Содержание к диссертации
Введение
1. CLASS Состояние вопрос CLASS а 9
1.1. Влияние заполнителя на свойства бетона І0
1.2. Способы подбора зернового состава заполнителя для бетона 16
1.3. Способы проектирования состава тяжелого бетона 20
1.4. Особенности проектирования высокопрочных бетонит 26
Выводы по главе 29
2. Характеристики сырьевых материалов и используемые методы исследования бетонов контактной структуры 31
2.1. Характеристики сырьевых материалов 31
2.2. Методы исследования материалов 36
2.2.1. Определение плотности упаковки и угла естественного откосафракций и высокоплотных смесей заполнителей 37
2.2.2. Определение микротвердости цементного камня 39
2.2.3. Рентген о фазо вый анализ 40
2.2.4. Математическое планирование эксперимента 41
3. Основы подбора высокоплотного зернового состава заполнителя для тяжелого бетона 44
3.1. Расчет высокоплотных зерновых составов заполнителя 44
3.2. Определение рациональных модулей набора сит для классификации зернистых материалов 49
3.3. Оценка эффективности составов заполнителя различной гранулометрии 56
3.4. Оценка влияния каждой фракции на свойства высокоплотпых составов заполнителя к бетонов на их основе (на примере зернового состава класса т=5) 76
3.5- Определение оптимальных коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении последующих фракций и толщины обмазки зерен заполнителя цементным тестом с использованием математического планирования эксперимента 86
Выводы по главе 109
4. Повышение характеристик тяжелого бетона путем регулирования свойств и состава его растворной части . 111
4Л .Влияние добавки суперпластификатора на консистенцию цементного теста и цементно-песчаного раствора 112
4.2- Оценка эффективности действия пластифицирующей добавки 11 б
4.3- Влияние добавок наполнителей и микронаполнителей на прочность цементного камня 122
Выводы по главе 130
5. Влияние крупного заполнителя на свойства тяжелого бетона 131
5.1, Эмпирическая оценка физико-механических характеристик бетона в зависимости от объемной доли крупного заполнителя 131
5.2. Механизм разрушения тяжелого бетона контактной структуры 142
5,3.Математическое описание зависимости прочности бетона от объемной доли крупного заполнителя и других его характеристик 169
Выводы по главе 174
6. Технико-экономическое обоснование использования тяжелых бетонов высокоплотной контактной структуры для производства жби 175
Общие выводы 186
Список литературы 188
Приложения 204
- Особенности проектирования высокопрочных бетонит
- Определение плотности упаковки и угла естественного откосафракций и высокоплотных смесей заполнителей
- Определение оптимальных коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении последующих фракций и толщины обмазки зерен заполнителя цементным тестом с использованием математического планирования эксперимента
- Влияние добавок наполнителей и микронаполнителей на прочность цементного камня
Введение к работе
Актуальность темы. Ядерные энергетические установки (ЯЭУ) по назначению и технологическому принципу действия практически не отличаются от традиционных тепловых электростанций. Одной из основных отличительных особенностей ЯЭУ является необходимость обеспечения безопасности на всех этапах жизненного цикла. Важнейшей составляющей системы безопасности ЯЭУ является техническая диагностика, выполняющая функции контроля состояния оборудования. Разработка новых методов диагностики является основным резервом повышения безопасности ЯЭУ. Особенно важной задачей является контроль напряженного состояния металла элементов конструкций ЯЭУ. Контроль напряженного состояния меіалла относится к разряду ранней диаіностики, когда разрушения целостности металла еще не произошло Измерение напряжений позволяет предсказывать области металла, близкие к разрушению.
Особую опасность представляют динамические напряжения в металле элементов конструкций ЯЭУ, которые возникают в результате гидравлических ударов при работе запорной и регулирующей аппаратуры, изменения температуры, возбуждения акустических колебаний в теплоносителе. Если потоки теплоносителя ограничены неподвижными поверхностями, возникают крупные локальные вихреобразования. Они формируются также при резком изменении величины или направления скоростей течения. Локальные вихреобразования являются источником ударных пульсаций давления с амплитудой (3-5)-1 (У" МПа и частотой от 1,0 до 40 Гц. Наиболее опасными являются взаимодействия теплоносителя и элементов конструкций ЯЭУ в резонансной области колебаний. Даже кратковременное наличие резонансных колебаний элементов конструкций ЯЭУ приводит к разрушению металла
В настоящее время на ЯЭУ с реакторами ВВЭР установлены системы виброшумовой диагностики фирмы «Сименс» и отраслевого диагностического Центра «Диапром». Они предназначены для контроля вибрации шахты активной зоны, ТВС, корпуса реактора и свободно закрепленных участков циркуляционного трубопровода первого контура. По параметрам виораний можно косвенно судить о динамических напряжениях в металле. Однако динамические напряжения в металле жестко закрепленных конструкций не сопровождаются вибрацией. Предложенные в диссертации методы позволяют проводить прямое измерение динамических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ при ударных воздействиях теплоносителя.
В экспериментальной практике для контроля динамических напряжений применяется метод тензометрии. Однако он позволяет контролировать деформацию только поверхностного слоя меіалла. При ударных воздействиях теплоносителя и при резонансных взаимодействиях теплоносителя и элементов конструкций ЯЭУ возникает необходимость контроля напряжений в объеме металла по толщине стенки циркуляционных трубопроводов или других элементов конструкций. Эту задачу можно решить только с помощью методов, предложенных в диссертации.
Тема диссертации является составной частью целевой программы повышения безопасности ЯЭУ в направлении поэтапного внедрения систем диагностики ЯЭУ концерна «Росэнергоатом».
Цель работы
Целью работы является обоснование, теоретические и экспериментальные исследования меюдов контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ, основанных на электрических
явлениях в металлах при ударных воздействиях теплоносителя, и разработка реализующих их автоматизированных систем. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
анализ гидравлических и тепловых ударных воздействий теплоносителя на элементы конструкций ЯЭУ и физических процессов в металле элементов конструкций ЯЭУ при ударных воздействиях теплоносителя;
теоретическое обоснование и экспериментальные исследования методов контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ, основанных на электрических явлениях в металле при ударных нагрузках: электронно-инерционном, ионно-инерционном и явлении возникновения термоэдс в контактной области двух металлов с разной плотностью электронов проводимости;
разработка автоматизированных систем контроля динамических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ, реализующих данные методы;
разработка ультразвуковой автоматизированной системы контроля стагических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ до и после динамических воздействий теплоносителя на основе эффекта акустоупругости.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе проведен анализ напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ, вызываемых воздействием теплоносителя. Рассмотрены напряжения в металле, вызываемые гидравлическими и тепловыми воздействиями теплоносителя, особенности динамических напряжений.
Проведен анализ гидравлических и тепловых воздействий теплоносителя на элементы конструкций ЯЭУ при различных режимах работы ЯЭУ. Рассмотрены особенности гидравлических и тепловых
ударных воздействий, возникновение резонансных взаимодействий между теплоносителем и элементами конструкций ЯЭУ.
Рассмотрены закономерности распространения ударных волн в металлах, передачи волновой энергии в соударяемых телах, контактные явления в соударяемых телах, особенности пластических деформаций, процессы динамической сжимаемости, динамической прочности, структурных изменений в металлах при ударных нагрузках.
Установлена закономерность передачи энергии ударной волны, возникающей в теплоносителе, в металл элементов конструкций ЯЭУ. Показано, что величина эффекта передачи энергии ударной волны зависит от соотношения акустических сопротивлений теплоносителя и металла В энергоблоках с водо-водяными реакторами ВВЭР эффект передачи энергии ударной волны имеет максимальную величину, тж. акустические сопротивления теплоносителя (вода под давлением) и металла сравнительно близки по величине. В энергоблоках с реактором РБМК эффект передачи энергии имеет несколько меньшую величину. На тепловых электростанциях, где теплоносителем является перегретый пар с температурой 540С, эффект передачи энергии ударных волн из теплоносителя в металл имеет значительно меньшую величину, чем в ЯЭУ. Таким образом, предлагаемые методы кон і роля динамических напряжений могут быть реализованы наиболее эффективно в ЯЭУ.
Получены расчетные соотношения, учитывающие частичное отражение энергии ударной волны теплоносителя при ее переходе через промежуточную прослойку, которой является антикоррозионная наплавка в главных циркуляционных трубопроводах ЯЭУ с реакторами ВВЭР-1000 иРБМК-1000.
Во второй главе приведены теоретическое обоснование и экспериментальные исследования методов контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ на основе электрических явлений: электронно-инерционного, ионно-инерционного и явления возникновения термоэдс на границе двух металлов при ударных нагрузках.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования электронно-инерционного и ионно-инерционного явлений в металлах при ударных воздействиях. Получено выражение для определения стороннего электрического поля, учитывающее суммарное действие электронно-инерционного, ионно-инерционного и пьезогальванического явлений. На основе результатов исследований электронно-инерционного и ионно-инерционного явлений проведено обоснование бесконтактного метода контроля динамических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ при ударных воздействиях теплоносителя который дает возможность измерять динамические напряжения в элементах конструкций ЯЭУ, не подвергая разрушению тепловой изоляции.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования явления возникновения термоэдс в контактной области пары металлов при ударных воздействиях. Показано, что эффект воіникновєния термоэдс особенно велик при контакте пары металлов с разной плотностью электронов проводимости. Установлена закономерность механизма возникновения термоэдс. При этом металл рассматривается как двухкомпонентная система (решетка и свободные электроны), каждая из которых имеет свое температурное поле. Получены уравнения, описывающие распространение температурного поля решетки и электронов в ударной волне, отрыв фронта температурной волны электронов от температурной волны решетки.
Получены выражения для определения коэффициентов абсолютной термоэдс и термоэдс в контактной области пары металлов. На основе результатов исследований явления возникновения термоэдс в паре
металлов проведено обоснование контактного метода контроля динамических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ при ударных воздействиях теплоносителя.
В третьей главе рассмотрены принципы построения автоматизированных систем контроля динамических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ, реализующих методы, теоретическое и экспериментальное обоснований которых приведено во второй главе. Один из методов основан на измерении стороннего электрического поля, возникающего при ударных нагрузках в металле в результате электронно-инерционного и ионно-инерционного явлений. Второй метод основан на измерении термоэде в обласш контакта двух металлов. В качестве измерительного преобразователя в первом методе применяется индуктивный преобразователь, выполненный в виде сердечника с обмоткой. Во втором методе к поверхности исследуемого объекта приклеивают две пластины из висмута и меди, в контактной области которых возникает термоэде. Медная пластина служит одновременно электродом, к которому подключается измерительное устройство.
При построении автоматизированных систем контроля в том и другом методе измерительные преобразователи рассматриваются как источники сигналов с большим внутренним сопротивлением и малой мощностью выходного сигнала. Исходя из этого, измерительные устройства в системах контроля строятся на основе электрометрических средств измерений. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для обработки и представления измерительной информации на ЭВМ.
Контроль напряжений проводится в процессе работы ЯЭУ при достаточно высоких температурах. Для компенсации температурной погрешности систем контроля разработаны безынерционные
высокотемпературные ультразвуковые термометры. Рассмотрены вопросы радиационной стойкости материалов и элементов автоматизированных систем контроля.
Четвертая глава п освящена разработке ультразвуковой автоматизированной системы контроля статических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ до и после динамических воздействий теплоносителя на основе эффекта акустоу пру гости.
В диссертации представлена новая методология нелинейного эффекта акустоупругости, в которой коэффициенты Мурнагана уравнения акустоу пру гости определяются независимым методом по результатам экспериментов. Представленная методология позволяет повысить точность и достоверность контроля по сравнению с методологией, использованной в предыдущих работах.
Разработаны ультразвуковые измерительные преобразователи, устройства перемещения ультразвуковых преобразователей по поверхности контролируемых циркуляционных трубопроводов, алгоритмы и программы обработки и представления измерительной информации и управления электроприводом перемещения преобразователей,
В заключении сделаны общие выводы по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
Личный вклад автора
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных непосредственно автором и сотрудниками проблемной лаборатории «Контроль и диагностика АЭС» Обнинского государственного технического университета атомной энергетики. Автору принадлежи і выбор направления исследований, постановка задач, разработка
теоретических положений и проведение экспериментальных исследований. Исследованием электрических явлений в металлах при ударных нагрузках автор непосредственно занимается с 1994 г. по настоящее время. На основе результатов исследований он непосредственно разработал автоматизированные системы контроля, включая измерительные преобразователи, принципиальные схемы, алгоритмы и программы обработки и представления измерительной информации.
Научная новизна
1, Проведен анализ взаимодействия теплоносиїеля и элементов конструкций ЯЭУ, гидравлических и тепловых ударных воздействий теплоносителя на элементы конструкций ЯЭУ.
1. Установлена закономерность передачи энергии ударной волны, возникающей в теплоносителе, в металл элементов конструкций ЯЭУ.
Впервые предложен бесконтактный метод контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ, основанный на электронно-инерционном и ионно-инерционном явлениях в металлах при ударных нагрузках. Проведены его теоретическое обоснование и экспериментальные исследования.
Впервые предложен контактный метод контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ, основанный на явлении возникновения зермозде в контактной области пары металлов с разной плотностью электронов проводимости при ударных наїрузках. Проведены его теоретическое обоснование и экспериментальные исследования.
Разработаны принципиальные основы построения автоматизированных систем контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ на основе электрических явлений в металлах при ударных нагрузках, алгоритмы и программы обработки и представления информации.
6. Разработана методика расчета безынерционных ультразвуковых термометров для компенсации температурной погрешности автоматизированных систем контроля,
1. Разработана уточненная методология эффекта акустоупругости и на ее основе разработана ультразвуковая автоматизированная система контроля статических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ до и после ударных воздействий теплоносителя.
Практическая ценность работы
Предложенные в диссертации методы контроля динамических напряжений в металле элементов конструкций ЯЭУ позволяют существенно повысить уровень ранней диагностики состояния оборудования, что обеспечивает повышение безопасности ЯЭУ,
Получение информации об амплитуде и частоте колебаний динамических напряжений в металле в процессе работы оборудования ЯЭУ предоставляет возможность принимать меры для исключения резонансных взаимодействий между теплоносителем и элементами конструкций ЯЭУ путем воздействия на параметры теплоносителя.
Методы контроля динамических напряжений в металле элементов контроля ЯЭУ позволяют контролировать динамику іепловьіх и гидравлических процессов теплоносителя во время работы ЯЭУ.
Разработанные в диссертации автоматизированные системы контроля динамических и статических напряжений в меіалле предоставляют дополнительные возможности для оценки ресурса оборудования при обосікшнии продления срока эксплуатации ЯЭУ.
На защиту выносятся
Результаты анализа гидравлических и температурных ударных воздействий теплоносителя на элементы конструкций ЯЭУ.
Механизм взаимодействия между теплоносителем и металлом элементов конструкций ЯЭУ и закономерность передачи энергии ударных волн из теплоносителя в металл.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований бесконтактного метода контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ, основанною на электронно-инерционном и ионно-инерционном явлениях в металлах при ударных нагрузках.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований контактного метода контроля динамических напряжений в элеменгах конструкций ЯЭУ, основанного на явлении возникновения термоэдс в контактной области двух металлов с разной плотностью электронов проводимости при ударных нагрузках.
Принципиальные основы построения автоматизированных систем контроля динамических напряжений в металлах элементов конструкций ЯЭУ при ударных нагрузках теплоносителя.
Принципиальные основы построения ультразвуковых автоматизированных систем контроля статических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ до и после динамических воздействий теплоносителя на основе эффекта акустоу пру гости.
7 Методика расчета безынерционных, высокотемпературных ультразвуковых термометров для компенсации температурной погрешности автоматизированных систем контроля.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектроники». - Ростов-на-Дону5 1995 г.;
Международная научно-практическая конференция «Пьезотехника-97». - Обнинск, 1997 г,;
V Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров». - Обнинск, 1998 г,;
Международный конгресс «Энергетика-3000». - Обнинск, 1998 г.;
Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». -Ростов-на-Дону, 1999 г.;
VI Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров». - Обнинск, 1999 г.;
I Российская конференция молодых ученых по математическому моделированию. - Калуга, КФ МГТУ им, Баумана, 2000 г.;
Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». -Москва, 2000 г.;
VII Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров». -Обнинск, 2001 г.;
Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрическою приборостроения», -Тверь, 2002 г.;
VIII Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров». - Обнинск, 2003 г,;
II Международная конференция «Математические идеи ҐІЛ. Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания». -Обнинск, 2004 г.;
IX Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров». - Обнинск, 2005 г.;
Научный семинар академика РАН К.В. Фролова. - РАН, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова. - Москва, 2005 г.
По материалам диссертации опубликовано 30 научных работ. В том числе 3 монографии; 25 статей в научных журналах: «Известия вузов. Ядерная энергетика», «Атомная энергия», «Прикладная механика и теоретическая физика. СО АН СССР» и в материалах международных конференций; диплом на открытие; патент.
Особенности проектирования высокопрочных бетонит
В настоящее время высокопрочным принято называть тяжелый бетон с прочностью при сжатии 60 МПа и выше. До недавнего времени наряду с таким определением высокопрочным считался бетон с прочностью при сжатии не ниже, чем активность вяжущего, используемого для его приготовления.
Применение высокопрочного бетона позволяет снизить массу конструкций, а следовательно, и нагрузку на фундаменты, позволяет уменьшить геометрические размеры изделия, а также в некоторых случаях позволяет экономить сырьевые материалы [83]. Традиционная область применения высокопрочных бетонов - ответственные элементы в промышленном, дорожном, гидротехническом строительстве [84-88], Но в последнее время этот материал все чаще используется в гражданском строительстве при возведении общественных и жилых зданий [89]. Это не в последнюю очередь связано с вводом в действие нормативов по теплозащите новых и реконструируемых зданий, предусматривающих приближение требований по термическому сопротивлению зданий в России к нормам Европейских стран: вместо конструкционно-теплоизоляционных материалов для кладки стен часто применяют чисто теплоизоляционные материалы с одновременным использованием в качестве конструктивного элемента железобетонного каркаса из высокопрочного бетона [90, 91].
При проектировании состава высокопрочного бетона для определения расхода компонентов используют тот же метод, что и при проектировании обычного бетона, чаще всего метод «абсолютных объемов». Но так как для получения высокой прочности различными способами стремятся понизить В/Ц, то формула для определения В/Ц высокопрочного бетона, вытекающая из формулы Скрамтаева, имеет несколько другой вид и используется для В/Ц менее 0,4:
Для получения высокопрочного бетона предъявляются повышенные требования к исходным материалам, входящим в его состав, а также используются другие средства: предельно низкое В/Ц, достигаемое применением эффективных суперпластификаторов; высокий, иногда предельно допустимый расход цемента; особо тщательное перемешивание и высокоэффективное уплотнение бетонной смеси, а также уход за твердеющим бетоном; различные способы повышения активности цемента, например, домол; применение различных добавок и др [92-94].
При выборе материалов особое внимание уделяется цементу- Марка цемента должна быть не менее 500- В зависимости от назначения бетона для его приготовления используют цемент определенного минералогического состава. При бетонировании массивных сооружений желательно применять белитовые цементы; такие цементы твердеют постепенно, в первые сутки твердения тепловыделение и усадка небольшие, в результате объемные изменения также невелики. При бетонировании сборных железобетонных конструкций, имеющих, как правило, малые размеры, или при необходимости обеспечить быстрое твердение бетона, наоборот, предпочтительнее применение быстротвердеющих портландцементов (БТЦ) и чисто клинкерных цементов [95].
Расход цемента в высокопрочном бетоне составляет 450-600 кг/м3 и более. В целях экономии цемента и для снижения тепловыделения и усадки бетона, связанных с повышенным содержанием цемента, все чаще используют высокомарочные цементы или производят домол цемента до удельной поверхности 500 м2/кг\ Повышение удельной поверхности цемента выше указанного значения приводит к повышению нормальной густоты цементного теста и к созданию рыхлоупакованнон структуры, что сводит на нет положительный эффект от измельчения вяжущего- Также в последнее время для снижения расхода цемента и повышения прочности материала в состав высокопрочного бетона вводят добавки-микронаполнители [99], содержащие микрокремнеземистый пылеунос (отход производства сплавов кремния), известняк и др.
Также в качестве добавки, повышающей прочность бетона и связность бетонной смеси, уменьшающей тепловыделение применяют нерастворимый сульфат кальция в количестве 3-30 % от массы цемента [96, 100], Такая добавка особенно эффективна при использовании тепловлажностной обработки.
Для пластификации бетонной смеси с целью снижения В/Ц в нашей стране применяют добавки [97] С-3, СБ-5, 10-03 и др. За рубежом это в основном «MELMENT», «MIGHTY», «HOZOLIS» [98].
К заполнителям, используемым в высокопрочном бетоне, применяются отдельные требования [101]. Они должны быть чистыми и обладать оптимальным зерновым составом и малой пустотностьго. В качестве крупного заполнителя следует применять фракционированный щебень из плотных и прочных горных пород. Предел прочности при сжатии исходных каменных пород должен быть у изверженных (базальт, гранит, кварцевый порфир) не менее 100 МПа и у осадочных 80 МПа. Песок для высокопрочных бетонов должен иметь пустотность менее 40 %.
В заключении приведем ориентировочный состав современного высокопрочного бетона: расход цемента 450-600 кг/м3 (в зависимости от марки), В/Ц 0,22-0,4, расход песка 500-600 кг/м3 и щебня 1000-1100 кг/м3, расходы добавок - тонкодисперсная добавка 100-130 кг/м3, нерастворимый ангидрит до 200 кг/м3, суперпластификатор - в зависимости от типа [102, 103], При различных составах и типах используемых добавок прочность высокопрочного бетона может достигать 120 МПа и выше.
Определение плотности упаковки и угла естественного откосафракций и высокоплотных смесей заполнителей
В качестве основной характеристики заполнителя при определении его расхода в составе бетона является плотность упаковки как отдельных фракций, так и высокоплотных смесей в целом, определяемая по формуле:
Средняя плотность зерен заполнителя определяется вышеперечисленными способами. Определение же насыпной плотности зернистых материалов, рекомендуемое ГОСТ и приведенное выше, т.е. в сухом и рыхлом состоянии, не всегда удобно, так как оно дает заниженные значения по сравнению с характеристиками заполнителя во влажных и уплотненных условиях свежеотформованной бетонной смеси. Поэтому насыпную плотность заполнителей при расчете плотности упаковки в зависимости от конкретных условий можно определять в трех состояниях: в сухом рыхлом состоянии (приведенном выше), во влажной среде, во влажной среде с уплотнением.
Для определения насыпной плотности во влажной среде берется проба материала, масса которой определяется по формуле:
где V- объем мерной емкости; то есть изначально плотность упаковки принимается равной 1, а пустотность -равной 0, Емкость заполняется послойно зернистым материалом и водой до тех пор, пока слой заполнителя не сравняется с краями емкости. Остаток заполнителя, не вместившийся в емкость, взвешивается. Насыпная плотность определяется по формуле:
Н нас у где G\ - масса пробы, кг; G2 - остаток от пробы, кг.
Насыпная плотность во влажной среде в уплотненном состоянии определяется аналогично по той же формуле, но при послойном заполнении емкости материалом и водой производится одновременное уплотнение на лабораторной виброплощадке, желательно с легким пригрузом, исключающим разлет зерен при вибрировании. Определение плотности упаковки заполнителя в таких условиях наиболее точно и приближено к условиям в бетонной смеси.
Угол естественного откоса заполнителя - важнейший показатель, зависящий как от природы материала, так и от формы его зерен, и напрямую влияющий на коэффициент внутреннего трения и прочность конечного материала. Для определения угла откоса а заполнителя отбирается проба, которой заполняется мерная емкость по методике, изложенной при определении насыпной плотности. Емкость накрывается пластиной-заслонкой, переворачивается и устанавливается на ровную поверхность. Заслонка осторожно вынимается, затем емкость медленно поднимается вверх перпендикулярно поверхности, В результате получается конус материала (рисунок 2.1), на котором измеряется диаметр и высота. Угол естественного откоса определяется по формуле:
гдеНиВ-высота и диаметр конуса заполнителя соответственно, см. Угол естественного откоса заполнителя определяют как среднее арифметическое результатов двух испытаний.
Мнжротвердость цементного каши в контактной зоне определялась ко тубпт внедрения в цементный камень стального конуса I под нагрузкой 1 кг
Определение оптимальных коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении последующих фракций и толщины обмазки зерен заполнителя цементным тестом с использованием математического планирования эксперимента
При проведении поисковых экспериментов было замечено значительное влияние на удобоукладываемость бетонной смеси, а также на среднюю плотность и прочность при сжатии тяжелого бетона таких параметров, как величина коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении в зерновую смесь каждой последующей более мелкой фракции (р) и толщина обмазки зерен заполнителя цементным тестом (5). Важность последнего отмечено многими исследователями [38, 63], приводятся различные значения оптимальной толщины слоя цементного теста на поверхности зерен заполнителя. Введение в цементное тесто заполнителя оказывает существенное влияние на свойства слоя цементного камня, непосредственно примыкающего к зерну [121,122], Явление повышения прочности цементного камня в контактной зоне получило название микротвердости. Различными авторами приводятся противоречивые данные как по механизму образования, так и по ширине этой зоны. Определим эффективный размер этой зоны.
Для проведения эксперимента использовалось цементное тесто с В/Ц-отношением, равным 0,27, приготовленное на ПЦ 500 ДО ЗАО «Белгородский цемент», которое наносилось тонкими слоями на пластины из гранита и кварцитопесчаника. После 28 суток твердения в нормальных условиях проводились испытания на микротвердость цементного камня с помощью установки, представленной в п. 2.2, а также определялась толщина слоев с помощью микрометра.
Микротвердость цементного камня определялась по глубине внедрения в цементный камень стального конуса под нагрузкой 1 кг. Экспериментальные данные приведены в таблице 3.21 и на рисунках 3.12, ЗЛЗ.
По приведенным экспериментальным данным можно отметить значительное снижение абсолютных деформаций, достигающих минимума при толщине цементного камня менее 30 мкм, что можно объяснить резким повышением его прочности в контактной зоне цемент-заполнитель. Эти данные хорошо согласуются с данными других исследователей, в частности, IO-M. Баженова [63].
Для оценки влияния таких показателей, как величина коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении в зерновую смесь каждой последующей более мелкой фракции ф) и толщина обмазки зерен заполнителя цементным тестом (5), бетон целесообразно рассматривать как двухкомпонентную система заполнитель - цементное тесто; первый компонент регулируется коэффициентом 0, а второй - толщиной обмазки 5, Получение достоверных данных о совместном влиянии этих факторов -задача достаточно сложная и трудоемкая, поэтому для уменьшения количества экспериментов было принято решение использовать методы математического планирования эксперимента (МПЭ). Для получения математических моделей зависимости прочности и средней плотности бетона от коэффициента раздвижки зерен заполнителя при введении каждой последующей более мелкой фракции Р и от толщины раздвижки зерен заполнителя цементным тестом используем факторный эксперимент второго порядка Бокса и Уилсона [112] как один из наиболее простых и требующих минимального количества экспериментов. Количество экспериментов определяется формулой №=2я+2и+ЛЬ, то есть как сумма точек в ПФЭ типа 2\ «звездных и нулевых точек»- В нашем случае N—2 +2-2+1=9. Планирование эксперимента производим по следующим этапам:
Выбор переменной состояния. В качестве переменных состояния выбраны: показатель «предел прочности при сжатии бетона», а также показатель «средняя плотность бетона в высушенном состоянии».
Выбор факторов. Как отмечалось, в первую очередь нас интересует влияние на переменные состояния коэффициента раздвижки зерен заполнителя р и толщины обмазки 5, которые мы и примем в качестве факторов эксперимента: X\ - коэффициент раздвижки зерен заполнителя при введении в зерновую смесь каждой последующей более мелкой фракции Р; дг2 - толщина обмазки зерен заполнителя цементным тестом 5, мкм. Оценка области определения факторов, выбор нулевых уровней и интервалов варьирования представлены в таблице 3.22.
Влияние добавок наполнителей и микронаполнителей на прочность цементного камня
Для повышения эффективности цементных композиций все чаще используются тонкодисперсные наполнители и микронаполнители как замена части цемента. Это позволяет не только повышать прочностные характеристики цементного камня, но и решать некоторые экологические проблемы, так как многие тонкодисперсные продукты являются отходами производств [129-131].
В настоящее время существует две основные теории, объясняющие механизм действия микронаполнителя. По кристаллизационной теории [132, 133], увеличение прочности объясняется тем, что наиболее мелкие частицы микронаполнителя, близкие по размерам к коллоидным, располагаясь между зернами цемента или вблизи них, образуют новые центры кристаллизации, ускоряют этот процесс и увеличивают степень гидратации. По структурно — механической теории [134-136], при введении микронаполнителя пустоты цементной системы расчленяются на более мелкие, дифференциальная пористость смещается в сторону пониженной микропористости, и это является основной причиной повышения прочности.
Однако значительное число исследователей склоняются к мнению, что введение микронаполнителя и особенно наполнителя отрицательно сказывается на прочностных характеристиках цементных композиций, объясняя это повышением В/Ц-отношения и водопотребности с ростом удельной поверхности добавки и ее расхода.
Очевидно, что все перечисленные точки зрения имеют право на существование. Необходимо выяснить, влияние каких процессов (направленных на повышение или на понижение прочности) перевешивает и присутствует ли эффект от введения тонкодисперсных добавок.
Исследования проводились на цементе ПЦ 500 ДО ЗАО "Белгородский цемент" удельной поверхностью 335 м2/кг и НГЦТ 0,24, Для достоверности экспериментов для всех составов было принято единое В/Ц=0,24. В качестве наполнителей использовались бой керамического кирпича с удельной поверхностью І$О=300 м /кг, молотое стекло с удельной поверхностью 5Q=200 М КГ; В качестве микронаполнителей - бой керамического кирпича с удельной поверхностью 5о=680 м2/кг, кварцевый песок с удельной поверхностью 5о=750 м2/кг.
Определим пределы изменения минеральной порошкообразной добавки (наполнителя) в зависимости от среднего размера ее частиц согласно структурно - механическому действию ее на прочность цементного камня.
Согласно топологическому закону распределения пустот в слое цемента в воздушной или водной среде [62]
= (0,2549/ ) , наибольший размер пустот, образуемых между частицами цемента, будет определяться данным выражением при п \ и т=3;
где dA, dn - средний размер частиц наполнителя и цемента соответственно; 11ц — плотность упаковки частиц цемента в водной среде (при консистенции его, равной ЦТНГ).
Принимая средний размер частиц цемента марки ПЦ500 ДО ЗОмкм и плотность их упаковки у\а=09569, из данного выражения получим 4/б/ц=0,448.
Принимаем, что в процессе затворения водой цемента с минеральной добавкой частицы ее попадают в пустоты между частицами цемента, для полной вероятности этого предположения принимают повышенный расход наполнителя на величину 1,1...1,5, равной коэффициенту раздвижки частиц цемента. При этом минимальное содержание наполнителя, размер частиц которого в 2,2 раза меньше размера частиц цемента, определим для случая укладки их в пустоты по формуле [62]:
Принимая, что плотность упаковки частиц цемента в водной среде составляет не больше теоретической плотности упаковки монодисперсных сфер т]-0,64, тогда расход наполнителя будет равен GA=28.. .33 %, Следовательно, расход тонкодисперсного инертного наполнителя по массе не должен превышать 30%, а расход гидравлически активного наполнителя -5„Л0%.
Введем минеральные добавки в количествах 10? 15, 20 % (рекомендуемых в литературных источниках) от массы цемента, количество воды затворения рассчитаем от смеси Ц+Д- После формирования образцы размером 4x4x4см после твердения в воде при /=20±5С через 28 суток высушивались до постоянной массы для определения средней плотности и предела прочности при сжатии. Характеристики исследуемых составов приведены в таблице 4,6 и на рисунке 4.6.
