8)улучшение строительных материалов путем введения

добавок;

9)уплотнение материалов;

10)самоуплотнение и расслаиваемость при транспорти­

ровке.

В последнее время все большее значение приобретают исследования по вопросам планирования и экономического обоснования, а также организации строительных процессов, от­ ражающих в комплексе сложные проблемы и системы.

Оптимизация структур строительных организаций и объе­ динений, информационные и другие управленческие процессы занимают ведущее место в исследованиях, что обусловлено вне­ дрением ЭВМ в строительстве.

Несмотря на многообразие процессов, встречающихся в строительстве, они имеют ряд общих принципиальных положе­ ний. Эти процессы протекают в соответствии с законами диа­ лектики и основными законами термодинамики (1, 2, 3 законы). В большинстве случаев одновременно развиваются два проти­ воположных процесса. Например, твердение вяжущих наряду со структурообразованием сопровождается деструкцией, а при воздействии разрушающих нагрузок вместе с разрушением про­ исходит упрочнение.

На различных этапах одни процессы преобладают над другими. При больших механических нагрузках преобладают процессы разрушения, при небольших механических нагрузках возможно упрочнение материала. Наряду с детерминированны­ ми процессами в строительстве широко распространены и слу­ чайные процессы, особенно это относится к планированию, ор­ ганизации и управлению.

8. МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Первичным в познании физической сущности процессов выступают наблюдения. Любой процесс зависит от множества факторов. Каждое наблюдение или измерение может зафикси­ ровать лишь некоторые факторы. Необходимо иметь множество измерений и наблюдений. Информацию стремятся сгустить в некоторое абстрактное понятие - Jмодель.

Модель - искусственная система, отображающая основ­

ные свойства изучаемого объекта - оригинала. Различают физи­ ческое и математическое моделирование. При физическом мо­ делировании физика явлений в объекте и модели и их математи­ ческие зависимости одинаковые.

При математическом моделировании физика может быть различна, а математические зависимости одинаковы (рис. 1).

дуль упругости; I®- предел напряжения сдвига; ц - вязкость; t - время

Модели могут быть физические, математические (е) (см.

рис. 1) и натурные.

Модель, обеспечивающая оптимизацию технологических процессов и их управление

С13 и т.д. (таблица). Общее количество щебня Xip транспорти­ руемое на объект Atиз карьера Я„ равно:

Задача сводится к такому подбору X, которые обеспечива­ ли бы соответствующие оптимальные значения Y. Статистиче­

ским путем находят модели исследуемого процесса. Во многих случаях для построения таких моделей целесообразно исполь­ зовать метод математического планирования эксперимента.

Модели-аналоги и модели-подобия

В теоретических исследованиях применяют модели-ана­ логи и модели-подобия. Основываясь на подобии и аналогии объектов, процессов и т.д., изучают экспериментально-теорети­ ческим путем явления на модели, а затем с помощью соответст­ вующего математического аппарата устанавливают закономер­ ности в натуре.

На рис. 4 приведена электрическая модель-аналог для изу­ чения напряженно-деформированного состояния балки на двух

Рис. 4. Схема балки на опорах и ее электрическая модель-аналог для изучения напряженно-деформированного состояния балки: Ри Р2 - на­ грузки; РА, РБ- реакции; /?ь R2i R3 - электрические сопротивления; /ь /2- сила тока, моделирующая нагрузки Р, и Р2

Реакции на опорах балки вычисляются по формулам:

Силу тока на входе и выходе электрической цепи вычис­ ляют аналогично:

Таким образом, меняя силу тока 1и 12 и сопротивление R\

можно изучать реакции опор балки в зависимости от величины

Р\ и Ръ

Модели подобия используют давно. Например, нет необ­ ходимости теоретически вычислять или непосредственно изме­ рять высоту (Н) Останкинской башни в Москве. Для этой цели достаточно использовать простейшую модель - треугольник и с помощью теоремы о подобии треугольников путем измерения расстояния к башне определить ее высоту по формуле

Н=ИКР,

где Kp - критерий подобия, равный КР = z I (/ - сторона тре­ угольника), h - высота треугольника.

Аналогичный прием широко используют и при исследо­ вании процессов, но критерий подобия и уравнения в этом слу­ чае определить значительно сложнее. Анализ многообразных физических моделей изучаемых процессов исследуется матема­ тическими методами, которые могут быть разделены на основ­ ные группы:

1.Аналитические методы исследования (элементарная ма­ тематика, дифференциальные и интегральные уравнения, вариа­ ционное исчисление и другие разделы высшей математики) ис­ пользуются для изучения непрерывных детерминированных процессов.

2.Методы математического анализа с использованием эксперимента (метод аналогий, теория подобия, метод размер­ ностей) и др.

3.Вероятностно-статистические методы исследования (статистика и теория вероятностей, дисперсионный и корреляционный анализы, теория надежности, метод МонтеКарло и др.) используются для изучения случайных процессов - дискретных и непрерывных.

4.Методы системного анализа (исследование операций, теория массового обслуживания, теория управления, теория

множеств и др.), используемые для исследования сложных мо­ делей - систем с многообразными и сложными взаимосвязями элементов, характеризуемых непрерывностью и детерминиро­ ванностью, а также элементами дискретности и случайности.

Методы системного анализа получили широкое распро­ странение в последнее время, что в значительной степени обу­ словлено развитием ЭВМ, обеспечивающим быстрое решение и анализ сложных математических задач.

В прикладной математике, которая широко используется в технике, эффективно применять так называемые рациональные методы, допускающие наличие формулировок и утверждений, справедливые лишь в данных реальных условиях. При этом они могут уточняться в ходе исследования, базироваться на доводах, основанных на приближенных решениях, аналогиях или экспе­ риментах и т.п., что не приемлемо в «чистой» математике.

Большое влияние на развитие математических методов исследования, особенно в прикладной математике, оказали ЭВМ, с созданием которых связывают новый современный этап математики. Использование ЭВМ многократно ускоряет мате­ матические преобразования и вычисления, в то же время не ос­ вобождает исследователя от необходимости владеть математи­ ческим аппаратом и творчески мыслить. Обычно наибольший эффект получают в том случае, если исследователь физического процесса хорошо знает возможности ЭВМ, специфику методов работы с ними, а привлекаемый им математик-вычислитель от­ четливо представляет физические особенности исследуемой за­ дачи. Это позволяет квалифицированно обсуждать все вопросы, возникшие в исследовании, что способствует наиболее успеш­ ному и эффективному выполнению научно-исследовательских работ.

Иногда построение физических моделей и математическое описание явления невозможно. Однако и при этом необходимо сформулировать рабочую гипотезу, проиллюстрировать ее гра­ фиками, таблицами, предположить и оценить результаты, кото­ рые должны быть получены на основе этой гипотезы, спланиро­ вать и провести научно-исследовательскую работу.

9. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследуя физические модели, описывающие функцио­ нальные связи, используют аналитические методы, с помощью которых устанавливают математическую зависимость между параметрами модели. В строительстве широко применяются элементарные функции и уравнения, особенно, когда стремятся упростить исследуемую модель и получить приближенные ре­ шения поставленной задачи.

Достаточно часто используют линейные функции и урав­ нения, например, при исследовании сложных строительных ма­ териалов. Полагая, что напряжения в слоистом материале рас­ пределяются прямо пропорционально модулям упругости его компонентов, с помощью элементарных линейных уравнений можно получить ряд полезных сведений.

В практике часто встречаются процессы, протекающие по принципу «цепного» механизма (растворение, охлаждение, пе­ ремешивание и т.д.). Для их исследования используют химиче­ ские и физико-химические методы исследования. Рыночная эко­

номика требует повышения качества строительных материалов, в том числе и с заданными свойствами. Производство строи­ тельных материалов - извести, цемента и изделий из них - это сложный многостадийный процесс и качество их зависит от правильно выбранных параметров, поэтому контроль качества материалов на отдельных стадиях - необходимый этап техноло­ гического процесса изготовления строительных материалов. Необходимым условием совершенствования и развития произ­ водства композиционных строительных материалов является правильно организованный контроль, который начинается с изучения и исследования сырья и кончается определением каче­ ства выпускаемой продукции. Требования по всем видам кон­ троля повышается. Значительно выросли требования к точности результатов аналитических исследований, к сокращению време­ ни аналитического исследования, к повышению чувствительно­ сти аналитических методов для определения весьма малых ко­ личеств некоторых элементов, входящих в состав строительных материалов.

В современных строительных лабораториях, оснащенных сложными испытательными машинами и приборами, произво­ дятся испытания самых разнообразных по назначению, структу­ ре и составу материалов. В оборудование лабораторий строи­ тельных материалов помимо традиционных испытательных при­ боров и машин (весов, измерительных приборов, прессов, раз­ рывных машин) входят новейшие приборы, например, ультра­ звуковые, позволяющие определять прочность изделий без раз­ рушения, камеры погоды, с помощью которых оценивается дол­ говечность материалов в разных климатических условиях и т.п.

Постоянное расширение номенклатуры строительных ма­ териалов находит отражение и в количестве исследований, про­ водимых строительными лабораториями. Методы исследования строительных материалов подразделяются на химические и фи­ зико-химические.

Спомощью химических методов можно изучать строение

исвойства строительных материалов, находить закономерности создания и разрушения их структур, разрабатывать прогрессив­ ные технологические процессы изготовления материалов и из­ делий и изыскивать способы оценки и повышения их долговеч­ ности. Однако перед химическим анализом вскоре стали такие требования, как проведения анализа более быстро и с большей чувствительностью. Этим условиям удовлетворяют физические

ифизико-химические методы исследования, которые в настоя­ щее время широко применяются в НИИ и в заводских условиях.

При выполнении физико-химических методов исследова­

ния точку эквивалентности определяют не визуально, а при по­

мощи приборов, которые фиксируют изменение физических свойств. В физико-химических методах исследования и анализа вещества о концентрации судят по результатам взаимодействия вещества с тем или другим реактивом, контролируемым по ка­ кому-либо физическому свойству (электрическому току, спек­ тру поглощения светового потока и т.д.). В физико-химических методах исследования используется сложная аппаратура для из­ мерения оптических, электрических и других свойств веществ. Эти методы иногда называют инструментальными методами исследования. Наиболее широко применяются три группы инст­

рументальных методов исследований:

-электрохимические методы исследования;

-оптические методы исследования;

-хроматографические методы исследования.

Электрохимические методы исследования основаны на

взаимодействии вещества с электрическим током. Электрохи­ мические методы исследования подразделяются:

-электровесовой метод;

-потенциометрическое титрование;

-кондуктометрическое титрование;

-полярографический анализ;

-амперометрическое титрование;

-кулометрическое титрование.

Встроительной технологии наибольшее применение на­ шли - кондуктометрический, потенциометрический и поляро­ графический методы.

Кондуктометрические методы исследования

Прямая кондуктометрия используется для исследования процесса гидратации портландцемента, для определения порис­ тости бетона, для определения степени диссоциации растворен­ ной соли, растворимости малорастворимой соли. Недостаток метода - загрязнение рабочих электродов и необходимость их периодической очистки, невозможность анализа концентриро­ ванных растворов, для которых электропроводность не является прямой функцией концентрации, а также большие температур­ ные погрешности.

Значительно большее применение имеет метод кондукто­ метрического титрования, который позволяет вести контроль достижения эквивалентных соотношений в растворе. Примене­ ние основано на зависимости удельной электропроводности электролитов от концентрации определяемого компонента. Обычно при проведении кондуктометрического титрования из­ меряют удельную электропроводность, но можно измерять и ве­ личину, пропорциональную ей, например эквивалентную элек­ тропроводность.

Результаты измерения электропроводности раствора в процессе титрования обычно изображают графически в виде так

называемых кривых титрования, характеризующих протекание химической реакции при титровании.

Рассмотрим, как-изменяется электропроводность в про­ цессе реакции.

Разберем осаждение ионов Ва2+ ионами S O /2 (рис. 5).

ВаС12 + Na2S 0 4 —> B aS04J + 2NaCl

или

Ва2+ + 2СГ + 2 Na+ + S 0 4'2 -*• BaS04j + 2 Na+ + 2СГ

заменяется менее подвижным, а общий объем раствора V увели­

чивается. Это уменьшение электропроводности будет происхо­ дить до тех пор, пока все ионы бария, находящиеся в растворе, не перейдут в осадок. После этого добавление Na2S 0 4 резко увеличит электропроводность раствора, так как концентрация электролита в растворе резко возрастет.

Точка перелома представляет собой точку эквивалентно­ сти титрования. Зная точку эквивалентности (Т.Э) и титр рабо­

всех случаях, когда более подвижный ион заменяется менее подвижным, например, при нейтрализации сильных кислот сильными основаниями очень подвижный ион Н+ заменяется менее подвижным ионом металла. Точка эквивалентности в

данном случае выражается четко, и результаты титрования обычно хорошие.

Для определения концентрации исследуемого раствора используется калибровочный график, построенный в координа­ тах (рис. 6): электропро­ водность раствора с из­

Процессы твердения минеральных вяжущих веществ свя­ заны с процессами образования растворов электролитов. По ме­ ре затвердевания концентрация этих растворов изменяется, а следовательно, изменяется и электропроводность твердеющего материала. Поэтому по изменению электропроводности вяжу­ щего вещества можно косвенно судить о процессах, происходя­ щих в системе вяжущее - вода.

Потенциометрические методы исследования

Эти методы широко используются при исследовании мут­ ных, окрашенных растворов, когда нельзя подобрать индикатор для соответствующего объемного определения, а также провес­ ти определение без предварительного разделения сложной сме­ си на компоненты. Различают прямую потенциометрию и по­ тенциометрическое титрование. В первом случае измеряют аб­ солютное и точное значение электродного потенциала. Прямая потенциометрия используется для определения активности ио­ нов водорода и pH растворов, а также других потенциалопределяющих ионов.

Метод прямой потенциометрии широко применяют для

определения активности ионов водорода (pH растворов), а также различных катионов и анионов с использованием ионоселектив­ ных мембранных электродов.

Измерение pH заключается в сравнении потенциала инди­ каторного электрода, погруженного в исследуемый раствор, с потенциалом того же электрода в стандартном буферном рас­ творе с известным значением pH. Для измерения pH применяют высокоомные потенциометры различных систем или рН-метры. шкала которых градуирована в милливольтах или непосредст­ венно в единицах pH.

При помощи прямой потенциометрии можно изучать кор­ розию стальной арматуры в бетонах и кинетику процесса схва­ тывания. Регистрируя значение pH во времени, можно опреде лить сроки схватывания минеральных вяжущих, проследить за процессом гидратации, оценить коррозионную устойчивость цементов в коррозионных средах.

Потенциометрическое титрование применяют для коли­

чественного определения вещества в растворе титрованием егс стандартным раствором соответствующего реагента в оптИ мапьных условиях. В процессе потенциометрического титрова ния определяется эквивалентный объем стандартного раствора реагента путем измерения электродвижущей силы (ЭДС) специ­ ально подобранной электрической пары: индикаторного элек­ трода и электрода сравнения. ЭДС, возникающая за счет разно­ сти потенциалов между индикаторным электродом и электро дом сравнения, осуществляется с помощью высокоомных по­ тенциометров. Величина ЭДС особенно сильно изменяете* вблизи точки эквивалентности. Абсолютное значение отноше­ ния изменения ЭДС к приращению объема прибавляемого стан­ дартного раствора в этой точке будет максимальным. Результ3 ты титрования представляются графически. Полученная крив3* титрования используется для определения точки эквиваленты0 сти методом четырех касательных. Это показано на рис. 7.

В практике потенциометрии большое внимание уделяете' правильному подбору и использованию электродов, чистке их- ‘

также хранению в нерабочем состоянии.