Автоматизированный расчет состава бетона и Прогнозирование его свойств

УДК 691:681.5

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ СОСТАВА БЕТОНА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

И.Л. Чулкова, кандидат технических наук, доцент, СибАДИ Т.А. Санькова, старший преподаватель, СибАДИ

Аннотация. Авторами рассматриваются проблемы проектирования состава бетонных смесей и описывается созданная система автоматизированного проектирования состава бетона. В статье приводятся результаты некоторых экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от различных факторов, используемые для прогнозирования свойств бетона на стадии его проектирования.

Введение

Бетоны в настоящее время являются самыми распространенными строительными материалами. Поэтому весьма актуально получение бетона с требуемыми физико-механическими свойствами.

Решение данной задачи в значительной степени связано с применением при исследовании бетона современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента, реализацией эффективных численных методов и алгоритмов в виде проблемно-ориентированных программ для оптимизации составов бетонных смесей и прогнозирования их эксплуатационных свойств.

Особую актуальность наши предложения приобретают при проведении подготовки бетонных смесей в условиях Сибири и Крайнего Севера, поскольку температурный диапазон в зависимости от времени года составляет более 100°С. Естественно, что в таких экстремальных условиях автоматизированное проектирование бетонных смесей имеет особую значимость с точки зрения прочностных характеристик и экономии материалов.

Проблемы проектирования состава бетонных смесей

Наиболее ответственным участком технологического процесса приготовления бетонной смеси является проектирование состава бетонной смеси. Широко используемым на производстве является расчетно-экспериментальный или технологический метод проектирования состава бетона [1].

Прогнозирование свойств бетона на стадии проектирования позволило бы учитывать возможные изменения качественных показателей конечного продукта при изменении свойств исходных материалов и параметров технологических режимов. Это даст возможность повысить эффективность производства за счет экономии материальных и трудовых ресурсов.

Эффективность проектирования составов зависит от оптимальности указанных исходных параметров с учетом назначения бетона, вида конструкций и способа их производства. Конечная цель оптимального проектирования состава бетона - определение наилучшего соотношения компонентов бетонной смеси при оптимальных исходных параметрах и получение материала необходимого качества.

Проектирование состава бетонной смеси и планирование испытаний являются достаточно трудоемкими и наиболее уязвимыми с точки зрения возникновения ошибок этапами технологического процесса приготовления бетонной смеси. Ошибки при осуществлении расчетов могут привести к появлению брака, а значит, перерасходу материалов и денежных средств, тем более, что стоимость железобетонных конструкций достаточно высока.

Следовательно, автоматизация процесса проектирования состава бетонной смеси позволит исключить ошибки при расчете, снизить вероятность осуществления корректировки расчетов и сократить время всего проектирования в целом. Достижение основной цели (сокращение времени, трудоемкости и снижение брака при производстве) лежит в области автоматизации расчетов при проектировании, планировании эксперимента и попытки прогнозирования качества бетона на стадии проектирования состава бетонной смеси. Для сокращения сроков всего технологического процесса приготовления бетонной смеси необходимо автоматизировать расчетные операции при проектировании состава бетона, так как в настоящее время эти операции выполняются вручную специалистами строительных организаций. Это позволит избежать ненужных ошибок и сократить сроки расчетов.

Главное условие оптимального проектирования составов бетона - создание количественных зависимостей, позволяющих получать заданные свойства бетона при изменении основных технологических факторов и управлять этими свойствами [2].

Система автоматизированного проектирования состава бетона

Разработанная система автоматизированного проектирования состава бетонных смесей включает в себя несколько модулей: «Подбор состава бетона», «Корректировка состава», «Прогнозирование свойств», «Планирование эксперимента».

Работа с модулями осуществляется в диалоговом режиме, реализованном в виде мастера, объединяющего в себе ряд шагов и позволяющего по введенным пользователем данным проектировать и корректировать состав, прогнозировать характеристики получившейся бетонной смеси. Предусмотрена возможность сохранения результатов в файле, открытие ранее сохраненного файла, вывод результатов на печать, работа со справочным материалом. Внешний вид главного окна приложения показан на рис.1.

За основу расчета количественного состава бетонной смеси была выбрана методика, описанная в СНиП 3.06.04-91 [3], а также формулы, полученные на основе экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от различных факторов.

Модуль «Подбор состава бетона» позволяет подбирать требуемые составы с заданными характеристиками. Для расчета состава бетона необходимо выбрать соот-

ветствующий вид бетона, задать требуемое значение прочности, основные характеристики компонентов бетонной смеси (активность и плотность цемента, фракция щебня, применение определенных добавок и т.д.). По входным данным определяется количественный состав смеси (количество цемента, песка, щебня, воды, химической добавки). Внешний вид окна подбора состава тяжелого бетона показан на рис. 2.

С помощью модуля «Корректировка состава» можно откорректировать состав бетонной смеси с учетом влажности песка и щебня. Для состава с добавкой корректировка осуществляется с учетом концентрации и плотности приготовляемого раствора. Внешний вид окна корректировки состава тяжелого бетона показан на рис. 3.

Также в модуль корректировки состава бетона входят: расчет фактического расхода компонентов на 1 м3 бетонной смеси и расчет расхода материалов на один замес бетоносмесителя [4].

Алгоритмы корректировки состава бетонной смеси включают зависимости, с помощью которых корректируются при исходных условиях соответствующие смесе-вые параметры, пересчитывается состав бетонной смеси и устанавливается необходимое изменение дозировок на производственный замес. Коррекция состава смеси производится за счет количественного перераспределения заполнителей таким образом, чтобы разница между прогнозируемым и заданным значениями прочности бетона была не более 5 %.

Рис. 1. Внешний вид главного окна приложения

Рис. 2. Внешний вид окна подбора состава тяжелого бетона

Корректировка состава

Файл Справка Состав

г без добавок <* с добавками

Влажность песка, % Влажность щебня, % [I

Расход сухих компонентов, кг

Цемент 367,9

Вода 139

Песок 609,9

Щебень 1325,8

Добавка 0,7

Расчет

Очистка

Фактический расход на 1 куб, м |

Концентрация добавки, %

20

Плотность раствора добавки

Расход с учетом влажности, кг

Цемент 367,9

Вода 105,4

Песок 628,2

Щебень 1339,1

Добавка 2,5

Расход на замес бетоносмесителя

Рис. 3. Внешний вид окна корректировки состава тяжелого бетона

С помощью модуля «Прогнозирование свойств» можно определить прочность, плотность и другие свойства бетона, а также провести технико-экономический анализ состава. В расчетах используются зависимости, полученные в ходе экспериментальных исследований. Фрагмент окна прогнозирования свойств бетона показан на рис. 4.

Для прогнозирования свойств бетона были проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены уравнения регрессии, отражающие зависимость свойств бетона (прочность, плотность и др.) от различных факторов.

Так, например, уравнения прочности при сжатии тяжелого бетона без добавок и с добавкой суперпластификатора, соответственно, выглядят следующим образом:

Rсж=-262,6+2,44хr1053,4х2+ +1131,8х3+6,6х1х2-8,2х1х3, Rсж=-517,1+5,28х1-858х2+1062х3+ +353 х4+5,2х1х2-8,4х1х3-3х1х4, где х1 - количество воды, л; х2 - водоцемент-ное отношение смеси; х3 - соотношение по массе между песком и щебнем; х4 - количество добавки, % от массы цемента.

Для вывода уравнений регрессии использовался модуль «Планирование эксперимента» созданной системы автоматизированного проектирования состава бетона. Полученные уравнения регрессии использовались для расчета состава бетона.

Модуль «Планирование эксперимента» предназначен для математического моделирования процесса проектирования состава бетонной смеси с использованием метода полного факторного эксперимента. Составляется матрица планирования эксперимента

для заданных факторов, по введенным экспериментальным данным автоматически составляется уравнение регрессии и производится оценка его адекватности. Полученные уравнения регрессии применяются для прогнозирования свойств бетона. Внешний вид окна планирования эксперимента показан на рис. 5.

Заключение

Созданная система автоматизированного проектирования состава бетонных смесей обеспечивает: возможность прогнозирования требуемых параметров качества бетона и их высокую степень однородности уже на стадии проектирования его состава; сокращение сроков и повышение эффективности процесса проектирования и, как следствие, повышение качества бетона при его промышленном производстве на предприятиях строительной индустрии.

Библиографический список

1. ГОСТ 27006-86. Бетоны. Правила подбора состава. - М.: Издательство стандартов, 1987. - 12 с.

2. Санькова Т.А., Чулкова И.Л. Проблемы автоматизированного проектирования строительных конгломератов. / Вестник Сибирской автомобильно-дорожной академии. Выпуск 5. - Омск, 2007. - С. 117-120.

3. СНиП 3.06.04-91. Мосты и трубы. Приложение 4. - М.: Издательство стандартов, 1991. - 45 с.

4. Т.А. Санькова. Автоматизация процесса проектирования состава бетона. / Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2008. - Вып. 5. - Ч. 1. С. 280-285.

Рис. 4. Фрагмент окна прогнозирования свойств бетона

Рис. 5. Внешний вид окна планирования эксперимента

THE AUTOMATED CALCULATION OF

STRUCTURE OF CONCRETE AND FORECASTING OF ITS PROPERTIES

I.L. Chulkova, T.A. San'kova

Authors consider problems of designing of concrete mixture and the created system of the automated designing of structure of concrete is described. In article results of some experi-

mental researches of dependence of durability of concrete from the various factors, used for forecasting properties of concrete for stages of his designing are resulted.

Рецензент: В.А. Алексашенко, профессор академии военных наук, доктор технических наук.

Статья поступила 20.02.2008 г.

УДК 625.75+536.2

АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

В.Н. Шестаков, доктор технических наук, профессор СибАДИ А.Н. Шестаков, научный сотрудник

Аннотация. Для минимизации энтропийного фактора в расчетах параметров технологической теплофизики асфальтобетонных смесей предложена методика аналитического расчета их теплофизических коэффициентов.

Введение

Точность теплофизических расчетов в значительной мере определяется погрешностями в назначении соответствующих коэффициентов материала, которые соотносятся между собой следующим образом:

Х = аср; в = л]Лср ,

где X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м0С); а - коэффициент температуропро-

2

водности, м/с; с - удельная теплоемкость,

0 3

кДж/(кг С); р - плотность, кг/м ; в - коэффициент тепловой активности, Втс0,5/(м0С).

Асфальтобетонная смесь представляет собой сложную систему, состоящую из твердых полидисперсных, кристаллических и аморфных частиц, битума, воды и газообразной среды. Строгое аналитическое описание процесса переноса тепла в такой стохастически неоднородной системе связано со значительными

трудностями. Поэтому в расчетах температурных полей АБ смеси используется феноменологическая теория теплопроводности, в которой смесь рассматривается как квазиоднородная изотропная с теплофизическими характеристиками, осредненными в пределах физически достаточно большого объема.

Экспериментальные данные по теплофи-зическим свойствам смесей, полученные в прошлом веке противоречивы, т.к. не всегда приводятся составы асфальтобетонных смесей и свойства их компонентов. Приведенные в статье [1] данные о зависимости коэффициента теплопроводности асфальтобетона от его плотности не позволяют их использовать в практических расчетах, т.к. при одинаковой плотности различие в коэффициенте составляет более чем в два раза. Исходные положения Теплофизические свойства асфальтобетонной смеси в общем случае зависят от зернового состава минеральной части и ее минералогической структуры, дозировки битума, остаточной пористости. В процессе укладки и уплотнения смеси ее коэффициент уплотнения поэтапно увеличивается следующим образом: предварительный (рабочие органы асфальтоукладчика или легкие катки) - 0,7...0,85; промежуточный (средние катки) - 0,85.0,92; заключительный (тяжелые катки) - 0,92.1,0. При этом, в зависимости от вида асфальтобетона его остаточная пористость должна составлять для: высокоплотных от 1,0 до 2,5 %; плотных св. 2,5 до 5 %; пористых св. 5,0 до 10 %; высокопористых св. 10 до 18 %. [2]

Теплофизические коэффициенты минеральной части асфальтобетонных смесей изменяются в широком диапазоне (табл. 1).

Зависимость теплофизических свойств асфальтобетонных смесей от температуры линейна и практически не существенна. Так, например, изменение на 10С смеси составляет для коэффициента теплопроводности -ДХ=0,25.0,29-10"2 Вт/(м0С) Плотность асфальтобетонных смесей в зависимости от плотности зерен минеральной части, ее пористости и дозировки битума

изменяется от 1500 до 1800 в рыхлонасыпном состоянии до 2100-2600 кг/м3 в уплотненном.

Рассматриваемая методика аналитического расчета коэффициента теплопроводности X использует математическую модель, являющуюся развитием результатов В.И. Оделевского и К. Лихтенеккера [3]. При этом асфальтобетонная смесь рассматривается как многокомпонентная изотропная механическая гетерогенная смесь с замкнутыми включениями.

Методика аналитического расчета

Введем обозначения: Х^ п - соответственно коэффициенты теплопроводности, объемные концентрации компонент асфальтобетонной смеси; I = 1,2,3,4,5. Нумерация компонент смеси: битум - 1, минеральный порошок - 2, песок - 3, щебень - 4, воздух -5; для пятой компоненты используют эквивалентные обозначения: Х5=Хв, п5= пв.

Продемонстрируем методику расчета [4] на примере смеси со значениями компонентов, приведенными в табл.2.

1. Объемные концентрации компонент смеси вычисляются по формуле

П = dipi -; г = 1,2...4;

п5 = х = пъ = 1 -

В общем случае (для произвольного п5 = х) для величины п(х) рассчитываются по формуле

пг (х) = (1 - Фг0 ;

щ = щ (п1 + п2 + п3 + п4)-1; i = 2.4;

4

2 пг (х) = (1 - х)£ п + X = 1;

0 < х < 1.

Объемные концентрации п|0 соответствует предельному частному случаю п5 = х = 0, а дозировки di(x)= рвп(х).

2. ^ Относительные объемные концентрации п* в системе «минеральные компоненты» и = 2,3,4) вычисляются по формуле: п*= п°(п20+п30+п4у =

= П(х)[П2(х) +Пз(х) +П4(х)]1

4

п2*=0,059; п3*=0,235; п4*=0,706; 2п* = 1.

Значения теплофизических коэффициентов компонент смесей

Таблица 1

г=1

г=2

Компонент АБ смесей Р-10"3, кг/м3 X, Вт/(м0С) с, кДж/(кг0С) Примечания'

Минеральная часть Битум Воздух 1,20.3,40 0,97.1,03 0,0012 1,25.4,00*' 0,17 0,028.0,034^ 0,840.0,970 1,880*> 1,010 В зависимости от породы При 100 0С от 50 0С до 150 0С

3. Относительные коэффициенты теплопроводности составляют (табл.2):

у = М-1;

V = 10,00; V = 13,33;у3 = 20,00

а объемная доля всей минеральной части:

пМ0 = 1 - п1° = 1 - 0,133 = 0,867. (6) 4. Последовательно для i = 2, 3, 4 вычисляем частные значения коэффициента теплопроводности смеси для случая

П5 = х = 0:

л= а1\ + пм0 [

Л2 = 0,988; Л3 = 1,188; Л4 = 1,493.

5. Вычисляем Л0 = Л0 для случая П5 = х = 0:

4

Л0 = П

г = 2

6. Вычисляем

А = /

при Л0 = 1; п5 = х:

V = Ав • А-1 = 0,022 ; V = Ув;

/(V,х)=[(1 -х) + хИ3I5;

х = 0..Д5.

Результаты расчета / = АА--1 приведены в табл.3.

Точное значение V можно заменять приближенным V = 0,02 с погрешностью расчета по этому параметру не более 1%; в случае приближения V = 0 получим погрешность около 3%.

7. Вычисляем итоговое значение коэффициента тепловодности Л=Л по формуле (см. табл. 3):

А = А0/

8. Вычисляем плотность р(х):

р(х) = (1 - х р + ХР5 = (1 - х р

4

р0 = £ п°А .

г=1

9. Вычисляем удельную теплоемкость смеси:

4

р0-1 £ п,0 (р с, ) = 957,5

Дж

.

г-1

Из формулы (12) следует выражение объемной теплоемкости смеси

4

ср0 = £ п (р с);

г=1

при п5 = 0 :

ср0 = 2382

кДж

Исходные данные для расчета

Таблица 2

Параметры Компонент -i

1-битум 2-мин.пор. 3-песок 4-щебень 5-воздух

кг р*г — м 1100 2700 2700 2700 0

7 кг ^ — м 143 135 540 1620 0

Пг 0,13 0,05 0,20 0,60 0,02

Вт г,( м-0 С) 0,15 1,50 2,00 3,00 0,03

кДж С, (кг-0 С) 1,88 0,90 0,90 0,90 0

Таблица 3

Результаты расчетов

Параметры X = n5 = ne

0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,05 0,02 0

кг Р — м 1244 1493 1741 1990 2239 2363 2438 2488

f 0,396 0,502 0,615 0,737 0,865 0,932 0,972 1

. Вт Л,( м•0 С ) 0,547 0,693 0,850 1,018 1,195 1,287 1,343 1,381

кДж 0ГЛ (м • С) 1191 1429 1667 1906 2144 2263 2334 2382

2 а • 106, ^ с 0,459 0,485 0,510 0,534 0,557 0,569 0,575 0,580

_ 2 Вт • е0 5 б-10-2, ( м2 •0 С ) 8,07 9,95 11,91 13,92 16,00 17,06 17,71 18,14

Согласно результатам расчета (см.табл.3) теплофизические коэффициенты смеси по мере ее уплотнения от коэффициента уплотнения 0,51 до 1,02 возрастают практически линейно.

Заключение

• для минимизации влияния энтропийного фактора в расчетах параметров технологической теплофизики асфальтобетонных смесей рекомендуется использовать изложенную методику позволяющую объективно оценивать значения теплофизических коэффициентов;

• изложенная методика обобщается на случай влажного асфальтобетона в талом и мерзлом состояниях путем введения в расчетную схему компонент вода и лед с соответствующими характеристиками.

Библиографический список

1. Шестаков А.Н., Туякова А.К., Шестаков В.Н. Аналитическая модель коэффициента теплопроводности композитных строительных смесей. Научные труды ИСИ, вып.1, Омск. Изд-во СибАДИ, 2005.- С.23 - 27.

2. Технологическое обеспечение качества асфальтобетонных покрытий: методические рекомендации. В.Н.Шестаков, В.Б. Пермяков, В.М. Во-рожейкин, Г.Б. Старков. - 2-е изд. с доп. и изм. -Омск: ОАО Омский дом печати, 2004.- 256 с.

3. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композитных материалов: Справочная книга. Л.: Энергия, 1974.- 264 с.

4. Шестаков А.Н., Шестаков В.Н. Методика расчета теплофизических коэффициентов асфальтобетонных смесей в технологическом процессе. Инженерная защита окружающей среды в транс-портно-дорожном комплексе: Сб. науч. тр./МАДИ(ГТУ); УФ МАДИ(ГТУ). М-2003- С.136-142.

THE ANALYTICAL CALCULATION OF THE ASPHALT MIXES

HEATPHYSICAL COEFFICIENTS DURING THE TECHNOLOGICAL PROCESS

V.N. Shestakov, A.N. Shestakov,

For the minimization of the entropie factor in the calculation of the technological heatphysic parameters of the asphalt mixes the method of the analytical calculation of their heatphysic coefficients is proposed.

Рецензент: В.Б. Пермяков, доктор технических наук, профессор, СибАДИ.

Статья поступила 21.02.2008 г.