Оптимизация зерновых составов цементно-минеральных смесей для производства строительных композитов методами компьютерного моделирования

• Автор: Образцов, Илья Вячеславович
• Шифр специальности: 05.23.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Физические представления о процессах структурообразования строительных композиционных материалов
1.2 Существующие подходы к оптимизации дисперсной структуры строительных композиционных материалов
1.3 Компьютерное моделирование процессов структурообразования строительных композитов

1.4 Обоснование цели и задач исследования

Глава 2 Материалы, методы и приборы для исследований

2.1 Материалы для исследований

2.2 Методики и приборы для определения свойств сырьевых материалов

2.3 Методика определения показателя плотности упаковки частиц в тонкодисперсных системах
2.4 Методы исследования реологических свойств мелкозернистой бетонной смеси
2.5 Методы исследования прочностных свойств бетона
2.6 Методы структурно-имитационного моделирования плотных упаковок дисперсных систем
Глава 3 Моделирование упаковок грубодисперсных систем с зернами различных форм и размеров
3.1 Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка моделей упаковки моно- и бидисперсных систем
3.2 Компьютерное моделирование и экспериментальная проверка моделей упаковки поли-диснерсных систем
3.3 Разработка методики и компьютерного алгоритма оптимизирования структуры сырьевых смесей для изготовления цементных композитов
3.4 Исследование влияния оптимальной упаковки зерен заполнителя на прочностные свойства композита
3.5 Выводы по главе
Глава 4 Проверка оптимального количества и дисперсности тонкомолотых минеральных добавок в составе сырьевых смесей для изготовления строительных композитов
4.1 Расчет плотных упаковок частиц в смесях тонкодисперсных компонентов

4.2 Экспериментальное определение минимальной водопотребности смесей тонкодисперсных компонентов как показателя плотности упаковки частиц
4.3 Экспериментальная проверка влияния оптимального состава тонкодисперсных компонентов на прочностные свойства композита
4.4 Исследование оптимальных соотношений компонентов сырьевой смеси мелкозернистого бетона с добавкой молотого известняка
4.5 Выводы по главе
Глава 5 Экспериментальные исследования и производственная проверка эффективности оптимизации структуры строительного композита с помощью компьютерного моделирования
5.1 Краткое описание технологии приготовления бетонной смеси на предприятии ООО «Эл-тра» в г.Твери
5.2 Применение научной методики проектирования оптимальных составов сырьевых смесей в производстве товарного бетона на предприятии ООО «Элтра» в г. Твери
5.3 Опытно-промышленная проверка составов товарного бетона с оптимальным гранулометрическим составом минеральной части в условиях ООО «Элтра» и расчет ожидаемого экономического эффекта
5.4 Выводы по главе
Общие выводы
Список литературы
Приложение А Акт о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс
Приложение Б Акт производственной проверки составов товарного бетона с оптимальным гранулометрическим составов минеральной частиц в условиях ООО
«Элтра»
Приложение В Протокол производственной проверки составов товарного бетона с оптимальным гранулометрическим составов минеральной частиц в условиях ООО «Элтра»

Введение
Проблема оптимизации структуры и свойств строительных композиционных материалов является первоочередной задачей технологов-проектировщиков, решение которой позволяет одновременно повысить экономичность, надежность и долговечность строительных композиционных материалов. С момента начала широкого использования строительных композитов делаются попытки получения аналитических зависимостей, связывающих свойства компонентов композиционных материалов и их концентрацию в смеси со свойствами готового композита. Получение таких зависимостей позволило бы рассчитывать концентрационногранулометрические характеристики смесей для изготовления материалов в зависимости от требований, которым должен соответствовать готовый материал. Решение первоочередной задачи оптимизации возможно за счет синергизма многих областей научного знания, в том числе технологии строительных материалов, физики, химии, математики, программирования и др.
Применение средств вычислительной техники позволяет решать многие задачи современного строительного материаловедения в области математического моделирования, прогнозирования свойств, автоматизированных расчетов и др. Появление универсальных оболочек и всё более мощных алгоритмических языков программирования дает возможность использовать компьютер как средство, позволяющее автоматизировать процесс поиска оптимальных составов композитных материалов, построить модели структуры материала в объеме, применить физические законы и спрогнозировать изменение свойств материала в зависимости от внешних условий. Компьютерные модели, построенные на основании фактора случайности, позволяют достаточно полно описать структуру композитного материала, учитывая хаотичный характер распределения структурных элементов в объёме материала, что обосновывает подход к их изучению с позиций теории вероятностей и математической статистики.
Актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки и практического применения эффективной научно-прикладной методики проектирования оптимальных зерновых составов сырьевых смесей для получения строительных конгломератов на цементноминеральной основе с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками. Основным требованием к разрабатываемой методике является возможность ее применения в любых производственных условиях на материалах местной сырьевой базы.
Методологическая ценность работы заключается в формализации задачи проектирования оптимальной структуры строительного композиционного материала с позиции пространственно-геометрических закономерностей структурообразования сырьевой смеси с применением современных методов компьютерного моделирования и эффективных алгоритмов автоматизированного расчета компонентного состава материала.

1.4 Обоснование цели и задач исследования
На основании источников, рассмотренных в первой главе, следует отметить, что такая область строительного материаловедения, как цементные строительные композиты является безкрайним простором для развития новых научных направлений, исследования неизученных областей структурообразования материалов, решения задач достижения оптимальных свойств и характеристик. Наибольший интерес для данной работы представляют дисперсные системы гидратационного твердения, а именно цементные бетоны оптимальной структуры.
В обзоре научных публикаций отражены ключевые сведения о процессах формирования дисперсной структуры строительных композиционных материалов, изложены расчетные методы и практические способы оптимизации зерновых составов сырьевых смесей, рассмотрены механизмы действия наполнителей и модификаторов различного происхождения, а также их влияние на характеристики бетона.
Важным моментом является подобие структур материала по масштабным уровням, так называемый фрактальный характер структуры, что в свою очередь фрагментирует задачу оптимизации и расширяет область параметров оптимальности структуры. Приведенные сведения о том, что формирование оптимальной макроструктуры композитов определяется гранулометрией зернистой части системы и её максимально плотной упаковкой под действием гравитационных сил, свидетельствуют о наличие оптимальных соотношений размеров зерен, при достижении которых наблюдаются экстремумы насыпной плотности системы. Наибольшая плотность зерновой структуры грубодисперсной части строительного композита достигается за счет заполнения зернами меньших размеров пустот между крупными зернами, так называемая непрерывная гранулометрия заполнителя. Важным аспектом задачи оптимизации является подбор гонкодисперсной части строительного композита. В данном случае необходимо исследовать тонкодисперсные системы на микроуровне с учетом поверхностного взаимодействия частиц, и подбирать состав вяжущей части на основе точных методик и закономерностей.
На основании изученных фундаментальных знаний о структурообразовании композиционных материалов представляется возможным исследовать наиболее эффективный подход к получению цементного бетона оптимальной структуры с помощью специальных программнорасчетных методик, позволяющих проектировать и корректировать различные зерновые составы минеральной части бетона, а также, моделировать внутреннюю структуру композиционных смесей, производить параметрическую оценку степени оптимальности составов. Проведенный обзор позволяет сформулировать цель и задачи текущего исследования.
Целью диссертационной работы является разработка оптимальных зерновых составов сырьевых смесей строительных композитов на цементно-минеральной основе с применением