Содержание к диссертации
Введение
1. Проектирование составов, производство и применение высококачественных бетонов (ВКБ) 9
1.1. Современные представления о высококачественных бетонах 9
1.2. Известные расчетные зависимости и программы для проектирования составов тяжелых бетонов и бетонов класса ВКБ 14
1.3. Модификация бетонов химическими добавками 27
1.3.1. Опыт модификации бетонов класса ВКБ суперпластификатором (СП)С-3 27
1.3.2. Ускорение твердения бетона 34
1.3.3. Применение комплексных химических добавок в ВКБ 40
1.4. Модификация бетона минеральными гидроизолирующими составами 42
1.5. Заключение. Цели и задачи 45
2. Характеристики используемых материалов и выбор методов исследований 49
2.1. Характеристики исходных материалов 49
2.1.1. Портландцемент 49
2.1.2. Крупный заполнитель 50
2.1.3. Мелкий заполнитель 51
2.1.4. Добавки 52
2.2. Методы исследований 53
2.2.1. Исследование состава продуктов гидратации и степени гидратации цементного камня 54
2.2.2. Неразрушающие методы контроля 55
2.2.3. Методы приготовления образцов, хранения и определения их физико-механических характеристик 57
2.2.4. Нестандартные методы испытаний 58
2.2.5. Статистическая обработка результатов 61
3. Влияние химических добавок и минерального герметика на свойства цементных композиций в зависимости от содержания С3А и свойств портландцемента 62
3.1. Свойства цементного теста и камня в зависимости от вида применяемых портландцементов и количества добавки С-3 62
3.2. Влияние добавок ускорителей твердения на свойства цементного теста и камня в зависимости от свойств и содержания С3А применяемых портландцементов 73
3.3. Влияние комплексных добавок на основе СН, ННК и С-3 на свойства цементного камня 83
3.4. Влияние минеральной добавки «Акватрон-6» на свойства цементного камня 87
3.4.1. Влияния минеральной добавки «Акватрон-6» на свойства цементного теста и камня 87
3.4.2. Степень гидратации и фазовый состав цементного камня с минеральной добавкой «Акватрон-6» 90
3.4.3. Влияние совместного использования СП С-3 и минеральной добавки «Акватрон-6» на свойства цементного камня 99
4. Влияние добавок и вида вяжущего на свойства ВКБ 105
4.1. Влияние комплексной добавки на основе СП и СН на свойства бетонной смеси и прочность ВКБ 105
4.1.1. Исследование влияния комплексной добавки СП и СН на подвижность бетонной смеси и прочность ВКБ при различных значениях В/Ц 105
4.1.2. Влияние вида вяжущего и условий твердения на водонепроницаемость и морозостойкость ВКБ оптимального состава 111
4.2. Регрессионные зависимости влияния В/Ц и количества добавок на прочность бетона 113
4.3. Оптимизация состава комплексной добавки на основе СП С-3 и минеральной добавки «Акватрон-6» 118
4.3.1. Исследование влияния минеральной добавки «Акватрон-6» на прочность бетона 118
4.3.2. Исследование влияния комплексной добавки на основе «Акватрон-6» и СП С-3 на прочность бетона 120
4.3.3. Исследование влияния комплексной добавки на основе «Акватрон-6» и СП С-3 на водонепроницаемость бетона 122
5. Разработка компьютерного программного комплекса «Concrete» для расчета составов ВКБ 124
5.1. Разработанные и известные зависимости, используемые при составлении алгоритма расчета составов ВКБ 124
5.1.1. Внесение изменений при определении водоцементного отношения и коэффициента раздвижки зерен в известную методику расчета тяжелого бетона 124
5.1.2. Оптимизация составов ВКБ путем использования разработанных регрессионных зависимостей 126
5.2. Разработка алгоритмов расчета составов бетона в ПК «Concrete» 131
5.2.1 Расчет состава тяжелого бетона по максимально допустимому расходу цемента (1 способ) 132
5.2.2. Расчет состава тяжелого бетона по оптимальному значению водоцементного отношения (2 способ) 132
5.2.3. Расчет состава ВКБ по оптимальному значению водоцементного отношения (3 способ) 138
5.3. Разработка программного комплекса «Concrete» и порядок расчета составов среднемарочных тяжелых бетонов и ВКБ 143
Общие выводы 154
Список источников 156
Приложение 1 171
Приложение 2 174
- Опыт модификации бетонов класса ВКБ суперпластификатором (СП)С-3
- Свойства цементного теста и камня в зависимости от вида применяемых портландцементов и количества добавки С-3
- Регрессионные зависимости влияния В/Ц и количества добавок на прочность бетона
- Разработка программного комплекса «Concrete» и порядок расчета составов среднемарочных тяжелых бетонов и ВКБ
Опыт модификации бетонов класса ВКБ суперпластификатором (СП)С-3
Модифицирование бетонных смесей химическими добавками является наиболее эффективным приемом улучшения их свойств и характеристик бетона. Их применяют с целью: уменьшения расхода цемента; регулирования режимов схватывания, твердения, тепловыделения; снижения трудоемкости и энергоемкости укладки и уплотнения бетонных смесей; улучшения однородности и связности бетонной смеси; повышения прочности и стойкости бетона в различных эксплуатационных условиях.
Среди большого разнообразия химических добавок наиболее эффективным для формировании структуры ВКБ является использование суперпластификаторов (СП) [2, 12, 13, 26, 27, 85-91], так как при их оптимальной дозировке в зависимости от химико-минералогического состава применяемого цемента они способны снизить расход воды затворения до 30 % при сохранении заданной подвижности бетонной смеси и повысить прочность бетонных композиций в 1,3 - 1,5 раза [27].
Наиболее эффективны суперпластификаторы на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом (СНФ) и меламинсульфо-кислоты с формальдегидом (СМФ), выпускаемые в виде натриевых солей соответствующих сульфокислот. Это явилось основанием для некоторых авторов считать их «суперразжижающими» («Superfluidifier») или «суперводоредуци-рующими» («Super-Water-reduced») добавками. Большое распространение получили СП на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида. По данным Сакаи (Япония) [92], они должны содержать более 70 % по массе олигомеров со степенью конденсации от 4 до 8 % неконденсированной соли (3 - нафталинсульфокислоты. Производство СП типа СНФ впервые было организовано в Японии, а затем в ФРГ. На сегодняшний день они выпускаются во всех промышленно развитых странах мира.
В России наибольшее распространение нашел СП С-3 на основе сульфированных нафталинформальдегидных соединений, который относится к категории анионактивных ПАВ и содержит смесь олигомеров и полимеров, а также непрореагировавшую смесь 3-нафталинсульфокислоты. Механизм действия анионных ПАВ на цементные системы изучен достаточно подробно и, несмотря на многообразие подходов его описания, главными этапами этого сложного процесса являются: адсорбция молекул олигомеров на поверхности твердой фазы, изменение электрокинетического потенциала поверхности, а также изменение толщины водной прослойки.
Батраков В.Г., Коллепарди М., Рамачандран B.C., Ратинов В.Б., Розенберг Т.И., Одлер И. и многие другие посвятили этому вопросу ряд работ [27, 91-98]. Из теоретических представлений о механизме действия СП, разработанных их авторами, наиболее предпочтительной является адсорбционная, суть которой сводится к тому, что полярные молекулы СП образуют на поверхности, главным образом, новообразований адсорбционный слой. Вследствие этого величина межфазовой энергии уменьшается и облегчается дезагрегация частиц. При этом большая часть иммобилизованной воды высвобождается, что и обеспечивает пластифицирующий эффект. Электронно-микроскопическими исследованиями, проведенными рядом ученых [91, 93] доказано, что введение СП приводит к диспергированию частичек цемента в цементно-водной суспензии, тогда как без добавки они в воде агрегированы.
По мнению Коллепарди М., Корради М. [97, 98] и других авторов предполагается, что наиболее эффективным является введение добавки в бетонную смесь в количестве до 0,9 - 1,0 %. При этом происходит насыщение поверхности адсорбента мономолекулярным слоем и замедление адсорбции. Дальнейшее увеличение дозировки СП ведет к образованию полимолекулярного адсорбционного слоя. Отмечено [98], что адсорбция добавки в целом выше при большем значении В/Ц, а величина осадки конуса возрастает с ее увеличением [97].
Большинство исследователей [99-105] сходятся на мнении о том, что адсорбция добавки на твердой фазе СзА значительно превышает ее адсорбцию на других фазах. По мнению Каприелова С.С. это является результатом быстрого увеличения удельной поверхности твердой фазы С3А за счет образования высокодисперсных гидроалюминатов, что и объясняет невысокую эффективность СП на высокоалюминатных цементах.
Многими исследователями [27, 93, 106] отмечается повышение эффективности СП при их введении через несколько минут после затворения цемента водой. Некоторые авторы [93] объясняют это тем, что при введении СП непосредственно с водой затворения он взаимодействует с продуктами реакции СзА с гипсом, поэтому в жидкой фазе остается только небольшая часть этой добавки, недостаточной для диспергирования силикатных фаз. При более позднем введении СП его адсорбция на алюминийсодержащих фазах уменьшается и остающейся добавки достаточно для диспергирования силикатов и снижения вязкости системы.
Продукты гидратации цемента адсорбируют СП необратимо и лишь 1,8-3,4 % адсорбированного СП способно к обменным воздействиям. Каждая молекула СП содержит значительное количество сульфогрупп, так что она прочно сорбируется на поверхности цемента [85, 107]. Молекулы СП сорбируются прежде всего на зародышах кристаллов Са(ОН)2. При этом они задерживают образование кристаллического Са(ОН)2. Этот же вывод подтверждает и ряд работ, выполненных российскими, английскими и немецкими учеными [85, 86, 108, 109]. В частности Тюрина Т.Е. [86] в своей диссертации отмечает, что «...СП С-3 тормозит кристаллизацию всех кальцийсодержащих фаз, причем эффект торможения проявляется тем сильнее, чем выше содержание С3А в цементе. Однако через трое суток гидратации это различие уменьшается и с возрастом практически исчезает...». По некоторым данным [108] низкая концен-трация ионов Са в присутствии СП на начальном этапе твердения цемента снижает основность CSH.
Каприелов С.С. отмечает [100], что «...СП на основе нафталина приводят к замедлению начального структурообразования на 0,5...2 часа даже при сниженном В/Ц и повышенной температуре...». Байрамов Ф.А. и Елисеев Н.И сходятся во мнении, что СП замедляют процессы структурообразования цементов [ПО, 111], а Одлер И. Торман П. считают, что добавки СП на ранних стадиях замедляют образование эттрингита.
Многочисленными исследованиями [27, 84, 87, 100, 112-114] показано, что наличие СП в цементных системах оказывает существенное влияние не только на процессы твердения вяжущих, но и на фазовый состав и морфологию продуктов гидратации. Объяснение образования мелкокристаллической и тонкокапиллярной структуры цементного камня в присутствии СП таково - образующиеся адсорбционные пленки пластификатора на кристалликах-зародышах, ослабляют связь между ними, что приводит к продолжительному существованию коагуляционной структуры [112-114], вследствие чего в системе накапливается повышенное количество кристалликов-зародышей. По мере расходования пластификатора скорость кристаллизации возрастает. Таким образом, благодаря замедлению роста зародышей кристаллов и увеличению их числа, образуется мелкокристаллическая структура.
По данным работ Мчедлов-Петросяна О.П. и др. [115] наиболее заметны изменения касающиеся гидроалюминатов кальция, которые в присутствии СП имеют гексагональную структуру С2АН8 и С4АНі3 на протяжении всего периода гидратации, тогда как в бездобавочной системе уже через пять часов после за-творения цемента водой они переходят в стабильную кубическую С3АНб.
Таким образом, анализ обзора показывает, что в известных исследованиях [86, 89, 116, 117] отмечается связь между количеством вводимого СП, минералогическим составом портландцемента, скоростью гидратации и сроками схватывания вяжущего.
Согласно требований ТУ [118] рекомендуемая дозировка С-3 в бетонную смесь лежит в интервале от 0,4 до 0,7 для пропариваемых бетонов и от 0,5 до 1,2 для бетонов нормального хранения. Однако взаимосвязь между минералогическим составом клинкера и количеством СП не установлена.
Комоховым П.Г., Калашниковым В.И. и Макридиным Н.И. [119] отмечается, что рекомендуемая оптимальная дозировка С-3 в количестве 0,5 % от массы цемента должна вводится со второй частью воды затворения с целью повышения пластифицирующего эффекта, косвенно подтверждая представления о разном уровне адсорбции добавки на различные фазы портландцементного клинкера. При этом, однако, не указывается как на него влияет минералогический состав цемента, нормальная густота и сроки схватывания цементного теста.
Кунцевич О.В., Федоров В.Б., Макарович О.Е. и др. [120] при проектировании состава бетона для изделий метрополитена расход добавки С-3 рекомендовали принять равным 0,6 % от расхода вяжущего при этом В/Ц бетона составляло 0,3, а подвижность бетонной смеси 10-16 см. При этом авторы не приводят сведений об изменении расхода добавки при изменении минералогического состава цемента и при использовании бетонов с другой консистенцией.
Халюшин Е.П., Варенюк СВ. и др. [121] предлагают С-3 вводить в количестве 0,6-1,0 % от массы портландцемента, а В/Ц пластичной мелкозернистой смеси принимать при этом 0,25-0,3. Следует отметить некоторое увеличение по сравнению с крупнозернистыми бетонами количества вводимой добавки. Авторы не указывают причину, также как и не устанавливают взаимосвязь между расходом добавки и основными характеристиками цемента.
Свойства цементного теста и камня в зависимости от вида применяемых портландцементов и количества добавки С-3
С целью определения эффективности влияния СП С-3 на свойства цементного теста и камня в зависимости от свойств применяемого вяжущего и количества указанной добавки исследовались сроки схватывания и нормальная густота цементного теста, а также прочность цементного камня приготовленного на различных портландцементах при введении указанной добавки. Исследования проводились на Вольском, Себряковском и Старо-Оскольском портландцементах марки М500 отличающихся содержанием СзА и свойствами. На рис. 7 представлены зависимости изменения сроков схватывания цементного теста при введении в его состав С-3 в количестве до 1 %.
В случае введения С-3 в количестве 1 % в состав цементного теста приготовленного на Старо-Оскольском цементе, увеличение сроков схватывания составляет 15,7 % и 14,36 % для начала и конца схватывания соответственно, в случае использования Себряковского портландцемента - возрастает на 15,4 и 20 % и Вольского - на 23 % и 24,3 %.
Следует отметить, что при введении в состав цементного теста СП в количестве до 0,2 % наблюдается некоторое снижение сроков схватывания. В ряде работ [93, 166] данное явление объясняется тем, что малые дозировки СП, снижая величину В/Ц, создают более благоприятные условия для развития контактов между твердыми частицами образующихся гидратов, причем дозировка СП в этом случае недостаточна для локализации их поверхности сорбционными слоями. При увеличении дозировки СП свыше 0,4 % наступает заметное увеличение сроков схватывания, которое объясняется образованием сорбционных слоев, тормозящих первоначальные процессы гидратации цементных частиц.
Анализ результатов изменения нормальной густоты цементного теста с применением С-3 в количестве до 1 %, приведенных на рис. 8 показывает различный уровень снижения НГЦТ для рассматриваемых портландцементов. НГЦТ Вольского портландцемента снизилась на 27,1 %, Себряковского - на 19,5 %, Старо-Оскольского - на 16,9 %.
Четко прослеживается зависимость величины нормальной густоты цементного теста от содержания в цементе минерала С3А. Эти данные вполне закономерны и согласуются с результатами других исследований, согласно которым эффективность СП снижается для цементов с повышением в них содержания С3А. На рис. 9 показано изменение прочности цементного камня при применении С-3 в возрасте 7 и 28 суток. Следует отметить, что количество воды в составе цементного теста оставалось постоянным, а его консистенция изменялась, при этом контрольный состав цементного теста без добавки имел нормальную густоту.
Из данных приведенных на рис. 9 видно, что прочность цементного камня в возрасте 7 суток практически не изменяется при введении С-3 до 0,7 % во все виды цементов, а в возрасте 28 суток при введении С-3 до 0,4 % в Вольский и Себряковский портландцементы и до 0,7 % в Старо-Оскольский портландцемент. Дальнейшее увеличение содержания СП С-3 приводит к снижению прочности цементного камня. Это, очевидно, является следствием торможения процессов твердения цементных паст полимолекулярными сорбционными слоями СП, образующихся при его повышенных дозировках. Кроме того, снижение прочности может быть вызвано и испарением высвобожденной воды, количество которой увеличивается по мере увеличения содержания добавки СП.
При введении СП в состав цементного теста с сохранением его нормальной густоты, т.е. при снижении расхода воды, изменение прочности цементного камня в 28 суточном возрасте происходит по зависимостям, представленным на рис. 10.
Видно, что при введении добавки СП в состав цементного теста в количестве до 0,2 %, прочность цементного камня увеличивается незначительно. Это, очевидно, является следствием незначительного снижения расхода воды в составе цементного теста. При дальнейшем увеличении содержания С-3, прочность возрастает. Для интенсивного набора прочности цементным камнем, приготовленным на Вольском портландцементе, требуется наименьшее количество добавки С-3 - от 0,2 до 0,4 %, приготовленным на Себряковском портландцементе - от 0,2 до 0,7 %, на Старо-Оскольском - 0,4 до 1,0 %. Последнее, очевидно, связано с различным содержанием С3А в этих цементах, который, являясь наиболее быстро гидратирующимся клинкерным минералом, способствует быстрому накоплению тонкодисперсных частиц гидратной фазы, а следовательно, и повышенной сорбционной емкости таких цементных паст.
С целью установления факторов, влияющих на характер полученных зависимостей, проведена математическая обработка экспериментальных данных, с получением ряда математических зависимостей. На основании обработки результатов проведенных экспериментов получены уравнения регрессии, адекватно описывающие влияние основных параметров применяемого вяжущего на конечные свойства цементного теста и камня.
Первоначально в качестве факторов (X), влияющих на конечные свойства цементного теста и камня (Y), выбраны следующие: Xj - содержание С3А, Х2 -содержание C2S, Х3 - содержание C3S, Х4 - НГЦТ, Х5 - начало схватывания цементного теста, Х6 - конец схватывания цементного теста, Х7 - активность цемента, Х8 - количество добавки СП С-3.
В результате обработки экспериментальных данных было установлено, что факторы Х2, Х3, Х4 и Х7 оказались коррелированными с коэффициентом парной корреляции в интервале от 0,751 до 0,973, в результате чего среди них выбран лишь один, а именно Х7 - активность цемента, остальные исключены из эксперимента. Также установлено, что факторы Хь Х5 и Хб являются взаимно коррелированными с коэффициентом парной корреляции изменяющейся в интервале от 0,862 до 0,965, поэтому два последних Х5 и Хб исключены из эксперимента. Таким образом, основными факторами, влияющими на изменение конечных свойств цементного теста и камня, явились: X! - содержание С3А, Х2 -активность цемента, Х3 - количество добавки СП С-3.
В качестве конечных свойств цементного теста выбраны следующие его характеристики: Yi - начало схватывания цементного теста, Y2 - конец схватывания цементного теста, Y3 - НГЦТ.
В качестве конечных свойств цементного камня, содержащего СП С-3, выбрана его прочность в возрасте 28 суток, при этом рассматривалось два случая:
Y4 - первый, когда количество воды в составе цементного теста постоянно и соответствует количеству воды, необходимому для получения цементного теста нормальной густоты без добавок, при этом его консистенция изменяется; Y5 - второй, когда количество воды в составе цементного теста изменяется, а его консистенция остается постоянной и соответствует нормальной густоте цементного теста контрольного состава (без добавок).
Регрессионные зависимости влияния В/Ц и количества добавок на прочность бетона
С целью описания влияния изменения В/Ц и количества составляющих комплексной добавки на прочностные свойства бетона проведен спланированный эксперимент по проектированию и подбору составов бетона подвижностью П2 в лабораторных условиях ООО «ЖБК-2МС».
Поскольку, как утверждается в [204], многофакторные модели второго порядка позволяют решить абсолютное большинство инженерных задач в материаловедении и технологии, нами было принято решение для установления вышеназванных зависимостей использовать план второго порядка ПФЭ-32, так как он является более предпочтительным по таким статистическим характеристикам как Smax (F), Ртах = р{Ь0 bj}, Smax{b} = S{by}. Для вычисления дисперсии воепроизводимости опытов было проведено три опыта в центральной точке плана. План экспериментов включал в себя (п = З2 +2 = 11) одиннадцать опытов, представленных в табл. 25.
В качестве изменяемых факторов приняты: Х\ - расход добавки СП С-3, Х2 - расход добавки ускорителя твердения СН.
Откликами уравнения регрессии для бетонов приняты: Y] - прочность бетона после ТВО, Y2 - прочность бетона в возрасте 3 суток, Y3 - прочность бетона в возрасте 28 суток, Y4 - водопотребность бетонной смеси.
В качестве вяжущего использовался Вольский портландцемент марки ПЦ 500 ДО, а в качестве крупного заполнителя гранодиоритовый фракционированный щебень фракции 5-Ю мм и 10-20 мм Шершнинского месторождения. Оптимальное соотношение между фракциями 5-10 и 10-20 мм по значению наименьшей пустотности равнялось 1:3. В качестве мелкого заполнителя использовался речной песок Камского месторождения с модулем крупности 2 -2,5. Для регулирования свойств бетона и повышения показателей прочности и водонепроницаемости в бетонную смесь вводились добавки СП С-3 и СН.
Согласно плана эксперимента было приготовлено ряд составов бетона класса В45, где за постоянные значения приняты расходы исходных компонентов, кг/м3: цемент - 490, песок - 750, щебень фракции 5-10 мм - 275, щебень фракции 10-20 мм - 825. Расход добавок СП С-3 и СН изменялся в интервале от 0 до 1,0 % и до 2,5 % от массы цемента для каждой добавки соответственно. Подвижность бетонной смеси первоначально принята постоянной, равной значению П2 (O.K. = 5-9 см), которая по результатам экспериментов была уточнена и скорректирована до 6-8 см. Результаты испытаний прочности при сжатии после ТВО, 3 и 28 суток приведены в табл. 26.
Путем обработки результатов экспериментов методом регрессионного анализа были построены уравнения регрессии, описывающие влияние СП (Х2) и СН (Xi) на водопотребность Y4 и прочность бетона в возрасте 1 суток (Yj), 3 (Y2) и 28 суток (Y3). Уравнения регрессии Yj = f( (Хь Х2, єi); Y2 = f2 (Хь X2, є2); Y3 = f3 (Хь X2, є3) и Y4 = f4 (Xi, X2, s4), которые искались в виде:
Yj = ао+ ajXi + а2Х2 + аиХ\Х2 + anX]2 + а22Х22 Y2 = с0+ С,Х, + С2Х2 + 0,2X 2 + СцХ,2 + с22Х22
Y3 = d0+ d,X, + d2X2 + d12X!X2 + dnX!2 + d22X22 Y4 = b0+ b,Xj + b2X2 + b12X,X2 + ЬцХ!2 + b22X22 (61) (62) (63) (64) где S] s2 s3 и є4 случайные величины, характеризующие влияние на изменение отклика факторов, неучтенных в моделях (61)-(64). Если модели будут адекватны, это будет означать, что влияние неучтенных факторов на изменение отклика не существенно и изменение откликов Yb Y2, Y3 и Y4 определяется только изменением значений X] и Х2, т.е. изменением количества используемых добавок в составе бетонной смеси.
В результате обработки полученных результатов экспериментов для откликов Yb Y2, Y3 и Y4 получили следующие уравнения регрессии в кодированных ПеремеННЫХ Т.Є. При Xj max - 1, X; min = - 1, Xj ср = 0, і = 1, 2:
Yj = 168,556 + 32,967 Xj - 4,333 X22 - 10,967 X,2 (65)
Y2 = 330,856 - 8,356 X2 + 18,183 X! - 6,283 X22 - 10,883 X,2 (66)
Y3 = 645,667- 5,433 X2 - 30,067 X, - 47,833 X22 (67)
Y4 = 187,655 - 11,727 X2 + 4,367 Xl - 0,383 X22 + 4,633 X,2 + 0,825 XiX2 (68)
Из полученных уравнений регрессий видно, что добавка СН способствует повышению прочности в возрасте 9 часов (65) и 3 суток (66), причем в возрасте 9 часов увеличение прочности более очевидно. Добавка С-3, наоборот, снижает прочность бетона в ранние сроки твердения и повышает в более позднем возрасте.
Проверку надежности построенных уравнений регрессии, определяли по трем критериям, аналогично с методикой, изложенной в главе 3. Результаты оценки приведены в табл. 27.
Проверку значимости коэффициентов множественной корреляции осуществляли при помощи статистической зависимости (43). Полученные значения FpacH сравнивали с Ртабл, которое определяли по уровню значимости а = 0,05 и числу степеней свободы fi =n-m-2 = 9-2-2 = 5,aтакже f2 = m = 2, в итоге получили FTa6j] = 19,3- Для всех уравнений Fpac4 FTa6n, поэтому сделали вывод, что коэффициенты множественной корреляции оказались значимыми, т.е. влияние неучтенных факторов по данному критерию не существенно.
Далее по критерию «Фишера» проверяли адекватность построенных уравнений экспериментальным данным по статистической зависимости (44). В результате расчетов получили значения Fpac4, которые сравнивали с Ртабл, определяемое по уровню значимости а = 0,05 и числу степеней свободы fі = п - /, a также f2 - n - 1, где / - число значимых коэффициентов в уравнении регрессии. Для всех уравнений FT! Fpac4, это позволило сделать вывод, что построенные уравнения регрессии адекватно описывают экспериментальные данные и ими можно пользоваться для прогнозирования значений откликов при выбранных значениях X] и Х2. Этот же вывод подтверждается и путем анализа разброса между экспериментальными и расчетными значениями отклика при соответствующих значениях факторов.
Разработка программного комплекса «Concrete» и порядок расчета составов среднемарочных тяжелых бетонов и ВКБ
На основании впервые разработанных алгоритмов создан программный комплекс (ПК) «Concrete» для расчета и корректировок составов тяжелых среднемарочных бетонов и бетонов класса ВКБ.
При разработке ПК в настоящей работе исходили из следующих общепринятых положений, используемых при проектировании составов тяжелых бетонов:
- назначение требований к бетону, исходя из вида и особенностей изготовления и службы конструкций;
- выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их свойства;
- определение предварительного состава бетона;
- корректирование состава на пробных замесах;
- контроль качества перемешивания и удобоукладываемости бетонной смеси;
- корректирование состава в процессе производства при колебаниях свойств исходных материалов и других факторов.
Отличительной особенностью предлагаемого программного комплекса от известных аналогов является жесткая, научно-обоснованная увязка интервалов варьирования вводимых параметров, полученных на основе исследований, изученных в данной работе. При использовании нормального режима твердения бетона, т.е. без применения ТВО, программой определяется возраст, при котором будет обеспечиваться отпускная прочность бетона, задаваемая пользователем. В случае применения ТВО, в зависимости от свойств проектируемого бетона, пользователю предлагается использовать определенные режимы.
На сегодняшний день в ПК «Concrete» реализовано две методики расчета среднемарочного тяжелого бетона. Алгоритм расчета состава ВКБ в программном комплексе «Concrete» успешно используется на производстве при выпуске железобетонных блоков обделки тоннелей для Казанского метрополитена. В процессе проведения авторского надзора, целью которого явилась проверка соблюдения технологических режимов при производстве блоков колец обделки, на предприятиях КУП «Казметростроя» было исследовано и испытано на прочность большое количество изделий и контрольных образцов разрушающими и неразрушающими методами контроля. Статистическая обработка полученных результатов, приведенная ниже, показала высокую надежность расчетов при условии соблюдении требуемых технологических режимов.
Применение разработанной методики в ПК «Concrete» позволяет значительно повысить эффективность использования добавок и добиться получения ВКБ с более рационально подобранными составами при минимальных затратах на вяжущее и дорогостоящие добавки. Схематично процесс расчета составов бетонов приведен на рис. 37.
Порядок расчета состава бетона в ПК «Concrete» условно можно разделить на шесть этапов:
1. Пользователю предлагается три способа расчета состава бетона. Первый путем определения максимально допустимого расхода цемента, в соответствии с Федеральными нормами [60], второй и третий - путем оптимизации В/Ц [47].
2. В случае выбора пользователем первого способа расчета, программой предлагается выбрать класс проектируемого бетона по прочности на сжатие до марки М500 включительно. Марка бетона в случае расчета по второму и третьему способу - до М600 и не ниже М600 соответственно.
3. При выборе требований к бетону пользователем может задаваться сразу три основных параметра бетона: прочность, морозостойкость и водонепроницаемость. В этом случае, при первом способе, расход цемента определяется как минимально-допустимое для достижения бетоном заданных характеристик, а при втором и третьем способе расчета выбирается такое значение В/Ц, при котором также удовлетворяются все требования, предъявляемые к бетону.
4. При расчете составов тяжелых бетонов по первому способу, т.е. по Федеральным нормам, имеется ряд ограничений, связанных с качеством используемых материалов, например, недопустимо использовать гравий для бетонов марки выше М300. Однако существуют ограничения в выборе требований к морозостойкости и водонепроницаемости бетона, связанные с использованием бетонных смесей подвижностью более П2 или жесткостью более Ж2. Кроме этого, для всех вариантов расчета введен коэффициент, ограничивающий минимально-допустимое соотношение между маркой цемента и маркой бетона, при этом он при необходимости может быть изменен пользователем. При расчете составов ВКБ по третьему способу с высокой маркой по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости, выбор исходных материалов ограничен их характеристиками, так, например, не допускается использование гравия в качестве крупного заполнителя, щебня с высоким содержанием лещадки, мелкого песка и т.д. По окончании расчета оговариваются и режимы твердения изделий из данного вида бетона.
5. Расчет состава ВКБ ограничен максимально допустимым значением В/Ц, равным 0,4, и определяемый из условия требований, предъявляемых к бетону по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости. В случае расчета состава по Федеральным нормам, где такого параметра нет, сразу определяется максимально-допустимый расход цемента, а затем по общепринятой методике (метод абсолютных объемов) определяется расход остальных компонентов. 6. Если добавок нет, то программа выдает готовый состав бетонной смеси со всеми сопутствующими документами. Если добавка используется, дальнейшая схема расчета одинакова для всех вариантов, программа производит корректировку составов и только после этого выдает окончательный результат.
Одним из важнейших разделов программы является расчет бетона в присутствии добавок. Важно отметить, что расходы добавок и их влияние на бетонную смесь (снижение водопотребности, изменение воздухововлечения, изменение содержания мелкого заполнителя и т.д.) могут приниматься пользователем только в интервалах, изложенных в соответствующих ТУ.
При работе в ПК «Concrete» выполнение операций в визуальном оформлении на мониторе ПЭВМ, в зависимости от выбранной методики расчета, производится по блок схемам, представленным на рис. 38 для способа 2 (см. рис. 37) и на рис. 39 для способа 1 (см рис. 37).
Таким образом, анализ результатов работ, выполненных в главе 5, позволяет сделать следующие выводы:
На основании выполненных исследований разработано 9 новых уравнений регрессий, адекватно описывающих изменения начала и конца схватывания цементного теста, НГЦТ, прочности и степени гидратации цементного камня и бетона в зависимости от содержания С3А, активности цемента, количества и вида добавки, а также возраста цементных композиций.
На основе известных зависимостей и закономерностей и путем использованных впервые полученных уравнений регрессий, усовершенствованы методики расчета составов бетона по СНиП [68] и руководству НИИЖБ [55].
Разработаны три новых алгоритма расчета составов среднемарочных тяжелых бетонов и ВКБ, на основании которых создан новый ПК «Concrete». В разработанном ПК произведен расчет и оптимизация состава ВКБ, предназначенного для производства блоков обделки, классом по прочности В45, прочностью в возрасте 9 часов не менее 15 МПа, водонепроницаемости не менее W12 и морозостойкости F300, при следующем расходе исходных компонентов на 1 м3 бетонной смеси:
Вольский портландцемент М 500 458,4 кг
Щебень фракции 5-10 мм 407,6 кг
Щебень фракции 10-20 мм 815,2 кг
Песок (Мкр = 2,5) 697,1 кг
Вода 172,4 кг
СПС-3 1,914 кг
СН 2,392 кг
Подвижность бетонной смеси 5-9 см
Разработанный с использованием ПК «Concrete» состав ВКБ и режимы его твердения внедрены в производстве блоков обделки тоннеля Казанского метрополитена на заводах ЖБИ «Казметростроя» и «ЖБК-2МС» и успешно используются на протяжении более двух лет. Инженерным центром АО ЦНИИС и ВНИИ «Транспортного строительства» на указанные изделия выданы сертификаты соответствия № РООС.БШ.СЛ46.Н 00001, сроком действия с 28.06.2000 по 28.06.2002 (орган сертификации РООС.ІШ.СЛ46.Н 9001.11 СЛ 16 от 01.02.2000).
На сегодняшний день на разработанном составе изготовлено более 11 тыс. м3 бетона, выпущено свыше 20 тысяч блоков обделки, смонтировано около 2,5 тыс. м тоннеля. За счет снижения расхода портландцемента и уменьшения толщины блоков кольца обделки экономический эффект от внедрения разработанного состава на сегодняшний день составил около 2 млн. руб.
