CC BY
153
Структура ПКНМ, особенности ее формирования, анизотропия свойств, связанная с различной реакцией составляющих компонентов на действие температурных и силовых факторов, а также с определенной направленностью армирующих элементов оказывает особое влияние на физические процессы в зоне резания, построение технологических процессов, выбор оборудования и инструмента, структуры операций и условий их выполнения. При обработке заготовок из ПКНМ практически не образуется стружки, В зависимости от матрицы создается пыль, которая имеет хорошую электропроводимость (углеволокна), что необходимо учитывать при выборе оборудования. Необходима вытяжка отходов из зоны резанья, дополнительная защита направляющих и защита электродвигателей не ниже международной сертификации IP 55. Применение ТЖ так же не исследовано и нет четких рекомендаций, при каких условиях обработки ее необходимо использовать.
Проблемы механической обработки в первую очередь связаны с особенностями процесса резания непластичных композиционных материалов. Все закономерности процессов, происходящих в зоне резания связанных с пластическим деформированием металла, неприменимы для ПКНМ. Многослойная композиционная неметаллическая структура с разными прочностными характеристиками, теплопроводностью, способностью сохранять свои свойства при разных рабочих температурах ограничивает возможности применения стандартных условий обработки. В первую очередь это касается выбора скорости резания, определяющей теплонапряженность в зоне обработки. Характеристики шероховатости поверхности, образующихся при обработке, зависят от направления траектории движения подачи инструмента и от направления волокон армирующих элементов. При неблагоприятном сочетании этих движений возможно появление следов разрыва волокон, выброса фрагментов компонентов ПКНМ на поверхность и ухудшение характеристик шероховатости поверхности. На рис. 1 показаны результаты обработки отверстий деталей из КНМ [1].
а б
в г
Рис. 1 . Внешний вид поверхностей отверстия после обработки: а - расслоение, б - несрезанные волокна, в - выдернутые
волокна, г - обработка без видимых дефектов.
В основе термопластичной матрицы - смола, которая изменяет свое состояние и физико-механические свойства под действием высоких температур в зоне резания[2]. Предварительные исследования показали, что реакция компонентов и материала в целом на высокий градиент нарастания и спада температуры в зоне резания не изучена[3]. Колебания температуры, также как и силы резания, происходят с высокой частотой. Такие условия резания оказывают сильное влияние на деформации волокон и матрицы и формирование качественных характеристик поверхности заготовок[4]. Расплавленные смолы отрицательно влияют на период стойкости лезвийного инструмента, изменяя пару трения и, соответственно, коэффициент трения лезвия о материал. Для шлифовальных кругов такие материалы приводят к «засаливанию» кругов, их более частой правке, к увеличенному расходу и снижению качества поверхности[5].
Анализ немногих известных результатов исследования механической обработки КНМ показывает, что: 1- не изучены физические процессы в зоне резания, 2 - не существуют проверенные на практике технологические рекомендации по назначению режимов резания, структур операций, условий обработки, методов обработки, 3 - нет рекомендаций по выбору оборудования, режущего инструмента, 4 - нет экономической оценки эффективности обработки.
Литература
1. J. Davim and P. Reis, “Damage and dimensional precision on milling carbon fiber-reinforced plastics using design experiments,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 160, no. 2, pp. 160-167, Mar. 2005.
2. N. Bhatnagar, “On the machining of fiber reinforced plastic (FRP) composite laminates,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 35, no. 5, pp. 701-716, May 1995.
3. J. Davim, P. Reis, and C. C. Antonio, “Experimental study of drilling glass fiber reinforced plastics (GFRP) manufactured by hand lay-up,” Composites Science and Technology, vol. 64, no. 2, pp. 289-297, Feb. 2004.
4. P. Ghidossi, M. Elmansori, and F. Pierron, “Edge machining effects on the failure of polymer matrix composite coupons,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 35, no. 7-8, pp. 989-999, Jul. 2004.
5. P. Guegan, F. L. E. Maitre, and J. C. Hamann, “Contribution a l’usinage des materiaux composites,” Actes de Colloques, pp. 7-9, 1992.
Иноземцев АС.1, Королев Е.В.2
'инженер-испытатель; 2доктор технических наук, профессор, директор НОЦ «Нанотехнологии», ФГБОУ ВПО «Московский
государственный строительный университет»
ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛЁГКИХ БЕТОНОВ. АНАЛИЗ МИРОВЫХ ДОСТИЖЕНИЙ
Аннотация
Развитие промышленности, информационных технологий и стремление к повышению комфорта заставляет людей во всем мире мигрировать в города, покидая сельские территории. Так в России, по данным Росстата [1], с 1959 года по 2010 год численность сельского населения сократилось с 48 до 26%, т.е. за 50 лет более 100 млн. человек стали проживать в городах. Безусловно, в ситуации, когда около % населения являются городскими жителями, возникает вопрос рационального использования территорий, возрастает необходимость строительства многоэтажных и высотных зданий, сети дорожных развязок, мостов.
87
Ключевые слова: высокопрочный легкий бетон, полые микросферы, нанотехнологии, энергоэффективный бетон, эффективное строительство.
Inozemtcev A.S.1, Korolev E.V.2
'engineer; 2doctor of engineering, professor, director of the research and educational center «Nanotechnology», National Research
University Moscow State University of Civil Engineering HIGHSTRENGTH LIGHTWEIGHT CONCRETE. ANALYSIS OF WORLD ACHIEVEMENTS
Abstract
The development of industry, information technology and the desire to improve comfort makes people all over the world migrate to the cities, leaving rural areas. For example, in Russia, according to Rosstat data [1], from 1959 till 2010 the number of the rural population decreased from 48%to 26%, i.e. over 50 years, more than 100 million people were living in cities. Of course, in a situation where roughly three-quarters of the population are urban residents, the question arises rational use of territories, there is a necessity of construction of multi-storey and high-rise buildings, the network of road interchanges, bridges.
Keywords: high-strength lightweight concrete, hollow microspheres, nanotechnology, energy efficient concrete, efficient construction.
Строительная отрасль, как фондообразующая неотъемлемая часть промышленного комплекса России, является одним из инструментов для решения поставленных задач и должна ориентироваться на развитие новых инновационных и энергоэффективных технологий. Использование современных конструкторских решений и новейших строительных материалов с применением разработок в области нанотехнологии должны обеспечивать интенсивный переход к высокотехнологичному строительному производству.
Одним из самых распространенных строительных материалов является бетон, который получил широкое распространение благодаря своим эксплуатационным свойствам, универсальностью доступной сырьевой базой и экологичностью. Сфера применение бетона определяется его архитектурно-строительными свойствами, технологическими особенностями производства, наличием местного сырья и требуемыми эксплуатационными характеристиками. В современном строительстве бетон применяется почти на всех этапах возведения здания: устройство фундаментов, несущих монолитных или сборных ограждающих конструкций, плит покрытия и систем коммуникаций.
В настоящее время в строительстве существует множество видов бетонов, которые классифицируются по плотности, виду вяжущего и области применения, но наиболее распространенным (более 60% всего производства [3]) является конструкционный тяжелый бетон на портландцементе. Тяжелый бетон характеризуется высокой плотностью 2100...2500 кг/м3, что обеспечивает высокую несущую способность и позволяет использовать в условиях больших эксплуатационных нагрузок.
Определение высокопрочного бетона дано в [2], в котором указано, что под высокопрочными следует понимать бетоны марки по прочности при сжатии более М600 (B45). Но универсальной общемировой формулировки не существует и определение высокопрочного бетона меняется по географическому и временному признаку. Например, в США [3] в 1960-х годах высокопрочным считался бетон с прочностью свыше 52 МПа, с 1970 года - более 62 МПа, а в тех регионах, где бетон класса B45 производится в промышленных масштабах, высокопрочными бетонами называют материалы с прочностью от 83 до 103 МПа. В Японии различные регламентирующая документация [4] называют высокопрочными бетоны с прочностью более 36 МПа, более 50 МПа или - в пределах от 60 до 100 МПа.
Со второй половины XIX века, когда бетон получил массовое распространение в связи с развитием производства портландцемента, современные бетоны претерпели значительные изменения, как в технологии приготовления, так и в показателях эксплуатационных свойств. Многокомпонентность бетонных смесей стала основой высокого качества и надежности композита. Растущие архитектурные и строительные требования к зданиям потребовали создания бетонов, способных обеспечивать особые свойства: высокая прочность для обеспечения несущих характеристик многоэтажных зданий, низкая плотность для снижения массы строительных конструкций, стойкость к действию эксплуатационных факторов (агрессивные среды, циклические воздействия температур и нагрузок различной интенсивности и т.д.) для повышения долговечности. Одним из таких бетонов, получившим в настоящее время широкое распространение является высокопрочный бетон.
Наиболее наглядными примерами использования высокопрочных бетонов в строительной практике можно назвать высотные объекты в США (рисунок 1) [5].
а) б) в) г) д) е) ж) з) и) к)
Рисунок 1 - Опыт применение высокопрочных бетонов в строительстве высотных зданий в США в 1989.1991х годах:
а - «Two Prudential Plaza», Чикаго; б - «311 South Wacker Drive», Чикаго; в - «Society center», Клеверленд; г - «One Peachtree Center», Атланта; д - «Trump Palace», Нью-Йорк; е - «Drain Bosworth Tower», Миннеаполис; ж - «225 West
88
Wacker Drive», Чикаго; з - «Gateway Tower», Сиэтл; и - «Pacific First Center», Сиэтл; к - «Two Union Square», Сиэтл.
Примечания: * - с применением железобетонного каркаса; f - с применением композитного бетона и металлического каркаса; ** - с применением экспериментальной колонны прочностью 117,2 МПа
Как видно из рисунка 1, опыт применение высокопрочных бетонов в строительстве высотных зданий в США имелся уже в конце 80-х годов XX века. Причем строительство зданий осуществлялось с использованием бетона прочностью более 80 МПа, что позволило возводить объекты высотой до 300 м. Применение высокопрочных бетонов позволяет добиться уменьшения поперечного сечения изделий (колонн, ригелей, балок и других несущих элементов конструкций); увеличения несущей способности, позволяющей увеличивать длину пролетов конструкций; сокращения расхода бетона и арматуры, экономии на транспортных расходах; уменьшения сроков производства работ при ускорении процессов твердения; повышения эксплуатационных свойств при высокой плотности. Востребованность многоэтажных зданий обуславливалась растущей плотностью населения и необходимостью рационального использования городских территорий, что привело к развитию производства и применения высокопрочного бетона. Однако существенным недостатком таких объектов является чрезмерные нагрузки на фундаменты и грунты, что требовало больших затрат на подготовительных работах, устройство нулевого цикла объектов и высокой металлоёмкости строительства, несмотря на наличие прочных скальных грунтов.
Наиболее известным опытом применения высокопрочных бетонов в России является строительство Московского международного делового центра «Москва-Сити» [2, 7], где использовался бетон с классом по прочности В80...В100 и подвижностью П4...П5. Высокопрочный бетон марки М800 применялся при строительстве вантового моста во Владивостоке, соединяющий полуостров Назимова с мысом Новосильского на острове Русский (рисунок 2). Применение такого бетона позволило создать конструкцию крупнейшего вантового моста, где длина центрального пролёта составляет 1104 м, а высота каждого из двух пилонов - 320 м.
Европейский опыт применения высокопрочного бетоны известен ещё в середине XX века [8]. Например, в Чикаго бетон прочностью выше 50 МПа применяли уже в 1965 году при строительстве Lake Point Tower. С 1988 по 1995 по проекту французского инженера Мишеля Вирложо при строительстве вантового моста Нормадии во Франции понадобилось 35 000 м3 высокопрочного бетона прочностью 60 МПа, который использовался для возведения двух 215-метровых пилонов, основание одного из которых устроено в русле реки Сены, и консольных балок [9]. Бетон прочностью до 80 МПа использовался при строительстве двух башен Петронас в Куала-Лумпур Малайзия для локального бетонирования участков в центральном ядре, периметра колонн и несущего кольца в основании (рисунок 3).
Рисунок 2 - Применение высокопрочного бетона при Рисунок 3 - Строительство башен Петронас в Куала-
строительстве пилона вантового моста на остров Русский Лумпур из высокопрочного бетона
Отметим, что вышеперечисленные строительные объекты, где применялись высокопрочные бетоны с прочностью более 60 МПа, являются тяжелыми бетонами и обладают средней плотностью 2100-2500 кг/м3. Очевидно, что для достижения требуемых архитектурных и конструкционных свойств зданий и сооружений требуется обеспечить высокую несущую способность оснований и фундаментов или сократить вес конструктивных элементов, сохранив прочностные показателей.
Большая несущая способность и общедоступность высокопрочного бетона, несомненно, позволяют широко применять его при строительстве зданий и сооружений различной сложности. Но увеличение высотности зданий, пролетов несущих конструкций требуют особого подхода к основаниям, прочность которых должна быть достаточно для возведения спроектированного объекта. При строительстве небоскребов по мере увеличения этажности растет нагрузка на более низкие этажи, поэтому прочность и вес конструкций должен снижаться. В связи с этим целесообразно использовать высокопрочные бетоны в ответственных несущих конструкциях, а ограждающие элементы здания выполнять из более лёгких материалов.
Снижение веса здания можно достичь заменой тяжелых строительных материалов на менее плотные. Для этого в качестве ограждающих конструкций могут использоваться лёгкие бетоны, которые бы обеспечили хорошую тепло- и звукоизоляцию, существенно уменьшив нагрузку на несущие элементы. Применение лёгкого бетона снижает трудозатраты при строительстве, уменьшает расходы на транспортные, погрузочно-разгрузочные и другие сопутствующие работы, а также снижает требования к теплоизоляционным работам для ограждающих конструкций. Эффективность применения лёгких бетонов составляет не менее 40%.
Кроме того, существующие недостатки лёгких бетонов осложняют их промышленное применение. Во-первых, высокая вариативность плотности и прочности пористого заполнителя затрудняет обеспечение стабильности технологического процесса. Во-вторых, пористый заполнитель поглощает воду из бетонной смеси вследствие формирования капиллярно-плотной оболочки вокруг ядра, что приводит к недостатку воды и требует увеличения водоцементного отношения. В-третьих, увеличение содержания воды в бетонной смеси приводит к ее расслоению, связанной с всплытием пористого заполнителя на поверхности в низковязких системах.
Развитие технологии лёгких бетонов обеспечивает разработку составов, обладающих высокой прочностью и низкой средней плотностью. Такой эффект достигается за счёт использования пористого наполнителя и/или применения наноразмерных модификаторов. Зарубежный и отечественный опыт по разработке высокопрочных лёгких бетонов показывает, что наилучшие результаты в этом направлении получены при использовании новых наполнителей - полых микросфер [10]. В настоящее время применение микросфер ориентировано в основном для улучшения или модификации свойств материалов на основе различных полимеров [11.15]. В последнее время микросферы все больше используются в нефтегазодобывающей и строительной отрасли при производстве цементосодержащих строительных материалов: тампонажных растворов, наливных полов, кладочных
89
растворах и так далее. Использование полых микросфер в строительных материалах позволяет обеспечивать требуемые параметры физико-механических свойств за счёт высокой прочности материала стенки, близкой к идеальной сфере формой частиц, не большим и однородным фракционных составом и низкой плотности.
Лёгкими бетонами в соответствии с [16] принято называть бетоны со средней плотностью менее 2000 кг/м3. Преимуществом изделий из таких бетонов является не большой вес и низкая теплопроводность. Как правило, применение лёгких бетонов из-за невысокой прочности ограничивается строительством слабонесущих и ограждающих конструкций. Однако, сочетание низкой плотности, характерной для лёгких бетонов, и высокой прочности, присущей высокопрочным бетонам, позволяет значительно расширить область применения лёгких бетонов. Применение такого материала обеспечивает здания и сооружения с одной стороны требуемыми прочностными свойствами, а с другой стороны позволяет существенно экономить на общем весе. Для оценки технической эффективности применения строительных материалов зачастую используется показатель удельной прочности, характеризующий величину предела прочности при сжатии на единицу относительной плотности.
R
уд
R
Ро
(1.2)
где
R
- предел прочности при сжатии, МПа,
Ро
относительная плотность.
Для высокопрочных тяжелых бетонов удельная прочность Rw>25 МПа. Таким образом, решение выше обозначенной проблемы достигается применением лёгких бетонов, обладающих удельной прочностью более 25 МПа.
Исследователи во всем мире стремиться создать такой универсальный материал как высокопрочный лёгкий бетон (ВПЛБ). Мировой опыт показывает, что добиться высокой удельной прочности лёгких бетонов можно за счёт использования особопрочных заполнителей, оптимизации и подбора компонентов каркасообразующей составляющей и/или за счёт применения наномодификаторов. Отечественные и зарубежные разработки, направленные на увеличение физико-механических характеристик лёгких бетонов, уже реализованы в строительстве.
Так, в 2007 году в работе [17] описаны составы высокопрочного лёгкого бетона на керамзитовом наполнителе с маркой по плотности D1800 и удельной прочностью от 25,5 до 47,2 МПа. Пономаревым А.Н. разработаны составы нанобетона [18, 19], которые успешно апробированы при реконструкции моста через р. Волга в г. Кимры. Использование в составе базальтового микроволокна (длина 500 мкм, диаметр 10 мкм), модифицированного полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа позволило получить составы бетона, наполненные полыми алюмосиликатными микросферами, со средней плотностью 1630...1680 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 42,7...46,9 МПа. При этом удельная прочность таких бетонов составляет 25,4.28,7 МПа. Бразильские ученые [20] в 2003 году предложили составы более высокопрочного лёгкого бетона на местных заполнителях. При расходе цемента от 440 до 710 кг/м3 через 28 дней естественного твердения прочность при сжатии бетона варьировалась от 39,5 до 53,6 МПа, а плотность от 1460 до 1605 кг/м3, соответственно, Яуд составила 24,6.30,7 МПа. В Японии [21] в связи с ростом автомобильного трафика реконструировали мост с целью снижения нагрузки на металлические конструкции, использовав дорожные плиты с удельной прочностью 27,1.30,3 МПа (средняя плотность 1810-1850 кг/м3).
Анализ научной литературы [22.26] показывает, что создание высокопрочных лёгких бетонов возможно с использованием полых микросфер. Керамические или стеклянные полные микросферы имеют плотность от 300 кг/м3, что позволяет регулировать плотность лёгкого бетона в широком диапазоне, изменяя их процентное содержание. Кроме того, имея сферическую форму и прочную оболочку, микросферы образуют в бетоны плотноупакованную структуру, формирующую прочный каркас. Для увеличения адгезии цементного камня к поверхности микросфер применяются различные кремнезёмсодержащие модификаторы, например микрокременезем или силан-адгезивы, препятствующие образованию трещин на границе раздела фаз.
Рисунок 4 - Мост «Stolma bridge» в Норвегии, построенный из высокопрочного лёгкого бетона
В 1999 году на юге Норвегии был построен самый большой мост «Stolma bridge» свободной консольной конструкции с длинной основного пролета 301 м (рисунок 4) [25].
Особенностью конструкции моста «Stolma bridge» является применение лёгкого бетона плотностью 1931 кг/м3 и прочностью 70 МПа при бетонировании 182 метров центральной части моста. Снижение веса центрального элемента конструкции позволило распределить нагрузки на колонны, несущая способность которых воспринимает лишь 90% массы надводной части. В состав используемого при строительстве бетона использовался высокомарочный цемент (420 кг/м3), микрокремнезём (35 кг/м3), песок (700 кг/м3), лёгкий наполнитель Leca-800 (600 кг/м3) и вода в количестве 208 л/м3. За счёт
90
применения пористого наполнителя В/Ц отношение составило 0,495, что позволило получить бетон марки LC60 с удельной прочностью 36,5 МПа.
Другие результаты исследований по разработке облегченных и лёгких бетонов с повышенной прочностью представлены в таблице 1 и рисунок 5 [26]. При этом для реализации представленных проектов использовались традиционные пористые заполнителя керамзит, пемза, керамзитовый песок и т.д.
Таблица 1 - Мировой опыт разработки лёгких бетонов с повышенной прочностью.
Год Страна Предел прочности при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м3 Удельная прочность, МПа Источник
1997 Кувейт 45,0. .50,0 1800. 1850 25,0. ..27,0 [29]
1999 Норвегия 65,0. .70,0 1900. 1930 34,2. ..36,2 [25]
1999 Кувейт 20,0. .22,0 1500. 1520 13,3. ..14,4 [28]
2002 Г ермания 14,0. .25,0 1800. 1850 7,5. 15,0 [22]
2003 Бразилия 40,0. .50,0 1450. 1600 24,5. ..30,5 [20]
2003 Турция 30,0. .40,0 1800. 1860 16,1. ..22,2 [27]
2004 Япония 47,0. .54,0 1800. 1850 27,5. ..30,0 [21]
2007 Россия 46,0. .61,0 1800. 1850 25,5. ..33,8 [17]
2007 Россия 42,0. .48,0 1600. 1650 25,4. ..28,7 [18]
2010 Малайзия 43,0. .48,0 1870. 1990 22,9. ..24,1 [30]
2011 Турция 42,0. .60,0 1840. 1960 22,8. ..30,6 [31]
2011 Португалия 40,0. .80,0 1500. 2000 26,6. ..40,0 [32]
2012 НОЦ НТ 40,0. .70,0 1300. 1500 30,0. ..50,0 -
Анализ данных из таблицы 1 и зависимости предела прочности при сжатии от средней плотности бетона (рисунка 5) показывает, что применение керамзитовых заполнителей позволят достигнуть высоких показателей удельной прочности до 30 МПа. Но развитие производств новых эффективных заполнителей позволит существенно расширить возможности создания лёгких бетонов с высокой прочностью. Как видно, опыт ученых из разных стран свидетельствует о том, что высокие значения удельной прочности достижимы в верхних границах плотностей лёгких бетонов при рср>1800 кг/м3 (Rw>55 МПа, а в перспективе Rw>62 МПа при рср>1600 кг/м3). При дальнейшем снижении плотности показатель технической эффективности не превышает 35 МПа. На рисунке 5 видно, что текущие результаты с учетом мирового опыта и наработок не позволяет существенно снизить среднюю плотность и сохранить прочность бетона, но появление новых заполнителей с высокой прочностью и модификаторов для повышения адгезии цементного камня обеспечит качественный рост комплекса показателей средняя плотность и прочность.
Кроме того, в настоящее время большое количество трудов профессора Орешкина [33...35], посвящено созданию строительных материалов на полых микросферах, которые показали свою эффективность.
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о перспективности разработки составов высокопрочных лёгких бетонов с высоким показателем удельной прочности ^уд>30 МПа), которые будут востребованы при изготовлении изделий в гражданском и промышленном строительстве, монолитном строительстве, при возведении сооружений специального назначения. Использование предлагаемых бетонов как материала конструкционного назначения с высоким показателем физикомеханических и теплонормирующих свойств обеспечивает эффективность применения такого бетона не менее 30 % [36]. При этом в процессе эксплуатации здания энергопотребление сокращается более чем на 25 %.
В лабораториях НОЦ «Нанотехнологии» МГСУ разработаны составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов. В качестве наполнителя, определяющего плотность бетона, использовались полые стеклянные или алюмосиликатные микросферы, поверхность которых модифицирована комплексным наноразмерным модификатором на основе золь гидроксида железа и золя кремниевой кислоты. Для снижения водопотребности и увеличения подвижности смеси состав включает пластифицирующую добавку на поликарбоксилатной основе. Соотношение составных частей бетона
91
определяется требуемыми физико-механических показателями изделия и проектируется для каждой марки по плотности индивидуально.
Оптимизированные составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов позволяют получать состав любой марки по плотности, получая как облегченный бетон, так и лёгкий бетон со средней плотностью менее 2000 кг/м3.
Очевидно, что важнейшим фактором для физико-механических свойств бетона является наполнитель (полые микросферы). Их содержание позволяет регулировать плотность бетона, а также его прочность посредством регулирования плотности упаковки каркаса частиц. Прочность бетона будет зависеть от прочности оболочки микросфер и прочности цементноминеральной матрицы, обволакивающей частицы наполнителя. Для увеличения прочности оболочки полых микросфер и адгезии на границе раздела фаз предлагается использовать комплексный наноразмерный модификатор. Образуя кремний-кислородный каркас, выступающий стабилизатором наночастиц гидроксида переходного элемента, на поверхности микросфер, модификатор создает вторичную оболочку, схожую по составу с материалом носителя. Кроме того компоненты наномодфициатора являются активными по отношению к цементу и продуктам его гидратации. Так золь Fe(OH)3 способствует увеличению гидратационной активности цемента, а активный нанокременезем связывает гидросксид Ca, образуя силикаты кальция CSH и упрочняя зону контакта цементного камня и заполнителя [37].
Получены составы высокопрочных лёгких бетонов со средней плотностью 1300...1500 кг/м3 и определены базовые показатели прочности при сжатии с использованием стеклянных и алюмосиликатных полых микросфер, которые составили значения в диапазоне 40,0.70,0 МПа [38]. Удельная прочность таких составов варьируется от 30,0 до 50,0 МПа.
Таблица 2 - Некоторые параметры энергоэффективного наномодифицированного высокопрочного лёгкого бетона
Наименование показателя Значение показателя
Подвижность по диаметру расплыва конуса, мм не менее 155
Средняя плотность, кг/м3 1300.1500
Общая пористость, % 33,4
в том числе: закрытая 31,9
открытая 1,5
Предел прочности при изгибе, МПа 5,0.8,0
Предел прочности при сжатии, МПа 40,0.70,0
Удельная прочность, МПа 40,0.45,0
Коэффициент трещиностойкости 0,10.0,12
Коэффициент трещиностойкости по методу МИИТ 0,27.0,42
Модуль упругости, ГПа 9,5.15,2
Коэффициент Пуассона 0,13.0,15
Водопоглощение по массе, % 1,0
Коэффициент водостойкости 0,95
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) О o' об o'
Коэффициент температуропроводности, -10"7 м2/с 3,43.4,04
Удельная теплоемкость (при T = 25 oC), кДж/(кг-К) 1,08.1,17
Морозостойкость F300
Таким образом, получены составы энергоэффективных наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов с высоким показателем технической эффективности Rw>30 МПа, что позволяет существо расширить область применения лёгких бетонов. Такие бетоны позволяют более чем на 40% уменьшить нагрузку на конструкционные элементы здания, сохранить несущие характеристики и улучшить теплофизические свойства (таблица 2). а) I б)
Рисунок 6 - Фотографии зданий со сложной архитектурой:
- «Танцующий дом» (Прага, Чехия), б - Жилой комплекс Хабитат (г. Монреаль, Канада)
а
92
Снижение веса конструктивных элементов зданий позволит решать сложные архитектурные задачи и расширит область применения бетонов при строительстве многоэтажных и высотных зданий, возведении большепролетных сооружений, устройстве сложных строительных объектов, где применение высокоплотных материалов не возможно. Кроме того, такие бетоны могут быть рекомендованы для строительства в сейсмоопасных районах или в местах пролегания подземных коммуникаций (линии метрополитена, тоннели и т.д.).
Снижение веса конструктивных элементов зданий позволит решать сложные архитектурные задачи (рисунок 6) и расширит область применения лёгких бетонов при строительстве многоэтажных и высотных зданий, возведении большепролетных сооружений, устройстве сложных строительных объектов, где применение высокоплотных материалов не возможно.
Литература
1. Россия в цифрах - 2012 г. // Федеральная служба государственной статистики, URL:
http://www.gks.ru/bgd/regl/bn_n/IssWWW.exe/Stg/d1/05-01.htm (дата обращения: 02.08.20l2)
2. «Рекомендации по технологии изготовления конструкций из высокопрочных бетонов, разработанными НИИЖБ и НИИСК», Москва, 1987. - с. 53.
3. American Concrete Institute, «State-of-the-Art Report on High Strength Concrete», ACI Manual of Concrete Practice, - 1997 -Part 1.
4. Kawai T. State of the art report on high-strength concrete in Japan. Recent developments and applications, 2007. - P. 87-107.
5. High-strength concrete / Concrete technology today. - 1994. - V.15, №1. - P. 1-4.
6. Карпенко Н.И., Каприелов С.С., Ромкин Д.С. и др. Результаты исследования физико-механических и реологических характеристик высокопрочного бетона // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт, 2009. - №1. - С. 28-37.
7. Каприелов С.С., Травуш В.И., Карпенко Н.И. и др. Модифицированные бетоны нового поколения в сооружения ММДЦ «Москва-Сити» // Строительные материалы. - 2006. - №10. - С. 13-18.
8. Benedict T. Laogan, S. Elnashai. Structural performance and economics of tall high strength RC building in seimic regions the structural design of tall building // Struct. Design Tall Build. - 1999. - №8. - P. 171-204.
9. Bimson D. T. O. A critical analysis of the pont de Normandie cable-stayed bridge, Proceedings of Bridge Engineering 2 Conference, 2007.
10. Орешкин Д.В. Полые микросферы - эффективный наполнитель в строительные и тампонажные растворы / Орешкин Д.В., Беляев К.В., Семенов В.С., Кретова У.Е. // Промышленное и гражданское строительство, - 2010. - №9. - С. 50-51.
11. Иноземцев А.С. Полые микросферы - эффективный заполнитель для высокопрочных легких бетонов / Иноземцев А.С., Королев Е.В. // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - №10. - С. 80-83.
12. Королев Е.В. Принцип реализации нанотехнологии в строительном материаловедении // Журнал «Строительные материал.- 2013. - №6. - С. 60-64.
13. Гайдаров М. М-Р., Сутырин А.В., Юсупходжаев М.А. Облегченные буровые растворы на углеводородной основе с добавкой микросфер // Газовая промышленность, - 2007. - № 12. - С. 66-68.
14. ^кол Э.В., Спирин С.А., Максимова Н.В., Нигматулина Е.Н., Френкель А.Э. Полые силикатные микросферы из золы-уноса углей Челябинского бассейна // Минералогия техногенеза - 2000, Миасс. 2000. - С. 146-165.
15. Гладких И.В., Волынкина Е.П. Безобжиговые теплоизоляционные материалы на основе зольных микросфер из золоотвала Западно-Сибирской ТЭЦ // Журнал «Известия вузов. Черная металлургия». 2008. - № 4. - С. 49-53.
16. ГОСТ 25820-2000 «Бетоны лёгкие. Технические условия».
17. Андрианов А.А. Состав, ползучесть высокопрочного лёгкого бетона из смесей высокоподвижной и литой консистенции с модификаторами на органоминеральной основе / Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Москва: ФГУП НИЦ «Строительство», 2007. - 15 с.
18. Пат. 2355656 С2 РФ, МПК C04B28/02. Бетонная смесь / Пономарев А.Н., Юдович М.И. - Опубл. 20.05.2009. - 3 с.
19. Фиговский О.Л., Бейлин Д. А., Пономарев А.Н. Успехи применения нанотехнологий в строительстве // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». - 2012. - № 3. - С. 6-22.
20. Rossignolo JA, Agnesini MVC, Morais JA. Properties of highperformance LWAC for precast structures with Brazilian lightweight aggregates. Cem. Con. Compo., 2003. - №25. - P. 77-82.
21. Technical Report Ishikawajimaharima // Evaluation of fatigue durability precast PC slab lightweight high-strength, 2004. - Vol. 44, №.2. - P. 83-90.
22. S. P. McBride, A. Shukla, A. Bose, Processing and characterization of a lightweight concrete using cenospheres // Journal of materials science, 2002. - №37. - P. 4217-4225.
23. Jun-Yan Wang, Min-Hong Zhang, Wei Li, Kok-Seng Chia, Richard J.Y. Liew, Stability of cenospheres in lightweight cement composites in terms of alkali-silica reaction // Cement and Concrete Research. - 2012. - Vol. 42, №5. - P. 721-727.
24. F. Blanco, P. Garci a P. Mateos, J. Ayala, Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres // Cement and Concrete Research. - 2012. - Vol. 30, №11. - P. 1715-1722.
25. Document BE96 - 3942/R14. Structural LWAC: Specification and guideline for materials and production, 2000. - p. 69.
26. Assoc Prof WEE Tiong-Huan Recent developments in lightweight high strength concrete with and without aggregates”, The Third International Conference on Construction Materials: Performance, Innovations and Structural Implications, University of British Columbia, Vancouver. Canada, 2005. - 22-24.
27. Ergul Yasar, Cengiz Duran Atis, Alaettin Kilic, Hasan Gulsen, Strength properties of lightweight concrete made with basaltic pumice and fly ash// Materials Letters, 2003. - № 57. - P. 2267-2270.
28. Jamal Alduaij, Khalid Alshaleh, M Naseer Haque, Khalid Ellaithy, Lightweight concrete in hot coastal areas // Cement and Concrete Composites, 1999. - Vol. 21, №5-6. - P. 453-458.
29. Al-Khaiat H., Haque M.N. Effect of initial curing on early strength and physical properties of a lightweight concrete // Cement and Concrete Research, 1998. - Vol. 28, №6. - P. 859-866.
30. Payam Shafigh, Mohd Zamin Jumaat, Hilmi Mahmud Oil palm shell as a lightweight aggregate for production high strength lightweight concrete // Construction and Building Materials, 2011. - Vol. 25, № 4. - P. 1848-1853.
31. Niyazi Ugur Kockal, Ozturan T. Strength and elastic properties of structural lightweight concretes // Materials and Design, 2011. - Vol. 32, № 4. - P. 2396-2403.
32. Hugo Costa, Eduardo Julio, Lourenjo J. New approach for shrinkage prediction of high-strength lightweight aggregate concrete // Construction and Building Materials, 2012. - Vol. 35. - P. 84-91.
33. Кириллов К.И. Эффективный тампонажный раствор с полыми стеклянными микросферами / Кириллов К.И., Орешкин Д.В., Ляпидевская О.Б. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2006. - №3. - С. 40-41.
34. Семенов В.С. Свойства облегченных кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами и противоморозными добавками / Семенов В.С., Орешкин Д.В., Розовская Т.А. // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - №3. - С. 911.
93
35. Орешкин Д.В. Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства // Строительные материалы. - 2010. -№6. - С. 34-37.
36. Иноземцев А.С. Королев Е.В. Экономические предпосылки внедрения высокопрочных лёгких бетонов // Научнотехнический вестник Поволжья. - Казань: ООО «Научно-технический вестник Поволжья», - 2012. - №5. - С. 198-205.
37. Иноземцев А.С. Королев Е.В. Прочность наномодифицированных высокопрочных лёгких бетонов // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. - Москва: ООО «ЦНТ «НаноСтроительство» - 2013. - №1. - С.24-38.
38. Иноземцев А.С. Королев Е.В. Особенности реологических свойств высокопрочных лёгких бетонов на полых микросферах // Вестник МГСУ. - 2013. - №6. - С.100-108.
Вильданов Р.Г.1, Исхаков Р.Р.2
'Доктор технических наук, профессор; 2студент, Уфимский государственный нефтяной технический университет ОБРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
Аннотация
В статье изучена зависимость потерь на перемагничивание от параметров дефектов: глубины и объема дефекта, а также от толщины металла изделия. Показано, что имеется однозначная монотонная зависимость амплитуды выходного сигнала датчика от объема дефекта. Установлено, что с ростом толщины пластины потери на гистерезис растут. Предложено обрабатывать диагностическую информацию с помощью нейронных сетей.
Ключевые слова: диагностика, нейронная сеть, неразрушающий контроль.
Vildanov R.G.1, Iskhakov R.R.2
'Doctor of technical sciences, professor; 2student, Ufa State Petroleum Technical University PROCESSING OF DIAGNOSTIC INFORMATION ON THE BASIS OF NEURAL NETWORKS
Abstract
The article considered the dependence of loss reversal of defects parameters: the depth and scope of the defect, and the thickness of metal products. It is shown that there is a single-valued monotonic dependence of the sensor output signal amplitude of the volume of the defect. It is found that with increasing plate thickness hysteresis losses grow. It is proposed diagnostic information processing by neural networks.
Keywords: diagnostics, neural network, non-destructive control.
Актуальность исследований в задачах неразрушающего контроля очевидное применение нейронных сетей - это распознавание дефектов по сигналам прибора неразрушающего контроля (НК).
Диагностическая информационно-измерительная система с нейронной сетью может выполнять следующие функции:
- мониторинг напряжённо-деформированного состояния потенциально опасных металлоконструкций в процессе их эксплуатации;
- обнаружение и оценка коррозионных поражений на внутренней поверхности оболочковых металлоконструкций;
- выявление характера и стадии коррозии, определение степени язвенности и глубину отдельных язвенных поражений.
Нейронная сеть дает ряд преимуществ:
1. Уменьшение время на данную операцию.
2. Уменьшение вероятности ошибки.
3. Если программный комплекс будет включать экспертную систему, то программный комплекс сможет оценить возможную причину брака и выработать рекомендации по методам его устранения (снижения). Экспертная система имеет возможность оценить процент брака при выборочных методах контроля.
В работе приведено исследование зависимости потерь на гистерезис в пластине из сталей Ст3 и 09Г2С на частоте 100 Гц от толщины пластины. Установлено, что с ростом толщины пластины потери на гистерезис растут. Это объясняется тем, что с увеличением толщины увеличивается масса перемагничиваемого металла, что приводит к росту потерь на гистерезис. Проведены исследования зависимости высших гармоник от толщины металла. Наблюдается закономерность снижения потерь при уменьшении толщины изделия. Однако чувствительность датчика на высших гармониках в десятки раз выше чувствительности на основной гармонике. На основной гармонике при изменении толщины от 10 мм до 6 мм выходной сигнал уменьшился лишь на 17%, в то время как уменьшение сигнала на пятой гармонике составило 250% [1].
Изучена зависимость потерь на гистерезис в стальной пластине из сталей Ст3 и 09Г2С на частоте 40 Гц от глубины дефекта. Сигнал изменяется от 1,1 мВт до 1,5 мВт при изменении глубины дефекта от 1,5 мм до 4 мм. Установлено, что с увеличением глубины дефекта потери на гистерезис уменьшаются. Это объясняется тем, что с увеличением глубины дефекта уменьшается масса перемагничиваемого металла, что приводит к снижению потерь на гистерезис [2,3].
Также исследована зависимость полных потерь от температуры. С увеличением температуры образца потери на перемагничивание увеличиваются. Исследована зависимость потерь на гистерезис и полных потерь в стальной пластине из сталей Ст3 и 09Г2С на частоте 100 Гц от объема дефекта. Установлено, что чем больше объем дефекта, тем меньше потерь перемагничивания, так как с увеличением объема дефекта уменьшается масса металла, вовлекаемого в процесс перемагничивания [1].
Зависимости выходного сигнала от объема дефекта получены с помощью спектрального анализатора. Получена однозначная монотонная зависимость амплитуды выходного сигнала датчика от объема дефекта. Обнаружено изменение наклона кривых в зоне больших объемов, что объясняется, по-видимому, изменением соотношения между потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Также видно, что чувствительность на высших гармониках в десятки раз выше, чем на основной гармонике. Так, на основной гармонике 25 Гц при изменении объема дефекта от 2500 мм3 до 100 мм3 выходной сигнал изменился на 17%, в то время как на шестой гармонике изменение выходного сигнала составило 680% [2].
На рисунке 1 показана зависимость изменения 4-ой гармонической составляющей от механических напряжений для стали 09Г2С.
94
