Проектирование составов бетонных смесей с помощью современных информационных технологий


И.Л. Чулкова, Т. А. Юрина



ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ


Монография







Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 666.97
ББК 38.626.1
4-89

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А. С. Ненишев (ОмГТУ); канд. техн. наук, доцентА. Ф. Бурьянов (ОАО «ВНИИСТРОМ им. П. П. Будникова»)








      Чулкова, И. Л.
4-89 Проектирование составов бетонных смесей с помощью современных информационных технологий : монография / И. Л. 4улкова, Т. А. Юрина. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. -136 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0313-9


     Проведен анализ влияния компонентов бетонной смеси на характеристики бетона. Представлены методы проектирования составов смесей и даны соответствующие алгоритмы. Описана разработанная авторами система автоматизированного проектирования составов бетонов.
     Для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников, чья деятельность связана с проектированием составов бетонов различных видов.

УДК 666.97
ББК38.626.1








ISBN 978-5-9729-0313-9

   © 4улкова И. Л., Юрина Т. А., 2019
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

            ВВЕДЕНИЕ



    Промышленность строительных материалов включает ряд отраслей, занятых производством бетонов различных видов, в том числе для промышленного использования. Так, например, особо тяжелые бетоны применяют в специальных сооружениях (ядерных реакторах, атомных электростанциях и пр.) для биологической защиты от радиоактивных воздействий, тяжелые бетоны используют в качестве фундаментов станков, ячеистые — для теплоизоляции стен промышленных зданий, легкие — в качестве ограждающих конструкций производственных цехов.
    В современных условиях особенно остро стоит вопрос повышения качества бетона без усложнения его состава и интенсификации его промышленного производства [7, 104]. С каждым годом увеличивается разнообразие бетонов, расширяются области их применения, требования, предъявляемые к ним, сырьевая база производства. В технологии бетона переходят к многокомпонентным рецептурам с добавками-регуляторами, используют новые физико-химические процессы, применяют сложное оборудование с элементами автоматизации и т. д. Потребность в бетоне с различными качественными параметрами с течением времени не уменьшается, однако к его качеству предъявляются все более жесткие требования. Поэтому весьма актуально получение бетона с требуемыми физико-механическими свойствами.
    Основными требованиями, предъявляемыми к промышленному производству бетона, являются минимально возможные сроки и качество исполнения [17, 79, 112]. На качество продукта влияют качество исходных материалов (вяжущих веществ, наполнителей, заполнителей, химических добавок) и уровень технологического процесса, персонала и оборудования [43, 121].
    Повышение производительности бетонных заводов возможно, с одной стороны, за счет увеличения производственных площадей и расширения технологических процессов, а с другой стороны, за счет

3

повышения производительности имеющегося оборудования и существующих процессов. Оно, в свою очередь, связано с автоматизацией различных производственных процессов: измерения параметров исходного сырья, устройств; расчета рецептур; подачи сырья и формирования смеси, выдачи готового продукта.
    Решение данной задачи в значительной степени связано с применением при исследовании бетонной смеси современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также с реализацией эффективных численных методов и алгоритмов в виде проблемно-ориентированных программ для оптимизации составов бетонных смесей и прогнозирования их эксплуатационных свойств.
    Автоматизация проектирования является одним из актуальных направлений совершенствования технологического процесса производства бетонов. Применение автоматизированных систем на стадии проектирования позволяет обеспечить высокое качество проектных решений, сократить материальные и трудовые затраты производства, повысить эффективность труда специалистов.
    По времени технологический процесс приготовления бетонной смеси, включая подбор состава и лабораторные испытания, занимает около 30 суток [112, 81, 6]. Как отмечается в работах разных авторов [4-8, 17, 23, 47-49, 57, 58, 79, 82, 99, 104, 106, 112], одной из самых важных операций технологического процесса производства железобетонных конструкций является подбор (проектирование) состава бетонной смеси. В результате проектирования состава бетонной смеси должно быть определено соотношение между компонентами, при котором будут гарантированы необходимая подвижность бетонной смеси, определенные качественные показатели готового бетона (прочность бетона в конструкции, морозостойкость, теплопроводность, водонепроницаемость и пр.) и его экономичность (например, минимальный расход дорогостоящих или дефицитных компонентов).
    Проектирование состава бетона включает следующие этапы:
      -  назначение требований к бетону;
      -  выбор материалов и получение данных, характеризующих их свойства;

4

      -  определение предварительного состава бетона;
      -  корректировка состава в пробных замесах.
    При корректировке состава проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных компонентах и оборудовании по принятой технологии, от различных факторов. При проведении этих испытаний используются математические методы факторного планирования эксперимента и обработки его результатов [81]. Основная сложность автоматизации проектирования состава бетонной смеси заключается в том, что характеристики компонентов, бетонной смеси и бетона, соответствующие удовлетворительному качеству, имеют нечеткий характер, то есть находятся в определенных диапазонах значений. Как следствие, установление связей между параметрами готового изделия (бетона) или прогнозирование его качества представляет собой сложную задачу, решение которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных информационных, программных и компьютерных технологиях.

5

            1.   ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ



        1.1. Классификация бетонов.
        Анализ влияния компонентов бетонной смеси на характеристики бетона

    Бетоном называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях [4, 5, 45, 104]. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.
    Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними происходит образование цементного камня, скрепляющего зерна заполнителей в единый монолит. Между заполнителями и цементом обычно не происходит химического взаимодействия, поэтому часто заполнители называют инертными материалами. Однако заполнители оказывают существенное влияние на структуру и свойства бетона, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. Заполнители и вода составляют около 85-90 %, а цемент — 10-15 % от массы бетона.
    Химические добавки вводятся для регулирования свойств бетона и бетонной смеси. Они могут ускорять или замедлять схватывание бетонной смеси, делать ее более пластичной и удобоукладываемой, ускорять твердение бетона, повышать его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменять в требуемом направлении и другие свойства бетона [12, 43, 59, 124, 80]. Бетоны тем и ценны, что им можно придавать самые разнообразные свойства, изменять в широких пределах их прочность, плотность и другие свойства.


6

    Рассмотрим основные свойства бетонов и бетонных материалов. К механическим свойствам относятся: прочность, твердость, истираемость, ударная вязкость. Типичными прочностными характеристиками служат предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий.
    К физическим свойствам относятся: средняя плотность, истинная плотность, пористость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, температуростойкость (термостойкость), водопоглощение, влагоотдача, гигроскопичность, водопроницаемость, паропроницаемость, газопроницаемость, водостойкость, морозостойкость, звукопоглощение, поглощение ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др.
    К технологическим свойствам относятся: формуемость, раска-лываемость, шлифуемость, полируемость, дробимость, гвоздимость идр.
    В настоящее время в строительстве используют различные виды бетона. Классифицируют бетоны по средней плотности, виду вяжущего вещества, структуре, технологическим особенностям и назначению [104].
    Рассмотрим подробнее классификацию бетонов (рис. 1.1).
    К одному из показателей заданных свойств относится средняя плотность бетона. Величина средней плотности бетона зависит от разновидности заполнителя, а отчасти обусловлена пористостью цементного камня. По степени средней плотности бетоны классифицируют следующим образом [82]:
       - особо тяжелые (средняя плотность свыше 2 500 кг/м³);
       - тяжелые (средняя плотность 2 200-2 500 кг/м³);
       - облегченные (средняя плотность 1 800-2 200 кг/м³);
       - легкие (средняя плотность 500-2 000 кг/м³);
       - особо легкие, ячеистые (средняя плотность менее 500 кг/м³).
    Или[79]:
       - особо тяжелые (средняя плотность более 2 500 кг/м³);
       - тяжелые (средняя плотность от 1 800 до 2 500 кг/м³);

7

      -  легкие (средняя плотность от 500 до 1 800 кг/м³);
      -  особо легкие (средняя плотность менее 500 кг/м³).
    Особо тяжелые бетоны приготавливают на тяжелых заполнителях, таких как стальные опилки или стружки (сталебетон), железные руды (лимонитовый или магнетитовый бетон) или барит (баритовый бетон).

По используемой технологии

Рис. 1.1. Классификация бетонов

По производственному назначению
I . I ,, । I „ । ~

конструкционные гидротехнические для ограждающих дорожные специального для полов,
                                   конструкций             назначения  тротуаров 

    Наиболее широкое применение в строительстве получили тяжелые бетоны со средней плотностью 2 100-2 500 кг/м³. Их приготавливают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.). Облегченный бетон имеет объемную массу 1 800-2 000 кг/м³. Его получают, применяя щебень из горных пород с объемной массой 1600-1 900 кг/м³, или изготавливают бетон без песка (цементное тесто и крупный заполнитель), который называют крупнопористым.

8

    Легкие бетоны получают, применяя пористые заполнители (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза, туф и др.). Применение легких бетонов уменьшает массу строительных конструкций, удешевляет строительство.
    К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны, которые получают, вспучивая смесь вяжущего (цемент) с тонкомолотой добавкой и водой с помощью специальных способов (газобетон, пенобетон), и крупнозернистые бетоны на легких заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем, по существу, является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.
    Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество. Для бетонов применяют почти все разновидности неорганических вяжущих, в связи с чем бетоны разделяются на цементные, гипсовые, силикатные, шлаковые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементные, специальные (на фосфатных, магнезиальных и других вяжущих) [82]. В своей работе мы будем исследовать только бетоны на основе минеральных цементов.
    По разновидности заполнителей бетоны разделяют на плотные, пористые, специальные.
    В зависимости от особенностей структуры различают крупнозернистый бетон слитной структуры, мелкозернистый бетон (без щебня), малощебеночный, в котором уменьшено содержание щебня, крупнопористый или беспесчаный, ячеистый, в структуре которого имеется большое количество воздушных или газовых пузырьков [7, 63].
    Технология изготовления изделий и конструкций предъявляет к бетонной смеси и бетону свои требования, для обеспечения которых необходимы соответствующий выбор сырья и состава бетона [16, 23, 53-55,72, 83, 106, 116, 119].
    В зависимости от используемой технологии различают бетоны:
      -  из жестких бетонных смесей, допускающие, как правило, немедленную распалубку изделий;
      -  литые для изготовления изделий и конструкций способом литья в форму;

9

      -  автоклавные для зимнего бетонирования, твердеющие при отрицательных температурах;
      -  безусадочные;
      -  быстротвердеющие;
      -  пропаренные и др.
    В зависимости от производственного назначения (области применения) бетоны разделяют на следующие виды:
      -  конструкционные (обычный бетон для железобетонных конструкций: фундаментов, колонн, балок, перекрытий, мостовых и других типов конструкций);
      -  гидротехнические (для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и т. д.);
      -  для ограждающих конструкций (легкий бетон для стен зданий);
      -  для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий;
      -  специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты идр.).
    В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям. Рассмотрим основные из них. Бетоны для железобетонных конструкций должны соответствовать заданной (требуемой) прочности при сжатии (Rg). Для конструкций, находящихся на открытом воздухе, важна также морозостойкость (F), т. е. устойчивость материала к воздействию низких температур в зимних условиях.
    Бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью (W), морозостойкостью, малой усадкой, стойкостью против выщелачивающего действия воды, стойкостью по отношению к действию минерализованных вод, незначительным выделением тепла при твердении и соответствовать также требуемойпрочности [29, 30, 104, 112].
    Бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны соответствовать требуемой прочности, плотности и теплопроводности. Бетоны для полов должны обладать малой истираемостью и достаточной прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий— еще и соответствующей морозостойкостью.

10