Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов

СПИСОК литературЫ Кузнецова Т.В., Талабер И. Глиноземистый цемент. – М.: Стройиздат, 1988. – 272 с. Зальманг Г. Физико-химические основы керамики. - М.: Госстройиздат, 1959. - С. 90-91. Адамова Ю.С., Шапошникова А.Н. Причины появления выцветов на облицовочных изделиях // Труды НИИСтройкерамики. - М., 1952. - Вып 6. - С. 22-48. Философов П.С. Сульфатная коррозия керамических изделий // Местные строительные материалы. - 1947. - № 6. Соколов Я.А., Якопсон Т.С., Большухин В.П. Использование баритовых отходов для связывания растворимых солей в глинах // Стекло и керамика. - 1965. - № 10. - С. 35-37. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. - М.: Стройиздат, 1986. - С. 39, 50, 50-57. Патент РФ № 2119468, М, Кл. С 04 В 33/08. Способ устранения сульфатных высолов на поверхности керамических облицовочных изделий / Чумаченко Н.Г., Арбузов П.А. – Опубл.27.09.98. – Бюл. № 27, 1998 // Открытия. Изобретения. Патент (РФ) № 2161596, МПК 7 С 04В 33/08. Способ устранения сульфатных высолов на поверхности керамических облицовочных изделий / Чумаченко Н.Г., С.Н. Евстефеев С.Н. – Опубл. 10.01.2001. - Бюл. №1, 2001 // Открытия. Изобретения. УДК 666.64-492.3:691.224:681.54 Чумаченко Н.Г., д-р техн. наук, профессор Самарский государственный архитектурно-строительный университет ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОЙ ОЦЕНКИ СЫРЬЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА РАСПЛАВА И НЕРАСТВОРИВШЕГОСЯ ОСТАТКА НА СВОЙСТВА КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВИЯ Накопленный литературный материал свидетельствует о влиянии химического состава сырья на фазовый состав керамзита [1-10] и, соответственно, на его свойства. Однако мнения противоречивы, что не позволяет использовать известные данные для направленного проектирования составов. Достоверность прогнозируемых данных о количестве образующегося при обжиге расплава [11], полученных с использованием разработанного расчетного метода [12-14], позволяет проанализировать известные сведения и открывает широкие возможности для объяснения процессов формирования структуры керамзита. Наиболее полные исследования о влиянии химического состава сырья на фазовый состав керамзита выполнены М.К. Кабановой под руководством В.В. Еременко [15]. Были определены содержание и состав стеклофазы и кристаллических фаз для семи проб глинистого сырья разной степени вспучиванния. По этим данным выполнен расчет в соответствии с разработанным методом [12-14]. Расчет выполнен с учетом содержания в глинах кварца и частичного растворения его, наличия органики и полного восстановления оксидов железа. Сравнение экспериментальных и расчетных составов стеклофазы показано в таблице 1, а полного фазового состава – в таблице 2. Таблица 1 Химический состав керамзитовых глин и стеклофазы керамзита Наименование керамзита Вид определения Химический состав, мас. % SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO CaO MgO R2O Смышляевский Глины [15] 60,16 20,36 5,46 3,58 2,78 3,38 3,34 Стеклофазы [15 ] 68,00 13,90 - 8,5 3,30 1,65 4,35 Стеклофазы –расчетный при t = 1112 oС 65,06 13,66 - 10,04 3,29 4,00 3,95 Ачинский Глины [15] 65,24 19,09 3,98 2,73 1,96 2,15 3,95 Стеклофазы [15 ] 66,20 17,30 - 6,90 2,08 1,77 5,90 Стеклофазы – расчетный при t = 1084 oС 68,25 13,16 - 8,16 2,54 2,78 5,11 Октябрьский Глины [15 ] 61,56 21,19 2,42 5,20 1,92 1,53 4,66 Стеклофазы [15 ] 61,40 21,40 - 7,91 2,43 - 6,96 Стеклофазы – расчетный при t = 1024 oС 70,38 12,03 - 10,68 0,15 - 6,75 Омский Глины [15] 67,08 14,38 2,13 3,09 6,35 2,17 3,53 Стеклофазы [15 ] 67,20 6,94 - 7,85 10,0 2,18 5,70 Стеклофазы -расчетный при t = 1073 oС 67,47 12,90 - 7,39 7,75 - 4,49 Кряжский Глины [15] 61,00 18,21 3,12 4,87 4,15 3,56 4,47 Стеклофазы [15] 64,80 11,90 - 9,66 5,50 1,82 6,17 Стеклофазы -расчетный при t = 1039 oС 69,11 12,28 - 10,33 2,28 - 6,00 Образцово – Печерский Глины [15] 59,84 25,60 5,26 2,82 2,10 1,71 3,44 Стеклофазы [15] 64,30 16,30 - 10,10 2,95 - 5,75 Стеклофазы -расчетный при t = 1082,3 oС 66,50 13,09 - 10,41 2,90 2,36 4,74 Эдемский Глины [15] 62,76 21,45 2,49 4,86 2,82 1,58 3,55 Стеклофазы [15] 67,70 13,90 - 9,05 3,97 0,10 5,17 Стеклофазы -расчетный при t = 1079 oС 67,06 13,05 - 9,73 3,13 2,17 4,86 Общая оценка результатов сопоставления экспериментальных и расчетных данных приведена ниже. Как следует из таблицы 1, расчетные составы расплава и фактические составы стеклофазы близки, хотя общее содержание расплава несколько выше фактического содержания стеклофазы. Это вполне объяснимо и связано с частичной кристаллизацией расплава при охлаждении. Наличие во всех пробах гематита является закономерным следствием недостаточного развития окислительно-восстановительных процессов на поверхности гранул: расчет же ориентирован на полное восстановление оксидов железа, что характерно для сердцевины гранул. Обнаруженный во всех пробах полевой шпат не является остаточным, его можно отнести к фазам, образованным из расплава, что возможно, согласно [16], для составов расплавов, находящихся в поле кристаллизации полевого шпата. Это согласуется с выполненным анализом изменения фазового состава керамзита, например, для смышляевской глины. Рентгеноструктурным анализом полевой шпат зафиксирован вплоть до 800 0С и вновь появляется при 1100 0С. Наличие во всех пробах муллита подтверждается присутствием в составе нерастворившегося остатка кремнезема и глинозема. Шпинель также обнаружена во всех пробах. Данное явление говорит о том, что входящие в состав кристаллической решетки монтмориллонита (основного глинистого минерала керамзитовых глин) ионы магния способны в первую очередь образовывать двухкомпонентную шпинель, а не трехкомпонентную алюмосиликатную эвтектику. Идентификация экспериментальных и расчетных данных (таблицы 1 и 2) подтверждает выдвинутую гипотезу о последовательности вовлечения плавней в расплав [11]. Так, в стеклофазе наблюдается превышение содержания щелочей, железа и СаО, а содержание Al2O3 и MgO увеличивается в кристаллической фазе и уменьшается в стеклофазе. Кристаллические новообразования формируются в основном с участием щелочноземельных оксидов, но только в сочетании с тугоплавкими оксидами: СаО - с SiO2 и MgO – c Al2O3. Более наглядно влияние химического состава сырья на качество керамзита можно оценить по динамике образования расплава (рисунок 1) и по расположению фигуративных точек относительно оптимальных областей (рисунки 2 и 3). Как следует из рисунка 1, наиболее идеальное совпадение образования нужного количества расплава и интенсивного газовыделения свойственно для смышляевской глины. Во всех других глинах при обжиге образуется меньше расплава, а температура его образования опережает процесс интенсивного газовыделения. Анализируемые данные, полученные В.В. Еременко и М.К. Кабановой, подтвердили положения [15] о том, что шихты, обеспечивающие максимальное вспучивание, расположены в теоретически обоснованных оптимальных областях. Из анализируемых глин только смышляевская удовлетворяет этим требованиям, что объясняет получение самого легкого керамзита. Любое отклонение от оптимального состава отрицательно сказывается на технологических характеристиках и свойствах керамзита. Соотношение плавней в глине Ачинского месторождения, так же как и для смышляевской глины, соответствует оптимальному. Однако более высокое содержание кварца и меньшее количество расплава объясняет повышенную плотность. Таблица 2 Фазовый состав керамзита Наименование керамзита Содержание фаз (факт./расчет.), мас. % Расчетный состав нерастворившегося остатка, мас. % Фактический минералогический состав кристаллических фаз, мас. % Стеклофаза Кристаллическая SiO2 аморф. Al2O3 CaO MgO Кварц Кристобалит Шпинель MgO.Al2О3 Гематит Fe2O3 Муллит Полевые шпаты Смышляевский 73,7 79,01 26,3 20,99 5,23 8,95 - - 6,2 1,5 7,8 2,9 4,0 3,9 Ачинский 66,8 67,00 33,2 33,00 12,64 9,03 - - 16,5 1,0 3,5 2,2 4,0 6,0 Октябрьский 66,75 65,13 33,25 34,87 13,18 13,11 1,85 1,56 18,5 1,0 5,45 2,5 2,5 3,3 Омский 56,2 59,00 44,80 41,00 15,75 4,18 0,25 2,14 22,8 1,0 3,5 1,0 6,5 10,0 Кряжский 70,3 73,63 29,7 26,27 8,78 9,26 2,51 3,63 12,3 1,0 8,3 1,3 3,3 3,5 Образцово-печерский 69,40 69,15 30,40 30,85 11,46 16,89 - - 13,3 отс. 6,1 1,5 8,5 1,0 Энемский 67,70 71,13 32,30 28,87 14,00 12,08 - - 14,0 следы 5,5 1,3 10,0 1,5 Рисунок 1 – Динамика образования расплава керамзитовых глин Рисунок 2 – Расположение фигуративных точек керамзитовых глин на диаграмме Для Октябрьского керамзита характерна самая высокая плотность, что согласуется с расчетно-графической оценкой. Глина по соотношению плавней (рисунок 3), составу эвтектического расплава (рисунок 2) не соответствует оптимальному. Из-за недостатка аморфного кремнезема оксид СаО играет отрицательную роль, а оксид MgO не выполняет функцию расширения интервала вспучивания. На границе зоны оптимальных соотношений между эвтектическими расплавами располагается фигуративная точка омской глины (рисунок 3). Сильно завышенное содержание СаО и отсутствие магниевой эвтектики отрицательно сказываются на свойствах керамзита. В кряжской глине ощущается недостаток MgO (рисунок 3), но увеличенное содержание глинозема повышает вязкость первичного расплава, что, с одной стороны, расширяет интервал вспучивания, а с другой – не способствует повышению коэффициента вспучивания. Марка керамзита довольно высокая – 500. Анализируемая проба образцово-печорской глины по соотношению плавней относится к оптимальным керамзитовым, однако недостаточное количество расплава не обеспечивает максимального вспучивания. Аналогичную характеристику можно дать энемской глине. Химический состав стеклофазы и фазовый состав керамзита оказывают существенное влияние на его прочность. Рисунок 3 – Расположение фигуративных точек керамзитовых глин на диаграмме Содержание щелочей в составе стеклофазы может изменяться в широком интервале. Положительное влияние щелочей на прочность силикатного стекла сказывается только в сочетании с глиноземом. Роль ионов щелочей в этом случае сводится к компенсации недостающего заряда алюмокремнекислородных цепей. Они не являются деполимеризаторами и не уменьшают прочности. Только при избытке щелочей и недостатке глинозема и кремнезема прочность снижается, что связано с разрывом алюмосиликатных цепей, которое приводит к резкому снижению вязкости расплава и образованию крупнопористой структуры. Преобладание в составе плавней щелочей и оксидов железа приводит к уменьшению интервала плавкости. Этот эффект также объясняется свойствами эвтектических алюмосиликатных расплавов. Оксиды Na2O и FeO образуют легкоплавкие эвтектики, имеющие практически одинаковую температуру плавления (1050 и 1073 0С). Поэтому натрий – железистое стекло имеет короткий интервал плавкости, легко разжижается при повышении температуры, что также приводит к образованию крупноячеистой структуры. Этот недостаток отсутствует, если в сырье есть оптимальное количество СаО и MgO. При отсутствии или недостатке в шихте MgO, когда она располагается вблизи плоскости R2C1F1 (рисунок 3), процесс характеризуется коротким интервалом вспучивания – не более 20 оС, так как максимальная температура образования расплава около 1118 0С, что характерно для октябрьской, омской и кряжской глин. Если в шихтах отсутствует СаО, то в интервале температур растворения эвтектики С1 в первичном расплаве, образованном R2 и F1, возможно разжижение его, что ухудшает структуру заполнителя, а в производственных условиях может привести к козлообразованию. Проведенные электронно-микроскопические исследования керамзита свидетельствуют о достоверности разработанного расчетного метода в прогнозировании фазового состава, вида и структуры остаточных минералов и новообразований. Основная масса хорошо вспучившихся глин переходит в расплав. Количество расплава уменьшается с увеличением тугоплавких добавок. Гематит в основном образуется в поверхностном слое при контакте с окислительной средой. К числу нерастворившихся остатков исходных минералов относится кварц. Вид и структура новообразований определяются химическим составом шихты. К числу новообразований относятся: шпинель, муллит, анортит, а также кристобалит. Образование этих фаз согласуется с расчетными характеристиками (таблица 2). Присутствие в нерастворившемся остатке смышляевской глины MgO, Al2O3, и SiO2 способствует образованию в первую очередь шпинели, что объясняется наибольшей подвижностью оксида магния. При отношении Al2O3/ SiO2 в нерастворившемся остатке, близком к муллиту (что характерно для омского керамзита), зафиксировано значительное образование последнего. Армирующие действия муллита сказались на повышении прочности керамзита. Расположение образовавшегося расплава в ачинском керамзите в поле кристаллизации полевого шпата способствовало образованию из расплава анортита, а неусвоенный расплавом аморфный кремнезем глинистых минералов, как свойственно для смышляевской глины, переходит в кристобалит. Приведенный анализ свидетельствует о невозможности применения оценки качества керамзитового сырья по прямому соотношению плавней и тугоплавких оксидов, как это предлагается рядом исследований [2, 8, 17-19], а также с учетом принципа унификации катионов [20-22]. Предлагаемый расчетно-графический метод оценки более нагляден и достоверен. Указанные прогнозируемые изменения вязкости и характер изменения интервала вспучивания согласуются с реальной структурой керамзита. Рисунок 4 - Изменения фазового состава, происходящие при получении керамических материалов Проведенные исследования определили характер фазовых превращений, происходящих при получении керамических материалов (рисунок 4), и расширили возможности расчетного метода, с помощью которого можно прогнозировать состав кристаллических фаз новообразований. Часть расчетного расплава может закристаллизоваться при охлаждении. Наиболее вероятной кристаллической фазой будут являться полевые шпаты, в поле кристаллизации которых попадают чаще всего керамзитовые глины. К оставшимся нерастворившимся тугоплавким фазам относится кварц, количество которого, по сравнению с содержанием его в исходной глине, изменяется незначительно. К кристаллическим фазам новообразований, сформированных из остатков глинообразующих минералов, относятся: муллит - образуется при наличии в нерастворившемся остатке SiO2 и Al2O3; кристобалит - образуется при недостатке в нерастворившемся остатке Al2O3; шпинель - образуется при наличии в нерастворившемся остатке Al2O3 и MgO;

Похожие:

	Министерство образования Российской Федерации Санкт Петербургский... Задачи курса: Изучить основные математические результаты и методы, лежащие в основе метода конечных элементов и других вариационных...		Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями фгос во... Салтанова Т. В. Метод конечных элементов в расчётах прочности. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления...
	Царев Федор Николаевич Разработка метода совместного применения генетического... История развития географической науки и роль выдающих ученых в формировании системы географических знаний		Моделирование течения ледников методом конечных элементов ...
	Методическая разработка по внедрению проектного метода на уроках географии Данная методическая разработка предполагает проведение уроков по дисциплине География с использованием элементов проектного метода...		Методические указания к выполнению расчетно-графического задания... В методических указаниях изложены краткие сведения о пк «лира», о методе конечных элементов, реализуемом в системе «лира», рассмотрен...
	Инженерный анализ методом конечных элементов (мкэ) Инженерный анализ представляет собой комплекс испытаний, предназначенных для определения способности оборудования, конструкций, а...		Образовательная программа «Компьютерные и информационные науки» Форма... Ук-1 Способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских...
	Реализация технологии деятельностного метода обучения Основная цель: знакомство педагогов с практикой реализации механизмов формирования универсальных учебных действий на основе дидактической...		Курсовая работа на тему: «Моделирование и прогнозирование инфляции... «Моделирование и прогнозирование инфляции на основе индекса потребительских цен в Великобритании в период 1993–2011 годов»
	Прогнозирование и планирование в налогообложении Рабочая программа учебной дисциплины «Прогнозирование и планирование в налогообложении» составлена в соответствии с требованиями...		Разработка проекта по литературе с применением метода сравнительно-типологического... Традиционная для 11 класса тема «Основные темы и идеи литературы Русского Зарубежья» может быть изучена на основе метода проектов....
	Доклад ронжина Андрея Леонидовича по диссертационной работе «Разработка... «Разработка адаптивного метода робастного понимания слитной речи на основе интегральной обработки данных», представленной на соискание...		Д. В. Лазутина Налоговое планирование и прогнозирование Д. В. Лазутина Налоговое планирование и прогнозирование: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для бакалавров направления...
	Программа по дисциплине «Прогнозирование и планирование в налогообложении» «Прогнозирование и планирование в налогообложении» составлена в соответствии с учебным планом соответствующих специальностей. Она...		М. А. Леган, В. А. Блинов, 2013 совместное использование метода граничных... Учебно-методический комплекс по «Психологии и педагогике» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного...