1261

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

И.Л. Чулкова, Т.А. Санькова

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Монография

Омск

СибАДИ

2009

2

УДК 004:666:97 ББК 38.33

Ч 89

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А.С. Ненишев (ОмГТУ); канд. техн. наук, доц. А.Ф. Бурьянов (ОАО «ВНИИСТРОМ

им. П.П. Будникова»)

Монография одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.

Чулкова И.Л., Санькова Т.А.

Ч 89 Автоматизированное проектирование составов бетонных смесей:

монография. – Омск: СибАДИ, 2009. – 120 с.

ISBN 978-5-93204-512-1

Проведен анализ влияния компонентов бетонной смеси на характеристики бетона, анализ состояния вопроса автоматизации процесса проектирования состава бетона; представлены методы проектирования составов бетонных смесей, методики математического моделирования и планирования эксперимента. Приводятся результаты экспериментальных исследований влияния различных факторов на свойства тяжелого, легкого и ячеистого бетонов; строится математическая модель процесса проектирования составов бетонных смесей; приводятся алгоритмы проектирования составов бетонных смесей и прогнозирования свойств бетона. Описывается разработанная авторами система автоматизированного проектирования составов бетонов «SAPCoM».

Монография может быть полезна студентам вузов, аспирантам, инженерам, научным работникам, чья деятельность связана с проектированием составов бетонов различных видов.

Табл. 6. Ил. 34. Библиогр.: 132 назв.

3

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 используются в качестве фундаментов станков, ячеистые – для теплоизоляции стен промышленных зданий, легкие – в качестве ограждающих конструкций производственных цехов.

В современных условиях особенно остро стоит вопрос о повышении качества бетона без усложнения его состава и об 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 критериями, 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), а также 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 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.

4

Решение данной задачи в значительной степени связано с применением при исследовании бетонной смеси современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента, 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 экономичность бетона (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;

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

5

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 проблему, решение которой лежит в сфере новых подходов, базирующихся на современных информационных, программных и компьютерных технологиях.

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 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.

Кфизическим свойствам относятся: средняя плотность, истинная плотность, пористость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, температуростойкость (термостойкость), водопоглощаемость, влагоотдача, гигроскопичность, водопроницаемость, паропроницаемость, газопроницаемость, водостойкость, морозостойкость, звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др.

Ктехнологическим свойствам относятся: формуемость, раскалываемость, шлифуемость, полируемость, дробимость, гвоздимость и др.

В настоящее время в строительстве используют различные виды бетона. Классифицируют бетоны по средней плотности, виду вяжущего вещества, структуре, технологическим особенностям и назначе-

нию [104].

Рассмотрим подробнее классификацию бетонов (рис. 1.1).

Кодному 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 2500 кг/м3);

тяжелые (средняя плотность 2200–2500 кг/м3);

облегченные (средняя плотность 1800–2200 кг/м3);

легкие (средняя плотность 500–2000 кг/м3);

особо легкие, ячеистые (средняя плотность менее 500 кг/м3).

Или [79]:

особо тяжелые (средняя плотность более 2500 кг/м3);

тяжелые (средняя плотность от 1800 до 2500 кг/м3);

легкие (средняя плотность от 500 до 1800 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).

7

Рис. 1.1. Классификация бетонов

Наиболее широкое применение в строительстве получили тяжелые бетоны со средней плотностью 2100–2500 кг/м3. Их приготавливают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.). Облегченный бетон имеет объемную массу 1800–2000 кг/м3. Его получают, применяя щебень из горных пород с объемной массой 1600–1900 кг/м3, или изготавливают бетон без песка (цементное тесто и крупный заполнитель), который называют крупнопористым.

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

8

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 соответствии 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.

Взависимости 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].

Взависимости от используемой технологии различают бетоны:

из жестких бетонных смесей, позволяющие, как правило, немедленную распалубку изделий;

литые для изготовления изделий и конструкций способом литья в форму;

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.);

9

для ограждающих конструкций (легкий бетон для стен зданий);

для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий;

специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты и др.).

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям. Рассмотрим основные из них. Бетоны для железобетонных конструкций должны соответствовать заданной (требуемой) прочности при сжатии (Rб). Для конструкций, находящихся на открытом воздухе важна также морозостойкость (F), т.е. способность 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 требуемой прочности [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. К бетонам специального назначения предъявляются требования, обусловленные особенностью их службы.

Общие требования ко всем видам бетонов и бетонных смесей та-

ковы [7, 29, 30, 104, 106]:

до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаиваться;

бетон должен иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию;

расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальны. Получить бетон, удовлетворяющий всем поставленным требова-

ниям, можно при надлежащем приготовлении, укладке и уплотнении бетонной смеси, а также при правильном выдерживании бетона в начальный период его твердения.

10