностью и требуют высокой надежности.

На современном рынке присутствует материал трех марок:

Лучше всего для проведения строительства и ремонта подходит маркировка М-300.

От обычного цементного раствора пескобетонная смесь отличается содержанием модификаторов и пластификаторов и большого количества портландцемента в составе, что повышает ее прочностные и водостойкие характеристики.

Изготовление фундамента

Пескобетон даже через много лет эксплуатации не проседает, устойчив к морозу, излишней влаге и резкой смене температур. Поэтому он одинаково успешно применяется как в качестве связующего, так и основного вещества, используется при заливке всех видов фундаментов зданий:

  • монолитного;
  • сборного;
  • смешанного типа.

Пескобетон — надежный материал для возведения фундамента

Процесс заложения фундамента трудоемкий, ответственный, всегда для него требуются услуги строительной спецтехники. Аварийные работы с цокольной частью объектов тоже лучше проводить с помощью портландцемента, он застывает очень быстро. Для этого подходит самая крупная фракция.

Лестничные проемы

В отличие от обычного бетона с примесью щебня, такое вещество, застывая, не крошится даже при длительной эксплуатации, наличии механических воздействий и не имеет трещин. Поэтому ее используют для бетонирования лестниц в многоэтажках, быстрой заливки декоративных ступеней в частных домах. Правда, расход такого продукта для данной работы будет немного больше, чем цемента.

Из-за прочности Portland cement используют также в производстве тротуарной плитки.

Стяжка полов

Наиболее простой и доступный способ быстро залить идеально ровный пол в доме или квартире — раствор смеси портландцемента. Это идеальный вариант для стяжки полового покрытия толщиной 2-3 см, иногда — до 10 см. Стяжка — сложная процедура, качество которой зависит от выполнения нескольких основных правил:

  • тщательная очистка обрабатываемой поверхности;
  • трещины и щели необходимо заделать раствором обычного цемента;
  • точная горизонтальная разметка поверхности;
  • нанесение грунтовки на поверхность;
  • расстановка маяков.

Пескобетон — гарантия ровного пола за доступные деньги

Полноценная эксплуатация возможна не ранее чем через 28-30 дней после заливки.

Для бетонирования пола и лестниц используется материал средней фракции.

Штукатурка

Наружная и внутренняя отделка стен с помощью п/б — доступный и надежный вариант. Расход его достаточно разумный: заказывать доставку строительного материала для таких процедур следует из расчета, что на квадратный метр обрабатываемой площади идет около 18 кг продукта при толщине покрытия до 10 мм. Применяется самый тонкий помол сухого вещества.

В процессе оштукатуривания нужно помнить, что раствор достаточно быстро застывает, поэтому его нужно периодически помешивать.

Изготовление керамзита

Для улучшения тепло- и звукоизоляционных свойств керамзита, повышения его прочности перед обжигом в глиняную смесь при его изготовлении добавляют пескобетон. Это позволяет более экономно и эффективно расходовать сырье в процессе производства, только улучшая качество итогового продукта при этом.

Что такое бетонный песок Типы и характеристики

Бетонный песок — это небольшой камень, называемый агрегатным песком, состоящий из гнейса, гранитной породы или известняка.

Этот особый тип песка сначала просеивается, а затем тщательно промывается. Качество обычно измельчается в карьере, а затем промывается.

Этот процесс предназначен для проверки того, что из какого-либо сырья нет в изделии большого куска камня.

В основном используется в горячем асфальте или цементе в качестве важного ингредиента.Его также можно использовать в базовом слое, трубах и выравнивающей среде для подземных или надземных патио и бассейнов, а также для создания пешеходных дорожек из камней для мощения.

бетонный стержень бетонный стержень

  • песок для борьбы с обледенением
  • дренаж / альтера-фильтрация
  • заполнение гранулированным материалом
  • заполнитель в цементном бетоне
  • подстилка
  • промывочный песок
  • промывочный слой песка

Это важно для использования права типа, и следует оптимизировать лучшее качество агрегатов. Два типа заполнителей: мелкие и крупные. Обычно давление бетона от 60% до 75%.

От 70% до 85% по массе свежеприготовленная и затвердевшая смесь бетона. Пропорции и свойства настоящего песка и экономичность.

Первый тип мелкозернистых заполнителей обычно состоит из природного песка (рис. 5-1) или мелкого щебня размером до 5 мм (0,2 дюйма).

Требования к воде и цементу, скорее всего, a. Пропорции, усадка, насосная способность, долговечность, пористость и удобоукладываемость бетона.Различия в классификации бетона в значительной степени влияют на однородность бетона от ступени к ступеньке.

Бетон

Необрабатываемые смеси мелкого песка неэкономичны. Бетонный песок и крупнозернистый заполнитель в сочетании друг с другом могут образовывать жесткие породы.

В целом наиболее удовлетворительные результаты дают агрегаты, которые не позволяют получить гладкую кривую сортировки агрегатов, но не имеют недостатков или превышений любого размера.

Крупные частицы заполнителя одинакового размера являются результатом скопления различных размеров.Проиллюстрировано уменьшение общего объема пустот между агрегатами.

Указанный бетонный песок текстуры после промывки бетона и используется его где угодно. Его можно смешивать с уплотнением и улучшать пористость природных грунтов на глинистой основе с помощью органических разрыхлителей.

Когда вес не является проблемой, это один из лучших первичных крупнозернистых бетонных смесей с текстурой № A-1 В почвах используется специальная почвенная смесь.

Смешивание бетонного песка:

Смешивание с цементом и заполнителем для бетонных работ Использование бетона, включая заливку пальм, брусчатки и манежей для лошадей.Лучшие бетонных песков получают из California Sand . Его также называют мелким заполнителем.

Best Concrete

При производстве бетона обычно используется раствор. Песок измельчается на мелкие кусочки, затем он попадает в фильтрованный материал для подтверждения отсутствия массивных частиц породы.

После этого смешивание цемента и воды заполняет воздушные пространства между крупным заполнителем. Пески также можно использовать в песке для труб или пешеходных дорожках в качестве выравнивающей среды и бассейнов, патио или хотя бы для создания цемента.

Песок для бетона

После получения проекта и работы над ним вам придется искать материалы. Эти материалы помогут вам удовлетворить ваши потребности. Есть бесчисленное множество материалов для строительства наземных бассейнов, патио или пешеходных дорожек. Если вы с нетерпением ждете встречи с лучшим ингредиентом для строительства, бетонный песок стоит в самом популярном месте. Есть несколько видов песка. Например, бетонный песок, щебень, пляжный песок, технический песок и заливной песок.Примечательно, что бетонный песок — королева всех типов.

Основные факты об этом

Вот основные факты, которые вы должны знать о пескобетоне, когда собираетесь его использовать.

Во-первых, это сочетание гнейса, ловушечной породы, гранита или известняка. Он имеет репутацию на рынке благодаря своему качеству. Большинство людей используют его, чтобы добиться долгосрочной эффективности проекта.

Во-вторых, ваша работа будет бесполезной и неполной, пока вы не добавите песок. В-третьих, песок сделает бетон прочнее, чем вы ожидаете.

Каковы исключительные преимущества и использование бетонного песка?

Вот лучшее сочетание преимуществ и применения этого песка. Вы можете их отметить. В результате вы можете купить его и легко использовать в своих проектах /

  • Это наполнитель, который используется для обеспечения мощности вашей работы.
  • Строители-профессионалы покупают и используют для создания цементных и асфальтовых материалов.
  • Кроме того, они используют его для выравнивания земли для бассейнов, патио и дорожек.
  • Этот материал обеспечивает стабильность в качестве песка для труб или в качестве основного слоя для бетонной брусчатки.
  • Он также обладает прекрасными свойствами, и слой подстилки является одним из них.
  • Профессионалы моют и разбивают пол во время строительства.
  • Этот песок бывает разных размеров, что делает его идеальным для заполнения швов, промежутков между брусчаткой.

Окончательный вердикт

Подводя итог всему обсуждению, мы можем сказать, что этот песок полезен для строительства разных мест.Он в основном используется во всем мире из-за его мощности и использования. Прежде всего, песок может добавить бетону чудесный объем. Поэтому на него можно положиться без напряжения.

бетонный песок — это то же самое, что острый песок?

Также известный как «песчаный песок» или «бетонный песок», промытый острый песок более крупный и имеет более крупные частицы, чем другие строительные пески, такие как строительный песок, который состоит из более отчетливых зерен. … Обычно острый песок используется в приложениях, где требуется большая мощность и меньшая гибкость.

Можно ли делать бетон без песка?

Хотя песок является обычным заполнителем, из которого можно создать бетон, вы также можете смешивать цемент с гравием, щебнем или даже частями старого бетона. … Количество воды, которую вы смешиваете по порядку, зависит от совокупного вещества, но вам понадобится от 15 до 20 процентов воды.

Как отмыть песок для бетона?

Чтобы промыть песок, поместите его в барабан, накройте его водой, тщательно перемешайте, дайте постоять немного и слейте жидкость.Одна или несколько таких обработок исключат большую часть очень тонких материалов и природных веществ. Оценка количества необходимого материала. Рассчитайте необходимый объем бетона.

зачем вам песок в бетоне?

Сила бетона обратно пропорциональна соотношению вода / цемент. Другими словами, чем больше воды вы используете для обработки бетона, тем слабее бетонная смесь. … Песок и заполнитель для снижения стоимости, а также для ограничения степени усадки, которая происходит с бетоном при его застывании.

Исследование использования искусственного песка в качестве 100% замены мелкозернистого заполнителя в бетоне

Реферат

Промышленный песок отличается от природного морского и речного песка, вынутого драгой, по своим физическим и минералогическим свойствам. Они могут быть как полезными, так и вредными для свежих и затвердевших свойств бетона. В данной статье представлены результаты лабораторного исследования, в котором промышленный песок, произведенный на дробильной установке промышленного размера, был охарактеризован в отношении его физических и минералогических свойств.Влияние этих характеристик на удобоукладываемость и прочность бетона, когда промышленный песок полностью заменяет природный песок в бетоне, было исследовано и смоделировано с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС). Результаты показывают, что изготовленный песчаный бетон, изготовленный в этом исследовании, обычно требует более высокого отношения воды / цемента (в / ц) для удобоукладываемости, равного таковому у природного песчаного бетона, из-за более высокой угловатости полученных частиц песка. Чтобы компенсировать это, можно использовать добавки, уменьшающие количество воды, если производимый песок не содержит частиц глины.При том же соотношении воды и металла прочность на сжатие и изгиб производимого песчаного бетона превышает прочность природного песчаника. ИНС оказался ценным и надежным методом прогнозирования прочности и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя (ТВС) и состава бетонной смеси.

Ключевые слова: промышленный песок, бетон, искусственные нейронные сети

1. Введение

Во многих странах источники природного песка для использования в качестве заполнителя в строительстве становятся дефицитными, поскольку песчаные карьеры исчерпаны, а законодательство по охране окружающей среды препятствует проведению дноуглубительных работ [1 , 2,3]. Это вызывает потребность в источниках альтернативных заполнителей, например, из отходов строительства и сноса. Одним из возможных источников строительного заполнителя является песок, который был произведен из избыточного материала (дробильная пыль), образующегося при добыче крупного заполнителя в карьерах твердых пород. При производстве крупного заполнителя обычно получается от 25% до 45% дробильной пыли в зависимости от материнской породы, дробильного оборудования и условий дробления [2]. В карьерах Великобритании имеются значительные запасы дробильной пыли, которую можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы обеспечить большую часть песка, необходимого для строительной отрасли, используя те же каналы продаж и доставки, что и сейчас для грубых заполнителей.Преимущество этого заключается в возможности указывать заполнители из карьеров, близких к месту их конечного использования, тем самым сокращая расстояния транспортировки и минимизируя загрязнение. Однако, по сравнению с природной пылью для дробления песка, пыль, как правило, имеет худшую форму и текстурные свойства, а также плохую сортировку и незнакомый минералогический состав, что влияет на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Форма и текстура дробильной пыли в основном зависят от (i) типа дробилки [3,4]; (ii) отношение размера материала, подаваемого в дробилку, к размеру готового продукта (коэффициент измельчения) и (iii) материнской породы.Роторные дробилки разрушают породу, «ударяя» по материалу, что вызывает разрушение породы по естественным зонам ослабления вдоль границ раздела зерен [5], обычно производя частицы хорошей кубической формы. Щековые и большие вращательные дробилки обычно производят частицы плохой (некубической) формы из-за того, что камера дробления редко бывает заполнена, чтобы обеспечить дробление между частицами [5]. Роторные дробилки широко используются для дробления различных пород от мягких до твердых, таких как базальт, гранит, твердый известняк. Условия нагружения ударных дробилок обычно приводят к более высокой вероятности разрушения слабых или чешуйчатых частиц, причем разрушение происходит из-за раскола, с заметным вкладом из-за истирания поверхности.В результате с помощью этого процесса дробления производится больше мелкозернистых заполнителей равномерного размера по сравнению с другими методами, такими как конусная, щековая и валковая дробилки. Было показано, что чем более угловатая форма мелкого заполнителя, тем больше потребность в воде в бетоне и растворах, и поэтому использование ударных дробилок сводит к минимуму этот неблагоприятный эффект [6]. Тем не менее, исследователи также обнаружили, что прочность бетона на изгиб и сжатие выигрывает от угловатости измельченного мелкозернистого заполнителя из-за улучшенного сцепления и сцепления заполнителя по сравнению с натуральными песчаными бетоном и растворами при том же соотношении вода / цемент [6,7].

Типичный гранулометрический состав пыли от дробилок редко соответствует требованиям национальных стандартов. В основном это происходит из-за избытка (> 20%) мелких частиц, проходящих через сито 63 мкм, и недостатка частиц размером от 0,3 мм до 1 мм. Пыль от дробилки может образовывать «жесткие» смеси с проблемами просачивания, если ее промывают и просеивают до установленных пределов. Поэтому, чтобы минимизировать пустоты и снизить потребность в воде в бетоне, дробильная пыль смешивается с мелким природным песком, чтобы улучшить удобоукладываемость и отделочную обработку [8]. Частицы, проходящие через сито 63 мкм, называемые в этой статье мелкими частицами, могут сильно повлиять на свежие свойства бетона, поскольку они увеличивают удельную поверхность мелкозернистого заполнителя, что требует увеличения дозировки воды / добавки для обеспечения постоянной удобоукладываемости [ 7]. Если материнская порода не содержит глины, можно производить приемлемые бетоны, содержащие от 15% до 20% мелочи [1,9]. И наоборот, присутствие глины в материнской породе и, следовательно, мелочи может иметь пагубное влияние не только на потребность в воде / добавках, но также на характеристики затвердевшего бетона [10,11].Таким образом, важно определить эффективный и быстрый метод проверки мелких частиц на потенциально вредные частицы и установить соответствующие ограничения для их использования в бетоне.

Во многих исследованиях изучали влияние частичной замены мелкозернистого заполнителя в бетоне с использованием дробильной пыли или небольших образцов измельченного песка на свойства бетона [8,12,13]. Однако по полной замене естественного мелкого заполнителя в бетоне дробильной пылью было выполнено мало работы.В ответ на это в данном исследовании был изучен ряд песков, производимых дробильной установкой KEMCO V7 промышленного размера, которая перерабатывает пыль от дробилок в модифицированной ударной дробилке и классифицирует размер частиц с помощью воздушного экрана, как более подробно описано в [ 14]. Этот процесс приводит к получению песчаного продукта с хорошей сортировкой и формой с наполнителем, в основном содержащим мелкие частицы. Установку можно рассматривать как дополнительную стадию дробления в карьере, которую можно использовать для переработки излишков дробильной пыли, тем самым увеличивая общий выход из карьера.

Поскольку промышленные пески обладают свойствами, отличными от природных, было бы полезно иметь возможность прогнозировать свойства получаемого бетона без обширных лабораторных испытаний. Были предприняты многочисленные попытки смоделировать влияние физических и химических характеристик заполнителей на свежие и затвердевшие свойства бетона и предоставить процедуры проектирования бетонной смеси [15,16]. Они в некоторой степени учитывают ряд характеристик заполнителя: гранулометрический состав, максимальный размер заполнителя и тип заполнителя (натуральный или дробленый).Однако, поскольку эти процедуры основаны на статистических данных для многих бетонных смесей, результаты являются обобщенными и в случае конкретного типа заполнителя, такого как дробильная пыль или промышленные заполнители, могут не дать ожидаемых конечных свойств бетона. Кроме того, оценки прочности бетона на сжатие основаны на соотношении вода / цемент, которое для типичных заполнителей может быть правильным, но для очень угловатых или очень мелких заполнителей может оказаться неточным представлением прочности.Подобные эффекты могут быть обнаружены при измерениях согласованности.

Было разработано и исследовано несколько моделей, которые оценивают упаковку частиц в агрегатных смесях [17,18,19,20]. Был сделан вывод, что они являются полезными инструментами для моделирования смесей заполнителей с минимальным содержанием пустот. Однако наиболее распространенные допущения в моделях насадки заключаются в том, что частицы имеют сферическую форму, и поэтому комбинации заполнителя и цемента с минимальным содержанием пустот не обязательно приводят к ожидаемым свойствам бетонной смеси.Модель сжимаемой насадки [21] показала себя относительно точной с различными заполнителями, включая измельченный известняковый песок с высоким содержанием наполнителя, однако она имеет тенденцию к завышению плотности [22], и нет никаких ссылок на влияние глины. частиц на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Ряд исследователей обратились к моделям ИНС для прогнозирования свойств бетона с использованием параметров состава смеси для различных типов бетона [23,24,25,26].Однако они все еще не полностью учитывают свойства агрегатов. Разработка модели ИНС, которая учитывает как совокупные свойства, так и состав смеси, может быть полезным инструментом для оценки ожидаемых характеристик свежего и затвердевшего бетона, изготовленного из промышленных заполнителей.

Основная цель данной статьи — представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами и впоследствии использовать в качестве 100% замены природного песка в бетоне.Структура статьи следующая:

  • В разделе 2 представлены экспериментальные детали, связанные с использованием ряда искусственных песков с различным содержанием мелочи в качестве полной замены природного песка в бетоне. В нем также представлен выбор и обоснование тестов для определения характеристик мелкого заполнителя, используемых в этом исследовании.

  • Раздел 3 представляет результаты испытаний свежего и затвердевшего бетона в сочетании с результатами определения характеристик мелкозернистого заполнителя и использует их для оценки свойств, которые делают промышленный песок пригодным для применения в бетоне.

  • Раздел 4 описывает разработку, обучение и оценку модели ИНС с использованием данных, представленных в Разделе 3, и еще одной серии проверочных бетонных смесей. Модель ИНС используется для прогнозирования прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона с использованием свойств мелкозернистого заполнителя в качестве одной из основных входных переменных модели.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

В этом исследовании использовался цемент CEM I 52,5N (CEMEX, Rugby, UK), соответствующий стандарту BS EN 197-1: 2011 с указанным химическим составом, вместе с измельченным известняком размером 4/20 мм с крупным заполнителем (CA) ( CEMEX, Кардифф, Великобритания).Гранулометрический состав последнего сообщается позже в разделе 3.1. При необходимости добавлялась добавка для снижения уровня воды WRDA 90 (Grace Construction Products, Уоррингтон, Великобритания), соответствующая британскому стандарту BS EN 934-2: 2001.

Таблица 1

99 3 2 O

99 3 2 O

99 3 3

Оксид Состав оксида (вес. %)
SiO 2 19,7
Al 2 O 8
Fe 2 O 3 3,1
CaO 63,6
MgO 1,2
SO

SO 9019 3 0,1
Свободный CaO 2,3
Na 2 Oeq 1 0,7
LOI 2 гранит

2 гранит , базальтовая и песчано-дробильная пыль перерабатывалась на заводе V7. Дробильная установка V7 может производить песок различной градации. Было произведено и испытано не менее четырех градаций произведенного песка из каждой дробильной пыли. Также для сравнения были включены фракции пыли дробилки (необработанные) 0/4 мм. В качестве контрольного мелкого заполнителя использовался морской песок, извлеченный из дноуглубительных работ, соответствующий стандарту BS EN 12620: 2002. показаны обозначения, используемые в этой статье для всех мелких агрегатов.

Таблица 2

BAASAL

Описание Штраф Содержание 1 Тип Обозначение
Природный песок, извлеченный морским путем, 1. 0 Natural NS
Базальтовая дробильная пыль 10.0 Дробленая B-FEED
Базальтовый песок 1.0 Промышленный BB
Базальтовый песок 5,1 Промышленный BC
Базальтовый песок 7,4 Промышленный BD Гранитная пыль. 0 Дробленый G-FEED
Гранитный песок 2,0 Промышленный GA
Гранитный песок 2,9 Промышленный Гранитный песок GB Произведенный GC
Гранитный песок 6. 5 Произведенный GD
Гранитный песок 9,0 Произведенный GE
Limestone

щебень.0 Дробленый L-FEED
Песок известняковый 2,8 Промышленный LA
Песок известняк 4,9 Песок промышленный B 7,1 L Произведено LC
Песок известняковый 9,0 Произведенный LD
Пыль для дробления песчаника 18. 0 Дробленый GS-FEED
Песок песчаниковый 3,5 Промышленный GS-A
Песок песчаник 5,0 Песок Gritstone Промышленный GS-FEED 7,0 Произведено GS-C
Песок песчаниковый 9,0 Произведено GS-D

2.

2. Испытания мелкого заполнителя

Как обсуждалось ранее, классификация мелкого заполнителя является важным фактором, влияющим на характеристики бетона, поэтому все мелкие заполнители были проверены на гранулометрический состав в соответствии с BS EN 933-1: 1997.Форму и текстуру песка сложно измерить напрямую, поэтому в национальных стандартах Великобритании используются преимущественно качественные тесты для определения характеристик. Однако испытание конуса потока в Новой Зеландии (NZFC) (NZS 3111: 1986), использованное в исследовании, предлагает косвенное измерение формы и текстуры путем измерения (i) времени истечения мелкозернистого заполнителя через воронку известной геометрии и ) содержание неплотных пустот в мелких заполнителях после их сбора в приемной камере.На поток материала в основном влияют форма и текстура поверхности частиц, а содержание пустот определяется классом и формой частиц [1]. Стандартный пакет технических условий, описанный в NZS 3121: 1986 для содержания пустот по сравнению с временем истечения , был разработан для определения характеристик различных природных песков в бетоне. Конверт основан на опыте властей Новой Зеландии и включен в этот документ для сравнения с промышленным песком.

Также, как подчеркивается во введении, присутствие вредных частиц, таких как глины, может иметь пагубное влияние на водопотребность свежего бетона и характеристики бетона в его затвердевшем состоянии. Поэтому требовался быстрый и эффективный метод просеивания песков. Были использованы два теста на значение метиленового синего (МБ); Британский стандартный тест (BS EN 933-9: 1999 для фракции 0/2 мм), включающий титрование раствором МБ, и тест, разработанный Grace Construction Products (ASTM WK36804) с использованием предварительно откалиброванного колориметра, позволяющий напрямую определять МБ расход раствора.В данном документе эти тесты будут называться показателем метиленового синего (MBV) и градационным показателем метиленового синего (GMBV) соответственно. Также был использован тест эквивалента песка (SE) (BS EN 933-8: 1999 для фракции 0/2 мм), который оценивает долю очень мелких частиц и частиц размером с глину во всем образце. Промышленные и дробленые пески обычно имеют более низкие значения SE, чем чистые природные пески из-за пыли трещин, образующихся в процессе дробления.

Плотность частиц и водопоглощение, которые являются функциями минералогического состава заполнителя, были определены в соответствии с BS EN 1097-6: 2000.Измерение плотности в сухом состоянии использовалось при расчете пустот NZFC, а абсорбционная способность использовалась для корректировки содержания воды в различных бетонных смесях.

2.3. Бетонные испытания, отверждение и детали образца

Основными характеристиками бетонной смеси являются ее удобоукладываемость и прочность. Поэтому свежий бетон был испытан на оседание в соответствии с BS EN 12350-2: 2009. Кроме того, были сделаны наблюдения во время смешивания, укладки и отделки образцов бетона, так как одно только испытание на осадку не полностью характеризует удобоукладываемость бетонных смесей, содержащих искусственные пески [8].

Затвердевший бетон был испытан на прочность на сжатие ( f ‘ c ) через 1, 7 и 28 дней согласно BS EN 12390-3: 2009 и прочность на изгиб ( f t ) через 28 дней согласно BS EN 12390-5: 2009. Для испытаний прочности на сжатие и изгиб использовались стандартные лабораторные формы. Они имели размеры 100 × 100 × 100 мм 3 и 500 × 100 × 100 мм 3 соответственно, что соответствовало требованиям BS EN 12390-1: 2012 к размеру формы в отношении максимального размера заполнителя.Признано, что использование этих размеров образцов для бетона, сделанного из 20-миллиметрового крупного заполнителя, могло привести к немного большей вариативности и незначительно более низкой прочности, чем было бы получено с более крупными образцами (например, 150 × 150 × 150 мм 3 ). Это происходит из-за повышенной относительной неоднородности и «так называемого» эффекта стенки, который возникает, когда отношение максимального размера заполнителя к размеру образца превышает определенный предел (приблизительно 0,2) [27]. Тем не менее, была получена хорошая согласованность между несколькими образцами, испытанными для каждой смеси, что дает уверенность в значениях, полученных в качестве меры относительной прочности для различных рассматриваемых смесей. Из каждой бетонной смеси было отлито девять 100 × 100 × 100 мм 3 кубов и три 500 × 100 × 100 мм 3 балок. Через 16 часов они были извлечены из формы и помещены в резервуар для воды при температуре 20 ± 3 ° C до достижения возраста испытаний.

2.4. Состав бетонной смеси

Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе рассматривались смеси с контролируемой осадкой без добавления добавок, снижающих водоотдачу. Контрольная смесь с природным песком была приготовлена ​​с заданной оседкой S2 (50–90 мм), как указано в BS EN 206-1: 2000.Для искусственных песков пески с обозначением -B были смешаны для достижения той же осадки S2, что и контрольный образец, и было записано необходимое соотношение вода / цемент. Это соотношение в / ц сохранялось постоянным для оставшейся градации того же карьерного песка, регистрируя изменение осадки, наблюдаемое в каждой бетонной смеси. Вторая фаза исследования включала смеси, приготовленные с постоянным соотношением вода / ц (вес / ц = 0,55) и добавление достаточного объема добавки, снижающей воду, для достижения осадки S2. Добавляли уменьшающую воду добавку с приращениями примерно по 6 мл, и испытания на оседание повторяли до тех пор, пока не было зарегистрировано оседание S2. Смеси известняка и песка достигли осадки S2 при водном соотношении 0,55 без примесей, поэтому они были смешаны при более низком водном соотношении, равном 0,50. Чтобы сравнить свойства свежего и затвердевшего бетона между смесями, замену мелкозернистого заполнителя в каждой смеси производили по весу. Это обеспечило постоянство соотношений CA / FA и FA / цемент.Кроме того, содержание увлеченного воздуха в смесях было проверено в соответствии с методом манометра в BS EN 12350-7: 2009.

Состав смеси показан на. Во всех бетонных смесях масса воды и заполнителя была скорректирована в соответствии с абсорбционной способностью и содержанием воды в мелком и крупном заполнителе, чтобы поддерживать постоянное массовое соотношение воды и заполнителя для каждого производимого песка.

Таблица 3

Состав бетонной смеси.

Цемент (кг / м 3 ) FA (кг / м 3 ) CA (кг / м 3 ) с соотношением Примесь (л / м 3 )
350 753 1040 Варьируется 1
0. 55 2
0 1
Варьируется 3 (см. Раздел 3.2)

3. Результаты и обсуждение

3.1. Результаты характеризации мелкого заполнителя

a – d показывает гранулометрический состав произведенных песков и соответствующей необработанной дробильной пыли, причем гранулометрические составы крупных и контрольных мелких заполнителей приведены в. Очевидно, что градация, полученная для фракций размером более 63 мкм для промышленных песков, очень похожа, независимо от минералогии породы, и это ключевая особенность перерабатывающей установки KEMCO V7.Предполагается, что мелочь различных минералогических песков схожа по форме и гранулометрическому составу из-за использования одного и того же производственного процесса для всех песков.

Гранулометрический состав промышленного песка для ( и ) базальтового песка; ( b ) Песок песчаниковый; ( c ) Песок гранитный; ( d ) Песок известняковый.

Гранулометрический состав крупнозернистого заполнителя и природного песка.

Содержание мелочи в промышленном песке варьировалось от 1% до 9%. По сравнению с необработанными материалами дробильной пыли, большинство производимых песков имели большее количество 0.Частицы от 3 до 1 мм, на что указывают более крутые градиенты градационных кривых в этой области. Улучшение гранулометрического состава в этом диапазоне не было столь выраженным в известняковых песках, как в других промышленных песках. Как отмечалось ранее, этот диапазон размеров частиц часто недостаточен в песчаных щебнях [1], поэтому необходимо, чтобы они были смешаны с мелким природным песком, чтобы сделать их пригодными для использования в бетонных приложениях. Это говорит о том, что, что касается гранулометрического состава, эти промышленные пески должны оказаться подходящей заменой мелкозернистым заполнителям в бетоне без необходимости смешивания с природным песком.

Все промышленные пески, использованные в этом исследовании, подпадают под стандарт Новой Зеландии для природных песков, в отличие от их аналогов дробильной пыли, как показано в. Это говорит о том, что класс и форма производимых песков должны подходить для использования в бетонных приложениях.

Результаты по конусу потока в Новой Зеландии.

Как показано на рисунке, частицы природного песка были гладкими и округлыми, в то время как необработанная пыль дробилки состояла из плоских и удлиненных частиц, имеющих угловую форму с острыми краями.Изготовленный песок снова имел угловатую форму, но более равномерный и округлый, чем необработанная дробильная пыль. Представленные изображения типичны для всех фракций и типов дробильных порошков и технологических песков, использованных в исследовании. Результаты NZFC подтверждают, что чем более гладкий и округлый песок, тем меньше время растекания.

Изображения фракций песка 4–2 мм ( a ) G-FEED ( b ) G-A ( c ) NS.

Если предположить, что определяющим фактором для измерения времени истечения является форма и текстура поверхности мелкозернистого заполнителя, то есть свидетельства того, что процесс KEMCO V7 улучшает эти характеристики, поскольку время истечения необработанного материала дробильной пыли составляло от 28 до 37 с. с, тогда как для всех обработанных песков он находился в диапазоне от 21 до 27 с.Если рассматривать обработанные пески с определенным минералогическим составом, можно увидеть, что время вытекания несколько сократилось с увеличением содержания мелочи. Это уменьшение обычно составляло от 1 до 3 с для оценок -D. Следовательно, можно сделать вывод, что основная часть сокращения времени истечения может быть отнесена на счет улучшения формы частиц в результате обработки.

Содержание неплотных пустот во всех базальтовых и песчанистых песках было ниже, чем в исходном материале. Однако содержание пустот во всех гранитных песках и крупнозернистом известняковом песке (L-A) было больше, чем в соответствующей пыли от дробилок.Это может быть связано с совокупным воздействием изменений в градации, а также формы конкретных песков.

Испытания

MBV и SE использовались для определения присутствия потенциально вредных частиц, в частности глин, в исследуемых мелких агрегатах. показывает, что у природных, гранитных и известняковых песков MBV ниже 0,63 г / кг, тогда как у базальтовых и песчанистых песков MBV выше 1,73 г / кг. Это предполагает присутствие глин в базальтовых и песчанистых песках, что может привести к увеличению потребности в воде и добавках при использовании в бетонной смеси [11].Однако с помощью этапа воздушной классификации в производственном процессе KEMCO V7 можно удалить часть вредной мелочи, что демонстрируется снижением MBV для всех песков по сравнению с их необработанными аналогами из дробильной пыли. Для базальтовых и песчанистых песков MBV увеличивается с увеличением содержания мелких частиц в результате большего количества глинистых частиц в мелкодисперсной фракции, тогда как незначительное увеличение MBV, наблюдаемое для гранитных и известняковых песков, связано с небольшим увеличением в удельной поверхности мелкой фракции.Стандартные тесты MBV и GMBV показывают прямую корреляцию, и, поскольку последний быстрее, чем стандартный тест MBV, он может быть ценной и надежной альтернативой.

Значение метиленового синего и результаты экспресс-теста на глину Grace.

показывает, что у природного песка самое высокое значение SE — 92, за ним следуют гранитные и известняковые пески, которые имеют значения SE в диапазоне от 67 до 80, базальтовые пески (от 58 до 73) и песчаниковые пески (от 27 до 31). . Как видно из результатов испытаний MBV, для определенного минералогического состава песка значения SE уменьшались по мере увеличения количества мелких частиц.Однако результаты тестов MBV и SE не показали прямой корреляции, о чем также сообщает Nikolaides et al. [28]. Это может быть связано с тем, что тест SE более чувствителен к доле пыли разрушения, чем тест MBV.

Стоимость песка в эквиваленте для мелких заполнителей.

Можно сделать вывод, что для материнских пород, содержащих глину, искусственный песок будет также включать определенную долю глины в мелкой фракции, тогда как, если материнская порода чистая, то мелочь представляет собой пыль трещин, образовавшуюся во время обработки.

Водопоглощение (WA24) необработанной дробильной пыли было либо выше, либо таким же, как у соответствующих обработанных песков, как показано на. Обработка дробильной пыли могла вызвать разрушение частиц через доступные для воды пустоты. Это, в свою очередь, могло уменьшить количество и объем этих пустот, которые измеряются с помощью теста на водопоглощение [29]. Кроме того, в стандарте BS EN 933-1: 1997 указано, что испытуемые пески необходимо промывать через сито 63 мкм, но покрытия, такие как глины, не могут быть легко удалены промывкой, что приводит к более высоким значениям поглощения для заполнителей с более высоким начальным содержанием мелочи.Это предположение подтверждается самыми высокими значениями водопоглощения, обнаруженными для песков с высоким MBV. Было обнаружено, что плотность в сухом состоянии для необработанной дробильной пыли и соответствующих им обработанных песков была относительно постоянной.

Таблица 4

Результаты водопоглощения и плотности в сухом состоянии.

Совокупное свойство NS G-FEED GA
GB
GC
GD
B-FEED BA
BB
BC
BD
L-FEED

L-FEED L-FEED
LD
GS-FEED GS-A
GS-B
GS-C
GS-D
WA24,% 1.04 0,58 0,58 1,92 1,67 0,62 0,45 1,53 0,98
ρ ряд , Mg / m

2,83 2,87 2,85 2,85 2,64 2,57

3,2. Конкретные результаты

Прочность на сжатие смесей с контролируемой осадкой в ​​основном определялась соотношением в / ц, как показано в.Самое низкое в / ц отношение 0,48 для природного песка обеспечило наивысшую прочность на сжатие за 28 дней, за ним следуют известняк, гранит, базальт и песчаник. При том же соотношении в / ц, равном 0,55, прочность на сжатие всех произведенных песчаных смесей превышала прочность на сжатие природных песчаных смесей (), и в то же время была сопоставима с прочностью на сжатие природных песчаных смесей с контролируемой осадкой. Точно так же прочность на изгиб всех смесей, кроме смеси G-E, превышала прочность на изгиб натурального песка при смешивании с постоянным соотношением в / ц.Прочность на сжатие и изгиб известняковых смесей при соотношении в / ц 0,50 превышала контрольную смесь природного песка или была равна ей.

Результаты смешивания с контролируемой осадкой.

Результаты смешивания с контролируемым соотношением вода / цемент и дозировка добавок.

Гранит, известняк и природные пески с низкими значениями MB требовали гораздо меньшего количества воды и водных примесей для достижения осадки S2, чем песчаниковые и базальтовые пески с MBV выше 1,73, как видно на рисунках и. Это подтверждает полезность тестов MB для выявления мелких заполнителей, которые могут отрицательно повлиять на свежие свойства бетона из-за присутствия частиц глины.

Эти результаты предполагают, что угловатая форма и шероховатая текстура поверхности искусственного песка способствовали прочности смеси на сжатие и изгиб благодаря сцеплению заполнителя и улучшенному сцеплению между цементной матрицей и частицами заполнителя. Аналогичные результаты были получены другими исследователями [5,8]. При водном соотношении 0,55 все изготовленные песчаные смеси за 28 дней достигли прочности на сжатие в диапазоне от 53 до 60,5 Н / мм 2 . Это говорит о том, что конкретные глины, присутствующие в песчаниках и базальтовых песках, не оказывают отрицательного влияния на прочность в течение 28 дней при том же соотношении воды и металла.Однако долгосрочное влияние стоимости МБ и глины на прочность в этом исследовании не исследовалось.

Некоторые из базальтовых и песчанистых песков, смешанных с соотношением вода / цемент 0,55, не достигли осадки S2 даже при дозах добавки, превышающих рекомендованные производителем. Это говорит о том, что если требуется пригодная для обработки бетонная смесь с разумным соотношением вода / цемент, то присутствие глины в производимом песке является первым и главным ограничивающим фактором. Однако, если для данного конкретного применения допустимы высокие соотношения вода / цемент, то увеличение соотношения вода / цемент может компенсировать негативное влияние присутствия глины на удобоукладываемость бетона.

сообщает о дозировке захваченного воздуха и примесей для обеих фаз. Измерение захваченного воздуха на этапе 1 колеблется от 0,45% до 1,60%. В каждой бетонной смеси она относительно постоянна, за исключением смесей G-B и GS-B. Это может быть связано либо с чрезмерной, либо с недостаточной вибрацией этих бетонных образцов соответственно. На этапе 2 измерение захваченного воздуха находится в диапазоне от 0,80% до 1,80%. Опять же, внутри каждой бетонной смеси измерения относительно постоянны и немного выше по сравнению с результатами фазы 1.Это может быть связано как с захватом воздуха в результате введения пластификатора, так и с пониженной консистенцией, что может привести к большему количеству воздушных пустот в затвердевшем бетоне.

Таблица 5

Дозировка захваченного воздуха и примесей для смесей Фазы 1 и Фазы 2.

9019

Обозначение смеси Фаза 1 Фаза 2
Захваченный воздух (%) Захваченный воздух (%) Дозировка добавки (л / м 3

0.50 0,90 0,00
GA 0,45 1,50 0,00
GB 1,60 1,40 0,00 GC
GD 0,65 1,40 0,62
GE 0,78 1,40 1,00
BA 0.50 1,41 2,75
BB 0,50 1,60 2,75
BC 0,45 1,30 3,30 9019 0,690
LA 1,40 1,30 1,63
LB 1,50 1,30 1,10
LC 1.48 1,10 1,35
LD 1,38 0,80 1,10
GS-A 1,40 1,28 2,45 9019

1,28 2,45 9019 9019 2,75
GS-C 1,00 1,35 2,75
GS-D 1,20 1,56 2,75 9272 общее снижение содержания наблюдалась в большинстве смесей, приготовленных без использования добавки, за исключением смесей BB, LC и GS-C, которые показали более высокие значения осадки.Это можно объяснить смазывающим эффектом повышенного содержания мелочи [30]. Однако дальнейшее увеличение содержания мелких частиц нивелирует это преимущество из-за увеличения удельной площади поверхности заполнителя, которую необходимо покрыть пастой, чтобы обеспечить такую ​​же удобоукладываемость. Однако для гранитных и известняковых песков уменьшение осадки с увеличением содержания мелочи при постоянном соотношении в / ц все же привело к спаду в пределах диапазона осадки S2. Это говорит о том, что содержание безглинистой мелочи в диапазоне от 1% до 9% для конкретной конструкции смеси не оказывает значительного влияния на осадку бетона.При постоянном значении осадки увеличение содержания мелких фракций заполнителя обычно требует более высоких объемов добавки. Однако, поскольку диапазон осадки S2 был задан на этапе 2, следует ожидать некоторого изменения дозировки примеси, как это наблюдалось для песчаника и известняка в песках. Смазывающий эффект мелких частиц, описанный для смесей фазы 1, также применим к смесям фазы 2.

На этапах смешивания и литья было замечено, что смесь природного песка была самой простой в обращении и отделке, как и ожидалось, благодаря округлому и гладкому мелкому заполнителю.Смеси с обозначением -A иногда были «жесткими», и их можно было обработать только с некоторыми усилиями из-за небольшого количества мелких частиц и отсутствия частиц диаметром менее 1 мм. Смеси G-B, G-C, G-D, L-B и L-C с низким MBV оказались легкими в обращении и отделке, даже несмотря на то, что они имели более низкие значения осадки, чем смеси -A. Было обнаружено, что смеси песчаника с соотношением вода / цемент 0,67 легко обрабатывать и отделывать. Базальтовые смеси были достаточно связными, но хорошо закончились. Было обнаружено, что смесь B-D является очень когезивной и быстро теряет удобоукладываемость, что может быть связано с поглощением воды из смеси глиной с высоким содержанием мелких частиц.Если принять во внимание градацию в a – d, можно сделать вывод, что для промышленного песка содержание безглинистой мелочи вместе с наличием частиц размером менее 1 мм важно для обеспечения надлежащих характеристик обработки и отделки бетона.

Не наблюдалось заслуживающей внимания корреляции между прочностью на сжатие, пределом прочности при изгибе и содержанием мелких частиц или классификацией мелких заполнителей, что позволяет предположить, что в диапазоне от 1% до 9% мелкие частицы не оказывают значительного влияния на прочность на сжатие и изгиб для данного состав смеси, когда используются добавки для повышения удобоукладываемости.Полностью признается важность рассмотрения других методов решения проблемы отсутствия штрафов, таких как использование фильтрующих материалов и дополнительных вяжущих материалов, а также влияние содержания цемента на характеристики смесей, содержащих технологический песок, и это является предметом постоянной работы. . Результаты предполагают, что более высокие уровни штрафов могут быть использованы в конкретных приложениях с соответствующим сокращением хранения или утилизации мелкозернистого материала. Дополнительные преимущества повышенной долговечности из-за того, что мелкозернистый материал блокирует поры (как сообщается в [12,31]), также могут быть реализованы за счет использования более высокого содержания мелких частиц, хотя это выходит за рамки данной статьи.

4. Моделирование искусственной нейронной сети

Моделирование ИНС было выбрано для этого исследования из-за его способности обобщать множественные переменные, нелинейные, сложные отношения и, таким образом, предсказывать результаты на основе ряда входных данных, с которыми они были обучены [32] . В этой статье с множественным обратным распространением (MBP) версии 2.2.4 [33] для построения и обучения моделей ИНС использовался бесплатный программный пакет. Полученные веса связи обученных моделей затем были перенесены в электронные таблицы MS Excel.Они использовались для анализа прогнозов, оценки и сравнения моделей.

4.1. Выбор входных параметров

Как уже говорилось, свойства бетона зависят от свойств заполнителей и состава смеси. Поскольку все смеси, использованные в этом исследовании, содержали одинаковое количество цемента, FA и CA, единственными переменными были соотношение вода / цемент и дозировка добавки, снижающей количество воды. Поэтому они были выбраны в качестве двух входных параметров, описывающих изменения в составе смеси.Существуют три основных свойства мелкозернистого заполнителя, которые влияют на удобоукладываемость и прочность бетона, что дает еще 8 входных параметров: градация (% мелких частиц, время истечения NZFC и содержание пустот), форма и текстура (на основании времени истечения NZFC и содержания пустот). ), качество мелочи (водопоглощение, GMBV и SE).

4.2. Набор данных

Модель была разработана с использованием данных, представленных в этом документе, вместе с данными из других аналогичных смесей, созданных в лаборатории во время проекта, что дает в общей сложности 44 ввода данных.Они были случайным образом разделены на 35 обучающих и 9 тестовых записей. показывает диапазон входных и выходных значений, используемых в наборе обучающих данных. Средние значения представляют собой свойства мелкозернистого заполнителя, с которым можно столкнуться, и могут быть смесью 50:50 извлеченного природного песка и загрязненной глиной карьерной пыли, смешанной с бетоном со средней дозировкой пластификатора и водным соотношением 0,62.

Таблица 6

Диапазон входных и выходных переменных и параметр, на который они влияют.

Переменная Минимум Максимум Среднее Влияние
w / c соотношение 0,48 0,75 0,619 Состав смеси 0,619 3 ) 0 3,3 1,65 Состав смеси
GMBV (г / кг песка) 0,35 6,16 3,26 9019 9019 9019 9019 9018 27 94 60.5 Качество штрафов
Водопоглощение (%) 0,45 1,92 1,19 Качество штрафов
Пустоты (%) 37,9 45,98 форма и текстура
Время истечения (с) 20,7 36,7 28,7 Градация, форма и текстура
Штраф (% от FA) 1 18 9.5 Градация
28 дней f ‘ c (Н / мм 2 ) 31,3 64,3 Результат
9019 300 1 Результат

4.3. Настройка модели

Для обучения нейронных сетей использовался алгоритм обратного распространения. Полное описание алгоритма и ИНС в целом предоставлено Фосеттом [34].показана типовая структура, принятая для этих моделей. После обучения ИНС полученные веса связей и «смещения» были перенесены в электронные таблицы. В них уравнение (1) использовалось для вычисления числовых значений нейронов в скрытом слое:

yj = F (∑i = 0n (xi · wij) + b)

(1)

где y j — нейрон в скрытом слое, x i — масштабированное входное значение, w ij — вес соединения, n — количество входов и b — константа, называемая «смещением» или «порогом», которая вычисляется во время обучения сети аналогично весам соединений. F — сигмовидная функция активации, полученная из уравнения (2), которая представляет нелинейное поведение бетона. Выходные значения z k вычисляются с использованием уравнения (1), но путем замены x i на y j и w ij на w jk .

Структурная схема искусственной нейронной сети.

Нейронные сети были созданы с одним скрытым слоем, как было ранее продемонстрировано для успешного моделирования прочности и удобоукладываемости бетона [32,35,36].Выбор количества нейронов в скрытом слое зависит от сложности задачи и обычно определяется эмпирически. Сети с диапазоном скрытых номеров нейронов были созданы и обучены с использованием обучающих данных. Ошибки прогноза, в данном случае среднеквадратическая ошибка (RMS), данных тестирования были оценены, и была принята модель с наименьшей ошибкой. Для каждого выхода были созданы и обучены четыре нейронные сети с 2, 4, 6 и 8 скрытыми нейронами. В этой статье модели нейронных сетей обозначаются в соответствии с количеством нейронов в каждом слое «входной слой — скрытый слой — выходной слой» и рассматриваемым выходным параметром (сила или спад).

Веса для каждого нейрона были рандомизированы перед обучением сети. Начальная скорость обучения составляла 0,7, после 7 циклов обучения она снизилась на 1%. Кроме того, начальный коэффициент импульса составлял 0,7, который уменьшался на 1% после каждых 500 циклов. Использовался онлайн-режим обучения, в котором веса обновлялись после каждой записи, а данные представлялись в случайном порядке. Обучение каждой сети было остановлено после 5000 циклов. Было замечено, что RMS стабилизировалась для всех сетей примерно после 2000–3000 циклов обучения.

4.4. Оценка модели

показывает ошибки прогнозирования RMS моделей для набора данных тестирования. Можно видеть, что наименьшая ошибка для прогнозирования оседания — это модель оседания 8-2-1, тогда как для прогнозирования прочности наименьшая ошибка получается при использовании модели прочности 8-6-1, и поэтому они были приняты как наиболее точные. модели для данного набора данных.

Таблица 7

Ошибки RMS модели ИНС для набора данных тестирования.

Модель RMS (мм) Модель RMS (Н / мм 2 )
8-8-1 спад 13.36 8-8-1 прочность 2,70
8-6-1 спад 13,58 8-6-1 прочность 2,61
8-4-1 спад 11,50 8-4-1 сила 2,87
8-2-1 спад 7,97 8-2-1 сила 4,09

Чтобы проверить возможности прогнозирования четырех моделей бетонные смеси были приготовлены с тем же содержанием FA, CA и цемента, как подробно описано в Разделе 2, но с различными дозировками воды и добавок.Эти смеси включали измельчительную пыль, которая не использовалась при обучении или тестировании моделей, природный песок, гранитный песок без глин и песчано-песчаный песок с частицами глины. Входные значения модели, взятые из смесей валидации, приведены в.

Таблица 8

Подтверждение входных значений смеси.

9019

1,0

Смесь для валидации Соотношение w / c Добавка (л / м 3 ) GMBV (г / кг песка) SE Пустоты (%) Время истечения (%) Водопоглощение (%) Содержание мелких частиц (%)
Дробильная пыль 0.65 0 1,55 44 42,2 36,6 0,77 9,3
NS 0,51 0 0,35 9019 9019 0,35
GC 0,60 0 0,71 71 43,7 23,9 0,58 5,1
GS-0 60 3 1,84 30 41,6 22,3 0,98 5,0

Расчетные и фактические значения осадки и прочности на сжатие для проверенных смесей показаны соответственно. Модель осадки 8-2-1 имела среднеквадратичное значение 26,61 мм и самую высокую процентную ошибку 34% для смеси NS. Следует отметить, что в диапазоне спада 50–100 мм, где располагалась большая часть обучающих данных, процентная погрешность не превышает 21%.Кроме того, принимая во внимание искусственные значения 300 мм, принятые для обрушения осадки в данных обучения, можно было ожидать, что будет завышенная оценка осадки в смесях с более высокой удобоукладываемостью. Тем не менее, завышение значения осадки предпочтительнее недооценки, поскольку для достижения желаемой удобоукладываемости смеси могут использоваться другие методы. Можно видеть, что прогнозы прочности на сжатие относительно точны с максимальной процентной ошибкой 13% и среднеквадратичным значением 4.47 Н / мм 2 для модели прочности 8-6-1. Опять же, недооценка (если таковая имеется) прогнозируемой прочности на сжатие предпочтительнее завышенной оценки, особенно при проектировании конструкций.

Прогнозируемые и фактические значения осадки для проверочных смесей.

Расчетные и фактические значения прочности на сжатие для проверочных смесей.

Численная оценка модели может помочь подтвердить, что ИНС действительно усвоила лежащую в основе теоретическую взаимосвязь.Параметры мелкого заполнителя следует рассматривать одновременно, поскольку трудно идентифицировать влияние какого-либо одного входного параметра на удобоукладываемость и прочность на сжатие бетона из-за многопараметрического нелинейного характера взаимосвязи между переменными. a, b показывают вариацию прогнозов спада с SE и GMBV, а также значения времени потока и пустот, когда все остальные свойства сохраняются на средних значениях из набора обучающих данных (). Видно, что для жидких смесей с соотношением в / ц 0.6 и 0,7 наблюдается заметное уменьшение осадки по мере увеличения содержания глины. В то время как в жестких смесях (соотношение 0,5 в / ц) это мало влияет на прогнозы оседания. Точно так же для жестких смесей не наблюдается влияния формы и градации на осадку, тогда как для жидких смесей, чем более угловат заполнитель, на что указывает увеличение содержания пустот, тем ниже осадка, аналогично более мелкая градация, на что указывает уменьшение потока время, тем меньше прогнозируемый спад.

Вариация прогнозов осадки с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

a, b показывает изменение прочности на сжатие из-за значений SE и GMBV, а также содержания пустот и времени истечения. Можно видеть, что для SE и GMBV, когда отношение w / c составляет 0,7, прогнозы прочности на сжатие относительно постоянны, тогда как для отношения w / c 0,6 и 0,5 существует оптимальный диапазон значений для SE и GMBV, которые приводят к наивысшему прочность на сжатие. Помня, что соотношение вода / цемент является доминирующим фактором, определяющим прочность бетона, можно увидеть, что при высоком соотношении вода / цемент (0.7) форма, текстура или гранулометрический состав заполнителя мало влияют на прочность на сжатие, в отличие от бетонов с высокой прочностью (с низким соотношением масс. / Цемент.), Как наблюдали Donza et al. [37]. Время растекания в основном определяется гранулометрическим составом и структурой поверхности мелкого заполнителя. Было показано Li et al. [30], что если классификация такая же, то увеличенное время истечения указывает на более грубую поверхность мелких частиц заполнителя, что увеличивает прочность на сжатие.

Вариация прогнозов прочности на сжатие с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

Можно сделать вывод, что модели ИНС могут использоваться для оценки удобоукладываемости и прочности бетона на сжатие, когда свойства мелкого заполнителя используются наряду с составом смеси в качестве входных параметров модели ИНС. Однако у таких моделей есть ограничения, главное из которых состоит в том, что они хорошо работают только в том диапазоне входных и выходных переменных, с которым они были обучены. Можно также сделать вывод, что модели ИНС, разработанные в этом исследовании, действительны, и прогнозы в целом соответствуют теоретическим соотношениям между составом смеси, параметрами мелкозернистого заполнителя и свойствами бетона.Таким образом, этот тип модели может использоваться для уменьшения усилий, необходимых для разработки рабочих бетонных смесей, или для сравнения характеристик различных мелких заполнителей с помощью простых тестов классификации заполнителей.

5. Выводы

Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами, и изучить их использование в бетоне в качестве 100% замены природного песка.Результаты экспериментального исследования, представленные в этой статье, продемонстрировали, что дробильная установка V7 способна производить искусственные пески с аналогичным гранулометрическим составом независимо от минералогии материнской породы. Была предложена серия испытаний, которые позволили косвенно измерить форму, текстуру поверхности, классификацию и наличие вредной мелочи, которые использовались для характеристики физических свойств природных песков, необработанной пыли от дробилок и промышленных песков. Из этих испытаний было очевидно, что промышленные частицы песка улучшенной формы и качества по сравнению с природным песком и необработанной дробильной пылью были произведены дробильной установкой V7, наряду с уменьшением количества глинистых частиц в мелкодисперсной части по сравнению с исходным материалом. .

Подходящие для обработки бетоны были произведены с использованием искусственного песка в качестве единственного мелкозернистого заполнителя при различных соотношениях в / ц. Присутствие глин в промышленных песках может быть ограничивающим фактором при их использовании в бетонных изделиях, где требуется высокая консистенция и относительно низкие отношения в / ц. Тем не менее, адекватный бетон, содержащий искусственный песок в качестве единственного мелкого заполнителя, может быть получен. Действительно, при том же соотношении вода / цемент прочность на сжатие и изгиб изготовленных песчаных бетонов была выше, чем у их аналогов из природного песка.Считается, что это связано с угловатой формой материала, которая положительно влияет на сцепление заполнителя и, следовательно, приводит к улучшенному сцеплению между цементом и частицами заполнителя. Присутствие глины не повлияло на 28-дневную прочность бетона, изготовленного с тем же соотношением воды и цемента с различными минералогическими свойствами искусственного песка. Таким образом, существует возможность использования глинистых заполнителей в бетоне, что ранее не приветствовалось. Оптимальное содержание мелких частиц 7% наблюдалось для облегчения обработки, укладки и отделки произведенного пескобетона.Однако в исследованном диапазоне содержания мелких частиц от 1% до 9% не наблюдалось значительной тенденции между содержанием мелких частиц и прочностью бетона на сжатие. Таким образом, чтобы максимально повысить эффективность использования материалов, можно использовать сорта искусственного песка с более высоким содержанием мелочи, когда прочность на сжатие является контролируемым свойством.

Было показано, что модели ANN могут использоваться для оценки прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя и состава смеси с разумной точностью.Такие модели, вместе с описанными ранее испытаниями характеристик, могут использоваться в строительной отрасли, когда на рынок выходят новые источники мелкозернистых заполнителей. Использование моделей устранит необходимость в обширных лабораторных испытаниях для выбора подходящего состава смеси и определения свойств свежего и затвердевшего бетона.

Исследование использования искусственного песка в качестве 100% замены мелкозернистого заполнителя в бетоне

Реферат

Промышленный песок отличается от природного морского и речного песка, вынутого драгой, по своим физическим и минералогическим свойствам.Они могут быть как полезными, так и вредными для свежих и затвердевших свойств бетона. В данной статье представлены результаты лабораторного исследования, в котором промышленный песок, произведенный на дробильной установке промышленного размера, был охарактеризован в отношении его физических и минералогических свойств. Влияние этих характеристик на удобоукладываемость и прочность бетона, когда промышленный песок полностью заменяет природный песок в бетоне, было исследовано и смоделировано с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС).Результаты показывают, что изготовленный песчаный бетон, изготовленный в этом исследовании, обычно требует более высокого отношения воды / цемента (в / ц) для удобоукладываемости, равного таковому у природного песчаного бетона, из-за более высокой угловатости полученных частиц песка. Чтобы компенсировать это, можно использовать добавки, уменьшающие количество воды, если производимый песок не содержит частиц глины. При том же соотношении воды и металла прочность на сжатие и изгиб производимого песчаного бетона превышает прочность природного песчаника. ИНС оказался ценным и надежным методом прогнозирования прочности и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя (ТВС) и состава бетонной смеси.

Ключевые слова: промышленный песок, бетон, искусственные нейронные сети

1. Введение

Во многих странах источники природного песка для использования в качестве заполнителя в строительстве становятся дефицитными, поскольку песчаные карьеры исчерпаны, а законодательство по охране окружающей среды препятствует проведению дноуглубительных работ [1 , 2,3]. Это вызывает потребность в источниках альтернативных заполнителей, например, из отходов строительства и сноса. Одним из возможных источников строительного заполнителя является песок, который был произведен из избыточного материала (дробильная пыль), образующегося при добыче крупного заполнителя в карьерах твердых пород.При производстве крупного заполнителя обычно получается от 25% до 45% дробильной пыли в зависимости от материнской породы, дробильного оборудования и условий дробления [2]. В карьерах Великобритании имеются значительные запасы дробильной пыли, которую можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы обеспечить большую часть песка, необходимого для строительной отрасли, используя те же каналы продаж и доставки, что и сейчас для грубых заполнителей. Преимущество этого заключается в возможности указывать заполнители из карьеров, близких к месту их конечного использования, тем самым сокращая расстояния транспортировки и минимизируя загрязнение.Однако, по сравнению с природной пылью для дробления песка, пыль, как правило, имеет худшую форму и текстурные свойства, а также плохую сортировку и незнакомый минералогический состав, что влияет на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Форма и текстура дробильной пыли в основном зависят от (i) типа дробилки [3,4]; (ii) отношение размера материала, подаваемого в дробилку, к размеру готового продукта (коэффициент измельчения) и (iii) материнской породы. Роторные дробилки разрушают породу, «ударяя» по материалу, что вызывает разрушение породы по естественным зонам ослабления вдоль границ раздела зерен [5], обычно производя частицы хорошей кубической формы.Щековые и большие вращательные дробилки обычно производят частицы плохой (некубической) формы из-за того, что камера дробления редко бывает заполнена, чтобы обеспечить дробление между частицами [5]. Роторные дробилки широко используются для дробления различных пород от мягких до твердых, таких как базальт, гранит, твердый известняк. Условия нагружения ударных дробилок обычно приводят к более высокой вероятности разрушения слабых или чешуйчатых частиц, причем разрушение происходит из-за раскола, с заметным вкладом из-за истирания поверхности.В результате с помощью этого процесса дробления производится больше мелкозернистых заполнителей равномерного размера по сравнению с другими методами, такими как конусная, щековая и валковая дробилки. Было показано, что чем более угловатая форма мелкого заполнителя, тем больше потребность в воде в бетоне и растворах, и поэтому использование ударных дробилок сводит к минимуму этот неблагоприятный эффект [6]. Тем не менее, исследователи также обнаружили, что прочность бетона на изгиб и сжатие выигрывает от угловатости измельченного мелкозернистого заполнителя из-за улучшенного сцепления и сцепления заполнителя по сравнению с натуральными песчаными бетоном и растворами при том же соотношении вода / цемент [6,7].

Типичный гранулометрический состав пыли от дробилок редко соответствует требованиям национальных стандартов. В основном это происходит из-за избытка (> 20%) мелких частиц, проходящих через сито 63 мкм, и недостатка частиц размером от 0,3 мм до 1 мм. Пыль от дробилки может образовывать «жесткие» смеси с проблемами просачивания, если ее промывают и просеивают до установленных пределов. Поэтому, чтобы минимизировать пустоты и снизить потребность в воде в бетоне, дробильная пыль смешивается с мелким природным песком, чтобы улучшить удобоукладываемость и отделочную обработку [8].Частицы, проходящие через сито 63 мкм, называемые в этой статье мелкими частицами, могут сильно повлиять на свежие свойства бетона, поскольку они увеличивают удельную поверхность мелкозернистого заполнителя, что требует увеличения дозировки воды / добавки для обеспечения постоянной удобоукладываемости [ 7]. Если материнская порода не содержит глины, можно производить приемлемые бетоны, содержащие от 15% до 20% мелочи [1,9]. И наоборот, присутствие глины в материнской породе и, следовательно, мелочи может иметь пагубное влияние не только на потребность в воде / добавках, но также на характеристики затвердевшего бетона [10,11].Таким образом, важно определить эффективный и быстрый метод проверки мелких частиц на потенциально вредные частицы и установить соответствующие ограничения для их использования в бетоне.

Во многих исследованиях изучали влияние частичной замены мелкозернистого заполнителя в бетоне с использованием дробильной пыли или небольших образцов измельченного песка на свойства бетона [8,12,13]. Однако по полной замене естественного мелкого заполнителя в бетоне дробильной пылью было выполнено мало работы.В ответ на это в данном исследовании был изучен ряд песков, производимых дробильной установкой KEMCO V7 промышленного размера, которая перерабатывает пыль от дробилок в модифицированной ударной дробилке и классифицирует размер частиц с помощью воздушного экрана, как более подробно описано в [ 14]. Этот процесс приводит к получению песчаного продукта с хорошей сортировкой и формой с наполнителем, в основном содержащим мелкие частицы. Установку можно рассматривать как дополнительную стадию дробления в карьере, которую можно использовать для переработки излишков дробильной пыли, тем самым увеличивая общий выход из карьера.

Поскольку промышленные пески обладают свойствами, отличными от природных, было бы полезно иметь возможность прогнозировать свойства получаемого бетона без обширных лабораторных испытаний. Были предприняты многочисленные попытки смоделировать влияние физических и химических характеристик заполнителей на свежие и затвердевшие свойства бетона и предоставить процедуры проектирования бетонной смеси [15,16]. Они в некоторой степени учитывают ряд характеристик заполнителя: гранулометрический состав, максимальный размер заполнителя и тип заполнителя (натуральный или дробленый).Однако, поскольку эти процедуры основаны на статистических данных для многих бетонных смесей, результаты являются обобщенными и в случае конкретного типа заполнителя, такого как дробильная пыль или промышленные заполнители, могут не дать ожидаемых конечных свойств бетона. Кроме того, оценки прочности бетона на сжатие основаны на соотношении вода / цемент, которое для типичных заполнителей может быть правильным, но для очень угловатых или очень мелких заполнителей может оказаться неточным представлением прочности.Подобные эффекты могут быть обнаружены при измерениях согласованности.

Было разработано и исследовано несколько моделей, которые оценивают упаковку частиц в агрегатных смесях [17,18,19,20]. Был сделан вывод, что они являются полезными инструментами для моделирования смесей заполнителей с минимальным содержанием пустот. Однако наиболее распространенные допущения в моделях насадки заключаются в том, что частицы имеют сферическую форму, и поэтому комбинации заполнителя и цемента с минимальным содержанием пустот не обязательно приводят к ожидаемым свойствам бетонной смеси.Модель сжимаемой насадки [21] показала себя относительно точной с различными заполнителями, включая измельченный известняковый песок с высоким содержанием наполнителя, однако она имеет тенденцию к завышению плотности [22], и нет никаких ссылок на влияние глины. частиц на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Ряд исследователей обратились к моделям ИНС для прогнозирования свойств бетона с использованием параметров состава смеси для различных типов бетона [23,24,25,26].Однако они все еще не полностью учитывают свойства агрегатов. Разработка модели ИНС, которая учитывает как совокупные свойства, так и состав смеси, может быть полезным инструментом для оценки ожидаемых характеристик свежего и затвердевшего бетона, изготовленного из промышленных заполнителей.

Основная цель данной статьи — представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами и впоследствии использовать в качестве 100% замены природного песка в бетоне.Структура статьи следующая:

  • В разделе 2 представлены экспериментальные детали, связанные с использованием ряда искусственных песков с различным содержанием мелочи в качестве полной замены природного песка в бетоне. В нем также представлен выбор и обоснование тестов для определения характеристик мелкого заполнителя, используемых в этом исследовании.

  • Раздел 3 представляет результаты испытаний свежего и затвердевшего бетона в сочетании с результатами определения характеристик мелкозернистого заполнителя и использует их для оценки свойств, которые делают промышленный песок пригодным для применения в бетоне.

  • Раздел 4 описывает разработку, обучение и оценку модели ИНС с использованием данных, представленных в Разделе 3, и еще одной серии проверочных бетонных смесей. Модель ИНС используется для прогнозирования прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона с использованием свойств мелкозернистого заполнителя в качестве одной из основных входных переменных модели.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

В этом исследовании использовался цемент CEM I 52,5N (CEMEX, Rugby, UK), соответствующий стандарту BS EN 197-1: 2011 с указанным химическим составом, вместе с измельченным известняком размером 4/20 мм с крупным заполнителем (CA) ( CEMEX, Кардифф, Великобритания).Гранулометрический состав последнего сообщается позже в разделе 3.1. При необходимости добавлялась добавка для снижения уровня воды WRDA 90 (Grace Construction Products, Уоррингтон, Великобритания), соответствующая британскому стандарту BS EN 934-2: 2001.

Таблица 1

99 3 2 O

99 3 2 O

99 3 3

Оксид Состав оксида (вес.%)
SiO 2 19,7
Al 2 O 8
Fe 2 O 3 3,1
CaO 63,6
MgO 1,2
SO

SO 9019 3 0,1
Свободный CaO 2,3
Na 2 Oeq 1 0,7
LOI 2 гранит

2 гранит , базальтовая и песчано-дробильная пыль перерабатывалась на заводе V7.Дробильная установка V7 может производить песок различной градации. Было произведено и испытано не менее четырех градаций произведенного песка из каждой дробильной пыли. Также для сравнения были включены фракции пыли дробилки (необработанные) 0/4 мм. В качестве контрольного мелкого заполнителя использовался морской песок, извлеченный из дноуглубительных работ, соответствующий стандарту BS EN 12620: 2002. показаны обозначения, используемые в этой статье для всех мелких агрегатов.

Таблица 2

BAASAL

Описание Штраф Содержание 1 Тип Обозначение
Природный песок, извлеченный морским путем, 1.0 Natural NS
Базальтовая дробильная пыль 10.0 Дробленая B-FEED
Базальтовый песок 1.0 Промышленный BB
Базальтовый песок 5,1 Промышленный BC
Базальтовый песок 7,4 Промышленный BD Гранитная пыль.0 Дробленый G-FEED
Гранитный песок 2,0 Промышленный GA
Гранитный песок 2,9 Промышленный Гранитный песок GB Произведенный GC
Гранитный песок 6.5 Произведенный GD
Гранитный песок 9,0 Произведенный GE
Limestone

щебень.0 Дробленый L-FEED
Песок известняковый 2,8 Промышленный LA
Песок известняк 4,9 Песок промышленный B 7,1 L Произведено LC
Песок известняковый 9,0 Произведенный LD
Пыль для дробления песчаника 18.0 Дробленый GS-FEED
Песок песчаниковый 3,5 Промышленный GS-A
Песок песчаник 5,0 Песок Gritstone Промышленный GS-FEED 7,0 Произведено GS-C
Песок песчаниковый 9,0 Произведено GS-D

2.2. Испытания мелкого заполнителя

Как обсуждалось ранее, классификация мелкого заполнителя является важным фактором, влияющим на характеристики бетона, поэтому все мелкие заполнители были проверены на гранулометрический состав в соответствии с BS EN 933-1: 1997.Форму и текстуру песка сложно измерить напрямую, поэтому в национальных стандартах Великобритании используются преимущественно качественные тесты для определения характеристик. Однако испытание конуса потока в Новой Зеландии (NZFC) (NZS 3111: 1986), использованное в исследовании, предлагает косвенное измерение формы и текстуры путем измерения (i) времени истечения мелкозернистого заполнителя через воронку известной геометрии и ) содержание неплотных пустот в мелких заполнителях после их сбора в приемной камере.На поток материала в основном влияют форма и текстура поверхности частиц, а содержание пустот определяется классом и формой частиц [1]. Стандартный пакет технических условий, описанный в NZS 3121: 1986 для содержания пустот по сравнению с временем истечения , был разработан для определения характеристик различных природных песков в бетоне. Конверт основан на опыте властей Новой Зеландии и включен в этот документ для сравнения с промышленным песком.

Также, как подчеркивается во введении, присутствие вредных частиц, таких как глины, может иметь пагубное влияние на водопотребность свежего бетона и характеристики бетона в его затвердевшем состоянии. Поэтому требовался быстрый и эффективный метод просеивания песков. Были использованы два теста на значение метиленового синего (МБ); Британский стандартный тест (BS EN 933-9: 1999 для фракции 0/2 мм), включающий титрование раствором МБ, и тест, разработанный Grace Construction Products (ASTM WK36804) с использованием предварительно откалиброванного колориметра, позволяющий напрямую определять МБ расход раствора.В данном документе эти тесты будут называться показателем метиленового синего (MBV) и градационным показателем метиленового синего (GMBV) соответственно. Также был использован тест эквивалента песка (SE) (BS EN 933-8: 1999 для фракции 0/2 мм), который оценивает долю очень мелких частиц и частиц размером с глину во всем образце. Промышленные и дробленые пески обычно имеют более низкие значения SE, чем чистые природные пески из-за пыли трещин, образующихся в процессе дробления.

Плотность частиц и водопоглощение, которые являются функциями минералогического состава заполнителя, были определены в соответствии с BS EN 1097-6: 2000.Измерение плотности в сухом состоянии использовалось при расчете пустот NZFC, а абсорбционная способность использовалась для корректировки содержания воды в различных бетонных смесях.

2.3. Бетонные испытания, отверждение и детали образца

Основными характеристиками бетонной смеси являются ее удобоукладываемость и прочность. Поэтому свежий бетон был испытан на оседание в соответствии с BS EN 12350-2: 2009. Кроме того, были сделаны наблюдения во время смешивания, укладки и отделки образцов бетона, так как одно только испытание на осадку не полностью характеризует удобоукладываемость бетонных смесей, содержащих искусственные пески [8].

Затвердевший бетон был испытан на прочность на сжатие ( f ‘ c ) через 1, 7 и 28 дней согласно BS EN 12390-3: 2009 и прочность на изгиб ( f t ) через 28 дней согласно BS EN 12390-5: 2009. Для испытаний прочности на сжатие и изгиб использовались стандартные лабораторные формы. Они имели размеры 100 × 100 × 100 мм 3 и 500 × 100 × 100 мм 3 соответственно, что соответствовало требованиям BS EN 12390-1: 2012 к размеру формы в отношении максимального размера заполнителя.Признано, что использование этих размеров образцов для бетона, сделанного из 20-миллиметрового крупного заполнителя, могло привести к немного большей вариативности и незначительно более низкой прочности, чем было бы получено с более крупными образцами (например, 150 × 150 × 150 мм 3 ). Это происходит из-за повышенной относительной неоднородности и «так называемого» эффекта стенки, который возникает, когда отношение максимального размера заполнителя к размеру образца превышает определенный предел (приблизительно 0,2) [27]. Тем не менее, была получена хорошая согласованность между несколькими образцами, испытанными для каждой смеси, что дает уверенность в значениях, полученных в качестве меры относительной прочности для различных рассматриваемых смесей.Из каждой бетонной смеси было отлито девять 100 × 100 × 100 мм 3 кубов и три 500 × 100 × 100 мм 3 балок. Через 16 часов они были извлечены из формы и помещены в резервуар для воды при температуре 20 ± 3 ° C до достижения возраста испытаний.

2.4. Состав бетонной смеси

Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе рассматривались смеси с контролируемой осадкой без добавления добавок, снижающих водоотдачу. Контрольная смесь с природным песком была приготовлена ​​с заданной оседкой S2 (50–90 мм), как указано в BS EN 206-1: 2000.Для искусственных песков пески с обозначением -B были смешаны для достижения той же осадки S2, что и контрольный образец, и было записано необходимое соотношение вода / цемент. Это соотношение в / ц сохранялось постоянным для оставшейся градации того же карьерного песка, регистрируя изменение осадки, наблюдаемое в каждой бетонной смеси. Вторая фаза исследования включала смеси, приготовленные с постоянным соотношением вода / ц (вес / ц = 0,55) и добавление достаточного объема добавки, снижающей воду, для достижения осадки S2.Добавляли уменьшающую воду добавку с приращениями примерно по 6 мл, и испытания на оседание повторяли до тех пор, пока не было зарегистрировано оседание S2. Смеси известняка и песка достигли осадки S2 при водном соотношении 0,55 без примесей, поэтому они были смешаны при более низком водном соотношении, равном 0,50. Чтобы сравнить свойства свежего и затвердевшего бетона между смесями, замену мелкозернистого заполнителя в каждой смеси производили по весу. Это обеспечило постоянство соотношений CA / FA и FA / цемент.Кроме того, содержание увлеченного воздуха в смесях было проверено в соответствии с методом манометра в BS EN 12350-7: 2009.

Состав смеси показан на. Во всех бетонных смесях масса воды и заполнителя была скорректирована в соответствии с абсорбционной способностью и содержанием воды в мелком и крупном заполнителе, чтобы поддерживать постоянное массовое соотношение воды и заполнителя для каждого производимого песка.

Таблица 3

Состав бетонной смеси.

Цемент (кг / м 3 ) FA (кг / м 3 ) CA (кг / м 3 ) с соотношением Примесь (л / м 3 )
350 753 1040 Варьируется 1
0.55 2
0 1
Варьируется 3 (см. Раздел 3.2)

3. Результаты и обсуждение

3.1. Результаты характеризации мелкого заполнителя

a – d показывает гранулометрический состав произведенных песков и соответствующей необработанной дробильной пыли, причем гранулометрические составы крупных и контрольных мелких заполнителей приведены в. Очевидно, что градация, полученная для фракций размером более 63 мкм для промышленных песков, очень похожа, независимо от минералогии породы, и это ключевая особенность перерабатывающей установки KEMCO V7.Предполагается, что мелочь различных минералогических песков схожа по форме и гранулометрическому составу из-за использования одного и того же производственного процесса для всех песков.

Гранулометрический состав промышленного песка для ( и ) базальтового песка; ( b ) Песок песчаниковый; ( c ) Песок гранитный; ( d ) Песок известняковый.

Гранулометрический состав крупнозернистого заполнителя и природного песка.

Содержание мелочи в промышленном песке варьировалось от 1% до 9%. По сравнению с необработанными материалами дробильной пыли, большинство производимых песков имели большее количество 0.Частицы от 3 до 1 мм, на что указывают более крутые градиенты градационных кривых в этой области. Улучшение гранулометрического состава в этом диапазоне не было столь выраженным в известняковых песках, как в других промышленных песках. Как отмечалось ранее, этот диапазон размеров частиц часто недостаточен в песчаных щебнях [1], поэтому необходимо, чтобы они были смешаны с мелким природным песком, чтобы сделать их пригодными для использования в бетонных приложениях. Это говорит о том, что, что касается гранулометрического состава, эти промышленные пески должны оказаться подходящей заменой мелкозернистым заполнителям в бетоне без необходимости смешивания с природным песком.

Все промышленные пески, использованные в этом исследовании, подпадают под стандарт Новой Зеландии для природных песков, в отличие от их аналогов дробильной пыли, как показано в. Это говорит о том, что класс и форма производимых песков должны подходить для использования в бетонных приложениях.

Результаты по конусу потока в Новой Зеландии.

Как показано на рисунке, частицы природного песка были гладкими и округлыми, в то время как необработанная пыль дробилки состояла из плоских и удлиненных частиц, имеющих угловую форму с острыми краями.Изготовленный песок снова имел угловатую форму, но более равномерный и округлый, чем необработанная дробильная пыль. Представленные изображения типичны для всех фракций и типов дробильных порошков и технологических песков, использованных в исследовании. Результаты NZFC подтверждают, что чем более гладкий и округлый песок, тем меньше время растекания.

Изображения фракций песка 4–2 мм ( a ) G-FEED ( b ) G-A ( c ) NS.

Если предположить, что определяющим фактором для измерения времени истечения является форма и текстура поверхности мелкозернистого заполнителя, то есть свидетельства того, что процесс KEMCO V7 улучшает эти характеристики, поскольку время истечения необработанного материала дробильной пыли составляло от 28 до 37 с. с, тогда как для всех обработанных песков он находился в диапазоне от 21 до 27 с.Если рассматривать обработанные пески с определенным минералогическим составом, можно увидеть, что время вытекания несколько сократилось с увеличением содержания мелочи. Это уменьшение обычно составляло от 1 до 3 с для оценок -D. Следовательно, можно сделать вывод, что основная часть сокращения времени истечения может быть отнесена на счет улучшения формы частиц в результате обработки.

Содержание неплотных пустот во всех базальтовых и песчанистых песках было ниже, чем в исходном материале. Однако содержание пустот во всех гранитных песках и крупнозернистом известняковом песке (L-A) было больше, чем в соответствующей пыли от дробилок.Это может быть связано с совокупным воздействием изменений в градации, а также формы конкретных песков.

Испытания

MBV и SE использовались для определения присутствия потенциально вредных частиц, в частности глин, в исследуемых мелких агрегатах. показывает, что у природных, гранитных и известняковых песков MBV ниже 0,63 г / кг, тогда как у базальтовых и песчанистых песков MBV выше 1,73 г / кг. Это предполагает присутствие глин в базальтовых и песчанистых песках, что может привести к увеличению потребности в воде и добавках при использовании в бетонной смеси [11].Однако с помощью этапа воздушной классификации в производственном процессе KEMCO V7 можно удалить часть вредной мелочи, что демонстрируется снижением MBV для всех песков по сравнению с их необработанными аналогами из дробильной пыли. Для базальтовых и песчанистых песков MBV увеличивается с увеличением содержания мелких частиц в результате большего количества глинистых частиц в мелкодисперсной фракции, тогда как незначительное увеличение MBV, наблюдаемое для гранитных и известняковых песков, связано с небольшим увеличением в удельной поверхности мелкой фракции.Стандартные тесты MBV и GMBV показывают прямую корреляцию, и, поскольку последний быстрее, чем стандартный тест MBV, он может быть ценной и надежной альтернативой.

Значение метиленового синего и результаты экспресс-теста на глину Grace.

показывает, что у природного песка самое высокое значение SE — 92, за ним следуют гранитные и известняковые пески, которые имеют значения SE в диапазоне от 67 до 80, базальтовые пески (от 58 до 73) и песчаниковые пески (от 27 до 31). . Как видно из результатов испытаний MBV, для определенного минералогического состава песка значения SE уменьшались по мере увеличения количества мелких частиц.Однако результаты тестов MBV и SE не показали прямой корреляции, о чем также сообщает Nikolaides et al. [28]. Это может быть связано с тем, что тест SE более чувствителен к доле пыли разрушения, чем тест MBV.

Стоимость песка в эквиваленте для мелких заполнителей.

Можно сделать вывод, что для материнских пород, содержащих глину, искусственный песок будет также включать определенную долю глины в мелкой фракции, тогда как, если материнская порода чистая, то мелочь представляет собой пыль трещин, образовавшуюся во время обработки.

Водопоглощение (WA24) необработанной дробильной пыли было либо выше, либо таким же, как у соответствующих обработанных песков, как показано на. Обработка дробильной пыли могла вызвать разрушение частиц через доступные для воды пустоты. Это, в свою очередь, могло уменьшить количество и объем этих пустот, которые измеряются с помощью теста на водопоглощение [29]. Кроме того, в стандарте BS EN 933-1: 1997 указано, что испытуемые пески необходимо промывать через сито 63 мкм, но покрытия, такие как глины, не могут быть легко удалены промывкой, что приводит к более высоким значениям поглощения для заполнителей с более высоким начальным содержанием мелочи.Это предположение подтверждается самыми высокими значениями водопоглощения, обнаруженными для песков с высоким MBV. Было обнаружено, что плотность в сухом состоянии для необработанной дробильной пыли и соответствующих им обработанных песков была относительно постоянной.

Таблица 4

Результаты водопоглощения и плотности в сухом состоянии.

Совокупное свойство NS G-FEED GA
GB
GC
GD
B-FEED BA
BB
BC
BD
L-FEED

L-FEED L-FEED
LD
GS-FEED GS-A
GS-B
GS-C
GS-D
WA24,% 1.04 0,58 0,58 1,92 1,67 0,62 0,45 1,53 0,98
ρ ряд , Mg / m

2,83 2,87 2,85 2,85 2,64 2,57

3,2. Конкретные результаты

Прочность на сжатие смесей с контролируемой осадкой в ​​основном определялась соотношением в / ц, как показано в.Самое низкое в / ц отношение 0,48 для природного песка обеспечило наивысшую прочность на сжатие за 28 дней, за ним следуют известняк, гранит, базальт и песчаник. При том же соотношении в / ц, равном 0,55, прочность на сжатие всех произведенных песчаных смесей превышала прочность на сжатие природных песчаных смесей (), и в то же время была сопоставима с прочностью на сжатие природных песчаных смесей с контролируемой осадкой. Точно так же прочность на изгиб всех смесей, кроме смеси G-E, превышала прочность на изгиб натурального песка при смешивании с постоянным соотношением в / ц.Прочность на сжатие и изгиб известняковых смесей при соотношении в / ц 0,50 превышала контрольную смесь природного песка или была равна ей.

Результаты смешивания с контролируемой осадкой.

Результаты смешивания с контролируемым соотношением вода / цемент и дозировка добавок.

Гранит, известняк и природные пески с низкими значениями MB требовали гораздо меньшего количества воды и водных примесей для достижения осадки S2, чем песчаниковые и базальтовые пески с MBV выше 1,73, как видно на рисунках и. Это подтверждает полезность тестов MB для выявления мелких заполнителей, которые могут отрицательно повлиять на свежие свойства бетона из-за присутствия частиц глины.

Эти результаты предполагают, что угловатая форма и шероховатая текстура поверхности искусственного песка способствовали прочности смеси на сжатие и изгиб благодаря сцеплению заполнителя и улучшенному сцеплению между цементной матрицей и частицами заполнителя. Аналогичные результаты были получены другими исследователями [5,8]. При водном соотношении 0,55 все изготовленные песчаные смеси за 28 дней достигли прочности на сжатие в диапазоне от 53 до 60,5 Н / мм 2 . Это говорит о том, что конкретные глины, присутствующие в песчаниках и базальтовых песках, не оказывают отрицательного влияния на прочность в течение 28 дней при том же соотношении воды и металла.Однако долгосрочное влияние стоимости МБ и глины на прочность в этом исследовании не исследовалось.

Некоторые из базальтовых и песчанистых песков, смешанных с соотношением вода / цемент 0,55, не достигли осадки S2 даже при дозах добавки, превышающих рекомендованные производителем. Это говорит о том, что если требуется пригодная для обработки бетонная смесь с разумным соотношением вода / цемент, то присутствие глины в производимом песке является первым и главным ограничивающим фактором. Однако, если для данного конкретного применения допустимы высокие соотношения вода / цемент, то увеличение соотношения вода / цемент может компенсировать негативное влияние присутствия глины на удобоукладываемость бетона.

сообщает о дозировке захваченного воздуха и примесей для обеих фаз. Измерение захваченного воздуха на этапе 1 колеблется от 0,45% до 1,60%. В каждой бетонной смеси она относительно постоянна, за исключением смесей G-B и GS-B. Это может быть связано либо с чрезмерной, либо с недостаточной вибрацией этих бетонных образцов соответственно. На этапе 2 измерение захваченного воздуха находится в диапазоне от 0,80% до 1,80%. Опять же, внутри каждой бетонной смеси измерения относительно постоянны и немного выше по сравнению с результатами фазы 1.Это может быть связано как с захватом воздуха в результате введения пластификатора, так и с пониженной консистенцией, что может привести к большему количеству воздушных пустот в затвердевшем бетоне.

Таблица 5

Дозировка захваченного воздуха и примесей для смесей Фазы 1 и Фазы 2.

9019

Обозначение смеси Фаза 1 Фаза 2
Захваченный воздух (%) Захваченный воздух (%) Дозировка добавки (л / м 3

0.50 0,90 0,00
GA 0,45 1,50 0,00
GB 1,60 1,40 0,00 GC
GD 0,65 1,40 0,62
GE 0,78 1,40 1,00
BA 0.50 1,41 2,75
BB 0,50 1,60 2,75
BC 0,45 1,30 3,30 9019 0,690
LA 1,40 1,30 1,63
LB 1,50 1,30 1,10
LC 1.48 1,10 1,35
LD 1,38 0,80 1,10
GS-A 1,40 1,28 2,45 9019

1,28 2,45 9019 9019 2,75
GS-C 1,00 1,35 2,75
GS-D 1,20 1,56 2,75 9272 общее снижение содержания наблюдалась в большинстве смесей, приготовленных без использования добавки, за исключением смесей BB, LC и GS-C, которые показали более высокие значения осадки.Это можно объяснить смазывающим эффектом повышенного содержания мелочи [30]. Однако дальнейшее увеличение содержания мелких частиц нивелирует это преимущество из-за увеличения удельной площади поверхности заполнителя, которую необходимо покрыть пастой, чтобы обеспечить такую ​​же удобоукладываемость. Однако для гранитных и известняковых песков уменьшение осадки с увеличением содержания мелочи при постоянном соотношении в / ц все же привело к спаду в пределах диапазона осадки S2. Это говорит о том, что содержание безглинистой мелочи в диапазоне от 1% до 9% для конкретной конструкции смеси не оказывает значительного влияния на осадку бетона.При постоянном значении осадки увеличение содержания мелких фракций заполнителя обычно требует более высоких объемов добавки. Однако, поскольку диапазон осадки S2 был задан на этапе 2, следует ожидать некоторого изменения дозировки примеси, как это наблюдалось для песчаника и известняка в песках. Смазывающий эффект мелких частиц, описанный для смесей фазы 1, также применим к смесям фазы 2.

На этапах смешивания и литья было замечено, что смесь природного песка была самой простой в обращении и отделке, как и ожидалось, благодаря округлому и гладкому мелкому заполнителю.Смеси с обозначением -A иногда были «жесткими», и их можно было обработать только с некоторыми усилиями из-за небольшого количества мелких частиц и отсутствия частиц диаметром менее 1 мм. Смеси G-B, G-C, G-D, L-B и L-C с низким MBV оказались легкими в обращении и отделке, даже несмотря на то, что они имели более низкие значения осадки, чем смеси -A. Было обнаружено, что смеси песчаника с соотношением вода / цемент 0,67 легко обрабатывать и отделывать. Базальтовые смеси были достаточно связными, но хорошо закончились. Было обнаружено, что смесь B-D является очень когезивной и быстро теряет удобоукладываемость, что может быть связано с поглощением воды из смеси глиной с высоким содержанием мелких частиц.Если принять во внимание градацию в a – d, можно сделать вывод, что для промышленного песка содержание безглинистой мелочи вместе с наличием частиц размером менее 1 мм важно для обеспечения надлежащих характеристик обработки и отделки бетона.

Не наблюдалось заслуживающей внимания корреляции между прочностью на сжатие, пределом прочности при изгибе и содержанием мелких частиц или классификацией мелких заполнителей, что позволяет предположить, что в диапазоне от 1% до 9% мелкие частицы не оказывают значительного влияния на прочность на сжатие и изгиб для данного состав смеси, когда используются добавки для повышения удобоукладываемости.Полностью признается важность рассмотрения других методов решения проблемы отсутствия штрафов, таких как использование фильтрующих материалов и дополнительных вяжущих материалов, а также влияние содержания цемента на характеристики смесей, содержащих технологический песок, и это является предметом постоянной работы. . Результаты предполагают, что более высокие уровни штрафов могут быть использованы в конкретных приложениях с соответствующим сокращением хранения или утилизации мелкозернистого материала. Дополнительные преимущества повышенной долговечности из-за того, что мелкозернистый материал блокирует поры (как сообщается в [12,31]), также могут быть реализованы за счет использования более высокого содержания мелких частиц, хотя это выходит за рамки данной статьи.

4. Моделирование искусственной нейронной сети

Моделирование ИНС было выбрано для этого исследования из-за его способности обобщать множественные переменные, нелинейные, сложные отношения и, таким образом, предсказывать результаты на основе ряда входных данных, с которыми они были обучены [32] . В этой статье с множественным обратным распространением (MBP) версии 2.2.4 [33] для построения и обучения моделей ИНС использовался бесплатный программный пакет. Полученные веса связи обученных моделей затем были перенесены в электронные таблицы MS Excel.Они использовались для анализа прогнозов, оценки и сравнения моделей.

4.1. Выбор входных параметров

Как уже говорилось, свойства бетона зависят от свойств заполнителей и состава смеси. Поскольку все смеси, использованные в этом исследовании, содержали одинаковое количество цемента, FA и CA, единственными переменными были соотношение вода / цемент и дозировка добавки, снижающей количество воды. Поэтому они были выбраны в качестве двух входных параметров, описывающих изменения в составе смеси.Существуют три основных свойства мелкозернистого заполнителя, которые влияют на удобоукладываемость и прочность бетона, что дает еще 8 входных параметров: градация (% мелких частиц, время истечения NZFC и содержание пустот), форма и текстура (на основании времени истечения NZFC и содержания пустот). ), качество мелочи (водопоглощение, GMBV и SE).

4.2. Набор данных

Модель была разработана с использованием данных, представленных в этом документе, вместе с данными из других аналогичных смесей, созданных в лаборатории во время проекта, что дает в общей сложности 44 ввода данных.Они были случайным образом разделены на 35 обучающих и 9 тестовых записей. показывает диапазон входных и выходных значений, используемых в наборе обучающих данных. Средние значения представляют собой свойства мелкозернистого заполнителя, с которым можно столкнуться, и могут быть смесью 50:50 извлеченного природного песка и загрязненной глиной карьерной пыли, смешанной с бетоном со средней дозировкой пластификатора и водным соотношением 0,62.

Таблица 6

Диапазон входных и выходных переменных и параметр, на который они влияют.

Переменная Минимум Максимум Среднее Влияние
w / c соотношение 0,48 0,75 0,619 Состав смеси 0,619 3 ) 0 3,3 1,65 Состав смеси
GMBV (г / кг песка) 0,35 6,16 3,26 9019 9019 9019 9019 9018 27 94 60.5 Качество штрафов
Водопоглощение (%) 0,45 1,92 1,19 Качество штрафов
Пустоты (%) 37,9 45,98 форма и текстура
Время истечения (с) 20,7 36,7 28,7 Градация, форма и текстура
Штраф (% от FA) 1 18 9.5 Градация
28 дней f ‘ c (Н / мм 2 ) 31,3 64,3 Результат
9019 300 1 Результат

4.3. Настройка модели

Для обучения нейронных сетей использовался алгоритм обратного распространения. Полное описание алгоритма и ИНС в целом предоставлено Фосеттом [34].показана типовая структура, принятая для этих моделей. После обучения ИНС полученные веса связей и «смещения» были перенесены в электронные таблицы. В них уравнение (1) использовалось для вычисления числовых значений нейронов в скрытом слое:

yj = F (∑i = 0n (xi · wij) + b)

(1)

где y j — нейрон в скрытом слое, x i — масштабированное входное значение, w ij — вес соединения, n — количество входов и b — константа, называемая «смещением» или «порогом», которая вычисляется во время обучения сети аналогично весам соединений. F — сигмовидная функция активации, полученная из уравнения (2), которая представляет нелинейное поведение бетона. Выходные значения z k вычисляются с использованием уравнения (1), но путем замены x i на y j и w ij на w jk .

Структурная схема искусственной нейронной сети.

Нейронные сети были созданы с одним скрытым слоем, как было ранее продемонстрировано для успешного моделирования прочности и удобоукладываемости бетона [32,35,36].Выбор количества нейронов в скрытом слое зависит от сложности задачи и обычно определяется эмпирически. Сети с диапазоном скрытых номеров нейронов были созданы и обучены с использованием обучающих данных. Ошибки прогноза, в данном случае среднеквадратическая ошибка (RMS), данных тестирования были оценены, и была принята модель с наименьшей ошибкой. Для каждого выхода были созданы и обучены четыре нейронные сети с 2, 4, 6 и 8 скрытыми нейронами. В этой статье модели нейронных сетей обозначаются в соответствии с количеством нейронов в каждом слое «входной слой — скрытый слой — выходной слой» и рассматриваемым выходным параметром (сила или спад).

Веса для каждого нейрона были рандомизированы перед обучением сети. Начальная скорость обучения составляла 0,7, после 7 циклов обучения она снизилась на 1%. Кроме того, начальный коэффициент импульса составлял 0,7, который уменьшался на 1% после каждых 500 циклов. Использовался онлайн-режим обучения, в котором веса обновлялись после каждой записи, а данные представлялись в случайном порядке. Обучение каждой сети было остановлено после 5000 циклов. Было замечено, что RMS стабилизировалась для всех сетей примерно после 2000–3000 циклов обучения.

4.4. Оценка модели

показывает ошибки прогнозирования RMS моделей для набора данных тестирования. Можно видеть, что наименьшая ошибка для прогнозирования оседания — это модель оседания 8-2-1, тогда как для прогнозирования прочности наименьшая ошибка получается при использовании модели прочности 8-6-1, и поэтому они были приняты как наиболее точные. модели для данного набора данных.

Таблица 7

Ошибки RMS модели ИНС для набора данных тестирования.

Модель RMS (мм) Модель RMS (Н / мм 2 )
8-8-1 спад 13.36 8-8-1 прочность 2,70
8-6-1 спад 13,58 8-6-1 прочность 2,61
8-4-1 спад 11,50 8-4-1 сила 2,87
8-2-1 спад 7,97 8-2-1 сила 4,09

Чтобы проверить возможности прогнозирования четырех моделей бетонные смеси были приготовлены с тем же содержанием FA, CA и цемента, как подробно описано в Разделе 2, но с различными дозировками воды и добавок.Эти смеси включали измельчительную пыль, которая не использовалась при обучении или тестировании моделей, природный песок, гранитный песок без глин и песчано-песчаный песок с частицами глины. Входные значения модели, взятые из смесей валидации, приведены в.

Таблица 8

Подтверждение входных значений смеси.

9019

1,0

Смесь для валидации Соотношение w / c Добавка (л / м 3 ) GMBV (г / кг песка) SE Пустоты (%) Время истечения (%) Водопоглощение (%) Содержание мелких частиц (%)
Дробильная пыль 0.65 0 1,55 44 42,2 36,6 0,77 9,3
NS 0,51 0 0,35 9019 9019 0,35
GC 0,60 0 0,71 71 43,7 23,9 0,58 5,1
GS-0 60 3 1,84 30 41,6 22,3 0,98 5,0

Расчетные и фактические значения осадки и прочности на сжатие для проверенных смесей показаны соответственно. Модель осадки 8-2-1 имела среднеквадратичное значение 26,61 мм и самую высокую процентную ошибку 34% для смеси NS. Следует отметить, что в диапазоне спада 50–100 мм, где располагалась большая часть обучающих данных, процентная погрешность не превышает 21%.Кроме того, принимая во внимание искусственные значения 300 мм, принятые для обрушения осадки в данных обучения, можно было ожидать, что будет завышенная оценка осадки в смесях с более высокой удобоукладываемостью. Тем не менее, завышение значения осадки предпочтительнее недооценки, поскольку для достижения желаемой удобоукладываемости смеси могут использоваться другие методы. Можно видеть, что прогнозы прочности на сжатие относительно точны с максимальной процентной ошибкой 13% и среднеквадратичным значением 4.47 Н / мм 2 для модели прочности 8-6-1. Опять же, недооценка (если таковая имеется) прогнозируемой прочности на сжатие предпочтительнее завышенной оценки, особенно при проектировании конструкций.

Прогнозируемые и фактические значения осадки для проверочных смесей.

Расчетные и фактические значения прочности на сжатие для проверочных смесей.

Численная оценка модели может помочь подтвердить, что ИНС действительно усвоила лежащую в основе теоретическую взаимосвязь.Параметры мелкого заполнителя следует рассматривать одновременно, поскольку трудно идентифицировать влияние какого-либо одного входного параметра на удобоукладываемость и прочность на сжатие бетона из-за многопараметрического нелинейного характера взаимосвязи между переменными. a, b показывают вариацию прогнозов спада с SE и GMBV, а также значения времени потока и пустот, когда все остальные свойства сохраняются на средних значениях из набора обучающих данных (). Видно, что для жидких смесей с соотношением в / ц 0.6 и 0,7 наблюдается заметное уменьшение осадки по мере увеличения содержания глины. В то время как в жестких смесях (соотношение 0,5 в / ц) это мало влияет на прогнозы оседания. Точно так же для жестких смесей не наблюдается влияния формы и градации на осадку, тогда как для жидких смесей, чем более угловат заполнитель, на что указывает увеличение содержания пустот, тем ниже осадка, аналогично более мелкая градация, на что указывает уменьшение потока время, тем меньше прогнозируемый спад.

Вариация прогнозов осадки с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

a, b показывает изменение прочности на сжатие из-за значений SE и GMBV, а также содержания пустот и времени истечения. Можно видеть, что для SE и GMBV, когда отношение w / c составляет 0,7, прогнозы прочности на сжатие относительно постоянны, тогда как для отношения w / c 0,6 и 0,5 существует оптимальный диапазон значений для SE и GMBV, которые приводят к наивысшему прочность на сжатие. Помня, что соотношение вода / цемент является доминирующим фактором, определяющим прочность бетона, можно увидеть, что при высоком соотношении вода / цемент (0.7) форма, текстура или гранулометрический состав заполнителя мало влияют на прочность на сжатие, в отличие от бетонов с высокой прочностью (с низким соотношением масс. / Цемент.), Как наблюдали Donza et al. [37]. Время растекания в основном определяется гранулометрическим составом и структурой поверхности мелкого заполнителя. Было показано Li et al. [30], что если классификация такая же, то увеличенное время истечения указывает на более грубую поверхность мелких частиц заполнителя, что увеличивает прочность на сжатие.

Вариация прогнозов прочности на сжатие с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

Можно сделать вывод, что модели ИНС могут использоваться для оценки удобоукладываемости и прочности бетона на сжатие, когда свойства мелкого заполнителя используются наряду с составом смеси в качестве входных параметров модели ИНС. Однако у таких моделей есть ограничения, главное из которых состоит в том, что они хорошо работают только в том диапазоне входных и выходных переменных, с которым они были обучены. Можно также сделать вывод, что модели ИНС, разработанные в этом исследовании, действительны, и прогнозы в целом соответствуют теоретическим соотношениям между составом смеси, параметрами мелкозернистого заполнителя и свойствами бетона.Таким образом, этот тип модели может использоваться для уменьшения усилий, необходимых для разработки рабочих бетонных смесей, или для сравнения характеристик различных мелких заполнителей с помощью простых тестов классификации заполнителей.

5. Выводы

Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами, и изучить их использование в бетоне в качестве 100% замены природного песка.Результаты экспериментального исследования, представленные в этой статье, продемонстрировали, что дробильная установка V7 способна производить искусственные пески с аналогичным гранулометрическим составом независимо от минералогии материнской породы. Была предложена серия испытаний, которые позволили косвенно измерить форму, текстуру поверхности, классификацию и наличие вредной мелочи, которые использовались для характеристики физических свойств природных песков, необработанной пыли от дробилок и промышленных песков. Из этих испытаний было очевидно, что промышленные частицы песка улучшенной формы и качества по сравнению с природным песком и необработанной дробильной пылью были произведены дробильной установкой V7, наряду с уменьшением количества глинистых частиц в мелкодисперсной части по сравнению с исходным материалом. .

Подходящие для обработки бетоны были произведены с использованием искусственного песка в качестве единственного мелкозернистого заполнителя при различных соотношениях в / ц. Присутствие глин в промышленных песках может быть ограничивающим фактором при их использовании в бетонных изделиях, где требуется высокая консистенция и относительно низкие отношения в / ц. Тем не менее, адекватный бетон, содержащий искусственный песок в качестве единственного мелкого заполнителя, может быть получен. Действительно, при том же соотношении вода / цемент прочность на сжатие и изгиб изготовленных песчаных бетонов была выше, чем у их аналогов из природного песка.Считается, что это связано с угловатой формой материала, которая положительно влияет на сцепление заполнителя и, следовательно, приводит к улучшенному сцеплению между цементом и частицами заполнителя. Присутствие глины не повлияло на 28-дневную прочность бетона, изготовленного с тем же соотношением воды и цемента с различными минералогическими свойствами искусственного песка. Таким образом, существует возможность использования глинистых заполнителей в бетоне, что ранее не приветствовалось. Оптимальное содержание мелких частиц 7% наблюдалось для облегчения обработки, укладки и отделки произведенного пескобетона.Однако в исследованном диапазоне содержания мелких частиц от 1% до 9% не наблюдалось значительной тенденции между содержанием мелких частиц и прочностью бетона на сжатие. Таким образом, чтобы максимально повысить эффективность использования материалов, можно использовать сорта искусственного песка с более высоким содержанием мелочи, когда прочность на сжатие является контролируемым свойством.

Было показано, что модели ANN могут использоваться для оценки прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя и состава смеси с разумной точностью.Такие модели, вместе с описанными ранее испытаниями характеристик, могут использоваться в строительной отрасли, когда на рынок выходят новые источники мелкозернистых заполнителей. Использование моделей устранит необходимость в обширных лабораторных испытаниях для выбора подходящего состава смеси и определения свойств свежего и затвердевшего бетона.

Исследование использования искусственного песка в качестве 100% замены мелкозернистого заполнителя в бетоне

Реферат

Промышленный песок отличается от природного морского и речного песка, вынутого драгой, по своим физическим и минералогическим свойствам.Они могут быть как полезными, так и вредными для свежих и затвердевших свойств бетона. В данной статье представлены результаты лабораторного исследования, в котором промышленный песок, произведенный на дробильной установке промышленного размера, был охарактеризован в отношении его физических и минералогических свойств. Влияние этих характеристик на удобоукладываемость и прочность бетона, когда промышленный песок полностью заменяет природный песок в бетоне, было исследовано и смоделировано с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС).Результаты показывают, что изготовленный песчаный бетон, изготовленный в этом исследовании, обычно требует более высокого отношения воды / цемента (в / ц) для удобоукладываемости, равного таковому у природного песчаного бетона, из-за более высокой угловатости полученных частиц песка. Чтобы компенсировать это, можно использовать добавки, уменьшающие количество воды, если производимый песок не содержит частиц глины. При том же соотношении воды и металла прочность на сжатие и изгиб производимого песчаного бетона превышает прочность природного песчаника. ИНС оказался ценным и надежным методом прогнозирования прочности и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя (ТВС) и состава бетонной смеси.

Ключевые слова: промышленный песок, бетон, искусственные нейронные сети

1. Введение

Во многих странах источники природного песка для использования в качестве заполнителя в строительстве становятся дефицитными, поскольку песчаные карьеры исчерпаны, а законодательство по охране окружающей среды препятствует проведению дноуглубительных работ [1 , 2,3]. Это вызывает потребность в источниках альтернативных заполнителей, например, из отходов строительства и сноса. Одним из возможных источников строительного заполнителя является песок, который был произведен из избыточного материала (дробильная пыль), образующегося при добыче крупного заполнителя в карьерах твердых пород.При производстве крупного заполнителя обычно получается от 25% до 45% дробильной пыли в зависимости от материнской породы, дробильного оборудования и условий дробления [2]. В карьерах Великобритании имеются значительные запасы дробильной пыли, которую можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы обеспечить большую часть песка, необходимого для строительной отрасли, используя те же каналы продаж и доставки, что и сейчас для грубых заполнителей. Преимущество этого заключается в возможности указывать заполнители из карьеров, близких к месту их конечного использования, тем самым сокращая расстояния транспортировки и минимизируя загрязнение.Однако, по сравнению с природной пылью для дробления песка, пыль, как правило, имеет худшую форму и текстурные свойства, а также плохую сортировку и незнакомый минералогический состав, что влияет на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Форма и текстура дробильной пыли в основном зависят от (i) типа дробилки [3,4]; (ii) отношение размера материала, подаваемого в дробилку, к размеру готового продукта (коэффициент измельчения) и (iii) материнской породы. Роторные дробилки разрушают породу, «ударяя» по материалу, что вызывает разрушение породы по естественным зонам ослабления вдоль границ раздела зерен [5], обычно производя частицы хорошей кубической формы.Щековые и большие вращательные дробилки обычно производят частицы плохой (некубической) формы из-за того, что камера дробления редко бывает заполнена, чтобы обеспечить дробление между частицами [5]. Роторные дробилки широко используются для дробления различных пород от мягких до твердых, таких как базальт, гранит, твердый известняк. Условия нагружения ударных дробилок обычно приводят к более высокой вероятности разрушения слабых или чешуйчатых частиц, причем разрушение происходит из-за раскола, с заметным вкладом из-за истирания поверхности.В результате с помощью этого процесса дробления производится больше мелкозернистых заполнителей равномерного размера по сравнению с другими методами, такими как конусная, щековая и валковая дробилки. Было показано, что чем более угловатая форма мелкого заполнителя, тем больше потребность в воде в бетоне и растворах, и поэтому использование ударных дробилок сводит к минимуму этот неблагоприятный эффект [6]. Тем не менее, исследователи также обнаружили, что прочность бетона на изгиб и сжатие выигрывает от угловатости измельченного мелкозернистого заполнителя из-за улучшенного сцепления и сцепления заполнителя по сравнению с натуральными песчаными бетоном и растворами при том же соотношении вода / цемент [6,7].

Типичный гранулометрический состав пыли от дробилок редко соответствует требованиям национальных стандартов. В основном это происходит из-за избытка (> 20%) мелких частиц, проходящих через сито 63 мкм, и недостатка частиц размером от 0,3 мм до 1 мм. Пыль от дробилки может образовывать «жесткие» смеси с проблемами просачивания, если ее промывают и просеивают до установленных пределов. Поэтому, чтобы минимизировать пустоты и снизить потребность в воде в бетоне, дробильная пыль смешивается с мелким природным песком, чтобы улучшить удобоукладываемость и отделочную обработку [8].Частицы, проходящие через сито 63 мкм, называемые в этой статье мелкими частицами, могут сильно повлиять на свежие свойства бетона, поскольку они увеличивают удельную поверхность мелкозернистого заполнителя, что требует увеличения дозировки воды / добавки для обеспечения постоянной удобоукладываемости [ 7]. Если материнская порода не содержит глины, можно производить приемлемые бетоны, содержащие от 15% до 20% мелочи [1,9]. И наоборот, присутствие глины в материнской породе и, следовательно, мелочи может иметь пагубное влияние не только на потребность в воде / добавках, но также на характеристики затвердевшего бетона [10,11].Таким образом, важно определить эффективный и быстрый метод проверки мелких частиц на потенциально вредные частицы и установить соответствующие ограничения для их использования в бетоне.

Во многих исследованиях изучали влияние частичной замены мелкозернистого заполнителя в бетоне с использованием дробильной пыли или небольших образцов измельченного песка на свойства бетона [8,12,13]. Однако по полной замене естественного мелкого заполнителя в бетоне дробильной пылью было выполнено мало работы.В ответ на это в данном исследовании был изучен ряд песков, производимых дробильной установкой KEMCO V7 промышленного размера, которая перерабатывает пыль от дробилок в модифицированной ударной дробилке и классифицирует размер частиц с помощью воздушного экрана, как более подробно описано в [ 14]. Этот процесс приводит к получению песчаного продукта с хорошей сортировкой и формой с наполнителем, в основном содержащим мелкие частицы. Установку можно рассматривать как дополнительную стадию дробления в карьере, которую можно использовать для переработки излишков дробильной пыли, тем самым увеличивая общий выход из карьера.

Поскольку промышленные пески обладают свойствами, отличными от природных, было бы полезно иметь возможность прогнозировать свойства получаемого бетона без обширных лабораторных испытаний. Были предприняты многочисленные попытки смоделировать влияние физических и химических характеристик заполнителей на свежие и затвердевшие свойства бетона и предоставить процедуры проектирования бетонной смеси [15,16]. Они в некоторой степени учитывают ряд характеристик заполнителя: гранулометрический состав, максимальный размер заполнителя и тип заполнителя (натуральный или дробленый).Однако, поскольку эти процедуры основаны на статистических данных для многих бетонных смесей, результаты являются обобщенными и в случае конкретного типа заполнителя, такого как дробильная пыль или промышленные заполнители, могут не дать ожидаемых конечных свойств бетона. Кроме того, оценки прочности бетона на сжатие основаны на соотношении вода / цемент, которое для типичных заполнителей может быть правильным, но для очень угловатых или очень мелких заполнителей может оказаться неточным представлением прочности.Подобные эффекты могут быть обнаружены при измерениях согласованности.

Было разработано и исследовано несколько моделей, которые оценивают упаковку частиц в агрегатных смесях [17,18,19,20]. Был сделан вывод, что они являются полезными инструментами для моделирования смесей заполнителей с минимальным содержанием пустот. Однако наиболее распространенные допущения в моделях насадки заключаются в том, что частицы имеют сферическую форму, и поэтому комбинации заполнителя и цемента с минимальным содержанием пустот не обязательно приводят к ожидаемым свойствам бетонной смеси.Модель сжимаемой насадки [21] показала себя относительно точной с различными заполнителями, включая измельченный известняковый песок с высоким содержанием наполнителя, однако она имеет тенденцию к завышению плотности [22], и нет никаких ссылок на влияние глины. частиц на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Ряд исследователей обратились к моделям ИНС для прогнозирования свойств бетона с использованием параметров состава смеси для различных типов бетона [23,24,25,26].Однако они все еще не полностью учитывают свойства агрегатов. Разработка модели ИНС, которая учитывает как совокупные свойства, так и состав смеси, может быть полезным инструментом для оценки ожидаемых характеристик свежего и затвердевшего бетона, изготовленного из промышленных заполнителей.

Основная цель данной статьи — представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами и впоследствии использовать в качестве 100% замены природного песка в бетоне.Структура статьи следующая:

  • В разделе 2 представлены экспериментальные детали, связанные с использованием ряда искусственных песков с различным содержанием мелочи в качестве полной замены природного песка в бетоне. В нем также представлен выбор и обоснование тестов для определения характеристик мелкого заполнителя, используемых в этом исследовании.

  • Раздел 3 представляет результаты испытаний свежего и затвердевшего бетона в сочетании с результатами определения характеристик мелкозернистого заполнителя и использует их для оценки свойств, которые делают промышленный песок пригодным для применения в бетоне.

  • Раздел 4 описывает разработку, обучение и оценку модели ИНС с использованием данных, представленных в Разделе 3, и еще одной серии проверочных бетонных смесей. Модель ИНС используется для прогнозирования прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона с использованием свойств мелкозернистого заполнителя в качестве одной из основных входных переменных модели.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

В этом исследовании использовался цемент CEM I 52,5N (CEMEX, Rugby, UK), соответствующий стандарту BS EN 197-1: 2011 с указанным химическим составом, вместе с измельченным известняком размером 4/20 мм с крупным заполнителем (CA) ( CEMEX, Кардифф, Великобритания).Гранулометрический состав последнего сообщается позже в разделе 3.1. При необходимости добавлялась добавка для снижения уровня воды WRDA 90 (Grace Construction Products, Уоррингтон, Великобритания), соответствующая британскому стандарту BS EN 934-2: 2001.

Таблица 1

99 3 2 O

99 3 2 O

99 3 3

Оксид Состав оксида (вес.%)
SiO 2 19,7
Al 2 O 8
Fe 2 O 3 3,1
CaO 63,6
MgO 1,2
SO

SO 9019 3 0,1
Свободный CaO 2,3
Na 2 Oeq 1 0,7
LOI 2 гранит

2 гранит , базальтовая и песчано-дробильная пыль перерабатывалась на заводе V7.Дробильная установка V7 может производить песок различной градации. Было произведено и испытано не менее четырех градаций произведенного песка из каждой дробильной пыли. Также для сравнения были включены фракции пыли дробилки (необработанные) 0/4 мм. В качестве контрольного мелкого заполнителя использовался морской песок, извлеченный из дноуглубительных работ, соответствующий стандарту BS EN 12620: 2002. показаны обозначения, используемые в этой статье для всех мелких агрегатов.

Таблица 2

BAASAL

Описание Штраф Содержание 1 Тип Обозначение
Природный песок, извлеченный морским путем, 1.0 Natural NS
Базальтовая дробильная пыль 10.0 Дробленая B-FEED
Базальтовый песок 1.0 Промышленный BB
Базальтовый песок 5,1 Промышленный BC
Базальтовый песок 7,4 Промышленный BD Гранитная пыль.0 Дробленый G-FEED
Гранитный песок 2,0 Промышленный GA
Гранитный песок 2,9 Промышленный Гранитный песок GB Произведенный GC
Гранитный песок 6.5 Произведенный GD
Гранитный песок 9,0 Произведенный GE
Limestone

щебень.0 Дробленый L-FEED
Песок известняковый 2,8 Промышленный LA
Песок известняк 4,9 Песок промышленный B 7,1 L Произведено LC
Песок известняковый 9,0 Произведенный LD
Пыль для дробления песчаника 18.0 Дробленый GS-FEED
Песок песчаниковый 3,5 Промышленный GS-A
Песок песчаник 5,0 Песок Gritstone Промышленный GS-FEED 7,0 Произведено GS-C
Песок песчаниковый 9,0 Произведено GS-D

2.2. Испытания мелкого заполнителя

Как обсуждалось ранее, классификация мелкого заполнителя является важным фактором, влияющим на характеристики бетона, поэтому все мелкие заполнители были проверены на гранулометрический состав в соответствии с BS EN 933-1: 1997.Форму и текстуру песка сложно измерить напрямую, поэтому в национальных стандартах Великобритании используются преимущественно качественные тесты для определения характеристик. Однако испытание конуса потока в Новой Зеландии (NZFC) (NZS 3111: 1986), использованное в исследовании, предлагает косвенное измерение формы и текстуры путем измерения (i) времени истечения мелкозернистого заполнителя через воронку известной геометрии и ) содержание неплотных пустот в мелких заполнителях после их сбора в приемной камере.На поток материала в основном влияют форма и текстура поверхности частиц, а содержание пустот определяется классом и формой частиц [1]. Стандартный пакет технических условий, описанный в NZS 3121: 1986 для содержания пустот по сравнению с временем истечения , был разработан для определения характеристик различных природных песков в бетоне. Конверт основан на опыте властей Новой Зеландии и включен в этот документ для сравнения с промышленным песком.

Также, как подчеркивается во введении, присутствие вредных частиц, таких как глины, может иметь пагубное влияние на водопотребность свежего бетона и характеристики бетона в его затвердевшем состоянии. Поэтому требовался быстрый и эффективный метод просеивания песков. Были использованы два теста на значение метиленового синего (МБ); Британский стандартный тест (BS EN 933-9: 1999 для фракции 0/2 мм), включающий титрование раствором МБ, и тест, разработанный Grace Construction Products (ASTM WK36804) с использованием предварительно откалиброванного колориметра, позволяющий напрямую определять МБ расход раствора.В данном документе эти тесты будут называться показателем метиленового синего (MBV) и градационным показателем метиленового синего (GMBV) соответственно. Также был использован тест эквивалента песка (SE) (BS EN 933-8: 1999 для фракции 0/2 мм), который оценивает долю очень мелких частиц и частиц размером с глину во всем образце. Промышленные и дробленые пески обычно имеют более низкие значения SE, чем чистые природные пески из-за пыли трещин, образующихся в процессе дробления.

Плотность частиц и водопоглощение, которые являются функциями минералогического состава заполнителя, были определены в соответствии с BS EN 1097-6: 2000.Измерение плотности в сухом состоянии использовалось при расчете пустот NZFC, а абсорбционная способность использовалась для корректировки содержания воды в различных бетонных смесях.

2.3. Бетонные испытания, отверждение и детали образца

Основными характеристиками бетонной смеси являются ее удобоукладываемость и прочность. Поэтому свежий бетон был испытан на оседание в соответствии с BS EN 12350-2: 2009. Кроме того, были сделаны наблюдения во время смешивания, укладки и отделки образцов бетона, так как одно только испытание на осадку не полностью характеризует удобоукладываемость бетонных смесей, содержащих искусственные пески [8].

Затвердевший бетон был испытан на прочность на сжатие ( f ‘ c ) через 1, 7 и 28 дней согласно BS EN 12390-3: 2009 и прочность на изгиб ( f t ) через 28 дней согласно BS EN 12390-5: 2009. Для испытаний прочности на сжатие и изгиб использовались стандартные лабораторные формы. Они имели размеры 100 × 100 × 100 мм 3 и 500 × 100 × 100 мм 3 соответственно, что соответствовало требованиям BS EN 12390-1: 2012 к размеру формы в отношении максимального размера заполнителя.Признано, что использование этих размеров образцов для бетона, сделанного из 20-миллиметрового крупного заполнителя, могло привести к немного большей вариативности и незначительно более низкой прочности, чем было бы получено с более крупными образцами (например, 150 × 150 × 150 мм 3 ). Это происходит из-за повышенной относительной неоднородности и «так называемого» эффекта стенки, который возникает, когда отношение максимального размера заполнителя к размеру образца превышает определенный предел (приблизительно 0,2) [27]. Тем не менее, была получена хорошая согласованность между несколькими образцами, испытанными для каждой смеси, что дает уверенность в значениях, полученных в качестве меры относительной прочности для различных рассматриваемых смесей.Из каждой бетонной смеси было отлито девять 100 × 100 × 100 мм 3 кубов и три 500 × 100 × 100 мм 3 балок. Через 16 часов они были извлечены из формы и помещены в резервуар для воды при температуре 20 ± 3 ° C до достижения возраста испытаний.

2.4. Состав бетонной смеси

Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе рассматривались смеси с контролируемой осадкой без добавления добавок, снижающих водоотдачу. Контрольная смесь с природным песком была приготовлена ​​с заданной оседкой S2 (50–90 мм), как указано в BS EN 206-1: 2000.Для искусственных песков пески с обозначением -B были смешаны для достижения той же осадки S2, что и контрольный образец, и было записано необходимое соотношение вода / цемент. Это соотношение в / ц сохранялось постоянным для оставшейся градации того же карьерного песка, регистрируя изменение осадки, наблюдаемое в каждой бетонной смеси. Вторая фаза исследования включала смеси, приготовленные с постоянным соотношением вода / ц (вес / ц = 0,55) и добавление достаточного объема добавки, снижающей воду, для достижения осадки S2.Добавляли уменьшающую воду добавку с приращениями примерно по 6 мл, и испытания на оседание повторяли до тех пор, пока не было зарегистрировано оседание S2. Смеси известняка и песка достигли осадки S2 при водном соотношении 0,55 без примесей, поэтому они были смешаны при более низком водном соотношении, равном 0,50. Чтобы сравнить свойства свежего и затвердевшего бетона между смесями, замену мелкозернистого заполнителя в каждой смеси производили по весу. Это обеспечило постоянство соотношений CA / FA и FA / цемент.Кроме того, содержание увлеченного воздуха в смесях было проверено в соответствии с методом манометра в BS EN 12350-7: 2009.

Состав смеси показан на. Во всех бетонных смесях масса воды и заполнителя была скорректирована в соответствии с абсорбционной способностью и содержанием воды в мелком и крупном заполнителе, чтобы поддерживать постоянное массовое соотношение воды и заполнителя для каждого производимого песка.

Таблица 3

Состав бетонной смеси.

Цемент (кг / м 3 ) FA (кг / м 3 ) CA (кг / м 3 ) с соотношением Примесь (л / м 3 )
350 753 1040 Варьируется 1
0.55 2
0 1
Варьируется 3 (см. Раздел 3.2)

3. Результаты и обсуждение

3.1. Результаты характеризации мелкого заполнителя

a – d показывает гранулометрический состав произведенных песков и соответствующей необработанной дробильной пыли, причем гранулометрические составы крупных и контрольных мелких заполнителей приведены в. Очевидно, что градация, полученная для фракций размером более 63 мкм для промышленных песков, очень похожа, независимо от минералогии породы, и это ключевая особенность перерабатывающей установки KEMCO V7.Предполагается, что мелочь различных минералогических песков схожа по форме и гранулометрическому составу из-за использования одного и того же производственного процесса для всех песков.

Гранулометрический состав промышленного песка для ( и ) базальтового песка; ( b ) Песок песчаниковый; ( c ) Песок гранитный; ( d ) Песок известняковый.

Гранулометрический состав крупнозернистого заполнителя и природного песка.

Содержание мелочи в промышленном песке варьировалось от 1% до 9%. По сравнению с необработанными материалами дробильной пыли, большинство производимых песков имели большее количество 0.Частицы от 3 до 1 мм, на что указывают более крутые градиенты градационных кривых в этой области. Улучшение гранулометрического состава в этом диапазоне не было столь выраженным в известняковых песках, как в других промышленных песках. Как отмечалось ранее, этот диапазон размеров частиц часто недостаточен в песчаных щебнях [1], поэтому необходимо, чтобы они были смешаны с мелким природным песком, чтобы сделать их пригодными для использования в бетонных приложениях. Это говорит о том, что, что касается гранулометрического состава, эти промышленные пески должны оказаться подходящей заменой мелкозернистым заполнителям в бетоне без необходимости смешивания с природным песком.

Все промышленные пески, использованные в этом исследовании, подпадают под стандарт Новой Зеландии для природных песков, в отличие от их аналогов дробильной пыли, как показано в. Это говорит о том, что класс и форма производимых песков должны подходить для использования в бетонных приложениях.

Результаты по конусу потока в Новой Зеландии.

Как показано на рисунке, частицы природного песка были гладкими и округлыми, в то время как необработанная пыль дробилки состояла из плоских и удлиненных частиц, имеющих угловую форму с острыми краями.Изготовленный песок снова имел угловатую форму, но более равномерный и округлый, чем необработанная дробильная пыль. Представленные изображения типичны для всех фракций и типов дробильных порошков и технологических песков, использованных в исследовании. Результаты NZFC подтверждают, что чем более гладкий и округлый песок, тем меньше время растекания.

Изображения фракций песка 4–2 мм ( a ) G-FEED ( b ) G-A ( c ) NS.

Если предположить, что определяющим фактором для измерения времени истечения является форма и текстура поверхности мелкозернистого заполнителя, то есть свидетельства того, что процесс KEMCO V7 улучшает эти характеристики, поскольку время истечения необработанного материала дробильной пыли составляло от 28 до 37 с. с, тогда как для всех обработанных песков он находился в диапазоне от 21 до 27 с.Если рассматривать обработанные пески с определенным минералогическим составом, можно увидеть, что время вытекания несколько сократилось с увеличением содержания мелочи. Это уменьшение обычно составляло от 1 до 3 с для оценок -D. Следовательно, можно сделать вывод, что основная часть сокращения времени истечения может быть отнесена на счет улучшения формы частиц в результате обработки.

Содержание неплотных пустот во всех базальтовых и песчанистых песках было ниже, чем в исходном материале. Однако содержание пустот во всех гранитных песках и крупнозернистом известняковом песке (L-A) было больше, чем в соответствующей пыли от дробилок.Это может быть связано с совокупным воздействием изменений в градации, а также формы конкретных песков.

Испытания

MBV и SE использовались для определения присутствия потенциально вредных частиц, в частности глин, в исследуемых мелких агрегатах. показывает, что у природных, гранитных и известняковых песков MBV ниже 0,63 г / кг, тогда как у базальтовых и песчанистых песков MBV выше 1,73 г / кг. Это предполагает присутствие глин в базальтовых и песчанистых песках, что может привести к увеличению потребности в воде и добавках при использовании в бетонной смеси [11].Однако с помощью этапа воздушной классификации в производственном процессе KEMCO V7 можно удалить часть вредной мелочи, что демонстрируется снижением MBV для всех песков по сравнению с их необработанными аналогами из дробильной пыли. Для базальтовых и песчанистых песков MBV увеличивается с увеличением содержания мелких частиц в результате большего количества глинистых частиц в мелкодисперсной фракции, тогда как незначительное увеличение MBV, наблюдаемое для гранитных и известняковых песков, связано с небольшим увеличением в удельной поверхности мелкой фракции.Стандартные тесты MBV и GMBV показывают прямую корреляцию, и, поскольку последний быстрее, чем стандартный тест MBV, он может быть ценной и надежной альтернативой.

Значение метиленового синего и результаты экспресс-теста на глину Grace.

показывает, что у природного песка самое высокое значение SE — 92, за ним следуют гранитные и известняковые пески, которые имеют значения SE в диапазоне от 67 до 80, базальтовые пески (от 58 до 73) и песчаниковые пески (от 27 до 31). . Как видно из результатов испытаний MBV, для определенного минералогического состава песка значения SE уменьшались по мере увеличения количества мелких частиц.Однако результаты тестов MBV и SE не показали прямой корреляции, о чем также сообщает Nikolaides et al. [28]. Это может быть связано с тем, что тест SE более чувствителен к доле пыли разрушения, чем тест MBV.

Стоимость песка в эквиваленте для мелких заполнителей.

Можно сделать вывод, что для материнских пород, содержащих глину, искусственный песок будет также включать определенную долю глины в мелкой фракции, тогда как, если материнская порода чистая, то мелочь представляет собой пыль трещин, образовавшуюся во время обработки.

Водопоглощение (WA24) необработанной дробильной пыли было либо выше, либо таким же, как у соответствующих обработанных песков, как показано на. Обработка дробильной пыли могла вызвать разрушение частиц через доступные для воды пустоты. Это, в свою очередь, могло уменьшить количество и объем этих пустот, которые измеряются с помощью теста на водопоглощение [29]. Кроме того, в стандарте BS EN 933-1: 1997 указано, что испытуемые пески необходимо промывать через сито 63 мкм, но покрытия, такие как глины, не могут быть легко удалены промывкой, что приводит к более высоким значениям поглощения для заполнителей с более высоким начальным содержанием мелочи.Это предположение подтверждается самыми высокими значениями водопоглощения, обнаруженными для песков с высоким MBV. Было обнаружено, что плотность в сухом состоянии для необработанной дробильной пыли и соответствующих им обработанных песков была относительно постоянной.

Таблица 4

Результаты водопоглощения и плотности в сухом состоянии.

Совокупное свойство NS G-FEED GA
GB
GC
GD
B-FEED BA
BB
BC
BD
L-FEED

L-FEED L-FEED
LD
GS-FEED GS-A
GS-B
GS-C
GS-D
WA24,% 1.04 0,58 0,58 1,92 1,67 0,62 0,45 1,53 0,98
ρ ряд , Mg / m

2,83 2,87 2,85 2,85 2,64 2,57

3,2. Конкретные результаты

Прочность на сжатие смесей с контролируемой осадкой в ​​основном определялась соотношением в / ц, как показано в.Самое низкое в / ц отношение 0,48 для природного песка обеспечило наивысшую прочность на сжатие за 28 дней, за ним следуют известняк, гранит, базальт и песчаник. При том же соотношении в / ц, равном 0,55, прочность на сжатие всех произведенных песчаных смесей превышала прочность на сжатие природных песчаных смесей (), и в то же время была сопоставима с прочностью на сжатие природных песчаных смесей с контролируемой осадкой. Точно так же прочность на изгиб всех смесей, кроме смеси G-E, превышала прочность на изгиб натурального песка при смешивании с постоянным соотношением в / ц.Прочность на сжатие и изгиб известняковых смесей при соотношении в / ц 0,50 превышала контрольную смесь природного песка или была равна ей.

Результаты смешивания с контролируемой осадкой.

Результаты смешивания с контролируемым соотношением вода / цемент и дозировка добавок.

Гранит, известняк и природные пески с низкими значениями MB требовали гораздо меньшего количества воды и водных примесей для достижения осадки S2, чем песчаниковые и базальтовые пески с MBV выше 1,73, как видно на рисунках и. Это подтверждает полезность тестов MB для выявления мелких заполнителей, которые могут отрицательно повлиять на свежие свойства бетона из-за присутствия частиц глины.

Эти результаты предполагают, что угловатая форма и шероховатая текстура поверхности искусственного песка способствовали прочности смеси на сжатие и изгиб благодаря сцеплению заполнителя и улучшенному сцеплению между цементной матрицей и частицами заполнителя. Аналогичные результаты были получены другими исследователями [5,8]. При водном соотношении 0,55 все изготовленные песчаные смеси за 28 дней достигли прочности на сжатие в диапазоне от 53 до 60,5 Н / мм 2 . Это говорит о том, что конкретные глины, присутствующие в песчаниках и базальтовых песках, не оказывают отрицательного влияния на прочность в течение 28 дней при том же соотношении воды и металла.Однако долгосрочное влияние стоимости МБ и глины на прочность в этом исследовании не исследовалось.

Некоторые из базальтовых и песчанистых песков, смешанных с соотношением вода / цемент 0,55, не достигли осадки S2 даже при дозах добавки, превышающих рекомендованные производителем. Это говорит о том, что если требуется пригодная для обработки бетонная смесь с разумным соотношением вода / цемент, то присутствие глины в производимом песке является первым и главным ограничивающим фактором. Однако, если для данного конкретного применения допустимы высокие соотношения вода / цемент, то увеличение соотношения вода / цемент может компенсировать негативное влияние присутствия глины на удобоукладываемость бетона.

сообщает о дозировке захваченного воздуха и примесей для обеих фаз. Измерение захваченного воздуха на этапе 1 колеблется от 0,45% до 1,60%. В каждой бетонной смеси она относительно постоянна, за исключением смесей G-B и GS-B. Это может быть связано либо с чрезмерной, либо с недостаточной вибрацией этих бетонных образцов соответственно. На этапе 2 измерение захваченного воздуха находится в диапазоне от 0,80% до 1,80%. Опять же, внутри каждой бетонной смеси измерения относительно постоянны и немного выше по сравнению с результатами фазы 1.Это может быть связано как с захватом воздуха в результате введения пластификатора, так и с пониженной консистенцией, что может привести к большему количеству воздушных пустот в затвердевшем бетоне.

Таблица 5

Дозировка захваченного воздуха и примесей для смесей Фазы 1 и Фазы 2.

9019

Обозначение смеси Фаза 1 Фаза 2
Захваченный воздух (%) Захваченный воздух (%) Дозировка добавки (л / м 3

0.50 0,90 0,00
GA 0,45 1,50 0,00
GB 1,60 1,40 0,00 GC
GD 0,65 1,40 0,62
GE 0,78 1,40 1,00
BA 0.50 1,41 2,75
BB 0,50 1,60 2,75
BC 0,45 1,30 3,30 9019 0,690
LA 1,40 1,30 1,63
LB 1,50 1,30 1,10
LC 1.48 1,10 1,35
LD 1,38 0,80 1,10
GS-A 1,40 1,28 2,45 9019

1,28 2,45 9019 9019 2,75
GS-C 1,00 1,35 2,75
GS-D 1,20 1,56 2,75 9272 общее снижение содержания наблюдалась в большинстве смесей, приготовленных без использования добавки, за исключением смесей BB, LC и GS-C, которые показали более высокие значения осадки.Это можно объяснить смазывающим эффектом повышенного содержания мелочи [30]. Однако дальнейшее увеличение содержания мелких частиц нивелирует это преимущество из-за увеличения удельной площади поверхности заполнителя, которую необходимо покрыть пастой, чтобы обеспечить такую ​​же удобоукладываемость. Однако для гранитных и известняковых песков уменьшение осадки с увеличением содержания мелочи при постоянном соотношении в / ц все же привело к спаду в пределах диапазона осадки S2. Это говорит о том, что содержание безглинистой мелочи в диапазоне от 1% до 9% для конкретной конструкции смеси не оказывает значительного влияния на осадку бетона.При постоянном значении осадки увеличение содержания мелких фракций заполнителя обычно требует более высоких объемов добавки. Однако, поскольку диапазон осадки S2 был задан на этапе 2, следует ожидать некоторого изменения дозировки примеси, как это наблюдалось для песчаника и известняка в песках. Смазывающий эффект мелких частиц, описанный для смесей фазы 1, также применим к смесям фазы 2.

На этапах смешивания и литья было замечено, что смесь природного песка была самой простой в обращении и отделке, как и ожидалось, благодаря округлому и гладкому мелкому заполнителю.Смеси с обозначением -A иногда были «жесткими», и их можно было обработать только с некоторыми усилиями из-за небольшого количества мелких частиц и отсутствия частиц диаметром менее 1 мм. Смеси G-B, G-C, G-D, L-B и L-C с низким MBV оказались легкими в обращении и отделке, даже несмотря на то, что они имели более низкие значения осадки, чем смеси -A. Было обнаружено, что смеси песчаника с соотношением вода / цемент 0,67 легко обрабатывать и отделывать. Базальтовые смеси были достаточно связными, но хорошо закончились. Было обнаружено, что смесь B-D является очень когезивной и быстро теряет удобоукладываемость, что может быть связано с поглощением воды из смеси глиной с высоким содержанием мелких частиц.Если принять во внимание градацию в a – d, можно сделать вывод, что для промышленного песка содержание безглинистой мелочи вместе с наличием частиц размером менее 1 мм важно для обеспечения надлежащих характеристик обработки и отделки бетона.

Не наблюдалось заслуживающей внимания корреляции между прочностью на сжатие, пределом прочности при изгибе и содержанием мелких частиц или классификацией мелких заполнителей, что позволяет предположить, что в диапазоне от 1% до 9% мелкие частицы не оказывают значительного влияния на прочность на сжатие и изгиб для данного состав смеси, когда используются добавки для повышения удобоукладываемости.Полностью признается важность рассмотрения других методов решения проблемы отсутствия штрафов, таких как использование фильтрующих материалов и дополнительных вяжущих материалов, а также влияние содержания цемента на характеристики смесей, содержащих технологический песок, и это является предметом постоянной работы. . Результаты предполагают, что более высокие уровни штрафов могут быть использованы в конкретных приложениях с соответствующим сокращением хранения или утилизации мелкозернистого материала. Дополнительные преимущества повышенной долговечности из-за того, что мелкозернистый материал блокирует поры (как сообщается в [12,31]), также могут быть реализованы за счет использования более высокого содержания мелких частиц, хотя это выходит за рамки данной статьи.

4. Моделирование искусственной нейронной сети

Моделирование ИНС было выбрано для этого исследования из-за его способности обобщать множественные переменные, нелинейные, сложные отношения и, таким образом, предсказывать результаты на основе ряда входных данных, с которыми они были обучены [32] . В этой статье с множественным обратным распространением (MBP) версии 2.2.4 [33] для построения и обучения моделей ИНС использовался бесплатный программный пакет. Полученные веса связи обученных моделей затем были перенесены в электронные таблицы MS Excel.Они использовались для анализа прогнозов, оценки и сравнения моделей.

4.1. Выбор входных параметров

Как уже говорилось, свойства бетона зависят от свойств заполнителей и состава смеси. Поскольку все смеси, использованные в этом исследовании, содержали одинаковое количество цемента, FA и CA, единственными переменными были соотношение вода / цемент и дозировка добавки, снижающей количество воды. Поэтому они были выбраны в качестве двух входных параметров, описывающих изменения в составе смеси.Существуют три основных свойства мелкозернистого заполнителя, которые влияют на удобоукладываемость и прочность бетона, что дает еще 8 входных параметров: градация (% мелких частиц, время истечения NZFC и содержание пустот), форма и текстура (на основании времени истечения NZFC и содержания пустот). ), качество мелочи (водопоглощение, GMBV и SE).

4.2. Набор данных

Модель была разработана с использованием данных, представленных в этом документе, вместе с данными из других аналогичных смесей, созданных в лаборатории во время проекта, что дает в общей сложности 44 ввода данных.Они были случайным образом разделены на 35 обучающих и 9 тестовых записей. показывает диапазон входных и выходных значений, используемых в наборе обучающих данных. Средние значения представляют собой свойства мелкозернистого заполнителя, с которым можно столкнуться, и могут быть смесью 50:50 извлеченного природного песка и загрязненной глиной карьерной пыли, смешанной с бетоном со средней дозировкой пластификатора и водным соотношением 0,62.

Таблица 6

Диапазон входных и выходных переменных и параметр, на который они влияют.

Переменная Минимум Максимум Среднее Влияние
w / c соотношение 0,48 0,75 0,619 Состав смеси 0,619 3 ) 0 3,3 1,65 Состав смеси
GMBV (г / кг песка) 0,35 6,16 3,26 9019 9019 9019 9019 9018 27 94 60.5 Качество штрафов
Водопоглощение (%) 0,45 1,92 1,19 Качество штрафов
Пустоты (%) 37,9 45,98 форма и текстура
Время истечения (с) 20,7 36,7 28,7 Градация, форма и текстура
Штраф (% от FA) 1 18 9.5 Градация
28 дней f ‘ c (Н / мм 2 ) 31,3 64,3 Результат
9019 300 1 Результат

4.3. Настройка модели

Для обучения нейронных сетей использовался алгоритм обратного распространения. Полное описание алгоритма и ИНС в целом предоставлено Фосеттом [34].показана типовая структура, принятая для этих моделей. После обучения ИНС полученные веса связей и «смещения» были перенесены в электронные таблицы. В них уравнение (1) использовалось для вычисления числовых значений нейронов в скрытом слое:

yj = F (∑i = 0n (xi · wij) + b)

(1)

где y j — нейрон в скрытом слое, x i — масштабированное входное значение, w ij — вес соединения, n — количество входов и b — константа, называемая «смещением» или «порогом», которая вычисляется во время обучения сети аналогично весам соединений. F — сигмовидная функция активации, полученная из уравнения (2), которая представляет нелинейное поведение бетона. Выходные значения z k вычисляются с использованием уравнения (1), но путем замены x i на y j и w ij на w jk .

Структурная схема искусственной нейронной сети.

Нейронные сети были созданы с одним скрытым слоем, как было ранее продемонстрировано для успешного моделирования прочности и удобоукладываемости бетона [32,35,36].Выбор количества нейронов в скрытом слое зависит от сложности задачи и обычно определяется эмпирически. Сети с диапазоном скрытых номеров нейронов были созданы и обучены с использованием обучающих данных. Ошибки прогноза, в данном случае среднеквадратическая ошибка (RMS), данных тестирования были оценены, и была принята модель с наименьшей ошибкой. Для каждого выхода были созданы и обучены четыре нейронные сети с 2, 4, 6 и 8 скрытыми нейронами. В этой статье модели нейронных сетей обозначаются в соответствии с количеством нейронов в каждом слое «входной слой — скрытый слой — выходной слой» и рассматриваемым выходным параметром (сила или спад).

Веса для каждого нейрона были рандомизированы перед обучением сети. Начальная скорость обучения составляла 0,7, после 7 циклов обучения она снизилась на 1%. Кроме того, начальный коэффициент импульса составлял 0,7, который уменьшался на 1% после каждых 500 циклов. Использовался онлайн-режим обучения, в котором веса обновлялись после каждой записи, а данные представлялись в случайном порядке. Обучение каждой сети было остановлено после 5000 циклов. Было замечено, что RMS стабилизировалась для всех сетей примерно после 2000–3000 циклов обучения.

4.4. Оценка модели

показывает ошибки прогнозирования RMS моделей для набора данных тестирования. Можно видеть, что наименьшая ошибка для прогнозирования оседания — это модель оседания 8-2-1, тогда как для прогнозирования прочности наименьшая ошибка получается при использовании модели прочности 8-6-1, и поэтому они были приняты как наиболее точные. модели для данного набора данных.

Таблица 7

Ошибки RMS модели ИНС для набора данных тестирования.

Модель RMS (мм) Модель RMS (Н / мм 2 )
8-8-1 спад 13.36 8-8-1 прочность 2,70
8-6-1 спад 13,58 8-6-1 прочность 2,61
8-4-1 спад 11,50 8-4-1 сила 2,87
8-2-1 спад 7,97 8-2-1 сила 4,09

Чтобы проверить возможности прогнозирования четырех моделей бетонные смеси были приготовлены с тем же содержанием FA, CA и цемента, как подробно описано в Разделе 2, но с различными дозировками воды и добавок.Эти смеси включали измельчительную пыль, которая не использовалась при обучении или тестировании моделей, природный песок, гранитный песок без глин и песчано-песчаный песок с частицами глины. Входные значения модели, взятые из смесей валидации, приведены в.

Таблица 8

Подтверждение входных значений смеси.

9019

1,0

Смесь для валидации Соотношение w / c Добавка (л / м 3 ) GMBV (г / кг песка) SE Пустоты (%) Время истечения (%) Водопоглощение (%) Содержание мелких частиц (%)
Дробильная пыль 0.65 0 1,55 44 42,2 36,6 0,77 9,3
NS 0,51 0 0,35 9019 9019 0,35
GC 0,60 0 0,71 71 43,7 23,9 0,58 5,1
GS-0 60 3 1,84 30 41,6 22,3 0,98 5,0

Расчетные и фактические значения осадки и прочности на сжатие для проверенных смесей показаны соответственно. Модель осадки 8-2-1 имела среднеквадратичное значение 26,61 мм и самую высокую процентную ошибку 34% для смеси NS. Следует отметить, что в диапазоне спада 50–100 мм, где располагалась большая часть обучающих данных, процентная погрешность не превышает 21%.Кроме того, принимая во внимание искусственные значения 300 мм, принятые для обрушения осадки в данных обучения, можно было ожидать, что будет завышенная оценка осадки в смесях с более высокой удобоукладываемостью. Тем не менее, завышение значения осадки предпочтительнее недооценки, поскольку для достижения желаемой удобоукладываемости смеси могут использоваться другие методы. Можно видеть, что прогнозы прочности на сжатие относительно точны с максимальной процентной ошибкой 13% и среднеквадратичным значением 4.47 Н / мм 2 для модели прочности 8-6-1. Опять же, недооценка (если таковая имеется) прогнозируемой прочности на сжатие предпочтительнее завышенной оценки, особенно при проектировании конструкций.

Прогнозируемые и фактические значения осадки для проверочных смесей.

Расчетные и фактические значения прочности на сжатие для проверочных смесей.

Численная оценка модели может помочь подтвердить, что ИНС действительно усвоила лежащую в основе теоретическую взаимосвязь.Параметры мелкого заполнителя следует рассматривать одновременно, поскольку трудно идентифицировать влияние какого-либо одного входного параметра на удобоукладываемость и прочность на сжатие бетона из-за многопараметрического нелинейного характера взаимосвязи между переменными. a, b показывают вариацию прогнозов спада с SE и GMBV, а также значения времени потока и пустот, когда все остальные свойства сохраняются на средних значениях из набора обучающих данных (). Видно, что для жидких смесей с соотношением в / ц 0.6 и 0,7 наблюдается заметное уменьшение осадки по мере увеличения содержания глины. В то время как в жестких смесях (соотношение 0,5 в / ц) это мало влияет на прогнозы оседания. Точно так же для жестких смесей не наблюдается влияния формы и градации на осадку, тогда как для жидких смесей, чем более угловат заполнитель, на что указывает увеличение содержания пустот, тем ниже осадка, аналогично более мелкая градация, на что указывает уменьшение потока время, тем меньше прогнозируемый спад.

Вариация прогнозов осадки с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

a, b показывает изменение прочности на сжатие из-за значений SE и GMBV, а также содержания пустот и времени истечения. Можно видеть, что для SE и GMBV, когда отношение w / c составляет 0,7, прогнозы прочности на сжатие относительно постоянны, тогда как для отношения w / c 0,6 и 0,5 существует оптимальный диапазон значений для SE и GMBV, которые приводят к наивысшему прочность на сжатие. Помня, что соотношение вода / цемент является доминирующим фактором, определяющим прочность бетона, можно увидеть, что при высоком соотношении вода / цемент (0.7) форма, текстура или гранулометрический состав заполнителя мало влияют на прочность на сжатие, в отличие от бетонов с высокой прочностью (с низким соотношением масс. / Цемент.), Как наблюдали Donza et al. [37]. Время растекания в основном определяется гранулометрическим составом и структурой поверхности мелкого заполнителя. Было показано Li et al. [30], что если классификация такая же, то увеличенное время истечения указывает на более грубую поверхность мелких частиц заполнителя, что увеличивает прочность на сжатие.

Вариация прогнозов прочности на сжатие с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

Можно сделать вывод, что модели ИНС могут использоваться для оценки удобоукладываемости и прочности бетона на сжатие, когда свойства мелкого заполнителя используются наряду с составом смеси в качестве входных параметров модели ИНС. Однако у таких моделей есть ограничения, главное из которых состоит в том, что они хорошо работают только в том диапазоне входных и выходных переменных, с которым они были обучены. Можно также сделать вывод, что модели ИНС, разработанные в этом исследовании, действительны, и прогнозы в целом соответствуют теоретическим соотношениям между составом смеси, параметрами мелкозернистого заполнителя и свойствами бетона.Таким образом, этот тип модели может использоваться для уменьшения усилий, необходимых для разработки рабочих бетонных смесей, или для сравнения характеристик различных мелких заполнителей с помощью простых тестов классификации заполнителей.

5. Выводы

Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами, и изучить их использование в бетоне в качестве 100% замены природного песка.Результаты экспериментального исследования, представленные в этой статье, продемонстрировали, что дробильная установка V7 способна производить искусственные пески с аналогичным гранулометрическим составом независимо от минералогии материнской породы. Была предложена серия испытаний, которые позволили косвенно измерить форму, текстуру поверхности, классификацию и наличие вредной мелочи, которые использовались для характеристики физических свойств природных песков, необработанной пыли от дробилок и промышленных песков. Из этих испытаний было очевидно, что промышленные частицы песка улучшенной формы и качества по сравнению с природным песком и необработанной дробильной пылью были произведены дробильной установкой V7, наряду с уменьшением количества глинистых частиц в мелкодисперсной части по сравнению с исходным материалом. .

Подходящие для обработки бетоны были произведены с использованием искусственного песка в качестве единственного мелкозернистого заполнителя при различных соотношениях в / ц. Присутствие глин в промышленных песках может быть ограничивающим фактором при их использовании в бетонных изделиях, где требуется высокая консистенция и относительно низкие отношения в / ц. Тем не менее, адекватный бетон, содержащий искусственный песок в качестве единственного мелкого заполнителя, может быть получен. Действительно, при том же соотношении вода / цемент прочность на сжатие и изгиб изготовленных песчаных бетонов была выше, чем у их аналогов из природного песка.Считается, что это связано с угловатой формой материала, которая положительно влияет на сцепление заполнителя и, следовательно, приводит к улучшенному сцеплению между цементом и частицами заполнителя. Присутствие глины не повлияло на 28-дневную прочность бетона, изготовленного с тем же соотношением воды и цемента с различными минералогическими свойствами искусственного песка. Таким образом, существует возможность использования глинистых заполнителей в бетоне, что ранее не приветствовалось. Оптимальное содержание мелких частиц 7% наблюдалось для облегчения обработки, укладки и отделки произведенного пескобетона.Однако в исследованном диапазоне содержания мелких частиц от 1% до 9% не наблюдалось значительной тенденции между содержанием мелких частиц и прочностью бетона на сжатие. Таким образом, чтобы максимально повысить эффективность использования материалов, можно использовать сорта искусственного песка с более высоким содержанием мелочи, когда прочность на сжатие является контролируемым свойством.

Было показано, что модели ANN могут использоваться для оценки прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя и состава смеси с разумной точностью.Такие модели, вместе с описанными ранее испытаниями характеристик, могут использоваться в строительной отрасли, когда на рынок выходят новые источники мелкозернистых заполнителей. Использование моделей устранит необходимость в обширных лабораторных испытаниях для выбора подходящего состава смеси и определения свойств свежего и затвердевшего бетона.

Исследование использования искусственного песка в качестве 100% замены мелкозернистого заполнителя в бетоне

Реферат

Промышленный песок отличается от природного морского и речного песка, вынутого драгой, по своим физическим и минералогическим свойствам.Они могут быть как полезными, так и вредными для свежих и затвердевших свойств бетона. В данной статье представлены результаты лабораторного исследования, в котором промышленный песок, произведенный на дробильной установке промышленного размера, был охарактеризован в отношении его физических и минералогических свойств. Влияние этих характеристик на удобоукладываемость и прочность бетона, когда промышленный песок полностью заменяет природный песок в бетоне, было исследовано и смоделировано с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС).Результаты показывают, что изготовленный песчаный бетон, изготовленный в этом исследовании, обычно требует более высокого отношения воды / цемента (в / ц) для удобоукладываемости, равного таковому у природного песчаного бетона, из-за более высокой угловатости полученных частиц песка. Чтобы компенсировать это, можно использовать добавки, уменьшающие количество воды, если производимый песок не содержит частиц глины. При том же соотношении воды и металла прочность на сжатие и изгиб производимого песчаного бетона превышает прочность природного песчаника. ИНС оказался ценным и надежным методом прогнозирования прочности и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя (ТВС) и состава бетонной смеси.

Ключевые слова: промышленный песок, бетон, искусственные нейронные сети

1. Введение

Во многих странах источники природного песка для использования в качестве заполнителя в строительстве становятся дефицитными, поскольку песчаные карьеры исчерпаны, а законодательство по охране окружающей среды препятствует проведению дноуглубительных работ [1 , 2,3]. Это вызывает потребность в источниках альтернативных заполнителей, например, из отходов строительства и сноса. Одним из возможных источников строительного заполнителя является песок, который был произведен из избыточного материала (дробильная пыль), образующегося при добыче крупного заполнителя в карьерах твердых пород.При производстве крупного заполнителя обычно получается от 25% до 45% дробильной пыли в зависимости от материнской породы, дробильного оборудования и условий дробления [2]. В карьерах Великобритании имеются значительные запасы дробильной пыли, которую можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы обеспечить большую часть песка, необходимого для строительной отрасли, используя те же каналы продаж и доставки, что и сейчас для грубых заполнителей. Преимущество этого заключается в возможности указывать заполнители из карьеров, близких к месту их конечного использования, тем самым сокращая расстояния транспортировки и минимизируя загрязнение.Однако, по сравнению с природной пылью для дробления песка, пыль, как правило, имеет худшую форму и текстурные свойства, а также плохую сортировку и незнакомый минералогический состав, что влияет на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Форма и текстура дробильной пыли в основном зависят от (i) типа дробилки [3,4]; (ii) отношение размера материала, подаваемого в дробилку, к размеру готового продукта (коэффициент измельчения) и (iii) материнской породы. Роторные дробилки разрушают породу, «ударяя» по материалу, что вызывает разрушение породы по естественным зонам ослабления вдоль границ раздела зерен [5], обычно производя частицы хорошей кубической формы.Щековые и большие вращательные дробилки обычно производят частицы плохой (некубической) формы из-за того, что камера дробления редко бывает заполнена, чтобы обеспечить дробление между частицами [5]. Роторные дробилки широко используются для дробления различных пород от мягких до твердых, таких как базальт, гранит, твердый известняк. Условия нагружения ударных дробилок обычно приводят к более высокой вероятности разрушения слабых или чешуйчатых частиц, причем разрушение происходит из-за раскола, с заметным вкладом из-за истирания поверхности.В результате с помощью этого процесса дробления производится больше мелкозернистых заполнителей равномерного размера по сравнению с другими методами, такими как конусная, щековая и валковая дробилки. Было показано, что чем более угловатая форма мелкого заполнителя, тем больше потребность в воде в бетоне и растворах, и поэтому использование ударных дробилок сводит к минимуму этот неблагоприятный эффект [6]. Тем не менее, исследователи также обнаружили, что прочность бетона на изгиб и сжатие выигрывает от угловатости измельченного мелкозернистого заполнителя из-за улучшенного сцепления и сцепления заполнителя по сравнению с натуральными песчаными бетоном и растворами при том же соотношении вода / цемент [6,7].

Типичный гранулометрический состав пыли от дробилок редко соответствует требованиям национальных стандартов. В основном это происходит из-за избытка (> 20%) мелких частиц, проходящих через сито 63 мкм, и недостатка частиц размером от 0,3 мм до 1 мм. Пыль от дробилки может образовывать «жесткие» смеси с проблемами просачивания, если ее промывают и просеивают до установленных пределов. Поэтому, чтобы минимизировать пустоты и снизить потребность в воде в бетоне, дробильная пыль смешивается с мелким природным песком, чтобы улучшить удобоукладываемость и отделочную обработку [8].Частицы, проходящие через сито 63 мкм, называемые в этой статье мелкими частицами, могут сильно повлиять на свежие свойства бетона, поскольку они увеличивают удельную поверхность мелкозернистого заполнителя, что требует увеличения дозировки воды / добавки для обеспечения постоянной удобоукладываемости [ 7]. Если материнская порода не содержит глины, можно производить приемлемые бетоны, содержащие от 15% до 20% мелочи [1,9]. И наоборот, присутствие глины в материнской породе и, следовательно, мелочи может иметь пагубное влияние не только на потребность в воде / добавках, но также на характеристики затвердевшего бетона [10,11].Таким образом, важно определить эффективный и быстрый метод проверки мелких частиц на потенциально вредные частицы и установить соответствующие ограничения для их использования в бетоне.

Во многих исследованиях изучали влияние частичной замены мелкозернистого заполнителя в бетоне с использованием дробильной пыли или небольших образцов измельченного песка на свойства бетона [8,12,13]. Однако по полной замене естественного мелкого заполнителя в бетоне дробильной пылью было выполнено мало работы.В ответ на это в данном исследовании был изучен ряд песков, производимых дробильной установкой KEMCO V7 промышленного размера, которая перерабатывает пыль от дробилок в модифицированной ударной дробилке и классифицирует размер частиц с помощью воздушного экрана, как более подробно описано в [ 14]. Этот процесс приводит к получению песчаного продукта с хорошей сортировкой и формой с наполнителем, в основном содержащим мелкие частицы. Установку можно рассматривать как дополнительную стадию дробления в карьере, которую можно использовать для переработки излишков дробильной пыли, тем самым увеличивая общий выход из карьера.

Поскольку промышленные пески обладают свойствами, отличными от природных, было бы полезно иметь возможность прогнозировать свойства получаемого бетона без обширных лабораторных испытаний. Были предприняты многочисленные попытки смоделировать влияние физических и химических характеристик заполнителей на свежие и затвердевшие свойства бетона и предоставить процедуры проектирования бетонной смеси [15,16]. Они в некоторой степени учитывают ряд характеристик заполнителя: гранулометрический состав, максимальный размер заполнителя и тип заполнителя (натуральный или дробленый).Однако, поскольку эти процедуры основаны на статистических данных для многих бетонных смесей, результаты являются обобщенными и в случае конкретного типа заполнителя, такого как дробильная пыль или промышленные заполнители, могут не дать ожидаемых конечных свойств бетона. Кроме того, оценки прочности бетона на сжатие основаны на соотношении вода / цемент, которое для типичных заполнителей может быть правильным, но для очень угловатых или очень мелких заполнителей может оказаться неточным представлением прочности.Подобные эффекты могут быть обнаружены при измерениях согласованности.

Было разработано и исследовано несколько моделей, которые оценивают упаковку частиц в агрегатных смесях [17,18,19,20]. Был сделан вывод, что они являются полезными инструментами для моделирования смесей заполнителей с минимальным содержанием пустот. Однако наиболее распространенные допущения в моделях насадки заключаются в том, что частицы имеют сферическую форму, и поэтому комбинации заполнителя и цемента с минимальным содержанием пустот не обязательно приводят к ожидаемым свойствам бетонной смеси.Модель сжимаемой насадки [21] показала себя относительно точной с различными заполнителями, включая измельченный известняковый песок с высоким содержанием наполнителя, однако она имеет тенденцию к завышению плотности [22], и нет никаких ссылок на влияние глины. частиц на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Ряд исследователей обратились к моделям ИНС для прогнозирования свойств бетона с использованием параметров состава смеси для различных типов бетона [23,24,25,26].Однако они все еще не полностью учитывают свойства агрегатов. Разработка модели ИНС, которая учитывает как совокупные свойства, так и состав смеси, может быть полезным инструментом для оценки ожидаемых характеристик свежего и затвердевшего бетона, изготовленного из промышленных заполнителей.

Основная цель данной статьи — представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами и впоследствии использовать в качестве 100% замены природного песка в бетоне.Структура статьи следующая:

  • В разделе 2 представлены экспериментальные детали, связанные с использованием ряда искусственных песков с различным содержанием мелочи в качестве полной замены природного песка в бетоне. В нем также представлен выбор и обоснование тестов для определения характеристик мелкого заполнителя, используемых в этом исследовании.

  • Раздел 3 представляет результаты испытаний свежего и затвердевшего бетона в сочетании с результатами определения характеристик мелкозернистого заполнителя и использует их для оценки свойств, которые делают промышленный песок пригодным для применения в бетоне.

  • Раздел 4 описывает разработку, обучение и оценку модели ИНС с использованием данных, представленных в Разделе 3, и еще одной серии проверочных бетонных смесей. Модель ИНС используется для прогнозирования прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона с использованием свойств мелкозернистого заполнителя в качестве одной из основных входных переменных модели.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

В этом исследовании использовался цемент CEM I 52,5N (CEMEX, Rugby, UK), соответствующий стандарту BS EN 197-1: 2011 с указанным химическим составом, вместе с измельченным известняком размером 4/20 мм с крупным заполнителем (CA) ( CEMEX, Кардифф, Великобритания).Гранулометрический состав последнего сообщается позже в разделе 3.1. При необходимости добавлялась добавка для снижения уровня воды WRDA 90 (Grace Construction Products, Уоррингтон, Великобритания), соответствующая британскому стандарту BS EN 934-2: 2001.

Таблица 1

99 3 2 O

99 3 2 O

99 3 3

Оксид Состав оксида (вес.%)
SiO 2 19,7
Al 2 O 8
Fe 2 O 3 3,1
CaO 63,6
MgO 1,2
SO

SO 9019 3 0,1
Свободный CaO 2,3
Na 2 Oeq 1 0,7
LOI 2 гранит

2 гранит , базальтовая и песчано-дробильная пыль перерабатывалась на заводе V7.Дробильная установка V7 может производить песок различной градации. Было произведено и испытано не менее четырех градаций произведенного песка из каждой дробильной пыли. Также для сравнения были включены фракции пыли дробилки (необработанные) 0/4 мм. В качестве контрольного мелкого заполнителя использовался морской песок, извлеченный из дноуглубительных работ, соответствующий стандарту BS EN 12620: 2002. показаны обозначения, используемые в этой статье для всех мелких агрегатов.

Таблица 2

BAASAL

Описание Штраф Содержание 1 Тип Обозначение
Природный песок, извлеченный морским путем, 1.0 Natural NS
Базальтовая дробильная пыль 10.0 Дробленая B-FEED
Базальтовый песок 1.0 Промышленный BB
Базальтовый песок 5,1 Промышленный BC
Базальтовый песок 7,4 Промышленный BD Гранитная пыль.0 Дробленый G-FEED
Гранитный песок 2,0 Промышленный GA
Гранитный песок 2,9 Промышленный Гранитный песок GB Произведенный GC
Гранитный песок 6.5 Произведенный GD
Гранитный песок 9,0 Произведенный GE
Limestone

щебень.0 Дробленый L-FEED
Песок известняковый 2,8 Промышленный LA
Песок известняк 4,9 Песок промышленный B 7,1 L Произведено LC
Песок известняковый 9,0 Произведенный LD
Пыль для дробления песчаника 18.0 Дробленый GS-FEED
Песок песчаниковый 3,5 Промышленный GS-A
Песок песчаник 5,0 Песок Gritstone Промышленный GS-FEED 7,0 Произведено GS-C
Песок песчаниковый 9,0 Произведено GS-D

2.2. Испытания мелкого заполнителя

Как обсуждалось ранее, классификация мелкого заполнителя является важным фактором, влияющим на характеристики бетона, поэтому все мелкие заполнители были проверены на гранулометрический состав в соответствии с BS EN 933-1: 1997.Форму и текстуру песка сложно измерить напрямую, поэтому в национальных стандартах Великобритании используются преимущественно качественные тесты для определения характеристик. Однако испытание конуса потока в Новой Зеландии (NZFC) (NZS 3111: 1986), использованное в исследовании, предлагает косвенное измерение формы и текстуры путем измерения (i) времени истечения мелкозернистого заполнителя через воронку известной геометрии и ) содержание неплотных пустот в мелких заполнителях после их сбора в приемной камере.На поток материала в основном влияют форма и текстура поверхности частиц, а содержание пустот определяется классом и формой частиц [1]. Стандартный пакет технических условий, описанный в NZS 3121: 1986 для содержания пустот по сравнению с временем истечения , был разработан для определения характеристик различных природных песков в бетоне. Конверт основан на опыте властей Новой Зеландии и включен в этот документ для сравнения с промышленным песком.

Также, как подчеркивается во введении, присутствие вредных частиц, таких как глины, может иметь пагубное влияние на водопотребность свежего бетона и характеристики бетона в его затвердевшем состоянии. Поэтому требовался быстрый и эффективный метод просеивания песков. Были использованы два теста на значение метиленового синего (МБ); Британский стандартный тест (BS EN 933-9: 1999 для фракции 0/2 мм), включающий титрование раствором МБ, и тест, разработанный Grace Construction Products (ASTM WK36804) с использованием предварительно откалиброванного колориметра, позволяющий напрямую определять МБ расход раствора.В данном документе эти тесты будут называться показателем метиленового синего (MBV) и градационным показателем метиленового синего (GMBV) соответственно. Также был использован тест эквивалента песка (SE) (BS EN 933-8: 1999 для фракции 0/2 мм), который оценивает долю очень мелких частиц и частиц размером с глину во всем образце. Промышленные и дробленые пески обычно имеют более низкие значения SE, чем чистые природные пески из-за пыли трещин, образующихся в процессе дробления.

Плотность частиц и водопоглощение, которые являются функциями минералогического состава заполнителя, были определены в соответствии с BS EN 1097-6: 2000.Измерение плотности в сухом состоянии использовалось при расчете пустот NZFC, а абсорбционная способность использовалась для корректировки содержания воды в различных бетонных смесях.

2.3. Бетонные испытания, отверждение и детали образца

Основными характеристиками бетонной смеси являются ее удобоукладываемость и прочность. Поэтому свежий бетон был испытан на оседание в соответствии с BS EN 12350-2: 2009. Кроме того, были сделаны наблюдения во время смешивания, укладки и отделки образцов бетона, так как одно только испытание на осадку не полностью характеризует удобоукладываемость бетонных смесей, содержащих искусственные пески [8].

Затвердевший бетон был испытан на прочность на сжатие ( f ‘ c ) через 1, 7 и 28 дней согласно BS EN 12390-3: 2009 и прочность на изгиб ( f t ) через 28 дней согласно BS EN 12390-5: 2009. Для испытаний прочности на сжатие и изгиб использовались стандартные лабораторные формы. Они имели размеры 100 × 100 × 100 мм 3 и 500 × 100 × 100 мм 3 соответственно, что соответствовало требованиям BS EN 12390-1: 2012 к размеру формы в отношении максимального размера заполнителя.Признано, что использование этих размеров образцов для бетона, сделанного из 20-миллиметрового крупного заполнителя, могло привести к немного большей вариативности и незначительно более низкой прочности, чем было бы получено с более крупными образцами (например, 150 × 150 × 150 мм 3 ). Это происходит из-за повышенной относительной неоднородности и «так называемого» эффекта стенки, который возникает, когда отношение максимального размера заполнителя к размеру образца превышает определенный предел (приблизительно 0,2) [27]. Тем не менее, была получена хорошая согласованность между несколькими образцами, испытанными для каждой смеси, что дает уверенность в значениях, полученных в качестве меры относительной прочности для различных рассматриваемых смесей.Из каждой бетонной смеси было отлито девять 100 × 100 × 100 мм 3 кубов и три 500 × 100 × 100 мм 3 балок. Через 16 часов они были извлечены из формы и помещены в резервуар для воды при температуре 20 ± 3 ° C до достижения возраста испытаний.

2.4. Состав бетонной смеси

Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе рассматривались смеси с контролируемой осадкой без добавления добавок, снижающих водоотдачу. Контрольная смесь с природным песком была приготовлена ​​с заданной оседкой S2 (50–90 мм), как указано в BS EN 206-1: 2000.Для искусственных песков пески с обозначением -B были смешаны для достижения той же осадки S2, что и контрольный образец, и было записано необходимое соотношение вода / цемент. Это соотношение в / ц сохранялось постоянным для оставшейся градации того же карьерного песка, регистрируя изменение осадки, наблюдаемое в каждой бетонной смеси. Вторая фаза исследования включала смеси, приготовленные с постоянным соотношением вода / ц (вес / ц = 0,55) и добавление достаточного объема добавки, снижающей воду, для достижения осадки S2.Добавляли уменьшающую воду добавку с приращениями примерно по 6 мл, и испытания на оседание повторяли до тех пор, пока не было зарегистрировано оседание S2. Смеси известняка и песка достигли осадки S2 при водном соотношении 0,55 без примесей, поэтому они были смешаны при более низком водном соотношении, равном 0,50. Чтобы сравнить свойства свежего и затвердевшего бетона между смесями, замену мелкозернистого заполнителя в каждой смеси производили по весу. Это обеспечило постоянство соотношений CA / FA и FA / цемент.Кроме того, содержание увлеченного воздуха в смесях было проверено в соответствии с методом манометра в BS EN 12350-7: 2009.

Состав смеси показан на. Во всех бетонных смесях масса воды и заполнителя была скорректирована в соответствии с абсорбционной способностью и содержанием воды в мелком и крупном заполнителе, чтобы поддерживать постоянное массовое соотношение воды и заполнителя для каждого производимого песка.

Таблица 3

Состав бетонной смеси.

Цемент (кг / м 3 ) FA (кг / м 3 ) CA (кг / м 3 ) с соотношением Примесь (л / м 3 )
350 753 1040 Варьируется 1
0.55 2
0 1
Варьируется 3 (см. Раздел 3.2)

3. Результаты и обсуждение

3.1. Результаты характеризации мелкого заполнителя

a – d показывает гранулометрический состав произведенных песков и соответствующей необработанной дробильной пыли, причем гранулометрические составы крупных и контрольных мелких заполнителей приведены в. Очевидно, что градация, полученная для фракций размером более 63 мкм для промышленных песков, очень похожа, независимо от минералогии породы, и это ключевая особенность перерабатывающей установки KEMCO V7.Предполагается, что мелочь различных минералогических песков схожа по форме и гранулометрическому составу из-за использования одного и того же производственного процесса для всех песков.

Гранулометрический состав промышленного песка для ( и ) базальтового песка; ( b ) Песок песчаниковый; ( c ) Песок гранитный; ( d ) Песок известняковый.

Гранулометрический состав крупнозернистого заполнителя и природного песка.

Содержание мелочи в промышленном песке варьировалось от 1% до 9%. По сравнению с необработанными материалами дробильной пыли, большинство производимых песков имели большее количество 0.Частицы от 3 до 1 мм, на что указывают более крутые градиенты градационных кривых в этой области. Улучшение гранулометрического состава в этом диапазоне не было столь выраженным в известняковых песках, как в других промышленных песках. Как отмечалось ранее, этот диапазон размеров частиц часто недостаточен в песчаных щебнях [1], поэтому необходимо, чтобы они были смешаны с мелким природным песком, чтобы сделать их пригодными для использования в бетонных приложениях. Это говорит о том, что, что касается гранулометрического состава, эти промышленные пески должны оказаться подходящей заменой мелкозернистым заполнителям в бетоне без необходимости смешивания с природным песком.

Все промышленные пески, использованные в этом исследовании, подпадают под стандарт Новой Зеландии для природных песков, в отличие от их аналогов дробильной пыли, как показано в. Это говорит о том, что класс и форма производимых песков должны подходить для использования в бетонных приложениях.

Результаты по конусу потока в Новой Зеландии.

Как показано на рисунке, частицы природного песка были гладкими и округлыми, в то время как необработанная пыль дробилки состояла из плоских и удлиненных частиц, имеющих угловую форму с острыми краями.Изготовленный песок снова имел угловатую форму, но более равномерный и округлый, чем необработанная дробильная пыль. Представленные изображения типичны для всех фракций и типов дробильных порошков и технологических песков, использованных в исследовании. Результаты NZFC подтверждают, что чем более гладкий и округлый песок, тем меньше время растекания.

Изображения фракций песка 4–2 мм ( a ) G-FEED ( b ) G-A ( c ) NS.

Если предположить, что определяющим фактором для измерения времени истечения является форма и текстура поверхности мелкозернистого заполнителя, то есть свидетельства того, что процесс KEMCO V7 улучшает эти характеристики, поскольку время истечения необработанного материала дробильной пыли составляло от 28 до 37 с. с, тогда как для всех обработанных песков он находился в диапазоне от 21 до 27 с.Если рассматривать обработанные пески с определенным минералогическим составом, можно увидеть, что время вытекания несколько сократилось с увеличением содержания мелочи. Это уменьшение обычно составляло от 1 до 3 с для оценок -D. Следовательно, можно сделать вывод, что основная часть сокращения времени истечения может быть отнесена на счет улучшения формы частиц в результате обработки.

Содержание неплотных пустот во всех базальтовых и песчанистых песках было ниже, чем в исходном материале. Однако содержание пустот во всех гранитных песках и крупнозернистом известняковом песке (L-A) было больше, чем в соответствующей пыли от дробилок.Это может быть связано с совокупным воздействием изменений в градации, а также формы конкретных песков.

Испытания

MBV и SE использовались для определения присутствия потенциально вредных частиц, в частности глин, в исследуемых мелких агрегатах. показывает, что у природных, гранитных и известняковых песков MBV ниже 0,63 г / кг, тогда как у базальтовых и песчанистых песков MBV выше 1,73 г / кг. Это предполагает присутствие глин в базальтовых и песчанистых песках, что может привести к увеличению потребности в воде и добавках при использовании в бетонной смеси [11].Однако с помощью этапа воздушной классификации в производственном процессе KEMCO V7 можно удалить часть вредной мелочи, что демонстрируется снижением MBV для всех песков по сравнению с их необработанными аналогами из дробильной пыли. Для базальтовых и песчанистых песков MBV увеличивается с увеличением содержания мелких частиц в результате большего количества глинистых частиц в мелкодисперсной фракции, тогда как незначительное увеличение MBV, наблюдаемое для гранитных и известняковых песков, связано с небольшим увеличением в удельной поверхности мелкой фракции.Стандартные тесты MBV и GMBV показывают прямую корреляцию, и, поскольку последний быстрее, чем стандартный тест MBV, он может быть ценной и надежной альтернативой.

Значение метиленового синего и результаты экспресс-теста на глину Grace.

показывает, что у природного песка самое высокое значение SE — 92, за ним следуют гранитные и известняковые пески, которые имеют значения SE в диапазоне от 67 до 80, базальтовые пески (от 58 до 73) и песчаниковые пески (от 27 до 31). . Как видно из результатов испытаний MBV, для определенного минералогического состава песка значения SE уменьшались по мере увеличения количества мелких частиц.Однако результаты тестов MBV и SE не показали прямой корреляции, о чем также сообщает Nikolaides et al. [28]. Это может быть связано с тем, что тест SE более чувствителен к доле пыли разрушения, чем тест MBV.

Стоимость песка в эквиваленте для мелких заполнителей.

Можно сделать вывод, что для материнских пород, содержащих глину, искусственный песок будет также включать определенную долю глины в мелкой фракции, тогда как, если материнская порода чистая, то мелочь представляет собой пыль трещин, образовавшуюся во время обработки.

Водопоглощение (WA24) необработанной дробильной пыли было либо выше, либо таким же, как у соответствующих обработанных песков, как показано на. Обработка дробильной пыли могла вызвать разрушение частиц через доступные для воды пустоты. Это, в свою очередь, могло уменьшить количество и объем этих пустот, которые измеряются с помощью теста на водопоглощение [29]. Кроме того, в стандарте BS EN 933-1: 1997 указано, что испытуемые пески необходимо промывать через сито 63 мкм, но покрытия, такие как глины, не могут быть легко удалены промывкой, что приводит к более высоким значениям поглощения для заполнителей с более высоким начальным содержанием мелочи.Это предположение подтверждается самыми высокими значениями водопоглощения, обнаруженными для песков с высоким MBV. Было обнаружено, что плотность в сухом состоянии для необработанной дробильной пыли и соответствующих им обработанных песков была относительно постоянной.

Таблица 4

Результаты водопоглощения и плотности в сухом состоянии.

Совокупное свойство NS G-FEED GA
GB
GC
GD
B-FEED BA
BB
BC
BD
L-FEED

L-FEED L-FEED
LD
GS-FEED GS-A
GS-B
GS-C
GS-D
WA24,% 1.04 0,58 0,58 1,92 1,67 0,62 0,45 1,53 0,98
ρ ряд , Mg / m

2,83 2,87 2,85 2,85 2,64 2,57

3,2. Конкретные результаты

Прочность на сжатие смесей с контролируемой осадкой в ​​основном определялась соотношением в / ц, как показано в.Самое низкое в / ц отношение 0,48 для природного песка обеспечило наивысшую прочность на сжатие за 28 дней, за ним следуют известняк, гранит, базальт и песчаник. При том же соотношении в / ц, равном 0,55, прочность на сжатие всех произведенных песчаных смесей превышала прочность на сжатие природных песчаных смесей (), и в то же время была сопоставима с прочностью на сжатие природных песчаных смесей с контролируемой осадкой. Точно так же прочность на изгиб всех смесей, кроме смеси G-E, превышала прочность на изгиб натурального песка при смешивании с постоянным соотношением в / ц.Прочность на сжатие и изгиб известняковых смесей при соотношении в / ц 0,50 превышала контрольную смесь природного песка или была равна ей.

Результаты смешивания с контролируемой осадкой.

Результаты смешивания с контролируемым соотношением вода / цемент и дозировка добавок.

Гранит, известняк и природные пески с низкими значениями MB требовали гораздо меньшего количества воды и водных примесей для достижения осадки S2, чем песчаниковые и базальтовые пески с MBV выше 1,73, как видно на рисунках и. Это подтверждает полезность тестов MB для выявления мелких заполнителей, которые могут отрицательно повлиять на свежие свойства бетона из-за присутствия частиц глины.

Эти результаты предполагают, что угловатая форма и шероховатая текстура поверхности искусственного песка способствовали прочности смеси на сжатие и изгиб благодаря сцеплению заполнителя и улучшенному сцеплению между цементной матрицей и частицами заполнителя. Аналогичные результаты были получены другими исследователями [5,8]. При водном соотношении 0,55 все изготовленные песчаные смеси за 28 дней достигли прочности на сжатие в диапазоне от 53 до 60,5 Н / мм 2 . Это говорит о том, что конкретные глины, присутствующие в песчаниках и базальтовых песках, не оказывают отрицательного влияния на прочность в течение 28 дней при том же соотношении воды и металла.Однако долгосрочное влияние стоимости МБ и глины на прочность в этом исследовании не исследовалось.

Некоторые из базальтовых и песчанистых песков, смешанных с соотношением вода / цемент 0,55, не достигли осадки S2 даже при дозах добавки, превышающих рекомендованные производителем. Это говорит о том, что если требуется пригодная для обработки бетонная смесь с разумным соотношением вода / цемент, то присутствие глины в производимом песке является первым и главным ограничивающим фактором. Однако, если для данного конкретного применения допустимы высокие соотношения вода / цемент, то увеличение соотношения вода / цемент может компенсировать негативное влияние присутствия глины на удобоукладываемость бетона.

сообщает о дозировке захваченного воздуха и примесей для обеих фаз. Измерение захваченного воздуха на этапе 1 колеблется от 0,45% до 1,60%. В каждой бетонной смеси она относительно постоянна, за исключением смесей G-B и GS-B. Это может быть связано либо с чрезмерной, либо с недостаточной вибрацией этих бетонных образцов соответственно. На этапе 2 измерение захваченного воздуха находится в диапазоне от 0,80% до 1,80%. Опять же, внутри каждой бетонной смеси измерения относительно постоянны и немного выше по сравнению с результатами фазы 1.Это может быть связано как с захватом воздуха в результате введения пластификатора, так и с пониженной консистенцией, что может привести к большему количеству воздушных пустот в затвердевшем бетоне.

Таблица 5

Дозировка захваченного воздуха и примесей для смесей Фазы 1 и Фазы 2.

9019

Обозначение смеси Фаза 1 Фаза 2
Захваченный воздух (%) Захваченный воздух (%) Дозировка добавки (л / м 3

0.50 0,90 0,00
GA 0,45 1,50 0,00
GB 1,60 1,40 0,00 GC
GD 0,65 1,40 0,62
GE 0,78 1,40 1,00
BA 0.50 1,41 2,75
BB 0,50 1,60 2,75
BC 0,45 1,30 3,30 9019 0,690
LA 1,40 1,30 1,63
LB 1,50 1,30 1,10
LC 1.48 1,10 1,35
LD 1,38 0,80 1,10
GS-A 1,40 1,28 2,45 9019

1,28 2,45 9019 9019 2,75
GS-C 1,00 1,35 2,75
GS-D 1,20 1,56 2,75 9272 общее снижение содержания наблюдалась в большинстве смесей, приготовленных без использования добавки, за исключением смесей BB, LC и GS-C, которые показали более высокие значения осадки.Это можно объяснить смазывающим эффектом повышенного содержания мелочи [30]. Однако дальнейшее увеличение содержания мелких частиц нивелирует это преимущество из-за увеличения удельной площади поверхности заполнителя, которую необходимо покрыть пастой, чтобы обеспечить такую ​​же удобоукладываемость. Однако для гранитных и известняковых песков уменьшение осадки с увеличением содержания мелочи при постоянном соотношении в / ц все же привело к спаду в пределах диапазона осадки S2. Это говорит о том, что содержание безглинистой мелочи в диапазоне от 1% до 9% для конкретной конструкции смеси не оказывает значительного влияния на осадку бетона.При постоянном значении осадки увеличение содержания мелких фракций заполнителя обычно требует более высоких объемов добавки. Однако, поскольку диапазон осадки S2 был задан на этапе 2, следует ожидать некоторого изменения дозировки примеси, как это наблюдалось для песчаника и известняка в песках. Смазывающий эффект мелких частиц, описанный для смесей фазы 1, также применим к смесям фазы 2.

На этапах смешивания и литья было замечено, что смесь природного песка была самой простой в обращении и отделке, как и ожидалось, благодаря округлому и гладкому мелкому заполнителю.Смеси с обозначением -A иногда были «жесткими», и их можно было обработать только с некоторыми усилиями из-за небольшого количества мелких частиц и отсутствия частиц диаметром менее 1 мм. Смеси G-B, G-C, G-D, L-B и L-C с низким MBV оказались легкими в обращении и отделке, даже несмотря на то, что они имели более низкие значения осадки, чем смеси -A. Было обнаружено, что смеси песчаника с соотношением вода / цемент 0,67 легко обрабатывать и отделывать. Базальтовые смеси были достаточно связными, но хорошо закончились. Было обнаружено, что смесь B-D является очень когезивной и быстро теряет удобоукладываемость, что может быть связано с поглощением воды из смеси глиной с высоким содержанием мелких частиц.Если принять во внимание градацию в a – d, можно сделать вывод, что для промышленного песка содержание безглинистой мелочи вместе с наличием частиц размером менее 1 мм важно для обеспечения надлежащих характеристик обработки и отделки бетона.

Не наблюдалось заслуживающей внимания корреляции между прочностью на сжатие, пределом прочности при изгибе и содержанием мелких частиц или классификацией мелких заполнителей, что позволяет предположить, что в диапазоне от 1% до 9% мелкие частицы не оказывают значительного влияния на прочность на сжатие и изгиб для данного состав смеси, когда используются добавки для повышения удобоукладываемости.Полностью признается важность рассмотрения других методов решения проблемы отсутствия штрафов, таких как использование фильтрующих материалов и дополнительных вяжущих материалов, а также влияние содержания цемента на характеристики смесей, содержащих технологический песок, и это является предметом постоянной работы. . Результаты предполагают, что более высокие уровни штрафов могут быть использованы в конкретных приложениях с соответствующим сокращением хранения или утилизации мелкозернистого материала. Дополнительные преимущества повышенной долговечности из-за того, что мелкозернистый материал блокирует поры (как сообщается в [12,31]), также могут быть реализованы за счет использования более высокого содержания мелких частиц, хотя это выходит за рамки данной статьи.

4. Моделирование искусственной нейронной сети

Моделирование ИНС было выбрано для этого исследования из-за его способности обобщать множественные переменные, нелинейные, сложные отношения и, таким образом, предсказывать результаты на основе ряда входных данных, с которыми они были обучены [32] . В этой статье с множественным обратным распространением (MBP) версии 2.2.4 [33] для построения и обучения моделей ИНС использовался бесплатный программный пакет. Полученные веса связи обученных моделей затем были перенесены в электронные таблицы MS Excel.Они использовались для анализа прогнозов, оценки и сравнения моделей.

4.1. Выбор входных параметров

Как уже говорилось, свойства бетона зависят от свойств заполнителей и состава смеси. Поскольку все смеси, использованные в этом исследовании, содержали одинаковое количество цемента, FA и CA, единственными переменными были соотношение вода / цемент и дозировка добавки, снижающей количество воды. Поэтому они были выбраны в качестве двух входных параметров, описывающих изменения в составе смеси.Существуют три основных свойства мелкозернистого заполнителя, которые влияют на удобоукладываемость и прочность бетона, что дает еще 8 входных параметров: градация (% мелких частиц, время истечения NZFC и содержание пустот), форма и текстура (на основании времени истечения NZFC и содержания пустот). ), качество мелочи (водопоглощение, GMBV и SE).

4.2. Набор данных

Модель была разработана с использованием данных, представленных в этом документе, вместе с данными из других аналогичных смесей, созданных в лаборатории во время проекта, что дает в общей сложности 44 ввода данных.Они были случайным образом разделены на 35 обучающих и 9 тестовых записей. показывает диапазон входных и выходных значений, используемых в наборе обучающих данных. Средние значения представляют собой свойства мелкозернистого заполнителя, с которым можно столкнуться, и могут быть смесью 50:50 извлеченного природного песка и загрязненной глиной карьерной пыли, смешанной с бетоном со средней дозировкой пластификатора и водным соотношением 0,62.

Таблица 6

Диапазон входных и выходных переменных и параметр, на который они влияют.

Переменная Минимум Максимум Среднее Влияние
w / c соотношение 0,48 0,75 0,619 Состав смеси 0,619 3 ) 0 3,3 1,65 Состав смеси
GMBV (г / кг песка) 0,35 6,16 3,26 9019 9019 9019 9019 9018 27 94 60.5 Качество штрафов
Водопоглощение (%) 0,45 1,92 1,19 Качество штрафов
Пустоты (%) 37,9 45,98 форма и текстура
Время истечения (с) 20,7 36,7 28,7 Градация, форма и текстура
Штраф (% от FA) 1 18 9.5 Градация
28 дней f ‘ c (Н / мм 2 ) 31,3 64,3 Результат
9019 300 1 Результат

4.3. Настройка модели

Для обучения нейронных сетей использовался алгоритм обратного распространения. Полное описание алгоритма и ИНС в целом предоставлено Фосеттом [34].показана типовая структура, принятая для этих моделей. После обучения ИНС полученные веса связей и «смещения» были перенесены в электронные таблицы. В них уравнение (1) использовалось для вычисления числовых значений нейронов в скрытом слое:

yj = F (∑i = 0n (xi · wij) + b)

(1)

где y j — нейрон в скрытом слое, x i — масштабированное входное значение, w ij — вес соединения, n — количество входов и b — константа, называемая «смещением» или «порогом», которая вычисляется во время обучения сети аналогично весам соединений. F — сигмовидная функция активации, полученная из уравнения (2), которая представляет нелинейное поведение бетона. Выходные значения z k вычисляются с использованием уравнения (1), но путем замены x i на y j и w ij на w jk .

Структурная схема искусственной нейронной сети.

Нейронные сети были созданы с одним скрытым слоем, как было ранее продемонстрировано для успешного моделирования прочности и удобоукладываемости бетона [32,35,36].Выбор количества нейронов в скрытом слое зависит от сложности задачи и обычно определяется эмпирически. Сети с диапазоном скрытых номеров нейронов были созданы и обучены с использованием обучающих данных. Ошибки прогноза, в данном случае среднеквадратическая ошибка (RMS), данных тестирования были оценены, и была принята модель с наименьшей ошибкой. Для каждого выхода были созданы и обучены четыре нейронные сети с 2, 4, 6 и 8 скрытыми нейронами. В этой статье модели нейронных сетей обозначаются в соответствии с количеством нейронов в каждом слое «входной слой — скрытый слой — выходной слой» и рассматриваемым выходным параметром (сила или спад).

Веса для каждого нейрона были рандомизированы перед обучением сети. Начальная скорость обучения составляла 0,7, после 7 циклов обучения она снизилась на 1%. Кроме того, начальный коэффициент импульса составлял 0,7, который уменьшался на 1% после каждых 500 циклов. Использовался онлайн-режим обучения, в котором веса обновлялись после каждой записи, а данные представлялись в случайном порядке. Обучение каждой сети было остановлено после 5000 циклов. Было замечено, что RMS стабилизировалась для всех сетей примерно после 2000–3000 циклов обучения.

4.4. Оценка модели

показывает ошибки прогнозирования RMS моделей для набора данных тестирования. Можно видеть, что наименьшая ошибка для прогнозирования оседания — это модель оседания 8-2-1, тогда как для прогнозирования прочности наименьшая ошибка получается при использовании модели прочности 8-6-1, и поэтому они были приняты как наиболее точные. модели для данного набора данных.

Таблица 7

Ошибки RMS модели ИНС для набора данных тестирования.

Модель RMS (мм) Модель RMS (Н / мм 2 )
8-8-1 спад 13.36 8-8-1 прочность 2,70
8-6-1 спад 13,58 8-6-1 прочность 2,61
8-4-1 спад 11,50 8-4-1 сила 2,87
8-2-1 спад 7,97 8-2-1 сила 4,09

Чтобы проверить возможности прогнозирования четырех моделей бетонные смеси были приготовлены с тем же содержанием FA, CA и цемента, как подробно описано в Разделе 2, но с различными дозировками воды и добавок.Эти смеси включали измельчительную пыль, которая не использовалась при обучении или тестировании моделей, природный песок, гранитный песок без глин и песчано-песчаный песок с частицами глины. Входные значения модели, взятые из смесей валидации, приведены в.

Таблица 8

Подтверждение входных значений смеси.

9019

1,0

Смесь для валидации Соотношение w / c Добавка (л / м 3 ) GMBV (г / кг песка) SE Пустоты (%) Время истечения (%) Водопоглощение (%) Содержание мелких частиц (%)
Дробильная пыль 0.65 0 1,55 44 42,2 36,6 0,77 9,3
NS 0,51 0 0,35 9019 9019 0,35
GC 0,60 0 0,71 71 43,7 23,9 0,58 5,1
GS-0 60 3 1,84 30 41,6 22,3 0,98 5,0

Расчетные и фактические значения осадки и прочности на сжатие для проверенных смесей показаны соответственно. Модель осадки 8-2-1 имела среднеквадратичное значение 26,61 мм и самую высокую процентную ошибку 34% для смеси NS. Следует отметить, что в диапазоне спада 50–100 мм, где располагалась большая часть обучающих данных, процентная погрешность не превышает 21%.Кроме того, принимая во внимание искусственные значения 300 мм, принятые для обрушения осадки в данных обучения, можно было ожидать, что будет завышенная оценка осадки в смесях с более высокой удобоукладываемостью. Тем не менее, завышение значения осадки предпочтительнее недооценки, поскольку для достижения желаемой удобоукладываемости смеси могут использоваться другие методы. Можно видеть, что прогнозы прочности на сжатие относительно точны с максимальной процентной ошибкой 13% и среднеквадратичным значением 4.47 Н / мм 2 для модели прочности 8-6-1. Опять же, недооценка (если таковая имеется) прогнозируемой прочности на сжатие предпочтительнее завышенной оценки, особенно при проектировании конструкций.

Прогнозируемые и фактические значения осадки для проверочных смесей.

Расчетные и фактические значения прочности на сжатие для проверочных смесей.

Численная оценка модели может помочь подтвердить, что ИНС действительно усвоила лежащую в основе теоретическую взаимосвязь.Параметры мелкого заполнителя следует рассматривать одновременно, поскольку трудно идентифицировать влияние какого-либо одного входного параметра на удобоукладываемость и прочность на сжатие бетона из-за многопараметрического нелинейного характера взаимосвязи между переменными. a, b показывают вариацию прогнозов спада с SE и GMBV, а также значения времени потока и пустот, когда все остальные свойства сохраняются на средних значениях из набора обучающих данных (). Видно, что для жидких смесей с соотношением в / ц 0.6 и 0,7 наблюдается заметное уменьшение осадки по мере увеличения содержания глины. В то время как в жестких смесях (соотношение 0,5 в / ц) это мало влияет на прогнозы оседания. Точно так же для жестких смесей не наблюдается влияния формы и градации на осадку, тогда как для жидких смесей, чем более угловат заполнитель, на что указывает увеличение содержания пустот, тем ниже осадка, аналогично более мелкая градация, на что указывает уменьшение потока время, тем меньше прогнозируемый спад.

Вариация прогнозов осадки с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

a, b показывает изменение прочности на сжатие из-за значений SE и GMBV, а также содержания пустот и времени истечения. Можно видеть, что для SE и GMBV, когда отношение w / c составляет 0,7, прогнозы прочности на сжатие относительно постоянны, тогда как для отношения w / c 0,6 и 0,5 существует оптимальный диапазон значений для SE и GMBV, которые приводят к наивысшему прочность на сжатие. Помня, что соотношение вода / цемент является доминирующим фактором, определяющим прочность бетона, можно увидеть, что при высоком соотношении вода / цемент (0.7) форма, текстура или гранулометрический состав заполнителя мало влияют на прочность на сжатие, в отличие от бетонов с высокой прочностью (с низким соотношением масс. / Цемент.), Как наблюдали Donza et al. [37]. Время растекания в основном определяется гранулометрическим составом и структурой поверхности мелкого заполнителя. Было показано Li et al. [30], что если классификация такая же, то увеличенное время истечения указывает на более грубую поверхность мелких частиц заполнителя, что увеличивает прочность на сжатие.

Вариация прогнозов прочности на сжатие с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

Можно сделать вывод, что модели ИНС могут использоваться для оценки удобоукладываемости и прочности бетона на сжатие, когда свойства мелкого заполнителя используются наряду с составом смеси в качестве входных параметров модели ИНС. Однако у таких моделей есть ограничения, главное из которых состоит в том, что они хорошо работают только в том диапазоне входных и выходных переменных, с которым они были обучены. Можно также сделать вывод, что модели ИНС, разработанные в этом исследовании, действительны, и прогнозы в целом соответствуют теоретическим соотношениям между составом смеси, параметрами мелкозернистого заполнителя и свойствами бетона.Таким образом, этот тип модели может использоваться для уменьшения усилий, необходимых для разработки рабочих бетонных смесей, или для сравнения характеристик различных мелких заполнителей с помощью простых тестов классификации заполнителей.

5. Выводы

Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами, и изучить их использование в бетоне в качестве 100% замены природного песка.Результаты экспериментального исследования, представленные в этой статье, продемонстрировали, что дробильная установка V7 способна производить искусственные пески с аналогичным гранулометрическим составом независимо от минералогии материнской породы. Была предложена серия испытаний, которые позволили косвенно измерить форму, текстуру поверхности, классификацию и наличие вредной мелочи, которые использовались для характеристики физических свойств природных песков, необработанной пыли от дробилок и промышленных песков. Из этих испытаний было очевидно, что промышленные частицы песка улучшенной формы и качества по сравнению с природным песком и необработанной дробильной пылью были произведены дробильной установкой V7, наряду с уменьшением количества глинистых частиц в мелкодисперсной части по сравнению с исходным материалом. .

Подходящие для обработки бетоны были произведены с использованием искусственного песка в качестве единственного мелкозернистого заполнителя при различных соотношениях в / ц. Присутствие глин в промышленных песках может быть ограничивающим фактором при их использовании в бетонных изделиях, где требуется высокая консистенция и относительно низкие отношения в / ц. Тем не менее, адекватный бетон, содержащий искусственный песок в качестве единственного мелкого заполнителя, может быть получен. Действительно, при том же соотношении вода / цемент прочность на сжатие и изгиб изготовленных песчаных бетонов была выше, чем у их аналогов из природного песка.Считается, что это связано с угловатой формой материала, которая положительно влияет на сцепление заполнителя и, следовательно, приводит к улучшенному сцеплению между цементом и частицами заполнителя. Присутствие глины не повлияло на 28-дневную прочность бетона, изготовленного с тем же соотношением воды и цемента с различными минералогическими свойствами искусственного песка. Таким образом, существует возможность использования глинистых заполнителей в бетоне, что ранее не приветствовалось. Оптимальное содержание мелких частиц 7% наблюдалось для облегчения обработки, укладки и отделки произведенного пескобетона.Однако в исследованном диапазоне содержания мелких частиц от 1% до 9% не наблюдалось значительной тенденции между содержанием мелких частиц и прочностью бетона на сжатие. Таким образом, чтобы максимально повысить эффективность использования материалов, можно использовать сорта искусственного песка с более высоким содержанием мелочи, когда прочность на сжатие является контролируемым свойством.

Было показано, что модели ANN могут использоваться для оценки прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя и состава смеси с разумной точностью.Такие модели, вместе с описанными ранее испытаниями характеристик, могут использоваться в строительной отрасли, когда на рынок выходят новые источники мелкозернистых заполнителей. Использование моделей устранит необходимость в обширных лабораторных испытаниях для выбора подходящего состава смеси и определения свойств свежего и затвердевшего бетона.

Исследование использования искусственного песка в качестве 100% замены мелкозернистого заполнителя в бетоне

Реферат

Промышленный песок отличается от природного морского и речного песка, вынутого драгой, по своим физическим и минералогическим свойствам.Они могут быть как полезными, так и вредными для свежих и затвердевших свойств бетона. В данной статье представлены результаты лабораторного исследования, в котором промышленный песок, произведенный на дробильной установке промышленного размера, был охарактеризован в отношении его физических и минералогических свойств. Влияние этих характеристик на удобоукладываемость и прочность бетона, когда промышленный песок полностью заменяет природный песок в бетоне, было исследовано и смоделировано с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС).Результаты показывают, что изготовленный песчаный бетон, изготовленный в этом исследовании, обычно требует более высокого отношения воды / цемента (в / ц) для удобоукладываемости, равного таковому у природного песчаного бетона, из-за более высокой угловатости полученных частиц песка. Чтобы компенсировать это, можно использовать добавки, уменьшающие количество воды, если производимый песок не содержит частиц глины. При том же соотношении воды и металла прочность на сжатие и изгиб производимого песчаного бетона превышает прочность природного песчаника. ИНС оказался ценным и надежным методом прогнозирования прочности и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя (ТВС) и состава бетонной смеси.

Ключевые слова: промышленный песок, бетон, искусственные нейронные сети

1. Введение

Во многих странах источники природного песка для использования в качестве заполнителя в строительстве становятся дефицитными, поскольку песчаные карьеры исчерпаны, а законодательство по охране окружающей среды препятствует проведению дноуглубительных работ [1 , 2,3]. Это вызывает потребность в источниках альтернативных заполнителей, например, из отходов строительства и сноса. Одним из возможных источников строительного заполнителя является песок, который был произведен из избыточного материала (дробильная пыль), образующегося при добыче крупного заполнителя в карьерах твердых пород.При производстве крупного заполнителя обычно получается от 25% до 45% дробильной пыли в зависимости от материнской породы, дробильного оборудования и условий дробления [2]. В карьерах Великобритании имеются значительные запасы дробильной пыли, которую можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы обеспечить большую часть песка, необходимого для строительной отрасли, используя те же каналы продаж и доставки, что и сейчас для грубых заполнителей. Преимущество этого заключается в возможности указывать заполнители из карьеров, близких к месту их конечного использования, тем самым сокращая расстояния транспортировки и минимизируя загрязнение.Однако, по сравнению с природной пылью для дробления песка, пыль, как правило, имеет худшую форму и текстурные свойства, а также плохую сортировку и незнакомый минералогический состав, что влияет на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Форма и текстура дробильной пыли в основном зависят от (i) типа дробилки [3,4]; (ii) отношение размера материала, подаваемого в дробилку, к размеру готового продукта (коэффициент измельчения) и (iii) материнской породы. Роторные дробилки разрушают породу, «ударяя» по материалу, что вызывает разрушение породы по естественным зонам ослабления вдоль границ раздела зерен [5], обычно производя частицы хорошей кубической формы.Щековые и большие вращательные дробилки обычно производят частицы плохой (некубической) формы из-за того, что камера дробления редко бывает заполнена, чтобы обеспечить дробление между частицами [5]. Роторные дробилки широко используются для дробления различных пород от мягких до твердых, таких как базальт, гранит, твердый известняк. Условия нагружения ударных дробилок обычно приводят к более высокой вероятности разрушения слабых или чешуйчатых частиц, причем разрушение происходит из-за раскола, с заметным вкладом из-за истирания поверхности.В результате с помощью этого процесса дробления производится больше мелкозернистых заполнителей равномерного размера по сравнению с другими методами, такими как конусная, щековая и валковая дробилки. Было показано, что чем более угловатая форма мелкого заполнителя, тем больше потребность в воде в бетоне и растворах, и поэтому использование ударных дробилок сводит к минимуму этот неблагоприятный эффект [6]. Тем не менее, исследователи также обнаружили, что прочность бетона на изгиб и сжатие выигрывает от угловатости измельченного мелкозернистого заполнителя из-за улучшенного сцепления и сцепления заполнителя по сравнению с натуральными песчаными бетоном и растворами при том же соотношении вода / цемент [6,7].

Типичный гранулометрический состав пыли от дробилок редко соответствует требованиям национальных стандартов. В основном это происходит из-за избытка (> 20%) мелких частиц, проходящих через сито 63 мкм, и недостатка частиц размером от 0,3 мм до 1 мм. Пыль от дробилки может образовывать «жесткие» смеси с проблемами просачивания, если ее промывают и просеивают до установленных пределов. Поэтому, чтобы минимизировать пустоты и снизить потребность в воде в бетоне, дробильная пыль смешивается с мелким природным песком, чтобы улучшить удобоукладываемость и отделочную обработку [8].Частицы, проходящие через сито 63 мкм, называемые в этой статье мелкими частицами, могут сильно повлиять на свежие свойства бетона, поскольку они увеличивают удельную поверхность мелкозернистого заполнителя, что требует увеличения дозировки воды / добавки для обеспечения постоянной удобоукладываемости [ 7]. Если материнская порода не содержит глины, можно производить приемлемые бетоны, содержащие от 15% до 20% мелочи [1,9]. И наоборот, присутствие глины в материнской породе и, следовательно, мелочи может иметь пагубное влияние не только на потребность в воде / добавках, но также на характеристики затвердевшего бетона [10,11].Таким образом, важно определить эффективный и быстрый метод проверки мелких частиц на потенциально вредные частицы и установить соответствующие ограничения для их использования в бетоне.

Во многих исследованиях изучали влияние частичной замены мелкозернистого заполнителя в бетоне с использованием дробильной пыли или небольших образцов измельченного песка на свойства бетона [8,12,13]. Однако по полной замене естественного мелкого заполнителя в бетоне дробильной пылью было выполнено мало работы.В ответ на это в данном исследовании был изучен ряд песков, производимых дробильной установкой KEMCO V7 промышленного размера, которая перерабатывает пыль от дробилок в модифицированной ударной дробилке и классифицирует размер частиц с помощью воздушного экрана, как более подробно описано в [ 14]. Этот процесс приводит к получению песчаного продукта с хорошей сортировкой и формой с наполнителем, в основном содержащим мелкие частицы. Установку можно рассматривать как дополнительную стадию дробления в карьере, которую можно использовать для переработки излишков дробильной пыли, тем самым увеличивая общий выход из карьера.

Поскольку промышленные пески обладают свойствами, отличными от природных, было бы полезно иметь возможность прогнозировать свойства получаемого бетона без обширных лабораторных испытаний. Были предприняты многочисленные попытки смоделировать влияние физических и химических характеристик заполнителей на свежие и затвердевшие свойства бетона и предоставить процедуры проектирования бетонной смеси [15,16]. Они в некоторой степени учитывают ряд характеристик заполнителя: гранулометрический состав, максимальный размер заполнителя и тип заполнителя (натуральный или дробленый).Однако, поскольку эти процедуры основаны на статистических данных для многих бетонных смесей, результаты являются обобщенными и в случае конкретного типа заполнителя, такого как дробильная пыль или промышленные заполнители, могут не дать ожидаемых конечных свойств бетона. Кроме того, оценки прочности бетона на сжатие основаны на соотношении вода / цемент, которое для типичных заполнителей может быть правильным, но для очень угловатых или очень мелких заполнителей может оказаться неточным представлением прочности.Подобные эффекты могут быть обнаружены при измерениях согласованности.

Было разработано и исследовано несколько моделей, которые оценивают упаковку частиц в агрегатных смесях [17,18,19,20]. Был сделан вывод, что они являются полезными инструментами для моделирования смесей заполнителей с минимальным содержанием пустот. Однако наиболее распространенные допущения в моделях насадки заключаются в том, что частицы имеют сферическую форму, и поэтому комбинации заполнителя и цемента с минимальным содержанием пустот не обязательно приводят к ожидаемым свойствам бетонной смеси.Модель сжимаемой насадки [21] показала себя относительно точной с различными заполнителями, включая измельченный известняковый песок с высоким содержанием наполнителя, однако она имеет тенденцию к завышению плотности [22], и нет никаких ссылок на влияние глины. частиц на свойства свежего и затвердевшего бетона.

Ряд исследователей обратились к моделям ИНС для прогнозирования свойств бетона с использованием параметров состава смеси для различных типов бетона [23,24,25,26].Однако они все еще не полностью учитывают свойства агрегатов. Разработка модели ИНС, которая учитывает как совокупные свойства, так и состав смеси, может быть полезным инструментом для оценки ожидаемых характеристик свежего и затвердевшего бетона, изготовленного из промышленных заполнителей.

Основная цель данной статьи — представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами и впоследствии использовать в качестве 100% замены природного песка в бетоне.Структура статьи следующая:

  • В разделе 2 представлены экспериментальные детали, связанные с использованием ряда искусственных песков с различным содержанием мелочи в качестве полной замены природного песка в бетоне. В нем также представлен выбор и обоснование тестов для определения характеристик мелкого заполнителя, используемых в этом исследовании.

  • Раздел 3 представляет результаты испытаний свежего и затвердевшего бетона в сочетании с результатами определения характеристик мелкозернистого заполнителя и использует их для оценки свойств, которые делают промышленный песок пригодным для применения в бетоне.

  • Раздел 4 описывает разработку, обучение и оценку модели ИНС с использованием данных, представленных в Разделе 3, и еще одной серии проверочных бетонных смесей. Модель ИНС используется для прогнозирования прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона с использованием свойств мелкозернистого заполнителя в качестве одной из основных входных переменных модели.

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

В этом исследовании использовался цемент CEM I 52,5N (CEMEX, Rugby, UK), соответствующий стандарту BS EN 197-1: 2011 с указанным химическим составом, вместе с измельченным известняком размером 4/20 мм с крупным заполнителем (CA) ( CEMEX, Кардифф, Великобритания).Гранулометрический состав последнего сообщается позже в разделе 3.1. При необходимости добавлялась добавка для снижения уровня воды WRDA 90 (Grace Construction Products, Уоррингтон, Великобритания), соответствующая британскому стандарту BS EN 934-2: 2001.

Таблица 1

99 3 2 O

99 3 2 O

99 3 3

Оксид Состав оксида (вес.%)
SiO 2 19,7
Al 2 O 8
Fe 2 O 3 3,1
CaO 63,6
MgO 1,2
SO

SO 9019 3 0,1
Свободный CaO 2,3
Na 2 Oeq 1 0,7
LOI 2 гранит

2 гранит , базальтовая и песчано-дробильная пыль перерабатывалась на заводе V7.Дробильная установка V7 может производить песок различной градации. Было произведено и испытано не менее четырех градаций произведенного песка из каждой дробильной пыли. Также для сравнения были включены фракции пыли дробилки (необработанные) 0/4 мм. В качестве контрольного мелкого заполнителя использовался морской песок, извлеченный из дноуглубительных работ, соответствующий стандарту BS EN 12620: 2002. показаны обозначения, используемые в этой статье для всех мелких агрегатов.

Таблица 2

BAASAL

Описание Штраф Содержание 1 Тип Обозначение
Природный песок, извлеченный морским путем, 1.0 Natural NS
Базальтовая дробильная пыль 10.0 Дробленая B-FEED
Базальтовый песок 1.0 Промышленный BB
Базальтовый песок 5,1 Промышленный BC
Базальтовый песок 7,4 Промышленный BD Гранитная пыль.0 Дробленый G-FEED
Гранитный песок 2,0 Промышленный GA
Гранитный песок 2,9 Промышленный Гранитный песок GB Произведенный GC
Гранитный песок 6.5 Произведенный GD
Гранитный песок 9,0 Произведенный GE
Limestone

щебень.0 Дробленый L-FEED
Песок известняковый 2,8 Промышленный LA
Песок известняк 4,9 Песок промышленный B 7,1 L Произведено LC
Песок известняковый 9,0 Произведенный LD
Пыль для дробления песчаника 18.0 Дробленый GS-FEED
Песок песчаниковый 3,5 Промышленный GS-A
Песок песчаник 5,0 Песок Gritstone Промышленный GS-FEED 7,0 Произведено GS-C
Песок песчаниковый 9,0 Произведено GS-D

2.2. Испытания мелкого заполнителя

Как обсуждалось ранее, классификация мелкого заполнителя является важным фактором, влияющим на характеристики бетона, поэтому все мелкие заполнители были проверены на гранулометрический состав в соответствии с BS EN 933-1: 1997.Форму и текстуру песка сложно измерить напрямую, поэтому в национальных стандартах Великобритании используются преимущественно качественные тесты для определения характеристик. Однако испытание конуса потока в Новой Зеландии (NZFC) (NZS 3111: 1986), использованное в исследовании, предлагает косвенное измерение формы и текстуры путем измерения (i) времени истечения мелкозернистого заполнителя через воронку известной геометрии и ) содержание неплотных пустот в мелких заполнителях после их сбора в приемной камере.На поток материала в основном влияют форма и текстура поверхности частиц, а содержание пустот определяется классом и формой частиц [1]. Стандартный пакет технических условий, описанный в NZS 3121: 1986 для содержания пустот по сравнению с временем истечения , был разработан для определения характеристик различных природных песков в бетоне. Конверт основан на опыте властей Новой Зеландии и включен в этот документ для сравнения с промышленным песком.

Также, как подчеркивается во введении, присутствие вредных частиц, таких как глины, может иметь пагубное влияние на водопотребность свежего бетона и характеристики бетона в его затвердевшем состоянии. Поэтому требовался быстрый и эффективный метод просеивания песков. Были использованы два теста на значение метиленового синего (МБ); Британский стандартный тест (BS EN 933-9: 1999 для фракции 0/2 мм), включающий титрование раствором МБ, и тест, разработанный Grace Construction Products (ASTM WK36804) с использованием предварительно откалиброванного колориметра, позволяющий напрямую определять МБ расход раствора.В данном документе эти тесты будут называться показателем метиленового синего (MBV) и градационным показателем метиленового синего (GMBV) соответственно. Также был использован тест эквивалента песка (SE) (BS EN 933-8: 1999 для фракции 0/2 мм), который оценивает долю очень мелких частиц и частиц размером с глину во всем образце. Промышленные и дробленые пески обычно имеют более низкие значения SE, чем чистые природные пески из-за пыли трещин, образующихся в процессе дробления.

Плотность частиц и водопоглощение, которые являются функциями минералогического состава заполнителя, были определены в соответствии с BS EN 1097-6: 2000.Измерение плотности в сухом состоянии использовалось при расчете пустот NZFC, а абсорбционная способность использовалась для корректировки содержания воды в различных бетонных смесях.

2.3. Бетонные испытания, отверждение и детали образца

Основными характеристиками бетонной смеси являются ее удобоукладываемость и прочность. Поэтому свежий бетон был испытан на оседание в соответствии с BS EN 12350-2: 2009. Кроме того, были сделаны наблюдения во время смешивания, укладки и отделки образцов бетона, так как одно только испытание на осадку не полностью характеризует удобоукладываемость бетонных смесей, содержащих искусственные пески [8].

Затвердевший бетон был испытан на прочность на сжатие ( f ‘ c ) через 1, 7 и 28 дней согласно BS EN 12390-3: 2009 и прочность на изгиб ( f t ) через 28 дней согласно BS EN 12390-5: 2009. Для испытаний прочности на сжатие и изгиб использовались стандартные лабораторные формы. Они имели размеры 100 × 100 × 100 мм 3 и 500 × 100 × 100 мм 3 соответственно, что соответствовало требованиям BS EN 12390-1: 2012 к размеру формы в отношении максимального размера заполнителя.Признано, что использование этих размеров образцов для бетона, сделанного из 20-миллиметрового крупного заполнителя, могло привести к немного большей вариативности и незначительно более низкой прочности, чем было бы получено с более крупными образцами (например, 150 × 150 × 150 мм 3 ). Это происходит из-за повышенной относительной неоднородности и «так называемого» эффекта стенки, который возникает, когда отношение максимального размера заполнителя к размеру образца превышает определенный предел (приблизительно 0,2) [27]. Тем не менее, была получена хорошая согласованность между несколькими образцами, испытанными для каждой смеси, что дает уверенность в значениях, полученных в качестве меры относительной прочности для различных рассматриваемых смесей.Из каждой бетонной смеси было отлито девять 100 × 100 × 100 мм 3 кубов и три 500 × 100 × 100 мм 3 балок. Через 16 часов они были извлечены из формы и помещены в резервуар для воды при температуре 20 ± 3 ° C до достижения возраста испытаний.

2.4. Состав бетонной смеси

Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе рассматривались смеси с контролируемой осадкой без добавления добавок, снижающих водоотдачу. Контрольная смесь с природным песком была приготовлена ​​с заданной оседкой S2 (50–90 мм), как указано в BS EN 206-1: 2000.Для искусственных песков пески с обозначением -B были смешаны для достижения той же осадки S2, что и контрольный образец, и было записано необходимое соотношение вода / цемент. Это соотношение в / ц сохранялось постоянным для оставшейся градации того же карьерного песка, регистрируя изменение осадки, наблюдаемое в каждой бетонной смеси. Вторая фаза исследования включала смеси, приготовленные с постоянным соотношением вода / ц (вес / ц = 0,55) и добавление достаточного объема добавки, снижающей воду, для достижения осадки S2.Добавляли уменьшающую воду добавку с приращениями примерно по 6 мл, и испытания на оседание повторяли до тех пор, пока не было зарегистрировано оседание S2. Смеси известняка и песка достигли осадки S2 при водном соотношении 0,55 без примесей, поэтому они были смешаны при более низком водном соотношении, равном 0,50. Чтобы сравнить свойства свежего и затвердевшего бетона между смесями, замену мелкозернистого заполнителя в каждой смеси производили по весу. Это обеспечило постоянство соотношений CA / FA и FA / цемент.Кроме того, содержание увлеченного воздуха в смесях было проверено в соответствии с методом манометра в BS EN 12350-7: 2009.

Состав смеси показан на. Во всех бетонных смесях масса воды и заполнителя была скорректирована в соответствии с абсорбционной способностью и содержанием воды в мелком и крупном заполнителе, чтобы поддерживать постоянное массовое соотношение воды и заполнителя для каждого производимого песка.

Таблица 3

Состав бетонной смеси.

Цемент (кг / м 3 ) FA (кг / м 3 ) CA (кг / м 3 ) с соотношением Примесь (л / м 3 )
350 753 1040 Варьируется 1
0.55 2
0 1
Варьируется 3 (см. Раздел 3.2)

3. Результаты и обсуждение

3.1. Результаты характеризации мелкого заполнителя

a – d показывает гранулометрический состав произведенных песков и соответствующей необработанной дробильной пыли, причем гранулометрические составы крупных и контрольных мелких заполнителей приведены в. Очевидно, что градация, полученная для фракций размером более 63 мкм для промышленных песков, очень похожа, независимо от минералогии породы, и это ключевая особенность перерабатывающей установки KEMCO V7.Предполагается, что мелочь различных минералогических песков схожа по форме и гранулометрическому составу из-за использования одного и того же производственного процесса для всех песков.

Гранулометрический состав промышленного песка для ( и ) базальтового песка; ( b ) Песок песчаниковый; ( c ) Песок гранитный; ( d ) Песок известняковый.

Гранулометрический состав крупнозернистого заполнителя и природного песка.

Содержание мелочи в промышленном песке варьировалось от 1% до 9%. По сравнению с необработанными материалами дробильной пыли, большинство производимых песков имели большее количество 0.Частицы от 3 до 1 мм, на что указывают более крутые градиенты градационных кривых в этой области. Улучшение гранулометрического состава в этом диапазоне не было столь выраженным в известняковых песках, как в других промышленных песках. Как отмечалось ранее, этот диапазон размеров частиц часто недостаточен в песчаных щебнях [1], поэтому необходимо, чтобы они были смешаны с мелким природным песком, чтобы сделать их пригодными для использования в бетонных приложениях. Это говорит о том, что, что касается гранулометрического состава, эти промышленные пески должны оказаться подходящей заменой мелкозернистым заполнителям в бетоне без необходимости смешивания с природным песком.

Все промышленные пески, использованные в этом исследовании, подпадают под стандарт Новой Зеландии для природных песков, в отличие от их аналогов дробильной пыли, как показано в. Это говорит о том, что класс и форма производимых песков должны подходить для использования в бетонных приложениях.

Результаты по конусу потока в Новой Зеландии.

Как показано на рисунке, частицы природного песка были гладкими и округлыми, в то время как необработанная пыль дробилки состояла из плоских и удлиненных частиц, имеющих угловую форму с острыми краями.Изготовленный песок снова имел угловатую форму, но более равномерный и округлый, чем необработанная дробильная пыль. Представленные изображения типичны для всех фракций и типов дробильных порошков и технологических песков, использованных в исследовании. Результаты NZFC подтверждают, что чем более гладкий и округлый песок, тем меньше время растекания.

Изображения фракций песка 4–2 мм ( a ) G-FEED ( b ) G-A ( c ) NS.

Если предположить, что определяющим фактором для измерения времени истечения является форма и текстура поверхности мелкозернистого заполнителя, то есть свидетельства того, что процесс KEMCO V7 улучшает эти характеристики, поскольку время истечения необработанного материала дробильной пыли составляло от 28 до 37 с. с, тогда как для всех обработанных песков он находился в диапазоне от 21 до 27 с.Если рассматривать обработанные пески с определенным минералогическим составом, можно увидеть, что время вытекания несколько сократилось с увеличением содержания мелочи. Это уменьшение обычно составляло от 1 до 3 с для оценок -D. Следовательно, можно сделать вывод, что основная часть сокращения времени истечения может быть отнесена на счет улучшения формы частиц в результате обработки.

Содержание неплотных пустот во всех базальтовых и песчанистых песках было ниже, чем в исходном материале. Однако содержание пустот во всех гранитных песках и крупнозернистом известняковом песке (L-A) было больше, чем в соответствующей пыли от дробилок.Это может быть связано с совокупным воздействием изменений в градации, а также формы конкретных песков.

Испытания

MBV и SE использовались для определения присутствия потенциально вредных частиц, в частности глин, в исследуемых мелких агрегатах. показывает, что у природных, гранитных и известняковых песков MBV ниже 0,63 г / кг, тогда как у базальтовых и песчанистых песков MBV выше 1,73 г / кг. Это предполагает присутствие глин в базальтовых и песчанистых песках, что может привести к увеличению потребности в воде и добавках при использовании в бетонной смеси [11].Однако с помощью этапа воздушной классификации в производственном процессе KEMCO V7 можно удалить часть вредной мелочи, что демонстрируется снижением MBV для всех песков по сравнению с их необработанными аналогами из дробильной пыли. Для базальтовых и песчанистых песков MBV увеличивается с увеличением содержания мелких частиц в результате большего количества глинистых частиц в мелкодисперсной фракции, тогда как незначительное увеличение MBV, наблюдаемое для гранитных и известняковых песков, связано с небольшим увеличением в удельной поверхности мелкой фракции.Стандартные тесты MBV и GMBV показывают прямую корреляцию, и, поскольку последний быстрее, чем стандартный тест MBV, он может быть ценной и надежной альтернативой.

Значение метиленового синего и результаты экспресс-теста на глину Grace.

показывает, что у природного песка самое высокое значение SE — 92, за ним следуют гранитные и известняковые пески, которые имеют значения SE в диапазоне от 67 до 80, базальтовые пески (от 58 до 73) и песчаниковые пески (от 27 до 31). . Как видно из результатов испытаний MBV, для определенного минералогического состава песка значения SE уменьшались по мере увеличения количества мелких частиц.Однако результаты тестов MBV и SE не показали прямой корреляции, о чем также сообщает Nikolaides et al. [28]. Это может быть связано с тем, что тест SE более чувствителен к доле пыли разрушения, чем тест MBV.

Стоимость песка в эквиваленте для мелких заполнителей.

Можно сделать вывод, что для материнских пород, содержащих глину, искусственный песок будет также включать определенную долю глины в мелкой фракции, тогда как, если материнская порода чистая, то мелочь представляет собой пыль трещин, образовавшуюся во время обработки.

Водопоглощение (WA24) необработанной дробильной пыли было либо выше, либо таким же, как у соответствующих обработанных песков, как показано на. Обработка дробильной пыли могла вызвать разрушение частиц через доступные для воды пустоты. Это, в свою очередь, могло уменьшить количество и объем этих пустот, которые измеряются с помощью теста на водопоглощение [29]. Кроме того, в стандарте BS EN 933-1: 1997 указано, что испытуемые пески необходимо промывать через сито 63 мкм, но покрытия, такие как глины, не могут быть легко удалены промывкой, что приводит к более высоким значениям поглощения для заполнителей с более высоким начальным содержанием мелочи.Это предположение подтверждается самыми высокими значениями водопоглощения, обнаруженными для песков с высоким MBV. Было обнаружено, что плотность в сухом состоянии для необработанной дробильной пыли и соответствующих им обработанных песков была относительно постоянной.

Таблица 4

Результаты водопоглощения и плотности в сухом состоянии.

Совокупное свойство NS G-FEED GA
GB
GC
GD
B-FEED BA
BB
BC
BD
L-FEED

L-FEED L-FEED
LD
GS-FEED GS-A
GS-B
GS-C
GS-D
WA24,% 1.04 0,58 0,58 1,92 1,67 0,62 0,45 1,53 0,98
ρ ряд , Mg / m

2,83 2,87 2,85 2,85 2,64 2,57

3,2. Конкретные результаты

Прочность на сжатие смесей с контролируемой осадкой в ​​основном определялась соотношением в / ц, как показано в.Самое низкое в / ц отношение 0,48 для природного песка обеспечило наивысшую прочность на сжатие за 28 дней, за ним следуют известняк, гранит, базальт и песчаник. При том же соотношении в / ц, равном 0,55, прочность на сжатие всех произведенных песчаных смесей превышала прочность на сжатие природных песчаных смесей (), и в то же время была сопоставима с прочностью на сжатие природных песчаных смесей с контролируемой осадкой. Точно так же прочность на изгиб всех смесей, кроме смеси G-E, превышала прочность на изгиб натурального песка при смешивании с постоянным соотношением в / ц.Прочность на сжатие и изгиб известняковых смесей при соотношении в / ц 0,50 превышала контрольную смесь природного песка или была равна ей.

Результаты смешивания с контролируемой осадкой.

Результаты смешивания с контролируемым соотношением вода / цемент и дозировка добавок.

Гранит, известняк и природные пески с низкими значениями MB требовали гораздо меньшего количества воды и водных примесей для достижения осадки S2, чем песчаниковые и базальтовые пески с MBV выше 1,73, как видно на рисунках и. Это подтверждает полезность тестов MB для выявления мелких заполнителей, которые могут отрицательно повлиять на свежие свойства бетона из-за присутствия частиц глины.

Эти результаты предполагают, что угловатая форма и шероховатая текстура поверхности искусственного песка способствовали прочности смеси на сжатие и изгиб благодаря сцеплению заполнителя и улучшенному сцеплению между цементной матрицей и частицами заполнителя. Аналогичные результаты были получены другими исследователями [5,8]. При водном соотношении 0,55 все изготовленные песчаные смеси за 28 дней достигли прочности на сжатие в диапазоне от 53 до 60,5 Н / мм 2 . Это говорит о том, что конкретные глины, присутствующие в песчаниках и базальтовых песках, не оказывают отрицательного влияния на прочность в течение 28 дней при том же соотношении воды и металла.Однако долгосрочное влияние стоимости МБ и глины на прочность в этом исследовании не исследовалось.

Некоторые из базальтовых и песчанистых песков, смешанных с соотношением вода / цемент 0,55, не достигли осадки S2 даже при дозах добавки, превышающих рекомендованные производителем. Это говорит о том, что если требуется пригодная для обработки бетонная смесь с разумным соотношением вода / цемент, то присутствие глины в производимом песке является первым и главным ограничивающим фактором. Однако, если для данного конкретного применения допустимы высокие соотношения вода / цемент, то увеличение соотношения вода / цемент может компенсировать негативное влияние присутствия глины на удобоукладываемость бетона.

сообщает о дозировке захваченного воздуха и примесей для обеих фаз. Измерение захваченного воздуха на этапе 1 колеблется от 0,45% до 1,60%. В каждой бетонной смеси она относительно постоянна, за исключением смесей G-B и GS-B. Это может быть связано либо с чрезмерной, либо с недостаточной вибрацией этих бетонных образцов соответственно. На этапе 2 измерение захваченного воздуха находится в диапазоне от 0,80% до 1,80%. Опять же, внутри каждой бетонной смеси измерения относительно постоянны и немного выше по сравнению с результатами фазы 1.Это может быть связано как с захватом воздуха в результате введения пластификатора, так и с пониженной консистенцией, что может привести к большему количеству воздушных пустот в затвердевшем бетоне.

Таблица 5

Дозировка захваченного воздуха и примесей для смесей Фазы 1 и Фазы 2.

9019

Обозначение смеси Фаза 1 Фаза 2
Захваченный воздух (%) Захваченный воздух (%) Дозировка добавки (л / м 3

0.50 0,90 0,00
GA 0,45 1,50 0,00
GB 1,60 1,40 0,00 GC
GD 0,65 1,40 0,62
GE 0,78 1,40 1,00
BA 0.50 1,41 2,75
BB 0,50 1,60 2,75
BC 0,45 1,30 3,30 9019 0,690
LA 1,40 1,30 1,63
LB 1,50 1,30 1,10
LC 1.48 1,10 1,35
LD 1,38 0,80 1,10
GS-A 1,40 1,28 2,45 9019

1,28 2,45 9019 9019 2,75
GS-C 1,00 1,35 2,75
GS-D 1,20 1,56 2,75 9272 общее снижение содержания наблюдалась в большинстве смесей, приготовленных без использования добавки, за исключением смесей BB, LC и GS-C, которые показали более высокие значения осадки.Это можно объяснить смазывающим эффектом повышенного содержания мелочи [30]. Однако дальнейшее увеличение содержания мелких частиц нивелирует это преимущество из-за увеличения удельной площади поверхности заполнителя, которую необходимо покрыть пастой, чтобы обеспечить такую ​​же удобоукладываемость. Однако для гранитных и известняковых песков уменьшение осадки с увеличением содержания мелочи при постоянном соотношении в / ц все же привело к спаду в пределах диапазона осадки S2. Это говорит о том, что содержание безглинистой мелочи в диапазоне от 1% до 9% для конкретной конструкции смеси не оказывает значительного влияния на осадку бетона.При постоянном значении осадки увеличение содержания мелких фракций заполнителя обычно требует более высоких объемов добавки. Однако, поскольку диапазон осадки S2 был задан на этапе 2, следует ожидать некоторого изменения дозировки примеси, как это наблюдалось для песчаника и известняка в песках. Смазывающий эффект мелких частиц, описанный для смесей фазы 1, также применим к смесям фазы 2.

На этапах смешивания и литья было замечено, что смесь природного песка была самой простой в обращении и отделке, как и ожидалось, благодаря округлому и гладкому мелкому заполнителю.Смеси с обозначением -A иногда были «жесткими», и их можно было обработать только с некоторыми усилиями из-за небольшого количества мелких частиц и отсутствия частиц диаметром менее 1 мм. Смеси G-B, G-C, G-D, L-B и L-C с низким MBV оказались легкими в обращении и отделке, даже несмотря на то, что они имели более низкие значения осадки, чем смеси -A. Было обнаружено, что смеси песчаника с соотношением вода / цемент 0,67 легко обрабатывать и отделывать. Базальтовые смеси были достаточно связными, но хорошо закончились. Было обнаружено, что смесь B-D является очень когезивной и быстро теряет удобоукладываемость, что может быть связано с поглощением воды из смеси глиной с высоким содержанием мелких частиц.Если принять во внимание градацию в a – d, можно сделать вывод, что для промышленного песка содержание безглинистой мелочи вместе с наличием частиц размером менее 1 мм важно для обеспечения надлежащих характеристик обработки и отделки бетона.

Не наблюдалось заслуживающей внимания корреляции между прочностью на сжатие, пределом прочности при изгибе и содержанием мелких частиц или классификацией мелких заполнителей, что позволяет предположить, что в диапазоне от 1% до 9% мелкие частицы не оказывают значительного влияния на прочность на сжатие и изгиб для данного состав смеси, когда используются добавки для повышения удобоукладываемости.Полностью признается важность рассмотрения других методов решения проблемы отсутствия штрафов, таких как использование фильтрующих материалов и дополнительных вяжущих материалов, а также влияние содержания цемента на характеристики смесей, содержащих технологический песок, и это является предметом постоянной работы. . Результаты предполагают, что более высокие уровни штрафов могут быть использованы в конкретных приложениях с соответствующим сокращением хранения или утилизации мелкозернистого материала. Дополнительные преимущества повышенной долговечности из-за того, что мелкозернистый материал блокирует поры (как сообщается в [12,31]), также могут быть реализованы за счет использования более высокого содержания мелких частиц, хотя это выходит за рамки данной статьи.

4. Моделирование искусственной нейронной сети

Моделирование ИНС было выбрано для этого исследования из-за его способности обобщать множественные переменные, нелинейные, сложные отношения и, таким образом, предсказывать результаты на основе ряда входных данных, с которыми они были обучены [32] . В этой статье с множественным обратным распространением (MBP) версии 2.2.4 [33] для построения и обучения моделей ИНС использовался бесплатный программный пакет. Полученные веса связи обученных моделей затем были перенесены в электронные таблицы MS Excel.Они использовались для анализа прогнозов, оценки и сравнения моделей.

4.1. Выбор входных параметров

Как уже говорилось, свойства бетона зависят от свойств заполнителей и состава смеси. Поскольку все смеси, использованные в этом исследовании, содержали одинаковое количество цемента, FA и CA, единственными переменными были соотношение вода / цемент и дозировка добавки, снижающей количество воды. Поэтому они были выбраны в качестве двух входных параметров, описывающих изменения в составе смеси.Существуют три основных свойства мелкозернистого заполнителя, которые влияют на удобоукладываемость и прочность бетона, что дает еще 8 входных параметров: градация (% мелких частиц, время истечения NZFC и содержание пустот), форма и текстура (на основании времени истечения NZFC и содержания пустот). ), качество мелочи (водопоглощение, GMBV и SE).

4.2. Набор данных

Модель была разработана с использованием данных, представленных в этом документе, вместе с данными из других аналогичных смесей, созданных в лаборатории во время проекта, что дает в общей сложности 44 ввода данных.Они были случайным образом разделены на 35 обучающих и 9 тестовых записей. показывает диапазон входных и выходных значений, используемых в наборе обучающих данных. Средние значения представляют собой свойства мелкозернистого заполнителя, с которым можно столкнуться, и могут быть смесью 50:50 извлеченного природного песка и загрязненной глиной карьерной пыли, смешанной с бетоном со средней дозировкой пластификатора и водным соотношением 0,62.

Таблица 6

Диапазон входных и выходных переменных и параметр, на который они влияют.

Переменная Минимум Максимум Среднее Влияние
w / c соотношение 0,48 0,75 0,619 Состав смеси 0,619 3 ) 0 3,3 1,65 Состав смеси
GMBV (г / кг песка) 0,35 6,16 3,26 9019 9019 9019 9019 9018 27 94 60.5 Качество штрафов
Водопоглощение (%) 0,45 1,92 1,19 Качество штрафов
Пустоты (%) 37,9 45,98 форма и текстура
Время истечения (с) 20,7 36,7 28,7 Градация, форма и текстура
Штраф (% от FA) 1 18 9.5 Градация
28 дней f ‘ c (Н / мм 2 ) 31,3 64,3 Результат
9019 300 1 Результат

4.3. Настройка модели

Для обучения нейронных сетей использовался алгоритм обратного распространения. Полное описание алгоритма и ИНС в целом предоставлено Фосеттом [34].показана типовая структура, принятая для этих моделей. После обучения ИНС полученные веса связей и «смещения» были перенесены в электронные таблицы. В них уравнение (1) использовалось для вычисления числовых значений нейронов в скрытом слое:

yj = F (∑i = 0n (xi · wij) + b)

(1)

где y j — нейрон в скрытом слое, x i — масштабированное входное значение, w ij — вес соединения, n — количество входов и b — константа, называемая «смещением» или «порогом», которая вычисляется во время обучения сети аналогично весам соединений. F — сигмовидная функция активации, полученная из уравнения (2), которая представляет нелинейное поведение бетона. Выходные значения z k вычисляются с использованием уравнения (1), но путем замены x i на y j и w ij на w jk .

Структурная схема искусственной нейронной сети.

Нейронные сети были созданы с одним скрытым слоем, как было ранее продемонстрировано для успешного моделирования прочности и удобоукладываемости бетона [32,35,36].Выбор количества нейронов в скрытом слое зависит от сложности задачи и обычно определяется эмпирически. Сети с диапазоном скрытых номеров нейронов были созданы и обучены с использованием обучающих данных. Ошибки прогноза, в данном случае среднеквадратическая ошибка (RMS), данных тестирования были оценены, и была принята модель с наименьшей ошибкой. Для каждого выхода были созданы и обучены четыре нейронные сети с 2, 4, 6 и 8 скрытыми нейронами. В этой статье модели нейронных сетей обозначаются в соответствии с количеством нейронов в каждом слое «входной слой — скрытый слой — выходной слой» и рассматриваемым выходным параметром (сила или спад).

Веса для каждого нейрона были рандомизированы перед обучением сети. Начальная скорость обучения составляла 0,7, после 7 циклов обучения она снизилась на 1%. Кроме того, начальный коэффициент импульса составлял 0,7, который уменьшался на 1% после каждых 500 циклов. Использовался онлайн-режим обучения, в котором веса обновлялись после каждой записи, а данные представлялись в случайном порядке. Обучение каждой сети было остановлено после 5000 циклов. Было замечено, что RMS стабилизировалась для всех сетей примерно после 2000–3000 циклов обучения.

4.4. Оценка модели

показывает ошибки прогнозирования RMS моделей для набора данных тестирования. Можно видеть, что наименьшая ошибка для прогнозирования оседания — это модель оседания 8-2-1, тогда как для прогнозирования прочности наименьшая ошибка получается при использовании модели прочности 8-6-1, и поэтому они были приняты как наиболее точные. модели для данного набора данных.

Таблица 7

Ошибки RMS модели ИНС для набора данных тестирования.

Модель RMS (мм) Модель RMS (Н / мм 2 )
8-8-1 спад 13.36 8-8-1 прочность 2,70
8-6-1 спад 13,58 8-6-1 прочность 2,61
8-4-1 спад 11,50 8-4-1 сила 2,87
8-2-1 спад 7,97 8-2-1 сила 4,09

Чтобы проверить возможности прогнозирования четырех моделей бетонные смеси были приготовлены с тем же содержанием FA, CA и цемента, как подробно описано в Разделе 2, но с различными дозировками воды и добавок.Эти смеси включали измельчительную пыль, которая не использовалась при обучении или тестировании моделей, природный песок, гранитный песок без глин и песчано-песчаный песок с частицами глины. Входные значения модели, взятые из смесей валидации, приведены в.

Таблица 8

Подтверждение входных значений смеси.

9019

1,0

Смесь для валидации Соотношение w / c Добавка (л / м 3 ) GMBV (г / кг песка) SE Пустоты (%) Время истечения (%) Водопоглощение (%) Содержание мелких частиц (%)
Дробильная пыль 0.65 0 1,55 44 42,2 36,6 0,77 9,3
NS 0,51 0 0,35 9019 9019 0,35
GC 0,60 0 0,71 71 43,7 23,9 0,58 5,1
GS-0 60 3 1,84 30 41,6 22,3 0,98 5,0

Расчетные и фактические значения осадки и прочности на сжатие для проверенных смесей показаны соответственно. Модель осадки 8-2-1 имела среднеквадратичное значение 26,61 мм и самую высокую процентную ошибку 34% для смеси NS. Следует отметить, что в диапазоне спада 50–100 мм, где располагалась большая часть обучающих данных, процентная погрешность не превышает 21%.Кроме того, принимая во внимание искусственные значения 300 мм, принятые для обрушения осадки в данных обучения, можно было ожидать, что будет завышенная оценка осадки в смесях с более высокой удобоукладываемостью. Тем не менее, завышение значения осадки предпочтительнее недооценки, поскольку для достижения желаемой удобоукладываемости смеси могут использоваться другие методы. Можно видеть, что прогнозы прочности на сжатие относительно точны с максимальной процентной ошибкой 13% и среднеквадратичным значением 4.47 Н / мм 2 для модели прочности 8-6-1. Опять же, недооценка (если таковая имеется) прогнозируемой прочности на сжатие предпочтительнее завышенной оценки, особенно при проектировании конструкций.

Прогнозируемые и фактические значения осадки для проверочных смесей.

Расчетные и фактические значения прочности на сжатие для проверочных смесей.

Численная оценка модели может помочь подтвердить, что ИНС действительно усвоила лежащую в основе теоретическую взаимосвязь.Параметры мелкого заполнителя следует рассматривать одновременно, поскольку трудно идентифицировать влияние какого-либо одного входного параметра на удобоукладываемость и прочность на сжатие бетона из-за многопараметрического нелинейного характера взаимосвязи между переменными. a, b показывают вариацию прогнозов спада с SE и GMBV, а также значения времени потока и пустот, когда все остальные свойства сохраняются на средних значениях из набора обучающих данных (). Видно, что для жидких смесей с соотношением в / ц 0.6 и 0,7 наблюдается заметное уменьшение осадки по мере увеличения содержания глины. В то время как в жестких смесях (соотношение 0,5 в / ц) это мало влияет на прогнозы оседания. Точно так же для жестких смесей не наблюдается влияния формы и градации на осадку, тогда как для жидких смесей, чем более угловат заполнитель, на что указывает увеличение содержания пустот, тем ниже осадка, аналогично более мелкая градация, на что указывает уменьшение потока время, тем меньше прогнозируемый спад.

Вариация прогнозов осадки с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

a, b показывает изменение прочности на сжатие из-за значений SE и GMBV, а также содержания пустот и времени истечения. Можно видеть, что для SE и GMBV, когда отношение w / c составляет 0,7, прогнозы прочности на сжатие относительно постоянны, тогда как для отношения w / c 0,6 и 0,5 существует оптимальный диапазон значений для SE и GMBV, которые приводят к наивысшему прочность на сжатие. Помня, что соотношение вода / цемент является доминирующим фактором, определяющим прочность бетона, можно увидеть, что при высоком соотношении вода / цемент (0.7) форма, текстура или гранулометрический состав заполнителя мало влияют на прочность на сжатие, в отличие от бетонов с высокой прочностью (с низким соотношением масс. / Цемент.), Как наблюдали Donza et al. [37]. Время растекания в основном определяется гранулометрическим составом и структурой поверхности мелкого заполнителя. Было показано Li et al. [30], что если классификация такая же, то увеличенное время истечения указывает на более грубую поверхность мелких частиц заполнителя, что увеличивает прочность на сжатие.

Вариация прогнозов прочности на сжатие с ( a ) изменением SE и GMBV и ( b ) изменением содержания пустот и времени истечения.

Можно сделать вывод, что модели ИНС могут использоваться для оценки удобоукладываемости и прочности бетона на сжатие, когда свойства мелкого заполнителя используются наряду с составом смеси в качестве входных параметров модели ИНС. Однако у таких моделей есть ограничения, главное из которых состоит в том, что они хорошо работают только в том диапазоне входных и выходных переменных, с которым они были обучены. Можно также сделать вывод, что модели ИНС, разработанные в этом исследовании, действительны, и прогнозы в целом соответствуют теоретическим соотношениям между составом смеси, параметрами мелкозернистого заполнителя и свойствами бетона.Таким образом, этот тип модели может использоваться для уменьшения усилий, необходимых для разработки рабочих бетонных смесей, или для сравнения характеристик различных мелких заполнителей с помощью простых тестов классификации заполнителей.

5. Выводы

Основная цель этого исследования заключалась в том, чтобы представить метод, с помощью которого можно охарактеризовать пески, полученные из дробильной пыли, в соответствии с их физическими и минералогическими свойствами, и изучить их использование в бетоне в качестве 100% замены природного песка.Результаты экспериментального исследования, представленные в этой статье, продемонстрировали, что дробильная установка V7 способна производить искусственные пески с аналогичным гранулометрическим составом независимо от минералогии материнской породы. Была предложена серия испытаний, которые позволили косвенно измерить форму, текстуру поверхности, классификацию и наличие вредной мелочи, которые использовались для характеристики физических свойств природных песков, необработанной пыли от дробилок и промышленных песков. Из этих испытаний было очевидно, что промышленные частицы песка улучшенной формы и качества по сравнению с природным песком и необработанной дробильной пылью были произведены дробильной установкой V7, наряду с уменьшением количества глинистых частиц в мелкодисперсной части по сравнению с исходным материалом. .

Подходящие для обработки бетоны были произведены с использованием искусственного песка в качестве единственного мелкозернистого заполнителя при различных соотношениях в / ц. Присутствие глин в промышленных песках может быть ограничивающим фактором при их использовании в бетонных изделиях, где требуется высокая консистенция и относительно низкие отношения в / ц. Тем не менее, адекватный бетон, содержащий искусственный песок в качестве единственного мелкого заполнителя, может быть получен. Действительно, при том же соотношении вода / цемент прочность на сжатие и изгиб изготовленных песчаных бетонов была выше, чем у их аналогов из природного песка.Считается, что это связано с угловатой формой материала, которая положительно влияет на сцепление заполнителя и, следовательно, приводит к улучшенному сцеплению между цементом и частицами заполнителя. Присутствие глины не повлияло на 28-дневную прочность бетона, изготовленного с тем же соотношением воды и цемента с различными минералогическими свойствами искусственного песка. Таким образом, существует возможность использования глинистых заполнителей в бетоне, что ранее не приветствовалось. Оптимальное содержание мелких частиц 7% наблюдалось для облегчения обработки, укладки и отделки произведенного пескобетона.Однако в исследованном диапазоне содержания мелких частиц от 1% до 9% не наблюдалось значительной тенденции между содержанием мелких частиц и прочностью бетона на сжатие. Таким образом, чтобы максимально повысить эффективность использования материалов, можно использовать сорта искусственного песка с более высоким содержанием мелочи, когда прочность на сжатие является контролируемым свойством.

Было показано, что модели ANN могут использоваться для оценки прочности на сжатие и удобоукладываемости бетона на основе свойств мелкого заполнителя и состава смеси с разумной точностью.Такие модели, вместе с описанными ранее испытаниями характеристик, могут использоваться в строительной отрасли, когда на рынок выходят новые источники мелкозернистых заполнителей. Использование моделей устранит необходимость в обширных лабораторных испытаниях для выбора подходящего состава смеси и определения свойств свежего и затвердевшего бетона.

Использование морского песка и морской воды в бетонном строительстве: текущее состояние и будущие возможности

Основные моменты

Обобщено влияние морского песка и / или морской воды на свойства бетона.

Добавки могут улучшить характеристики бетона с морским песком и / или морской водой.

Комбинация бетона с морской водой и морской водой из стеклопластика позволяет создавать устойчивые конструкции.

Бетон с морской водой и морской водой, включающий переработанный крупнозернистый заполнитель, является привлекательным.

Обсуждаются и рекомендуются потребности в исследованиях и возможности применения.

Реферат

В данной статье представлен критический обзор существующих исследований по влиянию использования морского песка и / или морской воды в качестве сырья для бетона на свойства получаемого бетона, включая его удобоукладываемость, кратковременную и длительную. срок прочности, а также долговечность.Существующие исследования показали, что бетон, изготовленный из морского песка и морской воды, развивает свою первоначальную прочность быстрее, чем у обычного бетона, но первый достигает такой же долговременной прочности, что и второй. Существующие исследования также показали, что использование морского песка и морской воды может иметь значительное влияние на вызванную хлоридом коррозию стали, но оказывает лишь незначительное влияние на процесс карбонизации бетона. Существуют веские доказательства того, что сочетание минеральных добавок для бетона и арматуры с полимером, армированным волокном (FRP), может эффективно решить проблему долговечности, связанную с изобилием хлорид-ионов в бетоне с морской водой и морским песком (SSC).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *