Информационная система для подбора состава тяжёлого бетона с противоморозными добавками

УДК 001.891.573; 519.6

А. С. Васильев, В. П. Назарова

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОДБОРА СОСТАВА ТЯЖЁЛОГО БЕТОНА С ПРОТИВОМОРОЗНЫМИ ДОБАВКАМИ

Программа включает в себя подпрограммы на языке Delphi (Object Pascal), разработанные в среде Borland Delphi 7. Данный программный продукт реализует решение задач по подбору номинального и производственного состава тяжёлого бетона исходя из требуемой прочности, различных свойств бетонной смеси и её компонентов (мелкого и крупного заполнителя, цемента, добавок) с учётом коэффициента выхода и ёмкости бетоносмесителя. В результате определяется количество цемента, воды, крупного и мелкого заполнителя с учётом содержащейся в заполнителях влаги, количество сухого вещества добавки и объём раствора добавки необходимой концентрации для получения бетонной смеси с заданными свойствами. Входные данные: компоненты бетонной смеси и их свойства.

Ключевые слова: алгоритм, бетон, программный продукт, вычислительный эксперимент, коэффициент раздвижки.

Введение

Многообразие конструкций и технологий, различных классов бетона и характеристик бетонной смеси и исходных материалов требует в каждом конкретном случае расчёта состава бетона. Для решения этой задачи и получения бетона с заданными характеристиками необходимо проектировать состав бетона, то есть подбирать составные компоненты бетонной смеси и их количество. Однако предварительный подбор состава сопряжён с определёнными трудностями. Разнообразие видов цемента, мелкого и крупного заполнителя существенно усложняет расчёт. Получение бетона требуемой прочности зависит от различных характеристик его составляющих (класс бетона, подвижность или удобоукладываемость бетонной смеси, показатель качества заполнителей, нормальная густота цементного теста, марка цемента, истинная и средняя насыпная плотность цемента, истинная и средняя насыпная плотность мелкого заполнителя, влажность и водопотребность мелкого заполнителя, модуль крупности мелкого заполнителя, средняя и насыпная плотность крупного заполнителя, максимальная крупность и влажность крупного заполнителя, количество и вид добавки, концентрация и плотность раствора добавки и др.). Многообразие факторов, влияющих на состав бетона, приводит к необхо-

Васильев Алексей Сергеевич — кандидат технических наук, старший преподаватель (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: vasil-grunt@mail.ru.

Назарова Вероника Павловна — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: student.nika1661@mail.ru.

© Васильев А. С., Назарова В. П., 2018

20

димости предварительного проектирования состава бетона, то есть проведения вычислительного эксперимента. В результате возникает необходимость создания программного продукта, учитывающего проектирование состава бетона при изменении характеристик материалов и бетонной смеси. Это даёт возможность в кратчайшие сроки осуществлять подбор состава тяжёлого бетона исходя из экономических факторов и условий эксплуатации конструкций. Помимо вышесказанного, данная программа может быть использована в учебных целях для изучения влияния компонентов бетонной смеси на состав бетона. При этом программа должна иметь базу данных, содержащую справочную информацию о добавках в бетоны, что весьма полезно как при выборе нужной добавки исходя из условий эксплуатации железобетонной конструкции, так и для ознакомления с ней студентов вузов.

Цель работы: Выбор алгоритма и написание программного продукта для проведения вычислительного эксперимента и предварительного расчёта состава тяжёлого бетона с добавками.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1) Изучить и проанализировать методики подбора состава бетона и выбрать наиболее оптимальную, содержащую наиболее удобный и подробный алгоритм расчёта;

2) Разработать наиболее оптимальную программную среду для визуализации данных и расчётов и автоматизировать процесс расчёта состава тяжёлого бетона, в том числе с учётом концентрированных растворов добавок и влажности заполнителей;

3) Описать применение программы для расчёта конкретного состава тяжёлого бетона с противоморозными добавками;

4) Составить базу данных, содержащую информацию об основных добавках для бетона.

Ниже приведены некоторые фрагменты процедур и функций кода программы [3], реализованной на платформе Borland Delphi 7 языка программирования Object Pascal, содержащего алгоритмы для проектирования состава тяжёлого бетона.

Определяется В/Ц отношение в зависимости от требуемой прочности, срока и условия твердения бетона. Для обычного бетона В/Ц > 0,4

В A*Rn

Ц Rb+A*O.S*Rn

где Rb — требуемая прочность при сжатии, R4 — активность цемента, А — коэффициент качества заполнителей.

function TForm1 .VC(A, Rc, Rb: real): real; begin

VC:=Round(100*(A*Rc)/(Rb+0.5*A*Rc))/100;

Уточняется количество воды для бетонной смеси исходя из таблиц.

21

function TForm1.V(NGCT, Mkr,V1: real): real; begin

Mkr:=strTofloat(Edit13.Text); V:=(NGCT-27)*4-(Mkr-2)*8+V1;

Находят расход цемента:

Ц = в/^,

где В — количество воды на кубический метр смеси.

function TForm1 .Cem(Voda, k: real): real; begin

Cem:=Round(Voda/k); end;

Определяют расход заполнителя:

_ 1000 ,

Щ — ..Уцусщ. 1

Y щ Рщ

где Щ — расход крупного заполнителя кг/м3, рщ — плотность крупного заполнителя, ипусщ — межзерновая пустотность крупного заполнителя в относительных единицах, а — коэффициент раздвижки зёрен крупного заполнителя раствором, y^ — средняя насыпная плотность крупного заполнителя.

function TForm1.S(alfa, Psh,Ys: real): real; begin

S:=round((1000/(alfa*(1-Ys/Psh)/Ys+1/Psh))*10)/10; end;

Определяем расход песка по формуле:

где рц, рщ, рп, — плотность цемента, песка и щебня, Ц — расход цемента, В — расход воды, Щ — расход крупного заполнителя.

function TForm1 .Pesok(a, C, Voda, Psh, Pc, Pp: real): real; begin

Pesok:=Round(((1000-(C/Pc+Voda+a/Psh))*Pp)*10)/10; end

Ниже приведена часть блок-схемы, реализующая полный алгоритм проектирования состава тяжёлого бетона с заданными характеристиками.

На рисунке 2 показан дальнейший ход вычислений, в результате которого находят также количество песка и щебня на кубический метр бетонной смеси.

22

Рис. 1. Определение количества цемента и воды

I Вывод коли ч ест ва круп ногой мелкого

/ заполнителей, воды с учётом влажности

/ заполнителей вывод количества цемента,

I количества добавки

Рис. 2. Вычисление производственного состава бетона

Данный алгоритм позволяет получить тяжёлый бетон заданной прочности исходя из составных компонентов и свойств бетонной смеси и материалов.

Для правильного дозирования и равномерного распределения добавки вводят в бетонную смесь в виде водного раствора рабочей концен-

23

трации, то есть раствора, которым затворяется смесь без дополнительного введения в неё воды.

В результате при расчёте состава бетона с добавками нужно пересчитывать количество воды, т. к. часть воды должна попадать в смесь в виде водного раствора добавки, что усложняет проектирование состава.

1. База данных, содержащая классификацию добавок

Программа, как уже было сказано, содержит классификацию добавок. При этом пользователь может вывести на экран как всю базу данных добавок, так и интересующую его группу добавок (рис. 3).

Рис. 3. Главное меню программы

При выделении соответствующей группы добавок и нажатии на клавишу «Вывод информации о добавках» появляется таблица, содержащая выбранную группу добавок. Ниже приведены противоморозные добавки, содержащиеся в базе данных. Аналогично можно выбрать любую группу добавок (рис. 4).

Таблица имеет следующие поля: полное название добавки, краткое название добавки, характеристика добавки, разновидность, дозировка.

2. Экспериментальное уточнение начального (расчётного) состава бетонной смеси

Для проверки работы программы был подобран состав бетона класса В35 с применением следующих материалов: портландцемент марки М500. Нормальная густота цементного теста 27 %, истинная плотность цемента 3,1 г/см3, средняя насыпная плотность — 1 450 кг/м3. Песок средней крупности с водопотребностью 7 %, плотностью 2,63 г/см3, объёмной массой 1 500 кг/м3, влажностью 4 % и модулем крупности 2,5. Крупный заполнитель — гранитный щебень с предельной крупностью 40 мм, плотностью 2,6 г/см3, объёмной массой 1 480 кг/м3, влажностью 3 %. Заполнители удовлетворяют требованиям ГОСТа.

24

]jß База данных добавок для бетонов |

ID1 Полное название | Краткое название Характеристика | Разновидность Дозировка | *

1 Поташ П [MEMO) противоморозные до 5 от масс

2 Нитрат кальция НК [MEMO) противоморозные 3-6

3 Хлорин кальция хк [MEMO) противоморозные 1 -5 от массв —

т Q Нитоит нагоия I нн [MEMO) противоморозные

5 Лигнопан 4 ~Л4 [MEMO) противоморозные =

-

У

I " II •* II » II " II * II = II - I - 1 ^ II ^ I

Полное название н игРит натрия Краткое название нн

Белый кристаллический псрошск. Хсрошс растворим в воде.Гигроскопичен. Обеспечивает твердение бетена при отрицагелвнеП температуре. ,1нг чЧч I : кррррзин. ч.и ы-

РаЗНОВЬЩНООТЬ противомрррзные

Дозировка

Рис. 4. База данных добавок для бетонов

В результате был получен следующий состав бетонной смеси (рис. 5).

Результаты расчета состава бетона ^^^^ ^ к

Номинальный состав Производственный состав Расход материалов на объем

бетоносмесителя

Песок 679,2- хг/мЗ Песох 706,4-хг/мЗ Песок 13,9 -кг

Щебень 1148,5- хг/мЗ Щебень 1183- хг/мЗ Щебень 23,3 - кг

Цемент 369- хг/мЗ Цемент 369- хг/мЗ Цемент 7,3 -кг

Вода 181-кг/мЗ Вода 119,4-хг/мЗ Вода 2,3-кг

1 Мзш1 1 Охранить 1

Рис. 5. Результаты расчёта состава бетона

Уточнение и корректировка рабочего состава проводились на предприятии ООО «Масис». Был рассчитан расход материалов на пробный опытный замес 30 л. Расход материалов для замеса по массе: песка 13,9 кг; щебня 23,3 кг; воды 2,3 кг; цемента 7,3 кг. Всего 46,8 кг. Затем было изготовлено 2 серии контрольных образцов размером 100*100*100 мм с маркировкой 06-10.

Результаты испытания контрольных образцов приведены в таблице.

25

Таблица

Результаты испытания контрольных образцов

Марка образца Дата изготовления Возраст Условия твердения (темпера- турно-влажност-ный режим) Масса образца, г Площадь образца, мм2 Средняя плотность, г/см3 Разрушающий груз, кН Предел прочности при сжатии, кгс/см3

Отдельных образцов Средний

06-10 06.02.14 7 Норм. 2448 100000 2,448 356 356

06-10 06.02.14 7 То же 2446 100000 2,446 364 364 362

06-10 06.02.14 7 То же 2450 100000 2,450 360 360

06-10 27.02.14 28 Норм. 2452 100000 2,452 482 482

06-10 27.02.14 28 То же 2448 100000 2,448 484 484 487

06-10 27.02.14 28 То же 2450 100000 2,450 490 490

Предел прочности образцов в возрасте 28 суток в среднем соответствовал 487 кгс/см3, что соответствует классу бетона В35. Условия твердения (температурно-влажностного режима) бетона соответствовали нормальным. Из вышеперечисленных данных можно сделать вывод, что бетон данного состава соответствует классу по прочности на сжатие В35. В ходе исследования были решены следующие задачи:

а) изучены и проанализированы методики подбора состава бетона и выбрана наиболее оптимальная, содержащая наиболее удобный и подробный алгоритм расчёта;

б) разработана наиболее оптимальная программная среда для визуализации данных и расчётов и автоматизации процесса подбора состава тяжёлого бетона с учётом концентрированных растворов противо-морозных добавок и влажности заполнителей;

в) «Программа проектирования состава тяжёлого бетона с противо-морозными добавками» применена на конкретном примере;

г) составлена база данных, содержащая основную информацию о различных добавках для бетона.

Список литературы

1. Баженов Ю. М. Способы определения состава бетона различных видов. М.: Стройиздат. 1975. 268 с.

2. Дворкин Л. И. Оптимальное проектирование составов бетона. Львов: Вища школа. 1981. 202 с.

3. Программа проектирования состава тяжёлого бетона с противоморозными добавками: программа для ЭВМ № 2014615126 ИИ / Васильев А. С., Гулимо-ва Е. В., Сысоев О. Е. № 2014612570; заявл. 25.03.2014; зарег. 20.05.2014; опубл. 20.06.2014.

4. Сизов В. П. Проектирование составов тяжёлого бетона. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1979. 144 с.

26

•Je -Je -Je

Vasilyev Alexey S., Nazarova Veronika P. DEVELOPMENT OF SOFTWARE FOR THE CALCULATION OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES

The program includes subroutines in the Delphi (Object Pascal) language, developed in the Borland Delphi 7 environment. This software product implements the solution of tasks for selecting the nominal and production composition of heavy concrete based on the required strength, various properties of the concrete mix and its components (small and large aggregate, cement, additives), taking into account the yield coefficient and capacity of the concrete mixer. As a result, the amount of cement, water, coarse and fine aggregate is determined taking into account the moisture content of the aggregates, the amount of dry matter of the additive and the volume of the additive solution of the required concentration to produce a concrete mix with the desired properties. Input: components of the concrete mix and their properties.

Keywords: algorithm, concrete, software, computational experiment, coefficient of expansion.

References

1. Bazhenov Yu. M. Sposoby opredeleniya sostava betona razlichnyh vidov (Methods of determining the composition of the concrete of various types), Moscow, Stroyizdat Publ., 1975. 268 p.

2. Dvorkin L. I. Optimal'noe proektirovanie sostavov betona (Optimal design of concrete compositions), L'vov, Vishcha shkola Publ., 1981. 202 p.

3. Vasilyev A. S., Galimova E. V., Sysoev E. O. Programma proektirovaniya sostava tyazhyologo betona s protivomoroznymi dobavkami: programma dlya EVM 2014615126 RU (Program for designing the composition of heavy concrete with antifreeze additives: computer program No. 2014615126 RU), registered on 05/20/2014, published on 06/20/2014.

4. Sizov V. P. Proektirovanie sostavov tyazhyologo betona (Design of heavy concrete

compositions), 3 th ed, Moscow, Stroyizdat Publ., 1979. 144 p.

* * *

27