Влияние гранулометрического состава бетонной смеси на структурное преобразование бетонной прочности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА БЕТОННОЙ СМЕСИ НА СТРУКТУРНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ БЕТОННОЙ ПРОЧНОСТИ

В.А. Погорелов

ИГАСУ

Дана общая оценка о традиционных методах проектирования составов бетона; дан оценочный процесс формирования структурного кристаллообразования «цементного камня».

The general value of traditional methods of concrete composition designing is given; the estimation process of structural crystal formation of "cement stone ".

На протяжении многих лет ведётся дискуссия о методах проектирования составов бетона. Данная проблема по настоящее время не потеряла своей актуальности, так как её решения существенно позволяет повысить качество бетона, а также снизить расход цемента и издержки производства. Общеизвестно, проектирование составов бетона включает ориентировочный расчёт, экспериментальную проверку и корректирование, а также выбор наиболее эффективного варианта.

Однако, уже на практике, возникают существенные трудности, исходя из того, что предел прочности бетона при сжатии по различным формулам при одинаковых исходных данных в большинстве случаев отличаются, как правило, на 15 - 25%. При этом недостаточно данных, как по расчёту составов бетона твердеющих в условиях различных режимов тепловлажностной обработки (ТВО), а также в применении различных добавок.

Также установлено, что во всех работах связанных по проблемам гидратации цемента и твердения бетона, вычисленные математическим путём модели процесса гидратации, как правило, - требуют проведения экспериментов для каждого значения В/Ц, но однако не вскрывают причины происходящих процессов.

На основании вышеизложенного практическая реализация методов оптимального проектирования составов бетона может быть эффективно осуществлена исходя из нетривиального подхода по факту, - о необходимости в теоретическом плане работ пересмотреть вопрос гидратации бетонной смеси, исходя из основ формирования структурной прочности бетона.

Попытка ряда авторов [1,2,7] в своих наработках практическим путём реализовать, с учётом механических и электронагревательных устройств, а также нововведённых технологий в подходах по преобразованию структурной прочности бетона, по сути своей, в итоге представляли частный случай решения традиционного вопроса в подборе состава тяжёлого бетона.

Суть явления структурной самоорганизации бетонной смеси заложена в цементной системе с учётом задействования кооперативных энерговоздействий. Сложность минералогического состава цемента предопределяет многообразие физико - механических процессов, протекающих при его твердении. Каждый из выделенных процессов играет по-своему основную роль. Однако их независимое рассмотрение не может дать одновременно всеобщей и исчерпывающей картины твердения со спецификой, присущей всей цементной системе [3].

Рассматривая вопрос интенсивной обработки компонентов бетонной смеси, что характерно для эффективного структурообразования, где на основании второго закона термодинамики, - следует учесть вопрос аккумулирования кооперативных энерговоз-

1/2010 мв.ВЕСТНИК

действий на бетонную смесь в закрытых (замкнутых) ёмкостных системах [8]. Как показала практика применения линейных устройств по типу «труба в трубе» [2, 7] и их аналогов, с целью получения синергобетона, - не получила своего практического применения на предприятиях стройиндустрии из - за электроконтактной накипи и залипа-ния бетонной смеси электродных контактов.

Решение задач оптимизации процессов структурообразования, в поставленных вопросах интенсивной обработки компонентов бетонной смеси автором прорабатывались экспериментально в заводских условиях «ДСК» г.Коврова. Однако, итог экспериментальных данных отрабатываемых на синергорелятивистским ускорителе типа «СРВ - 1,0/6,0» производительностью 6,0 м3/ч [6] показал, что традиционный подбор составов для выработки бетонной продукции при интенсивной обработке компонентов бетонной смеси, - не совпадает с параметрами компактной технологии по восприятию энергокооперативных воздействий.

Общеизвестно, что минералы, из которых состоит обычный портландцемент, обладая энергетически неустойчивой неплотной кристаллической решёткой, легко вступают во взаимодействие с водой, подвергаясь при этом химическому разложению (гидролизу). Гидролитическое разложение цементных минералов начинается сразу же после затворения бетонной смеси водой. По мере протекания реакции образуются новые соединения в дисперсном (коллоидном) состоянии, а затем после ряда последовательных фаз уплотнения появляются гелеобразные продукты. Процесс заканчивается созданием пространственной кристаллической решётки (сростка), обеспечивающей относительно высокую прочность нового материала.

Из практики установлено, что только 20% воды от веса цемента в бетоне вступают в химические связи с клинкерными минералами, оставшаяся вода может явиться причиной пористости цементного камня. Ещё более слабым местом в рассматриваемом отношении является зона контакта цементного камня с зёрнами инертных материалов. В процессе структурообразования со стороны зёрен заполнителя в жидкую фазу не поступает веществ, способствующих связыванию воды и уплотнению цементного камня.

В данном случае, принимая во внимание работу экспериментальной установки «СРВ - 1,0/6,0», где вырабатываемая энергия внутри электродного устройства составила в пределах 3,5-109 эВ на момент гидратации цемента, которая и создала претендент разжижения водородоподобной цементной смеси, что и составляет аналог интенсивной работы раздельной технологии [1]. В итоге имеем «прототип» выработки мелкозернистого бетона, где 100% воды (вместо 20%) вступают в химические связи цемента. Итак, экспериментальными исследованиями было установлено о необходимости совмещения в одной приёмной чаше бетоносмесителя, - раздельной работы электродного устройства от бетонной смеси, где при этом, установленные на бетоносмесителе два электромагнитных усилителя, создающее внешнее электромагнитное поле, - аккумулируют энергокооперативные воздействия на формирование «цементного камня» при наличии в цементной смеси инертных составляющих (песка и гравия). Данные исследования и составили основу о разработке новой конструкции указанной установки и подать заявку в РОСПАТЕНТ по интенсивной обработке компонентов бетонной смеси.

Проведя общий анализ существующих ряда авторов наработок в вопросах интенсивной обработки компонентов бетонной смеси, было установлено, что технологический подход, а так же в данном конкретном случае, применение ряда совершенных установок и устройств, - не реализуют поставленной цели структурного преобразования в бетонной продукции и не совершенствуют, по сути, композицию бетона в целом.

Проблема заключается в отсутствии, по существу, критериального вопроса, то есть в проработке фундаментального анализа работы цементной структуры в водоро-доподобной бетонной смеси. Так, внедряя на практике свои предварительные разработки [5,6,8] автором впервые был проделан на нетривиальном уровне расчёт в подборе состава бетонной смеси при интенсивной обработке его компонентов с учётом, принятого в анализе, переноса явления которые отражают основные вопросы термодинамики неравновесных процессов [10, с.174 и с.828], [11, с.187].

По факту переноса явления в данном расчётно - теоретическом контексте приняты нижеследующие основополагающие физические величины: пЕ = ^^^ = 2,82 -

плотность равновесного излучения (по Планку); 1 *) 1

а =а=1/1 — 1=1/1-1=137,036 - ротационная постоянная тонкой структуры в

а ) ^ 137,036у

бетонной смеси до гидратации цемента, где а = е2/Йс=1/137,036 - постоянная тонкой структуры.

В основу предварительного расчёта принят К, - коэффициент «барботацион-

ной процессии интенсивности» бетонной смеси или коротко «барботационной процессии» по сути своей является фактором контроля в расчётной стабилизации прохождения плотности бетонной смеси, где в итоге составляет повышенную прочность «цементного камня», исходя из основ цементно - кластерной ротации, что сопоставимо с необратимыми физическими процессами переноса явления в пространство (энергии, энтропии и других физических величин) по факту диффузии бетона, по формуле:

К- =(к*р I4, = (у ц / У ¡.см), - коэффициент цементно - кластерной ротации в

бетонной смеси, /где: уц = 3100кг/м3, - объёмная масса цемента; удсм,кг/м3, - плотность свежеуложенной бетонной смеси; в нашем случае удсм = 2360,063кг / м3/.

Подбор в новой расчётной концепции состава тяжёлого бетона производится в следующей последовательности:

I. Предварительный расчёт. Предварительно подбирают в традиционной расчётной последовательности состав тяжёлого бетона, вырабатываемого в производственных условиях (заводах ЖБИ, ДСК и т.д.)[9].

II. Основной расчёт. Производится расчётно - теоретический анализ гранулометрии «цементного камня» при интенсивной обработке бетонной смеси:

- по факту модуля основности и модуля активности, принятого в расчёт марки цемента, определяется температурно - равновесный нагрев бетонной смеси с учётом её «барботационной процессии» и барботационного излучения;

- производят построение номограммы для корректирования удельного расходования гидратов - минералов по формированию кристаллической структуры цементного камня (рис.1), где исходные данные определяют:

- коэффициент соотношения и весового образования СаО8Ю2 ад - гидратов силикатов цементного клинкера, по формуле:

СаОБЮ2 =

Рб.с

^ б.см

2,452г / л

& =

/2,998629г / л-1,939530Л

2372,246кг / м3

1000кг/м3 =[ 5815>930904г/л 2372,246

п

1/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

- весовой объём «цементного камня» составит:

У ЦК —

У16.СМ "ПСа05Ю,

п цк

и1б.см

^ 933,300кг / м3

(1007,635060кг / м3 -2,452г /

2,647321г / л

2470,721167кг / м3 2,647321

Рис.1. Номограмма для корректирования удельного расходования гидратов - минералов по формированию кристаллической структуры цементного камня.

АВС'СДЕБА - диаграмма оптимальной гранулометрии «цементного камня» бетонной смеси:

А* + В* = С ,- закон действия масс, где А* = АВСТЕБА , В* = ЕБС'СДД

Для расчётно - теоретического обоснования в подборе состава бетонных смесей необходимо производить для сравнительного анализа на практике в двух вариантах:

I-ый вариант - «эталонное состояние», то есть инертные составляющие песок, щебень (гравий) принимаются обработанные от загрязнённых примесей и доломитовой муки с просевом через стандартные сита, где в данном варианте = 2,354271;

II-ой вариант - принимается в расчёт, установившаяся технологическая отработка бетонных изделий, сложившаяся на заводах ЖБИ в пределах регламента и условий соответствующих ГОСТов и допусков в применении инертных строительных материалов, в данном случае, песка и щебня без предварительной их общей технологической обработке по чистоте, где = 2,175189 .

Далее, с целью выявления функциональной зависимости состава бетонной смеси между свойствами инертных составляющих (песка и щебня), а также исходного факта в формировании структурной их прочности при взаимодействии вяжущих веществ (в данном случае цемента с водой), - необходимо поставить плановый эксперимент. Задача эксперимента состоит в выборе интерполяционных моделей, описывающих с заданной точностью исследуемую систему, и в построении диаграммы типа «состав -свойство» для отыскания области оптимальной гранулометрии [4].

Результаты расчётно - экспериментальных данных представлены в таблице - 1, при этом, результаты 11-го варианта не представлены вследствие их близкой по сопоставимости с данными 1-го варианта.

Таблица 1

Расчётный фактор плотности бетонной смеси /1-ый вариант подбора «эталонного состава» с отработкой по чистоте инертных составляющих песка и щебня бетона марки

300 (В 22,5)/:

№ п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6.

У б.см, КГ / М 3 Лб.СМ Лб.см, У б.см , кг / м3 У б.см , кг / м3 У б.см , кг / м3

1. П 773,956 0,991052 0,783792 461,827 771,886 688,656

2. ц 370,877 0,474909 0,375591 106,049 177,248 369,885

3. щ 1020,893 1,307255 1,033867 803,539 1343,015 1198,203

4. в 159,000 0,203600 0,161021 19,491 32,577 67,982

5. Доб 12,183 - - - - -

Ег б.см = 2336,909 - - - - -

^ = 2324,726 - - 1390,906 2324,726 2324,726

^■Л=1,000 2,976816 2,354271 - - В/Ц=0,184

7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Интерполяционная плотность: ^ \ у б.см , кг / м3

КР - коэффициент регрессии: У р / ЦК ' кг / м3 у пл / ЦК ' кг / м3 У Г , ' б.см ' кг / м3 У б.см , кг / м3 У б.см , кг / м3

0,296231 215,765 231,185 780,421 688,655 655,074 665,031

0,159109 62,246 66,694 419,172 369,883 370,877 376,515

0,515417 653,187 699,868 1357,868 1198,203 1139,775 1157,100

0,029243 2,102 2,253 77,044 67,985 159,000 161,417

- - - - - 12,183 12,183

- - - - - 2336,909 2372,246

- 933,300 1000,000 2634,505 2324,726 2324,726 2360,063

1,000000 - - - В/Ц=0,184 Л^13" = 1,015200

В соответствии расчётной таблицы 1 определяют:

- прогнозируемую прочность бетона, по расчётно - экспериментальной формуле

К = |У б.см / У и

0,25

•Кб -

3 0,25

2360,063кг / м3

933,300кг / м3

300кг / см 2 =(2,528729)0'25 -3 00кг / см 2 =

= 1,261030-300кг/см2 «378,300кг/см2 ;

- из построенной номограммы (рис.1) определяют циклы гидротермальной обработки бетона;

- уточняют требуемое время на тепловую обработку бетона:

1/2010

ВЕСТНИК МГСУ

, - естественная выдержка бетона перед пропаркой

/ *, \0,125 псм /пЕ]

X, =

2,354271

137,036 2,820

0,125

1ч=[2,354271-(48,594326)0'125 ]-1ч=

=(2,354271-1,624326)ч=3,824104ч«3,824ч=230мин=3ч50мин хэкз, - время экзотермического процесса по факту подъёма температуры

(* экз +1 рз ,(*п +1П )/пЕ .

= 14'

(51° С+67 ° с)-0,55 (15° С+8° с]/ 2,82

64,9 8,16

ч « 8,0ч

где К=1 ™п/1 ™ = 42° С/77° С »0,55 тиз, - время изотермического процесса

ТИЗ ~Т1

(*п +1П )/пЕ

= 1ч-

(67° С+25° с)-57 ° С (15° С+8° с]/ 2,82

35 8,16

ч = 4,3ч

- время, затраченное на подъем температуры

х =т -т =8 0ч-4 3ч=3 7ч

1под 1экз 1из -1,1 1

67° С

1 под ,- температура подъёма 1 под =(1 из/тиз—=18,108° С/ч«18°С/ч

Хост ,-время, затраченное на остывание бетона без подачи тепла в пропарочной камере

т,-а

н М-137,036)!^ 1 11 18° С/ч

^т, - общее время, затраченное на выпуск бетонной продукции

ХТ = Тест.вып + [(Тпод ИЗ ост ]=[3,824Ч + (3,7Ч + 4,3ч)+ 7,6ч] =

= 3,824ч+(8,0ч+7,6ч)=(3,824ч+15,6ч)=19,424ч «1166мин Далее, уточняют фактическое время необходимое для остывания бетона без подачи тепла в пропарочную камеру, по расчётно - экспериментальным формулам:

, 0,5

п Е =(1/)-(Хт / а*)0'5''

1

1166мин

где

п =

Хт'=Хт/п=

с . . \2 (2,916970

\пЕ /пЕ /

1мин I 137,036 1166мин

=(8,508713)0,5 = 2,916970> пЕ = 2,82

1,069956

2

1090мин = 18,17ч

2,820000

= (1,034387)2 =1,069956

Находим

ест.выд +(^под из )]=1090мин-[3,824ч+(3,7ч+4,3ч)]=

= 1090мин-(11,824ч-60 )мин = (1090 - 710)мин = 380мин = 6,33ч Принимаем уточнённое время затраченное на выпуск бетонной продукции

ХТ' = Т ест.выд +[(Т ИОД + * из )+Тост ]=[3,824Ч +(3,7Ч + 4,3ч)+ 6,33ч] =

= (3,824ч+14,33ч)=18,154ч «1089мин

^экз Ч

I

Далее производят перерасчёт производственного состава бетонной смеси, [9].

По экспериментально - технологическим отработкам установлено: - бетонную смесь следует затворять горячей водой при температуре не выше tmax = 40° С (в данном случае t = 37 ° С, см. рис.1, точка F'=37° С<tflo6 = 40 ^ 45 ° С ), что соответствует условию растворения горячей водой добавок типа «C - 3».

Литература

1. Адылходжаев А.И., Соломатов В.И. Основы интенсивной раздельной технологии бетона. Ташкент: ФАН, 1993. - 213с.

2. Арбеньев А.С. От электротермоса к синергобетанированию / Владим. гос. техн. ун-т, Владимир, 1996. - 272с.

3. Голованова Л.В. Общая технология цемента. М.:Стройиздат, 1984. - 118с.

4. Зедгинидзе И Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М., «Наука», 1976. - 390с.

5. Инструкция по гидротермальной обработке бетонной смеси с учётом удельного расходования гидратов минералов по формированию кристаллической структуры цементного камня / В.А.Погорелов, к.т.н., ОАО ДСК г.Ковров. 2002г. - 13с.

6. Информационный отчёт по теме: «Разработка технологического оборудования и внедрение технологии синергобетонирования на технологической линии изготовления плит перекрытий»/ В.А.Погорелов, к.т.н., ОАО ДСК г.Ковров. 2002г. - 31с.

7. Колчеданцев Л.М. Интенсифицированная технология бетонных работ на основе термовиб-рообработки смесей / СПБ гос. архит.- строит. ун-т, СПб., 2001. - 230с.

8. Патент 2093355(Россия). Способ синергообработки бетонной смеси и устройство для его осуществления / В.А.Погорелов - опуб. в Б.И.1997, №29.

9. Руководство по подбору составов тяжёлого бетона. НИИЖБ. - М.: Стройиздат, 1979. -103с.

10. Физика : Энциклопедия. / Под. ред. Ю.В.Прохорова. - М.: Большая российская энциклопедия, 2003. - 944с.

11. Химия : Энциклопедия. / Иод. ред. И.Л.Кнунянц. - М.: Большая российская энциклопедия, 2003. - 972с.

Ключевые слова: структурное формирование, «цементный камень», гранулометрический состав, закрытые (замкнутые) устройства, самоорганизация, «барботационный процесс интенсивности», «цементно-кластерная ротация», равновесный прогрев, выдержка, прочность бетона, установочное время, тепловая обработка.

Keywords: structural formation, "cement stone", composition grading, closed devices, self organization, "intensity bubbling process", "cluster-cement rotation", equilibrium heating, curing, concrete strength, time setting, thermal treatment.

Рецензент: Гуюмджян П.П., научный консультант, доктор технических наук, профессор Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».

E-mail автора: [email protected]