ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА БЕТОНА ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗЕРНОВОГО СОСТАВА ЗАПОЛНИТЕЛЯ

Введение

Цементобетонные покрытия автомобильных дорог и аэродромов являются наиболее долговечным видом покрытий. В России проектный срок службы цементобетонных покрытий составляет 20-25 лет (за рубежом – 40-50 лет), асфальтобетонных 10-15 лет. Поскольку реальный, фактический межремонтный срок службы асфальтобетонных покрытий, по ряду объективных и субъективных причин, намного ниже проектного (составляет по данным Росавтодора, в среднем, 3-5 лет или даже меньше), ещё более актуальным представляется строительство долговечных цементобетонных покрытий.

Наиболее распространенным местным материалом в Республике Татарстан можно назвать песчано-гравийные смеси (ПГС). В их составе содержатся окатанные зерна гравия крупностью до 70 мм и выше, песчаные фракции 0-5 мм с достаточно большим количеством пылеватых и глинистых частиц, что приводит к снижению адгезионной прочности между заполнителем и цементным вяжущим. Их применяют, в основном, для устройства земляного полотна, оснований автомобильных дорог и площадок. В условиях России главным фактором агрессивного климатического воздействия на дорожный бетон, определяющим долговечность цементобетонных покрытий, является попеременное замораживание-оттаивание в присутствии водных растворов хлористых солей-антиобледенителей. Соответственно, для обеспечения высокой долговечности цементобетонных покрытий наиболее актуально получение бетона надёжной, гарантированной высокой морозостойкости.

Объект исследования: зерновой состав бетона для дорожного строительства.

Предмет исследования: оптимизация состава с учетом особенностей зернового состава заполнителя.

Цели:

Целью работы является разработка алгоритмов формирования и обработки статистических данных по подбору состава бетона для транспортного строительства с высокими физико-механическими свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо рассмотреть следующие задачи:

1. Разработка усовершенствованной методики оптимизации состава дорожного бетона с возможностью применения местных строительных материалов в качестве заполнителя;
2. Подборы составов, формирование базы данных для разрабатываемой методики расчета состава бетона и выбор оптимальных составов с учетом полученных результатов;
3. Модификация оптимальных составов ПАВ, изучение структуры бетона и оценка влияния ПАВ на морозостойкость.

Научная новизна работы заключается в разработке методики подбора наиболее оптимального состава бетона, в зависимости от заполнителя, для строительства цементобетонных дорог.

Методика оптимизации состава дорожного бетона

В настоящее время в целях решения материаловедческой задачи подбора технологических параметров, обеспечивающих оптимальное сочетание эксплуатационных характеристик, используется широкий спектр инструментов прикладной математики. Одним из направлений, обеспечивающих решение данной задачи - является разработка алгоритмов формирования и обработки статистических  данных, в сочетании с учетом физико-механических процессов. В целом, задача данного направления разбивается на следующие этапы:

1. этап формализации. Заключается в выборе технологических параметров и целевых функций. В процессе выбора, осуществляется качественная оценка влияния каждого из параметров на целевые функции;
2. этап выбора математического аппарата прогнозирования значений целевых функций от выбранных технологических параметров;
3. этап программирования выбранного математического аппарата. Результатом данного этапа должен являться реализованный в среде программирования алгоритм работы выбранного математического аппарата;
4. этап планирования эксперимента;
5. этап формирования базы данных для работы алгоритма прогнозирования целевых функций. Результатом этапа должна появиться база экспериментальных данных, определяющих значения целевых функций в точках, определенных планом эксперимента;
6. этап реализации алгоритма прогнозирования на сформированной экспериментальной базе данных;
7. решение задачи подбора технологических параметров, определяющих оптимальное сочетание эксплуатационных характеристик (целевых функций) путем многократной прогонки алгоритма  моделирования  по различным сочетаниям параметров технологии.
8. этап контрольного эксперимента для выбранных оптимальных точек.

Этап формализации материаловедческой задачи.

В качестве целевых функций "Y" определены ключевые эксплуатационные характеристики:

• R – придел прочности при сжатие;
• П – подвижность смеси.

В качестве варьируемых технологических параметров выбраны содержания фракций бетонного заполнителя:

• Фp1 – частный остаток на сите 20мм;
• Фp2 – частный остаток на сите 15мм;
• Фp3 – частный остаток на сите 10мм;
• Фp4 – частный остаток на сите 5мм;
• Фp5 – частный остаток на сите 2,5мм;
• Фp6 – частный остаток на сите 1,25мм;
• Фp7 – частный остаток на сите 0,63мм;
• Фp8 – частный остаток на сите 0,315мм
• Фp9 – частный остаток на дне.

Ключевыми критериями, определяющими выбор именно данных параметров в целях статистического прогнозирования, являются:

существенное влияние различного фракционного состава на эксплуатационные характеристики;

малая проработка методов анализа на базе коррелированных  параметров, каковыми являются параметры фракционного состава (т.к. изменение одной фракции ведет к пропорциональному изменению остальных). В большинстве случаев, в качестве параметров, определяющих прочность, выбираются только соотношение гравий-песок, т.е. устанавливается оптимальное соотношение фракций песка и крупного заполнителя в отрыве друг от друга. Соответственно, построенная модель не отражает значительного потенциала влияния вариативного подбора параметров зернового состава на эксплуатационные характеристики бетона.

Этап выбора математического аппарата прогнозирования значений целевых функций от выбранных технологических параметров.

Для прогнозирования эксплуатационных характеристик от выбранных в значительной степени коррелированных между собой параметров моделирования стандартные методы регрессионного анализа практически неприменимы - коэффициент детерминации не будет выше 0,5. Это означает, что расчетные параметры модели не более чем на 50% объясняют зависимость между изучаемыми параметрами (чем выше коэффициент детерминации, тем качественнее модель).

В данных условиях в качестве математического статистического аппарата прогнозирования предлагается за прогнозное значение целевых функций "Y" в требуемых точках прогнозирования принимать средневзвешенное по известным значениям целевых функций в смежных точках на основании сформированной экспериментальной базы. Механизм задания удельного веса значений в точках окружения - обратно пропорционально расстояниям от точек окружения до требуемой точки, функции в которой прогнозируются.

Предлагаемый механизм прогнозирования реализован в среде Mathcad.

Прочность бетонов при сжатии определялась по ГОСТ 10180-78 [1] на образцах кубах размером 100x100x1000 мм. Испытание начинают с осмотра и обмера образцов. При осмотре выбирают и отмечают опорные грани, к которым будет приложена нагрузка. Для образцов-кубов это пара противоположных, лучших по состоянию поверхности боковых граней, так как направление разрушающей силы при испытании должно быть перпендикулярно направлению укладки бетонной смеси. Измерение линейных размеров производят с погрешностью ±1%. Каждый линейный размер a, b, h вычисляют как среднее арифметическое двух измерений по серединам противоположных граней.

Перед испытанием на сжатие образцы взвешивают и вычисляют значение средней плотности бетона в образце. На тщательно очищенную от частиц бетона после предыдущего испытания нижнюю опорную плиту пресса (испытательной машины) поочередно устанавливают образцы, строго центруя по нанесенным на нее рискам. Мощность пресса выбирают так, чтобы диапазон ожидаемых значений разрушающих нагрузок находился в интервале 20-80% шкалы силоизмерителя. Нагружение образцов осуществляют непрерывно с постоянной скоростью 60±20 кПа/с. Максимальное усилие Fmax, Н, достигнутое в процессе испытания, принимают за величину разрушающей нагрузки. Среднюю площадь рабочего сечения образца А, см², определяют как среднее арифметическое значение площадей его противоположных граней, соприкасающихся с плитами пресса.

Вывод: было выяснено, что на подбор оптимального состава бетона для дорожного строительства влияет зерновой состав заполнителя. Эти составы нужно рассматривать не только со стороны известных методик (метод абсолютных объемов, метод предельных кривых), а с учетом всех фракций заполнителя, так как в случае, когда отдельные фракции выходят за рекомендуемые пределы, приходится производить корректировку состава путем введения отдельных фракций, что в реальных условиях не всегда возможно. Наша же методика позволяет подобрать состав бетона, с учетом всех особенностей зернового состава заполнителя в любом регионе Российской федерации, использую накопленную базу данных. Методика проверена по методу Скрамтаева.

Список использованных источников

1.  ГОСТ 10180-78 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.