Оптимизация действия центробежной силы на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Евразийской науки 2019, №6, Том 11 ISSN 2588-0101

The Eurasian Scientific Journal 2019, No 6, Vol 11 https://esi.today

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2019, №6, Том 11 / 2019, No 6, Vol 11 https://esj.today/issue-6-2019.html URL статьи: https://esj.today/PDF/93SAVN619.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:

Яновская А.В., Саркисян Р.Г., Нальгиев Д. А., Тупчиев А.К., Чайкин Л.Р., Сукиасян А. А. Оптимизация действия центробежной силы на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий // Вестник Евразийской науки, 2019 №6, https://esj.today/PDF/93SAVN619.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Yanovskaya A.V., Sarkisyan R.G., Nal'giev D.A., Tupchiev A.K., Chaikin L.R., Sukiasyan A.A. (2019). Optimization of the action of centrifugal force on the mechanical properties of concrete vibrocentrifuged products. The Eurasian Scientific Journal, [online] 6(11). Available at: https://esj.today/PDF/93SAVN619.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Яновская Алина Вадимовна

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: kgweny@gmail.com

Саркисян Рубен Гамлетович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: sarkisyan.r.g@mail.ru

Нальгиев Джохар Аслангиреевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: dnalgiyev@bk.ru

Тупчиев Асадулла Камильевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: asad.tupchiev@list.ru

Чайкин Леонид Романович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: chaika_18_19@mail.ru

Сукиасян Александр Андреевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: saleks.andr16@mail.ru

Оптимизация действия центробежной силы на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий

Аннотация. С применением метода математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к) была проведена оптимизация действия центробежной силы на механические свойства

бетона центрифугированных изделий кольцевого сечения. Расчет действия центробежной силы выполнен для зерна крупного заполнителя из гранита радиусом 10 мм при различных значениях угловой скорости. Для проверки действия центробежной силы на зерно крупного заполнителя в бетонной смеси при виброцентрифугировании были изготовлены образцы кольцевого сечения с базовыми размерами 300*210 мм при толщине стенки 50 мм. Далее образцы нарезались алмазным диском на полукольца, шлифовались с торцов и помещались в камеру нормального твердения на 28 суток. Одновременно формовали образцы-кубы с размером ребра 10 см и призмы с размерами 10*10*40 см и помещали в камеру нормального твердения на 28 суток. Испытания образцов проводили по стандартным методикам в соответствии с нормативной документацией. Время формования образцов из бетонной смеси методом виброцентрифугирования принято 4,2 мин., исходя из расчетных рекомендаций. По результатам исследования, с помощью программы «Mathcad» методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии в виде полиномов второй степени. Статистический анализ полученных уравнений регрессии оценивали по трем критериям: однородности дисперсий, значимости коэффициентов и адекватности, которая проверялась с помощью критерия Фишера. Построены графические интерпретации математических зависимостей. Таким образом, анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий кольцевого сечения существенное влияние на выходные параметры оказывает центробежная сила.

Вклад авторов.

Яновская Алина Вадимовна - автор одобрил окончательную версию статьи перед ее подачей на публикацию.

Саркисян Рубен Гамлетович - автор осуществил написание статьи.

Нальгиев Джохар Аслангиреевич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Тупчиев Асадулла Камильевич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Чайкин Леонид Романович - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Сукиасян Александр Андреевич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Ключевые слова: центробежная сила; виброцентрифугированные изделия; функция отклика; фактор варьирования; метод наименьших квадратов; уравнение регрессии

Бетонная смесь во вращающейся горизонтальной форме представляет собой систему материальных несвободных точек, каждая из которых движется в определенный момент времени со скоростью ü по окружности радиусом r.

При вращении смеси в форме центробежная сила характеризует сопротивление, которое оказывается инерцией точки при отклонении ее движения от прямой. Эта сила приложена к препятствию, заставляющему точку двигаться по кругу, и является давлением, передаваемым на смесь. Далее под действием центробежной силы бетонная смесь вначале распределяется по внутренней поверхности формы, а затем уплотняется. В то же время процесс центрифугирования дополнительно сопровождается вибрацией, действующей на бетонную смесь, тем самым разжижая её и уплотняя. Образование структуры бетона при виброцентрифугировании сопровождается стремлением к осаждению твердых частиц бетонной смеси в зоне, наиболее удаленной от центра вращения, с последующим уплотнением цементного теста и более плотным расположением зерен заполнителя [1-4].

Действие центробежной силы на зерно крупного заполнителя тем значительнее, чем больше радиус и масса частицы. В связи с этим зерна более крупных размеров становятся

прижатыми к внешней поверхности изделия, а более мелкие концентрируются у внутренней поверхности изделия.

Действие центробежных сил, пропорциональных массе частиц, квадрату угловой скорости и расстоянию от оси вращения рассчитывается по формуле [2]:

4

Рц.с. = п • Г*з. X рк.з -1-Ш2 (1)

3 х У

где Гк.з. - радиус зерна крупного (принимаем 10 мм), м; рк.з - средняя плотность зерна крупного заполнителя (для гранит - 2690 кг/м3), кг/м3; I - расстояние от центра оси вращения формы до центра зерна крупного заполнителя, м.

п • п

(2)

где а - угловая скорость вращения, рад/с.

Выполним расчет по действию центробежной силы в зависимости от угловой скорости на зерно крупного заполнителя из гранита [5; 6]. Если подставить все исходные данные приведенные в таблице 1 в выражение (1), то получим центробежную силу действующую на зерно гранита (таблица 1).

Таблица 1

Основные параметры оптимизации по действию центробежной силы

Радиус зерен крупного заполнителя, мм Расстояние от центра вращения до центра зерна, м Угловая скорость, рад/с Скорость вращения формы при уплотнении, об./мин. Давление на бетонную смесь, р кгс/см2 Центробежная сила, действущая на зерно гранита крупного заполнителя, H

10,0 0,105 84 800 0,7 316,510-6

157 1500 2,16 1105,610-6

Составлено авторами

Целью данной работы является оптимизация действия центробежной силы на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий кольцевого сечения [7-10].

Для выполнения программы экспериментальных исследований в качестве исходных материалов были приняты:

• щебень гранитный ОАО «Павловск Неруд» фракции 10-20 мм с маркой по дробимости 1400;

• песок кварцевый Грушевского месторождения (Мк = 2,0).

Физические свойства крупного и мелкого заполнителя (песка) представлены в таблице

2.

Таблица 2

Физические свойства крупного и мелкого заполнителя

Наименование материала Плотность, кг/м3 Пустотность, % Пористость, %

насыпная средняя истинная

Щебень гранитный 1510 2690 2700 43,8 0,37

Песок кварцевый 1259,4 - 2600 51,5 -

Составлено авторами

Подбор состава тяжелого центрифугированного бетона был выполнен с учетом рекомендаций, приведенных в работах [11-14].

Для проверки действия центробежной силы на зерно крупного заполнителя в бетонной смеси при виброцентрифугировании были изготовлены образцы кольцевого сечения с базовыми размерами 300*210 мм при толщине стенки 50 мм. Далее образцы нарезались алмазным диском на полукольца, шлифовались с торцов и помещались в камеру нормального твердения на 28 суток. Одновременно формовали образцы - кубы с размером ребра 10 см и призмы с размерами 10*10*40 см и помещали в камеру нормального твердения на 28 суток. Испытания образцов проводили по стандартным методикам в соответствии с нормативной документацией.

Оптимизацию по действию центробежной силы на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий кольцевого сечения проводили с применением метода математического планирования эксперимента (ПФЭ 2к). Время формования образцов из бетонной смеси методом виброцентрифугирования принято 4,2 мин. исходя из расчетных рекомендаций.

Значения факторов варьирования и их физический смысл представлены в таблице 3.

За функцию отклика были приняты следующие параметры:

• У] (X], Х2) - прочность на осевое сжатие, МПа;

• У2 (Х1, Х2) - прочность на осевое растяжение, МПа;

• Уз (X], Х2) - предельные деформации при осевом сжатии, мм/м;

• У4 (X], Х2) - предельные деформации при осевом растяжении, мм/м;

• Y5 (Xi, X2) - модуль упругости, МПа.

Таблица 3

Значение факторов варьирования ПФЭ 2к

№ Код Физический смысл Ед. изм. Интервал Уровни фактора

п/п фактора фактора варьирования -1 0 +1

1 Xi центробежная сила Н ±4 3,110-4 7,110-4 11,1-10-4

2 X2 угловая скорость рад/с ±36 84 120 156

Составлено авторами

По результатам исследования, методом наименьших квадратов были получены базовые уравнения регрессии, которые представлены в виде полиномов 2-ой степени:

Y(X1,X2)=B0+B1•X1+B2•X2+B3•X1•X2+B4•X2+B5•X2

Статистический анализ полученных уравнений регрессии оценивали по трем критериям: однородности дисперсий, значимости коэффициентов и адекватности, которая проверялась с помощью критерия Фишера. План эксперимента и результаты параметров оптимизации приведены в таблице 4.

Таблица 4

План эксперимента и результаты параметров оптимизации для виброцентрифугированных образцов кольцевого сечения

№ Кодирование переменных Натуральные значения Средние значения параметров оптимизации

Х1 Х2 Х1 Х2 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5

1 -1 -1 3,110-4 84 29,2 4,0 4,98 3,1 28,73

2 -1 0 3,110-4 120 28,8 3,93 5,06 3,07 26,63

3 -1 +1 3,110-4 156 29,0 3,9 5,17 2,97 24,16

4 0 -1 7,110-4 84 39,3 5,0 3,92 2,44 34,93

5 0 0 7,110-4 120 38,3 5,1 3,95 2,48 37,13

№ Кодирование переменных Натуральные значения Средние значения параметров оптимизации

Х1 Х2 Х1 Х2 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5

6 0 +1 7,110-4 156 38,8 5,1 4,17 2,54 34,46

7 +1 -1 11,110-4 84 50,5 5,6 2,67 1,83 42,83

8 +1 0 11,110-4 120 49,6 5,5 2,66 1,78 49,73

9 +1 +1 11,110-4 156 49,9 5,43 2,69 1,87 44,16

Составлено авторами

По результатам экспериментов определяем: критерий Фишера (Б); дисперсию ( );

среднеквадратическое отклонение (80) и среднеквадратическую ошибку в определении коэффициентов (£), которые приведены в таблице 5.

Таблица 5

Статистические критерии оптимизации для виброцентрифугированных образцов кольцевого сечения

Наименование выходного параметра уравнения Статистические критерии

F D 2 D0 S0 Z

Y1 Прочность на осевое сжатие, МПа 0,056 1,982 1,408 2,44

Y2 Прочность на осевое растяжение, МПа 0,486 0,037 0,193 0,335

Y3 Предельные деформации при осевом сжатии, мм/м 2,258 7,32-10-3 0,086 0,148

Y4 Предельные деформации при осевом растяжении, мм/м 0,079 4,1910-3 0,065 0,112

Ys Модуль упругости, МПа 15,264 1,336 1,156 2,005

Составлено авторами

По расчетному значению 1 - критерия Стьюдента устанавливаем значимость коэффициентов уравнений. Значения полученных коэффициентов сведены в таблице 6.

Таблица 6

Расчетные коэффициенты уравнений регрессии для виброцентрифугированных образцов кольцевого сечения

Наименование выходного параметра уравнения Коэффициенты уравнений

B0 B1 B2 B3 B4 B5

Y1 Прочность на осевое сжатие, МПа 38,47 10,506 -0,231 0,7 0,558 -0,05

Y2 Прочность на осевое растяжение, МПа 5,089 0,768 -0,02 -0,35 -0,04 0,046

Y3 Предельные деформации при осевом сжатии, мм/м 3,98 -1,202 0,075 -0,14 0,041 5,4110-3

Y4 Предельные деформации при осевом растяжении, мм/м 2,48 -0,637 0,017 -0,052 -0,029 0,083

Y5 Модуль упругости, МПа 38,129 9,321 -0,51 0,089 -3,713 0,638

Составлено авторами

Статистическая обработка данных выполнялась с помощью программы «Mathcad», что

позволило получить уравнения регрессии в виде полиномов второй степени:

Y1(x1,x2)=38,47+10,5^xr0,23^x2+0,7•x1•x2+0,558•x^0,05•x2 (3)

Y2(X1,X2)=5,09+0,77•X1-0,02•X2-0,35•X1•X2-0,04•X1+0,046•X2 (4)

Yз(x1,x2)=3,98-1,202•x1+0,075•x2-0,14•x1•x2+0,041•x1-5,41•10-3•x2 (5)

Y4(X1,X2)=2,48-0,637•X1+0,017•X2-0,052•X1•X2-0,029•X1+0,083•X2 (6)

Y5(xьx2)=38,13+9,32•xr0,5^x2+0,089•x1•x2-3,713•x?+0,638•x2 (7)

Графическая интерпретация математических зависимостей представлена на рисунках

1-5.

Рисунок 1. Зависимость предела прочности на осевое сжатие виброцентрифугированного изделия кольцевого сечения от центробежной силы (Х1) и угловой скорости (Х2) (составлено авторами)

Рисунок 2. Зависимость предела прочности на осевое растяжение виброцентрифугированного изделия кольцевого сечения от центробежной силы (Х1) и угловой скорости (Х2) (составлено авторами)

Рисунок 3. Зависимость предельных деформаций при осевом сжатии виброцентрифугированного изделия кольцевого сечения от центробежной силы (xi) и угловой скорости (Х2) (составлено авторами)

Рисунок 4. Зависимость предельных деформаций при осевом растяжении виброцентрифугированного изделия кольцевого сечения от центробежной силы (х]) и угловой скорости (Х2) (составлено авторами)

Рисунок 5. Зависимость модуля упругости виброцентрифугированного изделия кольцевого сечения от центробежной силы (х]) и угловой скорости (Х2) (составлено авторами)

Согласно полученным уравнениям регрессии наибольшее влияние на выходные параметры Yl; Y2; Y5 оказывает центробежная сила, в то же время угловая скорость незначительно влияет на все выходные параметры. Вместе с тем на предельные деформации при осевом сжатии и растяжении ^3; Y4) центробежная сила влияет отрицательно. Вероятно, это связано с увеличением хрупкости виброцентрифугированного бетона и возникающей вариатропностью по сечению образца кольцевого сечения.

Таким образом, анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что на механические свойства бетона виброцентрифугированных изделий кольцевого сечения существенное влияние на выходные параметры оказывает центробежная сила.

ЛИТЕРАТУРА

1. Попов А.Н. Производство и применение железобетонных и бетонных труб для напорных и безнапорных трубопроводов. М., 1975.

2. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: 1981. C. 383-392.

3. Ахвердов И.Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. М.: Стройиздат, 1967. 164 с.

4. Ахвердов И.Н. Вопросы теории центробежного формования и уплотнения бетонной смеси. - Республиканское научно-техническое совещание: Технология формования железобетонных изделий, 1979. С. 3-12.

5. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М.: Стройиздат, 1971. 208 с.

6. Штайерман Ю.Я. Центрифугированный бетон // Закавказский научно-исследовательский институт им. В.И. Ленина, Тифлис: Техника да Шрома, 1933. 106 с.

7. Петров В.П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем для стоек опор контактной сети: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. 175 с.

8. Раджан Сувал Свойства центрифугированного бетона и совершенствование проектирования центрифугированных железобетонных стоек опор ЛЭП: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1997. 267 с.

9. Романенко Е.Ю. Высокопрочные бетоны с минеральными пористыми и волокнистыми добавками для изготовления длинномерных центрифугированных конструкций: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1989. 179 с.

10. Дубинина В.Г. Разработка оптимальных параметров центрифугирования железобетонных безнапорных труб: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Нижний Тагил, 2002. 150 с.

11. Stelmakh S.A., Nazhuev M.P. Shcherban E.M., Yanovskaya A.V., Cherpakov A.V. Selection of the composition for centrifuged concrete, types of centrifuges and compaction modes of concrete mixtures / Physics and mechanics of new materials and their applications (PHENMA 2018). Busan, Republic of Korea, 09-11 августа 2018 г. 2018. С. 337.

12. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М.П. Оптимизация параметров центрифугированных изделий кольцевого сечения на стадии уплотнения // Инженерный вестник Дона, 2018, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5123.

13. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Халюшев А.К., Щербань Е.М., Холодняк М.Г., Нажуев М. П. Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций // Вестник Евразийской науки, 2018, № 3 URL: esj.today/PDF/63SAVN318.pdf.

14. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор состава центрифугированного бетона на тяжелых заполнителях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 52-57.

Yanovskaya Alina Vadimovna

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: kgweny@gmail.com

Sarkisyan Ruben Gamletovich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: sarkisyan.r.g@mail.ru

Nal'giev Dzhokhar Aslangireevich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia

E-mail: dnalgiyev@bk.ru

Tupchiev Asadulla Kamil'evich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: asad.tupchiev@list.ru

Chaikin Leonid Romanovich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: chaika_18_19@mail.ru

Sukiasyan Aleksandr Andreevich

Don state technical university, Rostov-on-Don, Russia E-mail: saleks.andr16@mail.ru

Optimization of the action of centrifugal force on the mechanical properties of concrete vibrocentrifuged products

Abstract. Using the method of mathematical planning of the experiment (PFE 2k), the effect of centrifugal force on the mechanical properties of concrete centrifuged products of the ring section was optimized. The calculation of the centrifugal force is performed for the grain of a large aggregate made of granite with a radius of 10 mm at different values of angular velocity. To test the effect of the centrifugal force on the grain of a large aggregate in a concrete mix during vibration centrifugation, samples of an annular section with basic dimensions of 300*210 mm with a wall thickness of 50 mm were made. Then the samples were cut into half-rings with a diamond disk, polished from the ends and placed in a normal hardening chamber for 28 days. At the same time, samples were formed-cubes with an edge size of 10 cm and prisms with dimensions of 10 * 10*40 cm and placed in a normal hardening chamber for 28 days. The samples were tested using standard methods in accordance with the regulatory documentation. Forming time samples of the concrete method of vibrocentrifugal made of 4.2 min., on the basis of design recommendations. According to the results of the study, using the "Mathcad" program, the basic regression equations in the form of second-degree polynomials were obtained using the least squares method. Statistical analysis of the obtained regression equations was evaluated by three criteria: homogeneity of variances, significance of coefficients, and adequacy, which was checked using the Fischer test. Graphical interpretations of mathematical dependencies are constructed. Thus, analyzing the results obtained, it can be concluded that the mechanical properties of concrete vibrocentrifugated products of the ring section are significantly affected by the output parameters of the centrifugal force.

Keywords: centrifugal force; vibro-centrifuged products; response function; variation factor; least squares method; regression equation