автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Мелкозернистые цементные бетоны ударно-волнового уплотнения

- ■ .

На правах рукописи

Л. О

Зеленов Константин Иванович

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ УДАРНО-ВОЛНОВОГО УПЛОТНЕНИЯ

Специальность 05 23 05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006г

003067831

Рлбоы выполнена в МОСКОВСКОВСКОМ ГОО Д \PCTBEIIIIOM ОТКРЫТОМ

УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

УСОВ Борис Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РААСН АФАНАСЬЕВ Александр Алексеевич

кандидат технических наук, доцент АФАНАСЬЕВА Валентина Федоровна

Ведущее предприятие ООО «Центр научных исследований

организации, механизации, технологии строительного производства» (ЦНИОМТП), г Москва

Защита состоится " 14 " февраля 2007 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К 303 001 01 при ОАО "ВНИИстром им П П Будникова" по адресу 140050, Московская обл , пос Красково, ул Карла Маркса, 117

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО "ВНИИстром им П П Будникова"

Автореферат разослан " ЛЗ " 200&Г

Ученый секретарь диссертационного совета

Бурмистров В Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена вопросам улучшения мелкозернистых цементных бетонов путем совершенствования технологии уплотнения, направленной на оптимизацию упаковки компонентов смеси и формирование контактной зоны зерна заполнителя с цементным камнем

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Актуальность В условиях дефицита крупного заполнителя мелкозернистые цементные бетоны получают последнее время все более широкое применение и задача оптимизации упаковки компонентов, улучшение наиболее слабого звена бетона - контактной зоны цементного камня с заполнителем для повышения, в первую очередь, прочностных характеристик и плотности бетонов из жестких смесей, улучшение других показателей и снижение расхода вяжущего, до настоящего времени окончательно не решена и остается актуальной

В работе решение задач улучшения свойств бетонов непосредственно связано с использования силовых источников импульсно-волнового характера, воздействующих избирательно на компоненты уплотняемой бетонной смеси и одновременно минимизирующие энергозатраты за счет направленной концентрации полезно используемой энергии, при этом немаловажным является расширение опыта применение методов спектрального анализа для материаловедческих задач

Цель и задачи. Целью работы является улучшение и оптимизация свойств мелкозернистых бетонов путем активизация уплотнения жестких или малоподвижных бетонных смесей на цементном вяжущем

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи

- изучить пути формирования свойств бетонов, в первую очередь прочности и плотности, при уплотнении бетонных смесей и обосновать модель уплотнения при внешних фазово-частотных воздействиях,

- разработать теоретические основы ударно-волновой технологии уплотнения бетонов,

- исследовать технологические возможности для уплотнения бетонных смесей ударно-волнового газодинамического устройства (УВГУ) детонационного типа и исследовать влияние режимов ударно-волновых воздействий на свойства мелкозернистого цементного бетона,

- оценить методом спектрального анализа механизм и эффективность импульсного воздействия и установить корреляционную зависимость "прирост прочности - коэффициент фильтрации - частота импульсов",

- исследовать свойства бетонов по прочности, плотности и деформативным свойствам, полученных уплотнением на УВГУ,

- исследовать и оценить кинетику процессов гидратации методами рентгено-структурного и термографического анализа и контактную зону заполнитель-матрица методом сканирующей зондовой микроскопии при УВТ уплотнении,

- исследовать свойства бетонных изделий - тротуарных плит из мелкозернистых бетонов УВТ уплотнения, выпущенных в промышленных условиях по прочности, плотности, морозостойкости, водонепроницаемости, водопоглощению и истираемости

- выполнить технико-экономическую оценку эффективности применения мелкозернистых бетонов в технологии производства тротуарных плит с применением УВТ уплотнения, разработать предложения по конструктивным схемам исполнения УВГУ

В основу исследований положена гипотеза, заключающаяся в том, что уплотнение силовыми воздействиями бетонной смеси сопровождается процессами перекомпоновки (переориентации) частиц, сближения компонентов, доуплотнения (компрессионное сжатие) при этом для обеспечения оптимальной упаковки компо-

нентов с одновременной активизацией механо-химических явлений формирования контактной зоны цементного камня и заполнителя необходимо обеспечить избирательность силового воздействия на компоненты в процессе уплотнения Последнее может быть оценено методами спектрального анализа

Научная новизна. Показано, что для направленной компоновки составляющих жестких или малоподвижных мелкозернистых бетонных смесей в модели при уплотнении под действием внешних фазо-частотных источников целесообразно в модели принять три процесса - перекомпоновку, сближение, компрессионное сжатие

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность улучшения свойств цементных мелкозернистых бетонов путем активизации уплотнения жестких или малоподвижных бетонных смесей, направленного на оптимизацию упаковки компонентов и улучшение показателей контактной зоны цементного камня по ударно-волновой технологии на основе установок УВГУ, преобразующих эффект тепловой энергии быстрого сгорания порций газовой топливной смеси, в механическую импульсно-волновую энергию

Установлены зависимости изменения прочности, плотности, свойств контактной зоны зерно-матрица от режимов (собственных частот и частоты импульсов) воздействий и получены корреляционные зависимости функций отклика по приросту прочности для мелкозернистых цементных бетонов

Установлено, что прочностные свойства исследованных бетонов и контактная зона зерно-матрица, подтвержденные результатами дифференциально-термического и рентгеноструктурного анализов кинетики гидратации портландцемента и его составляющих, характеризуются существенно улучшенными показателями

Установлено, что для различных показателей (прочность, плотность, морозостойкость), оптимальным является разное время воздействия, обусловленное частотой циклов импульсного воздействия, причем при большей толщине изделия имеет место больший эффект уплотнения

Установлено улучшение свойств цементных мелкозернистых бетонов промышленного изготовления - тротуарных плит, с УВТ уплотнением по прочности, плотности, усадке, морозостойкости, водонепроницаемости, водопоглощению и истираемости

Практическая значимость Разработаны теоретические основы ударно-волновой технологии уплотнения жестких и малоподвижных мелкозернистых цементных бетонных смесей с применением установок УВГУ детонационного типа

Рекомендованы для практических расчетов корреляционные зависимости "прирост прочности - режимы уплотнения" по коэффициентам фильтрации методом спектрального анализа, подтверждающие избирательность ударно-волнового воздействия на компоненты при уплотнении мелкозернистых бетонов

Установлены режимы ударно-волновой технологии уплотнения для производственных условий изготовления тротуарных плит из мелкозернистых бетонов и разработана методология по назначению режимов импульсного волнового воздействия для уплотнения при применении ударно-волновой технологии, направленной на снижение энергетических затрат при формовании изделий из жестких бетонных смесей

Рекомендовано использовать при реконструкции для промышленного производства тротуарных плит из мелкозернистого бетона ударно-волновую технологию уплотнения вместо технологии прессованием

Предложена серия конструктивных решений УВГУ для уплотнения бетонной смеси при изготовлении строительных конструкций в заводских условиях

На защиту выносятся.

- модель процессов при уплотнении бетонной смеси под действием внешних фазо-частотных источников,

- основные теоретические положения ударно-волновой технологии на основе ударно-волновых газодинамических устройств для уплотнения бетонных смесей и результаты экспериментальных работ подтверждающие их,

- свойства цементных мелкозернистых бетонов, полученные путем активизации уплотнения жестких бетонных смесей, направленной на оптимизацию упаковки компонентов в процессе уплотнения и улучшение контактной зоны цементного камня по ударно-волновой технологии на основе установок УВГУ,

- корреляционная зависимость "прирост прочности - коэффициент фильтрации - частота импульсов", полученная методом спектрального анализа импульсного воздействия на бетонную смесь,

- результаты исследования свойств изделий из мелкозернистых бетонов промышленного производства (морозостойкость, водопоглощение, водонепроницаемость),

Внедрение результатов Результаты проведенных исследований были апробированы в 2005 году на предприятии Очаковский завод ЖБИ ОАО "ДСК №2" и на предприятии ООО "СтройПрестиж" в 2006 году Получены акты испытаний тротуарных плит по трем партиям с общим объемом 6200 изделий, изготовленных на технологической линии по производству тротуарных плит на ООО "СтройПрестиж" с использованием УВГУ для уплотнения

Публикации и апробаиия работы

По теме диссертации опубликовано 8 работ

Основные результаты доложены и обсуждены на конференциях

- Четвертая международная научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" Ростовский государственный строительный университет, Российская Академия архитектуры и строительных наук, Ростов-на-Дону, -2006

- II Всероссийская (Международная) конференция "Бетон и железобетон-пути развития" 1Ыет, НТО Строителей России, М - 2005

- Третья международная научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" Ростовский государственный строительный университет, Российская Академия архитектуры и строительных наук, Ростов-на-Дону, -2004

По теме диссертации получено 4 патента на изобретения

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 123 страницы основного текста, 25 рисунков, 15 таблиц, список использованных библиографических источников, включающий 99 наименований и 8 приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Концепция современной технологии изготовления бетонов основана на си-нергетическом подходе, где особое значение приобретает теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение характеристик отдельных (особенно вновь учитываемых) детерминантов при одновременном и согласованном действии на вещество совокупности энергий

Изучением уплотнения, в том числе упаковки компонентов смеси и улучшения свойств контактной зоны зерна заполнителя с цементным камнем в бетоне занималось большое число отечественных и зарубежных специалистов и ученых Арбеньев А С , Афанасьев А А, Бабий В С , Баженов Ю М , Баталов В С , Волчан-ский Р А , Волянский А А , Гершберг О А , Гусев Б В , ДесовА Е , Дюженко М Г, А Е , Колодзий И И , Комар А Г , Куннос Г Я , Лавринович Е В , Ленарт П П , Ленда В А , Лермит Р , Малинина Л А , Михайлов В В , Овенс Р Л , Пшеничный Г Н , Сивко В И , Руденко И Ф , Русакова Н Г , Стефанов Б В , Сулименко Л М ,

Сырцов В М , Тахулин А , Усов Б А , Фоломеев А А , Хаютин Ю Г, Чаус К В , Шлыков А В , Шмигальский В П и другие

Базируясь на модели по схеме Бингама-Шведова и сделав анализ литературных данных по влиянию различных видов воздействия на поведение смеси в целом в процессе уплотнения, целесообразно выделить три процесса при уплотнении (рис 1), для реализации каждого из которых характерны свои характеристики

Такой подход отражает доминирующую роль одних явлений над другими в процессе уплотнения и позволяет обосновать виды воздействий

Рис 1 Характер изменения параметров воздействия при уплотнении бетонной смеси

Г - частота динамического воздействия - собственная частота, ^ - частота циклов), Р -амплитуда динамического давления, <тс - статическое давление, Дт=100% - относительное полное время обработки смеси Немаловажную роль во всех процессах уплотнения играет направление распространения волн (вертикальное, горизонтальное) Согласно опытным данным, наилучшие результаты достигаются при суперпозиции одновременно генерируемых волн в вертикальном и горизонтальном направлениях, а оптимальные режимы уплотнения бетонной смеси требуют программированного регулирования амплитудно-частотных характеристик динамического воздействия и статической нагрузки с учетом изменения свойств среды на разных стадиях процесса

Анализ вибрационных, ударных, ударно-вибрационных и импульсных конструктивных элементов и устройств показал, что существующие системы не могут обеспечить всего необходимого комплекса воздействий для оптимального уплотнения, вследствие ограниченного спектра частот не обладают избирательностью воздействия в отношении компонентов смеси

Хотя процессы, происходящие и различных средах при прохождении таких волн, изучены достаточно подробно и изложены в многочисленных монографиях и специальной литературе, необходимо от мет ить, что прохождение волн через среды сопровождается диссипацией и поглощением волновой энергии с выделением тепла- Доля поглощаемой энергии зависит от коэффициента затухания воли (характеризуемого коэффициентами фильтрация различных (собственных) частот), возрастающего с увеличением их частоты. В средах с большим коэффициентом затухания, а к ним относятся бетонные смеем, значительная часть волновой энергии может переориентировать компоненты и/или переходить в тепло.

Наиболее перспективными для создании комплекса импульсного воздействия на объекты являются ударно-волновые газодинамические устройства (УВГУ) с внутренней детонацией. Основная часть энергии продуктов детонации передается через волны давления с практически неограниченной амплитудой. Частотные характеристики удар г го-вол новых газодинамических устройств зависят от их конструктивных особенностей, состава топливной смеси, ее единичного объема, принципиально обладают широким спектром легко регулируемых частотных характеристик и статических воздействий.

В зависимости от значений амплитудно-частотных характеристик импульсные воздействия вызывают различные эффекты в материалах (средах или объектах) и они связаны, в первую очередь, с ударными или упругими волнами, вызываемыми импульсными эффектами. ! 1ри этом, чем короче импульс, тем шире его спектр.

Для экспериментальной проверки ударно-волновой технологии, защищенной патентами, создана лабораторная установка (рис.2), 5 4

Рис. 2. Экспериментальная ударно-волновая газодинамическая установка Установка обеспечивает ударно-волновые воздействия при уплотнении бетонной смеси в форме. На поверхности бетонной смеси размешается поршневая группа (7) дли передачи ударно-волновых волновых воздействий, формируемых в камере сгорания (2) и сопле 3. Водород И воздух через штуцера (5) и (4) подаются к форкамеру (1) для перемешивания и осуществления по джига свечей (6). Давление импульса передается на бетонную смесь (11} через индентер-боек (8) и рабочую

пластину (10), где установлен датчик пьезоакселерометра (9) Поджиг осуществляется с частотой следования импульсов с помощью электронного блока (на схеме не показано)

На рис 3 представлена спектральная характеристика установки

о о

Рис 3 Спектральная характеристика взрывогенератора

Экспериментальные испытания проводились на мелкозернистых бетонах с максимальным размером зерна крупного заполнителя 5-7 мм при соотношении 1 3 5 и В/Ц = 0,32 Смесь жесткая, с показателем удобоукладываемости 20 с, портландцемент Подольского завода марки 400, песок Тучковского карьера Вода для затворения - питьевая водопроводная, с отстоем 1 сутки

Для исследования закономерностей формирования структуры, оцениваемой по прочностным показателям и показателям формирования плотности изготавливались образцы-кубы размером 150x150x50мм Объем бетонной смеси для каждого замеса принимался равным 11 литрам из расчета на одну форму из трех ячеек

Перемешивание осуществлялось в два этапа Первый этап заключался в перемешивании сухой смеси в течение 3-х минут, второй этап - с добавлением воды - 5 мин, что обеспечивало равномерность перемешивания

Хранение образцов осуществлялось в течение первых 24+2 часов в формах без крышки во влажной среде стандартной камеры с гидравлическим затвором Через 24 часа хранения формы распалубливали и образцы помещали в водную среду камеры хранения при температуре 20+3 °С

Испытания образцов по пределу прочности при сжатии проводили на универсальном прессе с нормированной скоростью нарастания усилия

Основные исследования образцов проводились в возрасте 7-ми суток нормального твердения, поскольку для мелкозернистого бетона из жестких смесей и принятых влажностных условий этот срок — вполне достаточен для установления существенного влияния на прочность

Для оценки деформативных свойств бетонов изготавливались образцы-балочки размером 7x7x28 см

Для исследования влияния ударно-волновой технологии на некоторые свойства цементных систем, для режимов уплотнения 4 и 22 импульса изготовливались образцы из цементного теста нормальной густоты (экспериментальные и контрольные)

При планировании эксперимента по выбору режимов обработки за базовое среднее значение принят режим, соответствующий по показателю воздействия стандартному вибровоздействию с частотой 50Гц и временем уплотнения 2 мин (120с ), соответственно ср* = 0,25 Относительно этого режима назначены режимы в положительную (плюс - увеличение интенсивности воздействия) и отрицательную (минус - уменьшение интенсивности воздействия) по ряду простых числе 3, 5, 7, с

промежуточной точкой с коэффициентом-множителем 1,5 В связи с дискретным характером воздействий фактические режимы несущественно в рамках совокупности режимов отличаются от назначенных (табл 1)

Таблица 1

Планирование эксперимента по значению относительного показателя импульсного воздействия <р*_

Значения Кп\ ф*\ Ки

Частота следования импульсов СГи), Гц При кочичестве импульсов в серии (¡V)

4 22 90 120*)

1 7\0,033\-7,58 1,5\0,183\-1,37 3\0,750\+3,00 5\1,0\**)

0,75 5\0,044\-5,68 1\0Д44\-1,02 5\1,0\+4,00 7\1,77\**)

0,5 3\0,067\-3,73 1,5\0,367\+1,47 7\1,5\+6,00 14\14,00\**)

**) полный эксперимент не проводился Планируемый шаг множителя 1, 1,5, 3, 5, 7 относительно ф*=0,25 Кп — планируемый коэффициент изменения значения ф* ф* - фактическое принятое в эксперименте значение относительного показателя Ки — фактический коэффициент изменения значения от значения <р*=0,25

За относительный показатель импульсного воздействия принято произведение полного времени обработки бетонной смеси на собственную частоту импульса (<р=ТцхГс) или частное полного времени обработки бетонной смеси Тц в серии ко времени действия импульса (ф=Тц/тс)

Полное время обработки Тц рассчитывается как отношение количества импульсов N в серии к частоте следования импульсов

Приняв за единичный относительный показатель <р0 величину относительного показателя импульсного воздействия для времени соответствующему воздействию равному 120 секунд при частоте следования импульсов 1Гц, рассчитывается относительный показатель импульсного воздействия (р =ф/ф0

При обычном вибрационном воздействии с частотой 50Гц для стандартного времени воздействия 120с относительный показатель ф = 0,25

Принятый относительный показатель импульсного воздействия включает параметры, косвенно учитывающие скважность импульсов, что отражает период времени в течении которого отсутствуют динамическое воздействие Последнее согласуется с проблемой учета релаксационных процессов в бетонной смеси при оптимизации упаковки компонентов в процессе уплотнения

Для каждой выбранной частоты следования импульсов 1,0, 0,75, 0,5 Гц принято по три режима обработки - 4, 22, 90 импульсов в серии В каждой серии изготавливалось и обрабатывалось по 9 образцов и контрольная серия с уплотнением традиционной вибрацией с частотой 50 Гц в течение 2-х минут

На полученных по указанным режимам образцах мелкозернистых бетонов, образцах, полученных по вибрационной технологии со стандартными режимами, исследовались физико-механические характеристики (предел прочности при сжатии, плотность, усадочные деформации) бетона и оценивались структура цементного камня по результатам анализа данных рентгенограмм и термограмм Допол-

нительно была разработана методика оценки микроструктуры камня и бетонов методом сканирующей зондовой микроскопии и получены дополнительные результаты по оценке исследуемого материала

Образцы бетона, полученные с использованием УВГУ, оказались существенно более прочными, чем образцы с виброуплотнением (табл 2 )

Как отмечалось выше, за интегральную характеристику был принят относительный показатель импульсного воздействия <р (условное количество импульсов воздействия), характеризующий совокупность параметров воздействий

Таблица 2

Экспериментальные данные по прочности при _уплотнении смесей на УВГУ_

№ серии испытаний Частота следования импульсов (/у, Гц/ Время цикла (Гц), с Количество импульсов (ударов) в серии N

1,0/1,0 0,75 /1,33 0,5/2,0

Предел прочности при сжатии (Яб), МПа

1 15,4 15,1 15,6 4

2 15,1 15,3 15,0 22

3 15,2 15,1 15,1 90

4 11,2 Виброуплотнение

Из графика, представленного на рис 4, видно, что исследуемые образцы имеют прирост прочности до 40% по сравнению с образцами, изготовленными по традиционной технологии

Рис 4 Зависимость прироста предела прочности бетонов при сжатии от значения относительного показателя импульсного воздействия <р*

Однако зависимость от относительного показателя импульсного воздействия носит колебательный характер, при этом, как видно из графиков, для эффективного воздействия имеет значение не только суммарное воздействие импульсов, но и параметры единичного импульса и время его приложения

Существенное увеличение прочности при относительно небольших воздействиях и дальнейшая тенденция снижения прочностных показателей со стабилизацией при значении относительного показателя импульсного воздействия больше единицы, подтверждает правильность теоретических положений о необходимости приоритетного предпочтения импульсным источникам с изменяемыми частотными характеристиками

В таблице 3 представлены показатели плотности образцов, полученных по разным режимам уплотнения Из этих данных и графической зависимости рис 5, видно, что характер изменения средней плотности бетонных образцов от относительного показателя импульсного воздействия <р* носит экспоненциальный характер и имеет место увеличение плотности с увеличением количества импульсов При этом существенным является частота следования импульсов Наиболее гладкой является тенденция для частоты 0,75Гц, где не наблюдается существенных снижений показателей плотности

Процесс уплотнения на первом этапе проходит очень интенсивно при первых 4-5 воздействиях Данный этап характеризуется в основном активной переукладкой и сближением составляющих смеси, при этом максимальный эффект проявляется на относительно низких частотах следования импульсов, так как процессы проходят, в основном, на макро-уровне, а при большей частоте часть частиц не успевает удалиться и переориентироваться

Таблица 3

Экспериментальные данные по плотности бетонных образцов ири уплотнении смесей на УВГУ на воздушно-водородных компонентах

Ж' серии испытаний Частота следования импульсов, Гц Количество импульсов (ударов) в серии

1,0 0,75 0,5

Плотность (кг/мЗ)/относительный показатель <р*

1 2310/0,033 2305 / 0,044 2320 / 0,067 4

2 2290/0,183 2310/0,244 2280 / 0,367 22

3 2320 / 0,750 2330/ 1,0 2325 /1,5 90

4 2321 /1,0 2331 / 1,77 2326/4 120

5 1690/0,25 Виброуплотнение

2340 2330 2320 2310 2300 2290

К В

Ч 2280 о С.

У

— г

У

1

О 02 04 06 08 1 12 14 16 18 2

Относительный показатель импульсного воздействия

Рис 5 Зависимость средней плотности от количества импульсов воздействия при частоте следования импульсов: 1,0Гц, 0,75Гц, 0,5Гц

Значительный интерес представляет диапазон с относительным показателем <р*=(0,237-0,262), близким к значению относительного показателя для виброуплотнения (ф*=0,25) При значениях ф* = 0,244 (частота следования импульсов 0,75Гц при числе импульсов 22), тенденция увеличения плотности при возрастании относительного показателя ф* сохраняется Данный этап характеризует дальнейшую упорядоченность системы по активному формированию структуры и сопровождается сложными переходными процессами от макро- к микроуровню С одной стороны на этом этапе требуется повышение частоты следования импульсов и увеличение статического давления для формирования структуры на микроуровне, а с другой - необходимо сохранение режимов уплотнения на макро-уровне

Дальнейшая обработка бетонной смеси в различных режимах показывает, что с увеличением ф* плотность увеличивается, а величина конечного постоянного значения ф* определяется исходным значением сформированной структуры бетонной смеси на втором этапе и временем воздействия на третьем этапе Необходимо отметить, что для оптимального режима второго этапа (ф*=0,244) режим третьего этапа по дальнейшему формированию структуры также оптимален (показатель отношения значения плотности ко времени обработки минимален)

Третий этап характеризуется достаточно большими статическими воздействиями Вместе с тем, изложенные выше результаты свидетельствуют о том, что при условии обеспечения достаточных упругих деформативных качеств уплотняемой системы дальнейшее формирование структуры проходит активно с помощью динамических волновых воздействий

Представленные зависимости полностью подтверждают ранее высказанные теоретические предположения о необходимости рассмотрения трех процессов при уплотнении бетонных смесей Нелинейность характеристик объясняется сложными релаксационными явлениями в смеси при силовых воздействиях с широким спектром частотных характеристик

Сигналы импульсного воздействия и сигналы отклика в виде время зависимого от интенсивности воздействия параметра - прочности, в дискретные моменты

времени были разложены по периодическим функциям Сопоставление характеристик сигналов воздействия и отклика соответствующих гармоник позволяет оценить значения коэффициентов фильтрации соответствующих частот в рассматриваемом временном интервале и назначить оптимальный режим импульсного воздействия Одновременно по значениям коэффициентов фильтрации был откорректирован импульсный сигнал воздействия

Ниже представлены результаты спектрального анализа импульсно-волнового источника воздействия и полного импульсного воздействия временнбго ряда прироста прочности бетонных образцов при испытании по пределу прочности при сжатии (табл 4)

Из данных таблиц видно, что амплитудо-фазовая характеристика импульсного источника изменяется плавно и корреляционная функция будет плавно затухать при увеличении запаздывания Соответствующий спектр принимает большие значения на низких частотах и малые - на высоких частотах, следовательно, большая часть мощности сосредоточена на низких частотах При приложении источника к объекту, ряд осциллирует и спектр отклика принимает разные значения на различных частотах, что отражается на значениях коэффициентов фильтрации выделенных гармоник

Среднее значение мощности с увеличением импульсного воздействия снижается, одновременно (в весовом отношении) повышается роль основной гармоники собственных частот (низкого диапазона) Вторая гармоника имеет экстремум в средней части временного ряда и ее роль в этот период повышается, а высокочастотные гармоники имеют экстремумы при минимальных и максимальных воздействиях

Таблица 4

Спектральный анализ импульсно-волнового источника воздействия и полного импульсного воздействия временнбго ряда прироста прочности при сжатии бетонных образцов_

Гармоники Вес гармоник, % (коэффициент фильтрации без учета отраженной волны/ с учетом отраженной волны)

Источник ударно-волновых воздействий Реакция полного импульсного воздействия бетонных образцов

Вклад в среднеквадратичное значение сигнала (среднюю мощность)

Без учета отраженной волны, в %(8гу1) С учетом отраженной волны, в %(ЭГУ2) 4 импульса (8го4) 22 импульса (8го22) 90 импульсов (8го90)

Среднее значение 52,838 12,333 57,2 (1,08/4,64) 54,6 (1,03/4,43) 42,17 (0,8/3,42)

Основная гармоника 31,023 50,918 11,6 (0,37/0,23) 23,68 (0,76/0,47) 36,42 (1,17/0,72)

2-я 8,880 13,735 9,941 (1,12/0,72) 19,56 (2,20/1,42) 9,242 (1,04/0,67)

3-я 4,638 6,790 5,121 (1,10/0,75) 0,898 (0,19/0,13) 3,524 (0,76/0,52)

4-я 2,621 4,098 6,024 (2,30/1,47) 2,276 (0,87/0,56) 5,538 (2,11/1,35)

5-я 2,621 2,815 6,162 (2,35/2,19) 0,302 (0,12/0,11) 6,213 (2,37/2,21)

Полный анализ спектральных данных показал, что коэффициент фильтрации первых трех гармоник (малые и средние собственные частоты fc) имеет максимумы при fu =0,75 Гц при длительном воздействии, на высоких собственных частотах максимум коэффициента фильтрации смещается в область fu = 0,5 Гц, при этом абсолютные значения коэффициентов фильтрации существенно меньше коэффициента фильтрации среднего

При 4-х импульсном воздействии (с доминирующей ролью переориентации частиц в бетонной смеси) максимальный коэффициент фильтрации на 4 и 5-й высокочастотных гармониках (2,30 и 2,35 соответственно)

При 22-х импульсном воздействии (с доминирующей ролью процесса сближения частиц) максимальный коэффициент фильтрации смещается в область второй гармоники (2,20) при пониженном коэффициенте фильтрации высокочастотных составляющих (0,7, 0,6) при частоте цикла f„ = 1,0 Гц

При 90 импульсном воздействии (характеризующий переход к доминирующей роли декомпрессии) возрастает коэффициент фильтрации основной (низкочастотной) гармоники (1,17), при этом минимум коэффициента фильтрации высокочастотных составляющих (0,4, 0,11) наблюдается при частоте цикла fu = 1,0 Гц, однако, учитывая суммарное значение первой и второй гармоник (1,18+1,58 в табл 5) на частое 0,5 Гц , целесообразнее для этого этапа применить частоту fu =0,5 Гц

Изложенное подтверждает, что оптимальным цикл уплотнения по длительности цикла и времени воздействия будет при следующем режиме 0,75Гц (5,32с)+1Гц (22с)+0,5Гц (4с)

Таким образом, эффективность воздействия по коэффициенту фильтрации подтверждает, что оптимизация режима изменения fu в процессе уплотнения должна обеспечивать первоначальное увеличение частоты f„ с последующим снижением до уровня ниже первоначального на стадии компрессионного сжатия, при этом режим назначения fu во времени может быть скорректирован по итоговым расчетным корреляционными зависимостям по функции минимизации (Srii=i>max) при

Sri = Ао*Кфо1+А1*Кф11*Со8(1*2*я*п/п+ф°1)+А2*Кф21*Со8(2*2я* ri/n+(p'2)+ А3*Кф31 * Cos(3*2*jr*ri/n+cp'3) + А4*Кф41*Со5(4*2*л*г1/п+ф"4)+ А5*Кф51*Со5(5*2*л*п/п+ф"5), где 1 - индекс 1,2,3 для частоты цикла соответственно 1, 0,75, и 0,5 Гц для соответствующей корреляционной зависимости,

Кф1 - коэффициенты фильтрации 1-х гармоник,

t = А* п (с)- время дискретного значения при заданном Д(с), п = 1,2 п Для использованного источника единичное импульсное воздействие характеризуется зависимостью

S0 = 0,359+0,39*Cos(;t*r/5+69°) + 0,2*Cos(2jt*r/5+17") +0,15*Cos(3jt*r/5-27') +0,ll*Cos(4Tt*r/5-71°) +0,ll*Cos(Tt*r+71 )

В соответствии с полученными экспериментальными данными локальный прирост прочности при постоянстве частоты цикла составляет ARmm = 3,9 МПа. Анализируя данные по отклику на разных этапах уплотнения расчетный суммарный прирост прочности составит AR= 5,06МПа, что выше среднего локального прироста прочности при постоянных частотах цикла на 19,2%

Необходимо отметить, что полученное в расчетах отрицательное значение AR3 (отклик третьего этапа) подтверждает необходимость применения компрессионных воздействий на третьем этапе уплотнения

Линейные деформации (рис 6) усадки бетонных образцов определялись как среднеарифметическое из измерений трех образцов-близнецов на консольном приборе с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм

Из полученных данных видно, что величина усадки образцов, полученных по ударно-волновой технологии во все сроки ниже образцов традиционной технологии Минимальные деформации наблюдаются при частоте цикла 0,75 Гц, что

подтверждает наличие на второй стадии уплотнения процессов, связанных со сближение частиц

Рис 6. Относительные деформации бетона:

1 - традиционная технология, 2,3,4 -УВ технология (2 -Ш = 1Гц, 3 - Ш = 0,5 Гц, 4 - ¡ц =

0,75 Гц)

Максимальные деформации при частоте цикла 1Гц подтверждают, что первая стадия (перекомпоновка) уплотнения является предварительной (подготовительной) стадией для формирования плотных структур Данные в рахличные сроки для режима уплотнения при частоте 0,5 Гц свидетельствуют о необходимости назначения в процессе уплотнения переменных частот цикла для оптимизации структуры

Для изучения кинетики процессов гидратации проводились дифференциально-термический (рис 7) и рентгеноструктурный качественный и количественный анализы

Результаты анализа показали, что для всех исследуемых режимов характерны три основные эндотермических эффенкта портландцементного камня нормального твердения

1-е сутки то»

Рис 7. Термограммы цементного камня:

1 - вибротехнология, 2,3 -УВ технология для частот 1,0 и 0,75Гц

Вместе с тем некоторое смещение эндотермических эффектов в область более высоких температур, увеличение степени гидратации алита свидетельствуют о качественных изменениях в структуре камня, уплотняемого по рассматриваемой технологии

Для подтверждения эффективности принятых режимов, объяснения качественных и количественных изменений в структуре полученных бетонов предложен

и примечен к исследованию не традиционный метод сканирующей зондовой микроскопии.

Сущность метода заключается в том. что на специально подготовленном образце сканируется поле размером 100x100 микрон с разрешающей способностью 0,4 микрон. В результате сканирования может быть получено плоскостное изображение рельефа, объемное изображение сканируемого поля, изменение жесткости и другие параметры.

На рис.8 представлены результаты сканирования и характеристики структуры контактной зоны кварцевого зерна в образцах, полученных по ударно-волновой технологии (рис. 8 а,б) и традиционной технологии (рис.8 в,г). На рис.8 ал - объемное трехмерное изображение сканируемого поля, на рис.8 б,г - результаты измерения изменения жесткости по двухмерному плоскостному изображению рельефа.

Как видно, структура контактной зоны образцов, полученных по традиционной технологии менее однородна, чем у образцов, полученных по УВТ, что подтверждается величиной максимального перепада рельефа 4000 и 2500 нанометров соответственно.

б) г)

Рис, 8. Структура контактной зоны кварцевого черна Результаты по изменению жесткости системы зерно-контакт пая зона-цементный камень (при постоянстве жесткости зерна заполнителя) показывают, что разность в жесткости зерна и цементного камня в образцах полученных по УВТ технологии в 2,5-3 раза меньше, чем в образцах, полученных по традиционной технологии. Оти данные, как и показатель однородности, подтверждают и в определенной степени объясняют положительные эффекты ударно-волновых воздействий на микроуровне.

Рассмотренные основные теоретические, результаты проведенных экспериментальных работ и их обработка методами спектрального анализа позволяют рекомендовать к практическому использованию ударно-волновые газодинамические установки детонационного типа для уплотнении смесей, в первую очередь мелкозернистых цементных бетонов

Выпуск первой промышленной партии осуществлен в 2005 году на предприятии Очаковский завод ЖБИ ОАО "ДСК №2", позволил на предприятии ООО "СтройПрестиж" в 2006 году осуществить выпуск трех партий в объеме 6200 изделий - тротуарных плит, на технологической линии по производству тротуарных плит с использованием УВГУ для уплотнения

Было выпущено и испытано пять партий изделий - три партии (№№ 46, 47,48) по 2050 штук каждая для изделий 1К5, 1К6 и 1К8 соответственно, изготовленных по УВТ технологии и две партии (№№ 49,50) по 500 штук каждая для изделий 1К5 и 1К8 соответственно, изготовленных по заводской технологии методом прессования

По каждой партии УВТ были приняты режимы уплотнения с различными циклами по их частоте, исходя из данных ранее выполненных экспериментальных исследований и полученных корреляционных зависимостей по приросту прочности

Состав бетонной смеси принят заводской, подобранный в соответствии с ГОСТ 27006 В технологической схеме производства параллельно с традиционной технологией уплотнения прессованием осуществлялся выпуск изделий с УВТ уплотнением

По всем пяти партиям проведены заводские стандартные испытания изделий с объемом выборки для исследования свойств бетона по 50 шт изделий из каждой партии Заводские испытания по прочности, плотности, вонепроницаемости, водо-насыщению, морозостойкости и истираемости проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 17608 на плиты тротуарные (табл 5), при этом испытания по морозостойкости проведены ускоренным методом по ГОСТ 10060 с насыщением образцов бетона изделия перед испытанием 5%-ным водным раствором хлорида натрия

Особо следует отметить, что увеличение толщины изделия положительно сказывается на прочностных показателях при УВТ обработке В соответствии с заводской технологией для увеличения прочности изделий (марки 1К5 и 1К8, партий 49 и 50 соответственно) увеличивается расход цемента при прочих равных условиях (жесткость смеси при этом практически не изменяется) Для УВТ обработки при одинаковом расходе цемента (марки 1К5 и 1К6 партий 46 и 47 ) прочность возрастает Кроме того, если для "тонких" изделий (партии 46 и 49) прочность увеличивается на 10%, то для утолщенных изделий (партии 48 и 50) прочность увеличивается на 15%

Диаграммы испытаний «плит тротуарных», изготовленных на предприятии ООО "Стройпрестиж" и оценка в относительных единицах результатов испытаний (табл 6) представлены на рис 9

В целом по комплексу показателей эффективность воздействия снижается с увеличением времени воздействия, при этом показатели для стандартной заводской технологии (т=30с) существенно ниже по всему спектру воздействий Рассматривая показатели по УВТ воздействиям, следует отметить, что для каждого из показателей оптимальным является разное время воздействия - для прочности это 5 с, для плотности 10с , для морозостойкости 7,2с , те увеличение плотности с увеличением времени воздействия не увеличивает прочностных показателей, при этом оптимальное значение по морозостойкости находится в середине рассмотренного диапазона Сказанное подтверждает ранее высказанную гипотезу о сложных механо-химических процесса, проходящих в системе при уплотнении Здесь следует отметить, что повышение жесткости контактной зоны (по материалам предыдущих исследований) вызывает относительное снижение морозостойкости

Таблица 5

Таблица испытаний «плиты тротуарной», изготовленной на предприятии ООО "Стройпрестиж"_

Требования по ГОСТ 17608-91 Плиты принимаются партиями п 2 1 по ГОСТ 13015 1

Партии УВТ Партии Традиционная (СЗТ)

Партия 46 (2050 шт) Партия 47 (2050 шт) Партия 48 (2050 шт) Партия 49 (500 шт ) Партия 50 (500 шт)

Дата изготовления 28 06 2006 03 07 2006 05 07 2006 10 07 2006 11 07 2006

Партия № 46 47 48 49 50

Наименование и марка изделий п 1 1 1К5 1К6 1К8 1К5 1К8

Класс бетона по прочности на сжатие П 5 1 В22,5 В22,5 В25 В22,5 В25

Прочность на сжатие, МПа В возрасте 1 сутки 10/13 МПа 12,2 12,4 14,1 12,3 12,0

В возрасте 28 суток 20/28 МПа 25,3 26,5 29,1 23 25,3

Плотность, кг/м3 Устанавливается проектом 2480 2540 2520 2410 2415

Водонепроницаемость Не менее \У8 W10 \¥10 W10 W8 W8

Водопоглощение, % Менее 6% по массе 1,4 1,4 1,4 1,5 1,5

Морозостойкость Р200 F200 Р200 F200 F200 F200

Число циклов по морозостойкости 255 245 250 210 205

Истираемость, г/см2 П 2 7 0,23 0,23 0,23 0,25 0.25

Частота циклов ударно-волнового импульсного воздействия, Гц 0,75 0,5 1,0 - -

Суммарное т время воздействия, с 6,6 10 5 30 30

В/Ц // жесткость смеси, с Не более 0,40 0,35//10с 0,35//10с 0,35//10с 0,35//10с 0,35//10с

Таблица б

Прочность, плотность и морозостойкость изделий

№ партии Время воздействия Предел прочности при сжатии, Плотность Морозостойкость

МПа Приведенным (20-30) кг/м1 Приведенная (2400-2600) Циклов Приведенная (200-270)

1К5 6.6 25.3 0,53 2430 0,6 255 0,785714

1К6 10 26,5 0,65 2540 0,8 245 0,642857

1KS 5 29,1 0,91 2520 0,733333 250 0.714286

Среднее С1 7,2 27 0,7 2513 0,71 259 0,842857

1К5с 30 23 0.3 2410 0,37 210 0.142857

шее 30 25,3 0,53 2415 0,383333 205 0,071429

Среднее С2 30 24,15 0.415 2412 0,373333 207 0,1

Диаграмма плотности бетонов

п 5600

"С 2550

Диа грамма прочности в возрасте 28 суток

О 2350 d 2300

■5 30

£

s X 26

1 24

X 22

с 20

464716 4950

№ партии 46-50; С1.С2 - средние значения

4$ 47 46 *■> 50 Ct С2 № партии, 46-50: C1.C2 - средние значении

Диа грамма морозостойкости

260

В

О 250

5 240

S

3" 230

О

с; 220

о

5 21С

Т

200

П п п

46 47 46 49 50 1 CI № партии, 46-50; С1,С2 - средние значения

Испытания по водонепроницаемости, истираемости и аодопоглощению

Lffl

□ УВТ-технологиА

I Заводская технология

Мзститайный ко Л '. "»VI.

- ИЛ нрммости - 10.

- водоооглощвнич - 5

Зависимость лрочностия. плотности и морозостойкости от параметров воздействия

5,2 6.6 10 30 Время воздействия, с

Рис. 9. Оценка результатов испытаний изделия - плита тротуарная

Таким образом, импульсное ударно-волновое воздействие детонационного типа является эффективным средством уплотнения, а оптимальное воздействие может быть реализовано только переменным во времени частоты следования импульсов, рекомендованных по результатам предыдущих исследований

Разработаны схемные решения для промышленного применения, защищенные патентами, для заводских условий "Клиновая ударно-волновой газодинамическая установке", для пустотных изделий "Вибровкладыш-пустотообразователь" для создания дорожных покрытий в условиях строительной площадки, устройства креплений "Поверхностный виброуплотнитель"

Основной эффект предлагаемой технологии состоит в возможности перехода к жестким смесям, при этом имеет место упрощение конструкции и весогабарит-ных размеров системы уплотнения при повышенном КПД преобразования энергии и удельная масса взрывной камеры на единицу тепловой мощности составляет 0,05-0,1 кг/кВт (Удельная масса электродвигателя на единицу электрической мощности достигает 1-2 кг/кВт )

УВГУ работают на дешевом топливе, например, на сжиженном газе Если коммерческая цена сжиженного газа составляет 5 руб-кг, то, в том же масштабе действующих цен, стоимость электрической энергии составляет 1 руб/кВт ч При сгорании 1кг топлива в воздухе выделяется 45 МДж тепловой энергии Таким образом, стоимость единицы тепловой энергии или мощности, выделяемой УВГУ, в 3 раза ниже стоимости эквивалентной электроэнергии Экономический эффект от применения ударно-волнового уплотнения при производстве тротуарных плит на предприятии ООО "СтройПрестиж" составляет 140 руб/м3

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Подтверждено, что при наличии избирательности воздействия на компоненты в процессе уплотнения мелкозернистой бетонной смеси на цементом вяжущем обеспечивается эффективность уплотнения в соответствии с принятой гипотезой о том, что для активизации механо-химических изменений контактной зоны цементного камня и заполнителя необходимо учитывать динамические процессы при уплотнении переориентацию частиц (перекомпоновку), сближение составляющих и компрессионное сжатие

2 Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что воздействия от УВГУ детонационного типа с внутренней детонацией целенаправленно и избирательно по компонентам передают в среду волновую энергию и обеспечивают амплитудо-частотные характеристики импульсного воздействия, необходимые для реализации динамических процессов при уплотнении бетонной смеси

3 Исследованы спектральные характеристики реального сигнала силового воздействия УВГУ детонационного типа с внутренней детонацией, проведен спектральный анализа разложением Фурье среднеквадратичного значения временного ряда прочности бетонных образцов, установлена закономерность режимов частоты циклов от стадии процесса уплотнения с энергетической привязкой к эквивалентному стандартному воздействию на виброплощадке, экспериментально установлено, что регулирование параметрами частоты циклов силового воздействия оптимизирует уплотнение жестких мелкозернистых бетонных смесей на цементом вяжущем

4. Установлена корреляционная зависимость амплитудо-частотных параметров импульсного воздействия на прирост прочности бетонов по коэффициентам фильтрации гармоник, оценивающая доминирующую роль определенных частот в процессах при уплотнении

Sri = Ао*Кфо1+А1*Кф11*Со5(1*2*л*п/п+ф"1)+А2*Кф21*Со5(2*2я* ri/n+q>'2)+ А3*Кф31 * Cos(3*2*7t*n/n+(p'3) + А4*Кф.,1*Со8(4*2*7с*п/п+9°4)+ A5*K<J>5i*Cos(5*2*7i*n/n+9°5), где i - индекс 1,2,3 для частоты цикла соответственно

1, 0,75, и 0,5 Гц, Кф1 - коэффициенты фильтрации 1-х гармоник, I = А* п (с)- время дискретного значения при заданном Л(с), п = 1,2 п

5. Экспериментально установлено методом сканирующей зондовой микроскопии структуры контактной зоны, что в опытных образцах ударно-волнового уплотнения структура более однородна (соответственно 2500 и 4000 Нм по перепаду рельефа), а жесткость в 2,5-3 раза меньше

6. Экспериментально установлено, что образцы бетона, полученные уплотнением смеси с использованием УВГУ, имеют прирост прочности на 20-40% по сравнению с контрольными на разных режимах уплотнения, усадка во все сроки твердения ниже усадки образцов, полученных по традиционной технологии при этом минимальные деформации наблюдаются при частоте цикла 0,75 Гц, что подтверждает наличие на второй стадии уплотнения процессов, связанных со сближение частиц Максимальные деформации при частоте цикла 1Гц подтверждают, что первая стадия (перекомпоновка) уплотнения является предварительной (подготовительной) стадией для формирования плотных структур бетона

7. Термографические и рентгенофазные исследования показали отсутствие существенных фазовых изменений по сравнению с образцами традиционной технологии, вместе с тем некоторое смещение эндотермических эффектов в область более высоких температур, увеличение степени гидратации алита свидетельствует о качественных изменениях в структуре камня, полученного с использованием УВГУ

8 Выпуск промышленных партий тротуарных плит из мелкозернистых бетонов на предприятиях Очаковский завод ЖБИ ОАО "ДСК № 2" и ООО "СтройПре-стиж" (г Москва) общим объемом 6650 изделий подтвердил результаты теоретических и экспериментальных исследований По комплексу показателей (прочность, плотность, водонепроницаемость, водонасыщение, морозостойкости, истираемость) изделия - тротуарные плиты из мелкозернистых бетонов, полученные ударно-волновым уплотнением выше соответствующих показателей традиционной технологии уплотнения прессованием

9 Экономический эффект от применения ударно-волнового уплотнения при производстве тротуарных плит на предприятии ООО "СтройПрестиж" составляет 140 руб/м3 бетона

10 Импульсные ударно-волновые газодинамических устройства рекомендуются для уплотнения смесей, характеризующихся практически даже отсутствием текучести и требующих динамических эффективных воздействий для уплотнения в первую очередь для уплотнения при производстве тротуарных плит на цементном вяжущем

Основное содержание диссертации изложено и опубликовано:

1 Зеленов К И Научно-техническая оценка технологии уплотнения мелкозернистых бетонов на УВГУ Журнал "Технологии бетонов", № 6, 2006, с 58-59

2 Зеленов К И , Усов Б А , Бахтин Б И и др Формирование структуры бетонов при ударно-волновом воздействии Материалы Четвертой международной научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии", Ростов-на-Дону, РГСУ, - 2006, т 1, с 191-196

3 Зеленов К И , Усов Б А, Ивашов А И и др Пути формирования структуры бетонов в ударно-волновой газодинамической технологии уплотнения Научные труды П Всероссийской (Международной) конференция "Бетон и железобетон -пути развития" Rilem, НТО Строителей России, M -2005, т 3, с 305-311

4 Зеленов К И, Усов Б А , Зеленов И Б Ударно-волновая газодинамическая технология уплотнения бетонов Материалы Третьей международной научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии", Ростов-на-Дону, РГСУ, - 2004, т 1, с 199-206

5 Зеленов К И, Попов Л H Импульсно-частотная ударно-волновая технология обработки и уплотнения бетонных смесей Журнал "Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века", № 5, 2002, с 28-29

6 Зеленов К И, Усов Б А Концепция импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей Журнал "Бетон и железобетон", №2, 2002г

7 Зеленов К И, Усов Б А, Бахтин Б И и др Технология импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей Сб статей МГОУ "Механика разрушения", Изд "Истек", M 1999, с 95-106, ISBN 5-86923008-Х

8 Зеленов К И , Бахтин Б И , Ивашов А И и др Ударно-волновые технологии (УВТ) Часть 1 - Использование УВТ в строительной индустрии Аналитическая записка Unifid Technology Corporation, 1999 (Analytical note "ShocK Wave Technology (SWT), Part 1") , с 7-30

Издательство "Истек" Подписан в печать 20 12 2006 Формат 60x84/16 Объем 1 п л

Тираж 100 экз Заказ № 31 Отпечатано на множительной технике издательства "Истек" 127254, Москва, Огородный проезд д 5, оф 327

Введение.

Глава 1. Пути формирования прочности и плотности беюнов при уплотнении бетонных смесей.

1.1. Основные закономерности получения матричных структур

1.2. Силовые воздействия на смесь и основные принципы устройств для их реализации.

1.3. Ударно-волновые газодинамические установки.

1.4. Выводы.

1.5. Постановка задачи.

Глава 2. Теоретические основы ударно-волновой газодинамической технологии

2.1. Рациональные режимы комплексной обработки бетонных смесей.

2.2. Процессы в средах (материалах) при ударно-волновом воздействии

2.3. Особенности формирования ударно-волновых воздействий в газодинамических устройствах (УВГУ).

2.4. Пути обеспечения рациональных параметров ударно-волнового воздействия на бетонные смеси.

2.5. Выводы.

Глава 3. Обоснование выбора ударно-волновых режимов и характеристик исходных материалов.

3.1. Выбор режимов уплотнения.

3.2. Отработка методики проведения эксперименюв на лабораторной установке.

3.3. Определение спектральных характеристик.

3.4. Состав бетонной смеси и характеристики материалов.

3.5. Гехноло1ия изютовления.

3.6. Выводы.

I лава 4 Влияние параметров техноло1 ии на основные свойства бетона

4 1 Фишко-механические свойива

4 2. Структура цемен1 ною камня.

4 3 Выводы.

Глава 5. Применение мелкозернистых беюнов ударно-волновою уплотнения

5.1 Применение мелкозернистых беюнов в практике дорожного сфоигельтва

5 2. Ошимизация свойав мелкозернистых беюнов в заводских условиях производства тротуарных плит

5 3 Новые конструктивные решения технологии ударно-волнового уплотнения мелкозернистых бетонов

5 4 Оценка )ффектпвности

5.5. 1ехника безопасности

5 6. Выводы

ОБЩИН ВЫВОДЫ

Источники информации

В условиях рыночных отношений и конкурентной борьбы перед наукой и промышленностью с особой остротой встают проблемы разработки и применения новых технологий производства в строительной индустрии, направленных на снижение материалоемкости, повышения качества и долговечности зданий и сооружений.

Для изготовления строительных изделий, конструкций и сооружений применяется бетон - один из древнейших искусственных материалов. Его свойства определяются в равной степени как качественным и количественным составом бетонной смеси, так и технологией ее обработки на всех стадиях процесса формирования структуры камня.

В рамках современной концепции технологии изготовления бетонов, основанной на синергетическом подходе, особое значение приобретает теоретическое и экспериментальное обоснование характеристик отдельных (особенно вновь предлагаемых) детерминантов при одновременном и согласованном действии на вещество совокупности энергий. Работа посвящена вопросам оптимизации структуры бетонов по ударно-волновой технологии (УВТ) уплотнения бетонных смесей и исследованиям свойств бетонов, полученных после уплотнения на ударно-волновом газодинамическом устройстве (УВГУ), работающем на принципе детонации (быстром горении) газообразных компонентов топливных смесей, а также исследованиям структуры контактной зоны зерна заполнителя в бетоне методом сканирующей зондовой микроскопии.

Получившие в последние годы известность работы, связанные с применением литых смесей, не снимают с повестки дня проблемы оптимизации технологии уплотнения бетонов на жестких смесях как в условиях монолитного строительства, так и в условиях заводского производства. В частности, технологический инструмент, позволяющий максимально уплотнить систему путем перекомпоновки и создания динамического и статического компрессионных воздействий на смесь, не исключает, а в ряде случаев дополняет, применение пластифицирующих модификаторов, мелкозернистых добавок (например, зол уноса ТЭЦ), толкомолотых смешанных вяжущих. Такой подход по совмещению технологических приемов, позволяет не только снизить пористость, но и ускорить твердение, а в перспективе отказаться от тепловой обработки.

Актуальность работы

Для мелкозернистых цементных бетонов, получающих в последнее время все более широкое применение, задача оптимизации упаковки компонентов, направленная, в частности, на улучшение наиболее слабого звена бетона - контактную зону цементного камня с заполнителем и соответственно повышения, в первую очередь, прочностных характеристик и плотности бетонов из жестких смесей, а также улучшения других показателей и снижения расхода вяжущего, до настоящего времени окончательно не решена и остается актуальной.

Актуальность проблемы оптимизации упаковки компонентов при уплотнении (особенно для жестких смесей) непосредственно связана с решением проблемы создания или использования таких источников силового воздействия, которые могут достаточно просто варьировать в широких пределах амплитудно-частотные характеристики, воздействующие избирательно на компоненты уплотняемой бетонной смеси и одновременно минимизирующие энергозатраты за счет направленной концентрации полезно используемой энергии.

Известные способы получения поличастотного спектра воздействия основаны на использовании группы локально действующих генераторов с относительным смещением фазы волн и поэтому имеют кинематически сложные конструкции, что служит препятствием для их использования. Большинство из них, как вибрационных, так и ударных работает по фиксированным амплитудно-частотным режимам. Эффективность воздействия, как правило, оценивается по обобщенным характеристикам (ускорение, амплитуда, длительность) без учета спектральных составляющих и коэффициентов фильтрации уплотняемого объекта, что приводит зачастую к существенной недооценке возможностей источника воздействия при уплотнении. При таком подходе не использовались непараметрические методы исследования, в частности методы спектрального анализа. В связи со сказанным, разработка и применение методов анализа по спектральным составляющим сигнала входа и выхода для материаловедческих задач также представляется достаточно актуальной.

Цель и задачи

Целью работы является улучшение и оптимизация свойств мелкозер-нис1ых бетонов путем активизация уплотнения жестких или малоподвижных бетонных смесей на цементном вяжущем

В основу работы положена следующая гипотеза: при уплотнении силовыми воздействиями бетонной смеси для получения бетонов повышенной прочности при уплотнении необходимо обеспечив переориентацию часшц, преодолеть силы сухого и вязкого трения и обеспечить доуплотнение и активизацию механо-химических изменений контактной зоны цементного камня и заполнителя, что может быть обеспечено избирательностью дейавия на компоненты приложенного воздействия в процессе уплотнения.

Дляэюго потребовалось решить следующие задачи:

- изучить пути формирования свойств бетонов, в первую очередь прочности и плотносш, при уплотнении бетонных смесей и обосновать модель уплотнения при внешних фазово-частошых воздействиях;

- разработав теоретические основы ударно-волновой технологии уплотнения бетонов,

- исследовать технологические возможности для уплотнения бетонных смесей ударно-волнового газодинамического устройства (УВГУ) детонаци-онною типа и исследовать влияние режимов ударно-волновых воздейспзий на свойства мелкозернистого цементного бетона;

- оценить методом спектрального анализа механизм и эффективность импульсного воздействия и усыновить корреляционную зависимость: "прирост прочности -коэффициент фильтрации - частота импульсов";

- исследовать свойства беюнов по прочности, плотности и деформативным свойствам, полученных уплотнением на УВГУ;

- исследован^ и оценить кинетику процессов 1идратации методами рентгеносфуктурного и термографического анализа и контактную зону заполнитель-матрица методом сканирующей зондовой микроскопии при УВТ уплотнении;

- исследовать свойства бетонных изделий - тротуарных плит из мелкозернистых бетонов УВТ уплотнения, выпущенных в промышленных условиях по прочности, плотности, морозостойкости, водонепроницаемости, водо-поглощению и истираемости.

- выполнить технико-экономическую оценку эффективности применения мелкозернистых беюнов втехноло1ии производстватро1уарных плите применением УВТ уплотнения, разработать предложения по конструктивным схемам исполнения УВГУ.

Научная новизна

Показано, что для направленной компоновки составляющих жестких или малоподвижных мелкозернистых беюнных смесей при упло1 нении под действием внешних фазо-часготных иа очников целесообразно в модели принять три процесса при уплощении - перекомпоновка, сближение, компрессионное сжатие.

Предложена ударно-волновая технология уплотнения беюнных смесей с широким спектром технологических параметров и разработаны ее основные теоретические положения с применением ударно-волновых газодинамических установок детонационного типа, исследовано влияние режимов ударно-волновых воздействий на изменения прочностных свойств, плотности бетонов и контактной зоны зерно-матрица.

Для оптимизации режимов уплотнения впервые апробирован и рекомендован метод спектрального анализа для материаловедческих задач. При уплотнении импульсным ударно-волновым воздействием получены корреляционные зависимости функций отклика по приросту прочности бетонов при уплотнении импульсным ударно-волновым воздействием.

Экспериментально доказана принципиальная возможность применения для уплотнения бетонов установок УВГУ, действующих на эффекте преобразования тепловой энергии, выделяемой при быстром сгорании порций газовой топливной смеси, в механическую импульсно-волновую энергию.

Установлено, что для уплотнения, характеризующегося в тремя процессами, требуется изменение параметров импульса воздействия (собственных частот и частоты импульса) с учетом коэффициентов фильтрации объекта, характеризующих избирательность действия

Для мелкозернистых цементных бетонов из жестких смесей, уплотненных по ударно-волновой технологии исследованы прочностные и деформационные свойства бетонов, контактная зона зерно-матрица методом сканирующей зондовой микроскопии, проведены дифференциально-термический и рентге-ноструктурный анализы кинетики гидратации портландцемента и его составляющих.

Показано, что применительно к мелкозернистым бетонам, полученных по ударно-волновой технологии, прочностные свойства исследованных бетонов и контактная зона зерно-матрица, характеризуются существенно улучшенными показателями.

Практическая значимость

Разработаны теоретические основы и экспериментально апробирована технология уплотнения для мелкозернистых цементных бетонов с применением установок УВГУ детонационного типа.

Установлено, что импульсное ударно-волновое воздействие УВГУ обладает избирательностью воздействия на компоненты при уплотнении бетонных смесей, что улучшает прочностные и другие характеристики бетона.

Разработаны рекомендации по применению и методология по назначению режимов для уплотнения, направленных на снижение энергетических затрат при формовании изделий из жестких бетонных смесей.

Предложена серия конструктивных решений УВГУ для уплотнения бетонной смеси при изготовлении строительных конструкций.

Публикации и апробация работы

Результаты работы изложены и опубликованы в работах:

1. Зеленов К.И. Научно-техническая оценка технологии уплотнения мелкозернистых бетонов на УВГУ. Журнал "Технология бетонов", № 6, 2006, с.58-59.

2. Зеленов К.И., Усов Б.А. и др. Формирование структуры бетонов при ударно-волновом воздействии Материалы Четвертой международной научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии", Ростов-на-Дону, РГСУ, - 2006, т. 1, с. 191 -196.

3. Зеленов К.И. и др. Пути формирования структуры бетонов в ударно-волновой газодинамической технологии уплотнения. Научные труды П Всероссийской (Международной) конференция "Бетон и железобетон - пути развития". Rilem, НТО Строителей России, М. - 2005, т. 3, с. 305-311.

4. Зеленов К.И., Усов Б.А., Зеленов И.Б. Ударно-волновая газодинамическая технология уплотнения бетонов. Материалы Третьей международной научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии", Ростов-на-Дону, РГСУ, - 2004, т.1, с. 199-206.

5. Зеленов К.И., Попов JT.H. Импульсно-частотная ударно-волновая технология обработки и уплотнения бетонных смесей. Журнал "Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века", № 5, 2002, с.28-29.

6. Зеленов К.И., Усов Б.А. Концепция импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей. Журнал "Бетон и железобетон", №2, 2002г.

7. Зеленов К.И., Бахтин Б.И. и др. Технология импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей. Сб. статей МГОУ "Механика разрушения", Изд. "Истек", М.: 1999, с.95-106, ISBN 586923-008-Х.

8. Зеленов К.И., Бахтин Б.И. и др. Ударно-волновые технологии (УВТ). Часть 1 - Использование УВТ в строительной индустрии. Аналитическая записка. Unifid Technology Corporation, 1999 (Analytical note "ShocK Wave Technology (SWT), Part 1").

Основные результаты доложены на конференциях:

- Четвертая международная научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячилетии". М-во образования и науки РФ, Ростовский государственный строительный университет, Российская Академия архитектуры и строительных наук, Ростов-на-Дону, -2006.

- П Всероссийская (Международная) конференция "Бетон и железобетон-пути развития". Rilem, НТО Строителей России, М. - 2005

- Третья международная научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячилетии". М-во образования и науки РФ, Ростовский государственный строительный университет, Российская Академия архитектуры и строительных наук, Ростов-на-Дону, -2004.

По теме диссертации получены патенты на изобретения (прил. 1):

1. Патент РФ № 2164204. МПК (7)В 28 В 1/04. Ударно-волновой способ обработки конгломератных сред при формировании искусственных строительных материалов / Зеленов К.И., Усов Б.А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 8.2001.

2. Патент РФ № 2169073. МПК (7)В 28 В 1/08. Ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонных объектов с пустотами / Зеленов К.И., Усов Б.А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 17. 2001.

3. Патент РФ № 2163543. МПК (7)В 28 В 1/10. Клиновая ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонов / Зеленов К.И., Усов Б.А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 6. 2001.

4. Патент РФ № 2160663. МПК (7)В 28 В 1/04 / Поверхностный ударно-волновой газодинамический виброуплотнитель для формования бетонных объектов / Зеленов К.И., Усов Б.А. и др. 1999. Бюл. изобр. № 5. 2000.

Внедрение результатов

Результаты проведенных исследований были апробированы в 2005 году на предприятии Очаковский завод ЖБИ ОАО "ДСК №2" и на предприятии ООО "СтройПрестиж" в 2006 году. Получены акты испытаний тротуарных плит по трем партиям с общим объемом 6200 изделий, изготовленных на технологической линии по производству тротуарных плит на ООО "СтройПрестиж" с использованием УВГУ для уплотнения (прил.2).