Ткач Е.В., Рахимова Г.М., Калмагамбетова А.Ш., Кашаев К.А., Касымов Н.Б.

Карагандинский государственный технический университет

Оптимизация режимов тепловлажностной обработки модифицированного бетона

На современном этапе развития производства сборного бетона и железобетона наиболее распространенным способом ускорения твердения бетона всё ещё остаётся тепловая обработка. Однако, как показали производственные опыты ускоренного твердения бетона, случайное назначение режимов термообработки посредством различных видов теплоносителей влечет за собой деструктивные процессы, снижающие прочностные и эксплуатационные свойства цементного камня и бетона. Многолетними лабораторными, производственными испытаниями, а также опытом использования сборного железобетона в различных эксплуатационных условиях показано, что именно деструктивные явления, возникающие при термообработке, являются одним из главных факторов преждевременного разрушения бетона. Следовательно, очагом ухудшения технических и эксплуатационных свойств бетона является, в первую очередь, назначение необоснованного режима термообработки.

Рассмотрение в широких пределах влияния параметров термообработки свежеотформованного бетона приобретает особое значение, когда в системе присутствуют недостаточно изученные химические модификаторы, поскольку ее наличие в бетонной смеси изменяет кинетику схватывания и влияет на процессы структурообразования твердеющего цементного теста. Исходя из этого, исследованиями ставилась задача оптимизации режимов тепловлажностной обработки с предлагаемыми модификаторами с учетом всех влияющих факторов на ускоренное его твердение. При этом параметром выхода принимается прочность бетона в различные сроки твердения после тепловлажностной обработки. Критерий оптимальной структуры в данном случае выражается в максимальной прочности бетона, прошедшего тепловлажностную обработку, отвечающей условию (критерию профессора Ю.М. Баженова) R_i^пр ³ R_i^н.т., где R_i^пр- прочность бетона в i – том возрасте твердения после тепловлажностной обработки; R_i^н.т. – прочность бетона в i – том возрасте нормального твердения.

Реализация условия R_i^пр ³ R_i^н.т. предопределяет оптимизацию таких параметров тепловлажностной обработки, при которых деструктивные процессы от температурного напряжения сводятся к минимуму.

Таким образом, необходимо установить влияние различных режимов тепловлажностной обработки на изменение прочности бетона с применением модификатора МЖС. С этой целью был реализован 4-х факторный план второго порядка с учетом всех влияющих факторов на ускоренное твердение бетона. Условия опытов в задаче оптимизации режимов тепловлажностной обработки приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Условия опытов в 4-х факторной задаче оптимизации режимов тепловлажностной обработки бетона

Факторы	Х1	Х2	Х3	Х4
Уровни варьирования	t1, час	t2, ^0С/час	t3, ^0С	t4, час
Основной уровень (0) Интервалы варьирования (J) Верхний уровень (+ I) Нижний уровень (– I)	2 2 4 0	20 10 30 10	60 20 80 40	6 2 8 4

Эксперименты проводились с использованием карагандинского цемента М-400, при оптимальной дозировке модификатора МЖС, равной 0,4 % от массы цемента смесей. Согласно принятым условиям опытов, отформованные образцы-кубы с длиной ребра равной 15 см подвергли тепловлажностной обработке в автоматически-регулируемой пропарочной камере. Функциональная связь между прочностью бетона и независимыми переменными может быть математически описана следующей зависимостью:

R_i^пр = f ( x₁, x₂, x₃, x₄ ), (1)

где: R_i^пр – предел прочности пропаренного бетона в i –том возрасте, МПа;

х₁– продолжительность предварительной выдержки ,час;

х₂ – скорость подъема температуры, ⁰С/час; х₃ – температура изотермического прогрева, ⁰С; х₄ – продолжительность изотермической выдержки, час.

В результате проведения экспериментов, согласно матрицы планирования, были получены полиноминальные адекватные уравнения второго порядка, которые после расчета и проверки статистической значимости (по критерию Стъюдента) коэффициентов регрессии, имеют следующий вид:

R^пп_б/доб=18,1+0,52х₁+2,72х₃+1,41х₄-1,38х²₂-1,38х²₃-

0,97х₁х₃+1,15х₁х₄-1,35х₂х₃-1,3х₂х₄; (2)

R^пр_{28 б/доб}=29,2+1,27х₁-1,47х₂+1,20х₁х₂+2,04х₂х₃-1,99х²₁-1,767х²₂; (3)

R^пр_{90 б/доб}=31,7+1,79х₁+1,57х₁х₃; (4)

R^пр_{с «МЖС»}=35,9+2,15х₁+3,61х₃+3,09х₄+1,33х₁х₂-1,82х₁х₃+3,12х₁х₄; (5)

R^пр_{28с «МЖС»}=34,7+2,37х₁-3,14х₁-1,85х₄+3,6х₁х₂-2,75х₁х₃-3,1х₁х₄; (6)

R^пр._{90с «МЖС»}=36,7+3,29х₁+1,57х₂+2,26х₃+1,83х₁х₂+1,5х²₄ (7)

где R^пп_б/доб – прочность бетона без добавки через 4 часа после тепловой обработки, МПа;

R^пр_{28 б/доб}- то же в возрасте 28 суток нормального твердения после тепловой обработки, МПа; R^пр_{90 б/доб} – то же в возрасте 90 суток нормального твердения после тепловой обработки, МПа;

R^пп_{с «МЖС»} – прочность бетона с модификатором через 4 часа после тепловой обработки, МПа; R^пр_{28с «МЖС»} – то же в возрасте 28 суток нормального твердения после тепловой обработки, МПа; R^пр_{90с «МЖС»} – то же в возрасте 90 суток нормального твердения после тепловой обработки, МПа.

Полученные полиноминальные математические выражения (2-7) описывают связь прочности бетонов без добавки и с модификатором МЖС, изготовленные из бетонных смесей в зависимости от основных параметров процессов тепловлажностной обработки. Эти выражения с определенной степенью точности могут быть использованы для получения пропаренного бетона с комплексом заданных свойств. Задаваясь конкретным численным значением переменных факторов и используя математические модели 2-7, можно предварительно оценить основные физико-механические свойства. Это существенно облегчает выбор необходимого режима тепловлажностной обработки при производстве железобетонных изделий и конструкций.

Интерпретация полученных моделей по знакам и значениям коэффициентов регрессии позволяет сделать следующие технологические выводы:

например, из модели 2 следует, что увеличение периода предварительной выдержки продолжительности и температуры изотермического прогрева способствует повышению прочности бетона сразу после тепловлажностной обработки. Повышение прочности бетона наблюдается также при совместном увеличении предварительной выдержки и скорости подъема температуры, предварительной выдержки и температуры изотермического прогрева, предварительной выдержки и периода изотермического прогрева. Знак «минус» у эффектов взаимодействия независимых переменных х₂х₃ и х₂х₄, свидетельствует о том, что взаимное увеличение скорости подъема температуры изотермического прогрева, а также взаимное увеличение скорости подъема температуры и периода изотермического прогрева, при постоянных значениях других переменных, приводит к снижению прочности бетона. Квадратичные эффекты х₁, х₃, х₄ имеют знак минус, означающий, что дальнейшее повышение значений этих переменных может в одинаковой степени отрицательно отражаться на прочности бетона. Из анализа моделей 3 видно, что увеличение скорости подъема температуры в пределах интервала варьирования приводит к снижению прочности бетона в возрасте 28 суток, что объясняется развитием деструктивных процессов в твердеющем бетоне за счет повышенных температурных напряжений. Во все сроки твердения бетона после тепловлажностной обработки (90сут, математические модели 2-4) существенная роль принадлежит значению независимого переменного х₁.

Подобный анализ справедлив и для бетонов с модификатором МЖС (математические модели 5-7). В бетоне с модификатором наиболее влияющим фактором на снижение прочности бетона является х₂- скорость подъема температуры, что особенно сказывается и в более поздние сроки твердения. Из сравнительного анализа математических моделей 5-6 следует, что при других постоянных параметрах переменных увеличение периода изотермического прогрева способствует кажущемуся повышению прочности бетона (модель 5). Однако в более поздние сроки увеличение значения х₄ приводит к снижению прочности бетона, что объясняется, на наш взгляд, перекристаллизацией гидратных новообразований. Таким образом, из анализа математических моделей и результатов эксперимента следует, что в зависимости от режимов термообработки конечная прочность бетона постоянного состава может изменяться в широких пределах. Следовательно, для получения бетона с заданной структурой и свойствами в каждом конкретном случае возникает необходимость экспериментально подбирать параметры термообработки, при которой достигается максимальная прочность. Таким образом, анализ активного эксперимента, интерпретации полученных адекватных полиноминальных математических моделей (2-7) и а также проведенные дополнительные эксперименты позволили в общем установить оптимальные режимы тепловлажностной обработки бетонов из смесей без добавки и с модификатором МЖС. Полученные результаты позволили прийти к выводу, что независимо от удобоукладываемости смесей, наличие модификатора МЖС требуется назначения более мягких режимов тепловой обработки. К мягким режимам можно, например, отнести: температура изотермического прогрева 60 ⁰С и продолжительность 3+2+3+4 ч. Бетоны с модификатором МЖС могут также пропариваться по вышеуказанному режиму за исключением стадии предварительной выдержки.