Научные принципы и общий метод проектирования состава иск оптимальной структуры

 

Оптимизацию структуры и научно-обоснованное определение вещественного состава различных искусственных конгломератов осуществляют общим (единым) методом проектирования. Могут быть методы и специфические, разработанные применительно к каждой разновидности конгломерата. Некоторые специфические особенности выделяются и при применении общего (единого) мето­да. Однако остаются неизменными научные принципы, лежащие в основе проектирования состава любым методом. К главным науч­ным принципам относятся: наибольшее приближение технологиче­ских режимов и параметров, используемых в лабораторной практи­ке проектирования состава, к реальной технологии производства конгломератной смеси и изделий; обеспечение возможно большей равномерности распределения частиц разной крупности, пор, повер­хностей раздела фаз и других структурных элементов по объему ма­териала; обеспечение заданных свойств на уровне числовых значе­ний экстремумов при оптимальной структуре; применение общих объективных закономерностей, присущих конгломератным матери­алам оптимальной структуры и, в том числе, закона конгруэнции, закона створа, закона прочности и других; использование общего метода и средств проектирования оптимального состава, и точная реализация проектного состава на производстве.

Практическая цель проектирования заключается в определении расхода исходных компонентов (по массе) на одну тонну или один кубический метр плотной смеси. После формования, уплотнения и отвердевания смесь приобретает оптимальную структуру ИСК, ко­торому придана форма изделия или конструкции, используемых при монтаже зданий и сооружений в строительстве.

Реализация общего метода проектирования оптимального соста­ва ИСК является существенной частью технологического процесса, которая в свою очередь является гарантом высшего качества изго­товляемой продукции в соответствии с полученным проектным со­ставом. Этот метод включает три этапа.

Рис. 3.14. Зависимость насыпной плотности смеси запол­нителей (ρ_н) от содержания в ней песка (П)

 

Первый этап предусматривает выполнение ряда исходных опе­раций: обоснование главных показателей строительно-эксплуатаци­онных свойств конгломерата, исходя из тщательного анализа реальных условий работы его в конструкциях; выбор исходных материалов, соответствующих их функциональному назначению как компонентов конгломерата; определение или проверка, если были указаны, технических свойства принятых материалов с при­влечением стандартных нормативов и с учетом производственных или назначаемых по проекту технологических параметров и режи­мов. Для ответственных строительных объектов результаты первого этапа проектирования состава конгломерата могут быть рассмотре­ны совместно со строительной организацией (заказчиком) как свое­образное техническое задание.

Второй этап — расчетно-экспериментальный и предназначен для определения расхода принятых компонентов на одну тонну, или на 1 м³, или на другое количество смеси (например, на один замес сме­си в объеме смесительного аппарата). Он выполняется в определен­ной последовательности операций, исходя из основных зависимо­стей в их математических выражениях, которые можно использо­вать в программах, реализуемых в дальнейшем с помощью машин­ной техники. Первая операция в этой последовательности — опре­деление расчетной активности принятого вяжущего вещества и ми­нимального фазового отношения, т. е. R* и с*/ф. Впрочем, определе­ние расчетной активности более часто относят к первому этапу про­ектирования состава при технической оценке исходных материалов. Вместо прочности может быть принято другое свойство материа­ла — упругая деформация, плотность, вязкость, морозостойкость и т. п., в зависимости от назначения ИСК. Второй операцией на этом этапе проектирования служит определение состава плотной смеси заполнителя ρ_н (рис. 3.14). Третья и наиболее емкая операция — вы­явление количества исходных компо­нентов в смеси, из которой формуют конгломерат. Она выполняется с по­мощью формул и расчетных характе­ристик, безмашинным способом или с привлечением электронно-вычислите­льных машин. При необходимости определяют показатели тех же свойств при других значениях Т и ν.

Третий этап — изготовление проб­ного замеса проектного состава, по возможности в производственных условиях, например в смесительном цехе завода. С помощью лаборатор­ных испытаний устанавливают качест­во смеси и отформованного конгломе­рата по всем предусмотренным свой­ствам. Особо устанавливают наличие оптимальной структуры, например по индикатору подобия или по кривым оптимальных структур. Если отмечены отклонения, то про­изводят корректирование состава. Последнее может потребоваться и при выпуске массовой продукции на заводе, если исходные мате­риалы получают время от времени другого состава и других свойств, чем были приняты в лаборатории на стадии проектирова­ния состава.

Ниже детализируется рациональная последовательность проек­тирования состава ИСК в общем виде с изложением в некоторых последующих главах конкретных примеров при безмашинном и ма­шинном способах.

Первый этап: определение расчетной активности вяжущего ве­щества (R*) как матричной части ИСК и минимального значения с*/ф, обеспечивающего при принятых технологических параметрах оптимальную структуру. Для этого из смеси вяжущего вещества с 3—4 различными с/ф, отличающимися между собой обычно на ве­личину 0,02—0,05, изготовляют образцы, установленные стандарта­ми при оценках свойств испытуемого материала. Для первых прикидочных опытов образцы могут приниматься меньших размеров в целях экономного расходования исходных компонентов. После всех испытаний и графического построения функции R = f (с/ф) находят и, при необходимости, уточняют искомое значение с*/ф при наибо­льшей прочности вяжущего вещества R*.

На первом этапе устанавливают также состав плотной смеси за­полнителя (крупного — К имелкого — М) расчетным или, что чаще, экспериментальным путем с определением соотношения по массе величины М/К.

Второй этап начинается с уточнения конкретных математиче­ских зависимостей, которыми предстоит воспользоваться в расчетах по составу конгломератной смеси. Здесь потребуется выполнить также две операции, одна из которых является вспомогательной (эк­спериментальной), другая — основной (расчетной).

Вспомогательная операция необходима для определения показа­телей степени n и m, используемых в формулах прочности и соста­вов. Для этого по лабораторным данным строят кривую оптималь­ных структур (рис. 3.15) при произвольно выбранном значении (с/ф)_A в точке А на этой кривой. Находят величину R_а на кривой ДВЕ, а также значение (с+ф)_B в точке В. Прочность R_а имеется и на кривой KL, которой к началу эксперимента хотя еще и нет, но о ее вероятном существовании, как кривой оптимальных структур на плоскости х — у из теории ИСК известно. И тогда полученных дан­ных R_а, (с/ф)_B, (с/ф) достаточно, чтобы определить значения показа­телей степени n и m, согласно формулам (3.3) и (3.4), поскольку дру­гие требуемые значения R* и с*/ф уже были определены на первом этапе проектирования, а именно:

 

 

Рис. 3.15. Графики кривых оптимальных структур в пространственной системе коорди­нат R=f(с/ф; с+ф) (а) и на плоскостях R= f ₁(с/ф); R= f ₂(с+ф1); с/ф= f ₃(с+ф1) (б); с+ф=100–(п+щ) в %

 

Здесь важно учитывать, что величина n является посто­янной, тогда как m — пере­менная, требующая коррек­тирования для других значе­ний с/ф или R. На этом вспомогательная операция второго этапа завершена. Следует переход к основной операции этого этапа — на­числению количества расхо­дов компонентов в проект­ном составе смеси. Рациона­льная последовательность расчетов:

а) искомое фазовое отно­шение вяжущего вещества, пользуясь формулой (3.4), а именно: где R_зад – величина прочности ИСК, состав которого проектируется;

б) искомое с+ф конгломерата, пользуясь формулами (3.3) и (3.4), а именно: где m_x отличается от ранее полученного значения m, так как определяется при новом значении (с/ф)_иск, а не при прежнем (с/ф)_А, а именно:

в) искомое количество жидкого компонента с на 1 т смеси:

г) искомое количество дисперсного твердого компонента смеси на 1 т:

д) искомое количество заполнителя: М+К=100 – (с+ф)_иск;

е) искомое количество мелкого компонента в заполнителе при ранее найденном отношении М/К, а именно:

ж) искомое количество крупного компонента в заполнителе:

Все найденные значения с, ф, М, К умножены на 10 потому, что в 1 т (1000 кг) каждый 1% составляет 10 кг.

При необходимости производят перерасчет массы компонентов на 1 м³ конгломератной смеси (без учета воздушных пор) в следую­щей последовательности:

а) определение абсолютных объемов исходных материалов (при условии, что известны или были найдены на первом этапе проекти­рования значения их истинных плотностей δ_с, δ_ф, δ_M и δ_K), необходи­мых для образования 1 тонны смеси (л):

10∙с/δ_с; 10∙ф/δ_ф; 10∙M/δ_M; 10∙К/δ_К;

б) определение средней плотности конгломератной смеси (кг/м³):

в) определение материалов на 1 м³ конгломератной смеси (кг/м³):

жидкой среды: с∙γ_иск;

твердой фазы: ф∙γ_иск;

мелкого заполнителя: М∙γ_иск;

крупного заполнителя: К∙γ_иск.

Третий этап: приготовление контрольного замеса (лучше в про­изводственных условиях) с оценкой его качественных характери­стик. При необходимости корректируют проектный состав с учетом влажности используемых минеральных компонентов смеси. Запро­ектированный и откорректированный состав передают на производ­ство для использования его в строительстве.