Теоретические предпосылки и экспериментальные исследования по оптимальному управлению формованием

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Грушко И. М. Повышение прочности и выносливости бетона./ Грушко И. М., Ильин А. Г. - Харьков. : Вища школа, 1986. - 150 с.

2. Армирование неорганических вяжущих веществ минеральными волокнами /

Пащенко А. А. и др. - М. : Стройиздат, 1988.

3. Ресурсосберегающие технологии бетонов в транспортном и гидротехническом строительстве: сб. / Деревянко В. Н., Крекнина Е. А. - Межв. сб. Днепропетровск, 1995. -

С. 35 - 36.

4. Goldfein, S. 'Fibrous reinforcemet for Potland cement', Modern Plastics 42 No 8 (1965),

pp 156-160

5. Гордон С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях /

Гордон С. С.- М. : Стройиздат, 1969. -151 с.

6. Десов А. Е. Некоторые вопросы структуры прочности и деформации бетонов / Десов А. Е. - М. : Стройиздат, 1966. - 158 с.

7. Рыбьев И. А. Исходные методические позиции при исследовании искусственных строительных конгломератов. / Рыбьев И. А., Нехорошев А. В., Строительные материалы;

№ 2 1980. - 24 - 25 С.

8. Мелькин В. И., Жур Д. М, Егоров В. С. Прочность хрупких материалов при сложном напряженном состоянии./ Мелькин В.И., Жур Д.М, Егоров В.С. Изв. Вузов. Машиностроение, № 2, 1970. - 9 - 14 С.

9. Washzu W. Varitiohal Metod in Elastisity and Plastisity. - London, Pergamon Press, 1968, 344p.

10. de Verey, R.C. and Maiumdr, A. I. Determining bond strength in filrereinforced composites. Magazine of Concrete Research Zo № 65 (1968), pp. 229 - 234.

11.Ritchie, A. G.B. and Macrintosh D.M. Selection and rheological characteristics in polypropylene fibres. Conrete 6 (1972), pp. 36-39.

УДК 693. 546. 42

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПТИМАЛЬНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ФОРМОВАНИЕМ

Н. А. Сторожук, д. т. н., проф., Т. Н. Дехта, к. т. н., доц.

Ключевые слова: интенсивность вибрации, оптимальное управление формованием, инерционный поток энергии.

Постановка проблемы. Разработка и совершенствование способов уплотнения бетонных смесей при формовании железобетонных изделий является одним из ведущих направлений в технологии бетона на предприятиях строительной индустрии, поскольку на этом этапе производства создается необходимая структура бетона, обеспечиваются его требуемые плотность, однородность и, соответственно, качество изделия. Поэтому разработка и обоснование оптимального режима уплотнения бетонных смесей при формовании изделий, который позволяет существенно повысить физико-механические свойства бетона, при этом значительно сократить продолжительность формования изделий, является одной из актуальной проблем.

Анализ публикаций. Для разработки основ теории оптимального управления процессом виброуплотнения бетонной смеси использованы достижения теоретической физики и аналитической механики [1- 4].

Некоторые исследователи представляют бетонную смесь как систему частиц заполнителя, соединенных упругими или упруго-пластичными связями [5]. Роль таких связей отводится прослойкам цементного теста. Предполагают, что каждая частица определенной массы, соединенная упругой связью, должна иметь какую-то частицу собственных колебаний, и вибрирование будет тогда наиболее эффективно, когда период возмущающей силы вибратора будет совпадать с периодом собственных колебаний частиц заполнителя, т. е. при резонансе. Доказано, что для резонанса крупных частиц заполнителя необходима низкая частота колебаний, для мелких - более высокая. А так как в бетонной смеси обычно представлены

различные по величине, весу и форме частицы заполнителя, наиболее эффектным должно быть разночастотное вибрирование [5].

Одним из основных параметров уплотнения бетонных смесей является оптимальная продолжительность уплотнения, после которой плотность и прочность бетонов практически не увеличиваются. При значениях ниже этой величины смесь будет недоуплотнена, а прочностные и другие свойства бетона не будут полностью использованы. Одинаковой степени уплотнения можно достичь при различных комбинациях интенсивности и продолжительности вибрирования. С увеличением интенсивности время, необходимое для уплотнения смеси, сокращается, и наоборот. Завышенная продолжительность формования изделий заметного повышения прочности и улучшения других свойств бетона не дает. Такое мероприятие малоэффективно, а иногда даже вредно (перерасход энергии, непроизводительное использование оборудования, более длительное воздействие шумов) [3; 5; 6].

В настоящее время наиболее распространенным является вибрационный способ формования бетонных и железобетонных изделий. Однако, несмотря на имеющиеся в этой области разработки, остаются недостаточно изученными вопросы выбора рационального режима уплотнения бетонных смесей, его влияние на плотность и, соответственно, прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, деформативные свойства бетонов [5].

Цель работы. Разработать научно-технические основы оптимального управления процессом формования железобетонных изделий вибрационным способом. Это позволит значительно повысить качество железобетона (по прочности, водонепроницаемости, морозостойкости, деформативным показателям и др.).

Основной материал. При виброуплотнении бетонных смесей с постоянной интенсивностью вибрации (при постоянном потоке энергии) возникают сводообразования (заклинивание заполнителей и особенно щебня или гравия). Это значительно снижает эффективность уплотнения. Для повышения эффективности уплотнения предлагается применять оптимальное управление процессом формования, которое включает многократные вибрационные воздействия. Это будет способствовать разрушению сводообразований, а также направленных капилляров, которые образуются в результате удаления воздуха, перераспределения цементного теста и растворной составляющей. Технология изготовления железобетонных изделий с применением оптимального управления формованием позволяет существенно повысить физико-механические свойства бетонов и снизить их стоимость.

Уплотнение бетонных смесей вибрационным способом можно осуществлять при различных режимах (величина интенсивности, изменение ее во времени, продолжительность уплотнения и др.), но при этом после окончания процесса будет получена бетонная смесь с различной плотностью [5; 6]. Задача состоит в том, чтобы разработать и теоретически обосновать такой режим виброуплотнения, при котором уплотнение бетонной смеси (достижение минимально возможного ее объема) проходило бы за наименьшее время.

Существенными факторами, характеризующими качество и скорость уплотнения бетонной смеси, являются изменение объема уплотняемой смеси и скорость удаления воздушной фазы. Поэтому, используя термины "теории оптимального управления", фазовую плоскость

определили координатой Х^ - объем уплотняемой бетонной смеси и координатой Х?У -скорость удаления воздуха при виброуплотнении, извлечения воды при вибровакуумировании, центрифугировании и др. Начало координат будет характеризоваться минимально возможным объемом уплотненной смеси и скоростью удаления воздушной и жидкой фазы, равной нулю. Допустимое управление имеет следующие компоненты: давление в бетонной смеси без вибрации, при вакуумировании и др., и давление в бетонной смеси при виброуплотнении, вибровакуумировании и др. Фазовое состояние бетонной смеси (термины "теории оптимального управления") в начальный момент времени X! (10),Х2!((0)) и управляющая

функция Р(1) однозначно определяют фазовую траекторию состояния бетонной смеси при уплотнении. На основании этого получена зависимость, дающая искомое оптимальное по быстродействию управление, которое оказывается кусочно-постоянным (релейным) -периодически изменяющимся [7; 10]. Число переключений (или интервалов постоянства управления) для линейных систем всегда конечно и зависит от области управления, начальных и конечных условий. Нами доказано, что оптимальное управление формованием

осуществляется путем рационального регулирования давления внутри уплотняемой бетонной смеси [7-9]:

Ра (V) = К1 (V)(V) = Кг (V)(с1 - с^),

где: Ра - давление в бетонной смеси (активное давление);

у - количество движения (импульс системы);

V - время уплотнения;

с1, с2 - постоянные интегрирования;

Кг - коэффициент, зависящий от вида уплотняемой смеси.

С учетом полученных результатов теоретических исследований, а также разработок [10], разработана структурная схема управления виброуплотнением бетонной смеси с обратной связью (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема управления виброуплотнением бетонной смеси с обратной связью

Таким образом, оптимальное управление формованием осуществляется рациональным регулированием давления внутри уплотняемой вибрационным способом бетонной смеси путем многократных вибрационных воздействий (многократных импульсов интенсивности).

При таком режиме уплотнения существенное влияние на качество уплотнения бетонной смеси будет оказывать инерционный поток интенсивности (инерционный поток энергии). Для выявления его роли формовали две партии образцов при различных способах вибровоздействий.

При выполнении исследований применяли портландцемент М400, щебень гранитный фракции 20...40 мм, песок днепровский мелкий (Мкр = 1,2...1,3).

Состав бетона характеризовался соотношением составляющих Ц:П:Щ:В = 1:1,63:3,68:0,59 (Ц = 357 кг/м3), подвижность бетонной смеси - осадкой стандартного конуса 3.4 см (ОК = 3.4 см).

Для уплотнения бетонных смесей при формовании образцов 10x10x10 см использовали лабораторный вибростол ВС-1 (частота колебаний 2860 кол/мин, амплитуда под нагрузкой -0,35 мм).

Первую партию образцов формовали без инерционного потока интенсивности (потока энергии), продолжительность формования составила соответственно 20, 30 и 40 с. В этом случае устанавливали форму с бетонной смесью на вибростол, включали вибростол в работу и по истечении установленного промежутка времени снимали форму с вибростола, не выключая его.

Вторую партию - с учетом инерционного потока энергии: продолжительность вибровоздействия в этом случае составила всего лишь 10, 20 и 30 с - здесь устанавливали форму с бетонной смесью на вибростол, включали вибростол в работу и отключали его через определенный промежуток времени, форму снимали только после полной остановки вибростола. Определяли плотность бетона в возрасте одни сутки и предел прочности через 28 суток (табл. 1, рис. 2).

Таблица 1

Плотность и прочность бетонов в зависимости от способа вибровоздействия

Вид уплотнения Продолжительность работы включенного вибростола, с Плотность бетона р0, кг/м3 Предел прочности бетонов Я28б, МПа

Без инерционного потока интенсивности (потока энергии) 20 2343 19,5

С инерционным потоком интенсивности (потоком энергии) 10 2357 21,2

Без инерционного потока интенсивности (потока энергии) 30 2357 19,2

С инерционным потоком интенсивности (потоком энергии) 20 2263 20,9

Без инерционного потока интенсивности (потока энергии) 40 2352 19,1

С инерционным потоком интенсивности (потоком энергии) 30 2360 22,2

Результаты исследований показывают, что инерционный поток энергии оказывает принципиальное влияние как на плотность и прочность бетонов, так и на продолжительность формования, которая существенно увеличивается в случае исключения этого потока из технологического процесса уплотнения бетонных смесей. Следует особо отметить, что за счет инерционного потока интенсивности (потока энергии) предоставляется возможность повысить прочность бетонов на 10...15 %. Многократное использование (применение) инерционного потока энергии позволяет существенно повысить качество уплотнения бетона.

Иб, 25 20 15 10 5 0

0

1

2

10

20

30

40

50

1,0

Рис. 2. Влияние способа вибровоздействия при формовании изделий на прочностные характеристики бетонов: 1 - с инерционным потоком энергии; 2 - без инерционного потока энергии

В дальнейшем нами проведена сравнительная оценка различных режимов виброуплотнения бетонных смесей. Материалы для приготовления бетонных смесей использовали те же, что и в предыдущих исследованиях.

Промежуток времени между вибровоздействиями составлял 2...3 с, продолжительность вибровоздействия (при оптимальном управлении) - 6.18 с.

Отформованные образцы твердели в нормальных условиях. В возрасте 28 суток определяли плотность и предел прочности при сжатии бетонов. Результаты исследований в (табл. 2), подтвердили выводы, полученные при теоретических разработках по оптимальному управлению формованием [10]. Сравнительная оценка различных способов и режимов уплотнения бетонных смесей показала, что лучшие результаты получены при применении оптимального управления, использующего режим с многократными вибрационными воздействиями. В этом случае достигнуто наибольшее повышение прочности бетона в сравнении с показателями бетона, уплотненного традиционным способом.

Таблица 2

Плотность и прочность бетонов в зависимости от режима уплотнения

Вид уплотнения Виброуплотнение при максимально возможной интенсивности Плотность бетонной смеси р0, кг/м3 Прочность бетона r28 R б, МПа

Продолжительность вибровоздействий, с Количество вибровоздействий

Существующий способ

виброуплотнения (при 30 1 2384 19,4

постоянной интенсивности)

Предлагаемый способ вибро-

уплотнения (при многократных

вибровоздействиях) 13 2 2466 23,0

То же

8 3 2505 25,8

То же

6 4 2507 25,9

Поскольку морозостойкость является одним из важнейших свойств бетона, определяющих его долговечность, нами выполнены исследования по морозостойкости бетонов, уплотненных при обычном широко распространенном способе виброуплотнения и при оптимальном управлении. В экспериментальных исследованиях применяли бетонные смеси и бетоны, а также материалы для их приготовления такие же, как и в предыдущих опытах. О степени морозостойкости судили по изменению массы образцов и прочности при сжатии после 50, 100, 150 и 200 циклов замораживания. Результаты исследований показаны на рисунках 3 и 4. За период испытания на морозостойкость (273 сут.); хранившиеся в воде контрольные образцы твердели, увеличивали свою массу и прочность. При этом наибольшее увеличение массы

(3,5 %) и прочности (10 МПа) отмечается у образцов из бетона, уплотненного при постоянной интенсивности вибрации. Образцы из бетона, уплотненного при оптимальном управлении формованим, показали меньшее увеличение массы за счет меньшего водопоглощения (в пределах 2 %), повышение прочности составило в среднем 9 МПа. Образцы, подвергавшиеся замораживанию - оттаиванию в пределах 100 циклов, увеличили массу и прочность с большей интенсивностью, чем контрольные. В дальнейшем наблюдалось снижение массы и прочности, притом наиболее интенсивно - у образцов, отформованных вибрационным способом по обычному режиму (при постоянной интенсивности). Прочность образцов этого вида бетона после 200 циклов снизилась на 16 % по отношению к контрольным. Прочность бетона, уплотненного при оптимальном управлении формованием (при многократных вибрационных воздействиях) после 200 циклов, оказалась практически на том же уровне, что и у контрольных образцов (снижение составило всего лишь 5.6,5 %).

Таким образом, результаты исследований показывают, что бетон, уплотненный при оптимальном управлении формованием, обладает более высокой морозостойкостью в сравнении с бетонами, уплотненными при постоянной интенсивности вибрирования.

Результаты наших исследований основных свойств бетонов, уплотненных при различных режимах вибрирования, показали, что при оптимальном управлении формованием существенно повышается, кроме морозостойкости, и водонепроницаемость бетонов (в 1,3.1,6 раза), значительно уменьшаются величины капиллярного увлажнения и водопоглощения, снижаются также деформации усадки и набухания.

л о

га

ё О

В я

Я со <и сЗ « Л

а ю

Е О

со

4 2 1

±0,00 -1

0 50

100

2а 1а

1

2

150 200 Кол-во циклов

Рис. 3. Масса бетонных образцов в зависимости от продолжительности твердения, количества циклов замораживания и оттаивания: 1 - для образцов, отформованных при оптимальном управлении и подвергшихся замораживанию - оттаиванию; 1а - то же, для контрольных образцов; 2 - для образцов, отформованных по традиционному режиму (при постоянной интенсивности вибрирования) и подвергшихся замораживанию-оттаиванию; 2а - то же, для контрольных образцов

0 50 100 150 200 Кол-во циклов

Рис. 4. Прочность при сжатии бетонных образцов в зависимости от продолжительности твердения, количества циклов замораживания и оттаивания: обозначения те же, что и на

рис. 3

Выводы. Экспериментальными исследованиями подтверждены выводы, полученные при теоретических разработках по совершенствованию режима уплотнения бетонных смесей. Сравнительная оценка различных способов и режимов уплотнения показала, что лучшие результаты получены при применении оптимального управления формованием, т. е. при использовании режима с многократными вибрационными воздействиями. В этом случае повышение прочности бетона составило 25.30 % в сравнении с показателями бетона, уплотненного традиционным способом.

Результаты исследований основных свойств бетонов, уплотненных при различных режимах вибрирования показали что при оптимальном управлении формованием существенно повышается морозостойкость, а также водонепроницаемость бетонов (в 1,3.1,6 раза), значительно уменьшаются величины капиллярного увлажнения и водопоглощения, снижаются также деформации усадки и набухания.

При получении равнопрочных бетонов имеется возможность снизить расход цемента. При этом значительно сокращается продолжительность формования, а предлагаемый способ формования не требует дополнительных капитальных затрат на внедрение - используется широко распространенное на предприятиях стройиндустрии стандартное механическое оборудование, применяемое в технологии железобетона.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Математическая теория оптимальных процессов / Понтрягин Л. С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мищенко Е. Ф. - [3-е изд.]. - М. : Наука, 1976. - 392 с.

2. Ту Ю. Современная теория управления / Ю. Ту. - М. : Машиностроение, 1971. - 472 с.

3. Лермит Р. Проблемы технологии бетона / Р. Лермит. - М. : Госстройиздат, 1959. - 294

с.

4. Иориш Ю. И. Виброметрия / Ю. И. Иориш. - М. : Машгиз, 1963. - 325 с.

5. Шмигальский В. Н. Формование изделий на виброплощадках / В. Н. Шмигальский. - М. : Стройиздат, 1968.

6. Руководство по технологии формования железобетонных изделий. - М. : Стройиздат, 1977. - 167 с.

7. Сторожук Н. А. Вибровакуумирование бетонных смесей и свойства вакуумбетона / Н. А. Сторожук. - Днепропетровск : Пороги, 2008. - 251 с.

8. Сторожук Н. А. К вопросу уплотнения бетонных смесей вибровакуумированием // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1976. - № 2. - С. 110 - 115.

9. Сторожук Н. А. Исследование нового способа уплотнения бетонных смесей под действием вакуума // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура - 1982. - № 11. - С. 67 -71.

10. Сторожук Н. А. Задача оптимального управления уплотнением бетонных смесей /

Н. А. Сторожук, Т. Н. Дехта // Вюник Придншровсько! державно! академи буд1вництва та архгтектури. - 2001. - № 1. - С. 46 - 53.

УДК 691:699.86.002.3

ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ РОЗПОВСЮДЖЕНИХ ТЕПЛО1ЗОЛЯЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В ТА ПЕРЕВАГИ

П1НОСКЛА

А. С. Щербак., асп. ДНУЗТ ¡м. академ1ка В. Лазаряна, м. Днтропетровсък

Ключовi слова: тепло1золяцШт матер1али, теплопров1дтстъ, паропроникмстъ, мщтстъ, морозосттюстъ.

Вступ. Пшоскло — сучасний тип ¡золяцшного матер1алу, який своею низькою об'емною вагою 1, тим самим, низькою теплопровщшстю повшстю екв1валентний старшим класичним природним ¡золяцшним матер1алам { перш за все пробщ. За шшими властивостями, наприклад, за малим водопоглинанням { високою мехашчною мщшстю, пшоскло набагато перевершуе пробку. Значною перевагою шноскла пор1внянно з деякими природними { нов1тшми штучними ¡золяцшними матер1алами е його неоргашчний склад. Як { всяке скло, пшоскло стшке до дп гнилизни, м1крооргашзм1в, комах { гризушв, не горить, характеризуемся постшнютю об'ему { стшюстю до ди води { вс1х х1м1чних реагенпв, за деякими винятками: плавикова кислота 1 гаряч1 концентроваш розчини пдроокис1в лужних метал1в [1; 2].

Розглянемо детально основш переваги шноскла перед шшими поширеними тепло1золяцшними матер1алами.

Теплопровiднiсть. Лабораторно визначуване значення теплопровщносп шноскла вище на 20—30 %, шж у мшераловатних плит схщного призначення { сфери застосування. Але при вибор1 матер1алу для тепло1золяци споруд, при пор1внянш таких матер1ал1в, як мшеральна вата { пшоскло, необхщно врахувати ще два чинники.

Теплопровщшсть мшерально! вати залежить вщ вологост пов1тря м1ж волокон, а оскшьки м1жволоконне пов1тряне середовище активно взаемод1е з атмосферою, теплопровщшсть мшерально! вати мае змшне значення. А ось газове середовище замкнутих осередюв шноскла не залежить вщ волопсних { температурних змш навколишнього середовища. Залежшсть значення теплопровщносп для мшерально! вати вщ вологосп пов1тря показана на рисунку 1. Видно, що чим вища волопсть повпря м1ж волокон мшерально! плити, тим вища теплопровщнють волокнистого матер1алу. Для шноскла значення теплопровщност не залежить вщ вологосп пов^ря. Отже, для мшерально! вати юнуе значення вологост пов1тря м1ж