Автоматизированный Расчет состава тяжелого бетона и Прогнозирование его свойств Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

MODELLING OF THE ROUTE OF MOVING OF PIECE CARGOES IN THE AUTOMATED WAREHOUSES THE SHORTEST CONNECTING LINES

K. A. Kuspekov

In article the geometrical model of the automated warehouse in the form of a threedimensional orthogonal network is considered. The route of moving of cargoes is defined by step-by-step algorithm.

Куспеков Кайырбек Амиргазыулы - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Начертательная геометрия и графика», Казахский национальный технический университет им. К. И. Сатпаева, г. Алматы. Основные направления научной деятельности геометрическое моделирование инженерных объектов. Общее количество опубликованных работ: 66. е-mail:

kuspekov_k@mail. ги

УДК 691:681.5

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

И. Л. Чулкова

Аннотация. Автором рассматриваются проблемы проектирования состава бетонных смесей и описывается созданная система автоматизированного проектирования состава бетона. В статье приводятся результаты экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от различных факторов, используемые для прогнозирования свойств бетона на стадии его проектирования.

Ключевые слова: тяжелый бетон, автоматизация, проектирование состава, свойства бетона, прогнозирование свойств бетона.

Введение

Бетоны в настоящее время являются наиболее распространенными строительными материалами. Тяжелые бетоны относятся к самым массовым по применению в строительстве вследствие их высокой прочности, надежности и долговечности при работе в конструкциях зданий и сооружений. Поэтому весьма актуально получение бетона с требуемыми физико-механическими свойствами.

Решение данной задачи в значительной степени связано с применением при исследовании бетона современной технологии математического моделирования [1] и вычислительного эксперимента, реализацией эффективных численных методов и алгоритмов в виде проблемно-ориентированных программ для оптимизации составов бетонных смесей и прогнозирования их эксплуатационных свойств.

Проблемы проектирова н ия состава бето н ных смесей

Наиболее ответственным участком технологического процесса приготовления бетонной смеси является проектирование состава

бетонной смеси. Широко используемым на производстве является расчетно-

экспериментальный (технологический) метод проектирования состава бетона [2].

Прогнозирование свойств бетона на стадии проектирования позволило бы учитывать возможные изменения качественных показателей конечного продукта при изменении свойств исходных материалов и параметров технологических режимов. Это даст возможность повысить эффективность производства за счет экономии материальных и трудовых ресурсов.

Эффективность проектирования составов зависит от оптимальности указанных исходных параметров с учетом назначения бетона, вида конструкций и способа их производства. Конечная цель оптимального проектирования состава бетона - определение оптимального соотношения компонентов бетонной смеси при допустимых исходных параметрах и получение материала необходимого качества.

Проектирование состава бетонной смеси и планирование испытаний являются достаточно трудоемкими и наиболее уязвимыми с точ-

ки зрения возникновения ошибок этапами технологического процесса приготовления бетонной смеси. Ошибки при осуществлении расчетов могут привести к появлению брака, а значит, перерасходу материалов и денежных средств, тем более, что стоимость железобетонных конструкций достаточно высока.

Следовательно, автоматизация процесса проектирования состава бетонной смеси позволит исключить ошибки при расчете, снизить вероятность осуществления корректировки расчетов и сократить время всего проектирования в целом. Достижение основной цели (сокращение времени, трудоемкости и снижение брака при производстве) лежит в области автоматизации расчетов при проектировании, планировании эксперимента и попытки прогнозирования качества бетона на стадии проектирования состава бетонной смеси. Для сокращения сроков всего технологического процесса приготовления бетонной смеси необходимо автоматизировать расчетные операции при проектировании состава бетона, так как в настоящее время эти операции выполняются вручную. Это позволит избежать ненужных ошибок и сократить сроки расчетов.

Главное условие оптимального проектирования составов бетона - создание количе-

Модуль «Подбор состава бетона» позволяет подбирать требуемые составы с заданными характеристиками. С помощью данного модуля можно осуществлять подбор состава тяжелого бетона с добавками или без них. За основу расчета количественного состава бетонной смеси были выбраны методики, описанные в литературе [5], в СНиП [6], а также формулы, полученные на основе экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от различных факторов.

ственных зависимостей, позволяющих получать заданные свойства бетона при изменении основных технологических факторов и управлять этими свойствами [3].

Система автоматизирован ного проек-тирова ния состава бето н а

Разработанная система автоматизированного проектирования состава бетонных смесей включает в себя несколько модулей: «Подбор состава бетона», «Корректировка состава», «Прогнозирование свойств», «Планирование эксперимента» [4].

Работа с модулями осуществляется в диалоговом режиме, реализованном в виде мастера, объединяющего в себе ряд шагов и позволяющего по введенным пользователем данным проектировать и корректировать состав, прогнозировать характеристики получившейся бетонной смеси. Предусмотрена возможность сохранения результатов в файле, открытие ранее сохраненного файла, вывод результатов на печать, работа со справочным материалом.

Порядок работы с модулями выбирается пользователем, на каждом этапе работы можно вернуться в главное окно и выбрать другой модуль. Внешний вид главного окна приложения показан на рис. 1.

При проектировании состава тяжелого бетона [7] следует задать вид бетонной смеси (подвижная или жесткая), соответствующее значение удобоукладываемости бетонной смеси (подвижность или жесткость), требуемую прочность бетона, активность и плотность цемента, плотность и водопотребность песка, вид крупного заполнителя, его плотность и наибольшую крупность, соотношение по массе мелкого и крупного заполнителей (рис. 2.).

^ Проектирование составов бетонных смесей (^][п][х^|

О программе

Подбор состава бетона

Корректировка состава

Прогнозирование свойств

Планирование эксперимента

Рис. 1. Внешний вид главного окна приложения

Рис. 2. Подбор состава тяжелого бетона с добавкой

Для подбора состава тяжелого бетона с пр.), в соответствии с рекомендуемой дози-

добавкой необходимо выбрать из базы дан- ровкой указать количество добавки и ее плот-

ных вид добавки (пластификатор, ускоритель ность (рис. 3.). твердения, воздухововлекающая добавка и

& Подбор состава тяжелого бетона

Файл Справка Выбор параметров Выбор добавок

Добавка

Вид добавки |Ппастификатор А

Количество, % от массы цемента 0,2

Плотность, г/см^ 1

Добавка Рекомендуемая дозировка

Пл асти ф икатор 0,1-0,6

Рис. 3. Выбор добавки

После задания указанных параметров производится расчет состава тяжелого бетона. Полученный состав выводится на форму, а также может быть сохранен в файле с помощью соответствующего пункта меню «Файл». И з окна «Подбор состава тяжелого бетона» можно сразу перейти в модуль корректировки состава.

С помощью модуля «Корректировка состава» можно откорректировать состав бетонной смеси. Алгоритмы корректировки состава бетонной смеси включают зависимости, с помощью которых корректируются при исходных условиях соответствующие смесевые параметры, пересчитывается состав бетонной

смеси и устанавливается необходимое изменение дозировок на производственный замес.

Откорректировать состав тяжелого бетона можно с учетом: влажности компонентов бетонной смеси; с учетом фактической плотности бетонной смеси; с учетом фактической плотности влажных компонентов бетонной смеси и объема бетоносмесителя.

Переход в модуль «Корректировка состава» можно осуществить как из главного окна приложения (см. рис. 1), так и из модуля «Подбор состава бетона». В результате работы данного модуля выдается уже готовый производственный состав бетона.

Для корректировки состава тяжелого бетона с учетом влажности компонентов бетонной смеси нужно задать влажность мелкого и крупного заполнителей, расход сухих компонентов. Для состава с добавкой указывается концентрация водного раствора добавки и его плотность. По введенным данным вычисляется расход влажных компонентов бетонной смеси (рис. 4). Можно откорректировать ранее спроектированный и сохраненный в файле состав, выполнив команду «Открыть» в меню «Файл». Откорректированный состав выводится на форму, а также может быть сохранен в файле.

орректировка состава

Файл Справка

ЕЕ®

“Состав-----

С без добавок <* с добавками

Влажность песка, % |з " Концентрация добавки, % [5

Влажность кр. заполнителя, %[2 Плотность раствора добавки, г/см311,02~~

Расход сухих компонентов, кг (л)

Вода [Ї56

Цемент 307,7

Песок |613,3

Кр. заполнитель 11333.2 Добавка [о^б

Расчет~| Очистка | Назад |

Расход с учетом влажности, кг (л)

Вода |ЭЭ,8

Цемент 307,7

Песок 1631,7

Кр. заполнитель 11359,9 Добавка |и?8

Фак

пгческии расход на

1 куб. м |

Расход на замес бетоносмесителя |

Рис. 4. Внешний вид окна корректировки состава тяжелого бетона

Для корректировки состава с учетом фактической плотности бетонной смеси нужно задать фактическую плотность бетонной смеси и расход компонентов. Затем осуществляется расчет фактического расхода материа-

лов на 1 м3 бетонной смеси. Внешний вид окна корректировки состава бетона показан на рис. 5. Результаты выводятся на форму или сохраняются в файл.

5-'1 Росчаї фая ї ч чесної о чл 1 «уб. м 0?тйча

Файл ілтравлі

Пп о т Н с-с бетон ВОЙ С МГс Я, :цт/м5 ’¿450 Масса, кг

Ьі>дл № Расчет Вода 101,4

Цеыгнт ¡307.7 ОчіІСТК] Цен* кт 512.7

Пїсок

'"■31.7

К|р. аиолнітлі.. 1359,9 Добавка

ПсС*ІІ

^1,9

11.8

Кр зли л китель 082,0 Добавка

Рис. 5. Внешний вид окна расчета состава на 1 м бетона

Для расхода материалов на один замес бетоносмесителя необходимо задать емкость бетоносмесителя, расход и фактическую плотность влажных компонентов бетонной

смеси. Откорректированный состав выводится на форму, а также может быть сохранен в файле с помощью соответствующей команды меню «Файл» (рис. 6).

& Расчет расхода материалов на замес бетоносмесителя

Файл Справка

Емкость бетоносмесителя, л 50 Масса, кг

Вода

Цемент Песок

307,7

Плотность, кг/м^

Цемент

3,1

631,7

Песок

2,6

Ер. заполнитель Добавка Назад

1359,9

11,8

Ер. заполнитель |2,5 Добавка

1,02

Расчет

Расход материалов на замес, кг (л)

Вода

Цемент

Песок

Ер. заполнитель Добавка

5,6

17,1

35,2

75,7

0,7

Очистка

Рис. 6. Внешний вид окна расчета состава бетона на замес бетоносмесителя

С помощью модуля «Прогнозирование используются зависимости, полученные в хо-

свойств» можно определить прочность, плот- де экспериментальных исследований. Фраг-

ность, морозостойкость и водонепроницае- мент окна прогнозирования свойств бетона

мость бетона, а также провести технико- показан на рис. 7.

экономический анализ состава. В расчетах

^ Прогнозирование свойств бетона

Файл Справка

Активность цемента, МПа

Водоцементное отношение Расход материалов, кг (л) Вода Цемент Песок

171,0

37,5

0,48

Назад

353,4

589,3

Очистка

Расчет |

Стоимость материалов, руб/кг Вода Цемент Песок

Ер. заполнитель 1281,0 Добавка [о

Вид добавки

Водоцементное отношение 0,48

Кр. заполнитель 1,92 Добавка

Себестоимость бетона, руб/м3 4605,50

Прочность бетона, МПа 28,1

Соотношение мелкого и крупного заполнителей 0,46 Плотность бетона, кг/м3 2376,6 Рис. 7. Фрагмент окна прогнозирования свойств бетона

Для прогнозирования свойств бетона были проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены уравнения регрессии, отражающие зависимость свойств бетона (прочность, плотность и др.) от различных факторов.

Так, например, уравнения прочности при сжатии и плотности тяжелого бетона без добавок и с добавкой суперпластификатора, соответственно, выглядят следующим образом (1)-(4).

Тяжелый бетон без добавок

(1)

(2)

Ясж = 189,19 + 0,02х1 -150х2 - 209,1х3 -

- 0,4х1х 2 + 0,12х1х 3 + 231х 2х 3,

рбет = 2372,28 + 1,2х1 + 471,8х 2 +

+ 490,7х3 - 2,33х4,

Тяжелый бетон с добавкой суперпластификатора

Ксж = -21 + 0,24*! + 34,14*2 - 33*3 -15,22*4, (3)

рбет = 3248,29 + 0,042х1 - 32,89х2 -

- 69,07х3 - 1,7х 4 - 87 х 5, (4)

где Осж- прочность бетона при сжатии, МПа; Рбет - плотность бетона, кг/м3; х1 - количество цемента, кг; х2 - водоцементное отношение смеси; х3 - соотношение по массе между мелким и крупным заполнителями; х4 - марка цемента; х5 - количество добавки, % от массы цемента.

Для вывода уравнений регрессии использовался модуль «Планирование эксперимен-

та» созданной системы автоматизированного проектирования состава бетона. Полученные уравнения регрессии использовались для расчета состава бетона.

Для предварительной оценки прочности бетона при сжатии достаточно ввести значения активности цемента и водоцементного отношения. Для прогнозирования прочности бетона по заданному составу необходимо ввести активность цемента, расход материалов на 1 м3 бетонной смеси, указать вид добавки. Для прогнозирования себестоимости 1 м3 бетонной смеси необходимо ввести расход материалов и их стоимость.

Модуль «Планирование эксперимента» предназначен для математического моделирования процесса проектирования состава бетонной смеси с использованием метода полного факторного эксперимента. Внешний вид окна планирования эксперимента показан на рис. 8.

Планирование эксперимента

Количество факторов (не более 4) 3 Ут=Ехж =37,64-5,74x1-1,49x2+1,71x1x3

ХІ-В/Ц х2-ШЩ хЗ-Вода

уЛ х2 хЗ Уэ Ут

0,45 0,45 190,00 30,2 32,12

0,45 0,45 170,00 28,1 28,70

0,45 0,35 190,00 35,3 35,10

0,45 0,35 170,00 34 31,68

0,35 0,45 190,00 39,1 40,18

0,35 0,45 170,00 47,2 43,60

0,35 0,35 190,00 42,5 43,15

0,35 0,35 170,00 44,7 46,57

0,40 0,40 180,00 36,3

0,40 0,40 180,00 37,5

0,40 0,40 180,00 38,1

План

Расчет

Очистка

Назад

Рис. 8. Внешний вид окна планирования эксперимента

Первоначально в модуле задается количество факторов,затем вводятся их названия, значения основного уровня и интервалов варьирования. Далее составляется матрица

планирования эксперимента для заданных факторов и вводятся экспериментальные данные Уэ. По введенным данным автоматически составляется уравнение регрессии и

производится оценка его адекватности, в соответствии с методиками, описанными в [8-9]. Полученные уравнения регрессии впоследствии применяются для прогнозирования свойств бетона.

Заключе ние

Созданная система автоматизированного проектирования состава бетонных смесей обеспечивает: возможность прогнозирования требуемых параметров качества бетона и их высокую степень однородности уже на стадии проектирования его состава; сокращение сроков и повышение эффективности процесса проектирования и, как следствие, повышение качества бетона при его промышленном производстве на предприятиях строительной индустрии.

Библиографический список

1. Щербаков В. С. Математическая модель

вибрационного устройства с электромагнитным компенсатором жесткости/ В.С. Щербаков,

Н.Л.Левченко // Вестник СибАД И . - №1(19). - 2011.

- С.51-54.

2. ГОСТ 27006-86. Бетоны. Правила подбора состава. - М.: И здательство стандартов, 1987. - 12 с.

3. Санькова Т. А., Чулкова И . Л. Проблемы автоматизированного проектирования строительных конгломератов // Вестник Сибирской автомобильно-дорожной академии. Выпуск 5. - Омск: СибАД И. -2007. - С. 117-120.

4. Санькова Т. А. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10712 «Программа для проектирования составов бетонных смесей «ЭАРСоМ» от 05.06.2008 г. / Т.А. Санькова, И.Л. Чулкова.

5. Баженов Ю. М. Технология бетона. Учебник. - М.: И зд-во АСВ, 2003. - 500 с.

6. СНиП 3.06.04-91. Мосты и трубы. Приложение 4. - М.: И здательство стандартов, 1991. -45 с.

7. Санькова Т. А. Автоматизация процесса проектирования состава бетона // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАД И . - 2008. - Вып. 5. - Ч. 1. С. 280-285.

8. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 279 с.

9. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. - М., 1980. - 186 с.

THE AUTOMATED CALCULATION OF HEAVY CONCRETE MIXTURE AND FORECASTING ITS PROPERTIES

I. L.Chulkova

The designing problem of concrete mixture is considered and the created system of automated designing concrete mixture is described. In this article are some experimental researches of concrete durability depending from various factors and using for forecasting their properties at the designing stage.

Чулкова Ирина Львовна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» ФГБОУ ВПО СибАДИ. Основные направления научной деятельности: управление структурообразованием строительных композитов. Система автоматизированного проектирования составов бетонов. Общее количество опубликованных работ: 150. е-mail: chulkova_il@sibadi. org