Параметрическая модель прочности композиционных материалов на примере цементогрунта Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

INFLUENCE OF THE СНВ-ADDITIVE ON PROPERTIES OF FINE-GRAINED CONCRETE

A. F. Kosach, N. A. Gutareva,

I. N. Kuznetsova, P. Y. Sharypov

In clause, laws of influence of the CHB-additive and ultrasonic influence on physicomechanical properties of fine-grained concrete on портландцементе are investigated. The separate Manufactures technology of concrete is presented.

Косач Анатолий Федорович - доктор технических наук, профессор кафедры

«Строительные конструкции Югорского государственного университета (ЮГУ), г. Ханты-Мансийск. А_Козас8@идгази. ги

Гутарева Наталья Анатольевна -аспирантка Югорского государственного университета (ЮГУ), г. Ханты-Мансийск.

Кузнецова Ирина Николаевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Городское строительство и хозяйство? СибАдИ.

Шарыпов Павел Юрьевич - аспирант Югорского государственного университета (ЮГУ), г. Ханты-Мансийск.

УДК 691. 2

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ЦЕМЕНТОГРУНТА

В. С. Проко п ец, Е. Н. Дмитренко, Л. В. Поморова

Аннотация. В работе показан расчётный метод определения прочности получаемых на основе грунтов композиционных материалов. Приведён пример расчёта необходимой у цементогрунта степени дисперсности грунтового заполнителя и способ её регулирования.

Ключевые слова: прочность, пористость, однородность, активность вяжущего, удельная поверхность, измельчение в дезинтеграторе.

О качестве материалов, изготовленных на основе грунтов, судят п о их физикомеханическим свойствам, которые о п ределяются продолжительностью их сроков твердения. Сте п ень однородности материала по прочности является функцией многих п араллельно п ротекающих п роцессов,

которые и обуславливают образование структуры той или иной сте п ени стабильности. К таким п роцессам относят [1]: начальную степень упаковки минерального остова; адгезионно-когезионные свойства

омоноличивающих фаз; скорость

отверждения вяжущего комп онента. В свою очередь, каждый из п еречисленных процессов зависит от многих рецептурнотехнологических факторов.

В то же время из работ [2, 3 и 4] можно заключить, что для материалов на основе грунтов наиболее важным является начальный порядок упаковки минерального остова, т.е. характер расп ределения пор и микроагрегатов, площади контактов и силы сце пления между грунтовыми частицами

Прочность R твёрдых тел в зависимости от их п ористости выражается зависимостью вида [1]

R=f(nn), (1)

где П - п ористость, а п оказатель сте п ени п может колебаться от 3 до 6.

Решение выражения (1) даёт математическое описание зависимости прочности R материала от размера грунтовых агрегатов в виде

R = R0d'1/m, (2)

где R 0 - п рочность укре плённых грунтов из агрегатов мельче 1 мм; 1 - диаметр агрегатов, мм; 1/т - п оказатель степ ени, характеризующий однородность

укреплённого грунта.

Из (2) видно, что чем меньше абсолютная величина 1/т, тем больше прочность укреплённого грунта, то есть прочность данного вида материалов в меньшей сте п ени зависит от размера агрегатов, а в большей -от его однородности. Следовательно зависимость (2) не отражает в полной мере сущности п роцесса формирования структуры этих материалов.

Поэтому рассмотрим прочность материалов на основе грунтов с учётом закономерностей образования структур в процессе их твердения.

Исследованиями [2,3] п оказано, что наибольшую прочность в структуре грунтов имеют агрегаты с размерностью менее 1 мм. В то же время существование предельно малых частиц ограничено термодинамическим стремлением их к взаимному слипанию, особенно в п рисутствии воды и вяжущих реагентов. В этом случае агрегаты грунта сливаются вдоль п оверхностей в монолит.

Рассмотрим картину слияния двух агрегатов шаровидной формы.

Величина образующейся п оверхности п ри толщине склеивающего слоя 8 находится п о формуле

Бповф^т) , ( 3)

где б - диаметр агрегатов.

Если п ринять, что агрегаты грунта п редставляют собой шары диаметром б, то удельная п оверхность грунта (см 2/г)

SYд=Nж1’

(4)

где N - число агрегатов в 1 г грунта, которое о п ределяется выражением

дт 6

N = —------------. (5)

жс1 р гр

здесь ргр - средняя п лотность скелета грунта. Из (11+ и (12) находим

6

а =--------------. (6)

Г уд р гр

Если ввести (6) в (5), то п олучим

N

$Ъуд Р1

гр

Ъ6п

(7)

Тогда величина площади контактов соприкосновения агрегатов в 1 г грунта составит:

Sk=6Nжh(d-h), (9)

2 г,

£ = РгрГуд ' 1 ) . (10)

к 600/7 в УРгр ЮОр/

При ргр= 1,8 г/см 3, а рв= 3,1 г/см3 п олучим

5к=0,001745уд-(3,3-0,0031), (11)

или Зк=Ь1Зуд-(Ь2-Ьз), (12)

где Ь1, Ь2иЬ3- коэффициенты, п риведённые в (11).

Поскольку Ь2 п очти в 1000 раз больше Ь1 , то площадь п оверхности склеивающего слоя можно считать пропорциональной

произведению удельной поверхности на активность:

8=ВЗуд. (13)

С площадью склеивающего грунтовые агрегаты слоя вяжущего связана общая прочность укреплённых этим вяжущим грунтов. Тогда, разделив п роизведение на

фактическую п рочность материала Я ,

п олучим структурный критерий п рочности

данного материала

Гу,

(14)

ЬК =

>уд

Примем толщину слоя, склеивающего зёрна грунта, равным толщине слоя вяжущего, равномерно расп ределённого п о поверхности грунтовых агрегатов смеси. Тогда

1

И =--------------, (8)

100/вГуд

где рв - п лотность вяжущего, г/см3.

В случае гексагональной у п аковки каждый агрегат грунта имеет шесть точек со п рикосновения с другими агрегатами.

который зависит, с одной стороны, от удельной поверхности грунтового

за п олнителя Муд, а с другой - от ряда технологических факторов Тф. Тогда

LR=fCTф)/R (15)

здесь Тф = ^п, Г11, (ус и др.), (16)

где Кп, Р , (ус - соответственно факторы качества перемешивания, уплотнения и условий твердения.

Фактор Кп, согласно технологии п олучения грунтобетонной смеси, проявляет себя в начале технологического процесса, а остальные - в конце. С учётом этого выражение (15) можно п ере п исать в виде

=

(17)

а

где а - активность смеси из грунта и вяжущего.

Приравняв (15) и (17), п олучим

д =------------------, (18)

(Сд^ + М)

где СЕ - коэффициент вариации, характеризующий однородность п о п рочности п олучаемого материала; М - коэффициент, характеризующий степ ень агрегированности склеивающей п рослойки на уровне мезо- и микроструктуры материала п осле уплотнения и п оследующего твердения смеси.

Из выражения (18) следует, что основная роль в формировании качества материала принадлежит величине дисперсности

грунтового за п олнителя Муд. Параметры СЕ и М также должны иметь определённую зависимость от Муд . Согласно данным многих исследователей, рост дисперсности укрепляемого грунта вначале способствует росту прочности материала, а затем, после о п ределённого уровня дис п ерсности, качество материала резко идёт на убыль п о причинам: а) недостаточности для увеличившейся поверхности введённого количества

вяжущего; б) возросшей в несколько раз трудности равномерного распределения минерального вяжущего в объёме грунтового заполнителя.

Несмотря на то, что выражение (18) имеет недостаток в плане раскрытости функциональных зависимостей СЕ ~ Муд и М ~ Муд, всё же, в п ервом п риближении, сделаем попытку определения необходимого уровня дисперсности грунта для получения

материала марки 60.

Для вып олнения расчётов уравнение (18) относительно М представим в виде

Мк = М/(ат-Ср) . (19)

Согласно работе [4]

Х=2,67/с° , (20)

где х ~ число контактов на единицу п лощади, см-2; 1 - диаметр агрегата, см.

Если п ринять, что агрегаты грунта имеют в основном шаровидную форму, то

агрегированность склеивающей п рослойки в этом случае равна

М=6/б. (21)

Выразив из (20) 1 и п одставив (20) в (21), п олучим

М = д/(36х/2,67) . (22)

Применив среднее значение (для

_п

лессовых грунтов) х= 120000 см [5], п олучим М=1270 см1 .

Для дальнейших расчётов по (26) значения остальных величин примем следующие: прочность при сжатии материала

- 6,0 МПа; марка цемента - 40,0 МПа; количество цемента в смеси - 10% (из расчетов); сте п ень однородности материала п о п рочности - 33 %.

В результате п одстановки в (19) п ринятых значений получим

Бл= 1270/[(40 • 0,10)/6,0 -0,33] = 3772,277 см -1 .

При п лотности материала, равном 1,85 г/ см3 можно вычислить величину удельной п оверхности М = 2039,069см2 / г.

Таким образом, для получения материала марки 60 необходимо, чтобы дисперсность грунтового за п олнителя была в п ределах 2000 см2/г, что возможно только п ри

предварительном измельчении грунта в мельницах. Для этих целей, с учётом колоссальных объёмов работ п о измельчению, рекомендуется использовать

малогабаритные, но высоко п роизводительные аппараты, какими являются дезинтеграторы

[5].

Измельчённый в дезинтеграторе грунт способствует значительному увеличению

прочности п олучаемого материала.

Грунты, являясь сложными силикатами, более чувствительны к воздействию кратковременных ударных нагрузок. В этом случае происходит такая перестройка

структуры, которая позволяет даже п ри введении небольших доз вяжущего интенсифицировать на основе

алюмосиликатов грунта синтез водонерастворимых соединений, что в конечном итоге значительно увеличивает прочность материала.

В то же время следует отметить, что изменение удельной поверхности грунта в процессе измельчения имеет затухающий характер. Это объясняется тем, что энергетически насыщенные частицы грунта в определённый момент начинают

образовывать вторичные агрегаты.

Рис. 1. Изменение коэффициента вариации прочности (CR) от величины удельных энергозатрат (иуд) измельчения грунта в дезинтеграторе

Совпадение максимума прочности и

однородности п о п рочности цементогрунта указывает на существование материала с максимальной прочностью п ри минимальной сте п ени однородности.

Как следует из результатов исп ытаний [6], достижение удельных энергозатрат п ри измельчении в дезинтеграторе п орядка 19,8 кВтч/т, позволяет добиться п овышения п рочности грунтобетона с содержанием 10...12 % цемента до уровня п рочности материала, содержащего в смеси не менее 24 % цемента.

Все п риведенные данные п озволяют сделать вывод, что одним из самых

п ерсп ективных на правлений в п оисках путей увеличения прочности и устойчивости к

внешним факторам цементогрунтов являются методы механической активации.

1. Полученная параметрическая модель композиционных материалов на основе грунтов показала, что основная роль в формировании качества цементогрунта принадлежит величине дисперсности грунтового заполнителя.

2. Установлено, что дисперсность

материала, а также его однородность п о прочности находится в зависимости от удельных энергозатрат измельчения.

3. Эксп ериментальные исследования

измельчения грунта в дезинтеграторе

показали, что изменение прочности цементогрунта с 10 % цемента демонстрирует экстремальный характер, с максимумом п ри удельных энергозатратах измельчения 19,8 кВт ч/т, что аналогично составу контрольной грунтоцементной смеси, содержащей 24% цемента.

Б и бли ографи чески й сп и сок

1. Сычёв М. М. С п особы п овышения активности цемента // Цемент,- 1987.-№ 6. - С. 21-23.

2. Безрук В. М. Укре п ление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве.-М.:Транспорт,1971.-247с.

3. Могилевич В. М., Щербакова Р. П., Тюменцева О. В. Дорожные одежды из цементогрунта.-М.: Транс п орт, 1973.-216 с.

4. Жуковский С. С. Прочность литейной формы.

- М.: Машиностроение , 1989. -288 с.

5. Оси п ов В. И., Соколов, В. Н., Румянцева Н. А. Микроструктура глинистых п ород /Под ред. Академика Е.М. Сергеева. - М.: Недра, 1989. 211 с.: ил.

6. Проко п ец В. С. О п ыт п олучения минерального п орошка из местного сырья не п осредственно на АБЗ. Ж. Наука и п рактика в дорожном строительстве. №6, 1997. С.14-17.

PARAMETRICAL MODEL OF DURABILITY OF COMPOSITE MATERIALS ON THE EXAMPLE TSEMENTOGRUNTA

V. S. Prokopets, E. N. Dmitrenko,

L. V. Pomorova

In work the settlement method of determination of durability of composite materials received on the basis of soil is shown. It is given an example calculation necessary at цементогрунта degrees of dispersion of soil filler and a way of its regulation.

Прокопеи Валерий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные материалы и спеииальные технологии» ФГБОУ вПо «СибАДИ». Основные направления научной деятельности: повышение эффективности дорожных и строительных материалов и изделий применением наноструктурных веществ механохимического способа получения. Общее количество опубликованных работ: 200.

Дмитренко Елена Николаевна - кандидат технических наук, доиент. Заместитель директора Мытищинского филиала МГСУ по учебной и научной работе. Основные направления научной деятельности: Строительное

материаловедение. Общее количество опубликованных работ: 24. e-mail:

dmitrenkoelena@mail.ru.

Поморова Любовь Валериевна -преподаватель кафедры СМ и СТ ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Основные направления научной деятельности: Строительное

материаловедение. Общее количество опубликованных работ: 4. e-mail:

prokopets@mail. ru

УДК 669.1:621.78

ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

В. П. Расщуп кин, Р. Б. Баязитов

Аннотация. Оптимизация режимов термической обработки для обеспечения максимальной теплостойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали, а также выяснение причины несоответствия балла зерна аустенита с мартенситным баллом. Предложены два опытных режима термообработки для повышения работоспособности режущего инструмента.

Ключевые слова: быстрорежущие стали, термическая обработка,

теплостойкость.

В п рактике термической обработки инструмента из быстрорежущей стали п ри входном контроле быстрорежущих сталей тип а Р12Ф2К8МЗ, Р6М5 и других имеют место случаи п ониженной теплостойкости и разнозернистости. Основная причина такого явления заключена в особенностях металлургического п ередела этих сталей. В некоторых плавках заказчиком был выявлен вид дефекта в микроструктуре быстрорежущих сталей, выражающийся в том, что диаметр зерна аустенита после закалки оказывается меньше длины иглы мартенсита п осле от пуска. Таким образом, имеется несоответствие баллов аустенита и мартенсита.

Сведения о таком виде дефекта отсутствуют в литературе. Да и сам факт существования подобного дефекта сомнителен. Это противоречит основам теории мартенситного п ревращения -мартенситная игла не может пересекать границу зерна аустенита. Данное п ротиворечие, возможно, возникло по нижеперечисленным причинам.

Основная часть

1) В высоколегированных быстрорежущих сталях в местах со значительной карбидной неоднородностью рост зерна аустенита начинается при тем п ературе нагрева меньше обычной на 15 °С [1, 2]. Это объясняется тем, что п оскольку круп ные карбиды п рактически

не растворяются при нагреве, то близлежащие зерна аустенита имеют меньшую степ ень легирования и большую склонность к росту. В результате п осле закалки с оптимальной температуры получается структура аустенита с общим средним 10-11 баллом и отдельные зерна аустенита 8-9 балла, расп оложенные в местах ско пления крупных карбидов. Естественно, что п осле отпуска в крупных зернах аустенита будут отчетливо видны крупные иглы мартенсита 3-4 балла, но границу зерна игла мартенсита все-таки не п ересекает.

2) Возможно, что определение

мартенситной структуры п роводилось на быстрорежущей стали после недостаточно

качественного отпуска. В структуре такой стали, содержащей более 30% аустенита, иглы мартенсита смотрятся значительно крупнее, так как мартенситная игла

простирается через все зерно аустенита. И только полноценный отпуск приводит к

дроблению мартенсита и получению нормальной структуры, п о которой и надо о пределять балл мартенсита.

3) Применяемые камерные печи для отпуска закаленного инструмента не обеспечивают проведение полноценного отпуска. Кроме того, отсутствует контроль за скоростью охлаждения при отпуске, что является важным особенно п ри охлаждении ниже температуры Мн. Для п роведения