Эффективный мелкозернистый бетон с комплексной органо-минеральной добавкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат наук Танг Ван Лам

• Танг Ван Лам
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Танг Ван Лам

СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОПЫТА СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ

1.1. Предпосылки использования модифицированных мелкозернистых бетонов

1.2. Мировой опыт применения модифицированных мелкозернистых бетонов и их использование во Вьетнаме

1.2.1. Мировой опыт

1.2.2. Опыт Вьетнама

1.3. Научные основы создания модифицированных мелкозернистых бетонов

1.3.1. Формирование структуры модифицированного мелкозернистого бетона

1.3.2. Повышения прочности цементного камня и зоны контакта между заполнителем и цементным камнем

1.3.3. Добавки

1.3.4. Дисперсно-волокнистые микроармирующие наполнители

1.4. Предпосылки использования модифицированных мелкозернистых бетонов для строительства метро и других подземных сооружений

1.4.1. Опыт мирового метростроения

1.4.2. Строительство метро в г. Ханой

1.4.3. Строительство метро в г. Хошимин

1.4.4. Преимущества применения модифицированных мелкозернистых бетонов при строительстве подземных сооружений

1.5. Перспективы развития технологии модифицированных мелкозернистых бетонов

1.6. Выводы по главе

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Методы исследований

2.1.1. Рентгенофазовый анализ

2.1.2. Электронно-микроскопический анализ

2.1.3. Метод инфракрасной спектроскопии

2.1.4. Метод термогравиметрического анализа

2.1.5. Метод фотоколориметрического анализа

2.1.6. Определение гранулометрического состава порошкообразных материалов

2.1.7. Метод поглощения активной минеральной добавкой извести из известкового раствора

2.2. Методы определения технологических характеристик мелкозернистых бетонных смесей и физико-механических и эксплуатационных показателей бетонов на их основе

2.2.1. Определение удобоукладываемости мелкозернистых бетонных смесей

2.2.2. Определение средней плотности бетонной смеси и бетона

2.2.3. Определение водопоглощения и водонепроницаемости бетонных образцов

2.2.4. Определение пористости бетонных образцов

2.2.5. Определение прочности бетонных образцов на сжатие и на растяжение при изгибе

2.2.6. Определение стойкости бетонных образцов к коррозии выщелачивания и коррозии под действием растворов сульфатов, кислот и солей

2.2.7. Определение деформаций бетонных образцов в жидкой сульфатной среде

2.2.8. Определение деформаций усадки бетонных образцов

2.2.9. Определение прочности сцепления нового бетонного слоя с поверхностью ранее уложенного бетона

2.2.10. Исследование плотности структуры мелкозернистых бетонов

2.2.11. Определение стойкости мелкозернистых бетонов к поверхностной эрозии под действием грунтовых вод, содержащих твердые взвешенные частицы

2.2.12. Определение уровня защищенности от коррозии стальной арматуры в бетоне

2.3. Сырьевые материалы для получения модифицированного мелкозернистого бетона

2.3.1. Вяжущее вещество

2.3.2. Тонкодисперсные минеральные компоненты

2.3.3. Мелкозернистый заполнитель

2.3.4. Суперпластификатор

2.3.5. Дисперсно-волокнистая микроармирующая добавка

2.3.6. Вода затворения

2.4. Математические методы планирования эксперимента для оптимизации состава модифицированного мелкозернистого бетона

2.4.1. Объекты планирования эксперимента

2.4.2. Построение математической модели планирования эксперимента

2.4.3. Ортогональное центральное композиционное планирование 2ого порядка Бокса-Уильсона

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СОСТАВА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

3.1. Принципы проектирования модифицированного мелкозернистого бетона, армированного тонкодисперсными волокнами

3.2. Определения предварительного состава мелкозернистого бетона, модифицированного органо-минеральными добавками и тонкодисперсными микроармирующими волокнами

3.2.1. Получение золы рисовой шелухи и ее механоактивация в лабораторных

условиях во Вьетнаме

3.2.1.1. Влияние продолжительности механоактивации золы рисовой шелухи на изменение площади удельной поверхности ее частиц

3.2.1.2. Влияние продолжительности механоактивации золы рисовой шелухи на

растворимость аморфного кремнезема

3.2.2. Определения предварительного состава мелкозернистой бетонной смеси для получения модифицированного мелкозернистого бетона

3.3. Применения метода математического планирования эксперимента для оптимизации состава модифицированного мелкозернистого бетона

3.3.1. Изучение влияния входных факторов на целевые функции с помощью планирования 1ого порядка

3.3.2. Исследование почти стационарной области в экспериментальном планировании 1ого порядка

3.3.3. Подбор оптимального состава модифицированного мелкозернистого бетона с помощью ортогонального центрального планирования 2ого порядка

3.3.4. Поиск максимального значения регрессионного уравнения 2ого порядка и подбор оптимального состава модифицированного мелкозернистого бетона

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЫРЬЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ НА СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

4.1. Подбор состава сырьевой смеси для получения модифицированного мелкозернистого бетона

4.2. Опеределение технологических показателей мелкозернистых бетонных смесей разработанных составов

4.3. Исследование физико-механических свойств и эксплуатационных показателей разработанных мелкозернистых бетонов

4.4. Исследование влияния тонкодисперсных активных минеральных добавок на состав продуктов гидратации методом рентгенофазового анализа

4.5. Исследование влияния комплексных органо-минеральных модифицирующих добавок на особенности фазового состава цементного камня методом термогравиметрического анализа

4.6. Исследование адгезионных свойств разработанных мелкозернистых бетонов, плотности их структуры, стойкости к коррозии, поверхностной эрозии, к деформациям усадки и в жидкой сульфатной среде

4.6.1. Исследование стойкости образцов из мелкозернистых бетонов к коррозии выщелачивания и коррозии под действием растворов кислот и солей

4.6.2. Определение деформации мелкозернистых бетонов в жидкой сульфатной среде

4.6.3. Определение деформаций усадки исследованных мелкозернистых бетонов

4.6.4. Исследование прочности сцепления нового бетонного слоя, нанесенного на поверхность ранее уложенного бетона

4.6.5. Исследование плотности структуры разработанных мелкозернистых бетонов с использованием метода проницаемости ионов хлора

4.6.6. Исследование стойкости модифицированных мелкозернистых бетонных бразцов к поверхностной эрозии в водной среде

4.6.7. Влияние исследованных модифицирующих добавок на защищенность от коррозии стальной арматуры в модифицированных мелкозернистых бетонах

4.7. Уход за твердеющим мелкозернистым бетоном

4.8. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВО ВЬЕТНАМЕ

5.1. Применение модифицированного мелкозернистого бетона при строительстве транспортных тоннелей, других подземных сооружений и для укрепления откосов строительных котлованов и склонов слабых грунтов методом торкретирования

5.2. Технологическая схема получения модифицированного мелкозернистого бетона и его использование в жарких и влажных климатических условиях Вьетнама

5.3. Расчет экономической эффективности применения разработанного модифицированого мелкозернистого бетона на основе местных сырьевых материалов Вьетнама

5.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акт внедрения результатов исследований в ОАО «Инвестиции и

Строительство (АСВ A CHAU)»

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Акт об использовании мелкозернистой бетонной смеси разработанного состава для укрепления откосов котлована при строительстве высотного

здания «Hinode City» в г. Ханой

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Список публикаций автора по теме диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность темы диссертации

В настоящее время в восьмимиллионном Ханое - столице Социалистической Республики Вьетнам (СРВ), реализуется масштабная программа развития городской транспортной инфраструктуры, включающая строительство автомагистралей и прокладку большого числа линий метрополитена и городских железных дорог, которые требуют сооружение значительного количества тоннелей и других подземных объектов с использованием мелкозернистых бетонных смесей методом торкретирования [1 - 3].

Высокий темп промышленного развития СРВ требует большого количества электроэнергии, основным источником которой в настоящее время являются теплоэлектростанции (ТЭС), работающие на угле, что объясняется имеющимися существенными природными запасами [4 - 6]. В результате ежегодно образуется значительное количество топливных золо-шлаковых отходов, в том числе, зол-уноса ТЭС (ЗУ), ухудшающих экологическую ситуацию в стране и требующих утилизации, тем более, что ограниченная площадь территории не позволяет использовать земельные ресурсы для их захоронения. Другим многотоннажным отходом является зола рисовой шелухи (ЗРШ), только часть которой в настоящее время используется в качестве малоэффективного удобрения в сельском хозяйстве. По этой причине проблема рациональной утилизации ЗУ и ЗРШ во Вьетнаме злободневна и, учитывая их высокую пуццоланическую активность благодаря значительному содержанию аморфного кремнезема, эффективным способом ее решения является использование указанных зол в составе минеральных вяжущих веществ, а также в качестве тонкодисперсных активных минеральных добавок в бетоны и строительные растворы, позволяющих заменить импортные и поэтому дорогие микрокремнезем и высокоактивный метакаолин, с целью связывания свободного гидроксида кальция (СН) в менее растворимые и реакционно способные низкоосновные гидросиликаты кальция (CSH). Поэтому, использование во Вьетнаме местных топливной ЗУ и ЗРШ для получения эффективного мелкозернистого бетона (МЗБ) представляется актуальным и перспективным [7 - 12].

Решение проблемы - получение высокопрочного и коррозионностойкого МЗБ из преимущественно местных для Вьетнама сырьевых материалов для строительства и ремонта подземных сооружений может быть осуществлено созданием уплотненной и упрочненной структуры цементного камня за счет совместного влияния комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки (ОМД) (водоредуцирующий поликарбоксилатный суперпластификатор (ВПС) + тонковолокнистый микроармирующий полимерный наполнитель (ТМПН) +

механоактивированная ЗРШ), введенной в мелкозернистую бетонную смесь, и низкокальциевой (кислой) топливной ЗУ, входящей в состав вяжущего.

Работа выполнена в рамках реализации программ Правительства СРВ «План транспортного развития столицы Ханоя до 2020 года» [13], «Генеральный план по развитию производства строительных материалов во Вьетнаме до 2020 года» [14] и «Утилизация несгоревших материалов и использование золы, шлака и гипса - отходов работы тепловых электростанций и химических заводов» [15].

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ (НИР) ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», а также с планом НИР Министерства строительства Социалистической Республики Вьетнам и Института строительной науки и технологии Вьетнама.

2. Степень разработанности темы

При работе над диссертацией был проведен анализ научных, патентных и нормативных источников. Была обобщена литература по строительному материаловедению, теоретическим и экспериментальным исследованиям модифицирования структуры мелкозернистого бетона, проектированию составов мелкозернистых бетонных смесей и их применению методом торкретирования, накопленному мировому и вьетнамскому опыту использования мелкозернистого бетона при строительстве и ремонте транспортных тоннелей и других подземных сооружений с учетом местных условий известных в данных областях ученых, работы которых, посвященные указанным вопросам, имеют большую научную значимость. Однако, вопросы получения эффективных мелкозернистых бетонов с модифицированной структурой, обладающих высокой прочностью и коррозионной стойкостью, на преимущественно местном для Вьетнама сырье с использованием многотоннажных зольных отходов пока изучены недостаточно, а исследования влияния включения низкокальциевой (кислой) золы новой ТЭС «Вунг Анг» в состав вяжущего на состав и структуру цементного камня мелкозернистого бетона не проводились.

3. Цель исследования

Целью диссертационной работы является научное обоснование технологического решения, обеспечивающего получение эффективного мелкозернистого бетона для подземного строительства на основе вяжущего, состоящего из портландцемента и низкокальциевой золы-уноса ТЭС «Вунг Анг», в результате модификации структуры бетона комплексной органо-минеральной модифицирующей добавкой.

4. Задачи исследования

Достижение поставленной цели диссертационной работы предполагает решение следующих научных и практических задач:

1. Обосновать возможность получения высокопрочного и коррозионностойкого мелкозернистого бетона с плотной структурой, высокой водонепроницаемостью, незначительной усадкой и водопоглощением, используя преимущественно местные для Вьетнама сырьевые материалы, включая многотоннажные зольные отходы, за счет модификации структуры бетона комплексной органо-минеральной добавкой, состоящей из водоредуцирующего поликарбоксилатного суперпластификатора, механоактивированной золы рисовой шелухи, заменяющей микрокремнезем, и полипропиленовой фибры, а также путем включения в состав вяжущего низкокальциевой золы-уноса новой ТЭС «Вунг Анг», пригодного для строительства и ремонта подземных сооружений.

2. Оптимизировать с помощью методов математического планирования эксперимента и регрессионного анализа составы вяжущего, состоящего из цемента и низкокальциевой топливной золы-уноса ТЭС «Вунг Анг», комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки и получаемого на их основе мелкозернистого бетона.

3. Исследовать влияние модифицирования структуры мелкозернистого бетона на основе разработанного вяжущего из портландцемента и золы-уноса ТЭС «Вунг Анг» с помощью комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки, состоящей из суперпластификатора, полипропиленовой фибры и механоактивированной золы рисовой шелухи, на его физико-механические свойства и эксплуатационные показатели.

4. Разработать рекомендации по производству эффективного мелкозернистого бетона на основе разработанных вяжущего и комплексной органо-минеральной добавки, дать технико-экономическое обоснование целесообразности его приненения во Вьетнаме для строительства и ремонта подземных сооружений.

5. Объект исследования

Объект исследования - технология получения и применения эффективного мелкозернистого бетона, модифицированного комплексной органо-минеральной добавкой, уплотняющей и микроармирующей его структуру.

6. Предмет исследования

Предмет исследования - эффективный высокопрочный и коррозионностойкий мелкозернистый бетон с плотной структурой и незначительной усадкой, изготовленный на основе разработанной технологии.

7. Научная новизна работы

1. Установлен синергетический эффект от введения в мелкозернистую бетонную смесь на вяжущем из портландцемента и золы-уноса в соотношении 2:1 комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки (1% поликарбоксилатного суперпластификатора Глениум Асе 388, 1,5%

полипропиленовой фибры и 10% механоактивированной золы рисовой шелухи в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя с высокой пуццоланической активностью), заключающийся в формировании цементного камня с пониженным содержанием портландита (менее 14%) и структуры мелкозернистого бетона с минимальной пористостью (не более 7%), обеспечивающей 10%-ный прирост прочности на сжатие и на растяжение при изгибе, высокую стойкость к сульфатной, кислотно-солевой и коррозии выщелачивания, снижение усадки после 56-суточных испытаний на 62%, водопоглощения на 26%, повышение водонепроницаемости на 32% и прочности сцепления с ранее уложенным бетоном на 24%, за счет водоредуцирующего действия суперпластификатора, микроармирования бетона фиброй и уплотнения его структуры низкоосновными гидросиликатами кальция, образующимися при связывании аморфным кремнеземом, содержащимся в золе рисовой шелухи и золе-уноса, гидроксида кальция цементного камня.

2. Выявлено, что измельчение золы рисовой шелухи в вибромельнице приводит к ее механоактивации и повышению пуццоланической активности: установлено нелинейное увеличение растворимости в водно-щелочной среде аморфного кремнезема, содержащегося в золе, с повышением ее удельной поверхности, зависящей от продолжительности помола. На ИК-спектрах механоактивированной золы рисовой шелухи выявлено снижение интенсивности полосы поглощения с волновым числом 619 см-1, характерной для кристаллических фаз диоксида кремния, свидетельствующее об аморфизации поверхности частиц золы.

8. Теоретическая и практическая значимость работы:

- дополнены теоретические представления о формировании параметров структуры композиционного минерального вящущего, включающего портландцемент, низкокальциевую (кислую) золу-уноса и комплексную органо-минеральную модифицирующую добавку, состоящую из водоредуцирующего поликарбоксилатного суперпластификатора, микроармирующей полипропиленовой фибры и механоактивированной золы рисовой шелухи. Сформированный искусственный камень из указанного композиционного минерального вяжущего обладает повышенной плотностью структуры и низком содержанием портландита;

- разработан модифицированный мелкозернистый бетон (ММЗБ) плотной структуры с пористостью не более 7%, содержанием портландита в цементном камне, не превышающим 14%, с прочностью на сжатие 78,5 МПа и на растяжение при изгибе 7,17 МПа в возрасте 28 суток нормального твердения, водонепроницаемостью 1,6 МПа, высокой стойкостью к различным видам коррозии (выщелачивания, кислотно-солевой, сульфатной) и поверхностной эрозии в водной среде, низким водопоглощением 2,5% по массе, незначительными усадочными деформациями, не превышающими 0,052% после 56-суточных испытаний, хорошим сцеплением с ранее уложенным бетоном и высоким уровнем защищенности стальной арматуры

от коррозии из преимущественно местного для Вьетнама сырья путем использования комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки разработанного состава;

- разработан и экспериментально опробован метод определения прочности сцепления нового бетонного слоя с поверхностью ранее уложенного бетона, который иммитирует усилия сдвига, оказываемые железнодорожными и метропоездами в ходе их движения и торможения в тоннелях;

- разработано и опробовано на практике технологическое решения изготовления мелкозернистой бетонной смеси с использованием комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки, позволяющей получить мелкозернистого бетона с модифицированной структурой, обладающий требуемыми свойствами для его применения при строительстве и ремонте транспортных тоннелей и укрепления откосов строительных котлованов и склонов слабых грунтов при проведении земляных работ в условиях жаркого и влажного климата Вьетнама.

9. Методология и методы исследования

Методологической основой исследования являются теоретические и эмпирические методы, базирующиеся на обобщении, сравнении, эксперименте, методах системного подхода, математического моделирования, планирования и обработки результатов экспериментов. Работа выполнена с применением методологических основ системно-структурного подхода строительного материаловедения «состав-структура-свойства». Экспериментальные исследования проводились на лабораторных образцах, изготовленных и испытанных на поверенном оборудовании по действующим нормативным документам РФ и СРВ с применением современных методов анализа: электронно-микроскопического, рентгенофазового, фотоколориметрического, термогравиметрического, инфракрасной спектроскопии, лазерной гранулометрии и химического анализа.

10. Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование возможности получения эффективного мелкозернистого бетона плотной структуры, обладающего требуемыми физико-механическими свойствами и эксплуатационными показателями и предназначенного для строительства и ремонта подземных сооружений, за счет синергетического эффекта, достигаемого при модификации структуры бетона комплексной органо-минеральной добавкой разработанного состава, состоящей из водоредуцирующего суперпластификатора, микроармирующей полипропиленовой фибры и заменяющей дорогой импортный микрокремнезем механоактивированной золы рисовой шелухи - тонкодисперсного минерального наполнителя с высокой пуццоланической активностью, зависящей от оптимальной продолжительности ее помола в вибромельнице, приводящего к увеличению удельной поверхности и растворимости кремнезема в результате

аморфизации поверхности частиц золы, а также включения в состав вяжущего низкокальциевой (кислой) золы-уноса, уплотняющих структуру бетона и связывающих свободный гидроксид кальция в результате пуццолановой реакции в низкоосновные гидросиликаты.

2. Результаты оптимизации составов вяжущего, состоящего из портландцемента и низкокальциевой золы-уноса ТЭС «Вунг Анг», комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки и получаемого на их основе мелкозернистого бетона, произведенной с помощью методов математического планирования эксперимента и регрессионного анализа.

3. Экспериментальные зависимости влияния разработанной комплексной добавки-модификатора, а также низкокальциевой золы-уноса ТЭС «Вунг Анг» в составе вяжущего на основные физико-механические свойства и эксплуатационные показатели мелкозернистого бетона.

4. Технологическое решение получения разработанного мелкозернистого бетона и результаты оценки эффективности его практического апробирования во Вьетнаме.

11. Степень достоверности результатов

Высокая достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается обоснованным выбором современных методов исследования, проведением экспериментальных работ с использованием исследовательского и испытательного оборудования с достаточной воспроизводимостью результатов, применением стандартных методик, обеспечивающих достаточную точность полученных результатов с вероятностью не менее 95%, в том числе большим объемом проведенных экспериментальных исследований, необходимым числом повторных испытаний и применением математических статистических методов обработки и оптимизации полученных результатов, их сопоставлением с результатами других авторов и положительными результатами практической апробации и опытно-промышленного внедрения разработанного эффективного мелкозернистого бетона, модифицированного комплексной органо-минеральной добавкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффективный мелкозернистый бетон с комплексной органо-минеральной добавкой»

12. Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертационной работы были доложены на международных конференциях:

- XIX Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 27-29 апреля 2016 г., г. Москва, Российская Федерация;

- Collection of Scientific Works the 50th Anniversary of the Establishment of Department "Construction of Underground and Mining", 2016, October 10-13, Hanoi, Vietnam;

- International Conferences on Earth Sciences and Sustainable Georesources Development. Session "Advances in Mining and Tunneling" (ICAMT 2016), 2016, November 12-15, Hanoi, Vietnam;

- International Scientific Conference "High-Rise Construction-2017" (HRC-2017), 2017, September 4-8, Samara, Russian Federation;

- VI Международная научная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (IPICSE-2018), 14-16 ноября 2018 г., г. Москва, Российская Федерация.

13. Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 8 работ в редактируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 3 работы в зарубежных изданиях, индексируемых в Scopus.

14. Внедрение результатов исследования

Практическая апробация разработанного мелкозернистого бетона была проведена в Центре высоких технологий и в лабораториях кафедры «Технологии строительных материалов» Ханойского строительного университета, а также в лаборатории Строительного факультета Ханойского горно-геологического университета и показала эффективность применения разработанной комплексной добавки-модификатора, состоящей из суперпластификатора, механоактивированной золы рисовой шелухи и полипропиленовой фибры, для получения мелкозернистого бетона на основе вяжущего с использованием низкокальциевой (кислой) золы-уноса ТЭС «Вунг Анг», обладающего плотной структурой, высокой прочностью на сжатие и на растяжение при изгибе, хорошей водонепроницаемостью и стойкостью к коррозии, а также низкими усадочными деформациями.

В период с 1 января по 20 февраля 2018 года были изготовлены две опытные партии мелкозернистой бетонной смеси оптимального разработанного состава, общим объемом 13 м3, которые были использованы строительной организацией ОАО «Инвестиции и Строительство (АСВ A CHAU)» для обустройства свода и стен автодорожного тоннеля через перевал Ку Монг и укрепления склонов слабых грунтов в ходе строительства шоссе между городами Бинь-динь и Фу-йен на севере Вьетнама, а также строительной фирмой ОАО «Gia Khanh» для укрепления откосов котлована при строительстве высотного здания «Hinode City» в г. Ханое. Строительные работы были выполнены с надлежащим качеством и в короткие сроки благодаря быстрому схватыванию бетонной смеси из-за низкого водо-вяжущего отношения, сопровождались незначительным пылеобразованием и снижением потерь из-за отскока (рикошета) при торкретировании на 15% по сравнению с ранее использованными мелкозернистыми бетонными смесями.

Экономический эффект достигается за счет использования местных сырьевых материалов, позволяющих заменить в составе комплексной органо-минеральной модифицирующей добавки дорогой импортный микрокремнезем механоактивированной золы рисовой шелухи в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя с высокой пуццоланической активностью при сохранении физико-механических свойств и экслуатационных показателей модифицированного мелкозернистого бетона на требуемом уровне.

15. Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в изучении теоретических и экспериментальных основ с целью разработки вяжущего, содержащего низкокальциевую (кислую) топливную золу-уноса, а также комплексной ОМД для модификации структуры МЗБ путем сочетания минеральных и органических компонентов, включая зольные отходы и тонковолокнистый микроармирующий наполнитель; в планировании и непосредственном проведении экспериментальных исследований; статической обработке полученных экспериментальных данных; анализе и обобщении результатов исследования; оптимизации состава МЗБ-смеси для получения ММЗБ с требуемыми физико-механическими свойствами и эксплуатационными показателями; в проведении работы по практическому использованию результатов диссертационного исследования при опытной апробации разработанного материала и технико-экономическом обосновании эффективности применения ММЗБ разработанного состава, а также в подготовке публикаций в периодических научно-технических изданиях и докладов на научных конференциях по теме диссертационной работы на основе полученных результатов проведенных исследований.

16. Соответствие паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует п.7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности» паспорта научной специальности 05.23.05 «Строительные материалы и изделия».

17. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, включает 61 таблицы, 92 рисунка и фотографии и список литературы из 194 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОПЫТА СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ

1.1. Предпосылки использования модифицированных мелкозернистых бетонов

Объем использования бетона и железобетона в современном строительстве достигает 4 млрд. м3 в год [7, 16 - 18].

Их широкое применение объясняется объективными факторами, главными из которых являются:

- уникальность физико-механических и эксплуатационных показателей, удовлетворяющих требованиям зданий и сооружений для разных видов строительства;

- возможность удовлетворять различные архитектурные требования;

- практически неисчерпаемые запасы природного с помощью местного сырья с возможностью замены его сельскохозяйственными и промышленными отходами;

- сравнительно низкая энергоемкость исходных компонентов и технологических процессов изготовления конструкций на основе бетонов и железобетонов;

- благоприятные технико-экономические показатели производства и применения бетона и железобетона конструкций по сравнению с другими строительными материалами.

Поэтому и в XXI веке бетон и железобетон остаются и одними из наиболее важных строительных материалов.

Современный модифицированный мелкозернистый бетон является очень важным и практически незаменимым строительным материалом. Получаемые с помощью современных технологий мелкозернистые бетоны могут иметь прочность на сжатие от 0,3 до 150 МПа, среднюю плотность в диапазоне 200 ^ 2800 кг/м3 [19] и обладать рядом специальных свойств, необходимых в соответствии с их назначением. Такие бетоны широко используют при строительстве метро, транспортных тоннелей, высотных зданий, большепролетных мостов, подземных сооружений и многих других строительных объектов.

1.2. Мировой опыт применения модифицированных мелкозернистых бетонов и их

использование во Вьетнаме

1.2.1. Мировой опыт

Одним из основных свойств модифицированного мелкозернистого бетона является высокая прочность на сжатие. Причем, наибольшая прочность бетона достигается путем качественного подбора состава сырьевой композиции и выбором рациональной технологии его получения.

Начиная с середины ХХ века, среднее значение прочности на сжатие у высокопрочных бетонов последовательно увеличивалось 35 до 50 ^ 80 МПа и в последние годы до 150 МПа [16, 20].

Для получения бетона высокой прочности нужно создать плотную, однородную и, желательно, тонкозернистую структуру. Этого можно достигнуть при выполнении ряда условий, вытекающих из физических основ структурообразования бетона [17, 19, 21]:

- применением высококачественных вяжущих и заполнителей с хорошим качеством;

- предельно низким водо-цементным (В/Ц) отношением;

- высоким предельно допустимым содержанием портландцемента;

- применением суперпластификаторов и комплексных минеральных добавок, способствующих получению плотной микроструктуры бетона;

- особо тщательным перемешиванием и уплотнением бетонной смеси;

- созданием наиболее благоприятных условий при гидратации цемента в процессе твердения бетонов.

По данным Ю.М. Баженова [21] для высокопрочных бетонов следует применять цементы с активностью более 50 МПа и желательно с низкими значениями нормальной густоты. Кроме того, в зависимости от назначения бетона для его приготовления целесообразно использовать различные портландцементы определенного минералогического состава.

В последнее время все шире применяются бетонные смеси без крупных заполнителей, в том числе и мелкозернистые бетонные смеси для получения модифицированных бетонов с высокой прочностью. Переход к мелкозернистым бетонам (МЗБ) позволяет создавать виды новых бетонов с улучшенной структурой. Мелкозернистые бетоны, не содержащие крупного заполнителя, нашли широкое применение при изготовлении тонкостенных железобетонных конструкций, армоцементных изделий, кладочных растворов и др. [22, 23 - 25].

Значительный прогресс в разработке составов, исследовании свойств и возможных областей применения МЗБ в промышленном, гражданском и транспортном строительстве принадлежит Н.М. Красиникову, X. Морену, А.М. Шейнину и другим ученым [26 - 28].

В последние годы в строительстве все больше применяются различные виды мелкозернистых бетонов. При этом, их использование для изготовления изделий различного назначения зачастую требует применение специфических технологических приемов приготовления бетонных смесей, а также способов формования и ухода за бетоном. Большую роль в разработке технологии и исследовании эксплуатационных характеристик разных видов мелкозернистых бетонов сыграли работы Ю.М. Баженова, а также его коллег и учеников: Л.А. Алимова, В.В. Воронина, В.Г. Батракова, Г.А. Добролюбова, А.В. Ферронской и др. [18, 22, 23, 29, 30].

МЗБ рационально использовать для изготовления железобетонных изделий при строительстве в тех районах, где отсутствуют щебень и гравийно-песчаная смесь.

Разработанные в последние годы различные технологические приемы (использование микронаполнителей из отходов металлургической, топливно-энергетической и камнеобрабатывающей промышленности, химических добавок и др.) [31, 32] позволяют получить мелкозернистые бетоны с расходом цемента, не превышающим требования норм для обычных тяжелых бетонов с крупным заполнителем. С применением МЗБ созданы новые эффективные тонкостенные конструкции, армированные стальными тканными сетками или дисперсно-армированные отрезками проволоки, а также волокнами органического и минерального происхождения.

Особую разновидность МЗБ составляют строительные растворы: кладочные, штукатурные, отделочные и ремонтные [23, 33, 34].

В таких бетонах, как правило, обязательно применение эффективных комплексных добавок, позволяющих уменьшить водопотребность смеси и усадку бетона. Мелкозернистые бетоны весьма технологичны, т.к. мелкозернистые бетонные смеси легко перекачиваются пневмонасосами, а также обладают высокой однородностью и долговечностью.

В своей работе Ю.М. Баженова [21] отмечает, что мелкозернистая структура обладает множеством преимуществ, основными из которых являются:

- возможность получения МЗБ с однородной тонкодисперсной высокопрочной микроструктурой;

- повышенная удобоукладываемость бетонных смесей к транспортабельности и использованию на строительную площадку;

- возможность формирования изделий и конструкций на основе модифицированных бетонов различными методами: экструзией, литьем, торкретированием, штампованием, прессованием и др.;

- возможность получения материалов различного назначения с заданными комплексами свойств;

- возможность получения специальных бетонов, таких как: гидроизоляционные, электропроводящие, декоративные, фибробетоны, армоцемент и др.;

- возможность широко использовать местные сырьевые материалы и, как правило, более низкая себестоимость в сравнении с бетоном на обычных крупных заполнителях;

- многофункциональность, т.е. на одном и том же цементе и заполнителе лишь с помощью различных добавок, корректировки дозировок компонентов и технологических приемов можно получить различные виды бетонов.

Модифицированная МЗБ-смесь имеет более однородную структуру, а также легче поддается различным технологическим переделам. Это дает возможность получать изделия и конструкции различного назначения с требуемыми эксплуатационными показателями. Для

получения мелкозернистых бетонов, обладающих нужными свойствами, широко используют волокнистые микроармирующие наполнители и добавки-модификаторы (супер- и гиперпластификаторы, микрокремнезем, метакаолин, топливную золу-уноса и золу, образующуюся при сжигании рисовой шелухи, а также местное сырье и промышленные отходы) [25, 35 - 39].

В работах [19, 21] приведена технологическая схема приготовления МЗБ смесей для последующего получения модифицированных мелкозернистых бетонов с помощью комплексных органо-минеральных добавок (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Технологическая схема приготовления мелкозернистых бетонных смесей для получения ММЗБ на основе композиционных цементных систем

Для получения модифицированных мелкозернистых бетонов используют заполнители с крупностью зерен 0,14 ^ 5 мм. Наиболее часто в качестве заполнителей употребляют природный кварцевый или искусственный песок [40]. Согласно исследованию [41], тонкодисперсные пески способствуют улучшению поровой структуры мелкозернистых бетонов. Кроме того, в качестве мелкого заполнителя используют отходы камнеобработки и производства огнеупоров, шлаки плотной и пористой структуры, керамзитовый и перлитовый песок, пиритные огарки и др. [17, 19, 21, 34, 42 - 45].

Как и в крупнозернистом бетоне высокой прочности в ММЗБ возможно применение различных видов армирования и использование дисперсно-волокнистых микроармирующих наполнителей в виде стальных, полимерных, углеродных, щелочестойких стеклянных и базальтовых волокон [19, 46 - 51].

В последние годы модифицированные мелкозернистые бетоны получили широкое распространение при строительстве речных и морских гидросооружений [52, 53], создании дорожных [26, 31, 54 - 57] и аэродромных покрытий [6, 22, 28, 58], изгибаемых изделий [46], предварительно напряженных железобетонных подрельсовых конструкций [24], в жилищном

строительстве [59], а также при строительстве различных современных сооружений [8], например, большепролетных мостов, небоскребов, подземных мини-городов и др. (таблицы 1.1 и 1.2).

Таблица 1.1 - Мировой опыт строительства большепролетных мостов с использованием модифицированных мелкозернистых бетонов

Название моста Место строительства Год завершения строительства Длина пролета, м Прочность ММЗБ на сжатие, МПа

Уиллоус Торонто, Канада 1967 48,2 41,37

Хьюстон Техас, США 1981 228,6 41,37

Сан Диего Калифорния, США 1969 42,7 41,37

Паско-Кеннуик Интерсити Вашингтон, США 1978 299,0 41,37

Халтингтон Вирджиния, США 1984 274,3 55,16

Нитта Япония 1968 29,9 58,61

Фулкамитсу Япония 1974 25,9 68,95

Аккагава Япония 1976 45,7 78,60

Таблица 1.2 - Мировой опыт строительства высотных зданий с использованием модифицированных мелкозернистых бетонов

Название высотного Место Год завершения Количество Прочность ММЗБ

здания строительства строительства этажей на сжатие, МПа

Texas Commerce Tower Хьюстон, США 1981 75 51,71

SE.Finamcial Center Майами, США 1982 53 48,26

Royal Bank Plaza Торонто, Канада 1975 43 61,47

Water Tower Place Чикаго, США 1975 79 62,87

Columbia Center Сиэтл, США 1983 76 66,36

Interfirst Plaza Даллас, США 1983 72 76,84

311 S.Wacker Drive Чикаго, США 1998 70 83,82

Two Union Square Сиэтл, США 1987 62 97,79

Используя дисперсно - волокнистые микроармирующие наполнители, компания «Буигес

Лафарж Рходиа» (Англия) разработала состав высококачественного мелкозернистого бетона, получившего название «Дуктал» (Ductal) и имеющего следующие основные характеристики [8, 25]:

- ультра - высокая прочность на сжатие;

- высокие прочности на осевое растяжение и на растяжение при изгибе, а также модуль упругости;

- очень высокая долговечность;

- хорошая формуемость и простота в использовании;

- высокое качество образующейся поверхности.

Высокопрочный мелкозернистый бетон «Дуктал» был использован при строительстве следующих зданий и сооружений (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Здания и сооружения, при строительстве которых был использован бетон «Дуктал»

Название сооружения Страна Годы постройки

Шербрукский пешеходный мост Канада 1997

АЭС «Каттеном» Франция 1997 ^1998

Мостовые переходы через реку Seonyu Корея 2001 -^2002

Музей Королевы София Мадрид, Испания 2003

Мост «Shepherds» Австралия 2003 -^2004

Электростанция «Eraring» Австралия 2004

Железнодорожный вокзал «Papatoetoe» Новая Зеландия 2005

Большое число исследований в области бетонов, в том числе и мелкозернистых, посвящено использованию в качестве тонкодисперсных минеральных добавок, обладающих высокой пуццоланической активностью, микрокремнезема [8, 25, 60, 61] или высокоактивного метакаолина [62] как индивидуально, так и в смеси с тонкоизмельченными золошлаковыми отходами [33, 63], поскольку известно, что одним из эффективных методов активизации минеральных добавок помимо механоактивации, которая увеличивает их гидравлическую или пуццоланическую активность и одновременно усиливает «эффект микронаполнителя» в цементных системах, а также способствует процессу зародышеобразования гидросиликатных фаз, что и обеспечивает повышение прочности бетона, также является применение смеси нескольких активных добавок [64].

Существенным недостатком низкокальциевых зол-уноса по сравнению с микрокремнеземом и высокоактивным метакаолином является то, что их моноприменение из-за более низкой пуццоланической активности приводит к снижению прочности и коррозионной стойкости бетона, так как в них содержится меньше амфорного кремнезема и больше кристаллических форм диоксида кремния в виде кварца и муллита. Поэтому кислую золу-уноса целесообразно применять в смеси с другими тонкодисперсными активными минеральными добавками, обладающими большей пуццоланической активностью. В работах [37, 65 - 67] обосновывается возможность замены дорогого и импортного для Вьетнама микрокремнезема золой в составе комплексных органо-минеральных модификаторов бетона, в результате чего можно получить мелкозернистые бетоны с прочностью на сжатие 40 ^ 60 МПа и высокой водонепроницаемостью ^16). Кроме того, использование для получения ММЗБ вторичных техногенных продуктов в виде отходов промышленности и энергетики способствует улучшению экологической ситуации [31, 32, 34, 35, 38, 68, 69].

В связи с вышеизложенным представляется весьма актуальным и перспективным продолжение исследований в указанном направлении с целью замены импортных и поэтому дорогих микрокремнезема или метакаолина на более доступные и дешевые тонкодисперсные минеральные добавки из местного вторичного сырья, обладающие высокой пуццоланической активностью, например, на механоактивированную золу рисовой шелухи, сохраняя на требуемом уровне физико-механические свойства и эксплуатационные показатели ММЗБ.

1.2.2. Опыт Вьетнама

В работах вьетнамских ученых [9, 70 - 71] приводится классификация бетонов на основе их главного физического свойства-прочности на сжатие (таблица 1.4).

Таблица 1.4 - Классификация бетонов по прочности на сжатие в возрасте 28 суток

Свойства Рядовые бетоны Высокопрочные бетоны Сверхвысокопрочные бетоны

Прочность на сжатие, МПа < 70 70 - 150 >150

В/Ц > 0,45 0,3 - 0,45 < 0,25

Химические добавки - Пластификаторы и суперпластификаторы Супер- и гиперпластификаторы

Тонкодисперсные минеральные добавки - ЗУ МК

Коэффициент воздухопроницаемости (см/с) > 10-10 10-12 - 10-10 < 10-12

В последние годы во Вьетнаме наблюдается повышенный интерес в области научных исследований и практического применения ММЗБ, который объясняется необходимостью удовлетворять растущие потребности современного строительства. Основными областями применения ММЗБ являются специальное строительство, возведение высотных зданий и большепролетных мостов (рисунки 1.2, 1.3 и таблица 1.5), строительство морских и подземных сооружений различного назначения [9, 70, 72 - 76].

Рисунок 1.2 - Строительство Мавзолея Рисунок 1.3 - Строительство моста

Хо Ши Мин в г. Ханой в 1975 г. «Нят Тан» в 2009 - 2015 гг.

Таблица 1.5 - Практический опыт применения ММЗБ во Вьетнаме

Название строительного объекта Место строительства Год завершения строительства Высота, м Прочность ММЗБ на сжатие, МПа

Мавзолей Хо Ши Мин г. Ханой 1975 22 45

Башня «Keangnam HaNoi Landmark» г. Ханой 2011 336 50 - 60

Финансовая Башня «Bitexco» г. Хошимин 2010 262,5 40 - 60

Башня «Алмазный Цветок» г. Ханой 2013 177 40 - 60

Мэрия города Дананг г. Дананг 2014 166,9 50 - 60

Гостиница «Мыонг Тхань» г. Нья Чанг 2015 166,1 40 - 50

Мост «Нят Тан» г. Ханой 2015 - 40 -70

Мост «Винь Туи» г. Ханой 2010 - 40 - 60

Мост «Бай Чай» г. Куанг Нин 2006 - 40 - 50

В работах [77, 78] анализируется накопленный опыт использования торкрет-бетона при строительстве транспортных тоннелей в различных районах Вьетнама (рисунки 1.4, 1.5 и 1.6).

Рисунок 1.4 - Прокладка автодорожного Рисунок 1.5 - Сооружение тоннеля Тху Тхием в тоннеля через перевал Ка в 2012 г. г. Хошимин в 2011 г.

Рисунок 1.6 - Прокладка автодорожного тоннеля через перевал Ку Монг в 2018 г.

В научных центрах Ханойского транспортного университета в первом десятилетии XXI века проводились многочисленные научно-исследовательские работы, в результате которых были получены высококачественные мелкозернистые бетоны, армированные стальными, полимерными и другими видами дисперсно-волокнистых микронаполнителей [74, 79, 80].

Согласно исследованиям [3, 81 - 84] использование ММЗБ с прочностью на сжатие 40 ^ 70 МПа весьма эффективно при строительстве тоннелей метро и на предприятиях горнодобывающей промышленности.

В работах [6, 85] сообщается о разработке составов высококачественных мелкозернистых бетонов для аэродромных покрытий с прочностью на сжатие 100 МПа, содержащих полипропиленовые дисперсно-волокнистые микроармирующие наполнители. Кроме того, для получения ММЗБ во Вьетнаме широко используются различные золы и шлаки, генерируемые промышленностью и сельским хозяйством (зола рисовой шелухи, золы-уноса тепловых электростанций, металлургические шлаки и другие золошлаковые отходы) [74, 86]. Однако, свойства ММЗБ все еще изучены не до конца и это обстоятельство сдерживает их более широкое применение в строительстве.

1.3. Научные основы создания модифицированных мелкозернистых бетонов

Бетоны представляют собой многокомпонентные композиционные гетерогенные материалы, состоящий из трех основных фаз [19, 70, 87]:

- цементного камня, образующегося в результате затвердевания цементного теста;

- заполнителя;

- переходной зоны контакта между заполнителем и цементным камнем.

Разрушение бетонов под действием нагрузки происходит, как правило, в зоне ослабленной структуры, присутствующей в одной из этих трех фаз и, по этой причине, обладающей наименьшей

прочностью или сопротивляемостью к деформациям. Поэтому, чтобы получить прочный и качественный бетон надо уплотнить и упрочнить его структуру.

1.3.1. Формирование структуры модифицированного мелкозернистого бетона

Процесс формирования структуры бетона включает несколько этапов: выбор сырья и добавок, проектирование состава, приготовление, укладка и уплотнение бетонной смеси, ее схватывание и твердение бетона. При этом, для получения качественной структуры необходимо активное управление структурообразованием бетона на всех технологических переделах.

В работе [19] показано, что наибольшее влияние на свойства бетона оказывают структура цементного камня, а также структура переходной зоны контакта между заполнителем и цементным камнем.

Заметное влияние на структуру и свойства бетона оказывает заполнитель. Введение заполнителя, особенно крупного, огрубляет структуру, делает ее более крупнозернистой, приводит к росту вероятности появления дефектов, в первую очередь, в контактной зоне между заполнителем и цементным камнем, вызывающих снижение прочности бетона.

МЗБ, содержащие комплексные органо-минеральные модификаторы структуры и дисперсно-волокнистые микроармирующие наполнители, имеют более плотную структуру и обладают большей прочностью, чем бетоны с крупнозернистой структурой, в том числе и из-за присутствия в составе модифицирующих добавок ультрадисперсных частиц, заполняющих поры в цементном камне. Это обеспечивает значительное повышение качества бетонов, их эксплуатационной надежности и долговечности.

В технологии модифицированных бетонов необходимо выполнять условия, обеспечивающие получение структуры бетона с требуемой плотностью. Для этого необходимо решить следующие задачи[17]:

- применение высокопрочных композиционных вяжущих веществ и заполнителей;

- предельно низкое В/Ц отношение, обеспечивающее высокую первоначальную плотность структуры;

- правильный подбор соотношения различных сырьевых материалов твердой фазы и заполнителя, позволяющий получить более плотную микроструктуру бетона;

- применение комплексных органо-минеральных добавок, способствующих повышению плотности, за счет управления процессом структурообразования;

- введение наноматериалов (микрокремнезем и механоактивированная зола рисовой шелухи) для улучшения межфазового взаимодействия и упрочнения контактной зоны контакта между заполнителем и цементным камнем;

- тщательное перемешивание и качественное уплотнение бетонной смеси для обеспечения ее гомогенизации с целью создания благоприятных условий взаимодействия сырьевых составляющих и достижения однородности формирующейся структуры бетона;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Танг Ван Лам, 2019 год

- -—

/У —а—ЗУ/Ц = 0,4 —о— ЗУ/Ц = 0.45 —

& / л/^

—*—..'¡У/Ц 0.5 —Т— ЗУ/Ц 0.55 —(—ЗУ/Ц = 0.6

14

28

Возраст твердения, сутки Рисунок 3.2 - Кинетика твердения МЗБ-образцов (В/Ц= 0,38; С388/Ц = 0,01 и П/Вяж = 1,0, где Вяж=Ц+ЗУ) Исходные соотношения сырьевых компонентов по массе в мелкозернистой бетонной смеси, выбранные для проектирования состава ММЗБ в результате проведенных исследований и анализа научно-технической литературы, приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Соотношения использованных сырьевых материалов

Отношения В Ц П (*) ПМ ЗУ Ц ЗРШ Ц С388 Ц ПТВ Ц ВВ

Величина 0,38 1,0 0,5 0,1 0,01 0,015 2%

Примечание. (*>ПМ = Ц+ЗУ+ЗРШ.

По результатам проведенных испытаний водопотребность разработанного вяжущего, состоящего из портландцемента и золы-уноса ТЭС «Вунг Анг» в соотношении ЗУ/Ц = 0,5, для получения цементного теста нормальной густоты составила 31,6%.

3.2.1. Получение золы рисовой шелухи и ее механоактивация в лабораторных условиях во

Вьетнаме

Использованная в данной диссертации зола рисовой шелухи (ЗРШ) была получена из рисовой шелухи - отхода обработки риса, выращенного на севере Вьетнама. Рисовая шелуха сушилась и затем сжигалась в лабораторной печи при температуре 8000С с последующим быстрым охлаждением и измельчением полученного продукта в вибрационной мельнице в течение от 30 мин. до 2 ч. для получения механоактивированной золы рисовой шелухи в виде тонкого порошка. Схема процесса получения и механоактивации золы рисовой шелухи представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Технологическая схема получения механоактивированной ЗРШ

из рисовой шелухи

Эффективность механоактивации золы рисовой шелухи в зависимости от продолжительности помола с точки зрения повышения ее пуццоланической активности можно оценить совокупностью действия двух факторов:

- экстенсивного - увеличением площади удельной поверхности частиц ЗРШ;

- интенсивного - ростом растворимости в водно-щелочной среде содержащегося в ней аморфного кремнезема.

3.2.1.1. Влияние продолжительности механоактивации золы рисовой шелухи на изменение

площади удельной поверхности ее частиц

Средний размер частиц золы рисовой шелухи и площадь их удельной поверхности, а также гранулометрический состав без механоактивации и после механоактивации в течение от 30 до 120 мин. путем ее помола в вибрационной мельнице, определенные с помощью лазерного анализатора частиц «Coulter LS Particle Size Analyzer», приведены в таблице 3.4 и на рисунке 3.4.

Таблица 3.4 - Физические характеристики золы рисовой шелухи

Средний Удельная

Зола рисовой шелухи размер частиц, поверхность,

мкм м2/г

ЗРШ без механоактивации (ЗРШ- 0) 7,782 9,567

ЗРШ, механоактивированная в течение 30 мин. (ЗРШ-30) 3,966 13,014

ЗРШ, механоактивированная в течение 60 мин. (ЗРШ-60) 2,854 14,480

ЗРШ, механоактивированная в течение 90 мин. (ЗРШ-90) 2,880 14,465

ЗРШ, механоактивированная в течение 120 мин. (ЗРШ-120) 2,897 14,455

о; 01 од I ю юо

Диаметр частил, ыкм

|--'зрш- 0 —а— 5рш-30 —5рш-60 5иц-90—*—5рш-120

Рисунок 3.4 - Гранулометрический состав ЗРШ- 0, ЗРШ - 30, ЗРШ - 60, ЗРШ - 90 и ЗРШ - 120

На основе полученных экспериментальных результатов (таблица 3.4, рисунок 3.4) можно сделать вывод, что наименьший размер частиц золы рисовой шелухи, а следовательно их наибольшая удельная поверхность достигаются при длительности помола в течение 60 мин. Более продолжительный помол в течение 90 и 120 мин. не приводит к дальнейшему уменьшению размеров частиц золы, что можно объяснить их агрегатированием.

3.2.1.2. Влияние продолжительности механоактивации золы рисовой шелухи на растворимость аморфного кремнезема

С помощью фотоколориметрического метода было изучено влияние продолжительности механоактивации золы рисовой шелухи на растворимость содержащегося в ней аморфного кремнезема.

Для этого по полученным результатам определения оптической плотности градуировочных растворов, представленным в таблице 3.5, строили градуировочный график зависимости оптической плотности от массы растворенного оксида кремния, изображенный на рисунке 3.5. Таблица 3.5 - Оптическая плотность градуировочных растворов и растворов золы рисовой шелухи

с различной продолжительностью механоактивации

Точка на градуировочном графике А Б В Г Д

Оптическая плотность градуировочных растворов 0 0,092 0,195 0,255 0,450

Оптическая плотность растворов золы рисовой шелухи ЗРШ-0 ЗРШ-30 ЗРШ-60 ЗРШ-90 ЗРШ-120

0,175 0,205 0,230 0,225 0,215

0.000 0,005 0.010 0,015 0.020 0,025 0,030 0,035 0,040 0.045 0,050

Масса оксида кремния, мг

Рисунок 3.5 - Градуировочный график зависимости оптической плотности от содержания в

растворе оксида кремния Таблица 3.6 - Масса пробы в зависимости от содержания оксида кремния

Массовая доля оксида кремния, % Масса навески, г

Свыше 40 до 50 включительно 0,15

Свыше 50 до 70 включительно 0,10

Свыше 70 до 85 включительно 0,07

На основе данных таблицы 3.6 [127] навески золы рисовой шелухи с различной длительностью механоактивации массой 0,07 г, взвешенные с точностью до 0,0001 г, помещали в мерные колбы вместимостью 250 см3 с пришлифовальными стеклянными пробками, доливали до метки раствор гидроокиси натрия с концентрацией 100 г/дм3 и оставляли на 30 суток для растворения содержащегося в ЗРШ аморфного кремнезема. Дальнейшие операции выполняли по разделу 2.1.3 второй главы.

0:030 -,-

ЗРШ-0 ЗРШ-ЗО ЗРШ-60 ЗИП-» ЗРШ-120 Образцы золы рисовой шелухи

Рисунок 3.6 - Масса растворенного оксида кремния в образцах золы рисовой шелухи с различной продолжительностью механоактивации

На основе результатов определения оптической плотности полученных растворов ЗРШ, измеренной на фотоэлектроколориметре IMPACT 410-NIC0LET-FTIR (таблица 3.5), с помощью градуировочного графика, изображенного на рисунке 3.5, было определено содержание в мг растворенного аморфного оксида кремния в образцах золы рисовой шелухи с различной продолжительностью механоактивации, представленное на рисунке 3.6.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что растворимость аморфного кремнезема зависит от длительности механоактивации золы рисовой шелухи путем ее помола в вибрационной мельнице. При этом, максимальная растворимость оксида кремния наблюдается у ЗРШ-60.

Таким образом, опытным путем было установлено, что продолжительность помола золы рисовой шелухи в течение 60 мин. является оптимальной и именно такая механоактивированная ЗРШ - 60 была использована на следующих этапах диссертационной работы.

Для подтверждения правильности сделанного вывода было проведено определение пуццоланической активности золы рисовой шелухи с помощью метода поглощения извести из известкового раствора активной минеральной добавкой [121, 128]. Для сравнения параллельно определяли пуццоланическую активность использованных в работе золы-уноса (ЗУ) ТЭС «Вунг Анг» и микрокремнезема (МК).

Экспериментальные результаты определения пуццоланической активности МК, ЗУ и механоактивированной золы рисовой шелухи с различной продолжительностью активации представлены в таблице 3.7 и на рисунке 3.7.

Таблица 3.7 - Пуццоланическая активность минеральных добавок, определенная по

поглощению Са(ОН)2 из известкового раствора (мг Са(ОН)2 / г активной минеральной добавки)

Продолжительность испытаний, сут. ЗУ МК ЗРШ-0 ЗРШ-30 ЗРШ-60 ЗРШ-90 ЗРШ-120

2 21,7 62,4 14,8 21,3 42,0 44,4 40,2

4 28,2 85,7 17,6 39,7 67,5 58,2 53,6

6 35,6 100,3 21,3 47,1 92,4 74,4 74,9

8 46,7 125,1 23,1 52,2 106,3 89,2 90,1

10 57,8 151,6 25,9 60,1 117,8 101,2 103,0

12 64,7 164,7 30,5 66,1 126,6 111,8 112,7

14 67,9 186,8 37,4 77,2 136,3 121,1 122,9

16 77,2 197,5 42,5 92,0 143,2 129,8 130,3

18 83,6 224,5 55,0 102,6 151,6 139,5 138,2

20 93,8 240,6 62,8 107,7 158,5 147,4 146,9

22 100,7 271,7 66,5 114,6 167,7 156,2 154,3

24 105,4 292,4 70,2 123,8 175,6 162,7 161,3

26 108,6 311,3 72,5 126,6 181,6 169,1 167,3

28 111,8 318,9 75,3 130,3 190,3 172,8 170,5

30 113,7 325,8 76,7 134,5 196,7 175,6 172,4

Рисунок 3.7 - Пуццоланическая активность исследованных активных минеральных добавок

В результате проведенных исследований было установлено, что зола рисовой шелухи характеризуется высокой пуццоланической активностью, которая зависит от продолжительности ее механоактивации и становится максимальной после 60-минутного помола ЗРШ в вибрационной мельнице.

Таким образом, можно сделать вывод, что 60-минутый помол золы рисовой шелухи в вибрационной мельнице является оптимальным по совокупности влияния экстенсивного и интенсивного факторов повышения ее пуццоланической активности, так как экспериментальными путем установлено, что именно такая продолжительность механоактивации приводит одновременно к получению наиболее дисперсных частиц золы и к максимальной растворимости содержащегося в ней аморфного кремнезема.

Для проверки предположения о аморфизации поверхности частиц золы рисовой шелухи, происходящей в результате ее помола в вибромельнице, был использован метод ИК-спектроскопии. Полученные ИК-спектры золы рисовой шелухи с различной продолжительностью механоактивации

Волновое число, I

представлены на рисунках 3.8-3.12. Рисунок 3.8 - ИК-спектр ЗРШ-0

Рисунок 3.9 - ИК-спектр ЗРШ-ЗО

Рисунок 3.11 - ИК-спектр ЗРШ-90

Рисунок 3.10 - ИК-спектр ЗРШ-60

Рисунок 3.12 - ИК-спектр ЗРШ-120

На представленных ИК-спектрах золы рисовой шелухи (рисунки 3.8-3.12) видно, что присутствие кремнеземистой составляющей подтверждается появлением интенсивных полос поглощения в интервале низких частот 510^1520 см-1 [183- 185]. Полоса поглощения в интервала 510^520 см-1 отвечает деформационным колебаниям силоксановых связей, а выраженные полосы поглощения в интервалах 788^884 см-1 и 1071^1098 см-1 характерны соответственно для симметричных и асимметричных валентных колебаний указанных связей. Снижение интенсивности полосы поглощения 619^621 см-1, характерной для кристаллических фаз диоксида кремния, на ИК-спектрах механоактивированной ЗРШ по сравнению с ЗРШ-0 свидетельствует об аморфизации поверхности частиц золы в результате ее измельчения в вибромельнице.

3.2.2. Определения предварительного состава мелкозернистой бетонной смеси для получения модифицированного мелкозернистого бетона

На основании приведенных выше данных был выполнен расчет предварительного состава мелкозернистой бетонной смеси, предназначенной для получения МЗБ заданной прочности,

содержащего органо-минеральные модифицирующие добавки, результаты которого представлены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 - Предварительный состав мелкозернистой бетонной смеси для получения модифицированного мелкозернистого бетона

№ пп Исходные материалы Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси

кг л

1 Портландцемент типа ЦЕМ I 42,5 Н завода «Бут Сон» (Вьетнам) 616 196,8

2 Низкокальциевая зола-унос ТЭС «Вунг Анг» 308 130,5

3 Кварцевый песок реки Ло (Вьетнам), Mk = 3,1 986 376,3

4 Механоактивированная зола рисовой шелухи 62 26,8

5 Полипропиленовые тонкодисперсные волокна производства фирмы «Mega Mesh» (Малайзия) 9 10

6 Суперпластификатор ACE 388 «SureTec» 6 5,6

7 Вода затворения 234 234

8 Вовлеченный воздух - 20

Всего: 2221 1000

Далее, с помощью метода математического планирования эксперимента и компьютерных программ Matlab и Maple 13 была проведена оптимизация состава мелкозернистой бетонной смеси, предназначенной для получения ММЗБ (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 - Планирование эксперимента для оптимизации состава мелкозернистого бетона

3.3. Применения метода математического планирования эксперимента для оптимизации состава модифицированного мелкозернистого бетона

Математический метод планирования эксперимента направлен на создание математических эмпирических

х,

моделей, изображающих влияние входящих переменных * факторов на физико-механические свойства *

(Входы)

проектируемого мелкозернистого бетона, Л- *

рассматриваемых в качестве выходящих целевых Рисунок 3.14 - Структура

функций (рисунок 3.14) [98, 173 - 175]. экспериментальной системы

Определение целевых функций для описания эмпирических моделей. В качестве выходящих целевых функций экспериментальной модели были выбраны:

- Yl - подвижность мелкозернистой бетонной смеси ф, мм);

- Y2 - прочность на сжатие образцов-кубов из ММЗБ размером 100x100x100 мм в возрасте 28 суток нормального твердения ^28ммзб, МПа).

В качестве входных переменных факторов, влияющих на плотность и прочность ММЗБ, а также на подвижность бетонной смеси, были выбраны расходы сырьевых ингредиентов: Ц, В, П, ЗУ, ЗРШ, суперпластификатора АСЕ 388 (С388) и полипропиленовых тонкодисперсных волокон (ПТВ).

3.3.1. Изучение влияния входных факторов на целевые функции с помощью планирования

1ого порядка

1. Выбор входных факторов, влияющих на плотность, прочность и долговечность ММЗБ

Чтобы уменьшить количество экспериментов, расходы ЗРШ, С388 и ПТВ в результате проведенных экспериментальных исследований и анализа научно-технической литературы были выбраны постоянными и равными, соответственно, 10%, 1% и 1,5% от массы цемента. В виде входных факторов, влияющих на подвижность мелкозернистой бетонной смеси и прочность на сжатие ММЗБ, были выбраны (таблица 3.9):

В

- Х1 - отношение — в пределах от 0,36 до 0,40;

Ц

ЗУ

- Х2 - отношение- в пределах от 0,45 до 0,55;

Ц

- Х3- отношение П в пределах от 0,8 до 1,2.

ПМ

Таблица 3.9 - Уровни входных факторов и интервалы их варьирования для планирования 1ого порядка

Входные факторы Уровни варьирования Интервал варьирования 5

В натуральном виде В виде переменных - 1 0 + 1

В Ц Х1 0,36 0,38 0,40 0,02

ЗУ Ц Х2 0,45 0,50 0,55 0,05

П ПМ Х3 0,8 1 1,2 0,2

Число необходимых опытов N в планировании первого порядка определяется по формуле

(3.3):

N = 2к = 23 = 8, (3.3)

где к = 3 - количество входных факторов.

Составы модифицированных мелкозернистых бетонов, рассчитанные с помощью метода ортогонального центрального планирования 1ого порядка, приведены в таблице 3.10, а значения подвижности бетонных смесей и прочности бетонов на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения (при температуре 25 ± 5 0С и влажности 95%) - в таблицах 3.11 и 3.12.

Таблица 3.10 - Составы ММЗБ, рассчитанные по методу ортогонального центрального

планирования 1ого порядка

№ В виде переменных В натуральном виде Составы бетонных смесей, кг/м3

п/п х1 х2 х3 ц| В ЗУ П ПМ Ц ЗУ ЗРШ П В С388 ПТВ

1 +1 +1 +1 0,40 0,55 1,2 551 303 55 1092 221 5,51 8,27

2 -1 +1 +1 0,36 0,55 1,2 564 310 56 1117 203 5,64 8,46

3 +1 -1 +1 0,40 0,45 1,2 580 261 58 1079 232 5,80 8,70

4 -1 -1 +1 0,36 0,45 1,2 594 267 59 1105 214 5,94 8,91

5 +1 +1 -1 0,40 0,55 0,8 643 353 64 848 257 6,43 9,64

6 -1 +1 -1 0,36 0,55 0,8 660 363 66 871 238 6,60 9,90

7 +1 -1 -1 0,40 0,45 0,8 675 304 67 837 270 6,75 10,12

8 -1 -1 -1 0,36 0,45 0,8 694 312 69 860 250 6,94 10,41

Таблица 3.11 - Подвижность мелкозернистых бетонных смесей

№ п/п В натуральном виде Подвижность D, мм Ошибки 2 дисперсии S i

В Ц ЗУ П ПМ Dl D2 Dз Унср =Diср Dli (^С - уи)2

1 0,40 0,55 1,2 95 100 95 96,667 103,96 53,193 8,333

2 0,36 0,55 1,2 90 90 95 91,667 83,54 66,043 8,333

3 0,40 0,45 1,2 105 100 105 103,333 103,96 0,393 8,333

4 0,36 0,45 1,2 85 85 80 83,333 83,54 0,043 8,333

5 0,40 0,55 0,8 115 120 120 118,333 116,88 2,112 8,333

6 0,36 0,55 0,8 80 80 75 78,333 96,46 328,576 8,333

7 0,40 0,45 0,8 120 125 125 123,333 116,88 41,646 8,333

8 0,36 0,45 0,8 105 105 110 106,667 96,46 104,176 8,333

Мах S2 = 8,333 Х(- _ 596,181 _ 66,667

Таблица 3.12 - Прочность на сжатие образцов ММЗБ в возрасте 28 суток

№ п/п В натуральном виде Прочность на сжатие R28ммзБ, МПа Ошибки дисперсии Si2

В Ц ЗУ Ц П ПМ R2 Rз Y2iср =R2iср Я ОЕ - Y2i)2

1 0,40 0,55 1,2 65,2 66,0 64,4 65,20 65,49 0,08 0,64

2 0,36 0,55 1,2 70,4 71,2 70,8 70,80 69,97 0,68 0,16

3 0,40 0,45 1,2 64,4 64,8 64,0 64,40 65,49 1,19 0,16

4 0,36 0,45 1,2 69,6 71,6 70,4 70,53 69,97 0,31 1,01

5 0,40 0,55 0,8 62,2 62,6 62,4 62,40 61,41 0,99 0,04

6 0,36 0,55 0,8 67,6 66,8 64,8 66,40 65,89 0,26 2,08

7 0,40 0,45 0,8 61,8 61,6 62,0 61,80 61,41 0,16 0,04

8 0,36 0,45 0,8 63,2 64,4 64,4 64,00 65,89 3,57 0,48

Мах S2 = 2,08 ХС -Y2i)2 _7,24 _4,61

2. Проверка воспроизводимости опытов

Гипотезу о воспроизводимости опытов (об однородности дисперсий) проверяли с помощью критерия Кохрена ^расс). Расчетное значение критерия Кохрена вычисляли по формуле (3.4):

г _ тш^2

^исс _ ^ s2 (3.4)

Критическое значение критерия Кохрена Gкр = Gа(fl, f2) находили по таблице 4.36 распределения Кохрена [178] в зависимости от значений:

- степеней свободы числителя й = к - 1= 3 - 1= 2;

- знаменателя = N = 8;

- уровня значимости а = 0,05.

Тогда: Gкр = 0,5157.

Учитывая значения подвижности мелкозернистой бетонной смеси, получаем:

с2 8 333

§ 2 = У Б? = 66,667 и махБ2 = 8,333 ^ Оюсс = = = °,125

11 ^ 1 расс У Б? 66,667

и Gрасс = 0,125 < Gкр = 0,5157. Следовательно, гипотеза об однородности дисперсий принимается.

Учитывая значения прочности на сжатие образцов из модифицированного мелкозернистого бетона в возрасте 28 суток, получаем:

с2 2 °8

Б 2 = У Б2 = 4,61 и махБ2 = 2,08 ^ = = А08 = 0,4512 ^ 1 р У §2 4,61

и Gрасс = 0,4512 < Gкр = 0,5157. Следовательно, гипотеза об однородности дисперсий принимается.

3. Составление регрессионных уравнений 1ого порядка

Оценки коэффициентов уравнения регрессии, рассчитанные по формулам (2.24), приведены в таблице 3.13.

Таблица 3.13 - Коэффициенты регрессионных уравнений 1ого порядка

Ь Ь1 Ь2 Ь3 Ь12 Ь23 Ь31 Ь123

Yl D, мм 100,21 10,21 - 3,96 - 6,46 1,04 4,38 3,96 - 4,79

Y2 R28ММЗБ, МПа 65,69 - 2,241 0,508 2,041 - 0,692 - 0,158 - 0,242 0,292

По результатам расчетов были получены следующие уравнения регрессии (3.5) и (3.6): Yl = 100,21 + 10,21x1 - 3,96x2 - 6,46x3 + 1,04x1x2 + 4,38x2x3 - 3,96x3x1 - 4,79x1x2x3 (3.5)

Y2 = 65,69 - 2,241x1 + 0,508x2 + 2,041x3 - 0,692x1x2 - 0,158x2x3 - 0,242x3x1 + 0,292x1x2x3 (3.6)

Проверка значимости коэффициентов уравнений регрессии проводили по критерию Стьюдента (1« £2)).

Коэффициент Ь считается значимым, если: ^ > 1« £), (3 7)

где 1« (£2) - критическое значение распределения Стьюдента.

При значимом уровне « = 0,025 и степени свободы £2 = №(к - 1) = 8*(3 - 1) =16 по таблице 3.2 [178] находим значение 1:0,025 (16) = 2,1199.

Значения критерия Стьюдента ^ для коэффициентов Ь уравнения регрессии определяли по формуле (3.8):

N

= ^ ад

Оценка дисперсии коэффициентов уравнения регрессии Бьз определяли по формуле (3.9):

<3-9>

Для уравнения регрессии (3.5) при S2u="Д2 = 0,753 и N = 8 получаем:

N V 8

¡¡„-. /£-.1- 0,3068.

Значения критерия Стьюдента для проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии (3.5) приведены в таблице 3.14.

Таблица 3.14 - Значения критерия Стьюдента для проверки значимости коэффициентов

уравнения регрессии (3.5)

j 0 1 2 3 4 5 6 7

Ь) Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 Ь12 Ь23 Ь31 Ь123

100,21 10,21 - 3,96 - 6,46 1,04 4,38 3,96 - 4,79

Ь) 100,21 10,21 3,96 6,46 1,04 4,38 3,96 4,79

34,713 3,536 1,371 2,237 0,361 1,516 1,371 1,660

После проверки значимости коэффициентов незначимые коэффициенты были отброшены, в результате чего получено уравнение (3.10):

Yl = 100,21 + 10,21x1 - 6,46хз (310)

Для уравнения регрессии (3.6) при S2ll = "Д2 = 4,61 и N = 8 получаем:

^ - Л N-

4,61

8

- 0,759.

Значения критерия Стьюдента для проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии (3.6) приведены в таблице 3.15.

Таблица 3.15 - Значения критерия Стьюдента для проверки значимости коэффициентов

уравнения регрессии (3.6)

j 0 1 2 3 4 5 6 7

Ьс Ь1 Ь2 Ь3 Ь12 Ь23 Ь31 Ь123

65,69 - 2,241 0,508 2,041 -0,692 - 0,158 - 0,242 0,292

ЬJ 65,69 2,241 0,508 2,041 0,692 0,158 0,242 0,292

86,548 2,953 0,669 2,689 0,912 0,208 0,319 0,385

После проверки значимости коэффициентов незначимые коэффициенты были отброшены, в результате чего получено уравнение (3.11):

Y2 = 65,69 - 2,241x1 + 2,041x3 (311)

4. Проверка адекватности уравнений (3.10) и (3.11)

Проверка гипотезы об адекватности модели основана на расчетах дисперсии адекватности S2ад

(3.12) и критерия Фишера Fрасс (3.13):

"(^ - Yi )2 N - т

(3.12)

2

82 -

с2

Р =

расс „2 ' с11

(3.13)

где: У - рассчитанное по уравнению регрессии значение отклика;

N - число всех возможных испытаний, N = 8; т - число оцениваемых коэффициентов регрессии; т = 3.

Рассчитанное значение Ррасс сравнивали со значением Ртаб (й, £г) из таблицы 3.5 [178], определяемым числами степеней свободы fl = N = 8 и £г = N - т = 8 - 3 = 5. Таким образом, критическое значение: Ртабл (8, 5) = 3,6875.

596,181

Для уравнения регрессии (3.10): Б2 =-

8 - 3

= 119,236 и Б2 = X Б2 = 66,667.

Б2

^ Ррасс = = 1,789 и Ррасс = 1,789 < Ртаб = 3,6875. Би

Следовательно, уравнение (3.10) удовлетворяет результатам практического эксперимента.

7 24

Для уравнения регрессии (3.11): = —— = 1,448 и БЛ = X Б = 4,61.

8-3

Б

"расс ^2

^ Ррасс = = 0,3141 и Ррасс = 0,314 < Ртаб = 3,6875.

Следовательно, уравнение (3.11) тоже удовлетворяет результатам практического эксперимента.

С помощью компьютерной программы Ма1:1аЬ были получены изображения поверхности выражения целевой функции для регрессионных уравнений (3.10) и (3.11), представленные на рисунках 3.15 и 3.16.

Рисунок 3.15 - Изображение поверхности регрессионного уравнения подвижности мелкозернистой бетонной смеси 1ого порядка (3.10)

х3(П/ПМ) -0.5

Рисунок 3.16 - Изображение поверхности регрессионного уравнения прочности на скажите

ММЗБ 1ого порядка (3.11) Из полученных с помощью регрессионных уравнений 1ого порядка результатов математического планирования эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Модифицированные мелкозернистые бетоны, содержащие органо-минеральные модификаторы, включающие механоактивированную ЗРШ, низкокальциевую ЗУ, суперпластификатор ACE 388 и полипропиленовые фибры, имеют в качестве целевых функций планирования эксперимента 1ого порядка: подвижность мелкозернистой бетонной смеси (D, мм) и прочность на сжатие образцов из ММЗБ в возрасте 28 суток нормального твердения ^28ммзб, МПа),

В П

зависящие от переменных Х1 (—) и хз (-) по уравнениям регрессии (3.10) и (3.11).

Ц ПМ

В

2. Из уравнений регрессии (3.10) и (3.11) следуют, что при уменьшении соотношения — (х1) и

увеличении соотношения

П ПМ

(Х3) подвижность мелкозернистой бетонной смеси снижается, а

ЗУ

прочность на сжатие экспериментальных бетонных образцов возрастает. Влияние соотношения —

(Х2) в рассматриваемом диапазоне значений незначительно и поэтому им можно пренебречь.

3.3.2. Исследование почти стационарной области в экспериментальном планировании 1ого

порядка

Данную почти стационарную область, в которой изменение У мало, не удается полностью описать линейным полиномом. Однако, достаточно адекватным для нее является полином второй степени, анализ которого позволяет определить экстремум внутри этой области [177].

Таблица 3.16 - Результаты испытаний в почти стационарной области

№ В П Составы ММЗБ, кг/м3 Прочности на сжатие

п/п Ц ПМ Ц ЗУ ЗРШ П В С388 ПТВ R28ММЗБ, МПа

1 0,40 1 608 304 61 973 243 6,08 9,13 64,3

2 0,36 0,8 676 338 68 866 244 6,76 10,15 74,1

3 0,32 0,6 762 381 76 731 244 7,62 11,43 68,0

Из приведенных в таблице 3.16 результатов испытаний следует, что при В = 0,36 и П = 0,8

Ц ПМ

достигается наибольшая прочность бетона на сжатие. Поэтому, эти соотношения были использованы в качестве центра для планирования 2ого порядка.

3.3.3. Подбор оптимального состава модифицированного мелкозернистого бетона с помощью ортогонального центрального планирования 2ого порядка

Расходы золы-уноса, механоактивированной ЗРШ, С388 и ПТВ были выбраны постоянными и равными, соотвественно, 50%, 10%, 1% и 1,5% от массы цемента. В виде входных факторов, влияющих на подвижность мелкозернистой бетонной смеси и прочность на сжатие бетонных образцов, рассматривались (таблица 3.17):

В

- Х1- отношение — в пределах от 0,332 до 0,388;

Ц

- Х3 - отношение П в пределах от 0,52 до 1,08.

ПМ

Таблица 3.17 - Уровни входных факторов и интервалы их варьирования для планирования 2ого порядка

Входные факторы Уровни варьирования Интервал варьирования 5

В натуральном виде В виде переменных -1,414 -1 0 +1 +1,414

В Ц Х1 0,332 0,34 0,36 0,38 0,388 0,02 и 0,008

П ПМ Х3 0,52 0,6 0,8 1,0 1,08 0,2 и 0,08

Характеристики ортогонального центрального композиционного планирования приведены в таблице 2.15.

Число опытов ортогонального центрального композиционного планирования 2ого порядка определяли по формуле (3.14):

N = 2к +2хк + т, (3 14)

где: к =2 - число факторов;

т = 5- число повторяющихся экспериментов в центре.

Следовательно: N = 22 +2x2 + 5 = 13.

Составы модифицированного мелкозернистого бетона, рассчитанные с помощью метода ортогонального центрального планирования 2ого порядка, приведены в таблице 3.18, значения подвижности мелкозернистых бетонных смесей (р, мм) и прочности на сжатие ММЗБ в возрасте 28 суток нормального твердения ^28ммзб, МПа) - в таблицах 3.19 и 3.20.

Таблица 3.18 - Составы ММЗБ, рассчитанные по методу ортогонального центрального

планирования 2ого порядка

№ п/п В виде переменных В натуральном виде Составы бетонных образцов, кг/м3

Х1 Х3 В Ц П ПМ Ц ЗУ ЗРШ П В С388 ПТВ

1 +1 +1 0,38 1,0 616 308 62 986 234 6,16 9,24

2 -1 +1 0,34 1,0 632 316 63 1011 215 6,32 9,48

3 +1 -1 0,38 0,6 728 364 73 699 277 7,28 10,92

4 -1 -1 0,34 0,6 750 375 75 720 255 7,50 11,25

5 +1,414 0 0,388 0,8 664 332 66 849 257 6,64 9,95

6 -1,414 0 0,332 0,8 690 345 69 883 229 6,90 10,35

7 0 +1,414 0,36 1,08 605 303 61 1045 218 6,05 9,08

8 0 -1,414 0,36 0,52 767 383 77 638 276 7,67 11,50

9 0 0 0,36 0,8 676 338 68 866 244 6,76 10,15

10 0 0 0,36 0,8 676 338 68 866 244 6,76 10,15

11 0 0 0,36 0,8 676 338 68 866 244 6,76 10,15

12 0 0 0,36 0,8 676 338 68 866 244 6,76 10,15

13 0 0 0,36 0,8 676 338 68 866 244 6,76 10,15

Таблица 3.19 - Подвижность мелкозернистых бетонных смесей

№ п/п В Ц П ПМ В виде пе ременных D, мм (^ -V

Х1 Х3 Х12 Х1Х3 Х32 YlJ

1 0,38 1,0 +1 +1 1 1 1 113 122,10 82,77 -

2 0,34 1,0 -1 +1 1 -1 1 115 109,24 33,23 -

3 0,38 0,6 [phone] 135,12 50,74 -

4 0,34 0,6 -1 -1 1 1 1 138 122,26 247,73 -

5 0,388 0,8 +1,414 0 2 0 0 140 127,50 156,32 -

6 0,332 0,8 -1,414 0 2 0 0 95 109,36 206,24 -

7 0,36 1,08 0 +1,414 0 0 2 120 116,75 10,58 -

8 0,36 0,52 0 -1,414 0 0 2 130 135,11 26,13 -

9 0,36 0,8 0 0 0 0 0 132 135,20 10,24 10,24

10 0,36 0,8 0 0 0 0 0 132 135,20 10,24 10,24

11 0,36 0,8 0 0 0 0 0 140 135,20 23,04 23,04

12 0,36 0,8 0 0 0 0 0 132 135,20 10,24 10,24

13 0,36 0,8 0 0 0 0 0 140 135,20 23,04 23,04

X = 890,549 X (Х,ц- ^)2 = 76,80

Таблица 3.20 - Прочность на сжатие образцов ММЗБ в возрасте 28 суток

№ п/п В Ц П ПМ В виде пе ременных R28ММЗБ, МПа У2])2

Xl xз Xl2 XlXз xз2 Y2] 2]

1 0,38 1,0 +1 +1 1 1 1 65,35 71,90 42,944 -

2 0,34 1,0 -1 +1 1 -1 1 62,92 66,52 12,993 -

3 0,38 0,6 +1 -1 1 -1 1 67,89 67,24 0,418 -

4 0,34 0,6 -1 -1 1 1 1 63,54 61,86 2,806 -

5 0,388 0,8 +1,414 0 2 0 0 75,25 71,64 13,007 -

6 0,332 0,8 -1,414 0 2 0 0 64,80 64,06 0,548 -

7 0,36 1,08 0 +1,414 0 0 2 75,82 69,20 43,803 -

8 0,36 0,52 0 -1,414 0 0 2 60,36 62,63 5,160 -

9 0,36 0,8 0 0 0 0 0 74,75 76,72 3,865 3,865

10 0,36 0,8 0 0 0 0 0 78,21 76,72 2,232 2,232

11 0,36 0,8 0 0 0 0 0 75,12 76,72 2,547 2,547

12 0,36 0,8 0 0 0 0 0 78,25 76,72 2,353 2,353

13 0,36 0,8 0 0 0 0 0 77,25 76,72 0,285 0,285

Е Y2J)2 = 132,962 Е 0] ^)2 = 11,283

1. Расчет оценок коэффициентов регрессионных уравнений 2ого порядка Используя формулы (2.38, 2.39, 2.40 и 2.41) для расчета коэффициентов ортогонального центрального планирования 2ого порядка, были получены следующие значения коэффициентов регрессионных уравнений (таблица 3.21).

Таблица 3.21 - Коэффициенты регрессионных уравнений 2ого порядка

Ь0 Ь1 Ь3 Ь11 Ь33 Ь13

Yl D, мм 135,20 6,431 - 6,513 - 8,385 - 4,635 2,0

Y2 R28ММЗБ, МПа 76,72 2,338 2,695 - 5,347 - 4,38 - 0,48

По результатам расчетов были получены следующие регрессионные уравнения (3.15) и (3.16):

Yl = 135,20 + 6,431x1 - 6,513x3 - 8,385х12 - 4,635х32 + 2,0x1x3 (3.15)

Y2 = 76,72 + 2,338x1 + 2,695x3 - 5,347xl2 - 4^32 - 0,48x1x3 (3.16)

2. Проверка значимости коэффициентов регрессионных уравнений (3.15) и (3.16) Проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии проводилась с помощью критерия Стьюдента (1«, ф)) по формуле (3.10).

При значимом уровне а = 0,025 и степени свободы f2 = т - 1 = 5 - 1 = 4; по таблице 3.2 [178] находим значение 10,025(4) = 2,7764.

Значения критерия Стьюдента ^ для коэффициентов Ь определяли по формуле (3.17):

N

] V1 (3.17)

СЬ]

Оценку дисперсии коэффициентов уравнения регрессии Сь] производили по формуле (3.18):

8]_

С 2

N 1

(3.18)

где: 82ц - оценка дисперсии ошибок наблюдения, определяемая по формуле (3.19):

т

X (Y0J- У0)

2