Васильева Е. В., Федоров В. М. Применение мелких песков для изготовления бетонных элементов гидромелиоративных систем // Научная жизнь. 2025. Т. 20. Вып. 5 (143). С. 1166-1178. DOI: 10.35679/1991-9476-2025-20-5-1166-1178

Васильева Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность», ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М. И. Платова»: Россия, 346428, Ростовская обл., г. Ново-черкасск, ул. Просвещения, 132.
Федоров Виктор Матвеевич, д-р техн. наук, профессор, про-фессор кафедры «Техносферная безопасность и нефтегазовое дело», Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А. К. Кор-тунова – филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»: Россия, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111.

Тел.: (908) 508-05-28
E-mail: karalenka5@yandex.ru

Актуальность. Из имеющихся геологических запасов песка на территории России преобладают месторождения мелких и очень мелких песков. Получение качественного бетона на таких песках обеспечивается заполнением пустот между зернами песка цементным тестом и созданием между ними цементной прослойки. Количество цемента на создание такой прослойки зависит от общей площади поверхности зерен и возрастает c ее повышением и уменьшением модуля крупности песка. Доля песков с модулем крупности 1,0-1,5, нежелательных без дополнительного обогащения для использования в бетонных и растворных смесях, доходит во многих регионах до 90-95% от имеющихся суммарных запасов песка. В этих условиях следует либо доставлять отвечающих нормативным требованиям пески из других областей (краев), что увеличит нагрузку на дорожную сеть и повысит стоимость бетонных работ, а следовательно, и строящихся объектов в целом, либо применять местные мелкие (или очень мелкие) пески, что приведет к перерасходу цемента на 15-20%. Создание условий, обеспечивающих использование в бетонах подобного рода песков, без перерасхода цемента, не только положительно скажется на экономических показателях бетона, но, благодаря уменьшению термического трещинообразования и усадки повысит также и эксплуатационные качества бетона. Кроме этого, за счет использования местного песка снизятся и транспортные расходы на его доставку, что благоприятно отразится на работе предприятий и организаций. Объект. Объектом исследования являются выполненные из бетона изделия и конструкции с целью их применения в мелиоративном строительстве. Для изготовления такого рода изделий (элементов) и конструкций в качестве мелкого заполнителя бетона используются местные мелкие некондиционные пески. Материалы и методы. Решение рецептурных и технологических задач опиралось на передовые и востребованные методы математического планирования эксперимента, с привлечением регрессионного и статистического анализа, получением квадратичной математической модели и отображением ее в виде геометрического образа. В процессе проводимых исследований составляющими бетонной смеси выбраны цемент марки 500 Новороссийского завода “Октябрь“, карбонатный щебень крупностью 5-20 мм из карьера в поселке Жирнов Ростовской области, имеющий свыше 2% загрязняющих пылевидных и глинистых частиц, мелкий содержащий загрязняющих пылевато-глинистых примесей более 2-х процентов, мелкий местный необогащенный песок Грушевского месторождения с модулем крупности Мкр = 1,48, c содержанием пылевидных и глинистых примесей свыше 7%, пустотностью свыше 45%, насыпной плотностью 1,42 т/м3. Отличием бетонных смесей на приведенных выше заполнителях является их малоподвижность, неблагоприятно влияющая на качество перемешивания составляющих смесей и уплотняемость при вибрировании на вибрационном столе, что, как показала практика, крайне отрицательно влияет на эксплуатационную надежность и долговечность бетонных (железобетонных) изделий, конструкций и сооружений в целом. В связи с чем, для уравновешивания негативного воздействия невысококачественных заполнителей (щебня из рядовых карбонатных пород, мелкого местного некондиционного песка) на строительные, технологические и эксплуатационные характеристики бетона и сроки службы бетонных (железобетонных) элементов и конструкций, предложено в состав бетонной смеси добавить специальный разжижитель смеси – формиатно-спиртовый (ФСР), являющийся побочным продуктом производства многоатомного спирта-пентаэритрита. Формиатно-спиртовый разжижитель доставляется на производство в виде водного раствора пятидесяти процентной концентрации. В составе водного раствора – формиат натрия, сиропообразующие вещества и полиспирты. По окончании изготовления бетонных смесей, на лабораторной вибрационной площадке осуществляли формование образцов в виде кубов с ребром 100 мм, которые затем помещали в лабораторную пропарочную камеру для ускоренного набора прочности и последующих экспериментальных исследований. Результаты и выводы. Использование местных (региональных) заполнителей, включая мелкие некондиционные пески имеет для предприятий и организаций важное экономическое значение, поскольку понижается нагрузка на транспортные магистрали, сокращаются расходы на доставку заполнителей, снижается стоимость бетона, а значит и строительства в целом. В то же время растет ресурсная база для изготовления деталей, изделий и конструкций из бетона и железобетона, используемых на оросительных, обводнительных, природоохранных и других системах, благодаря применению в бетонах дешевых местных (региональных) компонентов, в том числе местных мелких некондиционных песков. Такая возможность стала реальной за счет введения в состав бетонной смеси специального (формиатно-спиртового) компонента-разжижителя, способствующего приобретению бетонной смесью высокой подвижности с высокими показателями текучести. Опираясь на это стало возможным значительно (до 40-58 МПа) повысить прочностные показатели бетона на рядовых (местных, региональных) заполнителях, благодаря уменьшению расхода воды на замес без снижения подвижности и текучести бетонной смеси. Результаты производственных испытаний соответствовали данным проведенных экспериментальных исследований и отвечали техническим требованиям, предъявляемым к железобетонным плитам, предназначенным для устройства облицовок на каналах гидромелиоративных систем.

Список литературы:

1. Шевченко В. А., Щедрин В. Н., Куприянова С. В. Задачи и проблемы восстановления оросительных мелиораций на юге России // Мелиорация и водное хозяйство. – 2023. – № 3. – С. 28–32.
2. Гулюк Г. Г. Эффективное развитие мелиоративного комплекса // Мелиорация и водное хозяйство. – 2022. – № 2. – С. 2–6.
3, Дубяго Д. С., Новиков А. Е., Григоров С. М. Дефекты бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений мелиоративных систем Республики Беларусь // Мелиорация и водное хозяйство. – 2023. – № 2. – С. 36–40.
4. Шилин А. А. Современный подход к разработке решений по ремонту железобетонных конструкций гидротехнических сооружений / А. А. Шилин, А. М. Кириленко, П. А. Знайченко // Транспортное строительство. – 2017. – № 12. – С. 6–10.
5. Линевич С. Н., Каплин В. Т., Багогосян А. Т. Введение в экологию, экологическая безопасность России, экологическое образование: учеб. пособие / под ред. С. Н. Линевича. – Ростов-на-Дону : ООО “Терра“, 2000. – 80 c.
6. Несветаев Г. В. Эффективность применения суперпластификаторов в бетонах // Строительные материалы. – 2006. – № 10. – С. 23-25.
7. Голованов А. И. Основы природообустройства. – М.: Колос, 2001. – 262 с.
8. Несветаев Г. В. Строительные материалы : учеб. пособие для вузов. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2009. – 608 с.
9. Комохов П. Г. Цементы, бетоны, строительные растворы и сухие смеси. – СПб.: НПО “Профессионал“, 2007. – 804 c.
10. Макридин Н. И., Максимова Н. Н. Структура, деформативность, прочность и критерий разрушения цементных композитов. – Саратов, 2001. – 280 с.
11. Давиденко В. М. Причины разрушения и концепция ремонта бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений / В. М. Давиденко и [др]. / Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. – 2017. – Т. 286. – С. 3–9.
12. Абдразаков Ф. К., Рукавишников А. А., Сафин Э. Э. Покрытие оросительных каналов инновационным бетонным полотном и адаптивные способы их эксплуатации. // Мелиорация и водное хозяйство. – 2023. – № 2. – С. 27–31.
13. Баженов Ю. М., Комар А. Г. Технология бетонных и железобетонных сооружений. – М.: Стройиздат, 1984. – 671 c.
14. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. – М.: Финансы и статистика, 1981. – 262 c.
15. Юдин М. И. Планирование эксперимента и обработка результатов. – Краснодар: КГАУ, 2004. – 239 с.

THE USE OF FINE SANDS FOR THE MANUFACTURE OF CONCRETE ELEMENTS OF HYDRO-RECLAMATION SYSTEMS

Vasilyeva Elena Viktorovna, Cand. of Tech. Sci., Ass. Prof., Ass. Prof. of the Depart. of Ecology and industrial safety, South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov, Novocherkassk, Russia.
Fedorov Viktor Matveyevich, Dr. of Tech. Sci., Prof., Prof. of the Depart. of Technosphere safety and oil and gas engineering, Don state agrarian university, Novocherkassk, Russia.

Keywords: local fine untreated sands, additional resource, substandard aggregates, crushed stone, pulverized and clay impurities, formate-alcohol component, additive, diluent, concrete mix and concrete, construction, technical and technological properties, coarse and fine aggregates, experimental planning, factors, mathematical model, coefficients of the regression equation, strength concrete, geometric interpretation.

Abstract. Relevance. Of the available geological reserves of sand in Russia, deposits of fine and very fine sands predominate. Obtaining high-quality concrete on such sands is ensured by filling the voids between the sand grains with cement paste and creating a cement layer between them. The amount of cement required to create such a layer depends on the total surface area of the grains and increases with its increase and decrease in the sand size modulus. The proportion of sands with a grain size modulus of 1.0-1.5, undesirable without additional enrichment for use in concrete and mortar mixtures, reaches 90-95% of the total sand reserves in many regions. Under these conditions, it is necessary either to deliver sands that meet regulatory requirements from other regions (territories), which will increase the load on the road network and increase the cost of concrete work, and therefore of facilities under construction as a whole, or to use local fine (or very fine) sands, which will lead to an overspending of cement by 15-20%. Creating conditions that ensure the use of such sands in concrete without overusing cement will not only have a positive effect on the economic performance of concrete, but, by reducing thermal cracking and shrinkage, it will also improve the performance of concrete. In addition, due to the use of local sand, transportation costs for its delivery will also decrease, which will have a positive impact on the work of enterprises and organizations. An object. The object of the research is concrete products and structures for the purpose of their application in reclamation construction. For the manufacture of such products (elements) and structures, local fine substandard sands are used as a fine aggregate of concrete. Materials and methods. The solution of prescription and technological problems was based on advanced and sought-after methods of mathematical experimental planning, involving regression and statistical analysis, obtaining a quadratic mathematical model and displaying it as a geometric image. In the course of the research, 500 grade cement from the Novorossiysk October plant, carbonate crushed stone with a grain size of 5-20 mm from a quarry in the village of Zhirnov, Rostov region, containing over 2% of polluting pulverized and clay particles, fine containing polluting dusty clay impurities of more than 2 percent, fine local non-enriched sand from the Grushevsky deposit with The modulus of fineness is Mkr = 1.48, with a content of pulverized and clay impurities of over 7%, a voidness of over 45%, and a bulk density of 1.42 t/m3. The difference between concrete mixtures based on the above aggregates is their low mobility, which adversely affects the quality of mixing of the constituent mixtures and compaction when vibrating on a vibrating table, which, as practice has shown, has an extremely negative effect on the operational reliability and durability of concrete (reinforced concrete) products, structures and structures in general. In this regard, in order to balance the negative impact of low–quality aggregates (crushed stone from ordinary carbonate rocks, fine local substandard sand) on the construction, technological and operational characteristics of concrete and the service life of concrete (reinforced concrete) elements and structures, it is proposed to add a special diluent of the mixture to the concrete mixture - formate-alcohol (FSR), which is a by-product of polyatomic alcohol production is pentaerythritol. The formate-alcohol diluent is delivered to production in the form of an aqueous solution of fifty percent concentration. The aqueous solution contains sodium formate, syrup–forming substances and poly alcohols. Upon completion of the production of concrete mixtures, samples were formed on a laboratory vibrating pad in the form of cubes with a 100 mm edge, which were then placed in a laboratory steaming chamber for accelerated strength gain and subsequent experimental studies. Results and conclusions. The use of local (regional) aggregates, including fine substandard sands, is of great economic importance for enterprises and organizations, since the load on transport routes is reduced, the cost of delivering aggregates is reduced, and the cost of concrete, and hence construction in general, is reduced. At the same time, the resource base for manufacturing parts, products and structures made of concrete and reinforced concrete used in irrigation, irrigation, environmental protection and other systems is growing due to the use of cheap local (regional) components in concrete, including local fine substandard sands. This possibility became real due to the introduction of a special (formate-alcohol) diluent component into the concrete mix, which helps the concrete mix acquire high mobility with high flow rates. Based on this, it became possible to significantly (up to 40-58 MPa) increase the strength of concrete on ordinary (local, regional) aggregates, by reducing water consumption per batch without reducing the mobility and fluidity of the concrete mixture. The results of the production tests corresponded to the data of the conducted experimental studies and met the technical requirements for reinforced concrete slabs intended for the installation of linings on the channels of hydraulic reclamation systems.