eng
Выпуск #7/2017
Т.Низина, А.Балыков, Д.Коровкин, В.Володин
Оптимизация составов цементных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов, содержащих углеродные наномодификаторы
Оптимизация составов цементных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов, содержащих углеродные наномодификаторы
Просмотры: 3757
Приведены результаты исследования физико-механических характеристик дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов, содержащих углеродные наномодификаторы. В результате экспериментальных исследований произведена оптимизация рецептуры модифицированных мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов, позволяющая определить рациональные составы цементных композитов на полях основных прочностных свойств – пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе.
УДК 691.32, ВАК 05.23.05, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.78.7.82.91
УДК 691.32, ВАК 05.23.05, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.78.7.82.91
Теги: compressive strength fiber fine-grained concrete tensile strength in bending мелкозернистый фибробетон предел прочности на растяжение при изгибе предел прочности при сжатии
Впоследние десятилетия при создании высокофункциональных строительных композитов все большее значение отводится методам управления их структурой на различных уровнях: макро-, мезо-, микро-, вплоть до наноразмерного уровня организации строения материи. Нанотехнологии – методы (технологии) производства, основанные на использовании физических, химических и биологических явлений и наноразмерных объектов для создания материалов и изделий, свойства которых определяются их структурой в нанометровом диапазоне [1]. Одной из задач нанотехнологии в строительстве является синтез и использование наночастиц как инструментов регулирования и улучшения эксплуатационных свойств и характеристик строительных материалов. Перспективными для целенаправленного изменения свойств цементных систем (прочности, долговечности и др.) считаются следующие наномодификаторы [2]:
наночастицы SiO2 с удельной поверхностью не менее 180 м2/г, способствующие достижению кардинально новых прочностей и структур цементного камня за счет улучшенной упаковки и пониженной пористости, а также позволяющие контролировать реакции образования и превращения гидросиликатов кальция C-S-H, ответственных за долговечность композитов, и ряд эксплуатационных характеристик (ползучесть, усадку и др.);
наночастицы Fe2O3, повышающие прочность бетона на сжатие и растяжение, а также придающие свойство "самозондирования", заключающееся в возможности регистрации собственных сжимающих напряжений цементных систем через изменение объемного электрического сопротивления растворов с данными наночастицами;
наночастицы Al2O3 и глин (алюмосиликатов), позволяющие значительно увеличить модуль упругости, повысить сопротивление проникновению хлоридов, снизить усадку бетонов;
наночастицы TiO2, являющиеся фотокатализаторами при формировании самоочищающихся поверхностей бетона за счет явления гидрофильности (выделения атомарного кислорода из паров воды или атмосферного кислорода), что позволяет поддерживать и сохранять эстетический вид построенных объектов на требуемом уровне в течение продолжительного времени.
Дополнительные возможности при синтезе композиционных материалов с повышенной прочностью, жесткостью и долговечностью предоставляют производимые в настоящее время в промышленных масштабах углеродные наночастицы. К подобным наночастицам можно отнести высокоупорядоченные кластеры углерода, такие как фуллерены, нанотрубки и нановолокна, астралены, свободные наноразмерные пленки – графены и т.д. [2–5]. С целью снижения трудоемкости синтеза и, как следствие, себестоимости наномодифицирующих веществ российскими учеными была получена целая группа углеродных нанокластеров, названных "фуллероиды" [5, 6].
В последние годы наблюдается существенное усложнение состава композиционных бетонов, состоящих из шести-семи и более компонентов. Многочисленные добавки в бетоне являются своеобразным "ключом" к решению многих технологических задач. Полифункциональность и многокомпонентность применяемых модификаторов позволяет эффективно управлять процессами структурообразования на различных этапах приготовления бетона и получать композиты с высокими эксплуатационными характеристиками [7–12]. Поэтому важнейшей задачей при составлении планов экспериментальных исследований, проводимых с целью получения оптимальных составов строительных материалов, является многокритериальная оптимизация с выявлением наиболее целесообразного содержания вяжущих, наполнителей и заполнителей, модифицирующих добавок и т.д.
Увеличение числа компонентов и рост общего числа рецептурно-технологических факторов цементных композиций приводят к необходимости преодоления трудностей, вызванных так называемым "проклятием размерности" [13]. Кроме того, при оптимизации составов должны быть гарантированы требуемые уровни большого числа эксплуатационных и технологических свойств материала, включая критерии ресурсосбережения. Координаты оптимумов исследуемых критериев качества системы при этом, как правило, не совпадают. Решение подобных многокритериальных задач возможно при комплексной реализации рациональных (как по теоретическим предпосылкам, так и по исполнению) физических и вычислительных экспериментов, а также оптимизации их результатов с принятием компромиссных решений.
При этом существуют сложности, связанные, в основном, с вопросом совместимости "цемент-добавка" и добавок между собой [9, 14], который является предметом многочисленных исследований и обсуждений, дискуссий мировых форумов. В частности, на авторитетных форумах Canmet задача количественной оценки совместимости компонентов комплексных добавок между собой и добавок с цементами выделена в качестве первостепенной [14]. При оценке совместимости важны все факторы, особенно вид и содержание добавки в смеси. Одна и та же добавка в различных дозировках, по аналогии с высказыванием великого немецкого врача Парацельса о лекарственных препаратах, может быть и "лекарством", и "ядом". При этом увеличение числа компонентов бетонных смесей выводит принцип "не навреди" на передний план.
Многокритериальная оптимизация составов и свойств дисперсно-армированных модифицированных мелкозернистых бетонов, несомненно, является актуальной задачей, для качественного решения которой необходимо использование методов математического моделирования и анализа. При этом наибольший интерес, на наш взгляд, представляет метод экспериментально-статистического (ЭС) моделирования, предложенный В.А.Вознесенским [15, 16] и активно развиваемый в настоящее время [17, 18].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью данной работы являлась оптимизация составов мелкозернистых фибробетонов, армированных на разных масштабных уровнях. Основными критериями оптимизации являлись прочностные характеристики – предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4) в возрасте 28 суток.
Основные этапы планирования и проведения экспериментального исследования представлены в работах [19–23]. При применении D-оптимального плана, содержащего 15 опытных точек, варьировалось две группы факторов – вид и содержание используемых добавок (vi), а также вид и содержание применяемой фибры (wi).
Использовались следующие активные минеральные добавки:
микрокремнезем конденсированный уплотненный производства ОАО "Кузнецкие ферросплавы" (v1, МКУ);
высокоактивный метакаолин белый производства ООО "Мета-Д" (v2, ВМК);
гидроизоляционная добавка в бетонную смесь "Пенетрон Адмикс" (v3, "Адмикс").
В качестве дисперсных волокон применялись следующие материалы:
полипропиленовое мультифиламентное волокно с длиной резки 12 мм, диаметром 25–35 мкм, плотностью 0,91 г/cм3 (w1, ППН);
полиакрилонитрильное синтетическое волокно специальной обработки для бетонов FibARM Fiber WВ с длиной резки 12 мм, диаметром 14–31 мкм, плотностью 1,17±0,03 г/cм3 (w2, ПАН);
модифицированная астраленами базальтовая микрофибра под фирменным названием "Астрофлекс-МБМ" длиной 100–500 мкм, средним диаметром 8–10 мкм, насыпной плотностью 800 кг/м3, с содержанием астраленов 0,0001–0,01% от массы фибры (w3, МБМ).
Уровни варьирования исследуемых факторов приведены в таблице. При составлении плана эксперимента обеспечивалось выполнение следующих условий:
0 ≤ vi ≤ 1; ∑vi = 1; i = 1, 2, 3; (1)
0 ≤ wi ≤ 1; ∑wi = 1; i = 1, 2, 3.
В ходе экспериментальных исследований изготавливались серии образцов-призм 40×40×160 мм из равноподвижных фибробетонных смесей, в рецептуре которых наряду с приведенными выше модификаторами использовались: портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б; мелкозернистый заполнитель – природный кварцевый песок Новостепановского карьера (п. Смольный, Ичалковский район, Республика Мордовия) с размером зерна менее 5 мм (65% от массы твердой фазы); суперпластификатор Melflux 1641 F (0,5% от массы вяжущего).
Технология изготовления дисперсно-армированной бетонной смеси включала несколько этапов. На первом этапе осуществлялось введение и перемешивание в сухом состоянии требуемого количества вяжущего заполнителя и модифицирующих добавок; на втором – вводились дисперсные волокна с первой порцией воды (В/Ц=0,2); на третьем – производилась корректировка водой для получения равноподвижных составов.
По результатам исследования были построены экспериментально-статистические модели зависимости исследуемых физико-механических показателей качества мелкозернистых фибробетонов от вида и содержания модифицирующих добавок (смесь I) и дисперсных волокон (смесь II). Обобщенные ЭС-модели прочностных показателей задавались в виде приведенного полинома MIMIIQ "смесь I, смесь II – свойство" вида:
для предела прочности на растяжение при изгибе –
σр.из = 0,65 ∙ v1 ∙ v2 – 3,28 ∙ v1 ∙ v3 – 1,02 ∙ v2 ∙ v3 + 2,16 ∙ w1 ∙ w2 +
+ 1,02 ∙ w1 ∙ w3 + 3,03 ∙ w2 ∙ w3 + 4,70 ∙ v1 ∙ w1 + 3,69 ∙ v2 ∙ w1 + (2)
+ 4,73 ∙ v3 ∙ w1 + 4,92 ∙ v1 ∙ w2 + 5,88 ∙ v2 ∙ w2 + 4,82 ∙ v3 ∙ w2 +
+ 3,68 ∙ v1 ∙ w3 + 5,59 ∙ v2 ∙ w3 + 5,13 ∙ v3 ∙ w3;
для предела прочности при сжатии –
σсж. = 12,65 ∙ v1 ∙ v2 – 25,24 ∙ v1 ∙ v3 – 2,98 ∙ v2 ∙ v3 +
+ 24,16 ∙ w1 ∙ w2 + 29,04 ∙ w1 ∙ w3 + 11,09 ∙ w2 ∙ w3 +
+ 29,17 ∙ v1 ∙ w1 + 31,09 ∙ v2 ∙ w1 + 36,32 ∙ v3 ∙ w1 + (3)
+ 28,21 ∙ v1 ∙ w2 + 53,36 ∙ v2 ∙ w2 + 40,76 ∙ v3 ∙ w2 +
+ 24,12 ∙ v1 ∙ w3 + 42,26 ∙ v2 ∙ w3 + 38,29 ∙ v3 ∙ w3.
Многокритериальная оптимизация по каждому фактору в отдельности при предъявлении совместных требований по пределам прочности при сжатии и на растяжение при изгибе осуществлялась с помощью наложения областей допустимых значений указанных прочностных характеристик и определения зон их пересечения с выявлением оптимальной области (см. рисунок, заштрихованную область). Установлено, что повышение доли метакаолина в общей массе активных минеральных добавок (рис., c) приводит к росту граничных значений прочностных показателей в оптимальной области. При максимальном содержании ВМК (6% от массы портландцемента) возможно получить фибробетоны с широким диапазоном прочностных характеристик в оптимальной зоне – от 31 до 53 МПа при сжатии и от 4,1 до 6,3 МПа на растяжение при изгибе.
Введение в бетонные смеси микрокремнезема конденсированного уплотненного (рис., а) приводит к снижению диапазона исследуемых прочностных показателей фибробетонов, а также его граничных значений, что свидетельствует о негативном влиянии МКУ на процессы структурообразования цементных композитов по сравнению с другими видами применявшихся добавок. Составы с максимальным содержанием МКУ характеризуются невысокими значениями пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе в оптимальной области – 27–35 МПа и 3,7–4,5 МПа соответственно.
Эффективность ВМК по сравнению с МКУ можно объяснить следующими факторами: большей (примерно в 2,0–2,5 раза) пуццоланической активностью метакаолина; разной химической природой добавок (силикатной – у МКУ, алюмосиликатной – у ВМК); ускорением протекания реакции ВМК с известью по сравнению с МКУ, что обеспечивает ее надежное связывание в первые сутки твердения; более высокой пластичностью и технологичностью бетонных и растворных смесей, отсутствием поверхностной липкости бетона с добавкой ВМК, присущих бетонам с МКУ; меньшей водопотребностью смесей с ВМК, а тем самым и меньшим требуемым расходом суперпластификаторов для достижения одинаковой подвижности бетонных смесей.
При увеличении содержания в составе минеральной добавки "Адмикс" максимальные значения прочностных показателей в оптимальной области несколько снижаются, а минимально возможные – повышаются; при этом сужается область допустимых решений (рис., e) – от 27–53 до 37–45 МПа при сжатии и от 3,7–6,3 до 4,7–5,5 МПа на растяжение при изгибе. Объяснения приведенного эффекта лежат в формирующихся новообразованиях гидросульфоалюминатов и гидрокарбоалюминатов кальция при взаимодействии компонентов добавки "Пенетрон Адмикс" с продуктами гидратации цемента. Данные новообразования, образующиеся с увеличением объема, наряду с первоначальным уплотнением структуры, при неоптимальном использовании могут вызвать существенное повышение внутренних напряжений. Таким образом, учитывая это, необходимо тщательным образом выбирать дозировку добавки с целью рационального управления кристаллизационного процесса и формирования структуры цементных композитов.
Введение дисперсных волокон ППН в составы цементных композитов приводит к значительному снижению максимальных значений пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе и сужению оптимальной области допустимых решений данных прочностных показателей (рис., b) – от 25–53 до 27–37 МПа при сжатии и от 3,5–6,3 до 3,7–4,7 МПа на растяжение при изгибе.
Анализируя оптимальные области допустимых решений при исследовании влияния дисперсных волокон на пределы прочности при сжатии и на растяжение при изгибе, можно сделать вывод об эффективности армирования мелкозернистых бетонов ПАН-волокном и МБМ (рис., d и f). При этом, при использовании комплекса фибр ПАН+МБМ с соотношением содержания ПАН к МБМ в диапазоне от 50/50 до 90/10 масс. ч. возможно получить цементные композиты с наиболее высокими значениями прочностных показателей – предела прочности при сжатии 51–53 МПа, предела прочности на растяжение при изгибе 6,1–6,3 МПа. Это свидетельствует о целесообразности и эффективности многоуровневого армирования мелкозернистых бетонов с использованием углеродных наноструктур (применение полиакрилонитрильного волокна – армирование на макромасштабном уровне структуры; модифицированной астраленами базальтовой микрофибры – на верхнем микромасштабном уровне).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, получены следующие результаты экспериментальных исследований:
произведена оптимизация рецептуры модифицированных мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов, позволяющая определить рациональные составы цементных композитов на полях основных прочностных свойств (пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе), описанных структурированными ЭС-моделями;
установлено, что при данной рецептуре и технологии получения мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов допустимый диапазон предела прочности на растяжение при изгибе составляет 3,5–6,5 МПа, а предела прочности при сжатии – 24–54 МПа;
по результатам многокритериальной оптимизации определены зоны пересечения областей допустимых значений пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе, характеризующие области оптимальных величин исследуемых факторов и прочностных показателей;
из анализа оптимальных областей допустимых решений при исследовании влияния модифицирующих добавок на прочностные характеристики установлена эффективность модифицирования мелкозернистых бетонов белым высокоактивным метакаолином (ВМК), что позволило при максимальном содержании ВМК (6% от массы портландцемента) получить фибробетоны с широким диапазоном прочностных характеристик в оптимальной зоне – 31–53 МПа при сжатии и 4,1–6,3 МПа на растяжение при изгибе;
анализируя области допустимых решений при исследовании влияния дисперсных волокон на прочностные характеристики, установлена эффективность многоуровневого армирования мелкозернистых бетонов ПАН-волокном и МБМ. При использовании комплекса фибр ПАН+МБМ с соотношением содержания ПАН и МБМ в диапазоне от 50/50 до 90/10 масс. ч. возможно получить цементные композиты с наиболее высокими значениями прочностных показателей – пределами прочности при сжатии 51–53 МПа и на растяжение при изгибе – 6,1–6,3 МПа.
ЛИТЕРАТУРА
Селяев В.П., Осипов А.К., Писарева А.С. Наночастицы, -порошки, -структуры, -технологии: аналитический обзор. – Саранск, 2010. 84 c.
Баженов Ю.М., Фаликман В.Р., Булгаков Б.И. Наноматериалы и нанотехнологии в современной технологии бетонов // Вестник МГСУ. 2012. № 12.С. 125–133.
Войтович В.А. Нанонаука. Нанотехнология. Нанобетоны // Экспозиция. Бетоны & Сухие смеси. 2009. 2/Б (85).С. 5–7.
Фиговский О.Л., Бейлин Д.А., Пономарев А.Н. Успехи применения нанотехнологий в строительных материалах // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. 2012. Т. 4. № 3. С. 6–21. URL: http://nanobuild.ru/ru_RU/ (дата обращения: 16.08.17).
Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 6. С. 25–33.
Войтович В.А. Строительные наноматериалы // Руководитель строительной организации. 2011. № 2. С. 49.
Калашников В.И. Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего // Строительные материалы. 2016. № 1–2. С. 96–103.
Фаликман В.Р. Новые эффективные высокофункциональные бетоны // Бетон и железобетон. 2011. № 2. С. 78–84.
Ушеров-Маршак А.В. Бетоны нового поколения – бетоны с добавками // Бетон и железобетон. 2011. № 1. С. 78–81.
Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. – М.: Типография "Парадиз", 2010. 258 c.
Aitcin P.-C. High Performance Concrete. E&FN Spon. 2004. 140 p.
Edward G., Nаwy P. Fundaments of High Performance Concrete. Sec. ed., Willy, 2001. 302 р.
Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В., Смирнов В.А.. Преодоление неопределенностей целей в задаче многокритериальной оптимизации на примере разработки сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации // Строительные материалы. 2006. № 8. С. 23–26.
Ушеров-Маршак А.В. Добавки в бетон: прогресс и проблемы // Строительные материалы. 2006. № 10. С. 8–12.
Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Иванов Я.П., Николов И.И. ЭВМ и оптимизация композиционных материалов. – Киев: Будивэльнык, 1989. 240 c.
Вознесенский В. А., Ляшенко Т.В. ЭС-модели в компьютерном строительном материаловедении. – Одесса: Астропринт, 2006. 116 c.
Низина Т.А., Балыков А.С. Построение экспериментально-статистических моделей "состав – свойство" физико-механических характеристик модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2016. № 45. С. 54–66.
Низина Т.А., Балыков А.С. Экспериментально-статистические модели свойств модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 2. С. 13–25.
Nizina T.A, Ponomarev A.N., Balykov A.S., Pankin N.A. Fine-grained fibre concretes modified by complexed nanoadditives // International Journal of Nanotechnology. 2017. Vol. 14. Nos. 7/8. P. 665–679. DOI: 10.1504/IJNT.2017.083441.
Низина Т.А., Пономарев А.Н., Балыков А.С. Мелкозернистые дисперсно-армированные бетоны на основе комплексных модифицирующих добавок // Строительные материалы. 2016. № 9. С. 68–72.
Низина Т.А., Балыков А.С., Макарова Л.В. Применение моделей "состав – свойство" для исследования свойств модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. 2016. № 12. С. 15–21.
Низина Т.А., Балыков А.С., Сарайкин А.С. Экспериментальные исследования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // УралНИИпроект РААСН. 2015. № 4. С. 91–95.
Низина Т.А., Балыков А.С. Сравнительный анализ влияния вариантов дисперсного армирования и полифункционального модифицирования на изменение физико-механических характеристик мелкозернистых бетонов // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. Нижний Новгород: ННГАСУ, 2016. Вып. 19. С. 238–247.
наночастицы SiO2 с удельной поверхностью не менее 180 м2/г, способствующие достижению кардинально новых прочностей и структур цементного камня за счет улучшенной упаковки и пониженной пористости, а также позволяющие контролировать реакции образования и превращения гидросиликатов кальция C-S-H, ответственных за долговечность композитов, и ряд эксплуатационных характеристик (ползучесть, усадку и др.);
наночастицы Fe2O3, повышающие прочность бетона на сжатие и растяжение, а также придающие свойство "самозондирования", заключающееся в возможности регистрации собственных сжимающих напряжений цементных систем через изменение объемного электрического сопротивления растворов с данными наночастицами;
наночастицы Al2O3 и глин (алюмосиликатов), позволяющие значительно увеличить модуль упругости, повысить сопротивление проникновению хлоридов, снизить усадку бетонов;
наночастицы TiO2, являющиеся фотокатализаторами при формировании самоочищающихся поверхностей бетона за счет явления гидрофильности (выделения атомарного кислорода из паров воды или атмосферного кислорода), что позволяет поддерживать и сохранять эстетический вид построенных объектов на требуемом уровне в течение продолжительного времени.
Дополнительные возможности при синтезе композиционных материалов с повышенной прочностью, жесткостью и долговечностью предоставляют производимые в настоящее время в промышленных масштабах углеродные наночастицы. К подобным наночастицам можно отнести высокоупорядоченные кластеры углерода, такие как фуллерены, нанотрубки и нановолокна, астралены, свободные наноразмерные пленки – графены и т.д. [2–5]. С целью снижения трудоемкости синтеза и, как следствие, себестоимости наномодифицирующих веществ российскими учеными была получена целая группа углеродных нанокластеров, названных "фуллероиды" [5, 6].
В последние годы наблюдается существенное усложнение состава композиционных бетонов, состоящих из шести-семи и более компонентов. Многочисленные добавки в бетоне являются своеобразным "ключом" к решению многих технологических задач. Полифункциональность и многокомпонентность применяемых модификаторов позволяет эффективно управлять процессами структурообразования на различных этапах приготовления бетона и получать композиты с высокими эксплуатационными характеристиками [7–12]. Поэтому важнейшей задачей при составлении планов экспериментальных исследований, проводимых с целью получения оптимальных составов строительных материалов, является многокритериальная оптимизация с выявлением наиболее целесообразного содержания вяжущих, наполнителей и заполнителей, модифицирующих добавок и т.д.
Увеличение числа компонентов и рост общего числа рецептурно-технологических факторов цементных композиций приводят к необходимости преодоления трудностей, вызванных так называемым "проклятием размерности" [13]. Кроме того, при оптимизации составов должны быть гарантированы требуемые уровни большого числа эксплуатационных и технологических свойств материала, включая критерии ресурсосбережения. Координаты оптимумов исследуемых критериев качества системы при этом, как правило, не совпадают. Решение подобных многокритериальных задач возможно при комплексной реализации рациональных (как по теоретическим предпосылкам, так и по исполнению) физических и вычислительных экспериментов, а также оптимизации их результатов с принятием компромиссных решений.
При этом существуют сложности, связанные, в основном, с вопросом совместимости "цемент-добавка" и добавок между собой [9, 14], который является предметом многочисленных исследований и обсуждений, дискуссий мировых форумов. В частности, на авторитетных форумах Canmet задача количественной оценки совместимости компонентов комплексных добавок между собой и добавок с цементами выделена в качестве первостепенной [14]. При оценке совместимости важны все факторы, особенно вид и содержание добавки в смеси. Одна и та же добавка в различных дозировках, по аналогии с высказыванием великого немецкого врача Парацельса о лекарственных препаратах, может быть и "лекарством", и "ядом". При этом увеличение числа компонентов бетонных смесей выводит принцип "не навреди" на передний план.
Многокритериальная оптимизация составов и свойств дисперсно-армированных модифицированных мелкозернистых бетонов, несомненно, является актуальной задачей, для качественного решения которой необходимо использование методов математического моделирования и анализа. При этом наибольший интерес, на наш взгляд, представляет метод экспериментально-статистического (ЭС) моделирования, предложенный В.А.Вознесенским [15, 16] и активно развиваемый в настоящее время [17, 18].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью данной работы являлась оптимизация составов мелкозернистых фибробетонов, армированных на разных масштабных уровнях. Основными критериями оптимизации являлись прочностные характеристики – предел прочности при сжатии и на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4) в возрасте 28 суток.
Основные этапы планирования и проведения экспериментального исследования представлены в работах [19–23]. При применении D-оптимального плана, содержащего 15 опытных точек, варьировалось две группы факторов – вид и содержание используемых добавок (vi), а также вид и содержание применяемой фибры (wi).
Использовались следующие активные минеральные добавки:
микрокремнезем конденсированный уплотненный производства ОАО "Кузнецкие ферросплавы" (v1, МКУ);
высокоактивный метакаолин белый производства ООО "Мета-Д" (v2, ВМК);
гидроизоляционная добавка в бетонную смесь "Пенетрон Адмикс" (v3, "Адмикс").
В качестве дисперсных волокон применялись следующие материалы:
полипропиленовое мультифиламентное волокно с длиной резки 12 мм, диаметром 25–35 мкм, плотностью 0,91 г/cм3 (w1, ППН);
полиакрилонитрильное синтетическое волокно специальной обработки для бетонов FibARM Fiber WВ с длиной резки 12 мм, диаметром 14–31 мкм, плотностью 1,17±0,03 г/cм3 (w2, ПАН);
модифицированная астраленами базальтовая микрофибра под фирменным названием "Астрофлекс-МБМ" длиной 100–500 мкм, средним диаметром 8–10 мкм, насыпной плотностью 800 кг/м3, с содержанием астраленов 0,0001–0,01% от массы фибры (w3, МБМ).
Уровни варьирования исследуемых факторов приведены в таблице. При составлении плана эксперимента обеспечивалось выполнение следующих условий:
0 ≤ vi ≤ 1; ∑vi = 1; i = 1, 2, 3; (1)
0 ≤ wi ≤ 1; ∑wi = 1; i = 1, 2, 3.
В ходе экспериментальных исследований изготавливались серии образцов-призм 40×40×160 мм из равноподвижных фибробетонных смесей, в рецептуре которых наряду с приведенными выше модификаторами использовались: портландцемент класса ЦЕМ I 42,5Б; мелкозернистый заполнитель – природный кварцевый песок Новостепановского карьера (п. Смольный, Ичалковский район, Республика Мордовия) с размером зерна менее 5 мм (65% от массы твердой фазы); суперпластификатор Melflux 1641 F (0,5% от массы вяжущего).
Технология изготовления дисперсно-армированной бетонной смеси включала несколько этапов. На первом этапе осуществлялось введение и перемешивание в сухом состоянии требуемого количества вяжущего заполнителя и модифицирующих добавок; на втором – вводились дисперсные волокна с первой порцией воды (В/Ц=0,2); на третьем – производилась корректировка водой для получения равноподвижных составов.
По результатам исследования были построены экспериментально-статистические модели зависимости исследуемых физико-механических показателей качества мелкозернистых фибробетонов от вида и содержания модифицирующих добавок (смесь I) и дисперсных волокон (смесь II). Обобщенные ЭС-модели прочностных показателей задавались в виде приведенного полинома MIMIIQ "смесь I, смесь II – свойство" вида:
для предела прочности на растяжение при изгибе –
σр.из = 0,65 ∙ v1 ∙ v2 – 3,28 ∙ v1 ∙ v3 – 1,02 ∙ v2 ∙ v3 + 2,16 ∙ w1 ∙ w2 +
+ 1,02 ∙ w1 ∙ w3 + 3,03 ∙ w2 ∙ w3 + 4,70 ∙ v1 ∙ w1 + 3,69 ∙ v2 ∙ w1 + (2)
+ 4,73 ∙ v3 ∙ w1 + 4,92 ∙ v1 ∙ w2 + 5,88 ∙ v2 ∙ w2 + 4,82 ∙ v3 ∙ w2 +
+ 3,68 ∙ v1 ∙ w3 + 5,59 ∙ v2 ∙ w3 + 5,13 ∙ v3 ∙ w3;
для предела прочности при сжатии –
σсж. = 12,65 ∙ v1 ∙ v2 – 25,24 ∙ v1 ∙ v3 – 2,98 ∙ v2 ∙ v3 +
+ 24,16 ∙ w1 ∙ w2 + 29,04 ∙ w1 ∙ w3 + 11,09 ∙ w2 ∙ w3 +
+ 29,17 ∙ v1 ∙ w1 + 31,09 ∙ v2 ∙ w1 + 36,32 ∙ v3 ∙ w1 + (3)
+ 28,21 ∙ v1 ∙ w2 + 53,36 ∙ v2 ∙ w2 + 40,76 ∙ v3 ∙ w2 +
+ 24,12 ∙ v1 ∙ w3 + 42,26 ∙ v2 ∙ w3 + 38,29 ∙ v3 ∙ w3.
Многокритериальная оптимизация по каждому фактору в отдельности при предъявлении совместных требований по пределам прочности при сжатии и на растяжение при изгибе осуществлялась с помощью наложения областей допустимых значений указанных прочностных характеристик и определения зон их пересечения с выявлением оптимальной области (см. рисунок, заштрихованную область). Установлено, что повышение доли метакаолина в общей массе активных минеральных добавок (рис., c) приводит к росту граничных значений прочностных показателей в оптимальной области. При максимальном содержании ВМК (6% от массы портландцемента) возможно получить фибробетоны с широким диапазоном прочностных характеристик в оптимальной зоне – от 31 до 53 МПа при сжатии и от 4,1 до 6,3 МПа на растяжение при изгибе.
Введение в бетонные смеси микрокремнезема конденсированного уплотненного (рис., а) приводит к снижению диапазона исследуемых прочностных показателей фибробетонов, а также его граничных значений, что свидетельствует о негативном влиянии МКУ на процессы структурообразования цементных композитов по сравнению с другими видами применявшихся добавок. Составы с максимальным содержанием МКУ характеризуются невысокими значениями пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе в оптимальной области – 27–35 МПа и 3,7–4,5 МПа соответственно.
Эффективность ВМК по сравнению с МКУ можно объяснить следующими факторами: большей (примерно в 2,0–2,5 раза) пуццоланической активностью метакаолина; разной химической природой добавок (силикатной – у МКУ, алюмосиликатной – у ВМК); ускорением протекания реакции ВМК с известью по сравнению с МКУ, что обеспечивает ее надежное связывание в первые сутки твердения; более высокой пластичностью и технологичностью бетонных и растворных смесей, отсутствием поверхностной липкости бетона с добавкой ВМК, присущих бетонам с МКУ; меньшей водопотребностью смесей с ВМК, а тем самым и меньшим требуемым расходом суперпластификаторов для достижения одинаковой подвижности бетонных смесей.
При увеличении содержания в составе минеральной добавки "Адмикс" максимальные значения прочностных показателей в оптимальной области несколько снижаются, а минимально возможные – повышаются; при этом сужается область допустимых решений (рис., e) – от 27–53 до 37–45 МПа при сжатии и от 3,7–6,3 до 4,7–5,5 МПа на растяжение при изгибе. Объяснения приведенного эффекта лежат в формирующихся новообразованиях гидросульфоалюминатов и гидрокарбоалюминатов кальция при взаимодействии компонентов добавки "Пенетрон Адмикс" с продуктами гидратации цемента. Данные новообразования, образующиеся с увеличением объема, наряду с первоначальным уплотнением структуры, при неоптимальном использовании могут вызвать существенное повышение внутренних напряжений. Таким образом, учитывая это, необходимо тщательным образом выбирать дозировку добавки с целью рационального управления кристаллизационного процесса и формирования структуры цементных композитов.
Введение дисперсных волокон ППН в составы цементных композитов приводит к значительному снижению максимальных значений пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе и сужению оптимальной области допустимых решений данных прочностных показателей (рис., b) – от 25–53 до 27–37 МПа при сжатии и от 3,5–6,3 до 3,7–4,7 МПа на растяжение при изгибе.
Анализируя оптимальные области допустимых решений при исследовании влияния дисперсных волокон на пределы прочности при сжатии и на растяжение при изгибе, можно сделать вывод об эффективности армирования мелкозернистых бетонов ПАН-волокном и МБМ (рис., d и f). При этом, при использовании комплекса фибр ПАН+МБМ с соотношением содержания ПАН к МБМ в диапазоне от 50/50 до 90/10 масс. ч. возможно получить цементные композиты с наиболее высокими значениями прочностных показателей – предела прочности при сжатии 51–53 МПа, предела прочности на растяжение при изгибе 6,1–6,3 МПа. Это свидетельствует о целесообразности и эффективности многоуровневого армирования мелкозернистых бетонов с использованием углеродных наноструктур (применение полиакрилонитрильного волокна – армирование на макромасштабном уровне структуры; модифицированной астраленами базальтовой микрофибры – на верхнем микромасштабном уровне).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, получены следующие результаты экспериментальных исследований:
произведена оптимизация рецептуры модифицированных мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов, позволяющая определить рациональные составы цементных композитов на полях основных прочностных свойств (пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе), описанных структурированными ЭС-моделями;
установлено, что при данной рецептуре и технологии получения мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов допустимый диапазон предела прочности на растяжение при изгибе составляет 3,5–6,5 МПа, а предела прочности при сжатии – 24–54 МПа;
по результатам многокритериальной оптимизации определены зоны пересечения областей допустимых значений пределов прочности при сжатии и на растяжение при изгибе, характеризующие области оптимальных величин исследуемых факторов и прочностных показателей;
из анализа оптимальных областей допустимых решений при исследовании влияния модифицирующих добавок на прочностные характеристики установлена эффективность модифицирования мелкозернистых бетонов белым высокоактивным метакаолином (ВМК), что позволило при максимальном содержании ВМК (6% от массы портландцемента) получить фибробетоны с широким диапазоном прочностных характеристик в оптимальной зоне – 31–53 МПа при сжатии и 4,1–6,3 МПа на растяжение при изгибе;
анализируя области допустимых решений при исследовании влияния дисперсных волокон на прочностные характеристики, установлена эффективность многоуровневого армирования мелкозернистых бетонов ПАН-волокном и МБМ. При использовании комплекса фибр ПАН+МБМ с соотношением содержания ПАН и МБМ в диапазоне от 50/50 до 90/10 масс. ч. возможно получить цементные композиты с наиболее высокими значениями прочностных показателей – пределами прочности при сжатии 51–53 МПа и на растяжение при изгибе – 6,1–6,3 МПа.
ЛИТЕРАТУРА
Селяев В.П., Осипов А.К., Писарева А.С. Наночастицы, -порошки, -структуры, -технологии: аналитический обзор. – Саранск, 2010. 84 c.
Баженов Ю.М., Фаликман В.Р., Булгаков Б.И. Наноматериалы и нанотехнологии в современной технологии бетонов // Вестник МГСУ. 2012. № 12.С. 125–133.
Войтович В.А. Нанонаука. Нанотехнология. Нанобетоны // Экспозиция. Бетоны & Сухие смеси. 2009. 2/Б (85).С. 5–7.
Фиговский О.Л., Бейлин Д.А., Пономарев А.Н. Успехи применения нанотехнологий в строительных материалах // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. 2012. Т. 4. № 3. С. 6–21. URL: http://nanobuild.ru/ru_RU/ (дата обращения: 16.08.17).
Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 6. С. 25–33.
Войтович В.А. Строительные наноматериалы // Руководитель строительной организации. 2011. № 2. С. 49.
Калашников В.И. Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего // Строительные материалы. 2016. № 1–2. С. 96–103.
Фаликман В.Р. Новые эффективные высокофункциональные бетоны // Бетон и железобетон. 2011. № 2. С. 78–84.
Ушеров-Маршак А.В. Бетоны нового поколения – бетоны с добавками // Бетон и железобетон. 2011. № 1. С. 78–81.
Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С. Новые модифицированные бетоны. – М.: Типография "Парадиз", 2010. 258 c.
Aitcin P.-C. High Performance Concrete. E&FN Spon. 2004. 140 p.
Edward G., Nаwy P. Fundaments of High Performance Concrete. Sec. ed., Willy, 2001. 302 р.
Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В., Смирнов В.А.. Преодоление неопределенностей целей в задаче многокритериальной оптимизации на примере разработки сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации // Строительные материалы. 2006. № 8. С. 23–26.
Ушеров-Маршак А.В. Добавки в бетон: прогресс и проблемы // Строительные материалы. 2006. № 10. С. 8–12.
Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Иванов Я.П., Николов И.И. ЭВМ и оптимизация композиционных материалов. – Киев: Будивэльнык, 1989. 240 c.
Вознесенский В. А., Ляшенко Т.В. ЭС-модели в компьютерном строительном материаловедении. – Одесса: Астропринт, 2006. 116 c.
Низина Т.А., Балыков А.С. Построение экспериментально-статистических моделей "состав – свойство" физико-механических характеристик модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2016. № 45. С. 54–66.
Низина Т.А., Балыков А.С. Экспериментально-статистические модели свойств модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 2. С. 13–25.
Nizina T.A, Ponomarev A.N., Balykov A.S., Pankin N.A. Fine-grained fibre concretes modified by complexed nanoadditives // International Journal of Nanotechnology. 2017. Vol. 14. Nos. 7/8. P. 665–679. DOI: 10.1504/IJNT.2017.083441.
Низина Т.А., Пономарев А.Н., Балыков А.С. Мелкозернистые дисперсно-армированные бетоны на основе комплексных модифицирующих добавок // Строительные материалы. 2016. № 9. С. 68–72.
Низина Т.А., Балыков А.С., Макарова Л.В. Применение моделей "состав – свойство" для исследования свойств модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. 2016. № 12. С. 15–21.
Низина Т.А., Балыков А.С., Сарайкин А.С. Экспериментальные исследования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // УралНИИпроект РААСН. 2015. № 4. С. 91–95.
Низина Т.А., Балыков А.С. Сравнительный анализ влияния вариантов дисперсного армирования и полифункционального модифицирования на изменение физико-механических характеристик мелкозернистых бетонов // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. Нижний Новгород: ННГАСУ, 2016. Вып. 19. С. 238–247.
Отзывы читателей
