STRENGTH AND DEFORMATION PROPERTIES OF STRUCTURAL-THERMAL INSULATION LIGHTWEIGHT CONCRETES

Authors

DOI:

https://doi.org/10.32782/2415-8151.2026.39.7

Keywords:

lightweight concretes, structural-thermal insulating concretes, porous aggregates, expanded clay concrete, expanded clay perlite concrete, keramzite concrete, multicomponent binder, strength characteristics, deformability properties, modulus of elasticity, microcrack initiation, concrete shrinkage, concrete creep, regression equations, concrete and reinforced concrete structures

Abstract

The purpose of this study is the experimental determination and generalization of the strength and deformability characteristics of structural– thermal insulating lightweight concretes based on porous aggregates using multicomponent binders, in order to obtain design parameters required for the structural design of concrete and reinforced concrete elements, as well as to substantiate the feasibility of their application in construction and in the restoration of damaged facilities. Methodology. The research was carried out using a combined computational- experimental approach to the design of lightweight concrete mixtures, which included the selection of the type of porous aggregates, determination of the content of multicomponent binders, and optimization of particle size distribution and water content of the concrete mix. Tests of cubic and prismatic specimens were performed to determine strength, modulus of elasticity, and deformability characteristics in accordance with current standards. Experimental data were processed using methods of mathematical statistics and regression analysis with a confidence level of 95%. Results. The influence of the type of fine aggregate, the type of porous coarse aggregate, and the composition of multicomponent binders on the strength and deformability properties of expanded clay concrete, expanded clay perlite concrete, and keramzite concrete within the strength range of 5–30 MPa was established. Regression relationships were obtained for cube and prism strength, modulus of elasticity, limits of microcrack initiation, as well as shrinkage and creep deformations. It was shown that the use of lime and fly ash in binder compositions reduces Portland cement consumption without deterioration of deformability and crack resistance characteristics. It was also found that the modulus of elasticity of lightweight concretes with quartz sand exceeds that of concretes with porous sands by an average of 10–20%. Scientific novelty. For lightweight concretes based on local porous aggregates, generalized regression models were developed that describe the dependence of strength and deformability characteristics, as well as microcrack initiation limits, on mixture composition factors. Quantitative relationships between tensile strength and the critical stress intensity factor were established, enabling the assessment of crack resistance of lightweight concretes in structural calculations. Practical relevance. The obtained results can be used in the design of lightweight concrete mixtures and in determining the design properties of concrete and reinforced concrete structures for residential and public buildings. The proposed compositions improve the technical and economic efficiency of construction by reducing cement consumption and ensuring the rational use of local materials and industrial by-products.

References

Ефективні технології бетонів із застосуванням техногенної сировини : монографія /Л.Й. Дворкін та ін. Рівне : НУВГП, 2017. 424 с.

Кравченко С.А., Постернак О.О. Дослідження конструкцій з керамзитобетону на цементно-зольному в’яжучому. Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури : збірник наук. праць. Одеса : ОДАБА, 2016. № 64. С. 141–146.

Кравченко С.А., Постернак О.О., Зінченко С.В., Агаєва О.А., Столевич І.А. Дослідження міцнісних і деформативних властивостей керамзитобетону на цементно-зольному в’яжучому. Нові технології в будівництві. 2021. № 39. С. 54–60. DOI: https://doi.org/10.32782/2664-0406.2021.39.8.

Кравченко С.А., Постернак О.О. Мікротріщиноутворення та коефіцієнт інтенсивності напружень керамзитобетону на багатокомпонентному в’яжучому. Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури : збірник наук. праць. Одеса : ОДАБА, 2018. № 70. С. 56–62.

Кравченко С.А., Постернак О.О. Основні деформативні властивості керамзитобетонів. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди : збірник наук. праць. Рівне : УДУВГП, 2018. № 36. С.47–54. DOI: https://doi.org/10.31713/budres. v0i36.248.

Кравченко С.А., Постернак О.О., Столевич І.А. Несуча здатність та деформативність елементів і конструкцій з керамзитобетону на багатокомпонентному в’яжучому. Сучасні технології та методи розрахунків у будівництві : збірник наук. праць. Луцьк : Луцький національний технічний університет, 2021. № 16. С. 85–92. DOI: https://doi.org/10.36910/6775-2410-6208-2021-6(16)-11.

Очеретний В.П., Ковальський В.П., Машницький М.П., Діденко А.Ф. Використання відходів промисловості для виробництва ефективних будівельних матеріалів. Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. 2010. № 2. С. 53–55.

Столевич І.А., Постернак О.О., Петраш С.В., Костюк А.І., Уразманова Н.Ф. Бетони на пористих заповнювачах в будівництві Теорія та практика дизайну : збірник наук. праць. Київ, 2024. № 32. С. 63–69. DOI: https://doi.org/10.32782/2415-8151.2024.32.8.

Столевич І.А., Постернак О.О., Костюк А.І., Уразманова Н.Ф., Кравченко С.А. Деформативні властивості керамзитобетону на карбонатному піску та цементнозольному в’яжучому в залежності від впливу чинників складу Теорія та практика дизайну : збірник наук. праць. Київ, 2023. № 28. С. 96–103. DOI: https://doi.org/10.32782/2415-8151.2023.28.10.

Chandra S., Berntsson L. Lightweight Aggregate Concrete Science, Technology and Applications. Norwich, UK, USA : Noyes Publications/William Andrew Publishing, 2002. 100 p.

González-Fonteboa, Martínez-Abella F., Rodríguez-Álvaro R., Rey-Bouzón E., Seara-Paz S., Herrador M. F.. Use of coal bottom ash and other waste as fine aggregates in lightweight cement-based materials. Waste and Byproducts in Cement-Based Materials. 2021. Р. 53–87. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820549-5.00026-7.

Kim M.O., Qian X., Lee M.K., Park W-S., Jeong S.T., Oh N.S. Determination of Structural Lightweight Concrete Mix Proportion for Floating Concrete Structures. Journal of Korean Society оf Coastal and Ocean Engineers.2017. Vol. 29. Iss. 6. Р. 315–325. DOI: https://doi.org/10.9765/KSCOE.2017.29.6.315.

Kravchenko S.A., Posternak O.O., Kostyuk A.I., Stolevich I.A. Microcrack appearance and coefficient of tension intensity ceramsite concrete on multicomponent binding. IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng. 1164. 012039. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/1164/1/012039.

Rodacka M., Domagała L., Szydłowski R. Assessment of Properties of Structural Lightweight Concrete with Sintered Fly Ash Aggregate in Terms of Its Suitability for Use in Prestressed Members. Materials (Basel). 2023 Aug 2. № 16(15). Р. 5429. DOI: https://doi:10.3390/ma16155429.

Selman S.M., Abbas Z.K. The use of lightweight aggregate in concrete: a review. Journal of Engineering. 2022. Vol. 28. № 11. Р. 1–13. DOI: https://doi.org/10.31026/j.eng.2022.11.01.

Spitzer J. A review of the development of lightweight aggregate, history and actual survey. Proc. Int. Symp. Structural Lightweight Concrete. 1995. Р. 13–21.

Stolevych I.A., Posternak O.O., Kovtunenko O.V., Petrash S.V., Urazmanova N.F. Investigation of creep deformations of keralite concrete on carbonate sand. Теорія та практика дизайну. 2025. Vol. 35. Р. 75–82. DOI: https://doi.org/10.32782/2415-8151.2025.35.8.

Stolevich I., Posternak O., Kostiuk A., Urazmanova N. Strength and deformation properties of concrete and structures on porous aggregates of the south of Ukraine. Materials Science Forum. 1169. Р. 87–97. DOI: https://doi.org/10.4028/p-qpghx0.

Stolevych I.A., Posternak O.O., Petrash S.V., Kovtunenko O.V., Urazmanova N.F. Research and analysis of the influence of recipe and technological factors on the strength of expanded clay concrete on quartz sand. Modern technologies and methods of calculations in construction. Lutsk : LNTU, 2024. Vol. 21. Р. 235–243. DOI: https://doi.org/10.36910/6775-2410-6208-2024-11(21)-25.

Thienel K.C., Haller T., Beuntner N. Lightweight concrete – from basics to innovations. Materials. 2020. Vol. 13. № 5. Art. no. 1120. DOI: https://doi.org/10.3390/ma13051120.

Published

2026-04-24

How to Cite

Kravchenko , S., Oleksandr, P., & Urazmanova , N. (2026). STRENGTH AND DEFORMATION PROPERTIES OF STRUCTURAL-THERMAL INSULATION LIGHTWEIGHT CONCRETES. Theory and Practice of Design, (1 (39), 76–84. https://doi.org/10.32782/2415-8151.2026.39.7

Issue

Section

АRCHITECTURE AND CONSTRUCTION