Введение. В современных условиях строительства особую роль приобретают конструкции из облегченного бетона. Плотная застройка городов и разнообразие инженерно-геологических условий приводят к необходимости возведения зданий и сооружений со сниженной массой. При этом с увеличением этажности, а также созданием новых большепролетных и высотных зданий и сооружений с повышенными требованиями к прочности и деформативности применяемых строительных материалов, изделий и конструкций, встаёт острая проблема нехватки достаточно прочных и при этом облегченных изделий. В сравнении с тяжелыми бетонами бетоны на легких пористых заполнителях (керамзитовый гравий, керамзитовый щебень, шлаковая пемза, шлаковый щебень, доменный гранулированный шлак) обладают рядом преимуществ, а именно низкой плотностью и теплопроводностью, более высоким сцеплением цементно-песчаного раствора и заполнителя и высокой трещиностойкостью [1–3]. В связи с дефицитом природных заполнителей в ряде регионов применение искусственных пористых заполнителей в экономическом и экологическом плане является более выгодным [4–6].Основными недостатками легких бетонов в сравнении с тяжелыми являются худшие физико-механические показатели, а именно низкий модуль упругости, повышенные усадка и ползучесть [7, 8].   Применение комбинированных (смеси пористых и плотных) заполнителей для бетона является одним из перспективных направлений повышения их эффективности. Известно, что полная замена плотного заполнителя пористым приводит к потере прочности [9–12]. При необходимости снижения плотности бетона и дефиците плотных заполнителей используют бетоны с частичной заменой плотного заполнителя пористым. Занимая промежуточное положение между тяжелыми и легкими бетонами, бетоны на смешанных заполнителях мало отличаются от первых по прочности на сжатие и одновременно обладают положительными качествами вторых: высокой трещиностойкостью и прочностью на растяжение, выносливостью и долговечностью [13–16]. Таким образом, разработка оптимальной рецептуры, проектных решений, технологии возведения и заводского производства изделий и конструкций из облегченного бетона является актуальным направлением.Целью настоящего исследования стало получение облегченного бетона на комбинации разноплотных заполнителей в рациональном сочетании по предварительно выбранной рецептуре, обоснованной теоретически и экспериментально. Методы и материалы. При проведении исследований был использован бездобавочный портландцемент марки ПЦ 400 Д0 производства ООО «Топкинский цемент», физико-механические характеристики которого представлены в таблице 1.  Таблица 1Физико-механические характеристики портландцемента ПЦ 400 Д0Наименование свойстваЗначение Тонкость помола, проход через сито № 008, %95,8Удельная поверхность, см2/г2988,5Нормальная густота цементного теста, %26,5Сроки схватывания, час: мин- начало- конец  0: 48 4: 00Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, МПа42,5  В качестве крупного плотного заполнителя применялся щебень природный из кварцитовых пород, а в качестве крупного пористого заполнителя применялся керамзитовый гравий. Физико-механические характеристики плотного и пористого крупного заполнителя представлены в таблице 2. Таблица 2Физико-механические характеристики крупного заполнителяНаименованиеНасыпная плотность, кг/м3Прочность по ГОСТ 9758, МПаДробимость по ГОСТ 8269, %Плотностьзерен, г/см3Пустотность, %Керамзитовый гравий фракции 5–20 мм5001,7–0,8548Щебень фракции5–20 мм1380–12,12,5747  В качестве мелкого плотного заполнителя применялся кварцевый песок, а в качестве мелкого пористого заполнителя применялся гранулированный шлак. Физико-механические характеристики мелкого плотного и пористого заполнителей представлены в таблице 3. Таблица 3Физико-механические характеристики мелкого заполнителя НаименованиеНасыпная плотность, кг/м3МодулькрупностиПлотность зерен, г/см3Пустотность, %Гранулированный шлак 10213,81,9550Песок14801,42,6143,3  Приготовление бетонной смеси осуществлялось в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия БЛ-10. Для изготовления кубов были применены стандартные формы марки 2ФК-100. Уплотнение бетонной смеси в процессе формования образцов осуществлялось на лабораторной виброплощадке СМЖ-539-220А с механическим креплением, время вибрирования в среднем составляло 70 секунд. Для уплотнения легкобетонных смесей использовался пригруз. На следующие сутки после формования образцы были распалублены и помещены в камеру нормального твердения на 28 суток до набора проектной прочности.Также для исследований нами было применено: испытательное оборудование (пресс гидравлический ИП-1000), средства измерения (линейка измерительная металлическая, весы лабораторные, прибор для измерения отклонений от плоскости НПЛ-1, прибор для измерения отклонений от перпендикулярности НПР-1).Всего изготовлено и испытано 9 серий опытных образцов и 1 серия контрольных образцов. Одна серия образцов включает в себя три куба с размерами 10×10×10 см.   Испытания образцов на сжатие проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» [17–20].Результаты и их обсуждение. В качестве контрольного состава запроектирован тяжелый бетон на плотных заполнителях класса В30 с требуемой маркой по удобоукладываемости П1 (осадка конуса 1-4 см). Полученные в результате расчетов параметры состава бетонной смеси отражены в таблице 4. Таблица 4 Параметры состава бетонной смесиНаименование параметраЦемент, кг/м3Вода, л/м3Щебень, кг/м3Песок, кг/м3ρбс, кг/м3Значениепараметра37820311987212500  Выбор оптимальных объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей осуществлялся посредством проведения расчетов методом математического планирования эксперимента с использованием программы «MathCAD».В качестве функций были приняты изменяющиеся в зависимости от различных объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей следующие показатели: плотность, прочность на сжатие и коэффициент конструктивного качества.За функцию отклика были приняты параметры:- Rb.cub (Vкг; Vгш) – прочность на сжатие, МПа;- ρбс (Vкг; Vгш) – плотность облегчённого бетона, кг/м3;  - К.К.К. (Vкг; Vгш) – коэффициент конструктивного качества, ×103 МПа·м3/кг.В качестве же аргументов принимались объёмные содержания крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей в абсолютных показателях с различными уровнями варьирования. Значения факторов варьирования представлены в таблице 5 Таблица 5 Значения факторов варьирования ПФЭ 2к№ п/пКодфактораФизический смысл фактораЕд. измеренияУровни фактора-10+11VшпОбъёмное содержание крупногопористого заполнителя%4050602 VгшОбъёмное содержание мелкого пористого заполнителя по отношению к смеси крупныхзаполнителей%303540  Результаты экспериментальных исследований влияния объёмного содержания крупного и мелкого пористых заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей на плотность, прочность при сжатии и коэффициент конструктивного качества облегчённого бетона представлены в таблице 6 и на рисунках 1-3. Таблица 6 Результаты экспериментальных исследований влияния объёмного содержания пористогокрупного и мелкого заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей на плотность, прочность на сжатие и коэффициент конструктивного качества облегчённого бетонаНомеропытаОбъёмное содержание пористогокрупногозаполнителя, %Объёмное содержание мелкого заполнителя по отношению к смеси крупных заполнителей, %Плотность облегчённого бетона, кг/м3Прочность на сжатие, МПаКоэффициент конструктивного качества облегчённого бетона, (МПа·м3/кг)·10314030205438,118,526030182734,819,034040199737,919,046040181636,119,954035201138,319,066035181135,119,475030195837,018,985040196136,318,595035197036,818,7 По результатам исследований методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, которые представлены в виде полиномов второй степени:  σбсVкг; Vгш=1934-101∙Vкг-10∙Vгш+11,5∙Vкг∙Vгш-43,7∙Vкг2+4,8∙Vгш2                 (1)Rb.cubVкг; Vгш=37-1,38∙Vкг+0,067∙Vгш+0,37∙Vкг∙Vгш-0,016∙Vкг2-0,033∙Vгш2         (2)К.К.К. Vкг; Vгш=19+0,3∙Vкг+0,16∙Vгш+0,1∙Vкг∙Vгш+0,43∙Vкг2-0,067∙Vгш2            (3) При расчете состава облегчённого бетона в каждом опыте значения расхода заполнителей (таблица 7) рассчитывался по формулам:M=r · ∑V                              (4)K=∑V-M                             (5)Kп=Vп · К                              (6)Kщ=Vщ · К                             (7)где М – расход мелкого заполнителя, м3/м3; r – доля песка по объему в смеси заполнителей; ∑V – сумма пофракционных объемов (общий расход заполнителей на 1м3 бетона) – принимается по результатам исследований свойств смесей заполнителей, м3/м3; К – суммарный расход крупных заполнителей, м3/м3; Kкг – расход керамзитового гравия, м3/м3; Kщ – расход щебня, м3/м3; Vкг – доля керамзитового гравия;  Vщ – доля щебня. Таблица 7Результаты экспериментальных исследований влияния объёмного содержания пористого крупного и мелкого заполнителей по отношению к смеси крупных заполнителей на плотность, прочность на сжатие и коэффициент конструктивного качества облегчённого бетонаНомеропытаСумма пофракционных объемов, м3/м3Расходгранулированного шлака, м3/м3Расход керамзитового гравия, м3/м3Расход щебня, м3/м311,4480,4340,4050,60821,4180,4250,5960,39731,4320,5730,3440,51641,4080,5630,5070,33851,4350,5740,3440,51761,4210,4970,5540,36971,4280,5000,4640,464 81,4200,4260,4970,497 91,4310,5720,4290,429   При приготовлении опытных замесов бетонных смесей на комбинированном заполнителе расход цемента оставался неизменным, а расход воды корректировался до получения требуемой подвижности бетонной смеси. Рис. 1. Изменение плотности облегчённого бетона в зависимости от объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей (К – контрольный состав; 1, 2…9 – опытные составы)  Рис. 2. Изменение прочности при сжатии облегчённого бетона  зависимости от объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей(К – контрольный состав; 1, 2…9 – опытные составы)     Рис. 3. Изменение коэффициента конструктивного качества облегчённого бетона в зависимости от объёмных содержаний крупного и мелкого пористых заполнителей(К – контрольный состав; 1, 2…9 – опытные составы)  Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что введение в состав тяжелого бетона керамзитового гравия вместо части плотного крупного заполнителя и замена мелкого плотного заполнителя на гранулированный доменный шлак приводят к повышению коэффициента конструктивного качества, то есть снижение прочности при сжатии бетона компенсируется еще более существенным снижением плотности материала, а значит снижением массы.Максимальное повышение коэффициента конструктивного качества бетона на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака наблюдается при замене части крупного плотного заполнителя керамзитового гравия в количестве 60 % от общего объёма крупного заполнителя в составе бетонной смеси и объёмного содержания мелкого заполнителя по отношению к смеси крупных заполнителей в количестве 40 %. Вывод. В результате проведённых исследований нами сделаны следующие выводы. Технология комбинирования заполнителей, то есть замена части плотного заполнителя, в нашем случае щебня из кварцитных пород и кварцевого песка, на пористые, а именно на керамзитовый гравий фракции 10-20 мм и доменный гранулированный шлак, позволяет добиться существенного снижения плотности бетона за счет уменьшения его массы в среднем на 25–30 %. Тем самым повышается коэффициент конструктивного качества таких бетонов.Прирост коэффициента конструктивного качества бетона на основе керамзитового гравия, природного щебня и гранулированного доменного шлака в сравнении с контрольным составом составил максимум 15,6 %.Тем самым, применяя комплексное рецептурное решение, включающее в себя замену части плотных крупного и мелкого заполнителей на пористые, существенно снижается вес конструкции, обеспечивается ресурсо- и материалосбережение, а также энергосбережение при производстве и изготовлении таких изделий и конструкций, повышаются прочностные характеристики и достигается положительный эффект при строительстве зданий и сооружений в целом.