Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Физические представления о процессах структурообразования строительных композиционных материалов 8
1.2 Существующие подходы к оптимизации дисперсной структуры строительных композиционных материалов 21
1.3 Компьютерное моделирование процессов структурообразования строительных композитов 29
1.4 Обоснование цели и задач исследования 35
Глава 2 Материалы, методы и приборы для исследований 38
2.1 Материалы для исследований 38
2.2 Методики и приборы для определения свойств сырьевых материалов 41
2.3 Методика определения показателя плотности упаковки частиц в тонкодисперсных системах 42
2.4 Методы исследования реологических свойств мелкозернистой бетонной смеси 44
2.5 Методы исследования прочностных свойств бетона 49
2.6 Методы структурно-имитационного моделирования плотных упаковок дисперсных сис
тем 49
Глава 3 Моделирование упаковок грубодисперсных систем с зернами различных форм и размеров 53
3.1 Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка моделей упаковки моно- и бидисперсных систем 53
3.2 Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка моделей упаковки полидисперсных систем 59
3.3 Разработка методики и компьютерного алгоритма оптимизирования структуры сырьевых смесей для изготовления цементных композитов 64
3.4 Исследование влияния оптимальной упаковки зерен заполнителя на прочностные свойства композита 73
3.5 Выводы по главе 3 76
Глава 4 Проверка оптимального количества и дисперсности тонкомолотых минеральных добавок в составе сырьевых смесей для изготовления строительных композитов 77
4.1 Расчет плотных упаковок частиц в смесях тонкодисперсных компонентов 77
4.2 Экспериментальное определение минимальной водопотребности смесей тонкодисперсных компонентов как показателя плотности упаковки частиц 79
4.3 Экспериментальная проверка влияния оптимального состава тонкодисперсных компонентов на прочностные свойства композита 83
4.4 Исследование оптимальных соотношений компонентов сырьевой смеси мелкозернистого бетона с добавкой молотого известняка 86
4.5 Выводы по главе 4. 91
Глава 5 Экспериментальные исследования и производственная проверка эффективности оптимизации структуры строительного композита с помощью компьютерного моделирования 92
5.1 Краткое описание технологии приготовления бетонной смеси на предприятии ООО «Эл-тра» в г.Твери 92
5.2 Применение научной методики проектирования оптимальных составов сырьевых смесей в производстве товарного бетона на предприятии ООО «Элтра» в г. Твери 94
5.3 Опытно-промышленная проверка составов товарного бетона с оптимальным гранулометрическим составом минеральной части в условиях ООО «Элтра» и расчет ожидаемого экономического эффекта 100
5.4 Выводы по главе 5 105
Общие выводы 107
Список литературы
- Существующие подходы к оптимизации дисперсной структуры строительных композиционных материалов
- Методы исследования реологических свойств мелкозернистой бетонной смеси
- Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка моделей упаковки полидисперсных систем
- Экспериментальная проверка влияния оптимального состава тонкодисперсных компонентов на прочностные свойства композита
Существующие подходы к оптимизации дисперсной структуры строительных композиционных материалов
Свойства композиционных материалов во многом зависят от структуры дисперсных систем, на основе которых они получаются [7, 70, 104, 114, 115]. Структурная прочность дисперсной системы, ее устойчивость, характер поведения при течении, скорость разрушения и восстановления структуры связаны между собой [8, 9]. Строительный конгломератный материал – бетон относится к классу композитов. В качестве матричной субстанции бетона, последовательно по масштабным уровням структуры выступают цементно-песчаный камень, цементный камень (микробетон), цементирующее вещество, новообразования цементирующего вещества, твердая фаза новообразований, субстанция единичного структурного элемента новообразования, что соответствует масштабному порядку от макро- до наноуровня структуры [135]. Упорядоченность структуры композитов обусловлена соразмерностью масштабных уровней структуры – соответствием свойств композита на каждом масштабном уровне [76]. Достижению высокой прочности бетона способствует сочетание ряда факторов: повышение плотности систем в результате оптимизации зернового состава; уменьшение количества пор цементного камня за счет снижения водоцементного отношения; заполнение пор между частицами цемента и улучшение реологии в результате эффекта смазки; образование вторичных продуктов гидратации в процессе пуццолановой реакции с гидроксидом кальция при введении в бетонную смесь добавок с микронаполняющим эффектом [85].
Рассмотрим процессы формирования композиционных материалов в порядке уменьшения масштабных уровней от макро- до наноструктурного. Макроструктура бетона представляет собой плотно упакованные зерна заполнителя, раздвинутые и склеенные цементным тестом [141, 156]. В процессе формирования макроструктуры цементное тесто первоначально обмазывает зерна заполнителя, а затем заполняет его межзерновые пустоты с равномерной раздвижкой зерен. При увеличении объема клеящего вещества каркас заполнителя становится более решетчатым – упаковка зерен становится менее плотной [141]. На макроуровне сырьевую смесь можно представить как полидисперсную систему «заполнитель–вяжущая часть», в которой пространственный скелет образуют крупные зерна заполнителя, промежутки между которыми заполнены дисперсными частицами вяжущей части (рисунок 1.1).
Упаковка крупных зерен формирует определенное поровое пространство, которое в свою очередь, определяет фактическое количество частиц вяжущей части, образующей в процессе твердения контактную зону или связующую матрицу, являющуюся с позиции механической прочности слабым структурным элементом [23]. Следовательно, для достижения плотной и прочной структуры необходимо выполнение двух условий: плотная упаковка зернового скелета заполнителя и равномерное распределение связующего вещества в структуре материала, образующего прочные контакты между частицами заполнителя [20, 93, 147 и др.].
По данным исследований проф. Миронова В.А. и проф. Белова В.В. при увеличении содержания грубодисперсной части полидисперсной системы насыпная плотность системы резко увеличивается и достигает максимального значения при содержании мелкодисперсной части 5-25 %, а затем вновь уменьшается. Максимум насыпной плотности соответствует отсутствию раздвижки частиц зернистой части дисперсными частицами. При дальнейшем увеличении количества мелкодисперсной части крупные частицы раздвигаются, в результате чего структура разрыхляется, и насыпная плотность системы уменьшается [86]. Данные сведения согласуются с моделью макроструктуры [49, 141, 156].
Критерием оптимальности для грубодисперсных систем является плотность упаковки зерен. Правильный выбор зернового состава заполнителей, обеспечивающий максимальную плотность упаковки зерен – один из важнейших аспектов задачи оптимизации [16, 19, 20, 70]. Наибольшая плотность зерновой структуры грубодисперсной части строительного композита достигается за счет последовательного заполнения зернами меньших размеров пустот между крупными зернами с формированием так называемой непрерывной гранулометрии [15, 19, 20].
Согласно [33], структурообразование существенно зависит от агрегатного состояния исходных компонентов. Если частицы не являются вяжущими, то между ними действуют преимущественно контактно-отталкивательные силы, а форма материала определяется только внешними границами и гравитацией. Под действием статического трения плотность зернистых материалов может измениться только в результате внешних возмущений, таких как вибрация или смачивание.
Рассматривая процессы структурообразования дисперсных систем с точки зрения совокупностей однородных элементов – кластерных структур, по мере увеличения содержания заполнителя в сырьевой смеси происходит слияние отдельных маленьких кластеров в большие, что приводит к уменьшению количества кластеров и увеличению количества частиц, входящих в каждый из них [31]. Система частиц стремится обрести минимальный запас внутренней избыточной энергии, что достигается за счет агрегирования, флокулирования и т.п., то есть кластеризации структуры. Кластеризация затрагивает все масштабы структуры [141]. В определенный момент образуется объемный скелет из частиц заполнителя, который воспринимает нагрузку, а скрепляющая фаза передает усилия от одной частицы к другой. Образованная объемная структура представляет собой «бесконечный кластер». С уменьшением размеров частиц, их кластеры характеризуются более упорядоченной структурой [28]. Образуемое при этом поровое пространство представляет системное единство с твердой фазой материала, являясь следствием сложения элементов системы, и делится, как и твердая фаза, на дискретные структурные составляющие – поры, отличающиеся происхождением, размером, формой. Совокупность пор создает непрерывную в объеме тела структуру, которая влияет на свойства строительных композитов [134].
Для снижения пористости и, следовательно, водопотребности сырьевой смеси, требуется значительное количество частиц наименьшего размера для заполнения пустот системы. В бетоне, изготовленном из смеси с неподходящим составом частиц, вода между частицами может быть легко вытеснена под действием нагрузки, в результате происходит расслоение и выпадение осадка. Естественные заполнители с их природной «впитываемостью» требуют большего количества частиц, чем, например, заполнители, чья гранулометрическая кривая более соответствует идеальной – кривой плотной смеси [80].
При переходе от макро- к микроструктуре строительных композитов, раскрывается признак самоподобия системы, или фрактальный характер структуры [31, 132]. Однако принцип формирования структуры на микроуровне отличается тем, что наряду с гравитационной упаковкой частиц процесс структурообразования зависит от сил поверхностного взаимодействия частиц. С уменьшением масштабного уровня процессы структурообразования бетона приобретают химико-физический характер, что выражается в образовании новых структурных элементов и их физическом взаимодействии, например, возникновении гидроминералов и их сближении друг с другом на расстояние атомарного взаимодействия [70, 104]. Непосредственно на микроуровне происходит контактирование и синтез зерен, которые в течение времени разру шаются, диспергируют и создают новые частицы [70]. Одновременно с образованием границы раздела растворной части с заполнителями начинается формирование технологических деформаций и продолжается в течение всего периода структурообразования и твердения. В результате физико-химических процессов объем матричного материала уменьшается, что приводит к возникновению усадочных деформаций и формоизменению границ раздела системы [32].
В работах А.Н. Хархардина [129, 130] изложены физико-химические представления о процессах взаимодействия микро- и наночастиц в дисперсных минеральных системах. С уменьшением размера частиц возрастает электростатический заряд на их поверхности, в связи с этим увеличиваются силы взаимодействия частиц [130]. Основная причина образования устойчивых коллоидных и высокомолекулярных структур – наличие дальнодействующих сил притяжения между частицами. Такие силы обратно пропорциональны кубу расстояния между частицами. Притяжение между коллоидными частицами ощутимо на расстоянии до нескольких сотен нанометров. Условием слипания (коагулирования) частиц является преобладание сил притяжения между ними над короткодействующими силами отталкивания [129]. Кроме того, начальный период гидратации цементного теста сопровождается седиментационными процессами – зерна заполнителей и цемента под действием сил тяжести начинают осаждаться. Время седиментации увеличивается за счет удерживания мелкодисперсной фракции во взвешенном состоянии, т.е. за счет уменьшения действия сил гравитации [62].
Согласно сведениям [21], в структурообразовании строительных композиционных материалов имеет место быть ряд процессов, развивающихся в объемах, сопоставимых с размерами атомов и молекул, например, межфазные взаимодействия, адсорбционные и ионообменные процессы при гидратации вяжущего. Между молекулами и веществом кристаллической или аморфной структуры в некоторых случаях могут присутствовать молекулярные кластеры или кластерные образования, представляющие собой упорядоченную пространственную структуру, связанную силами молекулярного взаимодействия, состоящую из атомов одного химического элемента и имеющую размеры порядка нескольких нанометров [75].
Методы исследования реологических свойств мелкозернистой бетонной смеси
Сегодня, наряду с экспериментальными исследованиями в области технологии строительных материалов, важнейшим инструментом оптимизации является математическое компьютерное моделирование – имитационные методы: метод аналитических расчетов, метод динамики многих тел (MKD) [24, 145, 162], методы конечных и дискретных элементов (DEM) [6, 99, 116, 128 и др.], метод компьютерного моделирования гидродинамики потоков (CFD) [47, 71], метод моделирования производственных процессов [99, 146, 151, 163]; интегрированные методы и подходы к решению оптимизационных задач [46, 61].
Преимущество моделирования, когда вещество рассматривается как совокупность твердых частиц, раскрывается при необходимости учета влияния внутренней структуры материала на изучаемые процессы. Задача подбора соотношений компонентов в композите, влияющих на структуру, ключевые свойства и эксплуатационные характеристики композита, должна решаться методом математического моделирования и оптимизации [69, 122]. Эффективность применения Математического моделирования определяется возможностью нахождения уравнений, наиболее адекватно описывающих состояние материала и параметров моделирования для конкретной смеси. Наилучший результат гарантируется комбинированием моделирования и экспериментальных методов [99, 116, 161]. Структурно-имитационное моделирование реальных зернистых сред требует перехода от простых геометрических форм к более сложным формам частиц [61]. Моделирование упаковок частиц произвольной формы является ресурсоемкой задачей. Учитывая, что для высокой точности моделирования требуется большое количество частиц (сотни тысяч), подобные задачи могут решаться на суперкомпьютерах с параллельной обработкой информации. Ввиду данного обстоятельства существует ряд ограничений для конкретных методов моделирования и условий постановки самой задачи моделирования. Чаще всего исследователи прибегают к некоторому приближению в описании формы частиц, используя в моделях комбинированные геометрические формы – сфероцилиндры, сфероквадраты и др. [84, 149, 152, 157].
Основное преимущество компьютерного имитационного моделирования состоит в возможности получения стохастических моделей неупорядоченных структур. Результаты изучения случайных упаковок дисперсных систем вносят определенный вклад в понимание закономерностей возникновения беспорядка в твердых телах [26].
Распространенными методами (алгоритмами) моделирования случайных упаковок являются: методы перестановок [121], метод перекатывающихся частиц («Drop and Roll») [38], алгоритм Любачевского-Стиллингера [4, 25, 143, 168], метод редуцированной размерности и метод вязкой суспензии [25], алгоритм Жодре-Тори («JT-алгоритм») [4, 144] и др. В общем случае методы моделирования можно разделить на статические и динамические. В первом случае моделируется последовательное заполнение ограниченного объема частицами различных размеров, при этом частицы неподвижны, а работа алгоритма сводится к расчету свободной позиции для размещения частиц. Во втором случае моделируется динамическое состояние системы с учетом многократных столкновений частиц на протяжении всего периода формирования модели. Наиболее распространенным подходом моделирования динамики частиц является метод дискретных элементов [146, 163], при котором положение каждой частицы определяется уравнениями классической механики твердого тела.
В случае алгоритма «Drop and Roll» для сферических частиц одинакового размера порог максимальной плотности упаковки составляет около 58 %. Для того чтобы преодолеть порог плотности 58 % и достичь экспериментально регистрируемых в случайных упаковках значений порядка 63 %, необходимо использовать иные методы генерации позиций частиц. Разница в 5 % требует кардинального изменения в алгоритме генерации [38].
Одним из наиболее эффективных с позиции достоверности результатов является алгоритм Любачевского-Стиллингера, при котором задатся случайное расположение частиц в рас-чтной области (частицы изначально имеют нулевой диаметр), а также их скорость и направление движения; частицы движутся в расчтной области в соответствии с законами ньютоновской механики, постепенно увеличиваясь в размерах до номинальных значений (или до тех пор, пока дальнейшее движение станет невозможным) [4, 25]. Другая интерпретация алгоритма Любачев-ского-Стиллингера заключается в механическом сжатии расчетной области, которое приводит к смещению частиц к центру модели. Сжатие в таком случае прекращается при достижении максимально возможной плотности упаковки.
В случае «JT-алгоритма», исходная система имеет максимальную плотность упаковки – 100 %, при этом сферы перекрывают друг друга. Алгоритм реализует «расталкивание» перекрывающихся сфер с постепенным уменьшением их диаметров [4, 144]. «JT-алгоритм» позволяет генерировать достаточно сложные упаковки с высокой плотностью (более 60 % в случае монодисперсных сфер).
В методе редуцированной размерности, сферические частицы помещаются в цилиндрическую емкость со случайно выбранными координатами, а расстояния между частицами принимают минимальные значения, при которых не возникает перекрытия частиц.
Метод вязкой суспензии предполагает изначально случайное расположение частиц в расчтной области (допускается перекрытие частиц); на перекрывающиеся частицы действуют центральные силы отталкивания, которые приводят частицы в движение; система частиц эволюционирует до тех пор, пока перекрытия не будут устранены [25].
Экспериментальные данные подтверждают, что степень упорядоченности плотных упаковок сферических частиц изменяется с расстоянием от стенок емкости. Вблизи стенок структура более упорядочена и напоминает кристаллическую упаковку. С удалением от стенок структура становится более аморфной [38]. С увеличением дисперсности и общего количества структурных элементов в модели данный эффект меньше влияет на конечную плотность упаковки.
Помимо перечисленных методов моделирования пространственных структур существуют и другие методы исследования зернистых материалов, например, реконструкция микроструктуры пор по двумерным изображениям шлифа образца материала [120, 150]. Данные методы применяются для статистического анализа и описания внутренней структуры, оценки фрактальной размерности материала [52, 96, 111, 112, 127] и в других целях.
Согласно [36], математическая теория экспериментов при подборе составов многокомпонентных смесей дает возможность получить: математическое описание оптимизируемых параметров в виде уравнений регрессии; статистическое обоснование результатов экспериментов по подбору составов смесей; возможность расчетным путем назначить составы материалов, отвечающих техническим требованиям к материалу; математические модели качественного и количественного влияния каждого из факторов состава на его физико-механические свойства; математические модели, которые можно использовать при автоматическом управлении процессами в производстве многокомпонентных оптимальных строительных смесей. По мнению авторов [43] задачи проектирования составов бетона необходимо рассматривать в двух аспектах: достижения возможности более полного учета технологических факторов и проектных требований к бетону при расчете; повышения эффективности алгоритмов расчетных методик, их точности и быстродействия.
Согласно сведениям [87], задачи многокритериальной оптимизации являются наиболее перспективными в области проектирования бетона, т.к. в большинстве случаев имеется несколько целевых функций, которые не могут быть отражены одним критерием.
Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка моделей упаковки полидисперсных систем
Для улучшения свойств и придания специальных качеств цементов в них вводят тонкомолотые природные или искусственные материалы – активные или инертные минеральные добавки. Водопотребность портландцементов с минеральными добавками выше, чем водопотреб-ность портландцемента. Это объясняется тем, что частички этих добавок отличаются очень развитой удельной поверхностью, требующей для ее смачивания значительного объема воды.
При проектировании составов минеральных дисперсных систем с примерно одинаковой удельной поверхностью их минимальная водопотребность по объему, т.е. то минимальное количество воды, которое необходимо для перехода системы из состояния сыпучего вещества в суспензию, по отношению к объему тонкодисперсной системы в целом является достаточно объективной характеристикой ее минимальной пористости или наиболее плотной упаковки частиц. Для определения минимальной водопотребности по объему тонкодисперсной системы в данной работе применялась следующая методика (рисунок 2.4).
Необходимое количество сухих составляющих минеральной дисперсной системы перемешивают до получения однородной системы, затем добавляют воду и перемешивают в течение 3 мин до образования однородной суспензии.
В центре автоматического встряхивающего столика КП-111Ф устанавливают форму-конус с центрирующим устройством. Внутреннюю поверхность конуса и диск столика перед испытанием протирают влажной тканью. Форму-конус заполняют приготовленной суспензией на половину высоты и уплотняют 15 раз штыкованием металлической штыковкой. Затем наполняют конус суспензией с некоторым избытком и штыкуют 10 раз. Во время укладки и уплотнения суспензии конус прижимают рукой к диску столика. После уплотнения верхнего слоя суспензии снимают насадку конуса, и излишек ее срезают ножом вровень с краями конуса. Затем конус снимают в вертикальном направлении. После этого суспензию встряхивают на автоматическом столике 30 раз за (30±5) с, измеряют расплыв конуса по нижнему основанию штангенциркулем в двух взаимно перпендикулярных направлениях и берут среднеарифметическое значение. Лепешку теста (суспензии) аккуратно переносят на весы и взвешивают. Точное содержание воды в системе определяют с помощью анализатора влажности «Элвиз-2» (влагомера) с погрешностью не более 0,2 %. По этим данным и средневзвешенной истинной плотности минеральной тонкодисперсной системы рассчитывают ее объем и отношение Vвода / Vмдс.
Для получения следующего значения увеличивают количество воды и опыт повторяют. Для цементных систем при каждом отношении объема воды к объему минеральной тонкодисперсной системы выполняют новый замес. начальный диаметр конуса из смеси или суспензии (внутренний диаметр формы) по нижнему основанию (100 мм), г - расплыв конуса (лепешки), определяемый как среднеарифметическое значение диаметра конуса (лепешки) по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях после встряхиваний на автоматическом столике, мм; от отношения объема воды к объему минеральной тонкодисп ерсной сист емы (Квода / мдс).
Определение реологических характеристик мелкозернистой бетонной смеси - предельного напряжения сдвига Г0 и вязкости rj осуществлялось на пенетрационном реометре ПРБ-2 (рисунок 2.5). Задачей исследования реологических характеристик являлось построение зависимости предельного напряжения сдвига от соотношения скорости и глубины погружения металлического конуса в исследуемую смесь, и графоаналитическое определение величин г0 и rj для всех экспериментальных составов бетона с целью исследования влияния рецептурных параметров бетонной смеси на е свойства. Рисунок 2.5 – Пенетрационный реометр ПРБ-2
Технические характеристики прибора ПРБ-2: скорость движения столика 0,28 мм/с; глубина погружения индентора 0-20 мм; цена деления микрометра 0,01 мм; пределы задаваемых нагрузок на индентор 3.10-3–50 Н; относительная погрешность измерения напряжения сдвига на высокооднородном материале 1,5 %.
Блок питания 7 (рисунок 2.6) смонтирован на металлическом шасси и закрыт кожухом. На передней стенке блока размещены предохранитель 1, индикаторная лампа 2 и тумблер включения сети 3. В состав блока питания входит смонтированный на его шасси трансформатор, который понижает напряжение переменного тока с 220 В до 110 В и 8,2 В. Напряжение 8,2 В подается на питание электронных усилителей и реле, а 110 В – на питание реверсивного электродвигателя типа Д-32. Блок электронного управления 5 представляет собой корпус, в котором размещены печатная плата, кнопки управления и индикаторные светодиоды. Передняя панель блока является пультом управления реометра.
Реометр ПРБ-2 работает следующим образом. При нажатии кнопки «Пуск» приводится во вращение двигатель в направлении подъема столика. После того, как усилие, действующее на конус со стороны испытуемой среды, в которую он погружается при подъеме столика, превысит вес гирь, установленных на правой чаше весов, правая часть коромысла поднимется, разорвется контакт 11-12 (рисунок 2.6). При этом на обе обмотки двухфазного двигателя будет подаваться однофазное напряжение, поэтому он остановится за счет электрического тормозного момента без запаздывания. Для изготовления образцов исследуемого материала необходимо применять полые цилиндрические формы диаметром 80-90 мм и высотой 40-50 мм, устанавливаемые на стальные пластинки. Вначале определяют отсчет, соответствующий положению столика 4 (рисунок 2.6), при котором конус 8 соприкасается с поверхностью образца, находящейся в одной плоскости с краями формы. Для этого форму с подставкой устанавливают на столик прибора, поверх формы укладывают стеклянную пластинку известной толщины, правую чашу весов нагружают гирями массой 20-50 г и поднимают столик вверх. После автоматической остановки столика при соприкосновении острия конуса со стеклянной пластинкой снимают отсчет по микрометру. Начальный отсчет для данной формы ОМф будет равен
Образец для испытаний изготавливается следующим образом. Форму, установленную на подставке, заполняют исследуемым материалом с небольшим избытком в несколько приемов с тем, чтобы не было пустот, раковин и других недоуплотнений в образце. Избыток материала снимают широким металлическим ножом вровень с краями формы. После изготовления образец должен иметь гладкую поверхность, лежащую в одной плоскости с краями формы.
Форму вместе с образцом устанавливают на столик прибора. Включают прибор и опускают столик в исходное положение, чтобы поверхность материала была ниже вершины конуса. Подбирают вес гирь Р1 на правой чаще весов из условия погружения конуса на глубину h не менее 5-6 мм. Для определения предельного напряжения сдвига и вязкости достаточно выполнить два измерения глубины погружения конуса в одну и ту же лунку на поверхности образца при двух действующих на конус нагрузках. Однако для повышения точности измерений за счет учета возможных неоднородностей образца выполняют три-четыре измерения глубины погружения h при трех-четырех нагрузках Р в одной лунке. Для этого после первого измерения при нагрузке на конус Р1 , не вынимая конуса из лунки, удваивают вес гирь и тем самым устанавливают нагрузку на конус Р2 = 2Р1. Вновь включают механизм подъема столика и погружение конуса продолжается до новой остановки. Снимают соответствующий отсчет по микрометру. Затем вновь увеличивают вес гирь до Р3 = 3Р1, включают механизм подъема, снимают отсчет по микрометру, соответствующий нагрузке Р3. Увеличивая нагрузку до Р4 = 4Р1, снимают последний отсчет. Нагрузки Р1, Р2, Р3, Р4 рекомендуется подбирать такими, чтобы значения глубины погружения были в пределах 5-6; 9-10; 13-14; 18-19 мм. При этом соотношения между нагрузками могут отличаться от указанных выше.
Экспериментальная проверка влияния оптимального состава тонкодисперсных компонентов на прочностные свойства композита
Таким образом, проведенные исследования позволили обобщить основные закономерности формирования плотных упаковок грубодисперсных систем, выявить характер взаимосвязи между гранулометрическими и объемно-массовыми характеристиками модельных систем. Экспериментально получены составы щебеночно-песчаных смесей, рассчитанные на основании эталонных кривых Функа и Боломея, модельные характеристики которых отвечают оптимальной плотности упаковки. Обнаружен экстремум насыпной плотности смесей для данных систем.
Теоретический подход к изучению принципов формирования оптимальной зерновой структуры строительных композиционных материалов на цементной основе с применением компьютерного моделирования подкреплен экспериментальными исследованиями, и в целом правомерен. Компьютерное моделирование оптимального распределения сферических частиц по размерам на основании «идеальных» гранулометрических кривых позволило геометрически рассчитать наиболее плотную систему.
Разработан программный комплекс для расчета оптимальной гранулометрии композиционных цементно-минеральных смесей, позволяющий производить расчет смеси из сырьевых компонентов заданного зернового состава. Программный продукт обладает рядом полезных функций, направленных на облегчение задачи проектирования компонетного состава сырьевой смеси строительного композиционного материала с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками. Программно-расчетная методика применена к проектированию зерновых составов грубодисперсной части сырьевой смеси, и получены составы бетона, отличающиеся повышенными технико-эксплуатационными характеристиками.
В следующей главе представлены результаты исследований по подбору оптимального количества и дисперсности тонкомолотых минеральных добавок с применением разработанных подходов и программно-расчетных средств.
Оптимизацию тонкодисперсной части зернового состава сырьевой смеси (цемент + наполнитель) целесообразно производить обособленно, устанавливая интервалы размеров частиц на порядок ниже зерен заполнителя. Для расчета смеси тонкодисперсных материалов применялись: цемент (ЦЕМ I 42,5 Н), молотый известняк и молотый кварцевый песок (см. подраздел 2.1, рисунок 2.1). Данные о гранулометрическом составе компонентов получены с помощью лазерного анализатора частиц Fritsch «Analysette 22». Ввиду того, что применяемый наполнитель (тонкомолотый известняк) имеет высокую удельную поверхность, его получали путем помола исходного сырья в лабораторной шаровой мельнице в соответствии с программой исследований. На рисунках 4.1 и 4.2 приведены данные по расчету составов бинарных систем «цемент–молотый известняк» и «цемент–молотый песок», а на рисунке 4.3 – сравнение расчетных гранулометрических кривых с «идеальной» кривой Функа-Дингера. 10
Приближение к эталонной кривой Функа-Дингера составило 17,7 и 15,7 % для системы «цемент–молотый известняк» и системы «цемент–молотый песок» соответственно. Экспериментальная проверка оптимальности зернового состава смесей тонкодисперсных компонентов, описанная в следующем разделе, выполнялась по методике, изложенной в подразделе 2.3. 4.2 Экспериментальное определение минимальной водопотребности смесей тонкодисперсных компонентов как показателя плотности упаковки частиц
Для определения воспроизводимости определения минимальной водопотребности по объему тонкодисперсной системы рр по описанной в разделе 2.3 методике выполнили пять параллельных опытов на цементе ЦЕМ I 42,5 Н с измерением расплывов конуса из цементного теста при нескольких значениях Vвода I Vмдс. При каждом отношении объема воды к объему минеральной тонкодисперсной системы выполняли новый замес цементного теста. Результаты ис пытаний приведены в таблице 4.1.
Данные таблицы 4.2 показывают, что коэффициент вариации и относительная погрешность в серии из 5 параллельных измерений по разработанной методике составляют соответственно 1,7 и 2,1 %. Требованиям эксперимента по определению минимальной водопотребности с погрешностью не более 5 % удовлетворяет однократный цикл из четырех измерений расплывов конуса из тонкодисперсной суспензии при четырех значениях Vвода/V мдс, что и производилось в последующих экспериментах.
С помощью описанной выше методики выполнили экспериментальную проверку оптимальных смесей тонкодисперсных компонентов, расчет которых был приведен в разделе 4.1, а именно бинарных систем портландцемент - молотый песок в соотношении 84,4 : 15,6 % по массе и портландцемент - молотый известняк в соотношении 88 : 12 % по массе, в сравнении с показателями плотности упаковки тонкодисперсных компонентов в отдельности. Помимо основной серии экспериментов были выполнены дополнительные опыты с введением во все составы добавки гиперпластификатора Melflux в количестве 0,5 % от массы сухой смеси (или отдельного компонента). Использование добавки гиперпластификатора имело целью проверить плотности упаковок частиц смесей в условиях диспергирующего эффекта добавки, облегчающего дезагрегацию частиц и их плотную укладку.
Для каждой из указанных смесей как тонкодисперсной системы определяли минимальную водопотребность по объему по методике, рассмотренной в разделе 2.3. Данные измерений расплывов конуса при каждом отношении объема воды к объему минеральной тонкодисперсной системы (Vвода/Vмдс), а также результаты определения минимальной водопотребности исследованных систем Рр и степени восприимчивости системы к добавлению воды Ер приведены в таблице 4.3. Графики зависимостей показателя относительной осадки конуса Гр от отношения (Vвода/Vмдс) показаны на рисунке 4.4. Таблица 4.3 - Результаты измерений расплыва конуса в зависимости от отношения объема воды к объему минеральной тонкодисперсной системы (Vвода/Vмдс), а также определения относительной осадки конуса Гр, минимальной водопотребности рр и степени восприимчивости сис темы к добавлению воды Ер
Диаграмма сравнения величин минимальной водопотребности рр портландцемента, молотого песка, молотого известняка и их оптимальных смесей 4.3 Экспериментальная проверка влияния оптимального состава тонкодисперсных компонентов на прочностные свойства композита
Для определения предела прочности при сжатии вяжущего вещества, приготовленного из тонкодисперсных смесей и чистого портландцемента, изготавливали образцы-кубы с размерами ребра 30 мм из теста одинаковой консистенции (по расплыву конуса) различного состава (цемент, смесь цемента и молотого известняка, смесь цемента и молотого песка).
Перед изготовлением образцов-кубиков внутреннюю поверхность стенок формы и дна слегка смазывали машинным маслом. Стыки наружных стенок друг с другом и с дном формы промазывали тонким слоем солидола. На каждый намеченный состав изготавливали по три образца. Для уплотнения теста подготовленные формы кубиков с насадкой устанавливали на центр диска автоматического встряхивающего столика. Формы заполняли тестом с некоторым избытком и встряхивали 30 раз. По истечении уплотнения форму снимали со столика, срезали смоченным водой ножом излишек теста, заглаживали поверхность образцов вровень с краями формы и маркировали их.
Образцы в формах хранили первые сутки в ванне с гидравлическим затвором. Затем образцы осторожно расформовывали и укладывали в шкаф, обеспечивающий относительную влажность воздуха не менее 90 %. Таким образом, образцы хранили последующие 6 суток. Температура воды при хранении, а также при ее замене была (20±2) С. По истечении срока хранения образцы вынимали из шкафа и не позднее чем через 30 мин подвергали испытанию.
Данные по прочности на сжатие и средней плотности образцов, изготовленных из теста на основе цемента, а также смесей цемента с молотым песком и молотым известняком с различным соотношением по массе при близких значениях пластичности смеси, которая характеризовалась расплывом конуса (лепешки) на встряхивающем столике, приведены в таблице 4.4.
