Разработка научно-методического подхода к оптимизации управления производственными процессами при монолитном строительстве
Выбор технологического параметра оперативной оценки влияния внешних факторов на производственные процессы
Известно, что все бетоны при затворении водой выделяют тепло, количество которого напрямую зависит от состава смеси, водоцементного соотношения ряда других параметров, поэтому для более глубокого понимания взаимосвязи тепловыделения с различными внешними факторами и свойствами бетона, в диссертационной работе систематизированы некоторые положения в области изучения тепловых эффектов процесса гидратации.
Рассматривая кинетику гидратации цементного вяжущего с использованием методов калориметрии (от лат. calor — тепло и лат. metro — измеряю), можно отметить, что теплота из смеси цемента с водой выделяется ступенчато (особенно на протяжении первых суток реакции). На основании данных классических исследований в области калориметрии цементов В.Лерча, Р.Кондо и других, по интенсивности тепловыделения время твердения цементного теста можно разделить на несколько основных периодов (рис.2.1).
Рис. 2.1. Основные периоды выделения тепла при твердении цементной системы в нормальных условиях
К первому периоду взаимодействия цемента с водой относят промежуток в 30…40 мин., когда наблюдается сильное выделение тепла в тесте (особенно в течение первых 5…8 мин.) с последующим его уменьшением до малых значений.
Второй период – это период малого тепловыделения (называемый также «индукционным»). Он протекает, как правило, в последующие 2…4 часа, а его продолжительность зависит от свойств цемента и содержания гипса.
Третий период начинается через 3…5 ч после затворения цемента водой и характеризуется началом схватывания при постепенном увеличении тепловыделения, которое достигает максимума через 6…10 ч. В этот момент обычно отмечается конец схватывания теста.
Четвертый период наступает после перехода значений тепловыделения через максимум и характеризуется снижением интенсивности теплового потока. В это время наблюдается значительный рост прочности системы.
После завершения четырех основных этапов начального твердения цементного теста наступает пятый этап, называемый этапом длительных реакций.
Термокинетика, как подраздел термодинамики неравновесных процессов переноса и преобразования энергии при гидратации цементных систем, преследует цель установления закономерностей тепловыделения в изменяющейся реакционной системе «вяжущее-вода», определения интенсивности и длительности основных стадий процессов, регулирования на этой основе скорости и полноты протекающих реакций. Оценивая возможности и перспективы термокинетического направления можно говорить о его соответствии тенденциям развития теории кинетики гетерогенных процессов и о возможности расширения области практического применения методов калориметрии, для контроля качества и прогнозирования эксплуатационных свойств бетонов и бетонных конструкций.
В качестве обоснования этих доводов, можно привести результаты экспериментальных исследований работы [3], которые свидетельствуют о том, что тепловыделение является всеобъемлющим показателем, отражающим такие параметры как: качество вяжущего; качество выполнения работ при изготовлении бетонной смеси; влияние различных внешних воздействий на процесс твердения бетона и т.д.
Другой важной особенностью экзотермической природы гидратации цемента является взаимосвязь суммарного количества тепла, выделившегося в ходе реакции со степенью завершенности этой реакции и, как следствие, с прочностью полученной системы. Для проверки фактической взаимосвязи суммарного тепловыделения с прочностными характеристиками автором [3] был проведен ряд экспериментов по сопоставлению общего тепловыделения при реакции активных составляющих двухкомпонентного мелкозернистого бетона с показателями его прочности, определенными по ГОСТ 30744-2001.
График теплового потока, полученный в ходе первых 7 суток твердения контрольного образца вяжущего ПЦ500Д0 в калориметре, а также его интегральная форма, отражающая количественную меру полного тепловыделения, представлены на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Графики теплового потока и суммарной тепловой энергии при гидратации цемента.
Сводная таблица результатов испытания прочности, а также общего тепловыделения в различные моменты времени представлена в таблице 2.1. На рис. 2.3 приведены графики, построенные на основе данных таблицы 2.1.
Таблица 2.1. Сопоставление суммарного тепловыделения и показателей прочности контрольного состава в различные моменты времени
Время, часы |
Средняя прочность на сжатие, МПа |
Тепловыделение, Дж/г |
0 |
0 |
0 |
12 |
0,07 |
38,12 |
18 |
2,39 |
83,37 |
24 |
6,31 |
127,10 |
48 |
15,22 |
219,06 |
72 |
19,50 |
250,45 |
168 |
24,57 |
320,35 |
Рис. 2.3. Графики роста прочности на сжатие и суммарного тепловыделения в первые 7 суток твердения.
Согласно полученным данным, рост прочности на сжатие исследуемой системы прямо пропорционален росту количества суммарного тепловыделения при гидратации. Это подтверждает то, что интегральная форма кривой тепловыделения для цементных систем позволяет прогнозировать их прочностные характеристики в реальных условиях твердения.
Рассматривая практическую сторону применения описанных взаимосвязей, необходимо отметить, что изучение тепловых эффектов при гидратации вяжущих и твердении бетонов были начаты в нашей стране и за рубежом в начале XX века. Тепловыделение подлежит обязательному контролю при бетонировании массивных монолитных конструкций, а также при зимнем бетонировании, как в случае обогрева конструкций, так и при их термосном выдерживании. Также существует практика определения прочности бетона, основанная на таких методах как: метод приведенного времени, метод «градусо-часы», а также интерполяционный метод, связывающий прочность и тепловыделение при изотермическом режиме выдерживания бетона.
Классические модели использования описанных методов не позволяют добиться высокой точности, сопоставимой с методами разрушающего контроля, и достаточно трудозатратны в связи с необходимостью анализа больших объемов данных
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что именно анализ тепловыделения при твердении цементных систем должен играть решающую роль в оптимизации управления производственными процессами современного монолитного строительства.