2255

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Относительные деформации

Рис. 4. Зависимость касательного модуля упругости от деформаций

Наиболее точно физическую сущность работы материала отражает уравнение П.И. Васильева, С.Е. Фрайфельда и В.М. Бондаренко. Кривая изменения касательного модуля, построенная на основании данной зависимости, сначала имеет постоянное значение и затем постепенно убывает, асимптотически приближаясь к нулю.

где εm – условно-мгновенные относительные деформации; σ – действующие нормальные напряжения; Rkt – предел кратковременной прочности в расчетный момент

времени; Ekt0 – начальный модуль деформаций материала; ηk, mk = 5.636 – параметры

нелинейности кратковременно деформируемого материала.

Недостатком уравнения (1) является сложность выражения напряжений через деформации. Бондаренко В. М., Шагин А. Л. [4] предлагают вычислять их по формуле

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Коэффициенты А и В уравнения (2) определяются из условия минимума квадратичных отклонений от диаграмм, экспериментально полученных для бетона различной прочности.

При проведении исследований напряжения определялись методом линейной интерполяции участков графика функции (1).

Для изучения влияния вида функции, описывающей зависимость между напряжениями и деформациями, на результаты расчета прогибов изгибаемого элемента рассмотрим пластину из изотропного материала, шарнирно опертую по сторонам с размерами 2 на 2 метра, с высотой сечения 0.2 м, со следующими характеристика материала:

начальный модуль упругости E0 = 24020 МПа, коэффициент поперечного расширения ν = 0.2,

максимальные относительные деформации материала εu = 0.003, временное сопротивление материала σu = 25 МПа,

относительныедеформации, соответствующиевременномусопротивлению, εσ = 0.002. Пластина загружена равномерно распределенной нагрузкой.

Уравнение изгиба пластинки из нелинейно деформируемого материала имеет вид:

При этом деформации отдельного элемента могут быть определены из соотношений:

Физические соотношения, связывающие деформации и напряжения:

Поставленная задач была решена методом последовательного нагружения. При этом перемещения, необходимые для определения деформаций и напряжений, находились из решения конечноразностного аналога уравнения (3) при заданных граничных условиях. На каждом этапе нагружения фиксировалась величина максимальных деформаций (7) и соответствующих напряжений (8). Для следующего этапа нагружения, на основании полученных значений и принятой аналитической зависимости, переопределялись нелинейные параметры секущего Eс и касательного E модулей, входящих в уравнения (8) и (5).

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Для исследования влияния переменной жесткости на работу изгибаемой пластины построены графики зависимости нормальных напряжений от деформаций пластины при различных законах изменения секущего и касательного модулей упругости материала.

Очевидно, что все теоретические кривые с достаточной точностью соответствуют экспериментальной кривой деформирования.

Относительные деформации

Рис. 5. Расчетные кривые зависимости напряжений от деформаций

Однако если рассматривать кривую зависимости максимальных прогибов плиты от величины нагрузки (рис. 6), то заметны большие расхождения значений прогибов, определенных при анализируемых экспоненциальной первого типа и Г.Б. Бюльфингера зависимостях, от экспериментальных данных. Зависимости Сен-Венана и С.П. Тимошенко также дают несколько заниженные значения прогибов, так как касательные модули упругости, определенные по данным диаграммам, превосходят экспериментальное значение на начальном участке.

Экспоненциальная зависимость А.А Прокоповича хорошо сходится с экспериментальной зависимостью на начальном этапе. При дальнейшем увеличении нагрузки дает значительные расхождения.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Список литературы

1.Лукаш, П.А. Основы нелинейной строительной механики / П.А. Лукаш. – М.: Стройиздат, 1978. – 202 с.

2.Столяров, Я.В. Введение в теорию железобетона / Я.В. Столяров. – М.-Л.: Гос. изд-во строит. лит., 1941. – 447 с.

3.Попов, Н.Н. Расчет конструкций специальных сооружений / Н.Н. Попов, Б.С. Расторгуев. – М.: Стройиздат, 1990. – 208 с.

4.Байков, В.Н. Построение зависимости между напряжениями и деформациями сжатого бетона по системе нормируемых показателей / В.Н. Байков, С.В. Горбатов, З.А. Димитров // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура. – 1977. – № 6. – С. 15–18.

5.Мурашкин, Г.В. Моделирование диаграммы деформирования бетона и схемы НДС / Г.В., Мурашкин В.Г. Мурашкин // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура. – 1997. – № 10. – С. 4–6.

6.Мурашкин, Г.В. Тяжело нагруженные полы из бетона, твердеющего под давлением / Г.В. Мурашкин, А.Н. Алешин, К.И. Гимадетдиков // Изв. вузов.

Строительство. – 1995, – № 12. – С. 136–139.

7.Прокопович, А.Д. К определению зависимости «σ-ε» с ниспадающим участком для бетона при сжатии железобетонных конструкций / А.Д. Прокопович. – Куйбышев: Куйбышев. гос. ун-т. им. А.И. Микояна, 1979. – С. 33 – 39.

8.Smith, G.M. Ultimate flexural analysis based on Stress – Strein cureves of cylinders /

9.Гениев, Г.А. Некоторые задачи расчета стержней при общей нелинейной зависимости напряжений и деформаций / Г.А. Гениев // Сб. статей ЦНИИПС. – М.: Госстройиздат, 1954. – Вып. 13.

10.Бондаренко, В.М. Расчет эффективных многокомпонентных конструкций / В.М. Бондаренко, А.Л. Шагин. – М.: Стройиздат, 1987. – 175 с.

References

1.Lucas, P.A. The foundations of nonlinear structural mechanics / P.A. Lucas. – M: Stroyizdat, 1978. – 202 p.

2.Stolyarov, Y.V. Introduction to the theory of reinforced concrete / Y.V. Stolyarov. – M.-L.: GOS. Publishing house building. lit., 1941. – 447 р.

3.Popov, N.N. Structural analysis of special structures / N.N. Popov, B.S. Rastorguev. –

M:Stroyizdat, 1990. – 208 р.

4.Baykov, V.N. Construction of the dependence between stresses and deformation of compressed concrete according to the system of indicators / V.N. Baykov, S.V. Gorbatov, Z.A. Dimitrov // News of universites. Ser.: The construction and architecture. – 1977. – No. 6. – P. 15–18.

5.Murashkin, G.V. Modeling of the deformation diagram of concrete and the scheme of the stress-strain state / G.V. Murashkin, V.G. Murashkin // News of universites. Ser.: The construction and architecture. – 1997. – No. 10. – P. 4–6.

6.Murashkin, G.V. Heavily loaded floors made of concrete hardening under pressure / G.V. Murashkin, A.N. Aleshin, K.I. Gimazetdinov // News of universites. Construction. – 1995. – No 12. – P. 136–139.

7.Prokopovich, A.D. To the determination of the dependence of «σ-ε» from the dropdown plot for concrete in compression concrete structures / A.D. Prokopovich. – Kuibyshev: Kuybyshev. GOS. UN-t im. A. I. Mikoyan, 1979. – P. 33–39.

8Smith, G.M. Ultimate flexural analysis based on Stress – Strein cureves of cylinders /

9.Geniev, G.A. Some problems of calculation members for General nonlinear dependence of stress and strain / G.A. Geniev // Collection of articles, CSRIIS. – M.: Gosstroiizdat, 1954. – Vol. 13.

10.Bondarenko, V.M. Calculation of effective multicomponent structures / V.M. Bondarenko, A.L. Shahin. – M.: Stroyizdat, 1987. – 175 p.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 666.6

ПСЕВДОРАЗЖИЖЕНИЕ СЫРЬЕВЫХ МАСС В ТЕХНОЛОГИИ ЯЧЕИСТОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ СИЛИЦИТОВ

В.А. Береговой, Г.А. Фокин, Е.В. Снадин

Исследованы особенности процессов тиксотропии керамических шликерных масс на основе природных силицитов. Оптимизация процесса вибровспучивания и подбор химических модификаторов позволили достичь цели минимизации водотвердого отношения сырьевой массы, т.е. получить предельно наполненные, но при этом хорошо вспучиваемые суспензии. Это существенно улучшило качество ячеистой структуры, повысило степень воспроизводимости требуемого технического результата и прочностные показатели керамического материала.

Ключевые слова: керамика, ячеистая структура, природные силициты, реология минеральных суспензий, псевдоразжижение

FLUIDIZATION OF RAW MATERIALS IN THE TECHNOLOGY OF CELLULAR CERAMICS BASED ON NATURAL SILICIDES

V.A. Beregovoi, G.A. Fokin, E.V. Snadin

The features of the flow of thixotropy processes of ceramic masses based on natural silicites are investigated. Optimization of vibration process and correct selection of chemical modifiers allowed to achieve the goal of minimizing the water-solid ratio of the raw material mass. It significantly improved the quality of the formed cellular structure, increased the degree of reproducibility of the required technical result and strength parameters of the ceramic material.

Keywords: ceramics, natural silicites, fluidization, cellular structure, rheology of mineral suspensions

Резервом улучшения качества пористой теплоизоляционной керамики является снижение капиллярной микропористости, создаваемой в материале межпоровых перегородок в процессе высушивания. Применение шликеров с повышенными значениями водотвердого отношения приводит к образованию разветвленной сети капиллярных каналов и уменьшению площади сечения несущих элементов макроструктуры. Известно, что замена в структуре материала равных объемов капиллярной пористости на ячеистую пористость сопровождается повышением его прочности в 1,3...1,5 раза [1].

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Влияние капиллярной пористости, выраженное через водотвердое отношение, на прочность ячеистого материала было установлено ранее для пенокерамобетонов [2]:

где Vвозд – ячеистая пористость, отн.ед; Rmatrix– прочность матричного вещества на сжатие, МПа; Rпр – прогнозируемая прочность, МПа; В/Т – отношение массы воды

затворения к массе минерального порошка (капиллярная пористость); n и m – числовые коэффициенты.

Оптимизацию ячеистой структуры керамики можно осуществить следующими технологическими факторами:

–достижением оптимального соответствия между реотехнологическими показателями шликера и скоростью формирования газовой фазы;

–снижением водотвердого отношения до минимальных значений, обеспечивающих вспучивание массы;

–созданием условий для уплотнения и обжатия материала межпоровых перегородок.

При неизменных величинах дисперсности минеральных частиц и водотвердого отношения регулировку подвижности сырьевой смеси целесообразно производить способом введения разжижающих электролитов, применением внешнего механического воздействия, а также их комбинированием.

Дополнительную корректировку реологических свойств можно осуществить подбором типа газообразователя, формирующего при разложении дополнительное количество жидкой фазы или обладающего поверхностно-активными свойствами. Исходя из этого, при разработке составов на основе природных силицитов вспенивание

шликера осуществляли перекисью водорода (H2O2), а для оптимизации кинетики газовыделения использовали тонкомолотый уголь [3].

Важным фактором, способствующим повышению механических показателей ячеистой керамики, является характеристика поверхности пор, определяемая параметрами припорового слоя. В сравнении с основным материалом межпоровой перегородки такой слой может быть рыхлым, равноплотным (гладкая поверхность) или более плотным (глянцевая поверхность). В последнем случае он дополнительно упрочняет систему несущего каркаса ячеистого материала за счет эффекта обжатия перегородок.

Шликерные массы в технологиях ячеистой керамики представляют собой водные суспензии с высокой концентрацией частиц твердой фазы. Реотехнологические показатели смесей формируются в зависимости от объемного содержания твердой фазы. Влияние степени наполнения водной фазы на вязкость формируемой суспензии определяется зависимостью

где – объемное содержание твердой фазы; k – числовой коэффициент.

Оценку величины коэффициента k производят с учетом удельной поверхности (S) и коэффициента формы минеральных частиц (0,42 (пластинчатая) kф 0,85 (сферическая)), а также толщины граничного слоя ( ).

В работе [4] предлагается следующий вид формулы (2):

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

где S – удельная поверхность, м-1, – объемное содержание твердой фазы, отн.ед.;– толщина граничного слоя, м.

Шликерную массу для оценки реотехнологических показателей изготавливали путем совмещения порошка опоки и водного раствора, содержащего добавку разжижающего компонента (водорастворимые соли щелочных металлов). Количественную оценку величины возникающего эффекта определяли с использованием видоизмененного вискозиметра Суттарда.

На рис. 1 и 2 приведены зависимости подвижности шликера до и после механического воздействия (В/Т=const).

а

б

Рис. 1. Влияние добавки на подвижность шликера:

а – первоначальный расплыв; б – после механического воздействия;

1– Na4P2O7; 2 – NaOH; 3 – Na2SiO3; 4 – Na2CO3; 5 – NaF; 6 – Na2B4O7; 7– Na2C4H4O6; 8 – NaCl

Анализ данных показывает, что увеличение содержания добавок Na4P2O7, NaOH, Na2SiO3, Na2CO3 и Na2B4O7 в количестве до 1 % значительно повышает подвижность водоопочной суспензии.

Влияние типа катиона разжижителя на подвижность водоопочной суспензии характеризуют кривые на рис. 2.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Т а б л и ц а 2 Соотношение «плотность – прочность» для легкой керамики

Полученные результаты подтверждают перспективность применения способа вибровспенивания шликера для изготовления легкой керамики с упрочненной ячеистой структурой, формируемой путем управления процессами реотехнологического разжижения и упрочнения. Управляющими параметрами является режим вибрирования вспениваемой смеси, а также количество и вид вводимого химического модификатора.

Использование природных силицитов с естественной нанопористостью обеспечивает получение легкой керамики плотностью 400…450 кг/м3 и прочностью на сжатие

1,5…2,0 МПа.

Список литературы

1.Ячеистый бетон для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и инженерных коммуникаций / А.П. Прошин [и др.] // Строительные материалы. – 2002. –

№3. – С. 14–15.

2.Береговой, В.А. Эффективные теплоизоляционные пенокерамобетоны / В.А. Береговой, Е.В. Королев, Ю.М. Баженов. – М.: МГСУ, 2011. – 264 с.

3.Beregovoi, V.A. Heat-Resistant Porous Composite Based on Ordinary Clay for Thermal Insulation of Hot Surfaces / V.A. Beregovoi, A.M. Beregovoi // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol.736. – P. 166–170.

4.Пилов, П.И. Гравитационная сепарация полезных ископаемых / П.И. Пилов. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2010. – 127 с.

5.Береговой, В.А. Облегченная керамика повышенной прочности для энергоэффективных ограждающих конструкций / В.А. Береговой, Е.В. Снадин // Региональная архитектура и строительство. – 2017.– № 4. – С. 54–60.

References

1.Cellular concrete for thermal insulation of buildings and engineering communications / A.P. Proshin [etc.] //Building materials. – 2002. – №3. – P. 14–15.

2.Beregovoi, V.A. Efficient heat insulation foam ceramic concerts / V.A. Beregovoi, E.V. Korolev, Y.M. Bazhenov. – M: MGSU, 2011. – 264 p.

3.Beregovoi, V.A. Heat-Resistant Porous Composite Based on Ordinary Clay for Thermal Insulation of Hot Surfaces / V.A. Beregovoi, A.M. Beregovoi // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol.736. – P. 166–170.

4.Pilov, P.I. Gravity separation of minerals / P.I. Pilov. – Dnepropetrovsk: National mining University, 2010. – 127 p.

5.Beregovoi, V.A. Lightweight ceramics of increased strength for energy-efficient enclosing structures / V.A. Beregovoi, E.V. Snadin // Regional architecture and engineering. – 2017. – № 4. – P. 54–60.