АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СХВАТЫВАНИЯ БЕТОНА

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен энергетический анализ процесса схватывания бетона. Приведены расчеты бетонных и железобетонных конструкции статической нагрузкой, определен критическое значение амплитуды колебаний, энергетический уровень системы, когда начинается разрушение связей между частицами бетона.

ABSTRACT

The article considers the energy analysis of the concrete setting process. The calculations of concrete and reinforced concrete structures under static load are given, the critical value of the oscillation amplitude, the energy level of the system, when the destruction of bonds between concrete particles begins, is determined.

Ключевые слова: бетон, схватывание бетона, масса бетона, сжатия бетона, амплитуда колебания.

Keywords:  concrete, concrete setting, concrete mass, concrete compression, vibration amplitude.

Расчет бетонных и железобетонных конструкций требует особого подхода в связи со специфическими свойствами материалов. Ничтожное сопротивление бетонов растягивающим усилиям вынуждает вводить в конструкции железную арматуру, подвергаемую предварительному напряжению на растяжение.

Процесс приготовления бетона состоит из дозирования компонентов, перемешивания смеси, укладка и уплотнения вибраций [1].

Практика установила нормы и технологию процесса с теоретическими обоснованиями, опирающимися на значения таких констант, как продолжительность схватывания (t=28 суток и др.), временное сопротивление образцов сжатию (R=50 МПа и др.), плотность массы и др.

Характерно, что в установленных нормах явно чувствуется влияние основания натуральных логарифмов e=2,7182… (вес образца 10³см³ – 2,2кг, продолжительность первого периода схватывания – 3 суток и др.).

В процессе схватывания бетона совершается переход химической энергии, освобождающейся при взаимодействии цемента с водой, в присутствии тепловой энергии, в механическую, создающую связи между частицами минеральных материалов (щебня, песка и др.) и превращающую смесь в монолитное состояние.

Процесс схватывания бетонов продолжается бесконечно долго, что свидетельствует о непрерывном развитии в нем сил взаимного притяжения частиц. Амплитуда собственных колебаний бетона затухает во времени по закону α= при коэффициенте поглощения энергии α и начальном значении амплитуды  при постоянной частоте . Передача напряжений с поверхности бетона (R, Па) вглубь совершается по такому же закону R=Па, и с увеличением массы бетона, воспринимающей давление при увеличении ее h, напряжения быстро затухают, что делает бетон незаменимы при устройстве оснований и фундаментов [8].

Механизм процесса схватывания бетонов до сих пор не раскрыт, что можно объяснить непригодностью применяемых методов исследования. Наиболее эффективный метод основан на волновых свойствах бетонов, устанавливающих частоты и амплитуды колебаний в различных условиях сопротивления бетонов внешним воздействиям.

Энергетический анализ процесса схватывания бетона приводит к выводу, что в связи с образованием связей между частицами энергетический уровень увеличивается с увеличением времени схватывания t по закону =A при стремлении t к , т.е. к установленному времени схватывания. Кроме того, по предыдущим выводом =  стремится на верхнем критическом уровне к A при критической массе =. Для готового бетона нижний критический уровень наступает при разрушении = .

Для бетонного образца – кубика 10³ (см³) весом 2 кг при марке бетона R=5000 Н/см³ в первом приближении

=·5000=25000 Н·см/кг,

 =A = 2·25000 = 500 Дж/кг (=50000 Н·см/кг),

 =  = 12500 Дж/кг.

Если масса образца принято = e = 2,72 кг при R=5000 Н/см³  = 670 Дж/кг и  = 92 Дж/кг.

Арматура, создающая в бетоне предварительное напряжение осевому сжатию, повышает энергетическую константу  (Дж/кг), и при  = 670 нижний критический уровень 92 повышается до 250, верхний – до  = 13400 Дж/кг. От этого статического расчета, в основе которого лежит допускаемое напряжение в материалах, необходимо переходить к динамическому, в основе которого лежит энергия колебаний и волн [6].

Деформация сжатия бетона δ (см), измеряемая современными приборами в микронах, соответствует колебаниям на поверхности α (см) и затухает с глубиной от поверхности по закону δ = .

Энергия колебаний  не должна достигать верхнего критического уровня, когда возводимое сооружение приходит в колебание и грозит разрушением динамической системы.

Критическое значение амплитуды колебаний соответствует снижению энергетического уровня системы  до  (Дж/кг), когда начинается разрушение связей между частицами бетона [7].

Испытания образцов бетона разрушением прессами на осевое сжатие не отвечает современным требованиям к расчету конструкций динамическим методами. Бетон в основаниях и фундаментах сооружений, где он сопротивляется внешним воздействиям большой массой, поглощающей все динамические нагрузки на малой глубине от поверхности, попадает в тяжелые условия в верхних строениях, в которых динамические нагрузки вызывают колебания сложных конструкций. Особенно сложна работа бетона в тонких оболочках, армированных сетками и ребрами, образующими нежесткие металлические конструкции.

Большой интерес представляют испытания бетонов шаровыми индентерами, основанными на закономерностях взаимодействия поверхности бетона и вдавливаемого в нее шара.

При диаметре шаровой поверхности D (см) и глубине вдавливания δ (см) под действием вертикальной силы F (Н) работа прибора выражается произведением Fδ (Дж), поверхность лунки – контакта бетона с шаром πDδ (см²) и напряжение на поверхности бетона R=  . при этом удельная поверхностная энергия на площади контакта Rδ =  = C – константа прибора, создающего силу F (Н). Размерность C (Па·см) отличается от размерности R (Па) так же, как скаляр отличается от – направлением. Переход от скаляра к поверхности дает скаляр, позволяющий относить его к глубине h (см), на которой бетон сжимается и деформируется. Силу F (Н), развиваемую прибором, и диаметр шаровой поверхности D (см) можно изменить, получая значения деформации δ (мкм) в нужных пределах [6].

Плотность энергии в напряженном бетоне  определяет  как отношение плотностей энергии и массы  =  . Исследования со сконструированным индентором показала, что R и δ в отдельности не могут характеризовать прочностные свойства бетонов, а в произведении Rδ = C каждому значению δ соответствует определенное значение R =  , значительно более точному, чем определяемому при прессовых испытаниях [10].

При параллельных испытаниях образцов песочного бетона – кубиков с ребром 7 см (343 см³) и массой = 0,7 кг, при γ = 0,002 кг/см³ прессом, характеризуемым Rδ = 180 Н·см/см³, и индентором при D =1,5 см, F =5000 Н,

C = Rδ = 10620 Н·см/см³ были определены значения следующих показателей (табл.1.):

Таблица 1.

Показатели значений параллельных испытаний образцов песочного бетона

Основные показатели δ = 370 (=0,037 см), i =  =  = 0,0053, β =  =2,5 позволяют установить средние значения напряжений при прессовых и инденторных испытаниях:   = 30000 Н/см². При резких колебаниях  наблюдалось плавное изменение .

Из проведенных исследований можно заключить, что масса бетона при разрушении приобретает критическое значение , а в неразрушенном состоянии ее значение e в e раз больше при взаимодействии с индентором, нежели при разрушении прессом [5].

Учитывая, что при взаимодействии с прессом образец испытывает осевое, а при вдавливании шара общее сжатие, при делении всех членов на β =  (≡≈2,5) можно установить взаимосвязь между напряжениями.

Вывод. Сопоставление на монограммах строительных процессов, осуществляемых разными способами, разными машинами в различных условиях производства, позволяет оптимизировать процессы, совершенствовать их и развивать технику производства.

Список литературы:

1. Ю.М. Баженов. «Технология бетона». Учебник. -М.: Изд-во АСВ, 2002 г.
2. В.Н. Бойков, Э.С. Сигалов «Железобетонные конструкции». Учебник для вузов-5-е изд. Стройизд.199 1г.
3. Djabbarov S., Kakharov Z., Kodirov N. Device of road boards with compacting layers with rollers //AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2022. – Т. 2432. – №. 1. – С. 030036.
4. ST Djabbarov, RH Mukarramov  3D skaneridan foyidalanib xavfli ekzogen geologik jarayonlarni kuzatish haqida - Научный журнал транспортных средств и дорог. 2021 -С 50-58
5. Кахаров З.В. Железнодорожная конструкция для высокоскоростных дорог // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 5(98). – С. 43.
6. Кахаров З. В., Эшонов Ф. Ф., Козлов И. С. Определение величин энергетических констант материалов при дроблении твердых тел //Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2019. – Т. 16. – №. 3. – С. 499-504.
7. Кахаров З. В., Кодиров Н. Б. У. Экономии энергоресурсов при производстве сборного железобетона //Кронос. – 2021. – №. 10 (60). – С. 13-16.
8. Кахаров З. В. Укрепления основания фундаментов методом закрепления грунтов инъекцией растворов //Глобус: технические науки. – 2019. – №. 6 (30). – С. 12-13.
9. Кахаров З. В., Кодиров Н. Б. Методы укрепления оснований здании и сооружения //Системная трансформация-основа устойчивого инновационного развития. – 2021. – С. 18-37.
10. Кахаров З. В. и др. Устройство основания сооружений в слабых грунтах // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации. – 2020. – С. 63-65.
11. Кахаров З. В. Взаимодействие рабочих органов машин с перерабатываемыми материалами //Технические науки: проблемы и решения. – 2018. – С. 104-108.
12. Кахаров З. В., Исломов А. С. Анализ структуры энергозатрат на строительство дорожных асфальтобетонных покрытий //Sciences of Europe. – 2021. – №. 82-1. – С. 59-62.
13. Кахаров З.В., Пурцеладзе И.Б. Проблемы экономии энергоресурсов в строительстве // Инновационные научные исследования. 2022. № 11- 5(23). C. 40-46. URL: https://ip-journal.ru/
14. Мерганов А, М. Определение экономической эффективности в результате увеличения срока службы железнодорожных рельсов в кривых // Universum: экономика и юриспруденция. 2019. №4 (61).
15. Теличенко В.И., Терентьев О.М., Лапидус А.А. «Технология строительного производства». Издательство «Высшая школа» -2005 г.
16. Umarov Xasan, Botirov Otanur. The role of construction of the angren-pap railway line in the plans of international transport and economic relations // Universum: технические науки. 2021. №6-5 (87).