Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Бетон и цемент

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………....1

Цемент и его свойства…………… ………………………..2-8

1.1.Технология производства цемента……………………………...…..2-3

1.2. Производства по мокрому методу…………………………...……..4-6

1.3. Сухой и комбинированный методы производства……………….6-8

2. Бетон и его основные характеристики производства…………………………………………………………………….….9-27

2.1. Способ приготовления и история бетона …………………...…..9-11

2.2. Расчет состава бетона…………………………………………….11-17

2.3. Условия оптимальности и составов бетона……………….…….17-21

2.4. Структурное подобие и свойства бетона…………………….….21-27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….…..28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ..29

ВВЕДЕНИЕ

Значение цемента в современно строительстве трудно переоценить, ведь цемент по праву занимает одно из ведущих мест среди всех строительных материалов. Тем более в мире постоянного технологического прогресса, где домостроение постоянно совершенствуется новейшими материалами. Но вот функции цемента на протяжении долгих десятилетий остаются неизменными. Создание разного рода строительных смесей, бетона, железобетона и других подобных изделий предназначенных для скреплений отдельных деталей общей конструкции.

Следует отметить, что важность бетона в первую очередь определяется его отличными качествами, которые превосходят некоторые другие строительные материалы. На самом деле, если задуматься, то можно понять, что в настоящее время на рынке строительных материалов есть множество других более удобных и более качественных товаров. Правда, есть еще один фактор, который и становится основополагающим при использовании бетона – его себестоимость. Он имеет настолько низкую стоимость, что чаще всего сами стены монолитного дома стоят, чуть ли не дешевле всего остального. Бетон производится повсеместно. Стена из кирпича обходится почти в два раза дороже, что делает его неудобным материалом для застройщиков. К тому же, при использовании бетона исключается необходимость большого количества рабочих, что дает понижение стоимости строительства.

В работе будет приведён основной материал, касающийся технологии производства цемента и бетона; описаны основные способы производства и история развития.

Цемент и его свойства

Технология производства цемента

Цемент – один из важнейших строительных материалов, предназначенных для бетонов и строительных растворов, скрепление отдельных элементов (деталей) строительных конструкций, гидроизоляций и др. Цемент представляет собой гидравлический вяжущий материал, который после смешения с водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжает сохранять и наращивать прочность в воде.

Производство цемента обусловлено необходимостью его производства для применения главным образом в строительстве. Строительство жилья на основе цемента позволяет получить объекты с низкой теплопроводностью и высокой морозостойкостью. Технология цементное производство позволяет использовать в нём отходы добывающей, металлургической отраслей, а также побочные продукты этих производств. Некоторые отходы даже улучшают свойства цемента. Гибкая технология позволяет осуществлять комбинирование производства цемента с производством металлов, химических продуктов и энергии. Существует много как бы подвидов цемента. Они отличаются друг от друга конечными свойствами, условиями производства и наличием в них различных видов добавок. Цемент не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы, как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента. Производство цемента включает две ступени: Первая - получение клинкера. Вторая - доведение клинкера до порошкообразного состояния с добавлением к нему гипса или других добавок.

Первый этап самый дорогостоящий, именно на него приходится 70% себестоимости цемента. А происходит это следующим образом: первая стадия - это добыча сырьевых материалов. Разработка известняковых месторождений ведется обычно сносом, т. е. часть горы «сносят вниз», открывая тем самым слой желтовато-зеленого известняка, который используется для производства цемента. Этот слой находится, как правило, на глубине до 10 м (до этой глубины он встречается четыре раза), и по толщине достигает 0,7 м. Затем этот материал отправляется по транспортеру на измельчение до кусков равных 10 см в диаметре. После этого известняк подсушивается, и идет процесс помола и смешивания его с другими компонентами. Далее эта сырьевая смесь подвергается обжигу. Так получают клинкер.

Второй этап тоже состоит из нескольких этапов. Это: дробление клинкера, сушка минеральных добавок, дробление гипсового камня, помол клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками. Однако надо учитывать, что сырьевой материал не бывает всегда одинаковым, да и физико-технические характеристики (такие как прочность, влажность и т. д.) у сырья различные. Поэтому для каждого вида сырья был разработан свой способ производства. К тому же это помогает обеспечить хороший однородный помол и полное перемешивание компонентов. В цементной промышленности используют три способа производства, в основе которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого материала: сухой и мокрый способы. Для каждого способа используется определенный вид оборудования и строго определенная последовательность операций. Существуют следующие марки п.ц., выпускаемые промышленностью строительных материалов:

ПЦ 400 ДО и ПЦ 400 Д20. Применяется для производства асбестоцементных изделий, строительства жилья, промышленных зданий и сооружений.
ПЦ 500 ДО. Применяется для строительства мостов, путепроводов, железобетонных труб, пролетных строений и блоков.
ПЦ 600 ДО. Применяется для строительства мостов, туннелей, высокопрочных сооружений на объектах Министерства Обороны.

1.2. Производства по мокрому методу

Сырьем при производстве цемента по мокрому способу являются следующие компоненты: карбонатный компонент—мел, силикатный компонент—глина, железосодержащие добавки—пиритные огарки, конверторный шлам, железистый продукт.

Типовая технологическая схема

Мел и глина добываются в карьерах экскаваторами. Влажность глины—до 20%, мела—до 29%.

Глина грузится в автосамосвалы и подается к глиноболтушкам, где производится приготовление глиняного шлама. Глиняный шлам из приемника перекачивается насосом в вертикальные бассейны. Мел грузится экскаватором в думпкары. Думпкары имеют двусторонние толкатели для сталкивания мела в бункер. Из бункера мел с огарками по транспортеру поступает в мельницу самоизмельчения (гидрофол). Одновременно в гидрофол подаются глиняный шлам (насосом или самотеком из вертикальных бассейнов), а также вода и ЛСТ. Приготовленный шлам подается в вертикальный бассейн. Отсюда шлам подается в сырьевую мельницу, в которой и происходит его помол. Готовый шлам перекачивают в вертикальные шламобассейны, где происходит его корректировка. Откорректированная сырьевая смесь насосами перекачивается в горизонтальные бассейны, а оттуда—в следующие горизонтальные бассейны. Через шламовый питатель сырьевая смесь из бассейна подается в печи для обжига. Количество подаваемого в печи сырья регулируется контрольным баком. Скорость наполнения зависит от числа оборотов печи и от текучести шлама. Контроль за качеством шлама ведет лаборатория. Обеспыливание отходящих газов обычно происходит с помощью электрофильтров, которые работают в режиме автоматического регулирования. Охлаждение клинкера из печей производится в колосниковых холодильниках или в рекуператорных. Колосниковые холодильники имеют производительность около 70 т/ч. Температура клинкера на выходе из колосникового холодильника составляет не более 90 градусов. Клинкер из печей с температурой 1250 градусов поступает в шахту холодильника, где установлены неподвижные колосники и резко охлаждается воздухом, подаваемым вентилятором высокого давления. Далее клинкер поступает на решетку, которая состоит из подвижных и неподвижных колосников. Крутая передняя и пологая задняя полость колосников обеспечивают продвижение клинкера вперед и его интенсивное перемешивание. В разгрузочном конусе холодильника установлена встроенная дробилка для измельчения крупных кусков клинкера. Рекуператорный холодильник имеет производительность 35 тонн в час. Температура клинкера на выходе—не более 400 градусов. В холодильнике имеется несколько барабанов, закрепленных по окружности корпуса, которые вращаются вместе с печью. Со склада клинкер поступает с помощью мостового грейферного крана в бункера цементных мельниц. Туда же подается гипс, откуда вся эта басня дозируется в цементные мельницы. Для интенсификации процесса помола при производстве бездобавочных цементов на тарельчатый питатель подается лигносульфанат технический (ЛСТ) в количестве 0,01%. Транспортировка готового цемента в цементные силоса производится пневмонасосами. Силос представляет собой железобетонную емкость диаметром около 10 м и высотой примерно 25-30 м. Силосный склад цемента насчитывает обычно более десятка силосов. Отгрузка цемента из цементных силосов производится в бункер для погрузки в автотранспорт или отгружается в железнодорожные вагоны. Упаковка цемента в бумажные мешки (50 кг) производится упаковочными машинами. Определение количества отгрузки цемента производится взвешиванием на железнодорожных весах.

1.3. Сухой и комбинированный методы производства

При сухом методе сырьевую шихту готовят в виде тонкоизмельченного сухого порошка, поэтому перед помолом или в процессе его сырьевые материалы высушивают. В отличие от мокрого производства (обжиг влажной смеси в печи), "сухой" предполагает сушку сырьевых компонентов с последующим их смешением и обжигом. Комбинированный способ может базироваться как на мокром, так и на сухом способе приготовления шихты. В первом случае сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18 % и подают на обжиг в печи в виде полусухой массы. Во втором варианте сырьевую смесь готовят по сухому способу, а затем гранулируют с добавкой 10-14 % воды и подают на обжиг в виде гранул диаметром 10-15 мм. Каждый способ производства может быть реализован в виде нескольких технологических схем, отличающихся как последовательностью операций, так и видом используемого оборудования. Выбор конкретной схемы определяется свойствами перерабатываемого сырья (твердостью, однородностью, влажностью). Один из главных резервов снижения расхода топлива в производстве цемента — уменьшение влажности шлама. Каждый процент снижения влажности шлама позволяет снизить удельный расход топлива на обжиг клинкера в среднем на 117-146 кДж/кг, то есть на 1,7-2%. Удельный расход теплоты на обжиг при сухом способе составляет 2900-3750 кДж/кг клинкера, а при мокром — в два-три раза больше. При введении в сырьевой шлам доменных шлаков или зол ТЭС расход топлива снижается на 15-18%. При выпуске шлакопортландцемента экономия топлива дополнительно составляет в среднем 30-40 % по сравнению с чистоклинкерным портландцементом. Основное преимущество сухого способа: снижение расхода теплоты на обжиг клинкера до 3,4–4,2МДж/кг уменьшение на 35 – 40% объёма печных газов, что в совокупности и обеспечивает более высокие технико-экономические показатели сухого способа. Однако возможности сухого способа существенно ограничиваются исходной влажностью сырья, так как измельчение материалов в существующих мельницах может проводится при влажности не более 1%. Поэтому измельчение исходного сырья имеющего влажность 20 – 25% связана с высокими расходами теплоты на сушку. Сухой способ производства цемента является на сегодняшний день самой передовой технологией в производства цемента. К этому способу изготовления уже давно перешли на Западе. Перспективным для цементных предприятий видится переход на "сухой" способ производства. Он, по подсчетам специалистов, эффективнее традиционного "мокрого" на 25-30% и обеспечивает 50% экономии топлива. Правда, для перехода на "сухой" способ производства в целом нужны инвестиции в объеме 50-55 млн. евро. Но при переходе на этот метод рост производства цемента уже в ближайшее время может составить более 15 млн. т. Достигается повышение эффективности в цементном производстве и благодаря рациональному использованию исходных компонентов.

Бетон и его основные характеристики

производства

2.1. Способ приготовления и история бетона

Термин «искусственный камень» подчеркивает ту мысль, что человек, создавая этот строительный материал, подражал природе. Действительно, в результате выветривания из первичных горных пород образуются зернистые породы, которые впоследствии или в процессе отложения в реках или в морях скреплялись связующим (как, например, известковая вода или кремнекислота) в «бетон». Возникающие таким образом «природные горные породы» геологи обозначают термином «упрочненные осадки». Нам известны такие породы, как брекчии, конгломераты и смешанные конгломераты из осадочных и изверженных пород. Что же касается принципа изготовления (т. е. скрепления вяжущим рыхлых пород), бетон — очень древний строительный материал. При археологических исследованиях поселения на правом берегу Дуная у Железных Ворот проф. Срежович обнаружил бетонные полы, сделанные из извести, песка, гравия и воды. Эти бетонные плиты имели толщину от 3 до 25 см. Возраст их был определен радиоуглеродным методом в 7000 лет! Камни, скрепленные литым гнисом, использовались в сооружении построек в Междуречье; возраст их исчисляется в 6000 лет. Они обнаружены при раскопках в 1956—1957 гг. Финикийцы и греки продолжали применять этот принцип при изготовлении плит до тех пор, пока римляне не создали такие крупные постройки, как гавани, мосты, в частности акведуки, и купола более 40 м в диаметре. Римляне принесли этот метод возведения крупных конструкций и в среднюю Европу. Они проложили 105-километровый водопровод из бетона, снабжавший колонию Клаудиа Агриппинензис, ставшую позже г. Кельном, свежей водой из Эйфеля. В качестве вяжущего здесь была использована смесь извести и трасса. Часть этого сооружения служила до недавнего времени. О бетоне в сегодняшнем понимании значения этого слова говорят с тех пор, как существует минеральное вяжущее цемент. Обычно годом его изобретения считают 1844-й. Исторически это подтверждается лучше всего тем, что этот год рассматривается как дата завершения почти столетних поисков нового вяжущего, когда Исаак Чарльз Джонсон сформулировал два фундаментальных условия изготовления цемента: - подбор правильного соотношения исходных компонентов; - обжиг этих материалов до температуры спекания (начинающегося плавления) около 1450° С. Новому вяжущему и новому строительному материалу пришлось преодолеть скепсис и предубеждения, но, несмотря на это, его развитие шло очень быстро. Бетон нашел применение прежде всего в больших фундаментах водохозяйственных и промышленных сооружений. Уже в тот период новый метод строительства привел к росту производительности труда. Одной из больших построек из этого строительного материала был памятник Битвы народов в Лейпциге (1900—1905 гг.). Для его фундамента использовано 120 тыс. м³ трамбованного бетона. С тех пор работы над бетоном материаловедческого и технологического характера не прекращаются. В паше время нет отрасли народного хозяйства, которая могла бы обойтись без бетона. Углубляющаяся специализация привела к тому, что к термину «бетон» стали добавлять слова, усложняющие восприятие этого термина. От бетона, используемого в конструкциях и сооружениях, требуются определенные физические, а иногда и химические свойства. В большинстве случаев определяющим показателем является прочность. Были созданы виды бетона, обозначение которых по прочности при сжатии дается в кгс/см² (МПа) в стандартных условиях твердения. Славу бетону как прогрессивному строительному материалу принесли его высокие механические свойства: долговечность, огнестойкость, легкая приспособляемость к любым формам и т. д. Но у него есть и недостатки, к которым в первую очередь нужно отнести его водопроницаемость. Этот недостаток особенно опасен в том случае, когда сооружение подвергается одностороннему воздействию сильного напора вод при их переменном уровне. Причина заключается в том, что водонепроницаемость является одной из самых сложных характеристик бетонов, зависящей от различных факторов. Однако тот опыт, который уже накоплен, может послужить основой для разработки и проведения мероприятий, способствующих повышению водонепроницаемости железобетонных сооружений.

2.2. Расчет состава бетона

Бетонная смесь – разновидность поликомпонентных смесей (ПКС), в состав которых входят вяжущее, вода, дисперсные наполнители, заполнители и разнообразные добавки. Вещественный состав ПКС характеризуется удельным содержанием исходных компонентов, участвующих в формировании их свойств в процессе изготовления и последующего применения. Задачи расчета вещественного состава ПКС относятся к числу основных для различных технологий, целью которых является получение искусственных материалов с заданными свойствами. В зависимости от заданных условий можно выделить три основных типа задач расчета составов ПКС: 1. заданы параметры смеси (рецептуры) (ПС), однозначно связанные с удельным содержанием компонентов ПКС; 2. заданы качественные параметры ПКС, аддитивно определяемые исходными компонентами ПКС; 3. заданы параметры функционирования смесей т.е. значения их технических свойств. На практике часто встречаются комбинированные задачи, более сложные задачи второго и третьего типов по мере решения переходят в задачи первого типа. Все задачи расчета составов ПКС могут рассматриваться при безальтернативных и альтернативных условиях. В последних случаях составы ПКС выбираются с учетом определенного критерия оптимальности (минимальной стоимости, минимально возможного расхода материальных или энергетических ресурсов и др.). В зависимости от характера критерия оптимальности состав ПКС может существенно изменяться. Для задач первого типа значения ПС задаются с учетом нормативных требований или эмпирического опыта. В качестве ПС могут приниматься как простые объемные, молярные или массовые соотношения компонентов, так и более сложные выражения, используемые как интегральные параметры для связи между составами ПКС и теми или иными их свойствами. Например, для сырьевых смесей, используемых в производстве вяжущих, в качестве ПС используются т.н. модули - процентные отношения оксидов и более сложные интегральные параметры - степень основности и коэффициент насыщения. Для бетонных смесей характерными ПС являются вяжущеводные отношения, отношения удельных расходов мелкого и крупного заполнителей, объема цементного теста к объему пустот заполнителя (коэффициент раздвижки). В ряде случаев в качестве ПС могут служить и некоторые физические параметры, однозначно связанные с составом смесей (плотность, пористость и др.). Для расчета удельного содержания в ПКС всех n компонентов достаточно с учетом условия знать содержание n-1 компонентов или значения n-1 ПС. Условие для тройных систем графически можно представить в виде равностороннего треугольника (треугольника Гиббса-Фере). Вершины треугольника соответствуют содержанию 100% соответствующего компонента. Треугольник Гиббса-Фере успешно применяется для оценки изменения исследуемых качественных показателей тройных композиций в зависимости от их состава. При этом учитывается, что сумма расстояний от любой точки равностороннего треугольника до его сторон постоянна и равна его высоте. В некоторых случаях представляется возможным найти содержание n компонентов смеси прямым решением системы n линейных уравнений. Таким способом предлагается иногда рассчитывать состав, например, керамических и стекольных шихт по заданному химическому составу смесей и отдельных компонентов. Чаще, однако, переход от химического к вещественному составу шихт производят с помощью метода пропорций, выявляя компоненты - основные носители нормируемых оксидов. Нахождение ПС решением системы практикуется обычно при возможности использования линейных уравнений. При использовании квадратных уравнений необходимо определить возможность включения в систему линейных уравнений , полученных дифференцированием выходных параметров по оптимизируемым факторам. Часто существенное упрощение алгоритма решения задач достигается в тех случаях, когда представляется возможность при некоторых ограничениях и допущениях трансформировать уравнения в уравнения с одним неизвестным. При этом, кроме уравнений связи показателей свойств ПКС и ПС, возможно использование наряду с условием и других уравнений, обусловленных материальным балансом системы, а также табличных и графических материалов. Характерным примером такого упрощенного решения задачи третьего типа является расчет состава тяжелого цементного бетона с заданной прочностью и удобоукладываемостью общепринятым расчетно-экспериментальным методом. Классическое решение простейшей задачи – расчета состава тяжелого цементного бетона с заданной удобоукладываемостью бетонной смеси и прочностью бетона – основано на эмпирических закономерностях бетоноведения и соответствующих расчетных зависимостях, предполагающих однозначное и преимущественное влияние при постоянном качестве исходных материалов: на прочность бетона (Rб) – В/Ц или Ц/В, на подвижность (ОК) или жесткость (Ж) бетонной смеси – водосодержания (В) в пределах области постоянства водопотребности, В и В/Ц за пределами его. Дополнительно учитывается также влияние расхода цементного теста и В/Ц на соотношение мелкого и крупного заполнителей (r), обеспечивающее минимальный расход воды и следовательно цемента при неизменной удобоукладываемости смеси. Общая схема такого решения: 1. В/Ц=f(Rб); 2. В=f(ОК) или В=f(Ж) при В/Ц>(В/Ц)кр, (В=f(ОК, В/Ц) или В=f(Ж, В/Ц) при В/Ц<(В/Ц)кр); 3. r=f(Ц и В/Ц) или Кр=f(Ц и В/Ц), где (В/Ц)кр – критическое В/Ц, определяющее область постоянства водопотребности. После того, когда найдены основные ПС расчет идет по схеме. Критерием оптимизации при таком решении задачи является расход цемента, стремящийся к минимуму в четырехкомпонентной системе (цемент, вода, мелкий и крупный заполнители) при соответствующем выборе оптимизирующих параметров – соотношения заполнителей или т.н. коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором, концентрации добавок и др. При проектировании составов бетонов, содержащих добавки, минимизация расхода цемента и, соответственно, стоимости бетона достигается не только оптимизацией соотношения заполнителей, но и выбором оптимального расхода добавок. Дополнительные возможности для оптимизации открываются при альтернативных условиях, связанных с выбором исходных материалов, режимов смешивания, уплотнения и твердения бетона. В таких задачах минимизация стоимости бетона может не совпадать с минимизацией расхода цемента. В частности при минимизации стоимости бетона может оказаться нерациональным применение дорогих добавок, высокомарочных цементов эффективных с позиций снижения расхода цемента. Последовательно анализируя стоимостные модели и расширяя круг включенных в них факторов, представляется возможность оптимизировать весь комплекс технологических параметров, влияющих на состав бетона. При таком системном подходе оптимизация составов бетона производится сначала при заданных, а затем при оптимальных показателях качества компонентов и технологических параметрах изготовления бетонной смеси и изделий из нее. Методология системного анализа позволяет выполнять оптимизацию составов бетона и при оптимальном классе бетона по прочности, других его нормируемых свойствах. При этом одновременно выбираются и другие эффективные при заданном критерии конструктивные параметры - степень и характер армирования, размеры сечения и др., а оптимизация составов рассматривается не как обычно на 1 м3 бетонной смеси, а на конкретную конструкцию или сооружение. Известно в частности, что с увеличением прочности бетона для ряда конструкций можно уменьшить его расход и соответственно стоимость. Для таких конструкций применение высокопрочных бетонов в конечном счете оказывается эффективно и с позиций расхода цемента, хотя с увеличением прочности бетона растет расход цемента на 1 м3 бетонной смеси. В работе рассчитаны оптимальные свойства бетона прямоугольных железобетонных труб и резервуаров для воды с оптимизацией их конструктивных параметров. С этой целью при варьировании марки бетона по прочности одновременно по факторному плану На5 варьировали другие конструктивные параметры (для труб - толщину стойки и ригеля, высоту, расчетное сопротивление арматуры, для резервуаров - толщину стенки, высоту, расчетное сопротивление арматуры внутренней и внешней стенок). После проведения необходимых конструктивных и статистических расчетов были получены квадратичные полиномиальные модели приведенных затрат, за счет выбора оптимальных размеров конструкций, расчетного сопротивления арматуры и марки бетона оказалось возможным получить экономический эффект по сравнению с типовыми вариантами 10…14%. Задачи проектирования составов бетона можно классифицировать в зависимости от количества нормируемых параметров. Наиболее разработанными и реализуемыми на практике являются двухпараметрические задачи, когда нормируемым свойством бетона является его прочность при сжатии Rсж, а бетонной смеси - показатель удобоукладываемости (подвижность или жесткость). При проектировании составов различных, и в особенности, специальных видов бетона (гидротехнического, дорожного, коррозионностойкого и т.д.) возникают многопараметрические задачи. Их можно разделить на три подгруппы: • с нормируемыми параметрами, однозначно связанными с прочностью бетона при сжатии; • с нормируемыми параметрами, неоднозначно связанными с прочностью при сжатии; • с нормируемыми параметрами не связанными с прочностью при сжатии. В практике проектирования составов бетона при необходимости нормирования наряду с прочностью ряда других свойств бетона обычно рекомендуются жесткие ограничения по В/Ц, объему вовлеченного воздуха и др. Такие ограничения, огрубляя подбор состава, не позволяют выполнить его оптимизацию с учетом всей заданной совокупности факторов. Например при введении в бетон необходимого объема вовлеченного воздуха, применении сответствующих исходных материалов в ряде случаев может быть повышено значение В/Ц по сравнению с предельно рекомендуемым из условия морозостойкости. В ряде работ в расчет составов бетона предложено включать кроме зависимости другие уравнения, связывающие нормируемые свойства бетона с параметрами состава. Так, Г.И.Горчаковым впервые введено в расчет состава бетона уравнение связывающее морозостойкость и расчетную капиллярную пористость, определяемую В/Ц и степенью гидратации цемента, Ю.М.Баженовым приведены методики расчета В/Ц для дорожных бетонов по прочности на изгиб и прочности на сжатие. При выборе окончательного значения В/Ц предлагается учитывать также ограничения из условия морозостойкости. Значительное число многопараметрических задач проектирования составов выполнено с применением полиномиальных уравнений регрессии, полученных с применением математических методов планирования эксперимента. Развитие многопараметрического проектирования составов бетона требует разработки необходимой теоретической базы, позволяющей на основе объективных физических закономерностей модифицировать известные и разрабатывать новые алгоритмы для нахождения оптимальных соотношений компонентов и других параметров, обеспечивающих комплекс необходимых свойств бетонов.

2.3. Условия оптимальности структуры и составов бетона

Еще основоположник практической методологии проектирования составов бетона Д. Абрамс указывал, что составы бетона должны обеспечивать необходимые свойства бетона наиболее эффективным образом. Вопросам оптимизации составов бетона посвящены многие исследования, однако в них рассматривались преимущественно пути оптимизации составов при нормировании лишь двух параметров прочности бетона и удобоукладываемости бетонной смеси. По мере увеличения числа нормируемых параметров задачи оптимизации составов могут существенно усложняться. Проектирование оптимальных составов направлено, в конечном счете, на оптимизацию структуры бетона. К настоящему времени еще нет общепризнанного определения самого понятия "оптимальной структуры" бетона, что не способствует однозначной оценке выводов и рекомендаций, предлагаемых различными исследователями. Если допустить, что структуру бетона можно выразить определенной системой физических параметров, характеризующих его как макрокомпозиционный материал с матрицей из цементного камня и диспергированными в ней полидисперсными заполнителями, то оптимальной можно считать, очевидно, такую структуру, которая соответствует, как и любая другая управляемая система, принятым условиям ее эффективности. Формулирование условий эффективности структуры - конкретная прагматическая задача, включающая определение критерия оптимальности и необходимых ограничений. Практика допускает применение разнообразных простых и комплексных, технических, экономических и технико-экономических критериев оптимальности. Критерии оптимальности в задачах оптимизации структуры и состава бетона могут стремиться к некоторому абсолютному или условному экстремуму, а в многокритериальных задачах находятся в компромиссной области. В зависимости от принятых условий оптимальности критерии могут совпадать или нет. Критерии оптимальности могут быть как независимыми, так и связанными между собой. В работе установлены, например, зависимости между расходом цемента, приведенными затратами на изготовление бетонной смеси, коэффициентами рационального использования цемента и топлива. Наиболее обстоятельно проанализированы постановка и классификация строительно-технологических задач оптимизации и методы поиска оптимума в известной работе В.А. Вознесенского, Т.В. Ляшенко и Б.И. Огаркова. Они в полной мере справедливы и для задач оптимизации структуры бетона. Стремление к экстремальному значению критерия оптимизации структуры характерно особенно для задач, когда критерий представлен отношением, например, показателя свойства бетона к его стоимости или расходу цемента (энергетического ресурса). Наиболее характерными при оптимизации структуры бетона являются задачи, предполагающие достижение условного экстремума т.е. максимально (минимально) возможного значения критерия при заданных ограничениях (например, минимально возможной объемной концентрации цементного камня при заданных значениях прочности бетона, удобоукладываемости бетонной смеси). Оптимальная структура находится в компромиссной области, когда она определяется двумя или более критериями оптимальности. При большем содержании Vвх увеличивается F, однако снижается Rсж при меньшем возрастает прочность, однако не достигается требуемая морозостойкость. При постановке оптимизационных задач необходимо учитывать взаимосвязи различных критериев оптимизации. Когда критериями оптимизации служат показатели свойств бетона, то зависимости между ними обусловлены взаимосвязями соответствующих структурных параметров, обуславливающими рассматриваемые свойства. Совпадение векторов изменения свойств возможно при изменении соответствующих структурных параметров пропорционально связанных между собой. Степень жесткости соотношения свойств бетона между собой и с параметрами состава зависит от связи с последними соответствующих структурных параметров. Отношение, например, плотности цементного камня в бетоне (Х) к объемной концентрации цементного камня (С) является некоторой функцией расхода цемента и В/Ц. Соответственно свойства, определяемые этими параметрами (группа прочностных свойств, усадка, экзотермия и др.) "жестко" связаны между собой при изменении В/Ц и Ц=const. При одновременном изменении В/Ц и Ц показатели свойств могут "дрейфовать" относительно друг друга. При использовании постоянных исходных материалов структура и состав бетона, оптимальные по минимуму расхода цемента, являются обычно оптимальными и по стоимости бетонной смеси. Однако минимизация расхода цемента за счет выбора вида цемента и добавок не обязательно должна приводить к минимизации стоимости бетона. Критерии оптимизации, представленные в виде отношений показателей свойств и удельных расходов тех или иных ресурсов, удельных стоимостных показателей, показателей свойств бетона и др. являются более общими чем соответствующие частные критерии. Они легко приводятся к последним при необходимых ограничениях числителя или знаменателя в соответствующих расчетных выражениях. Разнообразие возможных вариантов постановки задач оптимизации структуры бетона обуславливает и многообразие оптимальных структур, отличающихся качественными особенностями, количественными соотношениями основных фаз, межфазными взаимодействиями. Нельзя считать корректными часто встречающиеся в литературе трактовки оптимальной структуры бетона как такой его организации, когда достигаются наилучшие показатели всех свойств и тем более когда эти наилучшие показатели обеспечиваются при минимальной стоимости и т.д. Правильное формулирование условий оптимальности является важнейшим условием проектирования оптимальной структуры и составов бетона. В рамках отдельных структурных теорий бетона сделаны попытки обозначить общие физические и физико-химические признаки оптимальных структур. В теории искусственных строительных конгломератов (ИСК) к ним отнесены равномерное расположение частиц, непрерывность среды и минимально возможное фазовое отношение т.е. В/Ц. В соответствии с полиструктурной теорией физическая, термодинамическая и топологическая неоднородность структуры неизбежна и для оптимизации структуры желательно регулируемое кластерообразование частиц за счет введения пластификаторов и наполнителей с использованием интенсивной раздельной технологии. Минимизация В/Ц, очевидно, необходима, когда цель оптимизации состоит в максимально возможном повышении плотности бетона и соответствующем изменении физико-механических свойств при постоянной степени гидратации цемента. При минимизации расхода цемента в бетонах с заданными свойствами оптимизация структуры может быть направлена на поддержание постоянным или даже увеличение В/Ц без ухудшения свойств бетонов за счет использования различных технологических средств (воздухововлекающих добавок, наполнителей и др.). Реализация общих физических и физико-химических рекомендаций, независимо от их концептуального содержания без учета критериев оптимизации и принятых ограничений не является достаточной для оптимизации структуры бетона. Проектирование оптимальной структуры бетона может достигаться по двум схемам: 1. свойства-структура-состав; 2. свойства-состав-структура. По первой схеме оптимизация структуры осуществляется непосредственно посредством использования зависимостей, связывающих ее параметры с показателями свойств. К настоящему времени в ряде работ предложены математические модели, прямо связывающие показатели свойств бетона и его структурные критерии или параметры. Вместе с тем, модельная база для реализации схемы "свойства – структура – состав" при проектировании составов бетона остается пока недостаточной, а алгоритмы совместного решения моделей и переход с их помощью к составам бетонных смесей часто чрезмерно сложны. Поэтому более доступной является вторая схема, использование которой основано на разработанной методологии проектирования оптимальных составов бетонов. Переход от состава бетонных смесей к характеристике структуры производится с помощью интегральных структурных параметров и требует знания численных значений дополнительных факторов (степени гидратации цемента, пустотности и удельной поверхности заполнителей и др.), определенных эмпирически или расчетным способом. Понятие "структура бетона" более емкое, чем состав, который раскрывает количественные соотношения основных фаз и ряд их качественных характеристик на макроуровне. Проектирование оптимальной структуры бетона требует дополнительного учета физических и физико-химических особенностей бетона на микро- и мезоуровнях, существенно влияющих на его свойства . Эти особенности являются объектом исследований интенсивно развиваемой структурной теории бетона.

2.4. Структурное подобие и свойства бетона

Оптимизация составов и структуры бетона предполагает использование различных технологических решений, направленных на достижение условий оптимальности. Выбор этих решений, количественная оценка вклада того или иного фактора в величину параметра оптимизации облегчается при использовании уравнений "свойство-состав", имеющих повышенную "разрешающую способность" т.е. позволяющих более полно описать влияние технологических факторов. Наряду с регресионным анализом экспериментальных данных, полученных с применением как "пассивного" так и "активного" эксперимента с этой целью также могут быть использованы основы теории подобия. Несмотря на широкое применение математического моделирования для изучения бетона как материальной и кибернетической системы, методология теории подобия в науке о бетоне пока не нашла достаточной реализации.

Исходным требованием применения принципов теории подобия для физических объектов является констатация их одинаковой физической природы. Главным общим признаком бетонов и растворов можно считать наличие двух фаз: первой – цементной матрицы и второй – дисперсной фазы или заполнителей. Наличие этих фаз и границы раздела между ними характеризует бетоны (растворы) как типичные композиционные материалы.

Физическое подобие материальных объектов определяется качественными особенностями компонентов, их количественными соотношениями, особенностями взаимодействия фаз. Для цементных бетонов подобие целесообразно рассматривать в пределах трех основных структурных подгрупп – обычных или тяжелых, легких (на пористых заполнителях) и ячеистых бетонов. Решающий вклад в синтез прочности тяжелых бетонов оказывает первая фаза т.е. цементный камень, наиболее существенно на прочности ячеистых бетонов сказывается вторая фаза, в роли которой выступают газовые включения, для легких бетонов вклад первой и второй фаз – цементного камня и пористых заполнителей является соизмеримым. Одна из первых попыток представить расчетные зависимости показателей прочности бетона как уравнения подобия сделана в работе. Экстремальный характер зависимости при некоторой минимальной толщине слоя цементного теста не вызывает сомнений. Этот факт установлен еще классическими работами И.Г.Малюги, Н.М.Беляева и И.П.Александрина. Из этих же работ известно, что по мере увеличения содержания заполнителей в бетоне положение экстремума прочности сдвигается в сторону больших В/Ц. Из практики хорошо известно, однако, что экстремумы зависимости лежат в области таких значений В/Ц, при которых бетонные смеси являются особо жесткими и требуют повышенных механических условий при уплотнении. Нетрудно подсчитать, что для обычных составов тяжелых цементных бетонов (Ц=200-600 кг/м3) при Кн.г=0,24…0,28; Кс.п=0.01…0,035; Кс.щ=0,007…0,02 и Хм.в=0,876, (В/Ц)0=0,25…0,50. При таких значениях В/Ц и соответствующем содержании цементного камня капиллярная пористость бетона, обусловленная избыточной водой, приближается к нулю. Таким образом экстремальные значения Rб характерны не для всей, а сравнительно узкой области В/Ц. Снижению прочности способствует и недостаток воды затворения для достаточно полной гидратации цемента. В практике проектирования составов бетона приходится обычно завышать объемное соотношение цементного камня и заполнителей Vц.к:Vз по сравнению с его значением при максимально достижимой прочности так как Vц.к:Vз, как правило, определяется необходимой толщиной цементного теста на зернах заполнителя для достижения требуемого показателя удобоукладываемости бетонной смеси. В связи с этим определение значений В/Ц, при которых прочность приобретает экстремальное значение возможно лишь в том случае, если практически не нормируется показатель удобоукладываемости и возможно уплотнение жестких смесей. Оптимизация структуры бетона с целью минимизации расхода цемента при достижении заданных значений прочности и удобоукладываемости в т.ч Vц.к:Vз и Vп:Vщ (Vп и Vщ - объемы мелкого и крупного заполнителей) обеспечивается как при возможном увеличении В/Ц за счет, например, технологических приемов увеличения степени гидратации цемента (повышение активности цемента, введение ускорителей твердения и др.), так и при уменьшении В (введение пластификаторов, подбор зернового состава заполнителей, уменьшения Кн.г и др.) при В/Ц=const. Для определения В/Ц по уравнению необходимо знать максимально достижимую прочность цементного камня Rц* и его В/Ц* обеспечивающее эту прочность. Применение этих нестандартизованных параметров существенно усложняет процедуру проектирования составов, и не всегда уточняет значение В/Ц. Включение цементного камня в ряд бетонов можно было бы оправдать представлениями теории "микробетона" В.Н.Юнга. Однако удельная поверхность негидратированных зерен в цементном камне, выполняющих роль "заполнителей", а, следовательно, и поверхность раздела фаз цементного камня, как минимум, на порядок выше чем у обычных растворов и бетонов. Это должно обусловливать принципиальное различие в свойствах микро- и макрокомпозитов, к которым можно отнести соответственно цементный камень и бетоны (растворы) на его основе Прочность цементного камня характеризует в основном когезионную прочность цементного клея в бетоне. Однако нельзя не учитывать влияние на прочность бетона адгезии цементного камня к заполнителям. По данным К.И. Александера прочность цементного камня составляет лишь 2/3 прочности бетона, а прочность на отрыв в контакте 1/3. По данным С.С.Гордона [46] для бетонов низких марок более половины общей прочности дает сцепление. Рост сцепления достигается в первую очередь сближением цементных зерен с заполнителями, чему способствует снижение В/Ц. С учетом физического подобия сравниваемых конгломератов в формулу прочности бетона (2.6) предпочтительно вместо прочности цементного камня R* вводить стандартизованный показатель активности цемента Rц. При этом однако следует учитывать, что В/Ц стандартного цементно-песчаного раствора определяется необходимым расплывом конуса. Экстремальный характер зависимости прочности раствора от В/Ц возможен только тогда, когда этого ограничения нет. Рассматривая бетоны как композиционные материалы с матрицей из цементного камня и диспергированными в ней полидисперсными заполнителями, можно выделить определенные соотношения физических параметров или критерии, которые будут практически одинаковы при одной и той же технологии для бетонов одного структурного типа. В этом заключается общее правило структурного подобия бетонов, согласующееся с первой теоремой классической теории подобия. Под термином "критерий подобия" в теории подобия понимается безразмерный параметр, включающий сочетание физических величин, имеющий одинаковое значение для подобных объектов. Учитывая вероятностный характер закономерностей, определяющих формирование технических свойств бетона, структурное подобие бетонов является статистическим видом подобия. C данным правилом согласуются закон прочности конгломератов оптимальных структур теории ИСК и ряд других закономерностей бетоноведения. В рамки этого правила вписывается и основная закономерность, определяющая прочность бетона – правило (закон) В/Ц. В соответствии с классической теорией подобия критерии подобия должны быть получены анализом дифференциальных уравнений исследуемых объектов. Составление дифференциальных уравнений, описывающих свойства бетонных смесей и бетона, затрудняется многообразием и сложным характером взаимодействий факторов, участвующих в синтезе свойств. Поэтому, при определенных допущениях роль критериев структурного подобия могут выполнять структурные параметры, однозначно связанные с той или иной группой свойств. Для тяжелых бетонов однозначно связанными между собой параметрами "при прочих равных условиях" являются прочность (Rб) и цементно-водное (или водоцементное) отношение (Ц/В). Нетрудно показать, что Ц/В характеризует при постоянной степени гидратации цемента отношение объема гидратированного цемента к объему пор цементного камня в бетоне. Как указывалось ранее, многочисленными исследованиями показано, что этот параметр оказывает решающее влияние на прочность тяжелого бетона. Также как и прочность, морозостойкость бетона определяется многими факторами, характеризующими его структуру, состав, технологию производства и условия эксплуатации. К настоящему времени признано, что структура морозостойкого бетона отличается, прежде всего, рациональным соотношением объемов условно-замкнутых пор, заполненных газовой фазой, и, открытых пор, насыщаемых водой. Важное значение имеет также "фактор расстояния", показывающий распределение условно-замкнутых пор в цементном камне. Наиболее благоприятные значения "фактора расстояния" характерны при эмульгировании воздуха в бетонной смеси добавками ПАВ. Уравнение подобия структур морозостойких бетонов позволяет, как прогнозировать критическое число циклов F при известных составах бетона, так и в совокупности с другими количественными зависимостями (для прочности бетона, его водопотребности и др.) проектировать состав бетона с заданной морозостойкостью. На практике, зная критическое число циклов F1 и соответственно Fк1 для бетона некоторого эталонного состава можно находить значение показателя F для других составов на постоянных материалах из условия. Одним из определяющих технологических свойств бетонных смесей является удобоукладываемость, характеризуемая показателями подвижности и жесткости. Прогнозирование удобоукладываемости и расчет водопотребности бетонных смесей осложняется большим числом влияющих факторов. Предложенные эмпирические уравнения имеют, как правило, ограниченную применимость, не учитывают влияние структурных особенностей или не предназначены для решения задач проектирования составов бетона. Известно, что структурным параметром, однозначно связанным с удобоукладываемостью бетонных смесей при Ц/В=const, является условная средняя толщина слоя цементного теста на зернах заполнителя. Однако с увеличением Ц/В возрастает вязкость цементного теста в бетонной смеси и при некотором его критическом значении, несмотря на то, что , влияние Ц/В на подвижность и жесткость становится превалирующим. Структурно-механические свойства цементного теста в бетонной смеси в значительной мере определяются также его нормальной густотой (Кн.г), на величине которой сказываются химико-минералогический и вещественный состав цемента, его дисперсность и другие факторы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цемент играл ключевую роль как строительный материал повсеместно на протяжении всей истории развития цивилизации. В Европе использование цемента и бетона при возведении больших общественных зданий прослеживается от древних времен до наших дней. Портландцемент был запатентован в 1824 году и к концу 19-ого века бетон, основанный на портландцементе, высоко ценился как строительный материал на территории Европы. В то же время, современное строительство немыслимо без бетона. Более 2 млрд. м³ в год " таков в настоящее время мировой объем его применения. На протяжении многих лет ученые и инженеры успешно работают над актуальными научными проблемами теории бетона и железобетона, долговечности и надежности бетонных и железобетонных конструкций, методами их расчета, создают новые виды бетонов и арматуры, материалы для изготовления высококачественных бетонов, разрабатывают отвечающие современным требованиям строительства сборные и монолитные железобетонные конструкции, эффективные архитектурно-строительные системы, компьютерные методы проектирования бетонов, бетонных и железобетонных конструкций, технологии и оборудование для их производства, а также координируют научно-исследовательские работы в этих областях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

http://www.eremont.ru/enc/materials/beton/vezde_beton.html - «Вездесущий бетон».
http://www.stroinauka.ru/d26dr6601m6.html - «Бетон в современном строительстве».
http://bse.sci-lib.com/article114766.html
http://sheba.spb.ru/rek/beton-shop.htm
http://totaldom.ru
Колокольников В.С. – «Производство цемента», М., 1967 г.
Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. – «Основы бетоноведения», С.-П., 2006 г.

Белорусский государственный университет

Географический факультет

Практикум

По курсу ТЭЦ (включая основы энергосбережения)

Студентки 2 курса

Заочного отделения

Струневской Ольги

Минск 2009

Бетон и цемент 📙 Курсовая → 🆔 37532