WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Раздельно-последовательная технология получения цементогрунтовых композиций повышенной прочности и эксплуатационной надежности

Автореферат кандидатской диссертации

 

                                                                                           На правах рукописи

 

 

Тарасова Марина Владимировна

 

 

 

РАЗДЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТОГРУНТОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

 

 

 

05.23.05. – Строительные материалы и изделия

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

 кандидата технических наук

 

 

 

 

 

Уфа– 2012

Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы и специальные технологии» ФГБОУ ВПО  «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Прокопец Валерий Сергеевич

Официальные оппоненты:

Хозин Вадим Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой «Технология строительных материалов, изделий и  конструкций»

 

Гайсин Аскар Миниярович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», доцент кафедры «Строительные конструкции»

 

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет» (МАДИ) г. Москва

Защита состоится 25 мая 2012 года в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат разослан 23 апреля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                  И.В. Недосеко

 

Актуальность работы. В современных условиях строительства, в том числе дорожного, наиболее важным является вопрос  снижения стоимости применяемых материалов. Основным путём снижения их стоимости, является применение местных материалов, в том числе грунтов, обработанных вяжущими материалами (цементом) - цементогрунта. Однако подобные материалы имеют существенный недостаток, заключающийся в высокой неоднородности физико-механических свойств, достигающих 35 процентов и более  (по коэффициенту вариации). При этом величина подобной неоднородности слабо зависит от вводимого минерального вяжущего материала в грунт, особенно в количествах, регламентируемых существующими нормативными документами. Одной из причин подобной  закономерности является механическое перенесение технологий перемешивания, применяемых при получении бетонов и растворов на композиции, в которых минеральное вяжущее (цемент) и обрабатываемый им грунт, по своей природе, имеют  друг к другу несовместимые свойства.

Исследование процессов структурообразования, применения технологии перемешивания являются одними из основных возможностей формирования цементогрунтовых композитов. Применение раздельно-последовательной технологии перемешивания открывает широкие возможности по получению цементогрунтовых смесей с улучшенными прочностными и эксплуатационными показателями.

В связи с этим, научное обоснование и разработка технологии перемешивания грунта с минеральными вяжущими веществами (цементом), позволяющей получать цементогрунт высокой однородности (прежде всего по прочности), представляет собой актуальную задачу, решение которой позволит вовлечь в строительство широкую разновидность грунтов, получить на их основе материал высокого качества и значительно снизить стоимость строительства.

Цель работы. Разработка способа управления формированием структуры цементогрунтовых композитов повышенной прочности и эксплуатационной надежности и создание на его основе технологии раздельно-последовательного перемешивания компонентов смеси.

Постановка и концепция научной проблемы. Рабочая гипотеза. Получение и применение цементогрунтовых композитов строительного и дорожного назначения, работающих в различных климатических условиях, сопряжено с проблемой достижения и сохранения требуемого уровня, прочностных и эксплуатационных свойств, которая может быть решена через управления процессами структурообразования с целью повышения прочности и однородности.

Задачи исследований:

1. Систематизация направлений и механизмов управления структурой и свойствами цементогрунтовых композитов, оценка их вклада в формировании прочности.

2. Разработка топологической модели структуры цементогрунтовой композиции на различных стадиях гомогенизации смеси исходных компонентов.

3. Изучение закономерностей влияния раздельно-последовательного способа перемешивания компонентов  на свойства цементогрунта.

4.Исследование влияния структуры на физико-механические и строительно-технологические показатели получаемого цементогрунта.

5. Разработка составов, способов и технологических решений для получения цементогрунтов с повышенными прочностными и эксплуатационными свойствами.

6. Апробация разработанной технологии раздельно-последовательного перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси и оценка технико-экономической эффективности её применения.

Объект исследования. Строительные материалы и изделия на основе цементогрунтов, их получение, свойства и применение.

Предмет исследования. Исходные компоненты для получения цементогрунта. Структура и структурообразование цементогрунтовых композитов. Модели цементогрунтовой системы на различных стадиях структурообразования. Прочность и однородность структуры. Структурно-технологические аспекты получения и применения цементогрунтов повышенной прочности и долговечности.

Научная новизна.

1. Систематизированы и обобщены направления и механизмы управления структурой и свойствами цементогрунтовых композитов, обеспечивающих формирование повышенных прочностных и эксплуатационных свойств.

2. Предложена топологическая модель цементогрунтовых систем, позволяющая прогнозировать их способность к структурообразованию на различных стадиях твердения, а также устанавливающая связи между технологическими параметрами и исходным соотношением компонентов смеси.

3. Предложен    способ     раздельно-последовательного       перемешивания

компонентов       смеси      с     целью   создания   цементогрунтовых композитов

повышенной прочности, долговечности и эксплуатационной надежности.

4. Теоретические обоснованы и экспериментально подтверждены основные закономерности изменения физико-механических и строительно-технологических свойств цементогрунта в зависимости от типа грунта и количественного соотношения исходных компонентов.

Техническая новизна полученных автором результатов подтверждена патентом на изобретение № 2371545  Способ повышения однородности по прочности цементогрунтов

Практическая ценность:

  1.Предложен способ получения цементогрунта высокой однородности по прочности (с низким коэффициентом вариации) заключающийся в гомогенизации цементогрунтовой композиции, путём первоначального деления  грунта на две части в соотношении  (0,67 и 0,33) и  раздельном перемешиванием каждой части с 50% принятой массы цемента, с последующим   перемешиванием и объединением компонентов в одну общую смесь. 

2.Проведенными исследованиями по влиянию основных технологических и рецептурных факторов на состав и свойства цементогрунтовых композитов  установлено, что  предложенный способ позволяет получать, независимо от разновидности исходных грунтов, цементогрунт повышенной однородности и эксплуатационной надежности (с пониженным  в 1,6 – 2,2 значением   коэффициента вариации прочностных показателей)  по сравнению с  традиционной технологией их получения. 

3.Разработанная раздельно-последовательная технология   позволяет осуществлять существенную экономию цемента (на 10-15%)  в составе цементогрунтовых  смесей по сравнению с традиционными аналогами.

4. Экономическая эффективность применения разработанных составов цементогрунтов повышенной  прочности и эксплуатационной надежности при строительстве объекта в Омской области, составила порядка 552000  рублей на 1 км дорожного основания.

Внедрение результатов работы.

1. На основе разработанной технологии было произведено строительство опытного участка в р.п. Полтавка Омской области (АЗС).

2.Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и производственного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров, бакалавров и магистров по направлению «Строительство» на кафедрах «Строительные материалы и специальные технологии» (СибАДИ) и «Природообустройства и мелиорации» (ОмГАУ).

Достоверность научных выводов и результатов работы обеспечена применением апробированных высокоточных методов исследования структуры и свойств строительных материалов, а также поверенного оборудования при проведении экспериментальных исследований,  с использованием необходимого количества образцов, обеспечивающего стандартную доверительную вероятность 0,95 и соответствием полученных результатов общим положением механики и строительного материаловедения.

На защиту выносятся:

-теоретические положения о раздельно-последовательном способе перемешивания и структурообразования цементного камня;

- показатели свойств цеменогрунтовых композиций, полученных раздельно-последовательным   способом перемешивания;

- аналитическая модель, учитывающая количественное влияние  вяжущего на однородность по прочности получаемого цементогрунта;

-технология раздельно-последовательного способа перемешивания компонентов цементогрунтовой смеси.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: II международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (г.Брянск 2003 г.); международной научно-практической интернет-конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (г. Белгород 2007 г.); международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г.Белгород 2007г.); 5 международной научно-технической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (г. Пенза 2008 г.); 64-й научно-технической конференции  «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (г. Омск 2010 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Инновационный путь развития строительства и архитектуры в агропромышленном комплексе России» (г. Орёл 2011г.)

Публикации. По материалам и результатам исследований опубликовано 11 статей, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций, получен патент на изобретение, издано 2 учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,  5 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 166 наименований, приложений и содержит  172  страниц машинописного текста, 22   таблицы  и   47 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во  введении  обосновывается актуальность темы диссертации,  определена  цель, поставлены  задачи исследования,   отмечена  научная новизна и практическая ценность, приведены сведения  об  апробации результатов  работы.

В первой главе дан анализ современного состояния получения и применения цементогрунта в строительстве, в том числе дорожном. Эффективность применения цементогрунта в строительстве подтверждена многими отечественными и зарубежными исследователями: В.М. Безруком, А.С. Дудкиным, Ю.В.Карасем, П.Г.Комоховым,    С.В.Коноваловом, А.П. Кузнецовым, А.В.Линцером, В.П.Матвеевым, В.М.Могилевичем, В.П.Никитиным, Н.И. Ордой, В.Б.Пермяковым, А.П. Пичугиным, В.С.Прокопцом, А.Н.Токиным, Е.И.Тюменцевой В.С.Цветковым, Р.П.Щербаковой, Н.С. Шутовым и др. В то же время данный материал пока используется недостаточно широко. Одной из причин является низкая прочность и однородность цементогрунтов  укрепленных цементом.

Для увеличения прочности и однородности цементогрунта многие исследователи используют поверхностно-активные вещества. Однако многие ПАВ имеют  высокую стоимость, поэтому предпочтение отдается более дешевым, но мало эффективным добавкам. Срок службы автомобильных дорог укрепленных цементом, по данным различных авторов,  колеблется от 4 до 30 лет. Прочностные показатели цементогрунтов имеют высокий коэффициент вариации, что обуславливается многими технологическими факторами, которые играют существенную роль в разработке эффективных методов по улучшению свойств цементогрунтов.

Важность однородности структуры и, как следствие, однородности физико-механических свойств исходных компонентов на их долговечность в процессе эксплуатации иллюстрируются данными, показывающими, что снижение  стабильности свойств дорожно-строительных материалов вызывает в течение восьми лет эксплуатации  рост площади разрушенного дорожного покрытия, по зависимости, близкой к экспоненциальной (рис.1).


Рис.1. Влияние однородности свойств (VR) материала основания на площадь разрушения дорожного покрытия (S).

Абсолютно однородные материалы  в дорожном строительстве не встречаются. Особое место среди основных дорожно-строительных материалов занимают цементогрунты, которые имеют наибольшую неоднородность физико-механических свойств по сравнению с другими основными дорожно-строительными материалами (рис.2)

Рис.2. Коэффициент вариации физико-механических     свойств основных  дорожно-строительных материалов

1-Цементогрунты; 2-Асфальтобетоны;

3 – Цементобетоны

Во второй главе  изложены теоретические предпосылки повышения однородности по прочности грунтобетонов.

Перемешивание  материалов с различными химическими, физическими и другими свойствами составляет основу многочисленных технологических процессов. В перемешивании существенным является требование получения однородной массы с одинаковым содержанием компонентов в любой части объёма смеси.

Процесс перемешивания состоит в распределении в пространстве двух и более компонентов. Повышение качества укрепленных цементом грунтов необходимо осуществлять за счет направленного структурообразования вяжущего  в системе цемент-грунт. Однако, прежде всего необходимо выяснить  содержание цемента в формировании качественных показателей материала.

Процесс активации и установления статистического равновесия протекает значительно быстрее процесса химического превращения, т. е. скорость реакции определяется процессом химического превращения - медленного процесса реакции.

Константа скорости химической реакции представляет собой число столкновений молекул в единице объема за единицу времени, завершающихся химическими превращениями.

K = B·exp (- Ea / RT)·ехр (?S/R),                                       (1)

где: К - коэффициент скорости протекания реакции; В - предэкспоненциальный коэффициент, характеризующий общее число столкновений частиц в единицу времени;  Ea –энергия активации протекания реакции; R - газовая постоянная; T – температура; ?S-энтропия активации химической реакции.

Зависимость (1) указывает на то, что достижение максимального  протекания химических реакций при формировании цементного камня,  наиболее целесообразно осуществлять снижением величины ?S, путём достижения максимальной гомогенности смеси. 

Для получения однородной структуры необходимо найти оптимальное соотношение компонентов, добиться предельной однородности их распределения в объеме и исключить возможное образование дефектов и неоднородностей.

Статистическая обработка экспериментальных данных, В.А.Семёнова (график 3), И.А.Золотаря (график 1), В.П.Никитина (график 2) и В.С. Прокопца (график 4), позволила построить теоретические зависимости прочности и однородности цементогрунта от процентного содержания вяжущего в смеси.

Рис. 3. Зависимость прочности  цементогрунта от процентного содержания цемента в смеси

Рис. 4 Зависимость однородности цементогрунта от процентного содержания цемента в смеси

Анализ  графических зависимостей рис.3 и 4 показывает, что увеличение содержания цемента в смеси хотя и приводит к росту прочности материала, но не является гарантом его однородности по прочности. Из этого следует, что вариация прочностных показателей цементогрунта зависит, прежде всего, от равномерности распределения в объёме материала вяжущего, обусловленной, прежде всего, способом перемешивания.

Основные положения раздельно-последовательного способа перемешивания можно описать через энтропию, позволяющей перейти от интуитивного представления  к   вероятностному, в основе которого лежат понятия микро- и макросостояния  системы.  

В соответствии со вторым законом термодинамики закрытые системы,  стремятся, и с течением времени неизбежно приходят к естественному устойчивому равновесному внутреннему состоянию, что соответствует состоянию с максимальной энтропией, т.е. в энтропии Шеннона Нmax = 1.  Энтропия максимальна при равновероятном распределении параметров движения молекул (направлении, скорости и пространственном положении). Значение энтропии уменьшается, если движение молекул упорядочить. По мере увеличения упорядоченности движения энтропия стремится к нулю. Закрытая система стремится к однородности своих элементов и к равномерности распределения энергии связей между ними. Говоря об однородности среды, можно сказать, что в каждой единице объема содержится одинаковое количество разных элементов. Структура системы хаоса и порядка,   по своей величине равны друг другу, а их общей мерой является энтропия.  

Энтропия является объективной мерой неупорядочности системы, или мерой порядка и хаоса. В связи с неоднозначным понятием энтропия определяется  по формуле Больцмана – Шеннона

                                                                    (2)

При изменении соотношения частей от p1 = p2 = p3 = …. рn до  p1 = 0, p2 = 0, p3 =0 … pn = 0. Энтропия системы изменяется соответственно от Hмакс до H0.

Исходя из данного представления и согласно работам А.И.Колкова,  для характеристики гармоничности системы введем функции, выраженные соотношением  Fгарм-хаоса (недостаточности) (3) и R-порядка (избыточности) (4)

        (3)

         (4)

где: Н- энтропия, определенная по классической формуле Больцмана-Шеннона; Нмакс- максимальная энтропия системы, соответствующая равновероятности всех возможных ее состояний.

В третьей главе рассматриваются применяемые материалы и методика выполнения экспериментальных исследований.

Изучению подвергались супесь и суглинок. Химический состав, которых, состоит. Содержание оксидов в суглинке следующее: SiO2 – 66,33%; R2O3 – 16,40%; Fe2O3 – 4,09%; Al2O3 – 12,31%; CaO – 5,75%; MgO – 1,54%; SO3 – 0,58%; CaCO3 – 8,0%; рН воды – 8,1; п.п.п. – 7,01%.

Содержание оксидов в супеси следующее: SiO2 – 81,01%; R2O3 – 10,50%; Fe2O3 – 1,81%; Al2O3 – 8,69%; CaO – 2,82%; MgO – 0,69%; SO3 – 0,06%; CaCO3 – 3,2%; рН воды – 7,55; п.п.п. – 2,92%.

В качестве вяжущего использовался портландцемент марки 400, содержащий 20% шлака и имеющий нормальную густоту цементного теста порядка 28%. Химический состав портландцемента следующий: SiO2–22,1%; R2O–0,7%; Fe2O3–3,65%; Al2O3–5,01%; CaO – 65,4%; MgO – 1,01%; SO3 – 2,54%; P2O5 0,2%.

Для выявления закономерностей прочностных характеристик грунтов были проведены эксперименты по определению оптимального состава цементогрунта, которые позволили установить зависимость  числа пластичности от расхода фракций песчаной смеси и описать их уравнением регрессии

Wп = 0,0023П2 ? 0,427 П + 21,137                                       (5)

Где  Wп – число пластичности, П – содержание песка, % по массе.

Для технологического процесса приготовления цементогрунтовых смесей превалирующее значение имеет перемешивание (гомогенизация), обуславливающее формирование структуры материала  определённой однородности по прочности;

Для определения в условиях производства однородности смеси был применен способ оценки качества перемешивания. Этот способ заключается в установлении рассеивания частиц одного компонента в объеме смеси путем подсчета количества его частиц и определения коэффициента вариации (Сv)

                                              (6)

где: S –среднее квадратичное отклонение; x – среднее арифметическое значение; хi – частное измерение; n – количество частных измерений.

С целью одновременного исследования влияния стольких факторов на прочностные показатели был применен метод математического планирования эксперимента –  полный факторный эксперимент, – отличающийся жесткой связью плана эксперимента и формы уравнения.

В качестве структурной основы плана эксперимента рекомендуются латинские квадраты разных порядков. Подобные планы представляют дробную 1/mk-2 реплику от плана полного факторного эксперимента mk (m-число уровней, k –  число факторов).

Результаты проведенного эксперимента позволили установить оптимальное содержание  самого дорогостоящего компонента цементогрунта для различных типов грунтов – цемента при заданном уровне прочности, что позволило разработать алгоритм.

Поэтому данный метод по праву можно назвать вероятностно-детерминированным и применять комбинированную модель как для получения достоверных выходных параметров при самых различных условиях, так и для вскрытия внутренних, причинно-следственных связей. При помощи метода математического  планирования  был  использован  метод  случайного  баланса,

который   позволил   выявить   влияние   значимых   факторов.   Данный   метод

позволил выявить равномерное распределение вяжущего в объеме смеси.

Известно, что рассеивание компонентов при перемешивании является величиной случайной и подчиняется закону нормально распределения Гаусса и законам математической статистики. Используя метод статистического анализа, произвели обработку полученных нами данных. Обработку экспериментальных данных проводили с помощью описательной статистики.

В статистическом исследовании кроме показателей вариации, выраженных в абсолютных значениях, используются показатели вариации, выраженные в относительных величинах.

Основным показателем однородности при статистической обработки выборочных срезов, как стандартных, так и по предлагаемому способу является коэффициент вариации, который равен

                                                                     (7)

Где:   - среднеквадратичное отклонение, которое  рассчитывалось по программе в МS Excel стандартным отклонением;  - математическое ожидание (среднее значение)

В четвертой главе представлена разработка раздельно-последовательного способа получения цементогрунта.

Для выделения значимо влияющих факторов методом случайного баланса была составлена матрица планирования. Проанализировав работы ведущих специалистов, в области укрепления цементогрунтов и цементобетонов, были взяты следующие факторы.

Таблица 1 ?Исследуемые факторы и уровни варьирования

п/п

Наименование факторов

Уровни варьирования

Код фактора

Нижний( -  )

Верхний( + )

1.

Изменение числа пластичности грунта, %

1

18

Х1

2.

Содержание цемента в перемешиваемых частях грунта, %

2

14

Х2

3.

Уплотняющая нагрузка, МПа

10

20

Х3

4.

Количество воды в смеси, %

0,1

50

Х4

5.

Длительность воздействия уплотняющей нагрузки, с

120

240

Х5

6.

Количество цемента, %

7

14

Х6

7.

Соотношение частей грунта при перемешивании

1

5

Х7

Таблица 2 ?Матрица планирования и результаты эксперимента

п/п

Очередность выполнения опытов

Факторы

Сv

Х1

Х2

Х3

Х4

Х5

Х6

Х7

1.

8

-

-

+

-

+

-

+

0,218

2.

3

+

-

-

-

+

-

-

0,139

3.

4

-

+

-

+

-

-

+

0,174

4.

6

+

+

+

-

-

+

+

0,212

5.

1

-

-

-

+

+

+

-

0,185

6.

2

+

-

+

+

-

+

+

0,251

7.

5

-

+

+

-

+

-

-

0,137

8.

7

+

+

-

+

-

+

-

0,181

Х1 – изменение числа пластичности грунта, %;

Х2 – общее количество цемента,%;

Х3 – уплотняющая нагрузка, МПа;

Х4 -  количество воды в смеси;

Х5 – длительность воздействия уплотняющей нагрузки, с;

Х6 – содержание цемента в перемешиваемых частях грунта, % от общего количества цемента;

Х7 –  соотношение частей грунта при перемешивании.

 

Рис. 5.  Основные рецептурно-технологических факторы и степень их  влияния на однородность цементогрунта по прочности

Значимость  факторов  (Х7, Х6 и Х2)  указывает на то, что степень вариации прочностных свойств укрепленных грунтов цементом, зависит главным образом от качества получаемой смеси, обусловленной прежде соотношением частей грунта при перемешивании и  содержанием цемента в перемешиваемых частях грунта.

В результате последовательной обработки экспериментальных данных был построен график средних значений прочности, и однородности цементогрунта от содержания вяжущего в смеси.

Рис. 6. Среднее значение зависимости прочности Rсж и однородности Сv цементогрунта от содержания вяжущего в смеси.

На интервале 3-6% содержание цемента в грунтовой массе еще нет предпосылок для формирования сплошного скелета из вяжущего. При таких дозировках вяжущего происходит лишь укрепление небольшого пространства, прилегающего к грунтовым агрегатам, вследствие чего участок характеризуется незначительным приростом прочности грунта.

Участок, соответствующий 6-13% содержания цемента, отличается более интенсивным приростом прочности материала, но с заметной затухающей тенденцией, за счет увеличения объема укрепленного цементом пространства вокруг грунтовых агрегатов.  Однако для данного вида грунта образовавшиеся кристаллизационные связи имеют еще значительные дефекты, приводящие к разбросу прочностных показателей материала.

Дальнейшее увеличение содержания цемента в смеси (участок 13 – 18%) приводит к более интенсивному росту прочности.  Подтверждением этому является минимум величины коэффициента вариации Сv, приходящегося на 15 % дозировку цемента.

Приведенные данные подтверждают, что основным фактором неоднородности цементогрунта по прочности является содержание  в нем минерального вяжущего. Дальнейшей задачей исследования является выбор технологии, которая  позволит «исключить» интервал от 6 до 13 %.

По К. Шеннону энтропия характеризуется мерой неопределенности опыта с разными исходами. Следовательно, для дальнейших расчетов воспользуемся формулой расчета условной энтропии

                                                                  (8)

Где  - максимальный коэффициент вариации, Сv- текущее значение коэффициента вариации, - эмпирическая константа, определяемая из условия нормального функционирования системы, т.е. Н=Н0, где Н0 – так называемое золотое сечение.

Для определения прочности с заданной надежностью воспользуемся формулой, применяемой при расчёте класса бетонов

                                                                     (9)

                                                                       (10)

Где В – класс бетона по прочности, МПа;  – средняя прочность бетона, МПа, которую следует обеспечить при производстве конструкций;  – коэффициент вариации прочности бетона; к – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченности.

Подставляя данные уравнения (10) в уравнения (9), а затем в уравнение (3, 4)   получим теоретические условия  перемешивания грунта с цементом .

Таким образом, можно заключить, что наибольшая однородность по прочности материалом будет достигнута при объединении части цементогрунтовой смеси, содержащей максимальное количество цемента (Gм) с оставшейся частью цемента (Gк).  В этом случае вопросом исследования является установление для данной системы соотношения между собой этих частей цементогрунтовой смеси.

В таблице 3  приведен расчет  величин энтропии (коэффициента вариации) для разных исходов эксперимента (согласно формулам 5-10).

Таблица 3?Расчётные значения возможной величины коэффициента вариации

№ п/п

 (Gм)

(Gк)

1.

0,275

0,2

0,833

2.

0,24

0,375

0,727

3.

0,22

0,5

0,667

4.

0,21

0,571

0,636

5.

0,19

0,7368

0,576

6.

0,175

0,885

0,53

           На рисунках 7 и 8  приведены графики зависимостей полученных в результате расчетов.

Рис. 7. Функциональная зависимость характеризующая степень гомогенности смеси

Рис. 8. Функциональная зависимость характеризующая   концентрацию вяжущего в составе смеси

Для объективности и корректности эксперимента в предлагаемом способе использовали люминофор вместо цемента в количестве равном массе цемента. Люминофор был измельчён  по  дисперсности  до  удельной  поверхности,  соответствующей  удельной  поверхности цемента.

По предлагаемому способу укрепляемую массу грунта вначале разделили на две части в соотношении «золотого сечения» 0,67 и 0,33, затем каждую из этих частей раздельно перемешивали с 50% принятой массы люминофора, а полученные две смеси объединили в общую массу путём перемешивания; после этого полученную смесь перемешали с заданным количеством воды, после чего эту смесь выдерживали на воздухе в течение 20-60 минут. Из этой смеси  изготовили образцы для испытаний.

В каждом квадрате данного среза представленные на рисунках 9 и 11 наглядно просчитывалось количество частиц люминофора и количество частиц грунта. Дальнейшая статистическая обработка этих данных показывает

Рис.9. Образец среза, сформированный по стандартному способу   (супесь)

Рис.10.Гистограмма, построенная для образца среза сформированного по стандартному способу

Рис. 11. Образец среза, сформированный по раздельно-последовательной технологии (супесь)

Рис.12. Гистограмма, построенная для образца среза. сформированного по раздельно-последовательной технологии

На рисунке 10 и  12 представлены срезы образцов сформированных по стандартному способу и предлагаемому способу. На рисунке 10 и 12  показаны гистограммы, полученные с помощью надстройки в  MS Excel «Анализ данных»  «Гистограмма».

Таблица 4? Описательная статистика стандартного и предлагаемого способа

(супесь).

Наименование показателей

Стандарт

Эксперимент

Люминофор

 

 

Среднее

47,3

45,85

Стандартная ошибка

3,519943

1,19489

Медиана

45

46

Мода

65

46

Стандартное отклонение

15,74166

5,343712

Дисперсия выборки

247,8

28,55526

Эксцесс

-1,13046

-0,33432

Асимметричность

0,340074

-0,05012

Интервал

52

20

Минимум

23

36

Максимум

75

56

Сумма

946

917

Счет

20

20

Коэффициент вариации

0,332805

0,116548

Из    таблиц     4     видно,   что   коэффициент  вариации  по   традиционной

технологии составляет 33 %, а по предлагаемой технологии –  около 12 %.

Анализ полученных результатов показал, что разработанный способ раздельно-последовательного перемешивания грунта с цементом позволяет получить цементогрунт по однородности сравнимый с однородностью цементобетона, а приготавливаемая таким способом цементогрунтовая смесь обладает высокой степенью однородностью (низкий коэффициент вариации).

Анализируя вышеизложенное, видим, что для такой структурно-неоднородной системы, каким является цементогрунт, оптимальная дозировка вяжущего должна назначаться не  только из условия удовлетворения критерию прочности, но также и удовлетворения критерию, характеризующему степень однородности данного материала по прочности.

Поскольку структура укреплённых вяжущими веществами грунтов относится к гетерогенным (многофазным) системам, в которых идеальность  повышается двумя способами: 1) путём совершенствования структуры контакта фаз; 2) путём механического смешения возникающих в процессе отвердевания вяжущего структурных фаз. Реализация последнего способа на наш взгляд более перспективна.

                     [(2/3 Гр +1/2Ц) + (1/3 Гр + 1/2Ц)] >  уплотнение ,                  (12)

где Гр – укрепляемый грунт; Ц – минеральное вяжущее (цемент); 2/3 и 1/2  –  используемое количество (в частях)  грунта и минерального вяжущего (цемента) соответственно;  +  –  операция объединения (перемешивание).

Известным способом получения цементогрунта является единый технологический комплекс, в котором разнородные элементы материала (грунт, цемент и вода) объединяются в одну систему посредством перемешивания.

Таблица 5?Примеры способов перемешивания грунта с цементом.

п/п

Технология  перемешивания

Ожидаемая структурная зона материала

(согласно рис.7)

1.

Грунт (100%)  + Цемент (100%)

2

2.

Грунт (30%) + Цемент (100%)  + Грунт (70%)

2

3.

Грунт (30%) + Цемент (50%)  + Грунт (70%)  + Цемент (50%)

1

4.

Грунт (30% + Цемент 50%)  + Грунт (70%)  + Цемент(50%)

3

Таблица 6?Примеры выполнения способа 4 и результаты испытаний образцов

п/п

Способ

Содержание компонентов смеси,%

Объем грунта,

обрабатываемый цементом ч

Количество цемента, вводимого в первона-чальный объем гру-нта,% от общего коли-

чества

Количество цемента, вводимого в оставшийся объем грунта,% от общего количества

Прочность при сжатии, МПа

Коэффициент вариации,%

грунт

цемент

Первоначальный

Оставшийся

1.1

Известный

92

8

1,0

-

100 (8)

0 (0)

2,8

23,0

1.2

90

10

1,0

-

100(10)

0(0)

3,7

21,3

1.3

88

12

1,0

-

100(12)

0(0)

5,9

16,3

2.

Предлагаемый способ

92

8

2/3

1/3

20 (1,6)

80 (6,4)

3,2

14,0

2.1

92

8

2/3

1/3

35 (2,8)

65 (5,2)

3,5

11,1

2.2

92

8

2/3

1/3

50 (4,0)

50 (4,0)

6,8

10,4

2.3

92

8

2/3

1/3

35 (3,5)

65 (4,5)

4,1

14,2

2.4

90

10

2/3

1/3

35  (5,0)

65 (5,0)

7,8

8,5

2.5

88

12

2/3

1/3

35 (6,0)

65 (6,0)

9,1

4,5

Примечание: в скобках указан расход цемента в % от объема укрепленного грунта.

Наглядно сравнить картину цементогрунтовой смеси выполненной по традиционной и предлагаемой технологии можно на следующих фотоснимках, сделанных  при помощи сканирующего электронного растрового микроскопа Jeol JSX 6460.

Рис. 15.  Микрострутура цементогрунта полученного по традиционной технологии

Рис 16. Микроструктура цементогрунта полученного по раздельно-последовательной технологии

Анализируя электронно-микроскопические снимки видно, что по предлагаемой технологии распределение вяжущего и, следовательно, однородность цементогрунта выше, чем по традиционной технологии.

В пятой главе произведена опытно-производственная проверка результатов исследования.

Основной задачей опытных работ являлось получение и подтверждение результатов лабораторных исследований, что давало возможность существенно пополнить знания о возможности регулирования прочности и однородности цементогрунтовых слоев в процессе строительства. Результаты испытаний приведены в таблице 7.

Таблица 7?Результаты испытаний вырубок из цементогрунтового слоя

№ п/п

Количество цемента в %

Прочность на сжатие в возрасте 28 суток, МПа

Прочность на сжатие после 25 циклов, МПа

Коэффициент морозостойкости после 25 циклов

Коэффициент вариации

1.Традиционная

12

5,1

3,8

0,75

0,21

2.Предлагаемая

8

6,2

4,8

0,78

0,12

При сравнении вариантов конструкции дорожной одежды использовали понятие сравнительной экономической эффективности. Суммарно приведенные затраты являются критерием для обоснования наиболее эффективного вариант.

Таблица 8?Варианты дорожных конструкций.

Вариант

Состав дорожной конструкции

Толщина

конструктивного слоя, м

Способ строительства

1.

1.Покрытие-горячий плотный асфальтобетон.

2.Нижний слой покрытия-горячий пористый асфальтобетон

3.Основание – щебень

4.Подстилающий слой из песка

0,06

0,06

0,20

0,20

Послойно

2.

1.Покрытие-горячий плотный асфальтобетон.

2.Нижний слой покрытия- горячий пористый асфальтобетон

3.Основание – щебень

4. Основание- грунт укрепленный цементом 12%.

0,06

0,06

0,20

0,15

Послойно

3.

1.Покрытие-горячий плотный асфальтобетон.

2.Нижний слой покрытия- горячий пористый асфальтобетон

3.Основание – щебень

4. Основание – грунт укрепленный цементом  8%.

0,06

0,06

0,15

0,15

Разделно-последовательным способом

Таблица 9?Стоимость производства работ по устройству дорожных одежд.

Номер варианта конструкции

дорожной одежды

Наименование технологии варианта

Стоимость работ

1.

Проектная технология

10879549,7

2.

Традиционная технология

4534754,896

3.

Предлагаемая технология

3983107,50

Как видно из полученных  данных 3 вариант более экономичен по сравнению с традиционной и проектными технологиями.

На основании выполненных расчетов  видно, что применение раздельно-последовательного способа возведение дорожных одежд позволяет снизить затраты примерно на 13% по сравнению с традиционной технологией получения цементогрунта, и на 37% по сравнению с проектным решением.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

  1. Систематизированы направления и способы управления структурой цементогрунтовых композитов с обеспечением требуемого уровня прочностных и эксплуатационных свойств.
  2. На основании информационно-энтропийной теории разработана топологическая модель цементогрунтовой композиции на различных стадиях гомогенизации смеси исходных компонентов.
  3. Предложен и запатентован способ и технология раздельно-последовательного перемешивания компонентов, позволяющие получить цементогрунт с однородностью, соответствующей стандартам бетона.
  4. Исследовано влияние основных рецептурных и технологических факторов. На механические и эксплуатационные показатели цементогрунта. получаемого раздельно-последовательным способом перемешивания.
  5. Проведенными исследования на лабораторном (с использованием модельных образцов)и производственном уровнях установлено, что разработанный автором раздельно-последовательный способ позволяет увеличивать равномерность распределения вяжущего более чем в 2-3 раза (в зависимости от типа используемого грунта супесь или суглинок) по сравнению с традиционной технологией получения цементогрунтов.
  6. Опытно-промышленные апробация разработанной технологии подтвердила правильность теоретических положений по возможности получения раздельно-последовательным способом цементогрунтовых композиций повышенной прочности и долговечности при существенной экономии (на 10-15%) цемента, как наиболее дорогостоящего компонента в их составе.

Публикации автора

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

  1. Прокопец, В.С. Восстановление дорожных покрытий методом холодного ресайклинга и добавками химических веществ [Текст] / В.С. Прокопец,   С.Ф. Филатов,  Т.Л. Иванова, М.В. Тарасова // Башкирский химический журнал.? 2006. ? Т. 13. – № 5.? С. 61-65.
  2. Прокопец, В.С. Повышение однородности грунтоцементной смеси раздельно-последовательным способом перемешивания [Текст] / В.С. Прокопец, С.И. Барайщук, М.В. Тарасова  // Вестник Томского Государственного архитектурно-строительного университета.? 2008.? № 4. ? С.165-170.
  3. Тарасова, М.В. Технологическое обеспечение качества дорожного цементогрунта [Текст] / М.В. Тарасова, В.С. Прокопец // Строительные материалы. ? 2012. ? № 1. ? с. 46 ? 48.
  4. Пат.2371545 Российская Федерация, МПК Е02D 3/12, Е01С 3/04. Способ повышения однородности по прочности цементогрунтов [Текст] /  Прокопец В.С., Тарасова М.В.; заявка № 2008117263/03; заявл.29.04.2008; опубл. 27.10.2009 БИ. № 30.

В других изданиях:

  1. Прокопец, В.С. Новые технологические решения устройства дорожной одежды из укрепленных грунтов [Текст] / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова // «Проблемы строительного и дорожного комплексов»: Материалы II международной научно-технической конференции. – Брянск, 2004. ? С.108-110.
  2. Прокопец, В.С. Влияние однородности прочности оснований из укрепленных грунтов на несущую способность дорожных одежд [Текст]  / В.С. Прокопец, М.В. Тарасова  // Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения: сборник научных трудов. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. ? С.71 -76.
  3. Прокопец, В.С. Однородность и долговечность конструкционных слоев дорожной одежды из грунтов, укрепленных вяжущими материалами [Текст] / В.С.  Прокопец, М.В. Тарасова // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2007. – Ч.4. ?  С. 289-291.
  4. Прокопец, В.С. Влияние содержание цемента в смеси на прочность и однородность цементогрунта [Текст]  /  В.С. Прокопец, М.В.Тарасова //  Вестник СибАДИ. ? 2007. ? Вып. 5. ? С. 100-104.
  5. Прокопец, В.С. Влияние однородности по прочности укрепленных грунтов при расчете оснований дорожных одежд [Текст] / В.С. Прокопец, М.В.Тарасова // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России:  Материалы V междун. научно-техн. конф. – Пенза, 2008. ?  С.334-339.
  6. Прокопец, В.С. Обеспечение повышенной однородности по прочности дорожного цементогрунта гармонизацией перемешивания [Текст] /           В.С. Прокопец, М.В.Тарасова // Дорожная держава. ? 2009. ? № 20. ? С. 66-67.
  7. Прокопец, В.С. Обеспечение качества перемешивания цементогрунтовой смеси путем снижения информационной энтропии [Текст] / Прокопец В.С., М.В. Тарасова // Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности: Материалы 64-й научно-технической конференции международного конгресса. – Омск: СибАДИ, 2010. ? Кн.2 . – С.222-226.
  8. Тарасова, М.В. Снижение информационной энтропии путём перемешивания цементогрунтовой смеси раздельно-последовательным способом [Текст] / М.В. Тарасова // «Инновационный путь развития строительства и архитектуры в агропромышленном комплексе России»: сборник научных трудов «Вестник строительства и архитектуры». ? Орёл: ОрёлГАУ, 2011. ? №2. ? с.178 ? 184.
  9. Никитин, В.П. Основы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог:  Часть 1. Учебное пособие / В.П. Никитин, М.В.Тарасова. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. – 68 с.
  10. Никитин, В.П. Основы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Часть 2. Учебное пособие / В.П. Никитин, В.И. Андреев, Тарасова М.В. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – 36 с.
 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.