автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Оптимизация зерновых составов цементно-минеральных смесей для производства строительных композитов методами компьютерного моделирования

На правах рукописи

Образцов Илья Вячеславович

ОПТИМИЗАЦИЯ ЗЕРНОВЫХ СОСТАВОВ ЦЕМЕНТНО-МИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

005554322

Воронеж - 2014

005554322

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тверской государственный технический университет» на кафедре «Производство строительных изделий и конструкций».

доктор технических наук, профессор Белов Владимир Владимирович.

Кондращенко Валерий Иванович доктор технических наук, профессор; Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), заместитель директора Института пути, строительства и сооружений по научной работе.

Лесовик Руслан Валерьевич, доктор технических наук, профессор; Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, проректор по международной деятельности.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, ауд. 3220, тел. (факс): (473) 271-59-05.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте http://edu.vgasu.vrn.ru/SiteDirectory/DisSov.

Автореферат разослан «24» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Проблема оптимизации структуры и свойств строительных композиционных материалов является первоочередной задачей технологов-проектировщиков, решение которой позволяет одновременно повысить экономичность, надежность и долговечность строительных композиционных материалов. С момента начала широкого использования строительных композитов делаются попытки получения аналитических зависимостей, связывающих свойства компонентов композиционных материалов и их концентрацию в смеси со свойствами готового композита. Получение таких зависимостей позволило бы рассчитывать концентрационно-гранулометрические характеристики смесей для изготовления материалов в зависимости от требований, которым должен соответствовать готовый материал. Решение первоочередной задачи оптимизации возможно за счет синергизма многих областей научного знания, в том числе технологии строительных материалов, физики, химии, математики, программирования и др.

Применение средств вычислительной техники позволяет решать многие задачи современного строительного материаловедения в области математического моделирования, прогнозирования свойств, автоматизированных расчетов и др. Появление универсальных оболочек и всё более мощных алгоритмических языков программирования дает возможность использовать компьютер как средство, позволяющее автоматизировать процесс поиска оптимальных составов композитных материалов, построить модели структуры материала в объеме, применить физические законы и спрогнозировать изменение свойств материала в зависимости от внешних условий. Компьютерные модели, построенные на основании фактора случайности, позволяют достаточно полно описать структуру композитного материала, учитывая хаотичный характер распределения структурных элементов в объёме материала, что обосновывает подход к их изучению с позиций теории вероятностей и математической статистики.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки и практического применения эффективной научно-прикладной методики проектирования оптимальных зерновых составов сырьевых смесей для получения строительных конгломератов на цементно-минеральной основе с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками. Основным требованием к разрабатываемой методике является возможность ее применения в любых производственных условиях на материалах местной сырьевой базы.

Методологическая ценность работы заключается в формализации задачи проектирования оптимальной структуры строительного композиционного материала с позиции пространственно-геометрических закономерностей структурообразования сырьевой смеси с применением современных методов компьютерного моделирования и эффективных алгоритмов автоматизированного расчета компонентного состава материала.

Диссертационная работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» па 2009-2013 годы (соглашение № 14.132.21.1724 от 17 октября 2012 г.).

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка оптимальных зерновых составов сырьевых смесей строительных композитов на цементно-минеральной основе с применением компьютерного моделирования структуры и свойств, обеспечивающих

достижение качественных показателей композитов на заданном уровне при минимальных расходах вяжущего вещества.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих подходов к оптимизации дисперсной структуры строительных композиционных материалов, а также методов и алгоритмов компьютерного моделирования процессов структурообразования строительных композитов. Разработать программное средство для имитационного моделирования процессов упаковки дисперсных систем;

- установить зависимости упаковки модельных дисперсных систем от их компонентного состава;

- выполнить компьютерный анализ известных закономерностей плотных упаковок частиц в дисперсных системах и на основе этого анализа усовершенствовать модель наиболее плотной упаковки для расчета оптимальных зерновых составов сырьевых смесей строительных композитов;

- разработать и экспериментально апробировать программно-расчетную методику проектирования оптимальных компонентных составов сырьевых смесей при производстве строительных композитов на цементно-минеральной основе;

- установить возможности повышения прочности и других качественных показателей строительных композитов на цементно-минеральной основе, а также экономии вяжущего вещества за счет оптимизации зерновых составов сырьевых смесей и использования оптимальных добавок микронаполнителя, обеспечивающих наиболее плотную упаковку частиц сырьевой смеси, как на макроуровне (заполнителя), так и на микроуровне (вяжущего вещества);

- выполнить опытно-производственную апробацию полученных результатов.

Научная новизна работы.

Разработаны и экспериментально подтверждены компьютерные модели плотных moho-, би- и полимодальных упаковок дисперсных систем с учетом размеров частиц. Получены новые данные о влиянии размеров частиц, а также соотношения скелетных и заполняющих фракций на плотность упаковки модельных систем, и, как следствие, на насыпную плотность и другие физические свойства дисперсных систем, применяемых в качестве сырьевых смесей в производстве строительных цементных композитов.

Разработан алгоритм и программный комплекс, позволяющий за короткий промежуток времени производить расчет зерновых составов сложных многокомпонентных смесей методом приближения расчетной гранулометрической кривой к «идеальной», с учетом коэффициента формы зерна.

Установлена возможность повышения прочности и других качественных показателей строительных композитов на цементной основе, а также экономии вяжущего вещества за счет оптимизации зерновых составов сырьевых смесей и использования оптимальных добавок микронаполнителя, обеспечивающих наиболее плотную упаковку частиц сырьевой смеси, как на макроуровне (заполнителя), так и на микроуровне (вяжущего вещества).

Достоверность полученных результатов и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств исследований и измерений, применением современных методов компьютерного моделирования, математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом.

Практическая значимость результатов исследования. Разработана научно-прикладная методика оптимизации гранулометрического состава минеральной части строительных композитов на цементной основе, позволяющая проектировать сырьевые смеси для производства бетонов с улучшенными эксплуатационными свойствами, а также увеличить эффективность, долговечность и качество композитов в целом.

Комплексная оптимизация минеральной части строительных цементных композитов позволяет сократить удельный расход вяжущего на единицу прочности материала, что является одной из важнейших практических задач. С применением разработанной методики оптимизации получены составы тяжелого бетона с удельным расходом цемента от 5,2 до 5,7 кг на один мегапаскаль прочности, что в 1,5-2,5 раза меньше среднего показателя удельного расхода цемента на единицу прочности для бетонов марок от М200 до М600, производимых в России.

За счет добавления оптимального количества тонкодисперсных минеральных добавок в состав вяжущей части с применением расчетно-экспериментальных методик, предложенных в данной работе, можно достичь максимальной плотности упаковки частиц в тонкодисперсных системах, что эффективно влияет на экономию вяжущего, способствует повышению удобоукладываемости и плотности бетонной смеси, а также конечной прочности бетона.

Предлагаемая научно-прикладная методика оптимизации составов цементно-минеральных смесей имеет возможность применения в любых производственных условиях и ориентирована на работу с материалами местной сырьевой базы, что не только снижает себестоимость строительных цементных композитов, но и повышает потенциал их конкурентоспособности.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы получили опытно-промышленную проверку в ООО «Элтра» в г. Твери при изготовлении опытной партии товарного бетона. Теоретические положения диссертации, результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе Тверского государственного технического университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению 270800 «Строительство».

На защиту выносятся:

- научное обоснование методологических принципов подбора оптимального гранулометрического состава цементно-минеральных сырьевых смесей строительных композитов;

- совокупность разработанных методик и сопутствующих инструментов компьютерного моделирования структуры и свойств, обеспечивающих достижение качественных показателей композитов на заданном уровне при минимальных расходах вяжущего вещества;

- составы строительных композитов на основе оптимизированных цементно-минеральных смесей;

- экспериментально установленные зависимости свойств мелкозернистого бетона от рецептурных факторов состава вяжущей части;

- результаты опытно-промышленных испытаний.'

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Региональной научно-практической конференции студентов и магистрантов, посвященной 40-летию кафедры производства строительных изделий и конструкций» (Тверь, 2010); «И Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих сме-

5

сей» (Москва, 2011); конференции «Промышленное и гражданское строительство в современных условиях» (Москва, 2011); международном симпозиуме «Инновации в области применения гипса в строительстве» (Москва, 2012); «14-й Международной конференции по компьютеризации в строительстве 1СССВЕ'14» (Москва, 2012); «III Международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей» (Москва, 2012); «III Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону» (Москва, 2014).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 25 публикациях, в том числе, в одной монографии, 6 статьях в журналах из перечня ВАК, а их новизна подтверждена 3 свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ (№JY° 2010617267, 2010610796, 2011615905).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложений и содержит 131 страницу, в том числе 69 страниц машинописного текста, 26 таблиц, 59 рисунков, список литературы из 169 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, представлены цель и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе представлен анализ физических представлений о процессах структурообразования строительных композиционных материалов, выполненный на основе опубликованных работ российских и зарубежных ученых. Рассмотрены существующие подходы к оптимизации дисперсной структуры строительных композиционных материалов, проанализированы современные методы компьютерного моделирования процессов структурообразования строительных композитов.

Для достижения плотной и прочной структуры строительного композита необходимо выполнение двух условий: плотная упаковка зернового скелета заполнителя и равномерное распределение связующего вещества в структуре материала, образующего прочные контакты между частицам заполнителя. Наибольшая плотность зерновой структуры грубодисперсной части строительного композита достигается за счет заполнения зернами меньших размеров пустот между крупными зернами, так называемая непрерывная гранулометрия заполнителя. Принцип формирования структуры на микроуровне отличается тем, что наряду с гравитационной упаковкой преобладают силы поверхностного взаимодействия частиц. Существует некоторый критический размер зерна, ниже которого происходит изменение баланса действия поверхностных и гравитационных сил. При размере минеральных частиц меньше критического следует ожидать принципиальной невозможности плотной упаковки частиц вследствие образования арочных и мосгиковых структур. Критерием оптимальности в тонкодисперсных системах выступает число контактов частиц - эффективных центров кристаллизации.

Одним из эффективных методов является расчет гранулометрической кривой, наиболее приближенной к «идеальной» кривой распределения частиц, которую описывают уравнениями Боломея, Фуллера, Функа-Дингера и другими, с учетом наличия мелких фракций и различной формы зерен. Компьютерное моделирование дает возможность исследовать структурную топологию дисперсных систем при различных параметрах, гранулометрических характеристиках частиц, объемно-массовых соотношениях компонентов смесей.

Опираясь на вышеизложенное, выдвинута рабочая гипотеза, согласно которой представляется возможным исследовать наиболее эффективный подход к получению цементного бетона оптимальной структуры с помощью специальных программно-расчетных методик, позволяющих проектировать и корректировать различные зерновые составы минеральной части бетона, а также, моделировать внутреннюю структуру композиционных смесей, производить параметрическую оценку степени оптимальности составов. На основании теоретических изысканий сформулированы цель и задачи работы. На рис. 1 представлена схема информационно-логических связей при оптимизировании зерновых составов строительных композитов.

Исследование свойств исходных сырьевых компонентов, применяемых

Л

в исследованиях

-41

Получение расчегно-экспернм ентальных данных о плотных упаковках грубо- и тонкодисперсных систем с зернами различных форм и размеров

Разработка программно-расчетной методики проектирования оптимальных компонентных составов сырьевых смесей для производства цементных бетонов_

Экспериментальные исследования эффективности оптимизации грубо-и тонкодисперсной структуры строительного композита с помощью компьютерного моделирования_

Опытно-промышленная проверка составов бетона с оптимальным гранулометрическим составом минеральной части

Исследование свойств строительных цементных композитов _из оптимизировашнлх минеральных смесей_

Реологические свойства бетонной смеси

Структурно-механические свойства бетона

Экономические показатели оптимизированных составов

Рис. 1. Схема информационно-логических связей при оптимизировании зерновых составов строительных композитов Вторая глава диссертации посвящена характеристикам применяемых материалов и методикам проведения исследований. В качестве основного вяжущего вещества в работе применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (К1Ш=53,9 МПа) с удельной поверхностью 350 м2/кг. В вяжущую часть опытных составов бетона вводились тонко дисперсные компоненты - молотый кварцевый песок и молотый известняк с различной удельной поверхностью 400-500 м2/кг. Применялись мелкий и крупный заполнители - пески различной крупности и месторождения, а также гравийный и гранитный щебень фракции 520 мм. В качестве пластифицирующей добавки использовался пшерпластификатор МеШих. 1641Р. Проводился гранулометрический анализ .сырьевых компонентов - механизированный ситовой анализ грубодисперсных материалов (песка и щебня), а также лазерный анализ тонкодисперсных компонентов с использованием дифракционного анализатора частиц РгИзсЬ «Анализетге 22». Удельная поверхность порошков определялась на приборе ПСХ-ПБР методом воздухопроницаемости. Для определения влажности материалов применялся влагомер «Элвиз-2». Определялись реологические свойства бетонной смеси - предельное напряжение сдвига и пластическая вязкость на пенетраци-онном реометре ПРБ-2. Для исследования технико-эксплуатационных свойств бетона применялось специальное оборудование: прибор АГАМА-2РМ для испытания образцов бетона на водонепроницаемость в соответствии с методикой испытания по ГОСТ 12730.5-84, измеритель объемных деформаций бетона «Бетон-Фрост» для испытания образцов бетона на морозостойкость по ГОСТ 10060.3-95. Прочностные свойства бетона

7

исследовались на стандартном лабораторном оборудовании в соответствии со стандартными методиками испытаний по ГОСТ.

В работе применялись современные методы компьютерного структурно-имитационного моделирования плотных упаковок дисперсных систем. Использованы два эффективных метода - гравитационная засыпка частиц в бункер с расчетом динамики частиц (метод дискретных элементов), а также метод, объединяющий алгоритм «сжатия» Любачевского-Стиллинжера и алгоритм «расталкивания» Жодре-Тори. Оба метода реализованы в компьютерной программе имитационного моделирования плотных неупорядоченных упаковок. Исходными данными для построения моделей служат геометрические характеристики упаковки - количество «фракций» в системе, количество частиц каждой «фракции», размеры и форма частиц. Разработанная компьютерная программа позволяет моделировать упаковки сфер, кубов и сфероцилиндров в заданном объеме (рис. 2). Выходными данными являются статистика упакованных частиц и величина плотности упаковки.

Рис. 2. Имитационные модели упаковок: сфер (а); кубов (б); сфероцилиндров (в) В третьей главе выполнен компьютерный анализ закономерностей плотных упаковок частиц в дисперсных системах, и разработан программный комплекс для проектирования оптимальных компонентных составов с учетом гранулометрических характеристик частиц сырьевых смесей, применяемых в производстве строительных композитов на цементно-минеральной основе.

Построены компьютерные имитационные модели статистически плотных неупорядоченных упаковок монодисперсных частиц различной геометрической формы, и по моделям установлены значения максимальной плотности упаковки (рис. 3).

о Сферы (засыпка) х Сферы (метод сжатия)

----Кубы (засыпка)

.......Кубы (метод сжатия)

— • Сфероцилиндры (засыпка)

— - сфероцилиндры (метод сжатия)

0,005 0,01 0,015

Численная концентрация частиц в объеме системы {п=Ы!Ут

Рис. 3. Зависимости плотности монодисперсной упаковки от численной концентрации

частиц в объеме системы

Максимальная плотность упаковки для кубов и сфероцилиндров составила 67 %, для сфер - 64 %. Нарастающий характер плотности упаковки при малом количестве частиц в системе обусловлен так называемым «эффектом стенок» - повышенной пустотно-стью между частицами вблизи стенок емкости. Данный эффект уменьшается при повышении дисперсности частиц и увеличении их численной концентрации в системе.

Вычислительный эксперимент сопровождался физическим экспериментом по засыпке стальных шариков в емкость известного объема и определении пустотности системы (рис. 4). В расчетах пустотности учитывались только те шары, которые находились ниже плоскости среза по верхнему краю мерного сосуда.

0,64

0,005 0,01

Численная концентрация частиц в объеме системы, мм-3

0,015

Рис. 4. Экспериментальная зависимость плотности монодисперсной упаковки стальных шаров от численной концентрации шаров в объеме системы

Упаковка металлических шаров в цилиндрической емкости характеризуется небольшим снижением плотности упаковки по сравнению с данными компьютерных моделей. Данный факт обусловлен различием формы емкости, что влияет на характер пустот вблизи ее стенок, а также микродефектами поверхности реальных металлических шаров и внутренней поверхности емкости, влияющими на процесс гравитационной укладки шаров. Предельное значение плотности упаковки ((¿шах) для неупорядоченных монодисперсных систем постоянно и достигается при увеличении дисперсности частиц. Неупорядоченные упаковки сфер представляют наибольший интерес, поскольку сферическая форма частиц учитывается в большинстве методик подбора оптимального гранулометрического состава сыпучих материалов, в том числе в уравнениях «идеальных» кривых просеивания полидисперсных смесей.

Проведен вычислительный эксперимент по исследованию закономерностей упаковки бидисперсных сферических частиц. В моделях менялось соотношение объемных долей {к^х^хм) крупных и мелких частиц, а также соотношение диаметров крупных и мелких сфер (а=<4/й?м). Построение моделей осуществлялось методом «сжатия-расталкивания».

0,74

Н 0,67

н о о

в

о ч

с

------------------

0,2 0,26 0,4 0,6

Объемная доля мелких частиц (хм)

Рис. 5. Зависимости плотности бидисперсной упаковки от объемной доли мелких частиц и соотношения диаметров крупных и мелких частиц Экстремум плотности упаковки бидисперсных сфер (рис. 5) существенно зависит от параметра а - чем больше соотношение диаметра крупных частиц к диаметру мелких, тем выше максимум плотности упаковки. При уменьшении параметра а наблюдается тенденция смещения максимума плотности упаковки в сторону равного соотношения объемных долей крупных и мелких частиц. При высоких значениях параметра а объемная доля мелких частиц, соответствующая максимальной плотности упаковки, прибли-

9

жается к теоретическому значению пустотности крупных частиц, равному 26 %. Участки АВ кривых плотности упаковки характеризуют состояние бидисперсной системы, при котором мелкие частиц заполняют пустоты между крупными, не раздвигая их. С позиции пространственно-структурной топологии, на данном участке система уплотненного типа переходит в систему заполненного типа (точки Б). Дальнейшее увеличение объемной доли заполняющих частиц (участки ВС) приводит к переходу системы заполненного типа в систему раздвинутого типа. С увеличением параметра а, а также, с повышением объемной доли заполняющих частиц, среднее число контактов крупных сфер с мелкими, приходящееся на одну крупную сферу, возрастает по степенной зависимости (рис. 6). Уплотненное и заполненное состояния системы характеризуются средним числом контактов крупных частиц между собой, равным 8, что характерно для неупорядоченных статистически плотных монодисперсных упаковок. В процессе раздвижки данная характеристика стремится к нулю.

-------—-----------------------у-------—~~~ 2= 10- х,-«1-7

' 2= 10-х2-«'.7 2=10 г2 а18

________________2=10 хга>*

2 3 4 5 6

Соотношение диаметров частиц (а=(1^ы) Рис. 6. Среднее количество мелких сфер, окружающих одну крупную, в зависимости от соотношения диаметров частиц (а) и объемной доли мелких частиц в системе (х2)

Экспериментально определено изменение насыпной плотности (рис. 7) двухфрак-ционной песчаной смеси в зависимости от содержания в системе заполняющей фракции и соотношения средних размеров частиц при свободной засыпке смеси в мерную емкость. В качестве исходных компонентов использовались «узкие» фракции природного песка 0,8-0,63; 0,5-0,4; 0,2-0,16; 0,16-0,125 и 0,125-0,1 мм.

I §

1660 1560 1460 1360 1260

00,8-0,63 мм + 0,5-0,4 мм Х0,8-0,63 мм + 0,2-0,16 мм | 00,8-0,63 мм + 0,16-0.125 мм ДО,8-0,63 мм + 0,125-0,1 мм

О 0,2 0,26 0,4 0,6

Объемная доля мелкой фракции Рис. 7. Экспериментальные зависимости насыпной плотности двухфракционной песчаной смеси от содержания в системе заполняющей фракции и соотношения средних размеров частиц

Характер формирования плотной структуры двухфракционной песчаной смеси отличается от модели. Насыпная плотность заполняющих фракций молотого песка с увеличением их дисперсности снижается, что связано с изменением баланса поверхностных и гравитационных сил в тонкодисперсных системах. Данное обстоятельство влияет и на максимальную насыпную плотность системы - с увеличением параметра а максимум плотности упаковки возрастает менее значительно, чем в модельных системах. Объемная доля заполняющей фракции, соответствующая максимальной плотности упаковки зерен, расположена в окрестностях значения 26 %, и в основном зависит от параметра а, аналогично модельной системе. В целом, расхождения в характере измеяе-

= (а + (!-«)—-^)-100, (1)

ния плотности зшаковки реальной системы с моделью обусловлены влиянием формы зерен, специфики их укладки и факторами неоднородности структуры при перемешивании.

В мировой практике для описания гранулометрии плотных полидисперсных упаковок применяются уравнения «идеальных» кривых просеивания, которые дают только приблизительный состав максимальной упаковки зерен заполнителя, что можно объяснить различной формой зерен реальной сыпучей системы. Уравнения описывают системы с шарообразной формой зерен и не учитывают возможных отклонений от нее. Учет данного фактора может быть выполнен с помощью коэффициента формы зерна который определяется как отношение площади поверхности шара Фшар к площади поверхности зерна Ф3 равного объема. Коэффициент формы шара равен единице. Чем сильнее форма зерен отличается от идеальной сферической, тем большую долю в зерновом составе должна занимать меньшая фракция.

Более точно гранулометрический состав описывается уравнением «идеальной» кривой Функа-Дингера, учитывающим как максимальный, так и минимальный размеры зерна в смеси. Расчетные методики можно приблизить к реальным условиям и сделать более точными путем введения коэффициента формы зерна в уравнение Функа/Дингера:

X" -D"

_ mir

' D" -ТУ

max min

где а=1-Яф, для реальных частиц сыпучих систем по данным многих исследователей может изменяться в пределах от 0,08 до 0,14. Коэффициент а оказывает особое влияние на системы с прерывистой гранулометрией. Коэффициент п оказывает влияние в основном на содержание средних фракций, и на основании экспериментов можно утверждать, что более точные результаты получаются при п—0,5.

Помимо фактора влияния формы частиц формулы «идеальных» гранулометрических кривых не учитывают способ размещения частиц относительно друг друга и их возможное вмещаемое количество в ограниченном объеме. Возникает математическая задача о реализации плотной упаковки полидисперсных сфер в элементарной ячейке известного объема, решив которую можно судить о степени пустотности или степени заполненности объема сферами. Для решения данной задачи в трехмерном кубическом объеме смоделированы упаковки сфер, распределение которых по размерам задано «идеальными» кривыми просеивания - по уравнению Функа-Дингера (1) и уравнениям:

- Фуллера (1907 г.):

е„„ = юо-(д.д00'5, (2)

где Gnp - полный проход частиц, % через сито с размером ячейки Д, мм; Dtmi - наибольшая крупность зерна в системе, мм;

- Боломея (20-е годы XX века):

G„p = A + (l00 — А)-(.D, /Д^ У'5, (3)

где А - коэффициент, вводимый в уравнение для получения щебенистых и малопластичных смесей (А = 10), пластичных смесей с гравием (А = 12) или пластичных смесей со щебнем (А = 14); остальные обозначения те же, что и в формуле (2);

- Тэлбот-Ричарда или уравнение Гуммеля (20-е годы XX века):

G„p=l00-(B,./n^y, (4)

где т - экспериментальный показатель степени, изменяющийся в пределах от 0,46 до 0,52 (по Гуммелю — т=0,1... 1). При т=0,5 получается уравнение Фуллера.

Плотность упаковок полидисперсных сфер по «идеальным» моделям и суммарная удельная поверхность частиц на единицу объема показаны на рис. 8.

а) 80

б) 1,2

60

с =

40

0,97

0,80 0,81 вша

■ Фуллер

■ Функ (а=0; п=0,5)

® Функ (а=0,14; п=0,5) ¡В функ (а=0; п=0,37) И Функ (а=0,14;п=0,37) О Гуммель (т=0,2) О Гуммелъ (т=0,б)

□ Боломей (А=10)

□ Боломей (А=12) □Боломей (А=14)

Рис. 8. Геометрические характеристики «идеальных» моделей упаковок сфер:

плотность упаковки (а); суммарная удельная поверхность сфер (б) Наибольшей плотностью упаковки и наименьшей удельной поверхностью характеризуется модель Боломея с эмпирическим параметром А=14.

Проведен эксперимент по исследованию насыпной плотности щебенисто-песчаных смесей с различным соотношением компонентов. В качестве исходных материалов применялись: речной песок с модулем крупности 2,4, песчано-гравийная смесь фр. 5-20 мм, гранитный щебень фр. 5-20 мм. Расчет соотношения компонентов производился методом приближения суммарного зернового состава смеси компонентов к эталонным кривым. В основу расчета оптимальных смесей выбраны: уравнение Фун-ка/Дингера (а=0, п=0,5) и уравнение Боломея для пластичных смесей со щебнем (А= 14). Для выявления оптимального соотношения песка и щебня П:Щ рассчитаны дополнительные составы, по которым приготовлены щебенисто-песчаные смеси в лопастном смесителе принудительного действия, и исследована их насыпная плотность (рис. 9).

а)

5 «

=2 я * &

ч с

2000

1900

1800

35 45 55

Доля песка в смеси, масс. %

35 45 55 65

Доля песка в смеси, масс. %

Рис. 9. Зависимости насыпной плотности модельных смесей от массовой доли песка: «песок + песчано-гравийная смесь» (а); «песок + гранитный щебень» (б) Для системы «песок+песчано-гравийная смесь» максимум насыпной плотности наблюдается в точке с соотношением 52,3 : 47,7 % (расчет по уравнению Функа/Дингера с расхождением кривых 16 %), для системы «песок+гранитный щебень» максимум насыпной плотности наблюдается в точке с соотношением 48,3 : 51,7 % (расчет по уравнению Боломея с расхождением кривых 13 %). В качестве оптимальных соотношений компонентов приняты средние значения из расчетных данных по Функу и Боломею.

Исследована возможность получения «идеальной» гранулометрической кривой заполнителя тяжелого бетона за счет использования специально подготовленных «узких» фракций. В расчете применялись уравнения «идеальных» кривых просеивания — Функа/Дингера, Фуллера, Гуммеля, Боломея и др. Для расчета процентного содержания фракций в исходном материале применялось уравнение:

^ = (100 — <7прг )• С?пр(;_,)' (5)

где Р, - количество г-ой фракции в материале, %; Сгпр, - проход г-ой фракции через сито, %; Опр(,-. 1)' - проход г'-ой фракции через предыдущее сито, % от общего объема.

Коэффициенты СПр(М)' вычислялись из условия:

епр]'=с„р1=юо% (6)

Расчет объемных долей фракций осуществлялся при различных исходных параметрах - количестве фракций в смеси, их размерах, а также для различных «идеальных» кривых. Основной состав бетона был рассчитан по традиционному методу абсолютных объемов, включал (в кг/м3): цемент (ЦЕМ I 42,5 Н) - 295, гранитный щебень фр. 10-40 мм - 1435, песок (средний, модуль крупности 2,12) - 591, вода - до достижения удобо-укладываемости бетонной смеси по показателю жесткости (10 с). Заполнитель №1 (контрольный) содержал указанные выше стандартные песок и щебень. Заполнитель №2 с гранулометрическим составом, соответствующим «идеальной» кривой просеивания Функа-Дингера, был получен рассевом на стандартном наборе сит применяемых песка и щебня с выделением узких фракций и их смешиванием в нужном соотношении. Заполнитель №3 характеризовался оптимальным гранулометрическим составом, найденным по критерию наибольшей насыпной плотности методом экспериментальной оптимизации (методом крутого восхождения).

,. 45

О- —

С -

| S 5 30

III 15

Н о

12,7 !6>4 ------------- ........11

■

31,5

■ 7 сут - Ш 14 сут

Заполнитель №1 Заполнитель №2 Заполнитель №3

Рис. 10. Диаграмма зависимости прочности бетона от вида заполнителя Оптимизация гранулометрического состава заполнителя при одном и том же расходе цемента позволила повысить предел прочности при сжатии образцов бетона, как в возрасте 7 суток, так и в возрасте 14 суток, в среднем на 35 % (для заполнителя №2) и на 92 % (для заполнителя №3), по сравнению с применением заполнителя Xsl контрольного зернового состава (рис. 10).

Расчетно-экспериментальный подбор оптимального зернового состава методом смешивания «узких» фракций и экспериментальный подбор соотношения фракций методом определения наибольшей насыпной плотности смеси предполагают тщательную классификацию сырьевых компонентов, а также проведение соответствующих испытаний, что определяет большую трудоемкость и стоимость данных способов. Наиболее эффективным способом подбора зернового состава сырьевой смеси является смешивание реальных сырьевых компонентов известного гранулометрического состава в оптимальном соотношении. В основу метода заложен принцип генерирования компьютером случайных объемных долей смешиваемых компонентов известного зернового состава и последующая проверка приближения суммарного расчетного состава к эталонной гранулометрической кривой.

Разработан программный комплекс расчета оптимального гранулометрического состава зерновой структуры строительного композита. Исходными данными для проектирования состава смеси являются гранулометрические данные исходных компонентов, получаемые методами ситового или лазерного анализа. Программный комплекс позволяет проектировать смеси, включающие до 5 компонентов. Зерновые составы представляются в интегральной и/или дифференциальной форме. Для зерновых составов тонкодисперсных компонентов с широким разбросом размерных значений частиц предусмот-

13

рена возможность построения гранулометрического графика в логарифмическом масштабе размеров частиц. Компонентный состав смеси проектируется в модуле ручного подбора объемных долей компонентов (рис. 11), либо с использованием автоматизированного модуля подбора объемных долей (рис. 12).

Рис. 11. Интерфейс модуля ручного подбора объемных долей компонентов смеси: 1 - панель настройки параметров смеси; 2 - таблица гранулометрических данных;

3 - гранулометрический график .....

ЯШ § .11

. тс сапом»?.. •

Ье ЙП.1 1.'.Й.....|г/ /'

-||------—<~ ВИо Л ■ У—»1— : у ■ ............

Рис. 12. Интерфейс модуля автоматизированного подбора объемных долей компонентов смеси: 1 - панель настройки параметров смеси; 2 - таблица гранулометрических данных; 3 - гранулометрический график При автоматическом подборе компонентного состава смеси пользователем задаются интервалы варьирования случайных объемных долей в процентах. Модуль оснащен возможностью автоматического поиска наилучшего решения, позволяющей уменьшать погрешность вычислений при достижении п-то числа удовлетворяющих решений. В основу расчета заложены основные уравнения «идеальных» кривых просеивания, в том числе, модифицированное уравнение Функа-Дингера (1), наиболее точно описывающее реальную дисперсную систему с учетом наличия мелких фракций и различной формы зерен. Основным этапом работы программы является генерирование случайных чисел - величин объемных долей компонентов смеси (принцип построения идеальной кривой базируется на известном объеме геометрических тел правильной формы). При проектировании оптимальной смеси задаются значения плотности зерен исходных компонентов, что позволяет перейти от объемных долей к массовым. Каждое сгенерированное число объемной доли (У„/) для каждого компонента умножается на значение прохода (<Зпр („,)) каждой его фракции через определенное сито заданного раз-

мера. Полученные произведения (V„, ■ Gnp w) суммируются по количеству исходных компонентов. Разница между полученными суммами (ZF„rGnp(„<)) и величиной прохода идеального состава (Gnp („0)) в пределах каждой фракции должна быть не больше величины установленной погрешности приближения (Д). Таким образом, математической основой алгоритма является уравнение:

где т - количество исходных компонентов смеси; п - число фракций в смеси.

Согласно уравнению (7), в цикле программы генерируются величины объемных долей (К„,) до тех пор, пока значения прохода суммарного состава не попадут в «коридор» погрешности. Результатом расчета являются процентные соотношения объемов исходных компонентов, которые необходимы для достижения смесью гранулометрии, приближенной к «идеальному» составу, заданному математической функцией. Достоинствами данного метода расчета являются: быстрота выполнения вычислительных операций и проверки условия оптимальности, а также возможность нахождения «наилучшего» решения из комбинации возможных, путем автоматического уменьшения погр шно-сти при достижении заданного количества возможных решений.

В процессе проектирования рассчитывается гранулометрический состав смеси, имеющий максимальное приближение к эталонной кривой, но поскольку результирующий состав определяется гранулометрией исходных компонентов, расхождение расчетной кривой и эталонной не всегда сводится к нулю. В качестве вспомогательной функции предусмотрен модуль корректировки зернового состава смеси по средствам учета дополнительных корректирующих компонентов - «узких» фракций материала. Данный модуль позволяет пересчитать зерновой состав проектируемой смеси с учетом добавления недостающих фракций в объемном и массовом соотношении. Дополнительно программный комплекс позволяет рассчитать эквивалентные зерновые составы исходных компонентов и итоговой смеси, аппроксимируя форму зерен материала идеальными сферами. Данная функция позволяет приблизительно оценить вероятную плотность упаковки выделенных в системе сферофракций, а также их удельную поверхность.

На программный продукт получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010617267 «Подбор оптимальной гранулометрии заполнителя строительного композита» от 29.10.2010 г.

Проведено сравнение экспериментального подбора состава двухфракционной песчаной смеси (фр. 0,8-0,63 мм и фр. 0,2-0,16 мм) из условия плотной упаковки и компьютерного способа расчета зернового состава, на основе усовершенствованной модели наиплотнейшей упаковки с учетом коэффициента формы частиц а в уравнении Функа-Дингера. Установлено, что наибольшее и практически полное совпадение с экспериментальными данными дает усовершенствованная модель наиплотнейшей упаковки частиц Функа-Дингера с коэффициентом формы частиц а=0,1. Это объясняется отличием от формы шара формы зерен реальной дисперсной системы (песка).

Проведена экспериментальная проверка влияния оптимальной упаковки зерен заполнителя на прочностные свойства композита. Рассчитан оптимальный зерновой состав песка, отвечающий требованию минимальной пустотности. В качестве исходных материалов использованы пески с модулями крупности: 1,74; 2,82 и 3,37. Приготовлены дополнительные составы с близкими процентными соотношениями компонентов смеси и определены насыпные плотности составов. Установлено, что состав, рассчитанный с применением разработанной программы, отличается минимальной пустотностью. На

т

(7)

;=1

основе оптимизированной смеси заполнителя приготовлены опытные образцы-кубики 70x70x70 мм из мелкозернистого бетона с применением ГП МеШих 164№ (табл. 1).

Таблица 1

_Исследуемые составы мелкозернистого бетона _

№ состава В:Ц Ц:П РК, мм Добавка Предел прочности на сж., МПа (сут.)

12 28

1 (контрольный, на песке №1) 0,5 1:3 120 Отсутствует 10,2 13,7

2 (песок № 1, добавка) 3 0,323 1:2 120 ГП (0,1 % от массы Ц) 21,7 29,1

3 (оптим. смесь, добавка) 0,311 1:2 120 ГП (0,1 % от массы Ц) 33,9 45,5

4 (оптим. смесь, без добавки) 0,319 1:2 120 Отсутствует 39,3 52,7

Оптимальное соотношение компонентов заполнителя снижает пустотность системы и благополучно влияет на прочность получаемого бетона. Наибольшая прочность наблюдается в сериях образцов бетона с оптимизированным гранулометрическим составом заполнителя. Средняя прочность на сжатие образцов с оптимальным зерновым составом заполнителя составила 52,7 МПа. Программный расчет зернового состава позволил повысить прочность образцов с добавкой в 1,5 раза. Применение одного песка в качестве заполнителя занижает прочностные показатели вследствие повышенной пустот-ности его зерновой структуры. Применение пластифицирующей добавки улучшило удо-боукладываемость бетонной смеси, снизило водоцементное отношение, но дало некоторое снижение прочности бетона.

Проведены испытания образцов, изготовленных из бетонных смесей на заполнителе оптимальной гранулбметрии с различным составом вяжущей части. Контрольные составы изготовлены на обычных кондиционных заполнителях. Во всех составах минеральная часть бетона содержала 20 % вяжущей части и 80 % заполнителя (табл. 2). В качестве исходных материалов применены: цемент (ЦЕМI 42,5 Н), кварцевый песок средней крупности, гранитный щебень фр. 5-20 мм, микрокремнезем гранулированный (МК) Новокузнецкого завода ферросплавов, молотый известняк (МИ) и ГП МеШих 1641 Б. Контроль консистенции смесей осуществлялся по осадке стандартного конуса (ОК).

Таблица 2

Результаты испытаний образцов, изготовленных из бетонных смесей на заполнителе оп-

тимальной гранулометрии с различным составом вяжущей части

№ со-ста ва Состав вяжущей части Предел прочности лри сжатии МПа (сут.) ОК, см В/Ц Насыпная плотность сухой смеси заполнителей и вяжущей части, кг/м3 Плотность бетонной смеси, кг/м3 Расход вяжущей части, кг/м3 Расход цемента, кг/м3

Относительное содержание в вяжущей части,% Содержание, % от массы цемента

ПЦ МИ ГП МК 7 28

1 100 0 0.50 5 50 55 13,5 0,264 1910 2367 445 445

2 100 0 0,50 5 54 62 13 0,240 1650 2391 452 452

3 80 20 0,50 5 50 71 14 0,335 1650 2465 464 371

4 60 40 0,50 5 33 48 14 0,365 1700 2455 460 276

5 40 60 0,50 5 19 32 13 0,469 1625 2296 423 169

6 100 0 0,50 0 40 44 14 0,491 1890 2456 443 443

7 100 0 0 0 18 27 14 0,309 1890 2407 449 449

Составы 1-5 имели оптимальную гранулометрию заполнителя. Составы 6-7 (контрольные) приготовлены на обычном кондиционном заполнителе (песок средней круп-

поста естественной гранулометрии - 55 %, щебень фр. 5-20 мм - 45 %). В составах 1, 67 вяжущая часть получена смешиванием составляющих без предварительного помола; в составах 2-5 вяжущая часть получена предварительным помолом составляющих. Установлено, что используя бетонные смеси с оптимальной гранулометрией заполнителя, можно изготавливать эффективные высокопрочные бетоны с удельным расходом цемента от 5,2 до 5,7 кг на один мегапаскаль прочности (при использовании известняка в , качестве микронаполнителя - в составах 3-5). Испытанные составы характеризуются умеренными расходами гиперпластификатора (0,5 % от массы цемента) и микрокремнезема (около 23 кг/м3).

В четвертой главе проведена экспериментальная проверка оптимального количества и дисперсности тонкомолотых минеральных добавок в составе сырьевых смесей строительных композитов, исследованы оптимальные соотношения компонентов сырьевой смеси мелкозернистого бетона с добавкой молотого известняка. Для расчета смеси тонкодисперсных материалов применялись: портландцемент (ЦЕМ I 42,5 Н), молотый известняк и молотый кварцевый песок. Приближение к эталонной кривой Функа-Дингера составило 17,7 и 15,7 % для систем «цемент-молотый известняк» и «цемент-молотый песок» соответственно. В виду преобладания поверхностного взаимодействия между частицами в тонкодисперсных системах, применялась специальная методика, согласно которой определялась минимальная водопотребность смесей по объему. В соответствии с методикой, рассчитывалась относительная осадка конуса смесей в зависимости от отношения объема воды к объему минеральной тонкодисперсной системы, и определялась минимальная водопотребность системы по объему, а также, степень восприимчивости системы к добавлению воды.

Смеси портландцемента с добавками молотого песка и молотого известняка в оптимальном соотношении имеют существенно меньшую минимальную водопотребность, т.е. более плотную укладку частиц, по сравнению с тонкодисперсными компонентами в отдельности (за исключением молотого песка). Причем эти смеси отличаются меньшими значениями степени восприимчивости системы к добавлению воды (по сравнению с цементом) аналогично действию пластификатора. ГП значительно снижает минимальную водопотребность как тонкодисперсных компонентов в отдельности (особенно портландцемента и в меньшей степени молотого песка и молотого известняка), а также их смесей, что подтверждает гипотезу о диспергирующем эффекте добавки, облегчающем дезагрегацию частиц и их плотную укладку; при этом существенно уменьшается степень восприимчивости системы к добавлению воды.

Для определения предела прочности на сжатие вяжущего вещества, приготовленного из тонкодисперсных смесей и чистого портландцемента, изготавливались образцы-кубы с размерами ребра 30 мм из теста одинаковой консистенции (по расплыву конуса) различного состава (цемент, смесь цемента и молотого известняка, смесь цемента и молотого песка).

) -.-:-!-1

О Смесь ПЦ и известняка □ Смесь ПЦ и молотого песка

0 10 20 30 40

Массовая доля наполнителя в системе, %

Рис. 13. Предел прочности на сжатие образцов из смесей цемента с молотым песком и

молотым известняком

При оптимальном составе тонкодисперсных смесей вяжущего вещества, рассчитанном по разработанной методике с помощью предложенной компьютерной программы, а именно, для смеси портландцемента (84,4 %) с молотым песком (15,6 %) и смеси портландцемента (88 %) с молотым известняком (12 %), достигаются наибольшие значения предела прочности на сжатие, несмотря даже на несколько большие значения во-дотвердого отношения (рис. 13). Прирост прочности для оптимальной добавки молотого песка составил 30 %, а для оптимальной добавки молотого известняка 54,4 %. Данный факт объясняется оптимальной гранулометрией тонкодисперсных смесей, что обуславливает более плотную уклг(дку частиц вяжущего вещества и его повышенную прочность даже при меньшем содержании цемента.

Проведен планированный трехфакторный эксперимент по установлению оптимальных дозировок сырьевых компонентов мелкозернистого бетона с добавкой наполнителя (молотого известняка), и ГП. В качестве сырьевых материалов применялись: природный песок Старицкого месторождения Тверской области (мелкий, средний и повышенной крупности); портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (Иц28=53,9 МПа) с удельной поверхностью 350 м2/кг; молотый известняк с удельной поверхностью 400 м2/кг; ГП МеШих 1641Р. Оптимальный зерновой состав заполнителя рассчитывался с применением разработанного программного комплекса. В качестве эталонной кривой была задана гранулометрическая кривая Функа/Дингера с параметрами а=0,14 и «=0,5. Пустотность оптимизированной смеси составила 38,5 %. Фракция мельче 0,16 мм была отсеяна и не применялась в составе заполнителя при приготовлении бетонной смеси. Варьировались: количество вяжущей части; содержание молотого известняка в вяжущей части и количество ГП по массе цемента. Контролировались: водовяжущее отношение, необходимое для придания смеси одинаковой удобоукладываемости (по ОК); предельное напряжение сдвига то. кПа; пластическая вязкость ц, кПа-с; плотность бетонного камня рб, кг/м3; предел прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения Ясю МПа. Зависимости свойств мелкозернистого бетона от рецептурных факторов представлены на рис. 14 и 15.

550

Содержание ГП, % от массы Ц

Известняк 0 % от массы вяж. Известняк 5 % от массы вяж. Известняк 10 % от массы вяж.

ГП - 0 % от массы Ц ГП - 0,75 % от массы Ц

ГП - 1,5% от массы Ц

б)

0 2,5 5 7,5 10 Содержание известняка, % от масс. вяж.

Рис. 14. Зависимости пластической вязкости (а) и предельного напряжения сдвига (б) бетонной смеси от рецептурных факторов состава вяжущей части

.....Вяжущая

часть 15% — -Вяжущая часть 20 % Вяжущая

о. - ч —-------1 часть25%

С ™

а)

0 2,5 5 7,5 10 Содерж. известняка, % масс. вяж.

б)

Содержание ГП, % от массы Ц

Рис. 15. Зависимости предела прочности бетона на сжатие от рецептурных факторов: содержания известняка (а) и ГП (б) при различном количестве вяжущей части в смеси

18

Минимальной пластической вязкости бетонной смеси соответствует максимальное содержание наполнителя в вяжущей части - 10 % при минимальном количестве вяжущей части в смеси -15%. Результаты эксперимента показали, что для достижения оптимальной удобоукладываемости смеси, не вызывающей расслоения, необходимо увеличивать содержание ГП. МеШих 164Ш значительно снижает водопотребность бетонной смеси, при этом количества воды хватает для реакции гидратации вяжущего, что в результате дает прирост прочности бетона. Анализ реологических характеристик показал, что снижение пластической вязкости наблюдается при концентрации добавки порядка 0,8 % от массы вяжущей часта, что улучшает перемешиваемость и удобоуклады-ваемость бетонной смеси. Предельное напряжение сдвига снижается при увеличении дозировки добавки, что согласуется с данными независимых исследователей. Минимальное предельное напряжение сдвига наблюдается в области максимального содержания ГП - 1,5 %, максимального содержания наполнителя - 10 % и максимального количества вяжущей часги - 25 %. Введение в систему карбонатного наполнителя способствует снижению пластической вязкости и предельного напряжения сдвига, тем самым уменьшению структурной прочности бетонной смеси. Увеличение общей доли вяжущей части в смеси значительно способствует повышению прочности и плотности бетона. Максимальной плотности бетонного камня соответствует количество вяжущей части -20-22 %, содержание наполнителя - 4-6 %, содержание ГП - 1,5 %. Максимальная прочность бетона на сжатие достигается при увеличении всех трех переменных факторов (рис. 15). Содержание наполнителя в вяжущей части около 10 % положительно влияет на рост прочности бетона, что не противоречит ранее полученным результатам.

Совокупное влияние оптимального зернового состава заполнителя, оптимальной дозировки карбонатного наполнителя и ГП на качественные показатели мелкозернистого бетона позволяют сделать вывод, о том, что в опытных составах была реализована плотная упаковка зерен минерального скелета и достигнута минимальная водопотребность бетонной смеси при требуемой удобоукладываемости. На рис. 16 изображены микроснимки структуры бетонного камня на сломе, отражающие равномерное распределение тонкодисперсной составляющей в поровом пространстве между зернами запол-

нителя, что согласуется с механизмом формирования зерновой структуры бетона.

шчЙЙ"Й? г •^ииг. «-». аам* 1НШРИШШ-1; Т - ,: ЛЯ

жШШ.

Рис. 16. Фрагменты структуры образцов бетонного камня в возрасте 28 суток: с минимальным количеством вяжущей части без наполнителя (а); с максимальным количеством вяжущей части с наполнителем (б) В пятой главе проведена опытно-промышленная проверка результатов диссертационной работы на предприятии ООО «Элтра» в г. Твери. Изготовлена опытная партия товарного бетона В20 ИЗ F50 W2 по ГОСТ 7473-2011. Рецептура приготовления бетонной смеси базового состава улучшена за счет применения программно-расчетного способа подбора зернового состава заполнителя, позволяющего рассчитать оптимальные соотношения между крупным и мелким заполнителем с учетом гранулометрических характеристик исходных материалов местной сырьевой базы и получить сырьевую смесь с

19

повышенной насыпной плотностью. Оптимизирована гранулометрия вяжущей части путем введения минеральной добавки (тонкомолотого известняка), что позволило создать дополнительную возможность экономии цемента за счет достижения более плотной упаковки частиц на тонкодисперсном уровне. На оптимизированных составах в производственных условиях изготовлены опытные образцы товарного бетона с пониженным расходом цемента, определены основные физико-механические свойства образцов.

Оптимизация гранулометрии заполнителя бетона позволила получить более экономичный по сравнению с производственным состав бетона класса В20 (с 10-процентным снижением расхода цемента), обладающий при этом повышенной маркой по морозостойкости F150 и заданной маркой по водонепроницаемости W2. Оптимизация одновременно зерновой структуры заполнителя и вяжущей части сырьевой смеси за счет оптимальной добавки тонкомолотого известняка позволила получить еще более экономичный состав бетона класса В20 с 15-процентным снижением расхода цемента, обладающий наибольшей маркой по морозостойкости F300 и заданной маркой по водонепроницаемости W2, что значительно улучшает параметры долговечности и эксплуатационной надежности бетона, изготовленного по предлагаемым технологии и рецептуре, и при этом позволяет существенно снизить расход наиболее дефицитного и дорогостоящего компонента бетона. Ожидаемый экономический эффект от применения составов товарного бетона на основе смеси заполнителей оптимального гранулометрического состава и минеральной карбонатной добавки в среднем составляет 12 % в стоимостном выражении из расчета сырьевых материалов на 1 м3 бетонной смеси.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны алгоритмы и программные средства для моделирования статистически плотных неупорядоченных упаковок дисперсных систем с различными количественными соотношениями, формой и размерами частиц. Установлены зависимости упаковки модельных дисперсных систем от их компонентного состава.

2. На модельных системах подтверждено, что для бимодальных систем эффект повышения плотности упаковки растет с увеличением соотношения диаметров крупных и мелких частиц. Объемная доля заполняющих частиц в бимодальной статистически плотной упаковке, соответствующая максимуму плотности упаковке, находится вблизи значения теоретической пустотности крупной фракции, равной 26 %. Данные компьютерного моделирования подтверждаются экспериментальными данными по измерению насыпной плотности двухфракционной песчаной смеси.

3. Установлено, что наибольшей плотностью упаковки отличаются полидисперсные составы, рассчитанные по формулам «идеальных» гранулометрических кривых Функа-Дингера и Боломея. В уравнении Функа-Дингера необходимо учитывать коэффициент формы зерен а, который оказывает особое влияние на системы с прерывистой гранулометрией - для двухфракционной песчаной смеси значение коэффициента а составляет 0,1. Расчет зернового состава двухфракционной песчаной смеси по уравнению Функа-Дингера с соблюдением данного условия соответствует экспериментально найденным соотношениям фракционного состава модельной двухфракционной песчаной смеси.

4. Оптимизация гранулометрического состава заполнителя по уравнению Функа-Дингера путем смешивания «узких» фракций при одном и том же расходе цемента позволила повысить предел прочности при сжатии образцов бетона как в возрасте 7 суток, так и в возрасте 14 суток в среднем на 35 % (для расчетно-экспериментального способа подбора соотношения фракций) и на 92 % (для экспериментального способа) по срав-

нению с применением обычных кондиционных заполнителей контрольного зернового состава. Расчетно-экспериментальный способ подбора зернового состава признан тру-дозатратным.

5. Разработан многофункциональный программный комплекс для расчета и корректировки оптимального соотношения реальных сырьевых компонентов различного зернового состава путем ручного и автоматизированного подбора объемных долей компонентов в смеси. На модельной песчаной системе продемонстрирована эффективность разработанной научно-прикладной методики - прирост насыпной плотности и снижение пустотности оптимизированной смеси по отношению к исходным компонентам (крупному и среднему песку) составили 11,7 и 17,8 % соответственно.

6. На основе заполнителя оптимального зернового состава получены образцы мелкозернистого бетона с прочностью на сжатие 52,7 МПа, что в 1,5 раза выше прочности контрольного состава на обычном песке средней крупности. Получены оптимальные смеси песка и гранитного щебня, на основе которых изготовлены образцы тяжелого бетона с различным составом вяжущей части. Удельный расход цемента составил от 5,2 до 5,7 кг на один мегапаскаль прочности (в качестве микронаполнителя использовался известняк).

7. Оптимизирован состав тонкодисперсной смеси цемента и микронаполнителей (тонкомолотых известняка и песка). Для смеси портландцемента (84,4 %) с молотым песком (15,6 %) и смеси портландцемента (88 %) с молотым известняком (12 %), достигаются наибольшие значения предела прочности на сжатие, несмотря даже на несколько большие значения водотвердого отношения. При этом прирост прочности для оптимальной добавки молотого песка составляет 30 %, а для оптимальной добавки молотого известняка - 54,4 %. Данный факт объясняется оптимальной гранулометрией тонкодисперсных смесей, что обуславливает более плотную упаковку частиц вяжущего вещества и его повышенную прочность даже при меньшем содержании цемента.

8. Установлены оптимальные соотношения компонентов сырьевой смеси мелкозернистого бетона с добавкой молотого известняка и гиперпластификатора. Наряду с положительным влиянием плотной оптимизированной смеси заполнителя, добавка молотого известняка в вяжущей части бетонной смеси в количестве 10 % по массе способствует дополнительному приросту прочности в возрасте 28 суток, а также улучшает реологические свойства смеси.

9. Произведена опытно-промышленная проверка составов бетона с оптимальной гранулометрией минеральной части. Получен экономичный состав тяжелого бетона класса В20 с 15-процентным снижением расхода цемента, обладающий маркой по морозостойкости F300 и маркой по водонепроницаемости W2. Ожидаемый экономический эффект от применения разработанных составов в среднем составляет 12 % в стоимостном выражении из расчета сырьевых материалов на 1 м3 бетонной смеси.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Монография

1. Белов, В.В. Компьютерное моделирование и оптимизирование составов строительных композитов: монография / В.В. Белов, П.В. Образцов. Тверь: ТвГТУ. 2014. 124 с.

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК

2. Белов В.В. Проектирование и практические способы оптимизации составов минеральных вяжущих систем / В.В. Белов, П.В. Образцов, М.А. Смирнов //Цементи его применение. №6. 2011. С.107-111.

3. Белов B.B. Получение высокопрочных безобжиговых гипсовых материалов на основе техногенных отходов с применением математического и компьютерного моделирования состава сырьевой смеси / В.В. Белов, В.Б. Петропавловская, И.В. Образцов, Ю.Ю. Полеонова // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2013. Вып. 31 (50). Ч. 2. Строительные науки. С.563-570.

4. Белов, В.В. Методология проектирования оптимальных структур цементных бетонов /В.В. Белов, И.В. Образцов, П.В. Куляев//Строительные материалы, №3. 2013. С.17-21.

5. Белов, В.В. Оптимизация структуры мелкозернистого карбонатного бетона с применением компьютерного моделирования / В.В. Белов, И.В. Образцов // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2013. Вып. 31(50). Ч. 2. Строительные науки. С.555-562.

6. Белов В.В. Сухие готовые смеси для получения газо-золобетона с оптимизированной структурой связующей матрицы / В.В. Белов, Ю.Ю. Курятников, И.В. Образцов // Строительные материалы. №7. 2012. С.94-97.

7. Белов, В.В. Капиллярное структурообразование сырьевых композиций на основе минеральных вяжущих веществ / В.В. Белов, И.В. Образцов, Т.Б. Новиченкова // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. 2010. № 4(8). С.23-36.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

8. Белов, В.В. Подбор оптимальной гранулометрии заполнителя строительного композита / В.В. Белов, И.В. Образцов // Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ №2010617267 Российская Федерация. Зарегистрировано 29.10.10 г.

9. Белов, В.В. Программа для моделирования хаотичной упаковки 2х-фракционной смеси гранул / В.В. Белов, И.В. Образцов, А.Г. Реунов // Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ №2010610796 Российская Федерация. Зарегистрировано 25.01.10 г.

10. Белов, В.В. Расчет топологических параметров сыпучих дисперсных систем / В.В. Белов, И.В. Образцов, Т.Б. Новиченкова // Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ №2011615905 Российская Федерация. Зарегистрировано 28.07.11 г.

Публикации в других изданиях

11. Белов, В.В. Компьютерный метод расчёта зернового состава заполнителя строительного композита / В.В. Белов, И.В. Образцов, А.Г. Реунов, М.А. Смирнов // Теория и практика повышения эффективности строит, материалов: Мат-лы III Всерос. конф. студ., аспирантов и молодых ученых. Пенза: ПГУАС, 2008. С.104-109.

12. Белов, В.В. Компьютерный метод расчёта зернового состава заполнителя строительного композита / В.В. Белов, И.В. Образцов, А.Г. Реунов, М.А. Смирнов // Актуальные проблемы строительства и строит индустрии: Сб. мат-лов X Межд. науч,-технической конф. Тула, 2009. С.6-7.

13. Белов, В.В. Компьютерная трехмерная модель хаотичной упаковки частиц композиционного материала / И.В. Образцов, В.В. Белов, А.Г. Реунов // Теория и практика повышения эффективности строит, материалов: Мат-лы IV Всерос. конф. студ., аспирантов и молодых ученых. Пенза: ПГУАС. 2009. С.4-8.

14. Образцов, И.В. Оптимизирование зернового состава заполнителя строительного композита / И.В. Образцов // Актуальные проблемы строительства и строит индустрии: Сб. мат-лов XI Межд. научн.-технической конф. Тула, 2010. С. 1-2.

15. Образцов, И.В. Программно-вычислительные методы в повышении эффективности композитных строительных материалов / И.В. Образцов // Промышленное и

22

гражданское строительство в современных условиях: Мат-лы Межд. науч.-технической конф. студентов. Москва: МГСУ, 2011. С.253-254.

16. Белов, В.В. Моделирование капиллярных структур в трехфазных сырьевых смесях безобжиговых строительных конгломератов / В.В. Белов, И.В. Образцов // Инновационные материалы и технологии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011 г. / Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - 4.1 С.40-44.

17. Образцов, И.В. Программно-вычислительный метод подбора зернового состава заполнителя / И.В. Образцов, В.В. Белов // II Межд. семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов. - СПб.: Издательство «АлитИнформ», 2011. С.88-91.

18. Белов, В.В. Метод определения оптимального зернового заполнителя тяжелого бетона / В.В. Белов, И.В. Образцов, М.А. Смирнов // Вестник Тверского государственного технического университета: научный журнал. Тверь: ТвГТУ, 2012. Вып. 20. С.72-76.

19. Белов, В.В. Компьютерный расчет оптимальных зерновых составов строительных композитов / В.В. Белов, И.В. Образцов // Вестник Отделения строительных наук: выпуск 16: в 2-х т. / РААСН ФГБОУ ВПО Московский гос. строит, ун-т, под ред. IO.M. Баженова. Москва: МГСУ, 2012, T.l, С.22-28.

20. Белов, В.В. Разработка методики расчета плотных упаковок частиц в тонкодисперсных вяжущих системах / В.В. Белов, И.В. Образцов, М.А. Смирнов // Вестник Центр, регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук: Выпуск 11 (к 20-летию РААСН): Мат-лы академических научных чтений «Проблемы архитектуры, градостроительства в соц.-экономическом развитии регионов» / РААСН, ТГТУ - Тамбов - Воронеж: Изд-во Пермина Р.В., 2012, Вып. 11 -С.168-175.

21. Белов, В.В. Теоретические основы методики оптимизации гранулометрического состава композиций для изготовления безобжиговых строительных конгломератов / В.В. Белов, М.А. Смирнов, И.В. Образцов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. №6. 2012. С.41-43.

22. Палюх, Б.В. Компьютерное моделирование в технологии строительных материалов / Б.В. Палюх, В.В. Белов, И.В. Образцов // Строительный комплекс России. Наука, образование. Практика: материалы международной научно-практической конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ. 2012. С.143-145.

23. Образцов, И.В. Математическое моделирование процессов формирования дисперсной структуры при непидратационном твердении с целью получения высокопрочного гипсового камня / И.В. Образцов, В.В. Белов, Ю.Ю. Полеонова // III Межд. семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей: сборник докладов. - СПб.: Издательство «АлитИнформ», 2012. С.121-126.

24. Белов, В.В. Компьютерное моделирование в технологии строительных материалов / В.В. Белов, И.В. Образцов // Вестник Твесркого государственного технического университета: научный журнал. Тверь: ТвГТУ,2012.Вып.22. С.31-38.

25. Palukh, В. Computer Simulation in construction material technology / B. Palukh, V. Belov, I. Obraztsov // In Abstract Volume, 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (14th ICCCBE), V. Telichenko, A. Volkov and I. Bilchuk (Editors) Moscow 27-29 June, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Publishing House "ASV", ISBN 978-5-93093-877-7, pp. 40-41.

Образцов Илья Вячеславович

ОПТИМИЗАЦИЯ ЗЕРНОВЫХ СОСТАВОВ ЦЕМЕНТНО-МИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Технический редактор Ю.Ф. Воробьева Подписано в печать 17.10.14

Тираж 100 экз. Формат 60x84/16 Заказ № 73

Печ. л. 1,5 Усл. печ. л. 1,4 Уч.-изд. л. 1,3

Типография Тверского государственного технического университета 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22