Оптимізація складу дрібнозернистого бетону з урахуванням критеріїв локального руйнування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.05 - будівельні матеріали і вироби

Оптимізація складу дрібнозернистого бетону з урахуванням критеріїв локального руйнування

Кровяков Сергій Олексійович

Макіївка - 1999

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в Одеській державній академії будівництва і архітектури (ОДАБА), Міністерство освіти України.

Науковий керівник: - Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Вознесенський Віталій Анатолійович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри процесів та апаратів в технології будівельних матеріалів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Матвієнко Василь Андрійович, Донбаська державна академія будівництва архітектури, декан будівельного факультету;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Попов Володимир Васильович, завідувач відділом будівельних матеріалів Донецького ПромбудНДІпроекта (Укрбуд).

Провідна організація: - Київський національний університет будівництва і архітектури.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.

Анотація

Кровяков Сергій Олексійович. Оптимізація складу дрібнозернистого бетону з урахуванням критеріїв локального руйнування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальностю 05.23.05. - Будівельні матеріали і вироби. Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 1999.

Дисертація присвячена оптимізації складу дрібнозернистих бетонів, що містять цеолітовий наповнювач, з урахуванням критеріїв локального руйнування при різноманітному їх водонасичені. Встановлено, що введення тонкомеленого цеоліту в бетони, які працюють в умовах підвищеної вологості, збільшує критичний коефіцієнт інтенсивності напружень. В обчислювальному експерименті оцінено роль кожного компоненту в структуроутворенні, причому виключено вплив водопотреби сумішей рівної легкоукладністі. В цьому експерименті використана спеціальна модель у вигляді добутку лінійної функції цементно-водного відношення на експериментально-статистичну модель для відносних відхилень від цієї функції. Аналіз багатофакторних моделей показав, що по мірі збільшення ступеня заповнення відкритих пор водою рівень критерію локального руйнування спочатку знижується, а потім зростає. Результати роботи використані при виготовленні бетонних елементів в промисловому будівництві.

Ключові слова: дрібнозернистий бетон, цеоліт, тріщиностійкість, локальне руйнування, експериментально-статистичне моделювання, оптимізація.

Аннотация

Кровяков Сергей Алексеевич. Оптимизация состава мелкозернистого бетона с учетом критериев локального разрушения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05. - Строительные материалы и изделия. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена оптимизации состава мелкозернистых бетонов, содержащих цеолитовый наполнитель, с учетом критериев локального разрушения при различном их водонасыщении. Исследования выполнены с использованием экспериментально-статистического моделирования по D-оптимальному четырехфакторному плану. Установлено, что введение тонкомолотого цеолита в бетоны, работающие в условиях повышенной влажности, увеличивает критический коэффициент интенсивности напряжений, то есть улучшает их способность сопротивляться образованию трещин. В вычислительном эксперименте оценена роль каждого компонента в структурообразовании, причем исключено влияние водопотребности смесей равной удобоукладываемости. В этом эксперименте использована специальная модель в виде произведения линейной функции цементно-водного отношения на экспериментально-статистическую модель для относительных отклонений от этой функции. Показано, что цеолитовый наполнитель, несмотря на некоторое увеличение водопотребности смеси, способствует улучшению сопротивления цементного композита растягивающим напряжениям. Замена величины водопоглощения по объему на другую относительную величину - степень заполнения открытых пор водой - позволила учесть этот фактор в экспериментально-статистических моделях, описывающих поведение материалов с отличными структурами, и оценить характер его влияния по сравнению с действием факторов состава. Анализ многофакторных моделей показал, что по мере увеличения степени заполнения открытых пор водой уровень критерия локального разрушения сначала понижается, а потом возрастает. Для мелкозернистых бетонов, работающих, в частности, в водонасыщенном состоянии, выбраны оптимальные составы с повышенным содержанием пластификатора и цеолитового наполнителя. Опытно-промышленная проверка осуществлена для конструкций промышленного и транспортного строительства, работающих в контакте с водой.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, цеолит, трещиностойкость, локальное разрушение, экспериментально-статистическое моделирование, оптимизация.

The summary

Krovyakov S.A. Optimisation of Fine Grained Concrete Composition with Regard to Local Fracture Criteria. - Manuscript.

The thesis for competing the candidate's degree on speciality 05.23.05 - Building materials and products. Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeevka, 1999.

The dissertation is devoted to optimisation of composition of fine grained concretes, containing zeolite filler, with regard for local fracture criteria in various conditions of water absorption. It has been found that introduction of fine zeolite in concretes operating at raised moisture increases the stress intensity factor. The role of each component in forming the concrete properties has been estimated in computational experiment, with effect of water dosage for mixtures of equal workability being excluded. Used in computational experiment has been special model - the product of linear function of cement-water ratio by experimental-statistical model for relative deviations from this function. The analysis of multi-factor models has shown that as degree of filling the accessible pores with water increases the level of local fracture criterion decreases initially and then increases. The results of the work have been used when producing concrete units for industrial construction.

Key words: fine grained concrete, zeolite, crack resistance, local fracture, experimental-statistical modelling, optimisation.

1. Загальна характеристика роботи

цементний композит руйнування

Актуальність досліджень. Підвищення надійності споруджуваних та реконструйованих будівельних споруд за рахунок зменшення схильності бетону до утворення тріщин залишається актуальною науковою задачею, незважаючи на розвиток матеріалознавства, технології бетонних робіт та повторного захисту, методів розрахунку конструкцій і проектування споруд. Для оцінки схильності бетону до тріщиноутворення запропоновано ряд критеріїв, але більшість з них, які дозволяють вести лише порівняльний аналіз складів і технологій, не знаходять прямого відображення при розрахунку конструкцій. Але, в останнє двадцятиріччя, розвиток механіки і фізики руйнування композиційних матеріалів дозволив ввести в практику досліджень бетону і залізобетону нові критерії, корисні і для контролю якості, і для розрахунку конструкцій.

Одним з найменш трудомістких при експериментальному визначенні і, водночас, достатньо інформативним для розрахунків елементів конструкцій є критерій локального руйнування - критичний коефіцієнт інтенсивності напружень К_1с (МПа*м^0.5), що характеризує стійкість матеріалу до крихкого руйнування і розвиток тріщини способом відриву. Дослідженню впливу на рівень цього показника тріщиностійкості цементних композитів умов його визначення (співвідношення геометричних розмірів зразків, спосіб ініціювання тріщини, характер навантаження) і окремих факторів складу (співвідношень між цементом і водою, між заповнювачем і цементом, між фракціями заповнювача і наповнювача, механічних характеристик цементного каменя і заповнювачів і ін.) присвячено достатньо багато робіт.

В той же час обмежена інформація про вплив факторів зовнішнього середовища на критерії механіки руйнування, хоча відомо, зокрема, що водонасичення бетону суттєво змінює рівні практично всіх його властивостей. Розширити цю інформацію доцільно, використовуючи експериментально-статистичне моделювання (ЕС-моделювання), яке, вимагаючи оптимального планування натурного експерименту, дозволяє проводити обчислювальні експерименти, які розширюють базу для технологічних висновків.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного та прикладного характеру здійснені у рамках виконання держбюджетної науково-дослідницької теми № 58 ОДАБА “Експериментально-статистичне моделювання і оптимізація в комп'ютерному будівельному матеріалознавстві”.

Мета роботи - оптимізація складу дрібнозернистих бетонів, які містять цеолітовий наповнювач, з урахуванням критерію локального руйнування при різному їх водонасиченні.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі.

На основі літературних даних і попередніх дослідів проаналізувати особливості впливу складу цементного композиту і його водонасичення на основні показники механічних властивостей, особливо на критерії механіки руйнування.

Розробити блок-схему досліджень, обгрунтувати вибір варійованих факторів і приватних методик експериментів, провести по оптимальному плану виготовлення і випробування зразків з різним ступенем водонасичення.

Проаналізувати по даним натурного експерименту взаємозв'язки між показниками механічних властивостей, включаючи критичний коефіцієнт інтенсивності напружень, при різному водонасиченні, і оцінити по ЕС-моделям вплив чотирьох факторів складу на ці показники.

Провести обчислювальні експерименти з чотирифакторними моделями для врахування в моделях цементно-водного відношення, що змінюється, і ступеню заповнення відкритих пор водою; оцінити по них вплив цих важливих структуроутворюючого і експлуатаційного факторів на критичний коефіцієнт інтенсивності напружень і інші показники механічних властивостей.

За результатами моделювання оптимізувати склади дрібнозернистих бетонів з урахуванням критерію локального руйнування при різному водонасиченні і провести їх дослідно-промислову перевірку.

Основні методи наукового дослідження. Експериментальні дослідження виконані по D-оптимальному чотирифакторному плану. Параметри якості бетону визначені у відповідності з нормативами на атестованому випробувальному обладнанні. Початковий надріз зразків зроблений алмазними дисками. Побудова нелінійних ЕС-моделей, обчислювальні експерименти і аналіз моделей виконані в комп'ютерному режимі, в тому числі в спеціалізованій системі СОМРЕХ (ОІБІ_91).

Наукова новизна отриманних результатів дослідження:

- встановлено, що введення тонкомеленого цеоліту в дрібнозернисті бетони, які працюють в умовах підвищеної вологості, збільшує критичний коефіцієнт інтенсивності напружень, тобто покращує їх спроможність чинити опір утворенню тріщин;

- в обчислювальному експерименті оцінена структуруюча роль компонентів поза їх зв'язком з водопотребою суміші. Для цього використані спеціальні моделі у вигляді добудку лінійної функції впливу цементно-водного відношення на ЕС-модель відносних відхилень від цієї функції;

- показано, що цеолітовий наповнювач, незважаючи на деяке збільшення водопотреби цементно-піщаної суміші, сприяє поліпшенню опору цементного композиту розтягуючим напруженням;

- аналіз багатофакторних моделей, які додатково враховують ступінь заповнення відкритих пор водою, показав, що по мірі її збільшення, рівень критерію локального руйнування спочатку знижується, а потім починає зростати, нерідко перевищуючи початкові значення;

- для дрібнозернистих бетонів, які працюють у водонасиченому стані, вибрано оптимальні склади з підвищеним вмістом пластифікатора і цеолітового наповнювача.

Практичне значення отриманих результатів:

- введення в склад цементно-піщаної суміші оптимальної кількості такого наповнювача, як тонкомелений цеоліт (родовища якого є на Україні), покращує фізико-механічні характеристики бетону, зокрема, в водонасиченому стані і значно підвищує його тріщиностійкість;

- дослідно-промислова перевірка здійснена для конструкцій промислового і транспортного будівництва, які працюють в постійному контакті з водою.

Особисто співшукачем отримані:

- експериментальні дані про властивості дрібнозернистих бетонів при різних ступенях насичення рідиною;

- інформація про ступень впливу факторів складу дрібнозернистого бетону на його властивості при різній вологості і при експлуатації в різноманітних середовищах;

- комплекс моделей, що описують вплив складу і вологості дрібнозернистого бетону на його фізико-механічні властивості і показники локального руйнування;

- склади цементних композицій, що задовольняють багатокритеріальні вимоги до технологічних і експлуатаційних властивостей конструкцій.

Апробація роботи. Основні результати повідомлені на міжнародних конференціях і семінарах по механіці руйнування (Мукачево, 1998), по моделюванню і оптимізації композитів (Одеса, 1998, 1999), по проблемам будівництва (Одеса, 1998; Жиліна - Словакія 1999).

Публікації. Основні положення опубліковані в 5 статтях у збірниках наукових праць і в 3 доповідях на міжнародних конференціях і симпозіумах.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку літературних джерел і додатку. Загальний обсяг роботи 131 сторінка, з яких 111 сторінок основного тексту, 38 малюнків, 5 таблиць, перелік літератури із 152 найменувань на 16 сторінках, 4 сторінки додатку.

2. Зміст роботи

У вступі розглянута актуальність роботи, сформульована мета і задачі дисертаційного дослідження, наведені положення наукової новизни і практичної цінності отриманих результатів.

Перший розділ присвячений аналізу особливостей впливу складу і умов експлуатації на тріщиностійкість бетону. Загальний арсенал методів і способів управління структурою і властивостями будівельних композиційних матеріалів в останнє двадцятиріччя поповнився методами механіки руйнування. Великий обсяг досліджень виконаний при координації RILEM паралельно в декількох комітетах, в склад яких входили основні фахівці з проблеми (F.H. Wittmann, S.P. Shan, Z.P. Bazant, V.C. Li, Ю.В. Зайцев та ін.). Ці результати враховані в стандарті ГОСТ 29167-91 “Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении”.

Значну частку в експериментальних дослідженнях займають роботи, присвячені впливу виду в'яжучого, водотвердого відношення, величини і частки заповнювача (D. Paus, G. Lott, G. Branu, Л.О. Алімов, Ю.М. Баженов, В.В. Воронін, A.M. Brandt, P.E. Petersson, К.Л. Ковлєр та ін.), а також наповнювача (В.М. Вировий) на критерії механіки руйнування. В той же час, вкрай мало наукових фактів про вплив на ці критерії контакту бетону з водою (К.А. Пірадов, M. Petri).

Одним з таких критеріїв є коефіцієнт інтенсивності напружень К_1с (МПа*м^0.5), який по фізичному змісту відповідає межі напружень на нескінченно малому віддаленні від вершини тріщини в момент локального руйнування матеріалу. В розрахунках залізобетонних конструкцій цю величину потрібно приймати як деяку “константу” бетону, хоча вона не може не залежати від параметрів зовнішнього середовища.

Аналіз інформації про вплив рецептурних і експлуатаційних факторів, про сучасні засоби досліджень матеріалів, моделювання і оптимізації дозволили обгрунтувати вибір мети і задач роботи.

В другому розділі обгрунтовано методи досліджень і описані характеристики вихідних матеріалів. Блок-схема досліджень показана на рис.1. Досліджено 20 цементно-піщаних сумішей (18 по D-оптимальному плану + контрольні) рівної легкоукладності (5.5-7 см по пенетрації конуса); при цьому варіювалися 4 фактора:

об'ємне відношення піску і цементу (П/Ц=X₁=2.640.53), як один з основних визначників частки матричного матеріалу в композиті;

об'ємна частка в піску керамзитових зерен (EC=X₂=0.150.15), що повинні (П.Г. Комохов, В.Н. Мохов), в силу пониженої пружності, підвищувати тріщиностійкість бетону;

дозування добавки пластифікатора УПСБ-М (P=Х₃=0.70.2 % від ваги цементу), як інградієнту, змінюючого водопотребу суміші і пористість композита;

дозування тонкомеленого цеоліту Сокирнянського родовища (Z=X₄=88% від маси цементу), як наповнювача, що володіє особливими адсорбційними властивостями і здатного змінити як процеси структуроутворення, так і поведінку композиту при водонасиченні.

Властивості бетонів різної структури визначені при різному ступені водонасичення W (% по об'єму) - після сушки при t=105+5^ОС (далі індекс “d”), при рівноваговій вологості (повітря, t=202^ОС, індекс “n”), при вільному заповненні водою відкритих пор (індекс “w”) і при насиченні під вакуумом (індекс “v”). В натурному експерименті отримана інформація про механічні властивості дрібнозернистого бетону при водонасиченні d, n і w (різниця між групами “v” і “w” статистично не значуща).

Критичний коефіцієнт інтенсивності напружень К_1с (МПа*м^0.5), визначений при випробуванні по триточечній схемі зразків 4х4х16 см з надрізом 10 мм, що виконаний алмазним диском товщиною 1.6 мм.

В третьому розділі проаналізовано вплив на властивості дрібнозернистих бетонів варійованих факторів складу, також виділеного в обчислювальному експерименті впливу цементно-водного відношення (Ц/В). Оскільки легкоукладність сумішів була однаковою, то Ц/В мінялося від 1.52 до 2.4. Ця зміна під впливом факторів складу бетону адекватно (s_э=0.04) описується ЕС - моделлю (ЕСМ)

Ц/В = 1.983 - 0.264x₁ + 0.071x₁x₄ + 0.056x₂ - 0.04x₂² - 0.019x₂x₃ - 0.022x₂x₄ + 0.099x₃ - 0.122x₄ (1)

із якої усунені 6 незначних (ризик = 0.1) коефіцієнтів. Поле даного критерію досягає максимума 2.48 при х₁=х₄= _1, х₂ = 0.4, х₃= +1, і можна очікувати, що в цій точці, тобто при пониженому вмісті піску (П/Ц=2.11:1) із оптимальною часткою поризованих зерен (ЕС=21%), при максимальному введені пластифікатора (P=0.9%) без цеоліту, властивості бетону будуть близькі до оптимальних. Склад х₁=х₄= +1 при х₂=х₃= -1, відповідний Ц/В_min=1.51, повинен дати бетон з низьким рівнем властивостей. Збільшення частки піску в суміші знижує Ц/В, а пластифікатор, як водоредуціюючий додаток, викликає зростання Ц/В, найбільший в сумішах без пористих зерен і цеоліту (b₂₃<0 і b₂₄<0). З введенням цеоліту збільшується водопотреба сумішей, особливо при підвищенному витраченню цементу (підобласть Ц/В_max). Зростання Ц/В зі збільшенням частки керамзитових зерен, очевидно, зв'язане з їх більшим, у порівнянні з кварцевим піском, середнім діаметром. Окрім того, суміші, в склад яких входив цеоліт і (або) керамзит характеризувалися значно меншим водовідділенням при ущільненні.

Передусім була проаналізована міцність на стиск при рівноваговій вологості дрібнозернистих бетонів, що описується моделлю

R_c.n = 64.41 - 9.88x₁ - 2.35x₁² - 1.22x₁x₂ + 1.32x₁x₄ - 2.43x₂ - 1.19x₂x₃ + 4.18x₃ - 3.87x₃² + 2.64x₃x₄ (2)

Однак, зміна R_c.n зв'язана не тільки з факторами складу, врахованими моделлю (2), але і зі зміною Ц/В; останнє істотно впливає на всі механічні властивості. І необхідно явно врахувати його вплив як структурного фактора в комплексі з чотирьма варійованими за планом факторами складу.

В таблиці 1 відображена ступінь взаємозв'язку основних критеріїв якості Y з цементно-водним відношенням. З неї випливає, що гіпотеза про лінійний зв'язок між Ц/В і Y допускається з ризиком не більш 10% для всіх множин.

Точність моделей Y{Ц/В} охарактеризована відносними залишками {Y} - відношеннями експериментальних значень до розрахункових. Відхилення {Y} не залежать від Ц/В, але на них продовжує впливати варіація факторів складу, неврахована зміною В/Ц. Цей “зберігаючий” вплив доцільно описати аналогічною ЕСМ (1) і (2) моделлю {Y}(х₁,х₂,х₃,х₄).

Таблиця 1. Кореляційний зв'язок критеріїв якості з Ц/В

Останню можна об'єднати із моделлю Y (Ц/В) як

Y = [a₀ + a₁(Ц/В)]* {Y}(х₁,х₂,х₃,х₄), (3)

тобто у вигляді структурованої моделі-добудку лінійної функції впливу Ц/В на ЕС-модель відносних відхилень від цієї функції. Таким чином, для R_c.n отримана ЕСМ

R_c.n*10³ =(16.85 + 25.23 (^Ц/_В)) * (1013 +(- 44x₁ + 36x₃ - 57x₃²-44х₂+27х₂²- 12х₂х₄ + 48х₄) (- 12x₁x₂ - 14x₁x₄ - 23x₂x₃ + 17x₃x₄) (4)

Показані однофакторні залежності для R_c.n і? R_c.n?, що проходять через екстремальні точки Y_max і Y_min. Аналіз діаграм дозволяє зробити ряд висновків. Зокрема, збільшення вмісту піску знижує міцність достатньо різко, але?? R_c.n?? після врахування Ц/В додатково знижується за рахунок збільшення площі адгезійних контактів. Надто нетривіальний той факт, що в зоні максимуму введення цеолітового наповнювача підвищує міцність при стиску не значно, але величина R_c.n? при цьому зростає значно інтенсивніше, що вказує на позитивну структуроутворюючу роль цеоліту. Подібний механізм дії цеоліту можна пояснити його двоякою роллю в твердіючій цементній композиції. З одного боку, він збільшує водопотребу суміші, з іншої - він, певно, сприяє гідратації мінералів клінкеру і підвищує однорідність мікрокристалічної структури цементного каменя.

Аналіз моделі, що описує вплив складу бетону на рівень критичного коефіцієнта інтенсив-ності напружень, дозволяє зробити висновок, що введення 8-10% цеоліту, так же як і заміна 12-16% кварцевого піску керамзитовим, позитивно відбивається на величині К_1с, а зміна дозування пласти-фікуючої добавки мало відбивається на його рівні. Показана діаграма залежності К_1с.n (МПа*м^0.5) від трьох факторів складу бетону.

У четвертому розділі проана-лізовано вплив ступені водонасичення на властивості дрібнозернистих бетонів. При висиханні всі показники якості бетону, що аналізуються, зростають у порівнянні зі станом “n”. При насиченні бетону водою його міцність при стиску знижується, а міцність при згині і К_1с, навпаки, зростають. Чутливість властивостей до зміни факторів складу, що оцінюється індексом приросту якості I= (Y_max-Y_min)/(Y_max+Y_min) для R_c практично не змінюється, а для R_b і К_1с помітно зростає. Це свідчить про те, що по мірі збільшення кількості вільної вологи в структурі бетону збільшується можливість управління цими властивостями за рахунок варіації факторів складу.

Для моделювання зміни механічних властивостей композита під спільною дією як факторів складу, так і вологості бетону в момент випробувань, необхідно ввести шкалу, що характеризує ступінь насичення водою. Водонасичення композиту в станах “d-w” відрізнялося на порядок, причому в групі w - майже вдвічі. Оскільки рівень W_{w. max} неоднаковий, межа факторного простору приймає складну конфігурацію, що істотно ускладнює побудову і інтерпретацію ЕСМ. У випадку установлення верхньої границі шкали на рівні максимальної відміченої в експерименті вологості, більша частина бетонів буде розглядатися при фізично недосяжній для них величині W. В випадку обмеження верхньої границі на рівні мінімальної експериментально відміченої вологості (у водонасичених бетонів) втрачається значна частина отриманої інформації.

Для ефективного аналізу поля властивостей, що відображають вплив факторів умов експлуатації (SC), натуральний рівень X_SC замінюється на симплекс 0 {Х_SC}= Х_SC / Х_SC._max, 1, в якому знаменник відповідає найвищому результату в натурному експерименті для деякої групи об'єктів. Симплекс {W}= W/W_max - ступінь заповнення водою відкритих пор матеріалу. Нова шкала вирівнює обидві границі простору SC-фактора: від сухого матеріалу (нуль) до водонасиченного W_max (+1). На такій шкалі будуються для кожного складу бетону апроксимації K_1с = а_О + а₁*{W} + а₁₁*²{W}, із допомогою яких можна виконати обчислювальний експеримент, поставивши різні композити в умови рівного ступеня заповнення відкритого порового простору водою.

Шкала SC-фактора використана для добавлення нормалізованої змінної х₅=({W}-0.625)/0.375 у всі моделі, що враховують фактори складу і цементно-водне відношення. Для оцінки коефіцієнтів таких об'єднаних моделей використовується інформація в усіх 54 експериментальних точках, що дозволяє побудувати неповну кубічну ЕСМ. Так, для K_1с (Ц/В,x₁х₂х₃х₄х₅), отримана, після вилучення незначимих (=0.1) ефектів, модель, записана в структурованому вигляді

Модель (5) описує поле, що відображає вплив на К_1с п'яти факторів складу бетону і його водонасичення. Другий множник {K_1с}, має максимум 1.36 в точці х₁= +1, х₂ х₃ 0, х₄ = +0.1, х₅ = -1 і мінімум 0.66 при х₁= -1, х₂ = х₃ = х₄ = +1, х₅ = -0.1. Спільний вплив Ц/В і ступеня заповнення пор водою аналізується по локальним полям K_1с, наступним із (5). При цьому чотири фактора складу фіксуються в двох гранично усунених точках при {K_1C}_ext, що дозволяє розглядати найбільш “контрастні” результати. Деякі поля, що описуються функціями K_1с^max і K_1c^min.

У бетонів без цеоліту з підвищеними витратами цементу і пластифікатора приріст в діапазоні 25 (W) 85% призводить до зниження K_1с на 30-40%, причому подальше водонасичення ролі не грає. Поле K_1c^min, що характеризує бетони із високим вмістом піску, керамзитових зерен і цеоліта, більш чутливе до зміни Ц/В і (W); його індекс I{K_1с^min}= 0.35 в півтора рази вище, ніж I{K_1c^max}. У таких бетонів підвищення водонасичення спочатку різко зменшує K_1с, що після заповнення водою біля половини пор починає зростати так істотно, що при повному водонасиченні виявляється вище, ніж у бетонів із високим Ц/В. Зростання рівня K_1с при насиченні водою можна пояснити (З.Н. Цілосані) дією стискуючих капілярних сил.

Спільний вплив {K_1C} кожного із факторів складу і ступеня заповнення пор водою також аналізується полями {x_ix₅}, де i - послідовно приймає значення 1, 2, 3, 4, а три фактора складу, що не входять в двохфакторне поле, фіксуються, як і раніше, в точках {K_1C}_ext. Показані поверхні {K_1C}, коли структуроутворюючим фактором є цеоліт. При повному водонасиченні бетонів, як видно, введення цеоліту на рівні Z=30% виявляє помітний позитивний вплив на коефіцієнт інтенсивності напружень. Цей факт можна пояснити тим, що цеоліт сприяє утворенню саме капілярних (а не гелевих) пор.

По безрозмірним індексам приросту якості всі п'ять полів, що виділяються з моделі (5) розташуються у ряди

I_Ц/В,5^max = 0.28 > I_1,5 = I_2,5 = I_3,5 > I_4,5 =0.18, (6)

I_Ц/В,5^min = 0.35 > I_2,5 = I_3,5 > 0.29 > I_1,5 > I_4,5 =0.28, (7)

з яких випливає додатковий висновок про те, що чутливість поля {Ц/В,x₅} найбільша (особливо в підобласті максимуму, де вона не менше ніж на 40% вище інших), а інші фактори складу грають близькі ролі.

Для оцінки спільного впливу ступеню водонасичення і температури бетону експеримент проводився на дрібнозернистому бетоні постійного складу (вагове співвідношення П:Ц=2.5, В/Ц=0.45, пластифікатор Дофен-М 0.3% від маси цементу) в умовах d, n, w. Зразки з фіксованою вологістю герметично покривалися плівкою і витримувалися при трьох різко різноманітних температурах: мінус 32, 0 і плюс 80^ОС. Визначалися міцність при стиску, згині і К_1с. Заморожування велося так, щоб в пропилі не утворювався льодовий клин. За результатами випробувань бетону в дев'яти точках побудовані біквадратні моделі, в яких водонасичення нормалізовано як z₁= (W-3.25)/3.25, а другим фактором є нормалізоване число, зворотнє температурі T (по Кельвину), z₂= (1000/Т-3.49)/0.658.

Вплив одночасної зміни водонасичення і температури описується моделлю (8) з усіма значущими (ризик 0.02) оцінками коефіцієнтів

K_1с = 0.378 +0.130z₁ + 0.107z₁z₂ + 0.114z₁²z₂² - 0.192z₂ + 0.173z₁²z₂ (8)

Поверхня цієї моделі показана на рис.7 (поверхні для R_с і R_b мають подібний вигляд).

З аналізу результатів моделювання випливає, що при низьких температурах по мірі водонасичення рівень критичного коефіцієнта інтенсивності напружень нелінійно зростає, а при високих, навпаки - падає. Температура сильно впливає на рівень К_1с у водонасичених зразків і, природньо, менш у сухих.

Далі модель (8) була переведена від абсолютних значень коефіцієнта до відносних. В якості базового показника приймалася нульова вологість зразка; при цьому поверхня описується функціоналом, отриманим діленням біквадратного полінома (8) на параболу, що описує зміну K_1с при нульовій вологості. Її аналіз показав, що відносний рівень K_1с (по сенсу близький до водостійкості) в зоні високих температур падає приблизно на 40% по мірі водонасичення, а в зоні низьких температур зростає на 30%.

Порівняльний аналіз чутливості різноманітних показників механічних властивостей дрібнозернистого бетону до зміни температури і водонасичення показав, що найбільш чутливим до дії цих факторів є коефіцієнт інтенсивності напружень.

П'ятий розділ присвячений питанням практичної реалізації результатів досліджень, зокрема, використанню оптимальних складів дрібнозернистих бетонів. Вони відрізняються підвищеним вмістом пластифікатора і цеолітового наповнювача при зменшеному витраченні цементу і забезпечують заданий рівень механічних властивостей, в тому числі, по тріщиностійкості, що оцінюється критерієм локального руйнування. Такі бетони використані відкритим акціонерним товариством ”Одестрансбуд”, а також ТОВ “Норд Вест Юніон LTD” (м. Одеса). Загальний економічний ефект від впровадження результатів дослідження складає 3400 гривень (в цінах 1998 року).

З цеолітоскладаючого бетону виконаний верхній шар підлоги промислового підвального приміщення гаражу-автостоянки, а також внутрішня штукатурка стін, які примикають до землі, в тому ж приміщенні. З бетону, в склад якого вводився цеоліт, виконаний монолітний фундамент насосної станції, який працює в умовах високого рівня грунтових вод. Цеолітоскладаючий бетон також використовувався для монолітних блоків анкерних мурувань в ґрунті в районі контактної мережі при будівництві високої пасажирської платформи “Південна” (м. Білгород-Дністровський) і плит покриття платформи.

Висновки

Аналіз чотирьох груп експериментально-статистичних моделей показав, що введення тонкомеленого цеоліту в склад дрібнозернистого бетону, особливо того, що працює в умовах підвищеної вологості, збільшує його критичний коефіцієнт інтенсивності напружень, отже, покращує спроможність чинити опір утворенню тріщин і підвищує надійність тонкостінних елементів конструкцій.

Виділення по даним натурного експерименту впливу цементно-водного відношення як структуроутворюючого фактора і наступне його врахування в багатофакторних моделях дозволили оцінити структуруючу роль пластифікатора, керамзитових зерен і цеоліта поза їх зв'язком з водопотребою суміші постійної легкоукладності.

Підвищення концентрації пластифікатора, окрім водоредуцируючої дії, призводить до поліпшення, передусім, тих властивостей цементного композита, які зв'язані з його опором розтягуючим напруженням. Введення цеолітового наповнювача, незважючи на його підвищену водопотребу, діє в тому ж напрямі. В той же час, заміна частини кварцевих зерен на керамзитові не дала очікуваного результату в підвищенні тріщиностійкості дрібнозернистого бетону.

Заміна величини водопоглинання композита по об`єму на іншу відносну величину - ступінь заповнення відкритих пор водою - дозволяє врахувати цей експлуатаційний фактор (незважаючи на неінваріантність рівня “повного” насичення) в експериментально-статистичних моделях, що описують поведінку матеріалів з істотно відмінними структурами, і оцінити характер його впливу в порівнянні з дією факторів складу.

Аналіз експериментально-статистичних моделей, що враховують ступінь заповнення відкритих пор водою, показав, що критичний коефіцієнт інтенсивності напружень, як і границя міцності при згині, дуже чутливий до зміни водонасичення бетону. По мірі заповнення порового простору водою рівень цих показників спочатку знижується (до 50%), а потім починає зростати, нерідко перевищуючи початкові значення; найбільш низькі рівні характерні для “середнього” ступеня заповнення пор при равноваговій (203^оС) вологості. Замерзання води, при значному ступені заповнення відкритого порового простору, може призводити до зростання критерію локального руйнування.

Комплекс експериментально-статистичних моделей дозволив вибрати оптимальні склади дрібнозернистих бетонів з підвищеним вмістом пластифікатора і цеолітового наповнювача, які пройшли дослідно-промислову перевірку на ряді об'єктів промислового і транспортного будівництва.

Основні публікації

1. Вознесенский В.А., Кровяков С.А. Влияние водонасыщения на показатели локальной прочности бетона / Технология строительства сельскохозяйственных зданий и сооружений из местных материалов: Междунар. сб. науч. тр.: - Новосибирск: Из-во НГАУ, 1997. - С. 47-52.

2. Вознесенский В.А., Кровяков С.А. Анализ совместного влияния водонасыщения и температуры бетона на уровень коэффициента интенсивности напряжений / Композиционные материалы для строительства: Вестник ДонбасскойГАСА. - выпуск 98-1 (9). - Макеевка: Изд. ДГАСА. - 1998. - С. 191-196.

3. Вознесенський В.А., Кровяков С.О., Ляшенко Т.В. Експериментально-статистичне моделювання впливу водонасичення цементних композицій на коеффіцієнт інтенсивності напружень / Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій: Фiзико-механiчний iнститут НАН Украины. - вип. 3. - Львів: Каменяр, 1998. - С. 19-24.

4. Вознесенский В.А., Кровяков С.А., Ляшенко Т.В. Поля свойств бетона, отражающие влияние степени заполнения водой его открытого порового пространства / Строительные материалы, конструкции и системы: Сб. науч. тр. Одесской ГАСА. - Одесса: Город мастеров, 1998.-С. 183-187.

5. Вознесенский В.А., Кровяков С.А., Ляшенко Т.В. Вычислительные эксперименты при оценке взаимосвязи показателей прочности, упругости и трещиностойкости водонасыщенного бетона. / Гидротехнические сооружения. Морские и речные порты. Вып. 2.: Сб. науч. тр. Одесской ГАСА. - Одесса: Полиграфический отдел ОЦНТЭИ, 1999. - С. 11-16.

6. Вычислительные эксперименты при управлении свойствами высококачественных строительных материалов / В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, С.А. Кровяков, К.К. Абид // Сб. науч. трудов симпозиума на междунар. выставке “Дом-Экспо 98”. - Одесса: Город мастеров, 1998. - С. 15-19.

7. Кровяков С.А. Влияние цеолита на критерий локального разрушения бетона при различной степени заполнения пор водой // Мат-лы 38-го международ. семинара по моделированию и оптимизации композитов. - Одесса: Изд. Одесского госунив-та Астропринт, 1999. - С. 43-45.

8. Analysis of water and oil effects on concrete fracture toughness by methods of computational materials science / V. Voznesensky, T. Lyashenko, S. Krovyakov, P. Dovgan // Concrete and concrete structures. - Zilina, 1999. - P. 93-98.

Размещено на Allbest.ru