Содержание к диссертации
Введение
1. Роль процессов перемешивания и уплотнения в формировании ранней структуры бетона 14
1.1. Исходные предпосылки изучения процессов формирования ранней структуры бетонов 14
1.2. Научно-практические предпосылки управления процессами перемешивания и уплотнения 21
2. Методология и методы исследований 37
2.1. Процессы формирования структуры бетона как объект исследования, оптимизации и управления 37
2.1.1. Структурные характеристики бетонной смеси 38
2.1.2. Анализ процессов раннего формирования структуры бетонов как сложной физико-механической системы 42
2.1.3. Описание и построение моделей раннего формирования структуры бетона : 46
2.1.4. Принципы идентификации моделей и оптимизации процессов раннего формирования структуры бетонов 59
2.1.5. Подходы к управлению процессами раннего формирования структуры бетона 60
2.2. Методы исследования структуры и свойств бетонной смеси в условиях вибрационных воздействий 63
2.3. Характеристика сырьевых материалов и бетонных смесей 72
3. Исследования свойств бетонной смеси, проявляемых в условиях сдвига при перемешивании и вибрировании 76
3.1. Исследование структурно-реологических свойств систем, составляющих бетонную смесь, проявляющихся при относительном сдвиге 76
3.2. Исследование диссипативных, инерционных и структурно-реологических свойств бетонной смеси, проявляющихся при вибрационных воздействиях 86
3.2.1. Исследование диссипативных и инерционных свойств бетонной смеси 86
3.2.2. Исследование структурно-реологических свойств бетонной смеси при вибрационном воздействии 101
3.3. Обоснование и выбор типа смесителей для приготовления бетонной смеси 110
3.3.1. Оценка эффективности смесителей для приготовления бетонной смеси 110
3.3.2. Обоснованней выбор привода смесителя 116
3.4. Исследования процессов раннего формирования структуры бетонной смеси при вибромеханическом перемешивании 125
3.5. Идентификация параметров и проверка адекватности математических моделей процессов перемешивания и уплотнения 130
3.6. Выводы 134
4. Внедрение результатов исследований и определение их технико-экономической эффективности 136
4.1. Системы автоматического контроля процессов приготовления и уплотнения бетонной смеси 136
4.1.1. Результаты разработки установки автоматического контроля и регулирования реологических свойств бетонной смеси при ее приготовлении 139
4.1.2. Результаты разработки систем контроля процесса уплотнения бетонной смеси 144
4.1.3 .Результаты разработки системы измерения вибровязкости бетонной смеси 150
4.2. Смесители с вибромеханическим перемешиванием 153
4.2.1. Катково-лопастноЙ смеситель с вибрирующей чашей 154
4.2.2. Лопастной смеситель с качающимся и вибрирующим корпусом 158
4.3. Лабораторная виброплощадка с расширенными функциональными возможностями 162
4.4. Промышленные виброплощадки с автоматизированным управлением 168
4.4.1. Промышленные испытания виброплощадки для производства изделий широкой номенклатуры 175
4.4.2. Промышленные испытания виброплощадки для производства железобетонных шпал 178
Основные выводы 183
Литературные источники 185
Приложения 20
- Научно-практические предпосылки управления процессами перемешивания и уплотнения
- Анализ процессов раннего формирования структуры бетонов как сложной физико-механической системы
- Исследование диссипативных и инерционных свойств бетонной смеси
- Результаты разработки установки автоматического контроля и регулирования реологических свойств бетонной смеси при ее приготовлении
Введение к работе
Практически неисчерпаемая сырьевая база, высокие показатели физико-механических свойств, долговечность, относительно невысокая стоимость предопределяют бетон и железобетон сегодня и в будущем в качестве основных строительных материалов [1]. Главной проблемой в области промышленности сборного железобетона является создание и освоение прогрессивных технологий и техники, обеспечивающих рост производительности труда, снижения материалоемкости, энергоемкости, улучшение качества готовой продукции. Основное направление совершенствования технологии предусматривает создание систем, обеспечивающих комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов, и их управление. Осуществление автоматизации требует получения оптимальных решений, базирующихся на количественном изучении и описании процесса.
В выполненной диссертационной работе решаются задачи получения исходных количественных закономерностей, необходимых для управления технологическими процессами перемешивания бетонной смеси и формования бетона, т.е. процессами раннего формирования структуры бетона. Диссертационная работа относится к области заводской технологии бетона и железобетона, в то же время ее результаты могут быть распространены на процессы формирования структуры и других композиционных материалов.
Известно, что основные свойства бетона, такие как прочность, однородность по прочности, деформативность и др. закладываются на этапе формирования ранней структуры бетона при перемешивании бетонной смеси и ее уплотнении. Одним из определяющих факторов технологии бетона является вибрационное воздействие. Оптимизация режимов и условий реализации вибрационных воздействий наряду с другими факторами, такими как применение модифицирующих химических добавок, микрокремнезема, фибр, полимерных компонентов и др. служат основой для существенного повышения эффективности производства. Важным является и то обстоятельство, что применение вибрационных воздействий создает предпосылки для создания систем автоматического управления процессами.
Процессы раннего формирования структуры бетона характеризуется протеканием нелинейных, многомерных, нестационарных, стохастичных физико-химических процессов. Управление этими процессами может быть реализовано на основе применения системного подхода. Такой подход к изучению технологии бетонов уже был успешно реализован [2...4]. Системный анализ включает: постановку задачи, структуризацию исследуемых систем, предусматривающую расчленение ее на подсистемы, создание модели управления системы с последующей ее идентификацией. Разработка модели управления осуществлялась на основе моделей, которые строились путем накопления информации об изучаемых процессах. Процедура идентификации технологического процесса заключается в реализации его функционирования по полученным в реальных условиях работы объекта входным и выходным переменным. В диссертации при исследовании процессов формирования структуры бетона в качестве входов рассматривались физико-химические свойства составляющих компонентов, количественные соотношения между ними, параметры силовых, в том числе и вибрационных воздействий, величины внешнего давления, и д.р., а в качестве выходов — характеристики структуры бетонов, такие как плотность, пористость, параметры их распределения. В качестве параметров оптимизации рассматривались показатели свойств бетона, материальные и энергетические затраты. В такой постановке решались практически все задачи диссертационной работы. При этом использовались, как правило, системы управления с обратной связью.
Процессы перемешивания и формования характеризуются нами как сложные иерархически многоуровневые системы. При этом на различных масштабных уровнях рассматриваются: межчастичные взаимодействия, явления формирования агрегированных систем; диссипативные процессы и массообмен при относительном пульсационном движении, как отдельных твердых частиц, так и фрактально-кластерных образований; энергетика системы в масштабе аппарата с оценкой количества подводимой внешней энергии, расходуемой на усреднение многокомпонентной системы. Динамика процессов на каждом масштабном уровне определяется балансом внешних и внутренних сил. Существующие способы перемешивания и формования в целом оказывают влияние на процессы всех отмеченных уровней. Вместе с тем, нами разработаны способы усиления внешнего воздействия на перемешиваемую и уплотняемую систему на требуемом масштабном уровне, в первую очередь, за счет действия вибрации, что обеспечивает изменение баланса сил и, в конечном итоге, повышение качества бетонной смеси и бетона.
Теоретической и практической основой исследования процессов перемешивания и уплотнения являлись: соответствующие разделы таких фундаментальных наук, как математическая статистика, теория управления, физическая и коллоидная химия, статистическая физика, а также основополагающие разработки прикладных наук в области технологии бетонов, автоматизации технологических процессов и др.
В технологию приготовления бетонной смеси определяющий вклад внесли работы Ю.М. Баженова, Г.Я. Кунноса, В.В. Михайлова, В В. Помаз-кова и др,, в области реологии дисперсных систем - труды П.А. Ребиндера, Б.Н.Урьева, А.А Трапезникова, вибрационного уплотнения бетонной смеси - исследования А.Е. Десова, Н.В. Михайлова, И.Ф. Руденко, О.А. Савинова, В.Н. Шмигальского; результаты углубленного изучения вибрационного формирования структуры бетонов, реализованного в работах В.В. Помаз-кова, А.А. Афанасьева и других ученых. Широкому распространению вибрационных способов перемешивания и уплотнения бетонов способствовало развитие соответствующего раздела механики - виброреологии, основные положения которой изложены в трудах И.И. Блехмана, Г.Ю. Джена-лидзе, И.И. Быховского, И.Ф. Гончаревича. Существенный импульс развитию современного структурного материаловедения в последние годы дали работы, выполненные Ю.М. Баженовым, И.А. Рыбьевым, П.Г. Комоховым, В.И. Соломатовым, Е.М. Чернышевым, Е.И. Шмитъко и другими учеными, в которых реализуется подход, основанный на неформальном представлении многоуровневой структуры композиционных материалов, дана качественная и количественная оценка структурных уровней и показана возможность управления свойствами материалов путем изменения их структуры.
Таким образом, обобщенные результаты теоретических и практических исследований в области технологии бетонов, соответствующих разделов фундаментальных наук создали предпосылки для комплексного решения научной проблемы управления процессами раннего формирования структуры бетона - с позиций обеспечения требуемого качества изделий, ресурсосбережения, создания основ автоматических систем управления технологическими процессами, С развитием этого направления связаны цель, задачи и содержание диссертационной работы.
Основной целью диссертационной работы является исследование и оптимизация процессов вибромеханического перемешивания и виброуплотнения бетона, получение исходных данных для проектирования смесительного и виброформовочного оборудования, отвечающего современным требованиям и обеспечивающего повышение качества изделий, снижение энергозатрат, улучшение условий труда.
В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационной работы являются.
1. Исследовать вопросы управления процессами перемешивания и уплотнения бетонной смеси, обосновать цели управления и критерии оптимизации, определить перечень управляющих факторов, выявить наиболее значимые внутренние связи, обуславливающие качество получаемой структуры бетона, оценить возможности общепринятого энергетического подхода для разработки моделей рассматриваемых процессов.
2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования структурно-реологических свойств цементосодержащих композиций, в том числе растворных и бетонных смесей, с учетом фрактально-кластерных проявлений в микрогетерогенной составляющей исследуемых систем.
3. Исследовать теоретические и практические вопросы процесса вибромеханического перемешивания растворов и бетонных смесей, разработать математическую модель управления процессом.
4. Исследовать научно-практические вопросы процесса вибрационного формирования структуры бетонных смесей, разработать математическую модель процесса вибрационного формирования структуры бетонов.
5. На основе представлений о формировании ранней структуры бетонов при реализации процессов виброперемешивания и виброуплотнения решить практические задачи создания соответствующего оборудования, систем регулирования и управления.
Работа выполнена автором в период с 1981 по 2004 г.г. на кафедрах «Автоматизация технологических процессов» и «Технология строительных изделий и конструкций» Воронежского государственного архитектурно-строительного университета в плане целевых государственных и отраслевых программ Госстроя СССР, Минпромстройматериалов СССР, госбюджетных и хоздоговорных НИР, в том числе важнейших плановых и конкурсных НИР «Исследовать и усовершенствовать технологический процесс производства шпал на технологических линиях с целью повышения производительности на 25 % с выпуском шпал улучшенной конструкции повышенного качества» (программа Госстроя СССР 011.031, программа Минпромстройматериалов СССР на 1981...1985 г.г., шифр 2.04.035.01).
Научная новизна работы.
1. Разработаны и получили дальнейшее развитие методы количественных исследований процессов вибромеханического перемешивания и виброуплотнения бетонных смесей и бетона.
2. Установлены закономерности изменения структурно-реологических свойств бетонной смеси при относительном сдвиге в зависимости от ее состава, свойств составляющих компонентов и параметров внешних воздействий, реализуемые при построении моделей процессов вибромеханического перемешивания и виброуплотнения.
3. Установлены изменения инерционных и диссипативных свойств бетонной смеси при вибрационном воздействии в зависимости от ее состава и параметров вибрации, явившиеся основой для разработки систем управления.
4. Получены исходные данные, разработаны и практически апробированы автоматизированные системы регулирования работы вибромеханических смесителей и виброплощадок в резонансном режиме, системы управления процессами виброперемешивания и виброуплотнения бетонных смесей.
5. Разработаны новые образцы вибросмесительного и формовочного оборудования, оснащенные системами автоматического регулирования и управления.
Практическое значение работы
На основе представленных в диссертации положений решены практические задачи повышения качества выпускаемой продукции, снижения энергозатрат на производство.
Созданы и прошли промышленную апробацию смесители, оснащенные системами автоматического управления, позволившие существенно повысить качество процесса перемешивания бетонной смеси и обеспечить высокую прочность бетона в ранние сроки твердения за счет механической активации вяжущего. Результаты исследований процессов уплотнения легли в основу проектирования и создания автоматизированных резонансных виброплощадок для формования железобетонных шпал, виброплощадок для формования изделий широкой номенклатуры, лабораторной виброплощадки с расширенными функциональными возможностями, устройства для контроля и регулирования реологических свойств бетонных смесей.
Внедрение результатов. Результаты исследований внедрены на заводе ЖБИ №2 (г. Воронеж), на заводе «Спецжелезобетон» (г. Лиски Воронежской обл.), в ПО «Строммаш» (г. Челябинск), в НПКО «Промавтома-тика» (г. Воронеж), во Всесоюзном институте огнеупоров Минмета СССР (г. Москва), во Всесоюзном институте огнеупоров (г. Ленинград), на огнеупорном заводе Минчермета СССР (г. Семилуки Воронежской обл.), и на заводе «Стройдсталь» (г. Псков).
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». Моделирование процессов виброуплотнения и перемешивания бетонной смеси осуществляется в курсе «Процессы и аппараты в технологии строительных материалов и изделий», оптимизации режимов формования - в курсе «Технология бетонных и железобетонных изделий», а также при выполнении студенческих НИР, курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили одобрение на координационном совещании (ВНИИжелезобетон, НИИЖБ Госстроя СССР) «Теория и практика формования железобетонных изделий и конструкций» - Москва, 1985 г.; семинаре по вибрационной технике при Московском доме научно-технической пропаганды - Москва, 1986 г., республиканском научно-техническом семинаре Воронежского НТО «Бетон и железобетон - ресурсо- и энергосберегающие конструкции и технология» —Воронеж, 1988 г.; Всесоюзном научно-техническом совещании «Реконструкция и техническое перевооружение огнеупорных предприятий для выпуска новых, прогрессивных видов огнеупоров» - Москва, 1988 г.; Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» - Воронеж 1998 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» - Тула, 2003 г.; Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» - Белгород, 2003 г.
Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 18 печатных работах; получено 11 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных литературных источников (160 наименований) и приложений, содержащих рабочие материалы в форме расчетов, документы, отражающие результаты производственных внедрений и их экономическую эффективность. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 79 рисунков.
На защиту выносятся:
- методология исследований процессов виброперемешивания и виброуплотнения бетонной смеси, способы управления этими процессами;
- теоретические и экспериментальные результаты исследований процессов раннего формирования структуры растворных и бетонных смесей в условиях вибрационного относительного сдвига при виброперемешивании и ви броуплотнении;
- результаты исследований структурно-реологических, диссипативных и инерционных свойств бетонных смесей;
- представления о механизмах вибрационного перемешивания и формования бетонной смеси, энергетические модели процессов виброперемешивания и виброуплотнения;
- практические разработки по созданию вибросмесительного оборудования, промышленных автоматизированных резонансных виброплощадок, оснащенных системой автоматического контроля степени уплотнения бетонной смеси, лабораторной виброплощадки с расширенными функциональными возможностями, устройства для контроля и регулирования реологических свойств бетонных смесей.
Научно-практические предпосылки управления процессами перемешивания и уплотнения
Развитию представлений о сущности вибрационного воздействия на бетонную смесь и разработке способов виброформования железобетонных изделий и конструкций способствовали известные работы А.Е. Десова [14], О.А. Савинова [25], В.Н. Шмигальского [26], В.В. Михайлова [27], А.А. Афанасьева [28], Б.В. Гусева [29], И.Ф. Руденко [30] и других исследователей. Обширные исследования технологии формования в НИИЖБе, ВНИИГе, ВНИИжелезобетоне, ВНИИстройдормаше, в других исследовательских, проектных организациях и во многих ВУЗах страны позволили создать вибрационное оборудование для изготовления железобетонных изделий различного назначения и широкой номенклатуры. Основная масса железобетонных изделий изготавливается на виброплощадках. Преимущество станкового формования перед другими способами заключается в его универсальности, позволяющей изготавливать изделия различные по форме и массе. На заводах сборного железобетона одними из первых стали применяться виброплощадки рамного типа с одновальним дебалансным приводом и круговыми колебаниями. В дальнейшем нашли широкое распространение виброплощадки блочного типа с дебалансным приводом вертикально направленного действия. Эти виброплощадки комплектуются из отдельных виброблоков грузоподъемностью в 1,0...1,5 т. Общая грузоподъемность площадок обычно варьируется от 5 до 25 т [31].
Разработаны и нашли применение на практике импульсные ударные и ударно-вибрационные машины, созданы виброплощадки с горизонтально и вертикально направленной вибрацией с устройством для подстройки режима их работы в резонансной области. Однако, вследствие несовершенства таких систем поддержания резонанса, режим их работы оказался не стабильным. Например, по данным И.И. Быховского величина амплитуды колебаний виброплощадок этого типа изменяется в процессе уплотнения в три раза [32].
Изучались условия взаимодействия бетонной смеси с рабочим органом формовочной машины, подвергающимся вибрационным [25], виброударным [25,29] и др. видам воздействий. Различными исследователями использованы такие критерии оценки вибрационных воздействий на бетонную смесь, как скорость [14], ускорение колебаний [33,3], интенсивность [26] и др.
Для повышения эффективности вибрационных воздействий, улучшения однородности уплотнения бетонной смеси, сокращения времени формования, повышения качества поверхности готовой продукции изучены, разработаны и нашли практическое применение разнообразные типы инерционного, безынерционного и вибрационного пригрузов [25,34].
Из приведенного краткого обзора следует, что накоплен значительный объем исследований, проектно-конструкторских разработок и большой производственный опыт применения способа виброформования изделий. Однако, технология этого процесса, его эффективность и условия труда при его выполнении все еще не отвечают современным требованиям [35]. Несмотря на богатый опыт применения и использования виброформовочного оборудования, и в настоящее время процесс уплотнения остается фактически неуправляемым, не достигается требуемая однородность уплотнения изделий из-за неравномерного распределения амплитуд колебаний по площади формы, не обеспечиваются необходимые санитарно-гигиенические условия труда в формовочных цехах из-за высокого уровня звукового и вибрационного воздействия на обслуживающий персонал. Кроме того, виброплощадки обладают невысокой надежностью из-за наличия большого количества недолговечных узлов, таких как подшипники, карданные валы, синхронизаторы. При этом вследствие низкого коэффициента полезного действия величины потребляемой мощности высокие, а потери энергии достигает 80 % всей затрачиваемой мощности [35,36].
Успешное преодоление этих и некоторых других недостатков технологии виброформования, создание более совершенного вибрационного оборудования решение задач механизации и автоматизации передела формования требует более полного количественного изучения процессов и явлений, протекающих при уплотнении и, в первую очередь, при виброуплотнении.
Известно, что при вибрационных воздействиях цементное тесто и бетонная смесь способны переходить в «виброожиженное» состояние [3,27,33]. Исследования свойств таких систем являются предметом изучения реологии. Реология, как наука, сформировалась в начале двадцатого века благодаря исследованиям Е. Бингама [37], Т.Ю. Шведова [38], а в последующие годы М. Рейнера [39], Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица [40], Ре-биндера [41], и др. Известно, что основополагающими в реологии являются модельные представления о свойствах реальных материалов, позволяющие установить определенные зависимости между напряжениями и деформациями, то есть получить реологические уравнения, устанавливающие связь между силовыми и кинематическими параметрами, характеризующими состояние изучаемых систем. Такое моделирование основано на абстрагировании, заключающемся в сознательном упрощении свойств реальных систем, путем отбрасывания их второстепенных свойств и сохранения за ними лишь основных показателей качества. Эти показатели качества моделируются комбинациями уравнений, выражающих обобщенные законы Гука, Ньютона, Сен-Венана для идеальных сред, а в их дискретных аналогах - закон сопротивления, пропорциональный скорости движения тела и закон сухого трения - Кулона-Амонтона. Преимуществом такого моделирования является относительная простота и наглядность
Анализ процессов раннего формирования структуры бетонов как сложной физико-механической системы
Характер развития и протекания физико-химических процессов определяется свойствами фаз, а именно дисперсностью, природой и свойствами поверхности твердой фазы, свойствами жидкой фазы, в том числе наличием в ней молекул ПАВ, а также параметрами внешних воздействий - температурой, давлением и др. К этому уровню отнесены совокупности физико-химических эффектов, протекающих в масштабе коллоидных и микрогетерогенных частиц. Результатом взаимодействий является формирование первичных фрактально-кластерных образований. Эти образования обладают относительной термодинамической устойчивостью при гидродинамических возмущениях.
Ко второму уровню отнесены: диссипативные явления при относительном и пульсационном движении отдельных твердых частиц, пузырьков, фрактально-кластерных образований; массообмен, возникающий при относительном движении дисперсной фазы (пузырька, частицы, фрактального кластера) в объеме системы под действием архимедовой и инерционной сил, сил сопротивления; массообмен, возникающий вследствие калиллярно-пленочных взаимодействий, сопровождающихся одновременным переносом энергии и импульса из-за скоростной неравновесности фаз и др. Потоки массы и энергии обусловливаются изменением физических и термодинамических характеристик фаз, таких как вязкость, плотность, теплоемкость, температура и др. На этом уровне рассматриваются явления внутри - и межпоточного движения. Так движение элементов, в первую очередь, грубодисперсной фазы приводит к деформации полей концентраций и скоростей. Основными количественными характеристиками систем для данного уровня являются нормальные и касательные напряжения, значения деформаций и скоростей деформаций, коэффициенты вязкости. К факторам, определяющим эффекты и явления этого уровня, относятся: количественные соотношения фаз, параметры механических воздействий, внешнее давление и температура и др,
Эффекты третьего уровня характеризуют энергию, подведенную к локальному объему аппарата и расходуемую собственно на перемешивание или уплотнение. Эти процессы системы в масштабе аппарата характеризуются наличием потоков, формирующихся в «стесненности», вызванной ограниченными размерами аппарата. Факторами, относящимися к процессам третьего уровня, являются конструктивные особенности машины, ее тип, режимы работы. Конструкцией смесителя определяются как количество подводимой внешней энергии, идущей на усреднение и уплотнение многокомпонентной среды, так и величины диссипируемой энергии при гидродинамических возмущениях, в том числе вносимых с входными потоками исходных компонентов. Конструктивные особенности виброуплотняющих устройств определяют: способ передачи вибрационных воздействий; вид и направленность вибрации; геометрию формуемого изделия и связанные с ней распределения полей напряжений и деформации; количество энергии, необходимой для формирования требуемой структуры материала, сопровождающееся относительным перемещением и переупаковкой компонентов, величины диссипируемой энергии.
Согласно классическим представлениям, модель это искусственно созданный объект любой природы, который воспроизводит исследуемый объект так, что изучение его способно давать новую информацию об этом объекте. Известно, что моделирование основано на абстрагировании свойств объектов и установлении между моделью и объектом определенного соответствия. При решении задач по обеспечению заданного функционирования технологических процессов используются многочисленные модели. Каждый из видов моделей обычно применяется для решения определенного круга задач и является тем практическим научным багажом, по которому можно судить об уровне наших знаний в области технологии и об умении формализовать возникающие задачи управления. Это связано с тем, что технологический процесс представляет собой сложную систему. Создание для него единой обобщенной модели представляет значительные трудности, и практически такая модель не может быть использована. Поэтому при обсуждении вопросов моделирования необходимо оценить те методы моделирования и присущие им модели, которые находят широкое применение на практике. Так при подробно детализированной классификации различают более десятка классов и подклассов моделей. В настоящее время наиболее востребованными при решении практических задач являются математические модели, реализуемые, как правило, с помощью ЭВМ. Математические модели позволяют наиболее полно отразить процессы, протекающие в сложных кибернетических системах. Эти модели фиксируются особой ма- тематической структурой, отражающей свойства объекта, проявляемые им в конкретных условиях его существования, движения. Требования, которые предъявляются к моделям, неоднозначны. С одтюй стороны, модель должна быть настолько полной, чтобы учитывать все основные факторы, влияющие на протекание моделируемого процесса. С другой стороны, модель должна быть настолько проста, чтобы мелкие, второстепенные факторы не усложняли математического анализа и не мешали выявлению главных зависимостей между ее параметрами, а также легко реализовывались при создании систем управления.
Исследование диссипативных и инерционных свойств бетонной смеси
Это свидетельствует о том, что в цементно-водных дисперсиях формируются агрегаты с меньшей «шероховатостью» поверхности, чем в системах «микронаполнитель-вода». Внутри агрегатов цементно-водных систем удерживается и большее количество воды. Это утверждение основывается на получении более высоких показателей концентрации кластеров при равных значениях концентрации твердой фазы в цементно-водных дисперсиях по сравнению с системами микронаполнитель-вода.
Введение в цементно-водные системы грубодисперсной составляющей, как и в статическом состоянии, приводит к снижению показателей фракталь-ности и концентрации кластеров при одинаковых величинах концентрации твердой фазы (таблица 3.1, рис. 3.7). Можно предположить, что при этих условиях формируются системы, у которых при наличии достаточно плотных агрегатов межагрегатное пространство «рыхлое». Как уже отмечалось, при механическом перемешивании частицы песка движутся совместно с цемент-но-водными агрегатами и соответственно не разрушают их структуры своим относительным движением. Этот результат имеет теоретическое обоснование и практическое подтверждение, которое подробно представлено в работе [88]. Установлено, что в случае мелких и очень мелких частиц структура суспензии при течении не отличается формально от турбулентного течения жидкости. Размеры частиц определяются из условий: очень мелкие частицы частицы совершают относительное движение в потоке. Рассматривая зависимости (3,1... 3,3) применительно к поведению цементных растворов в условиях сдвига, можно отметить, что приведенные закономерности справедливы и для них. Расчеты, выполненные по (3,! ...3,3) показывают, что в данном случае частицы песка относятся к мелким и движутся совместно с потоком. В то же время, вибрационное воздействие вызывает относительное движение частиц песка таких размеров и разрушает цементно-водные агрегаты.
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие обобщения. Применение методики исследований, содержащей методы оптического анализа, ротационной вискозиметрии, компьютерного моделирования позволили дополнить и развить уже имеющиеся представления о структурно-реологических свойствах иементно-водных систем, систем с микро - и макро заполнителем. Подтверждено, что в изученных системах «цемент-вода», «микронаполнитель-вода» в статических условиях в результате взаимодействия внутренних сил, представленных, главным образом, капиллярно-пленочными силами, и внешних сил, обусловленных действием массовых сил, формируются фрактально-кластерные системы. При этом сформировавшиеся агрегаты отличаются достаточно высокой плотностью и устойчивостью. При действии сдвига часть внутриагрегатных и межагрегатных связей разрушается, но, вместе с тем, агрегаты сохраняются и при величинах сдвига, обеспечивающих максимальное «разжижение» систем. Введение в цементпо-водные системы грубодисперсной составляющей в виде мелкой фракции песка принципиально структуру не изменяет, т. е, и в этом случае агрегированность систем сохраняется. Последнее имеет большое практическое значение, так как есть основание полагать, что в условиях механического перемешивания его эффективность существенно снижается из-за присутствия агрегированных структур, в первую очередь, в микрогетерогенной составляющей бетонной смеси. В то же время при вибромеханическом перемешивании действие вибрации оказывает положительное влияние, заключающееся в разрушении цементно-водных агрегатов и, соответственно, получении более однородных структур.
Исследовались процессы вибрационного разжижения и формирования структуры бетонной смеси при ее уплотнении. Установлены количественные закономерности изменения структурно-реологических, диссипативных и инерционных свойств бетонной смеси, обеспечивающих оптимизацию и управление процессом виброуплотнения,
Явления, протекающие в вибрируемых дисперсно-зернистых материалах, суспензиях, жидкостях тесно связаны с их диссипативными и инерционными свойствами [59,90,91]. Показатели диссипативных и инерционных свойств могут служить в качестве интегральных оценок состояния вибрируемых дисперсно-зернистых материалов и использоваться для их количественного изучения [33]. Показано, что процессы вибрационного формирования структуры и сопровождающие их явления, целесообразно изучать путем наблюдения процесса в резонансном режиме, позволяющем обеспечить высокую чувствительность аппаратуры к изменениям свойств вибрирусмой системы [92,93]. Принцип управления резонансным режимом работы вибрационных установок был осуществлен, запатентован и реализован в наших исследованиях [94,..98]. Результаты этих многочисленных исследований и их промышленная апробация показали возможность измерения с высокой точностью характеристик процессов виброожижения и формирования структуры дисперсно-зернистых систем.
В исследованиях применялась установка с регулируемыми параметрами движения, позволяющая автоматически обеспечивать заданный резонансный режим в процессе вибрационного воздействия.
Результаты разработки установки автоматического контроля и регулирования реологических свойств бетонной смеси при ее приготовлении
Как и ожидалось, отмеченные явления в формировании структуры систем «цемент-вода» в условиях вибрационных воздействий характерны и для систем «цемент-песок-вода», т.е. для растворов (рис. 3.20). Первоначально сформировавшаяся фрактально-кластерная структура свободно-уложенной системы «цемент-песок-вода» при вибрационном воздействии перестраивается, что сопровождается увеличением концентрации плотных зон кластеров и их объединением. При этом сохраняется, как и в случае систем «песок-вода», существенная неоднородность уплотнения. Вместе с тем, количество зон неоднородности уплотнения в системах «цемент-песок-вода» существенно меньше, чем в системах «цемент-вода». Наблюдаемая структура уплотненного цементного раствора формируется вследствие возникновения в нем при вибрации относительного движения как агрегатов, так и частиц заполнителя. Полученные результаты, хорошо согласующиеся с теоретическими положениями [83,105], показывают, что в целом относительное пульсационное движение крупных частиц определяется их плотностью, характеристикой поверхности, действием вязких внутренних сил, амплитудами ускорений колебаний, степенью уплотнения бетонной смеси.
Рассмотрим влияние относительного движения крупного заполнителя - щебня - на процесс с учетом формирования фрактальных агрегатов в микрогстерогенной составляющей. Происходящие явления хорошо иллюстрируются на примере анализа зависимости диссипации энергии при виброуплотнении цементного раствора и бетонной смеси с равными ве/Шчи нами жесткости бетонной смеси и водоцементного отношения. Введение в смесь крупного заполнителя способствует резкому снижению диссипации энергии в системах. На основании этого можно предположить, что пульса-ционное относительное движение крупного заполнителя существенно изменяет структуру потоков на микроуровне. При относительном движении грубодисперсных частиц разрушается кластерная структура микрогетеро-гешюй составляющей. Судя по известному характеру изменения интегрального показателя плотности эти разрушения не полные, а частичные. Очевидно, что увеличение концентрации частиц крупного заполнителя в смеси способствует росту диссипации вследствие усиления взаимодействия между частицами. Количественную оценку структурных изменений в
Время вибрирования, с бетонной смеси при вибрации дают характеристики изменения ее диссипативных свойств (рис. 3.21). Так, значения мощности, необходимой при уплотнении испытанных бетонных смесей, уменьшаются от 1,5...3,2 Вт/кг в начале процесса, до 0,45...0,90 Вт/кг в конце процесса, т.е. величина мощности, необходимая при виброуплотнении, уменьшается в 3...5 раз.
Нестационарность реологических свойств бетонной смеси, ііроявл яющаяся при вибрационном воздействии, отмечалась неоднократно. Согласно [25,104] в процессе вибрирования происходит изменение характера внутреннего трения. Так, в [104] утверждается, что при вибрационном уплотнении происходит трансформация сил трения от типа «сухого» до вязкого. Нами принимается положение, согласно которому можно считать, что диссипируемая энергия колебаний при вибрировании исследуемых систем эквивалентна их внутреннему трению, т. е. вязкости. Безусловно, имеется в виду не истинная вязкость, а эффективная вязкость, так как мы имеем дело не с классическими системами, для которых применим термин истинная вязкость, а со сложными системами, в которых диссипация энергии происходит на различных масштабных уровнях.
Полученные данные о процессе виброожижения бетонной смеси подтвердили его нелинейный характер. На реологической кривой (рис, 3.21) с некоторой долей условности можно выделить два характерных участка, участок 1, на котором наблюдается резкое падение вязкости, и участок 3, отличающийся незначительным асимптотическим снижением вязкости. Установлено, что между показателем жесткости (по ГОСТ 10181.1) и величиной эффективной вязкости однозначной связи нет. Нелинейность изменения показателя эффективной вязкости бетонной смеси при вибрационном воздействии вносит очевидную неопределенность в ее оценку. Проявление нелинейности изменения реологических свойств бетонной смеси в процессе ее вибрирования, безусловно, связано со структурными изменениями. Совместное рассмотрение результатов исследований изменения структуры микрогетерогенных и грубодисперсных систем при вибрации позволили сделать следующие уточнения.
Сложность структурно-реологических процессов, протекающих в вибрируемой бетонной смеси, предопределила необходимость последовательного их изучения на разных масштабных уровнях. Структурно-реологические процессы можно условно представить на мезо- и микро уровнях. Мезоуровень представлен грубодисперсными частицами и агрегатами, собранными из микрогетерогенных частиц, а микроуровень - микрогетерогенными частицами, жидкой фазой, мелкими воздушными пузырьками. Виброожижение как грубодисперсных, так и микрогетерогенных систем обусловлено возникновением относительного движения составляющих при вибрационном воздействии. Взаимодействие на микроуровне и между агрегатами обеспечивается связями физико-химической природы: молекулярными, коагуляционными, капиллярно-пленочными и др. Именно они и определяют высокую вязкость бетонных смесей на первом этапе уплотнения (участок 1, рис. 3.21).
