Рис.1. Влияние однородности свойств (VR)

материала основания на площадь разрушения дорожного покрытия (S).

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

Рис.2. Степень однородности физико-механических свойств основных  дорожно-строительных материалов

1-Цементогрунты; 2-Асфальтобетоны; 3 – Цементобетоны

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

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

Среди методов перемешивания наибольшее распространение получили физические  и эмпирические способы, а также математическое моделирование.

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

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

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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

  K = B·exp (- Ea / RT)·ехр (ДS/R),  (4) 

где К - коэффициент скорости протекания реакции; Ea –энергия активации протекания реакции; R - газовая постоянная; T – температура; ДS-энтропия активации химической реакции.

Зависимость (4) указывает на то, что достижение максимального  протекания химических реакций при формировании цементного камня,  наиболее целесообразно осуществлять снижением величины ДS, путём достижения максимальной гомогенности смеси. 

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

Статистическая обработка экспериментальных данных , , и позволила построить теоретические зависимости прочности и однородности цементогрунта от процентного содержания вяжущего в смеси.

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

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

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

Основные положения гармонизации перемешивания можно описать через энтропию, позволяющей перейти от интуитивного представления  к  вероятностному, в основе которого лежат понятия микро - и макросостояния  системы.  В общем случае каждое макросостояние можно реализовать разными способами с помощью нескольких микросостояний.

Энтропия каждого макросостояния выражается известной формулой, полученной Больцманом:

    (5)
где: S – энтропия макросостояния; N – количество микросостояний, которыми может быть представлено данное макросостояние (термодинамическая вероятность); k – постоянная Больцмана.

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

    (6)

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

Исходя из данного представления и согласно работам ,  для характеристики гармоничности системы введем функции, выраженные соотношением  S-хаоса (недостаточности) (7) и R-порядка (избыточности) (8)

  (7)    (8)

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

Для дальнейших расчетов воспользуемся формулой расчета условной энтропии

    (9)

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

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

    (10)

    (11)

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

Подставляя данные уравнения (11) в уравнения (9), а затем в уравнение (7, 8)  получим теоретические условия гармонизации перемешивания грунта с цементом (рис.5).

Рис.5. Функции хаоса, порядка и избыточности.

Если рассмотреть рис.5, то идеал гармоничности сдвинут в область повышенной упорядоченности, он неоднороден по своему составу, тем сильнее выражена неоднородность. Соотношение соответствующее «золотому сечению» (К) гармонической функции, асимметрично, что характеризует гармоничность как универсальную функцию.

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

Изучению подвергались супесь и суглинок. Химический анализ, которых, состоит. В суглинке содержится песчаных частиц – 44,23%, пылеватых – 40,74% и глинистых – 15,03%. Определили характеристики влажности, %: граница  текучести  – 33,2; граница раскатывания – 16,4; число пластичности – 16,8.

Содержание оксидов в грунте следующее: SiO2 – 66,33%; R2O3 – 16,40%; Fe2O3 – 4,09%; Al2O3 – 12,31%; CaO – 5,75%; MgO – 1,54%; SO3 – 0,58%; CaCO3 – 8,0%; рН воды – 8,1; п. п.п. – 7,01%.

В супеси содержится песчаных частиц – 44,23%, пылеватых – 40,74% и глинистых – 15,03%. Определили характеристики влажности, %: граница  текучести  – 33,2; граница раскатывания – 16,4; число пластичности – 16,8.

Содержание оксидов в грунте следующее: SiO2 – 81,01%; R2O3 – 10,50%; Fe2O3 – 1,81%; Al2O3 – 8,69%; CaO – 2,82%;  MgO – 0,69%; SO3 – 0,06%; CaCO3 – 3,02%; pH воды 7,55%; п. п.п. -  2,92%.

В качестве вяжущего использовался портландцемент марки М400, содержащий 20% шлака и имеющий нормальную густоту цементного места порядка 28 + 1%.

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

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

    (12)

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

С целью одновременного исследования влияния стольких факторов на прочностные показатели был применен метод математического планирования эксперимента –  полный

факторный эксперимент, – отличающийся жесткой связью плана эксперимента и формы уравнения.

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

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5