CC BY
191Сулейманова Л.А, д-р техн. наук, проф., 1Кара К.А., канд. техн. наук, ст. препод., 2Малюкова М.В., начальник участка, 1Ядыкина В.В., д-р техн. наук, проф.
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
2ООО «БЗ АрБет»
НАНОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МАТРИЦЫ ПЛИТ БЕТОННЫХ ТРОТУАРНЫХ
Представлено комплексное влияние параметров вибропрессования на макро-, микро- и наномасштабную структурную организацию полифункциональной матрицы плит бетонных тротуарных. С использованием математического аппарата установлены оптимальные значения продолжительности основной вибрации, величины прессующего давления и момента приложения прессующего давления от начала вибрации и их влияние на эксплуатационные свойства плит бетонных тротуарных с полифункциональной матрицей.
Ключевые слова: параметры вибропрессования, плиты бетонные тротуарные, полифункциональная матрица
В настоящее время широкое распространение получили плиты бетонные тротуарные, изготовленные методом полусухого вибропрессования, промышленное изготовление которых организовано на автоматизированных производственных линиях.
Высокие конструктивные, эксплуатационные и декоративные качества, ремонтная пригодность в сочетании с экологической безопасностью делают плиты бетонные тротуарные лучшим вариантом благоустройства территорий с высокими темпами строительства и с эстетическими преимуществами [1-7].
Однако, для того, чтобы готовая продукция на выходе полностью удовлетворяла всем предъявляемым к ней требованиям и характеристикам по прочности, плотности, морозостойкости и архитектурной
выразительности, необходимо оптимизировать процесс производства на каждом технологическом этапе.
Основным технологическим этапом при производстве плит бетонных тротуарных является вибропрессование, заключающееся в укладывании в форму и равномерном уплотнении виброобработкой бетонной смеси, которая подвергается прессованию при давлении, обеспечивающем дальнейшее принудительное уплотнение в результате вытеснения или уменьшения в объеме вовлеченного воздуха и вытеснения несвязанной воды из бетонной смеси.
Явления, протекающие при вибропрессовании бетонной смеси описаны методами, представленными в вибрационной механике и виброреологии, основные положения которых изложены в трудах И.И. Блехмана [8], Б.Н. Урьева [9], Г.Ю. Джанелидзе, П.А. Ребиндера [10],
И.Ф. Гончаревича [11] и др. Данные исследования являлись основой для разработки эффективных режимов вибропрессования бетонных смесей и технологического
оборудования для их реализации.
Методика исследования совместного применения интенсивного направленного вибрирования и дополнительного прессующего давления в процессе вибропрессования жестких бетонных смесей предусматривает выявление момента укладывания пригруза на поверхность обрабатываемой бетонной смеси и правильный выбор величины прессующего давления на формуемую бетонную смесь.
Основной задачей при подборе параметров вибропрессования является оптимизация совместного действия прессующего давления и параметров вибрационного воздействия.
При вибропрессовании жестких бетонных смесей должен быть обеспечен оптимум сил пригруза и вибрации, создающих с одной стороны условия для относительного вибрационного движения и переукладки составляющих, а с другой, обеспечивающих дополнительное прессующее давление, совпадающее с направлением действия сил тяжести [12].
Для оптимизации режима производства вибропрессованной плиты бетонной тротуарной использован математический аппарат, позволяющий провести комплексный анализ влияния исследуемых факторов (продолжительности основной вибрации, величины прессующего давленияи момента приложения прессующего давления от начала вибрации) на выходные параметры (среднюю плотность и прочность на сжатие).
В качестве варьируемых независимых технологических факторов были назначены: продолжительность основной вибрации (Х1);
величина прессующего давления (Х2) и момент приложения прессующего давления от начала вибрации (Х3). В качестве контролируемых параметров были выбраны: средняя плотность
и
свежеотформованных изделий (рсв. изд) прочность на сжатие плит (Ясж).
Выбранные технологические факторы были исследованы в пределах, указанных в табл. 1.
Таблица 1
Условия планирования эксперимента
Фактор Уровень варьирования Интервал варьирования
натуральный вид код. вид - 1 0 +1
Продолжительность основной вибрации, с XI 2,0 2,4 2,8 0,4
Величина прессующего давления, МПа X2 0,1 0,15 0,2 0,05
Момент приложения прессующего давления от начала вибрации, с X,3 0,4 0,6 0,8 0,2
Факторы, не вошедшие в план эксперимента, приняты постоянными.
Исследования проведены по
трехуровневому плану [13], экспериментальные данные которого представлены в табл. 2.
Таблица 2
Матрица планирования и
№ п/п Фактор рсв. изд., кг/м Ясж 28, МПа
X, X,. Xз
1 +1 +1 +1 2300 54,5
2 +1 +1 -1 2315 55,6
3 +1 -1 +1 2290 53,6
4 +1 -1 -1 2280 50,4
5 -1 +1 +1 2285 49,6
6 -1 +1 -1 2274 45,7
7 -1 -1 +1 2265 43,5
8 -1 -1 -1 2260 42,3
9 +1 0 0 2340 57,4
10 -1 0 0 2300 54,7
11 0 +1 0 2280 49,6
12 0 -1 0 2310 55,0
13 0 0 +1 2330 56,5
14 0 0 -1 2370 62,0
15 0 0 0 2350 58,0
16 0 0 0 2345 58,0
17 0 0 0 2350 58,2
прочностью на сжатие) и основными факторами (продолжительностью основной вибрации, величиной прессующего давления и моментом приложения прессующего давления от начала вибрации), была проведена статистическая обработка экспериментальных данных, рассчитаны коэффициенты уравнений регрессии для средней плотности и прочности на сжатие. Адекватность уравнений оценивалась по критерию Фишера
Получены математические модели средней плотности свежеотформованных изделий и прочности на сжатие в возрасте 28 сут вибропрессованных плит бетонных тротуарных от исследуемых факторов:
- для средней плотности: рсв. изд = 2350 + 14,1X1 + 4,9X2 - 2,9-Х3 -- 24,1 X/ - 49,1Х22 + 5,8-Хз2 + 1,3X1X2 -
- 2,6-ХГХ3 + 2,3 -Х2Х3,
- для прочности на сжатие:
Я
5 = 58,6 + 3,5-X, + 1,02-Х2 + 0,17 X -
- 2,8 - X,2 - 6,6-Х22 + 0,3- Х32 - 0,4 -X, Х2 -
Для получения математических моделей, отражающих связь между выходными параметрами (средней плотностью и
- 0,3 -X, Х3 - 0,2 -Х2 Х3,
графическая интерпретация представлена на рисунке 1.
которых
Рис. 1. Номограммы зависимостей средней плотности и прочности на сжатие вибропрессованных плит бетонных тротуарных от продолжительности основной вибрации, и момента приложения прессующего давления от начала вибрации при величине прессующего давления: 1 - 0,10 МПа; 2 - 0,15 МПа; 3 - 0,20 МПа
Адекватные уравнения регрессии позволяют прогнозировать прочность на сжатие плит бетонных тротуарных в зависимости от технологии изготовления. Предлагаемые уравнения позволяют также оценить эффект отдельных технологических переделов и определить оптимальные режимы и параметры. Оптимальные технологические параметры
вибропрессования в сочетании с рациональной гранулометрией заполнителя, модификатором и оптимальным водоцементным отношением позволяют получать вибропрессованные плиты бетонные тротуарные с полифункциональной матрицей за счет повышенных
эксплуатационных и декоративных свойств (таблица 3).
Таблица 3
Оптимальные параметры вибропрессования плит бетонных тротуарных
Параметр Значение
Предварительная вибрация
Частота, Гц 45
Продолжительность, с 0,5
Возмущающая сила вибраторов, Н/кг 600
Основная вибрация
Частота, Гц 47
Продолжительность, с 2,4
Возмущающая сила вибраторов, Н/кг 650
Прессующее давление пригруза (пуансона)
Давление, МПа 0,15
Время приложения давления на 0,4 с основной вибрации
Исследования на РЭМ полифункциональной матрицы вибропрессованных плит бетонных тротуарных, изготовленных по оптимальным параметрам вибропрессования, показали, что в полученных изделиях наблюдается плотное сцепление частицы заполнителя с новообразованиями цементного камня, что обусловлено оптимизацией гранулометрии заполнителей, состава жестких бетонных смесей и параметров вибропрессования (рис. 2, а, б).
Контрольные изделия достаточно плотные, но с наличием отслоения гидратиро-ванного цементного камня от поверхности заполнителя (рисунок 2, в, г). Так как гранит является гетероминеральной горной породой, то в рекомендуемых составах на контактной зоне кварца наблюдается прочный монолит, поверхность зерен полностью покрыта микро- и наноразмерными новообразованиями (рис. 3), в отличие от полевого шпата, где контактная зона менее плотная, с наличием пустот.
Рис. 2. Контактная зона заполнителя с цементным камнем бетона: а, б - разработанного состава; в, г - контрольного состава
Рис. 3. Наноразмерные новообразования
Структура композита (рис. 3) - плотная, сложена новообразованиями различной морфологии поверхности. Весь массив пронизан иглообразными новообразованиями, более крупные частицы покрыты мельчайшими наноразмерными частичками округлой формы.
Рекомендуемые параметры вибропрессования позволили получить вибропрессованные плиты бетонные тротуарные с полифункциональной матрицей с повышенными эксплуатационными характеристиками. По
снизилось в 2,3 раза, истираемость - в 3 раза и, в целом, повысилась долговечность плит бетонных тротуарных (табл. 4).
Таблица 4
Характеристики вибропрессованных плит бетонных тротуарных
сравнению с контрольными изделиями прочность на сжатие увеличилась в 1,5 раза, морозостойкость - в 2 раза, водопоглощение
Показатель Базовый показатель по ГОСТ 17608-91 Контрольный состав Разработанный состав
Прочность при сжатии, 1 сут, МПа - 25,0 37,6
Прочность при сжатии, 28 сут, МПа В30 (40,0) В30 (42,1) В 45 (62,0)
Водопоглощение, % не более 6 5,5 2,4
Морозостойкость, циклы не менее 200 200 400
Истираемость, г/см2 не более 0,7 0,6 0,21
Комплекс технологических приемов по повышению эксплуатационных характеристик и декоративных свойств вибропрессованной плиты бетонной тротуарной, включающий обеспечение стабильности свойств жестких бетонных смесей, равномерное заполнение формы бетонной смесью и оптимизацию параметров вибропрессования плит бетонных тротуарных, привел к снижению открытой пористости и формированию плотной однородной структуры полифункциональной матрицы композита.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Малюкова М.В. Высокоплотные составы вибропрессованных бетонов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 48-50.
2. Сулейманова Л.А., Малюкова М.В. Высолы (выцветы) на поверхности бетонных изделий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. №3. С. 28-31.
3. Сулейманова Л.А., Малюкова М.В. Повышение качества мелкоштучных изделий за счет равномерного заполнения формы жесткой смесью // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 56-60.
4. Kharkhardin A.N., Suleymanova L.A., Kara K.A., Maluykova M.V., Kozhukhova N.I. The Determination of Topological Properties in Polydispersed Mixtures on the Results of Sieve Laser and Particle Size Analysis // World Applied Sciences Journal. 2013. № 25. T.2. С. 347-353.
5. Сулейманова Л.А., Лесовик Р.В., Глаголев Е.С., Сопин Д.М. Высококачественные
бетоны на техногенном сырье для ответственных изделий и конструкций // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2008. № 4. С. 34-37.
6. Лесовик Р.В., Агеева М.С., Шакарна М.И.Х. Efficient Binding Using Composite Tuffs Of The // Middle East World Applied Sciences Journal. 2013. T. 24. №10. С. 1286-1290.
7. Шейченко М.С., Алфимова Н.И., Попов М.А., Калатози В.В. Мелкоштучные изделия на основе композиционных вяжущих с использованием отходов Ковдорского месторождения // В сборнике: Инновационные материалы и технологии (ХХ научные чтения) Материалы Международной научно-практической конференции. 2013. С. 302-305.
8. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1964. 412 с.
9. Урьев, Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 255 с.
10. Ребиндер, П.Л. Физико-химическая механика. М.: Знание, 1958. 64 с.
11. Гончаревич И.Ф., Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. М.: Наука, 1981. 320 с.
12. Сулейманова Л.А., Агеева М.С., Малюкова М.В., Анучкин Я.А., Шураков И.М. Оптимизация параметров вибропрессования плит бетонных тротуарных // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. № 1. С. 56-60.
13. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А. Компьютерное моделирование технолого-эконо мических задач. Белгород, 2009. 184 с.
