Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы. цель и задачи исследования .12
1.1 Существующие способы электрофизического воздействия в технологии цементных бетонов 12
1.1.1 Электротермическое воздействие на бетоны и бетонные смеси .13
1.1.2 Электромагнитная активация компонентов бетонной смеси .16
1.2 Ячеистые бетоны как объект исследования 28
1.3 Способы и возможности электрофизической активации в технологии ячеистых бетонов 32
1.4 Армирование пенобетонов дисперсными волокнами как фактор улучшения характеристик материала .35
1.5 Цель и задачи исследований 38
2 Экспериментальные исследования структуро образования и физико-механических свойств пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнерго емким переменным электрическим полем .40
2.1 Идея, сущность и теоретическое обоснование предлагаемого способа регулирования структурообразования и свойств пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием .40
2.2 Характеристики исходных материалов .43
2.3 Программа экспериментальных исследований физико-механических свойств активированных пено- и фибропенобетонов 45
2.4 Особенности изготовления пено- и фибропенобетонных смесей и опытных образцов из них .51
2.5 Методики испытаний опытных образцов .53
2.6 Анализ результатов экспериментальных исследований 55
2.7 Дополнительные экспериментальные исследования и анализ полученных результатов 68
2.8 Выявление рациональных режимов малоэнергоемкого электрофизического воздействия на пено- и фибропенобетонные смеси и бетоны 73
2.9 Особенности структурообразования пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов при активации их малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием .83
2.10 Выводы по главе 2 .86
3 Экспериментальные исследования конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием 88
3.1 Основные конструктивные характеристики пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием 88
3.2 Программа и методика экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием .88
3.3 Особенности методики испытаний опытных образцов 89
3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования активированных пено- и фибропенобетонов .93
3.4.1 Прочность 93
3.4.2 Предельные деформации .98
3.4.3 Модуль упругости 99
3.4.4 Диаграммы «напряжения-деформации» 99
3.5 Коэффициент конструктивного качества активированных пено- и фибропенобетонов 100
3.6 Усадка и ползучесть активированных пено- и фибропенобетонов .102 3.6.1 Общая постановка исследований усадки и ползучести .102
3.6.2 Особенности методики экспериментальных исследований 104
3.6.3 Анализ результатов исследований усадки и ползучести 106
3.7 Выводы по главе 3 .109
4 Предложения по расчетной оценке физико механических и конструктивных характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропено-бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием 111
4.1 Рекомендации по расчетному определению физико-механических характеристик пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия .111
4.2 Предложения по расчетной оценке конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия 118
4.3 Нормативные и расчетные сопротивления пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием 122
4.4 Расчетное определение физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием в зависимости от возраста бетона 125
4.5 Рекомендации по аналитическому описанию диаграмм деформирования "напряжения-деформации" при сжатии и растяжении активированных пено- и фибропенобетонов в различные сроки твердения и их взаимосвязь 129
4.6 Предложения по расчетной оценке усадки и ползучести пено- и фибробетона, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием .131
4.7 Выводы по главе 4 .133
5 Разработка технологии промышленного производства пено- и фибропенобетонных изделий с активацией малоэнергоемким переменным электрическим полем 135
5.1 Особенности предлагаемой технологии производства изделий из активированных теплоизоляционных пено- и фибропенобетонов .135
5.1.1 Обеспеченность предприятия нормативно-технической документацией 135
5.1.2 Характеристика необходимого производственного оборудования.137
5.1.3 Сырьевые материалы, их доставка, подготовка и хранение 138
5.1.4 Дозирование компонентов и подготовка форм 139
5.2 Технология производства пено- и фибропенобетонных изделий на предприятии с применением малоэнергоемкой электрофизической активации бетонных смесей 139
5.3 Характеристика производимых стеновых блоков 142
5.4 Контроль изготовления и качества продукции .143
5.5 Техника безопасности, охрана труда и окружающей среды 146
5.6 Опытно-промышленная установка для электрической активации, ее схема и описание .151
5.7 Обоснование технической эффективности предлагаемой технологии
производства неавтоклавного активированного пено- и фибропенобетона .153
5.8 Расчет экономической эффективности предлагаемой технологии
производства активированного пено- и фибропенобетона .155
5.9 Разработка технологии получения активированных пено- и фибропенобетонов в условиях стройплощадки и возведения стеновых конструкций из них .159
5.10 Выводы по главе 5 162
Основные выводы 163
Литература
- Ячеистые бетоны как объект исследования
- Дополнительные экспериментальные исследования и анализ полученных результатов
- Программа и методика экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием
- Предложения по расчетной оценке конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия
Ячеистые бетоны как объект исследования
При 175 Гц наблюдалось растворение алюминатных фаз, увеличение содержания гидроалюминатов кальция, портландита Ca(OH)2. Частота 650 Гц влияет на растворение белитовых фаз. 1100 Гц и 1575 Гц – область частот, оказывающих влияние на растворение алитовых составляющих. Происходит увеличение количества гидросиликатов кальция и портландита и уменьшение количества гидроалюминатных фаз.
В результате делается вывод, что избирательное изменение скорости растворения различных минеральных составляющих может вызвать, в свою очередь, изменения гидратных новообразований, что позволит оптимизировать их соотношения в цементном камне.
В [73] уделяется внимание удалению влаги с поверхности теста при влиянии электрического поля на твердение цемента. Идет речь об уплотнении упаковки частиц в тесте под действием электрофореза и появлении свободной влаги на поверхности образца. Под действием поля вода испаряется, но через некоторое время структурируется, и удаление ее с поверхности затрудняется.
С повышением напряженности поля структурирование усиливается. Влага на поверхности и ее последующее испарение в итоге приводят к образованию миграционных капилляров в тесте. Вследствие этого физико-механические показатели цементного камня ухудшаются и отмечается деструктивный, а не конструктивный характер поляризации.
Интенсивное и продолжительное по времени (до 30 мин.) воздействие высокочастотного поля на цементный раствор приводит к сильному его разогреванию, а также парообразованию и высыханию раствора, что ведет к потере прочности [73].
В [47] отмечается, что воздействие высокочастотного электрического поля частотой до 68 МГц и мощностью до 4 кВт, регулируемого изменением силы анодного тока генератора в пределах 0,5-1 А в течение времени от 1 до 45 мин. на цементный раствор не приводит к существенному увеличению конечной прочности образцов, хотя при этом наблюдается скорость твердения и ускоренный рост прочности образцов.
А в [73] говорится о повышении прочности и улучшении структуры цементного камня при воздействии высокочастотного электрического поля. Действие поля на процессы гидратации цемента автор связывает с изменением толщины двойного электрического слоя на поверхности частиц исходного вещества и продуктов его гидратации, с деформацией двойного электрического слоя, имеющей пульсационный характер и с появлением диффузных потоков в пределах двойного электрического слоя и вне его. Вследствие этого изменяется кинетика процесса твердения и происходит интенсивное удаление продуктов гидратации цемента от поверхности его зерен.
В работе [38] рассматривается влияние внешних электрических полей на кинетику структурообразования цементного камня. Отмечается способность смеси продуцировать собственное электрическое поле. Учитывается стадия кинетики процесса твердения растворных смесей, идет отслеживание существенных изменений параметров смеси.
Предлагается поместить растворную смесь в качестве одного из двух слоев двухслойного конденсатора (вторым будет являться диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью) и приложить напряжение. В таком конденсаторе на поверхности раздела двух сред также появляется заряд, постепенно нарастающий после включения напряжения и уменьшающийся при разряде конденсатора.
Далее исследуется поле в конденсаторе, а затем определяются напряженности поля в обоих слоях. Отмечается, что в начальный момент времени напряженность поля определяется диэлектрическими свойствами, а с течением времени - определяется проводимостями. За начало процесса принимается момент начала перераспределения зарядов в веществе. Делается вывод о существенной роли закона изменения напряжения на электродах.
Проведенный анализ выявляет, что по мере развития кинетики структурообразование растворной смеси изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, можно говорить об изменении напряженности электрического поля по круто падающей экспоненте. Вследствие этого делается заключение, что электрическое поле в растворной смеси существует более длительное время при обработке электрическим полем постоянного напряжения, чем при обработке синусоидальным напряжением.
Работа [73] посвящена рассмотрению коагуляции под действием внешних электрических полей. Авторы отмечают, что в полярных средах между частицами, находящимися в электрическом поле, возникает притяжение и в результате образуются линейные агрегаты-цепочки, ориентированные вдоль силовых линий поля. Снятие же поля приводит к распаду таких агрегатов.
В работе также говорится, что электрокинетические свойства цементного камня определяют ряд таких процессов как адсорбция, коагуляция и т.д. Установлено, что при коагуляции между сближающими частицами действуют отталкивающие силы и частицы для их преодоления должны обладать достаточной кинетической энергией. Опираясь на полученные данные, авторы утверждают о благоприятном влиянии заряда частиц на коллоидную устойчивость. Делается вывод, что происхождение отталкивающих сил следует искать во взаимодействии диффузных электрических слоев. Взаимодействие между комплексами, состоящими из коллоидных частиц и диффузных слоев, связано с деформацией их ионных атмосфер. Количественно интерпретировать это взаимодействие нужно с точки зрения электрического поля при гидратации цементов в растворных смесях.
Дополнительные экспериментальные исследования и анализ полученных результатов
Известно, что прочность ячеистых бетонов в значительной степени зависит от физико-механических свойств материала межпоровых перегородок, в частности, от его плотности. Однако в реальных материалах плотная упаковка твёрдых частиц в межпоровых перегородках обычно не достигается из-за угловатости и шероховатости частиц [22,50]. В технологии тяжёлых бетонов проблему уплотнения структуры обычно решают с помощью механического вибрирования, и более упорядоченное расположение зёрен заполнителя является результатом действия гравитационных сил после тиксотропного разжижения цементного раствора. Исходя из размеров зёрен заполнителя в тяжёлых бетонах, для улучшения их структуры обычно используют колебания промышленных частот 50 – 100 Гц.
Но в ячеистых бетонах частицы инертных компонентов имеют размеры менее 1 мм, что требует повышения частоты вибрирования в 102 и более раз. Колебания таких частот в вязких средах быстро затухают, а повышение их мощности приводит к нежелательному изменению макроструктуры ячеистых бетонов, в частности пенобетона, что и было зафиксировано в ряде работ.
В технологии ячеистых бетонов эффективно уплотнение материала межпоровых перегородок для ликвидации в них капиллярной пористости и увеличения площади фазовых контактов между частицами с помощью воздействия на свежеуложенную смесь переменного электрического поля.
Рассмотрим, в частности структуру пенобетона как одного из наиболее распространенных в настоящее время видов ячеистого бетона.
Известно, что частицы цемента и минерального заполнителя, в частности кварцевого песка, имеют поверхностный электрический заряд. В начальный период гидратации цементных частиц в смеси и возникновения коагуляционных контактов между частицами твёрдые заряженные частицы в жидкой среде находятся во «взвешенном» равновесном состоянии с фиксацией преимущественно в положениях дальнего энергетического минимума. В результате возникающего периодического механического воздействия, создаваемого переменным электрическим полем, эти частицы вместе с их сольватными оболочками можно перевести в колебательное движение.
Тем самым случайные непрочные структурные связи в смеси будут разрушаться, что вызовет ее тиксотропное разжижение в микрообъёмах и будет способствовать более плотной упаковке частиц инертных компонентов в материале межпоровой перегородки.
Преимуществом данного метода является подведение энергии колебаний непосредственно к зёрнам заполнителя без воздействия на макропоры в структуре пенобетонной смеси [135].
Теперь рассмотрим структуру фибропенобетона с учетом роли и влияния армирующих его фибр, в частности синтетических.
Синтетические волокна также обладают некоторым поверхностным электрическим зарядом. И потому в высокочастотном переменном электрическом поле они также будут совершать вынужденные колебания. Но следует отметить, что учитывая отличия геометрии фибр от частиц заполнителя, колебания и перемещения фибр и частиц под воздействием переменного электрического поля будут существенно различаться между собой.
При этом необходимо учитывать направление силовых линий электрического поля, так как это оказывает влияние на итоговое пространственное расположение волокон в материале после воздействия.
В целом же, фибра оказывает демпфирующее влияние на твердые частицы песка при колебательном движении всей системы бетонной смеси. Это имеет большое значение для предотвращения разрушения структуры при критических значениях параметров электроактивации.
Таким образом, при воздействии переменным электрическим полем на фибропенобетонную смесь фибровое армирование еще более повышает эффективность электрофизического воздействия и еще более улучшает прочностные характеристики материала.
Рассмотрим теоретическое обоснование предложенного технологического способа. Пусть ячеистая бетонная смесь находится между плоскими электродами, расположенными на расстоянии / друг от друга и к ним приложено переменное электрическое напряжение U = U0coscot. Пусть также величина заряда зерна заполнителя пенобетонной смеси равна q, а его масса т.
Тогда в переменном электрическом поле Е = Е0 cos cot, где Е0=— амплитуда электрического поля в объёме материала, на зерно будет действовать сила F(t) = F0 cos at, где F0=qE0. Так как зерно находится в слабовязкой среде и окружено другими такими же зёрнами, то к нему будут приложены ещё квазиупругая сила Fy=kx, где х - смещение частицы из положения равновесия, и сила сопротивления Fc =rv, где v - скорость частицы, а г - коэффициент сопротивления среды
Программа и методика экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик и диаграмм деформирования пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием
Анализ проведенных нами широкомасштабных экспериментальных исследований показал также, что при активации малоэнергоемким переменным электрическим полем с выявленными наиболее оптимальными величинами его параметров, физико-механические характеристики пено- и фибропенобетонов изменились соответственно: - прочность при сжатии - увеличилась на 19% и 21,6%; - средняя плотность - снизилась на 1,9 и 2,5%; - отпускная влажность - заметно не изменилась; - сорбционная влажность при относительной влажности воздуха 75% и 97% - снизилась соответственно на 7,4% и 9,5% и на 1,7% и 6,8% ; - теплопроводность - снизилась на 25% и 12%; - паропроницаемость - увеличилась на 9% и 12%. Тем самым очевидно, что сопоставление физико-механических характеристик пено- и фибропенобетонов, изготовленных по обычной технологии и с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрическим воздействием, показало высокую эффективность последнего.
Особенности структурообразования пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов при активации их малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием
Исследование характера пористости пено- и фибропенобетонов, полученных по обычной технологии и технологии с применением малоэнергоемкой активации переменным электрическим полем проводилось на специально отобранных образцах. Электрическая активация проводилась при оптимальных электрофизических параметрах, установленных ранее.
Отмечается полидисперсность пор. Поры меньшего диаметра располагаются между более крупными. Необходимо отметить сниженную микропористость перегородок в активированных пено- и фибропенобетонах по сравнению с неактивированными. Также заметно уменьшение толщины межпоровых перегородок в активированных бетонах за счет более плотной упаковки твердых частиц. Вследствие этого в материале наблюдается увеличение объема макропор, форма которых близка к шаровидной
Проанализировав фотографии микроструктур пено- и фибропенобетонов, полученных по различным технологиям, можно сделать вывод, что характер пористости данных материалов, а, следовательно, и их основные свойства, может изменяться за счет применения в технологии производства малоэнергоемкой активации переменным электрическим полем.
Сравнение структурообразования пено- и фибропенобетонов,
изготовленных по обычной технологии и с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрическим полем, однозначно и убедительно показало высокую эффективность последнего.
Подводя итоги, в целом, можно считать доказанной возможность регулирования физико-механических свойств и структурообразования пено- и фибропенобетонов предложенным способом активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.
1. Предложены идея, сущность и теоретическое обоснование способа регулирования структурообразования и свойств пено- и фибропенобетонных смесей и бетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, разработана методика его реализации в лабораторных условиях.
2. Доказана возможность регулирования и управления физико механическими свойствами и структурообразованием пено- и фибропенобетонов предлагаемым способом активации малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием и влиянием его на характер пористости и уплотнение межпоровых перегородок.
3. Экспериментально выявлены оптимальные режимы малоэнергоемкой обработки пено- и фибропенобетонных смесей переменным электрическим полем.
4. Проведены широкомасштабные экспериментальные исследования, доказавшие что при активации малоэнергоемким переменным электрическим полем характеристики пено- и фибропенобетонов изменились соответственно: - прочность при сжатии - увеличилась на 19% и 21,6%; - средняя плотность снизилась на 1,9 и 2,5%; - отпускная влажность заметно не изменилась; - сорбционная влажность при относительной влажности воздуха 75% и 97% снизилась соответственно на 7,4% и 9,5% и на 1,7% и 6,8% ; - теплопроводность снизилась на 25% и 12%; - паропроницаемость увеличилась на 9% и 12%.
5. Сравнение физико-механических характеристик и структурообразования пено- и фибропенобетонов, изготовленных по обычной технологии и с применением предложенного способа активации малоэнергоемким переменным электрическим полем, показало высокую эффективность последнего.
Предложения по расчетной оценке конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов в зависимости от параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия
Тем не менее, определенный вклад в совместное сопротивление стеновых конструкций внешним нагрузкам они все-таки вносят, в особенности с учетом роста их характеристик в результате активирования малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.
А потому вопрос об определении их нормативных и расчетных сопротивлений все же представляет определенный интерес.
И в связи с этим, после выявления изменения физико-механических, а затем и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, и разработки предложений по их расчетному определению в возрасте 28 суток, необходима, в первую очередь, разработка рекомендаций по расчетному определению их нормативных и расчетных сопротивлений для возможности расчета по нормам - по предельным состояниям I и II групп.
Для этого необходима определенная статистика, основанная на большом количестве экспериментальных данных.
С этой целью нами были проанализированы результаты многочисленных проведенных нами экспериментальных исследований призм и восьмерок из пено- и фибропенобетона, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием.
По результатам статистической обработки опытных данных нами были определены нормативные сопротивления сжатию и растяжению активированных пено- и фибропенобетонов при надежности 0,95. Их значения, являющиеся одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы Rb,ser и Rbt,ser для исследованных пено-и фибропенобетонов с процентом фибрового армирования =4% приводятся в таблице 4.6.
Расчетные сопротивления пено- и фибропенобетонов для предельных состояний первой группы Rb и Rbt получали как частное от деления нормативных сопротивлений сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии gbc = 1,5 и при растяжении gbt = 2,3.
Рекомендуемые значения нормативных и расчетных характеристик пено- и фибропенобетонов класса В 1 D 500 с =4%, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием
Видсопротив-ления Нормативные и расчетные характеристики пено-(числитель) и фибропенобетона (знаменатель), МПа нормативные сопротивленияRbn, Rbtnили расчетныесопротивленияII группыRb,ser Rbt,ser расчетныесопротивленияI группыRb, Rbt начальныемодули упругостиЕb(bt) 103 Сжатие осевое 12 1,4 QA0,95 I 1,1 Растяжение осевое 0,20,25 OJ. 0,12 I 1,1 При расчете и проектировании пено- и фибробетонных элементов необходимо учитывать также деформативность пено- и фибропенобетонов.
При кратковременном нагружении обычных пено- и фибропенобетонов с =4% их предельную сжимаемость можно принимать равной 260 . 10-5 и 350 . 10-5, а предельную растяжимость – 30 . 10-5 и 40 . 10-5 . То есть, у фибропенобетонов по сравнению с пенобетонами предельная сжимаемость увеличивается в 1,35 раза, а предельная растяжимость - в 1,33 раза.
При кратковременном же нагружении пено- и фибропенобетонов с тем же процентом фибрового армирования =4%, но активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием, предельную сжимаемость можно принимать равной уже 200 . 10-5 и 250 . 10-5 , а предельную растяжимость - 25 . 10-5 и 35 . 10-5 соответственно. Другими 124 словами, предельная сжимаемость и растяжимость активированных пено- и фибропенобетонов снижается примерно на 20% по сравнению с обычными пено- и фибропенобетонами, что в итоге привело и к повышению начального модуля упругости.
Расчетное определение физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием в зависимости от возраста бетона
Итак, выше нами уже разработаны предложения и рекомендации по расчетному определению изменения физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием в зависимости от величин параметров воздействия в возрасте 28 суток.
Однако рациональный диапазон изменения величин этих параметров уже нами определен, более того – нами уже определены конкретные значения рациональных величин этих параметров (напряженность – 3В/см, частота - 50кГц, время воздействия – 1 мин.), при которых изменение физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов наиболее велико и благоприятно для их дальнейшей работы в конструкциях.
Именно поэтому представляется, что не имеет особого смысла повторить уже проделанные выше расчетные манипуляции и предлагать рекомендации по расчетному определению изменения физико-механических и конструктивных характеристик пено- и фибропенобетонов, активированных малоэнергоемким переменным электрофизическим воздействием в зависимости от величин параметров воздействия на любом сроке их твердения и возраста.
Но зато имеет смысл именно теперь разработать и предложить рекомендации по расчетному определению физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов на любом сроке их твердения – то есть в зависимости от возраста - именно для выявленных нами конкретных значений рациональных величин напряженности, частоты и времени малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия, при которых изменение этих характеристик пено- и фибропенобетонов дает наилучшие результаты..
Разработанные ниже наши расчетные предложения состоят в рекомендациях по аналитическому описанию коэффициентов изменения физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов при приведенных выше наиболее рациональных значениях параметров малоэнергоемкого переменного электрофизического воздействия в зависимости от возраста бетона в виде:
K = f (t), (4.2)
где K - коэффициент, равный отношению той или иной из физико-механических и конструктивных характеристик активированных пено- и фибропенобетонов к ее базовому значению, за которую принимается ее величина в возрасте 28 суток;
