Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Пути формирования прочности и плотности беюнов при
уп.1шнснии бетонных смесей 13
KL Основные закономерности получения матричных структур ... 13
1.2. Силовые воздействия на смесь и основные принципы уст
ройств для их реализации 27
Ударно-волновые газодинамические установки 30
Выводы 37
Постановка задачи 38
Глава 2, Теоретические основы ударно-волновой газодинамической тех
нологии 39
Рациональные режимы комплексной обработки бетонных смесей 39
Процессы в средах (материалах) при ударно-волновом воздействии 48
Особенности формирования ударно-волновых воздействий в газодинамических устройствах (УВГУ) 52
Пути обеспечения рациональных параметров ударно-волнового воздействия на бетонные смеси 54
Выводы 57
Глава 3. Обоснование выбора ударно-волновых режимов и характери
стик исходных материалов 58
Выбор режимов уплотнения 58
Отработка методики проведения эксперименюв на лабораторной установке 61
Определение спектральных характеристик 65
Состав бетонной смеси и харакгеристики материалов 71
Гсхнолоіия изіотопления 73
Выводы 74
1 лава 4 Влияние параметров техполої ии на основные свойства бетона 75
4 1 Фиіико-механические свойнва .. . 75
4 2. Структура цеменіноіо камня 94
4 3 Выводы 100
Глава 5. Применение мелкозернистых беїонов ударно-волновою уплот
нения 101
5.1 Применение мелкозернистых беюнов в практике дорожного 101
еіроигельтва 101
5 2. Ошимизапия свойс і в мелкозернистых беюнов в заводских ус
ловиях производства тротуарных плит .. 102
5 3 Новые конструктивные решения технологии ударно-волнового
уплотнения мелкозернистых бетонов .. ПО
5 4 Оценка эффективности 111
5.5. Іехникабезопасности 112
5 6. Выводы 113
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 114
Источники информации 117
Приложение 1 Конструктивные решения, защищенные плешами . 124
Приложение 2а Акт технического внедрения .. . 141
Приложение 26 Акт промышленного внедрения . . .. 142
Приложение 3 Теоретические расчетные характеристики дстопационною 143
импульса .
Приложение 4 Рачложение импульса па частошые спектральные еосіав-
ляющие 154
Приложение 5. Форма импульса на рабочей пласшне ... . 159
Приложение 6 Спектральный анализ разложения Фурье средпеквадра-
ІИЧІЮГО шачепия временного ряда прирост прочное і и беюнных образ
цов при испытании по пределу прочносш при сжатии 163
Приложение 7 Техиико-экономическая (ффекшвность применения удар-
ПО-ВОЛНОВОІ о > п іотненпя. . ,.,,. 192
Приложение К Про [око ил испытании и і чел пи и шгы тротуарные . 193
Введение к работе
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 мето-
5 дом 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 свойсів мелкозер-
нисіьіх бетонов путем активизация уплотнения жестких или малоподвижных бетонных смесей на цементом вяжущем
В основу работы положена следующая гипотеза: при уплотнении силовыми воздействиями бетонной смеси для полунения бетонов повышенной прочности при уплотнении необходимо обеспечиЕЬ переориентацию часіиц, преодолеть силы сухого и вязкого трения и обеспечить доуплошепие и активизацию механо-химических изменений контактной зоны цементного камня и заполнителя, что может быть обеспечено избирательностью дейспшя на компоненты приложенного воздействия в процессе уплотнения.
Для эю10 потребовалось решить следующие задачи:
изучить пути формирования свойств бетонов, в первую очередь прочности и плотное ж, при уплотнении бетонных смесей и обосновать модель уплотнения при внешних фазово-частошых воздействиях;
разрабсіаіь теоретические основы ударно-волновой технологии уплотнения бетонов,
исследовать технологические возможности для уплотнения бетонных смесей ударно-волнового газодинамического устройства (УВГУ) детонаци-опною типа и исследовать влияние режимов ударно-волновых воздейсівнй на свойства мелкозернистого цементного беї она;
оцепить методом спектрального анализа механизм и эффективность импульсного воздействия и установить корреляционную зависимость: "прирост прочности -коэффициент фильтрации - частота импульсов";
исследовать свойства бе і оной по прочности, плотности и деформа-
8 тивньш свойствам, полученных уплотнением на УВГУ;
исследовать и оценить кинетику процессов іидратации методами рептгеносфуктурного 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 бетонов втехнолотии производства тротуарных пли г с применением УВТ уплотнения, разработать предложения по конструктивным схемам исполнения УВГУ.
Научная повита
Показано, что для направленной компоновки составляющих жесіких
или малоподвижных мелкозернистых бетонных смесей при уплотнении под действием внешних фазо-часготных исючииков целесообразно в модели принять три процесса при уплотнении - перекомпоновка, сближение, компрессионное сжатие.
Предложена ударно-волновая технология уплотнения беюнпых смесей с широким спектром технологических параметров и разработаны ее основ-
9 ные 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-воліювой 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
10 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 науч
но-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии",
Ростов-на-Дону, РГСУ, - 2006, т.1,сЛ 91-196.
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.
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, тЛ, с. 199-206.
Зеленов К.И., Попов Л.К Импульсно-частотная ударно-волновая технология обработки и уплотнения бетонных смесей. Журнал "Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века", № 5,2002, с.28-29.
Зеленов К,И., Усов Б.А, Концепция импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей. Журнал "Бетон и железобетон", №2, 2002г.
Зеленов К.И., Бахтин Б.И. и др. Технология импульсно-частотной ударно-волновой обработки и уплотнения бетонных смесей. Сб. статей МГОУ "Механика разрушения11. Изд. "Истек", М.: 1999, с.95-106, ISBN 5-86923-008-Х.
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 "SIiock Wave Technology (SWT), Parti").
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-До ну, -2006.
П Всероссийская (Международная) конференция "Бетон и железобетон-пути развития". Rilem, НТО Строителей России, М-2005
12 - Третья международная научно-практическая конференция "Бетон и железобетон в третьем тысячилетии11. 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):
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.
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.
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.
Патент РФ № 2160663. МПК (7)В 28 В 1/04 / Поверхностный ударно-волновой газодинамический виброуплотнитель для формования бетонньтх 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 "СтройПрестиж1' 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,т с использованием УВГУ для уплотнения (прил.2).
