CC BY
41
the maintenance of the road network with the use of innovative technologies, the traffic conditions. The rational choice of gathering road machines fleet options by means planned upgrading is suggested to realize considering the complex integrated criterion.
Боброва Татьяна Викторовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научной деятельности - проектное управление производством до-
рожных работ. Имеет 137 опубликованных работ. e-mail: bobrova.tv@gmail.com
Слепцов Игорь Викторович - аспирант кафедры «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научной деятельности - формирование эффективных парков машин для ремонта и содержания сети дорог на основе прогноза показателей ее состояния. Имеет 4 опубликованные работы. E-mail: sleptsov_igor@mail.ru
УДК 666.972.624
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРО-ОБРАЗОВАНИЯ ЦЕМЕНТОСОДЕРЖАЩИХ БЕТОНОВ
Н. А. Гутарева
Аннотация. Рассмотрены основные методы технологического воздействия на це-ментно-содержащие бетоны, которые позволяют управлять процессами структурооб-разования цементного камня и как следствия внедрять инновационные технологии.
Ключевые слова: строительные материалы, цементирует, активация, гидратация цемента, процессы формирования структуры содержащего цемент бетона.
Введение
Одной из основных проблем в развитии современной технологии гидратационных цементных материалов и изделий является повышение эффективности различных научно обоснованных методов регулирования, дающих возможность целенаправленно управлять процессами формирования и упрочнения структуры, и получать желаемые свойства цементного камня.
Для оценки и прогнозирования прочности и деформативности цементосодержащих бетонов используется ряд разделов теории прочности, упругости, пластичности и ползучести.
Руководствуясь основными принципами физико-химической механики, особенностями образования и различными свойствами коагуляционных структур применительно к цементному тесту, можно управлять тремя методами (механическим, химическим и электрическим), используемыми раздельно или совместно, -введением добавок адсорбирующих веществ и механическим воздействием.
Развитие реологии тиксотропных цементных систем получило в работах П.А. Ребиндера, Н.Н. Круглицкого И.Н. Ахвердова, Ю.М Баженова, И.А. Иванова, М.З. Симонова, Б.Г.
Скрамтаева, Б.В. Гусева, Е.И. Шмитько, А.В. Крылова, А.Д. Шаховой и др., в которых рассматриваются основные параметры, определяющие как структуру мелкозернистого бетона, так и степень совершенства технологических переделов.[1,2,3,4,5,6,7,8,9]
Графическая теоретическая зависимость R(t) уравнения 1. представлена теоретической зависимостью R(t) на рисунке 1 кривой 1.
Рис. 1. Зависимость прочности бетона от времени при различных способах обработки:
1 - теоретическая кривая; 2 - экспериментальная при твердении в естественных усло-
виях; 3 - идеальная теоретическая; 4 - при гидротермальной обработке; 5 - при воздействии механических колебаний в процессе структурообразования; 6 - при воздействии электрических колебаний высокой частоты; 7 - совместное воздействие электрических и механических колебаний; 8 - гидротермальная обработка совместно с воздействием механических колебаний.
Детально механизм формирования кри-сталлогидратной структуры цементного камня рассмотрен И.Н. Ахвердовым [2].
На основании теоретических представлений, результатов исследования и математического обоснования механизма превращении цементного геля в прочный камневидный ка-пилярно-пористый цементный камень И.Н. Ахвердовым было получено уравнение (1), выражающее зависимость прочности новообразований в цементном камне Rн,ця, (бетоне) от времени:
R„.4.K. = ki • nz •AR(1 - Cke
+ e
1)
(1)
Рис. 2. Кинетика образования кристаллогид-ратной структуры цементного камня
На рисунке 2а изображены кривые, построенные по уравнению (1). Анализ уравнения (1) показывает, что прочность новообразований цементного камня Rнмк, будет определяться многими факторами. Общее изменение термодинамического потенциала цементного геля в момент времени t1 (конец формирования коагуляционной структуры цементного геля) связано с работой, необходимой для образования центров кристаллизации Ак, которая зависит в основном от объемного и межфазного поверхностного натяжения.
а - изменение количества свободных молекул пт; центров кристаллизации пцк; прочности новообразований Rнмж_ и прочности цементного камня при сжатии Rсж;
б - коагуляционное (от ^ до t1) и кристаллизационное (от t1 до 2 структурообразова-ние
Скорость зарождения центров кристаллизации может быть представлена в виде уравнения (2).
где: Rнмк - прочность новообразований цементного камня; к1 - константа скорости реакции; пЕ - общее число молекул; ЛR - прочность отдельной связи; Ск - концентрация электролита в свободном растворе жидкой фазы; Ак - работа, необходимая для образования центров кристаллизации; Еа - энергия активации; К - эмпирический коэффициент, зависящий от заряда ионов в растворе г; Т -абсолютная температура раствора; к - константа кристаллизации; t - время протекания процесса. а)
V4.K. = Cke
Ak + E a
KT
(2)
Прочность новообразований цементного камня RH.возрастает с уменьшением числа свободных молекул nw и увеличением количества центров кристаллизации пц к с течением времени.
Для выявления возможных вариантов прогнозирования свойств цементного камня, необходимо знать технологические факторы, определяющие данные параметры в управлении процессами структурообразования. Так, согласно исследованиям К.А. Глуховского, Н.А. Крылова, А.М.Полищука, И.Н. Ахвердова [2,5], а также ряда других исследователей, которые показывают, что прочность кристал-логидратной структуры не определяет непосредственно прочность цементного камня, так как она ослабляется деструктивными явлениями и технологическими порами, число и размер которых зависят от технологических факторов (перемешивания, уплотнения и т.д.). Вид кристаллизационной структуры и ее физико-механические свойства имеют наследственный характер и предопределяются плотностью сформировавшейся коагуляционной структуры цементного геля.
Из-за несовершенства коагуляционного структурообразования цементного геля при спонтанном протекании процесса в последующем не полностью реализуются потенциальные свойства кристаллизационной структуры цементного камня. Поэтому необходимо изучение влияния каждого технологического
A, + E
k ' a
KT
передела и свойств компонентов бетона на процессы структурообразования, и на этой основе определеять комплексное воздействие физико-химических и технологических переделов, с целью направленного структурообра-зования и дальнейшего ухода за сформировавшийся структурой, что дает максимальный эффект повышения физико-механических свойств цементного камня (бетона).
Коагуляционные структуры образуются в основном за счет энергии межмолекулярного притяжения при повышении концентрации новообразований, гидраты которые представлены в виде мельчайших частиц субмикрокристаллов с размерами меньше 0,01 мкм, что позволяет рассматривать процесс гидратации цемента на наноуровне. Это очень важно для исследования процесса, т.к. прочностные характеристики цементного камня зарождаются именно в период коагуляции, что позволяет менять его структуру в нужном направлении с целью получения заданных свойств бетона, начиная от сверхпрочных бетонов с высокой плотностью, и заканчивая сверхлегкими теплосберегающими бетонами с пористой структурой.
Эффект механической энергии имеет принципиальное отличие от тепловой и заключается в том, что механические колебания увеличивают подвижность атомов за счет возрастания их кинетической энергии при постоянной величине потенциальных барьеров. Тепловая энергия вызывает увеличение скорости процесса структурообразования бетона, возрастание потенциальных барьеров при одновременном повышении кинетической энергии атомов и не повышает конечной прочности, в то время как механическая энергия, наоборот, несколько затормаживая начальный этап структурообразования, приводит к увеличению числа связей и повышает конечную прочность бетона. Графически это влияние представлено кривыми 4 и 5 на рисунке 1.
Воздействие переменного электрического поля и ультразвукового колебания вызывает повышение температуры и, как следствие, ускорение химических реакций. Но ускорение реакций определяется вынужденными колебаниями (переходами) отдельных атомов или ионов аналогично тому, как это происходит при воздействии механических колебаний высокой частоты. Таким образом, применение электрической энергии в виде электромагнитного переменного поля и ультразвукового колебания является мощным средством для активации процессов структурообразования,
так как ее использование позволяет не только увеличить подвижность атомов с чисто механической точки зрения, но и повышает температуру, то есть ускоряет процесс структурооб-разования (рис.1, кривая 6).
Рассмотренные особенности позволяют предполагать, что использование тепловой, механической и электрической энергии дает возможность сделать процессы структурооб-разования управляемыми. Основная прочность цементного камня обеспечивается кристаллами и сростками кристаллов образующихся гидратных новообразований в коагуляционный период, размеры которых находятся в пределах 10"7...10"9м. В промежутках между кристаллами размещаются продукты гидратации, размеры которых меньше 10-9 м. В связи с этим, указанные воздействия необходимо применять в строго определенный отрезок времени, а именно в коагуляционный период до перехода к периоду кристаллизации структуры цементного камня.
Физические закономерности позволяют утверждать, что использование тепловой, механической и электрической энергии дает возможность сделать процессы структурооб-разования управляемыми и открывают новые пути для совершенствования технологии бетона, т.е. внедрять инновационные технологии.
Библиографический список
1. Михайлов Н. В., Ребиндер П. А. Основные положения физико-химической теории бетона. Материалы совещания по проблемам технологии бе-тона.-М. : Промстройиздат, 1956.-53 с.
2. Ахвердов И. Н. Основы физики бетона.-М.: Стройиздат, 1981-464 с.
3. Гусев Б. В., Кондращенко В. И., Маслов Б.П., Файвусович А. С. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства.-М.: Научный мир, 2006-560 с.
4. Нестерова Л. Л., Лузина И. Г., Шахова Л. Д. Микроструктура цементного камня.-М.: АСВ, 2010.-104 с.
5. Шмитько Е. И., Крылова А. В., Шаталова В. В. Химия цемента и вяжущих веществ. Санкт-Петербург: «Проспект науки», 2006-205с.
6. Баженов Ю. М. Технология бетона: учебн./Ю. М. Баженов -М.:Изд-во АСВ, 2002-500с.
7. Сычев М. М. Твердение вяжущих веществ-Л., 1974-80с.
8. Мчедлов-Петросян О. П. Термодинамика и термохимия цемента, Т.2. Кн.2. Международный конгресс по химии цемента- М., 1976-С.6-16
9. Бабушкин В. И., Матвеев Г. М., Мчедлов-Петросян О. П. Термодинамика силикотов-М., 1986-352с.
BASIC PRINCIPLES OF MANAGEMENT OF PROCESSES OF STRUCTURIZATION OF TSEMENTOSODERZHASHCHY CONCRETE
N. A. Gutareva
The basic methods of technological impact on the cement-containing concrete, which allow you to control the processes of structure formation of cement stone and as a consequence of introducing innovative technology.
Гутарева Наталья Анатольевна - аспирантка Югорского государственного университета (ЮГУ), г.Ханты-Мансийск
УДК 624.21
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОЛЁТНЫЕ СТРОЕНИЯ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ПЛИТОЙ ПРОЕЗДА С УПРАВЛЯЕМЫМ НАПРЯЖЁННЫМ СОСТОЯНИЕМ ОБЪЕДИНЁННОЙ СИСТЕМЫ
П. П. Ефимов
Аннотация. В работе показано как, модифицируя общепринятую конструктивную форму сталежелезобетонных пролётных строений, можно создать конструкцию, в которой можно сохранять напряжённое состояние на заданном уровне.
Ключевые слова: сталежелезобетон; ползучесть и усадка бетона; жёсткий упор; высокопрочный элемент; управление.
Введение
Идея объединения в совместную работу материалов с различными физикомеханическими свойствами родилась в середине XIX в. (Рис. 1). Должного распространения эта идея в мостостроении не нашла. Однако, по прошествии столетия, в связи с широким применением в мостостроении железобетона, к этой идеи инженеры обратились вновь. В середине ХХ в. появилась новая кон-
структивная форма - сталежелезобетонные пролётные строения. Такая конструктивная форма породила ряд расчётнотехнологических проблем: обеспечение совместной работы железобетонной плиты проезда и стальных балок; учёт влияния ползучести и усадки бетона; неравномерного нагрева железобетонной плиты и стальной балки.
Рис. 1. Поперечные сечения мостовых конструкций из разнородных материалов
Утверждение пролётным строениям - изменение в процес-
Проявление дополнительных негативных се эксплуатации напряжённого состояния не-
факторов по отношению к цельностальным сущих конструкций в результате ползучести и
