Содержание к диссертации
Введение 6
1 Состояние н направлення совершенствования технологии вибропрессованных бетонов 13
1.1 Технология производства и область применения вибропрессованных бетонов 13
1.2 Направления повышения качества вибропрессованных бетонов,- 20
1.2Л Характеристика бетонной смеси как сложной дисперсно- зернистой системы 20
1.2-2 Роль процессов формирования ранней структуры в обеспечении физико-механических свойств вибропрессованных бетонов 22
1.2.3 Влияние внутренних сил на формирование структуры бетона 24
1.2.4 Влияние внешних вибрационных и вибропрессуюпшх воздействий на процессы формирования структуры бетона 38
1.2.5 Цель, задачи и содержание исследований 53
2 Методика и методы исследования, сырьевые материалы 55
11 Методологические основы исследований 55
2.2 Представление процесса формирования ранней структуры вибропрессованного бетона как объекта исследования и управления 56
2.3 Характеристика сырьевых материалов 59
2.4 Методы исследования 63
2.4.1 Методы исследования свойств сырьевых материалов 63
2.4.2 Разработка методики получения плотных упаковок дисперсно-зернистых систем 64
2.43 Методика исследования фрактально-кластерных свойств тонкодисперсных систем 65
2.4.4 Методы исследования структурно-реологических, виброреологических и диссипативных свойств бетонной смеси и ее составляющих в условиях внешних воздействии 66
2.4.5 Методы определения основных свойств растворных, бетонных смесей и вибропрессованного бетона 71
3 Исследование влияния свойств тонкоднсперсиых систем на формирование ранней структуры цементного теста и физико- механические свойства цементного камни 72
3 1 Научно-практические предпосылки исследования свойств тонкодисперсных систем 72
3.2 Результаты исследования формирования структуры сухих тонкодисперсных систем 73
3.3 Исследование процессов раннего структурообразования тонкодисперсных систем при обводнении 83
3.4 Особенности поведения тонкодисперсных систем в условиях вибрационных воздействий 89
3.5 Регулирование структуры и свойств цементного теста и камня добавками пластификаторами и ускорителями твердения. 94
3.5.1 Модифицирование ранней струетуры наполненного цемента пластифицирующей добавкой 94
3.5.2 Исследование реологических свойств наполненного цементного теста, проявляющихся в результате сдвига 97
3.5.3 Исследование влияние комплекса добавок на физико-механические свойства цементного камня 102
Выводы по главе 3 109
4 Разработка и реализация методики конструировании плотных упаковок заполнителей внброарессованного бетона 112
4.1 Результаты разработанной методики получения плотных упаковок дисперсно-зернистых систем 1І2
4.2 Исследование влияния плотных упаковок заполнителей на свойства мелкозернистого бетона 118
4.3 Оценка влияния комплексной добавки и гранулометрии заполнителей на свойства вибропрессованного бетона 126
Выводы по главе 4 129
5 Совершенствование процессов перемешивания и внбропрессовання бетонной смесн 131
5Л Результаты исследования процессов формирования струетуры бетонной смеси при вибромеханическом перемешивании 132
5.2 Исследование процессов формирования структуры бетонной смеси при вибропрессовании 135
5.2.1 Результаты исследования диссипативных свойств бетонной смеси при вибропрессовании 137
5.2.2 Исследование структурно-реологических свойств бетонной смеси и составляющих ее систем при вибропрессовании 140
5.2.3 Оптимизация величин прессующего давления при вибропрессовании бетонной смеси , 147
5.2.4 Исследование влияния прессующего давления на баланс внутренних сил бетонной смеси, взаимосвязь внутренних и внешних сил в процессе вибропрессования 152
Выводы по главе 5 161
6 Научпо-практнческне результаты работы 163
6.1 Разработка режимов вибропрессования бетонных смесей 163
6.2 Разработка составов мелкозернистых бетонов для вибропрессованных тротуарных плит 168
6.3 Характеристика свойств вибропрессованных бетонных юделий ,.» 175
Выводы по главе 6 178
Основные выводы 180
Список использованных источников 182
Приложение А, Технологические рекомендации на производство вибропрессованных бетонных тротуарных плит и бортовых камней 196
Приложение Б. Технологические рекомендации на производство виброорессованных бетонных стеновых камней. 203
Приложение В, Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в производство 209
Приложение Г, Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс 210
Введение к работе
Сравнительная доступность технологии, возможность использования местного сырья и техногенных отходов, низкая энергопотребноегь производства, невысокая стоимость и возможность реализации разнообразных архитектурно- строительных решений - все это является гарантом широкого применения бетона в строительстве и в XXI веке.
Сегодня под термином «бетон» подразумевают обширную гамму строительных композитов гидратационного и других видов твердения; обычный тяжелый и мелкозернистый бетон, легкие на пористых заполнителях и ячеистые бетоны, специальные бетоны, в том числе с использованием различных полимерных и неорганических вяжущих веществ, бетоны с наполнителями из тонкодисперсных составляющих, разнообразных фибр, газа, с применением химических и минеральных добавок, техногенного сырья. Многообразие ввдов бетона обуславливает его успешное применение. В условиях рыночной экономики и технического прогресса, дальнейшее использование различных видов бетона требует повышения их качества и долговечности. Они должны обладать целым набором свойств, работать при различных условиях эксплуатации [1-4]. Особенно это актуально для конструкций, подвергающихся интенсивным механическим воздействиям, попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высушиванию, воздействию растворов солей, нефтепродуктов и других агрессивных сред.
Для получения бетона с высокими эксплуатационными свойствами создаются и осваиваются новые, прогрессивные, так называемые, «сухие» технология, предусматривающие реализацию процессов формования методом вибропрессования. На основе этого метода создано формовочное оборудование, гибкие технологические линии, позволяющие осуществлять их быструю переналадку,, обеспечивающие рост производительности труда, снижение материале- и энергоемкости производства. Технология вибропрессования обеспечивает возможность высокой степени автоматизации произвол ства, позволяет улучшить качество готовой продукции, значительно сократить длительность операционного цикла производства изделий, повысить оборачиваемость складских запасов и уменьшить заготовительные и складские издержки. Из-за высокой степени уплотнения и малой величины водо-цементного отношения жестких бетонных смесей, используемых при вибропрессовании, можно осуществлять немедленную распалубку изделий после формования и существенно сократить длительность тепловлажностной обработки. Технологические линии внбропрессования бетонных изделий компактны, не требуют больших площадей и кранового оборудования. Для организации их производства необходимы минимальные капиталовложения при их быстрой окупаемости.
Вместе с тем, в настоящее время, существуют большие потенциальные возможности дальнейшего повышения качества как самих процессов вибропрессования, так и изделий изготовляемых по этой технологии. Поэтому научные разработки, направленные на совершенствование технологии получеши эффективных вибропрессованных бетонов являются актуальными.
Известно, что основные свойства бетонов закладываются на стадии формирования ях ранней структуры до начала процессов схватывания цемента. Благодаря развитию соответствующих разделов фундаментальных наук и достижениям в области технологии бетонов созданы перспективы для качественно нового рассмотрения процессов формирования ранней структуры бетонов, в том числе, в процессе вибропрессования. Теоретической базой исследований служат современные представления о роли межфазных явлений в процессах формирования структуры дисперсных материалов, о влиянии модифицирующих добавок на процессы формирования ранней стр5тпу-ры и физико-механические свойства бетона, о роли межчастичных, в том числе капиллярно-пленочных взаимодействии, а так же вопросы создания плотных упаковок из частиц твердой фазы на различных масштабных уровнях структуры бетона При изучении влияния внешних вибрационных и виб-ропрессующих воздействий на структурные перестройки бетонной смеси становится возможным оценить работу внешних сил, закономерности движения составляющих бетонной смеси и сопровождающие их энергетические потоки. Динамика процессов формирования ранней структуры определяется балансом внутренних и внешних сил на различных масштабных уровнях структуры бетонной смеси. К внутренним силам, способствующим организации структуры бетонных смесей, как дисперсно-зернистых систем, можно отнести гравитационные силы, проявляющиеся в грубодисперсных составляющих, поверхностные явления и эффекты, обусловленные избытком свободной энергии тонкодисперсной составляющей бетонной смеси. К внешним силам мы относим силовые воздействия - вибрационные и прессующие - прилагаемые к системе в процессе формования. Совершенствование процессов формирования струиуры бетона требует детального изучения взаимосвязи внутренних сил, проявляющихся на разных масштабных уровнях структуры бетонной смеси, в условиях внешних вибропрессующих воздействии. Качественная структура бетона создается на всех масштабных уровнях за счет оптимизации баланса внутренних и внешних сил. Отмеченное, в работе решается с помощью реализации современного системного подхода, общие принципы которого успешно применяются в строительном материаловедении [5-9]. Реализация системного подхода к «конструированию» вибропрессованного бетона в направлении от микро- до макроуровня, позволяет создать необходимые свойства этого материала, с учетом протекания на всех масштабных уровнях физико-химических явлений, энергетических потоков, силовых взаимодействий. Выше изложенное, создает условия для значительного повышения качественных показателей вибропрессованных изделий их физико-механических свойств, при дальнейшем снижении материальных и энергетических затрат производства
Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии производства вибропрессованных бетонов путем оптимизации баланса внутренних и внешних сил.
Целью работы является получение количественных данных для описания, оптимизации и управления процессами формирования структуры вибропрессованных бетонов, обеспечения повышения их качества при сокращении материальных и энергетических затрат.
В соответствии с поставленной целью работы решаются следующие задачи;
1) разработать методологические подходы к исследованию процессов формирования ранней структуры вибропрессованных бетонов (до начала схватывания);
2) определить баланс внутренних и внешних сил, необходимый для формирования оптимальной структуры вибропрессованного бетона;
3) установить взаимосвязь структурных факторов, действующих на различных масштабных уровнях, со свойствами вибропрессованного бетона;
4) оптимизировать составы вибропрессованного бетона с позиции улучшения показателей его прочности, морозостойкости, водопоглощения и истираемости;
5) разработать рекомендации по совершенствованию технологии виб- ропрессовання для повышения качества изделии, снижения материальных и энергетических затрат.
Научная новизна.
- разработаны методологические основы исследования процессов формирования ранней структуры вибропрессованных бетонов;
- уточнены основные закономерности процессов, протекающих на различных масштабных уровнях и ответственных за формирование ранней структуры вибропрессованного бетона;
- получены данные об определяющем влиянии внутренних сил на формирование микро-, мезо- и макроуровневых структур бетона, и установлены факторы управления балансом внутренних сил;
- получены дополнительные данные о роли внешних вибрационных и прессующих воздействий на формирование структуры бетона на каждом масштабном уровне;
- разработаны технологические рекомендации по оптимальным составам бетонных смесей и по выбору эффективных режимов вибропрессования, обеспечивающих получение вибропрессованных бетонов с улучшенными свойствами
Практическая значимость работы. Разработаны предложения по проектированию составов вибропрессованных бетонов, заключающиеся в модифицировании структуры цементного камня и создании плотных упаковок заполнителей. Разработаны и внедрены составы вибропрессованных мелкозернистых бетонов с оптимальным расходом цемента, не превышающим требований стандартов, физико-механические свойства которого не уступают лучшим образцам бетона отечественного и зарубежного производства Получены вибропрессованные изделия с классом бетона по прочности В 50, маркой по морозостойкости F 300, с улучшенными показателями по истираемости (менее 0,5 г/см2) и водопоглощению (не более 5 %). Предложены режимы вибропрессования с оптимальным соотношением вибрационных и прессующих воздействий, обеспечивающие снижение энергозатрат на процесс уплотнения не менее чем в 3 раза по сравнению с применяемыми на практике. Разработан комплекс технологической документации на производство вибропрессованных бетонных тротуарных плит, бортовых и стеновых камней.
Внедрение результатов. Технологические параметры, режимы и составы бетона апробированы при производстве вибропрессованных изделий в ОАО «Завод ЖБК» (г. Воронеж). При техническом содействии автора выпущена опытно-промышленная партия вибропрессованных изделий о&ьемом 1000 м3- Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» при постановке лекций, лабораторных работ и практических занятий по курсам дисциплин «Основы научных исследований и технического творчества», «Технология бетона, строительных материалов, изделий и конструкций», «Надежность и долговечность строительных махе риалов и конструкций», при выполнении курсовых, дипломных проектов и УИРС.
Достоверность результатов работы обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с применением стандартных средств измерений и методов исследовании; применением современных математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов исследования; опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, не противоречащими выводам известных положений и результатам других авторов.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- 55-ой научной конференции студентов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж, 2003 г.);
- межотраслевой научно-практической конференции «Актуальные проблемы архетеюурночпроигельного комплекса» (Воронеж, 2004,2006 гг.);
- международной молодежной научной конференция, посвященной 1000-летию Казани «Туполевские чтения» (Казань, 2005);
- юбилейной научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов, посвященной 75-летию Воронежского государственного архитектурно-строительного университета «Актуальные проблемы архитектурно-строетельного комплекса» (Воронеж, 2005г.);
- XIII международном семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века» (Новосибирск, 2006);
- XI всероссийском слете студентов и аспирантов «Студенты и аспиранты - малому наукоемкому бизнесу» (Владимир, 2006 г.).
По тематике диссертационной работы получен и выполнен грант «Совершенствование технологии и свойств вибропрессованного бетона» по совместной программе Министерства образования и науки РФ и Государствен ного фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Ползуновские гранты, 2006). Щ защиту выносится:
- методология исследования процессов вибропрессования мелкозернистых бетонов;
- результаты экспериментальных исследований влияния вещественного состава бетонных смесей на характер и величины внуїренних сил, проявляющихся на разных масштабных уровнях при вибропрессовании бетона;
- экспериментальные данные о закономерностях влияния внешних силовых воздействии на процессы формирования структуры вибропрессованных бетонов;
- оптимальные составы, обеспечивающие высокие физико- механические свойства бетона, эффективные режимы вибропрессования;
- результаты промышленной апробации технологии вибропрессования.
Публикаций, Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 12 научных публикациях (статьях), в том числе в 2 статьях в центральных рецензируемых изданиях из списка рекомендованных ВАК РФ,
Структура ш объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, изложена на 210 страницах, в том числе 145 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 21 таблица, список литературы из 132 наименований и 4 приложения.
