МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ НАСЫЩЕНИЯ ПОРИСТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕМЕНТНЫМ КЛЕЕМ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КРУПНОПОРИСТОГО КЕРАМЗИТОБЕТОНА В НЕСЪЕМНОЙ ОПАЛУБКЕ

Одной из важнейших задач возведения качественных и надежных ограждающих конструкций в несъемной опалубке является обеспечение их теплоэффективных свойств, определяемых теплотехническими показателями, структурой исходных материалов и технологией их производства [1-10].

Основные вопросы, возникающие при возведении ограждающих конструкций из крупнопористого керамзитобетона в несъемной цементно-стружечной опалубке, обусловлены сложностью технологических задач, возникающих в построечных условиях,  среди них подбор регионального состава  крупнопористой керамзитобетонной смеси, особенности ее перемешивания и укладки, обоснование параметров ее воздействия на щиты опалубки [1-7].

Весьма эффективным в процессе приготовления считается виброперемешивание, обеспечивающее однородность смеси, повышение прочности сцепления цементного камня с заполнителем, ускорение твердения, особенно в раннем возрасте и увеличение прочности бетона на 10-15% [1, 7].

При уплотнении легкобетонной смеси происходит ее деформация, связанная с лучшим компактным расположением зерен заполнителя и отжатием из цементного теста свободной воды затворения, а также вызванная упругостью отдельных зерен пористых заполнителей и давлением пузырьков воздуха, сжатого при уплотнении смеси, следовательно, процесс укладки в опалубку также требует дополнительного механического воздействия [1, 2].

Очевидно, что, решив проблемы приготовления и укладки крупнопористого керамзитобетона в несъемную опалубку из цементно-стружечных плит в построечных условиях, можно получить эффективное малозатратное и конкурентноспособное ограждение. Для этой цели необходимо разработать и обосновать математическую модель процессов перемешивания и укладки крупнопористого керамзитобетона в несъемную опалубку.

Математическая модель укладки рассматривается при следующих допущениях: пористые элементы заполнителя – зерна в форме шара радиуса R со среднестатистическим отклонением от стандартного размера по радиусу sR, с равнодоступной внешней поверхностью; удельная эффективная пористость зерна EK  = EK  (t ), характеризующая долю пор, открытых для диффузии цементного клея внутрь зерна и меняющаяся, в общем случае, в процессе затворения и укладки; цементный клей с постоянным по времени t составом, в виде водоцементного массового отношения   во время всего процесса. Теоретически и численно оцениваются удельные  объемы заполнителя и цементного клея, а вместе с ними – их массы. Для этого определяются удельная пористость «скелета» заполнителя, как   где V               - объем заполнителя, а V       - общий объем пространства, занимаемого бетонной массой. В ходе моделирования предварительно оценены наиболее и наименее вероятные положения взаимносоприкасающихся зерен, в результате комплексного воздействия на бетонную смесь процессов перемешивания, вибрации и укладки крупнопористого керамзитобетона в несъемную опалубку. Точное описание положения отдельных зерен или их сгустков – кластеров – невозможно в силу их большого количества и вероятного перемещения по объему опалубки. Однако из общефизических соображений следует ожидать, что в замкнутом пространстве опалубки пористые элементы, обработанные и насыщенные цементным клеем, под действием сил тяжести и внешних вибрационных сил, будут стремиться занять наиболее плотную устойчивую, тетраэдальную упаковку с (Рисунок 1). Другой предельный случай – наименее плотная неустойчивая кубическая структура    (Рисунок 1). На это же указывают и экспериментальные образцы.

Эти данные позволяют также утверждать, что даже в режиме намокания в неподвижном слое цементного клея время насыщения пористых элементов для выполнения нормативных требований по прочности составляет от 6-15 минут. Далее рассматриваются модельные представления процессов насыщения пористых элементов цементным клеем и их технологическая реализация, в том числе возможность применимости математической модели процесса вынужденной диффузии в пористых средах для описания и изучения процесса насыщения пористых элементов цементным клеем [4-5]. Моделирование позволяет описать и исследовать процессы, происходящие с начала погружения пористого элемента в цементный клей. Выводятся математические модели для описания различных технологических ситуаций, в том числе, в режиме намокания в неподвижном слое цементного клея, в режиме перемешивания, а также при наложении на процесс перемешивания вибрационного поля.

Перемешивание в бетоносмесителе с внешним возмущением – исходное уравнение:

где W = W (r,t ) - объёмная доля жидкой фазы (степень насыщения пор пористого элемента) в точке пористого элемента на расстоянии r от центра шара до его поверхности (0 £ r £ R) в двухфазной гетерогенной системе “жидкость - воздух” в момент времени t ;

DK  - коэффициент диффузии в зерне пористого элемента;

W0  - начальная концентрация клея в зерне;

k - проницаемость керамзита;

h - вязкость цементного клея;

bK  - коэффициент массообмена между клеем и наружной поверхностью зерна;

P = Pпарц + Ртяж + Рвращ + Рвозм ,                                                                                    (9)

где Pпарц - парциальное давление воздуха (или среды, заполняющей поры пористого элемента), включающее избыточное давление, создаваемое при заполнении пор цементным клеем и силами поверхностного натяжения в порах;

Ртяж  - составляющая давления от силы тяготения;

Рвращ -   давление, создаваемое вынужденной конвекцией раствора от вращения ротора бетономешалки за счёт центробежной силы;

Рвозм -      давление, искусственно создаваемое внешними источниками возмущения бетонной смеси (например, вибраторами), для ускорения процесса насыщения (в виде “закачки”) тела пористого элемента цементным клеем, а также для создания более равномерной зоны пропитки dR на шаре и уплотнения смеси;

c - эффективная характеристика суммарной скорости химических реакций, протекающих в процессе смешивания цемента с водой и влияющих на насыщение пор клеем.

Система является нестационарной моделью, содержащей основные параметры процесса насыщения пористых элементов [6]. Исследование влияния на решение соответствующих членов выражения в правой части описывает и указывает пути организации соответствующих технологий затворения. Очевидно, что для крупнопористого керамзита главное влияние на решение этой задачи будут вносить члены Рвозм и cW , и именно им необходимо уделить особое внимание.

Результаты моделирования наряду с соответствующими экспериментальными данными помогут оценивать реальную толщину диффузионного слоя dR пористого элемента, заполненного цементным клеем за время t и получать приближённые решения основных поставленных задач.

Список литературы

1.     Бужевич Г.А. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях. М.: Стройиздат, 1970. 272 с.

2.     Иванов И.А. Технология лёгких бетонов на искусственных пористых заполнителях. Учеб. Пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1974. 287 с.

3.     Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1990. 415 с.

4.     Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник). М.: Энергия, 1971. 558 с.

5.     Матрос Ю.Ш., Кириллов В.А., Слинько М.Г. Общие принципы построения модели нестационарных процессов в неподвижном слое катализатора // Моделирование химических процессов и реакторов. Т.З. Новосибирск.: Изд-во Инта катализа Сиб. Отд. АН СССР, 1972. С. 62-75.

6.     Камбург В.Г., Шепталин Н.В. О новом подходе в моделировании процессов, протекающих в динамических термодиффузионных камерах различных типов. Интегральные преобразования и их использование в краевых задачах // Сборник научных тр., Ин-т математики НАН Украины. Киев, 1996. С. 68-76.

7.     Рязанова Г.Н., Камбург В.Г. Совершенствование технологии возведения ограждающих конструкций в несъёмной опалубке. Монография. П.: ПГУАС, 2010. 105 с.