Моделирование связанных процессов, сопровождающих набор ранней прочности цементной полифракционной системой
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.3.29Ключевые слова:
гидратация цемента, мелкозернистый бетон, полифракционный наполнитель, макрокинетика, изотермическая калориметрия, структурное состояниеАннотация
Численное моделирование изменений структуры цементных композитов при варьировании большого числа факторов позволяет разрабатывать оптимальные технологические режимы получения бетонов с заданными свойствами. Сложность физико-химических процессов набора прочности бетона побуждает развитие модельных подходов с той или иной степенью ограничений. В данной работе модифицирована модель связанных процессов в реагирующих средах. В нее включены структурные изменения цементного камня в присутствии мелкого полифракционного инертного заполнителя на ранних стадиях набора прочности (гидратации). Считается, что исходная смесь после затворения водой приобретает макроскопическую структуру. Максимально достижимая плотность упаковки мелкого инертного наполнителя способствует улучшению механических и микроструктурных характеристик бетонов и обеспечивается за счет оптимального выбора долей отдельных фракций в общем объеме наполнителя (песка). Исследуемый материал по всему рассматриваемому объему полагается гетерогенной средой, основу которой составляют реагирующие компоненты и инертные вещества с различной концентрацией, а также поры. Учитывается возможность формирования субструктуры контактирующих частиц инертного наполнителя на разных иерархических уровнях. Параметры цемента устанавливаются в соответствии с массовыми долями клинкерных минералов, привносящих вклад в гидратационную активность связующего. Для описания тепловых процессов применяются двухтемпературные уравнения теплового баланса, которые решаются методом конечных разностей с использованием центрально-разностной схемы. На фоне прогрева объема смеси вследствие экзотермической реакции гидратации реализуются задачи макрокинетики и фильтрации. Макрокинетические превращения определяются исходя из энергии активации, которая находится методом изотермической калориметрии в ходе схватывания цемента при температурах 20, 30 и 40°С. При оценке вынужденной фильтрации жидкой фазы принимается во внимание капиллярное давление, вызванное особенностями формирования поровой структуры цементного камня.
Скачивания
Библиографические ссылки
Савельев В., Коробков С. Компьютерное моделирование процесса гидратации пескоцемента в нормальных условиях // Избранные доклады 66-й Университетской научно-технической конференции студентов и молодых ученых. Томск: Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2020. C. 112–113.
Шейкин А.Е. Строительные материалы. М.: Стройиздат, 1978. 432 с.
Высокопрочный бетон / под ред. О.Я. Берга. М.: Стройиздат, 1971. 208 с.
Livingston R.A. Fractal nucleation and growth model for the hydration of tricalcium silicate // Cement and Concrete Research. 2000. Vol. 30. P. 1853–1860. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00457-9
Kondo R., Ueda S. Kinetics and mechanisms of the hydration of cements // Fifth International Symposium on the Chemistry of Cement. Tokyo, 1968. P. 203–248.
Pommersheim J.M., Clifton J.R. Mathematical modeling of tricalcium silicate hydration. II. Hydration sub-models and the effect of model parameters // Cement and Concrete Research. 1982. Vol. 12. P. 765–772. DOI: 10.1016/0008-8846(82)90040-0
Parrot L.J., Killoh D.C. Prediction of cement hydration // British Ceramic Society Proceedings. 1984. Vol. 35. P. 41–53.
Tomosawa D.C. Development of a kinetic model for hydration of cement // Proceedings of the Tenth International Congress Chemistry of Cement. Gцteburg, Sweden, 1997. P. 20–51.
Avrami M. Kinetics of Phase Change. I General Theory // The Journal of Chemical Physics. 1939. Vol. 7. P. 1103–1112. DOI: 10.1063/1.1750380
Thomas J.J. A New Approach to Modeling the Nucleation and Growth Kinetics of Tricalcium Silicate Hydration // Journal of the American Ceramic Society. 2007. Vol. 90. P. 3282–3288. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01858.x
JohnsonW.A., Mehl R.F. Reaction kinetics in processes of nucleation and growth // Transactions of The American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 1939. Vol. 135. P. 416–459.
Jennings H.M., Johnson S.K. Simulation of Microstructure Development During the Hydration of a Cement Compound // Journal of the American Ceramic Society. 1986. Vol. 69. P. 790–795. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1986.tb07361.x
Bentz D.P. Three-Dimensional Computer Simulation of Portland Cement Hydration and Microstructure Development // Journal of the American Ceramic Society. 1997. Vol. 80. P. 3–21. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1997.tb02785.x
Bentz D.P., Garboczi E.J. A digitized simulation model for microstructural development // Advances in Cementitious Materials – Ceramic Transactions. Vol. 16. 1991. P. 211–226.
Bullard J.W. A three-dimensional microstructural model of reactions and transport in aqueous mineral systems // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2007. Vol. 15. P. 711–738. DOI: 10.1088/0965-0393/15/7/002
Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Моделирование связанных процессов в реагирующих средах. Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2012. 240 с.
Алдушин А.П., Хайкин Б.И. К теории горения смесевых систем, образующих конденсированные продукты реакции // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10, №3. C. 313–323.
Товпинец А.О., Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Ивонин И.В., Пономарев С.В., Полюшко В.А., Нарикович А.С. Определяющие факторы формирования структуры низкотемпературной керамики // Физическая мезомеханика. 2017. Т. 20, №6. C. 77–85.
Kada-Benameur H., Wirquin E., Duthoit B. Determination of apparent activation energy of concrete by isothermal calorimetry // Cement and Concrete Research. 2000. Vol. 30. P. 301–305. DOI: 10.1016/S0008-8846(99)00250-1
Леонтьев Н.Е. Основы теории фильтрации. М.: МАКС Пресс, 2017. 88 с.
Гольдштейн Р.В., Ентов В.М. Качественные методы в механике сплошных сред. М.: Наука, 1989. 224 с.
Мартыненко О.Г., Павлюкевич Н.В. Тепло- и массоперенос в пористых средах // Инженерно-физический журнал. 1998. Т. 7, №1. C. 5–18.
Протасевич А.А., Филимонова Н.В. Анализ современных представлений о структуре бетона с позиций его проницаемости// Вестник Брестского государственного технического университета. Серия: Строительство и архитектура. 2011. №1. C. 111–117.
Леонович С.Н. Моделирование капиллярной усадки и трещинообразование бетона в раннем возрасте // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2017. №3. C. 22–33.
Slowik V., Schmidt M., Fritzsch R. Capillary pressure in fresh cement-based materials and identification of the air entry value // Cement and Concrete Composites. 2008. Vol. 30. P. 557–565. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2008.03.002
Добрего К.В., Жданок С.А. Инженерный расчет характеристик волны фильтрационного горения на основе двухтемпературной одномерной модели // Инженерно-физический журнал. 1998. Т. 71, №3. C. 424–432.
Штерн М.Б., Радомысельский И.Д., Печентковский Е.Л., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А. Влияние схемы прессования на напряженно-деформированное состояние изделий типа втулок // Порошковая металлургия. 1978.№3. C. 1–7.
Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.
Шапошник В.А. Анализ температурной зависимости вязкости воды // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2004.№1. C. 107–109.
Николаев А.П., Кондращенко А.П. Вяжущие свойства портландцемента. Контроль и анализ. Харьков: ХНУГХ им. А.Н. Бекетова, 2017. 82 с.
Несветаев Г.В., Кардумян Г.С. Влияние собственных деформаций на пористость и свойства цементного камня // Строительные материалы. 2015.№9. C. 38–42.
Лотов В.А. Изменение фазового состава системы цемент-вода при гидратации и твердении // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321, №3. C. 42–45.
Харитонов А.М. Принципы прогнозирования свойств цементных композиционных материалов на основе структурно-имитационного моделирования // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2009.№1. C. 141–152.
Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов. М., 1969. 142 с.
Физические величины. Справочник / под ред. И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
Адамцевич А.О., Пашкевич С.А., Пустовгар А.П. Использование калориметрии для прогнозирования роста прочности цементных систем ускоренного твердения // Инженерно-строительный журнал. 2013.№3. C. 36–42. DOI: 10.5862/MCE.38.5
Федосов С.В., Бобылев В.И., Ибрагимов А.М., Козлова В.К., Соколов А.М. Моделирование набора прочности бетоном при гидратации цемента // Строительные материалы. 2011.№11. C. 38–41.
Райхель В., Конрад Д. Бетон: Ч. 1. Свойства. Проектирование. Испытание. М.: Стройиздат, 1979. 111 с.
Ямагучи Г., Такемого К., Юсикова X., Такачи С. Оценка скорости гидратации цементных соединений и портландцемента при помощи рентгенографического анализа // Четвертый Международный конгресс по химии цемента. М.: Стройиздат, 1964. C. 368–372.
Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. 415 с.
Кожникова Е.А. Оценка влияния водоцементного отношения на прочность бетона с активированным цементом // Инженерный вестник Дона. 2017.№1. C. 112.
Бабицкий В.В., Дрозд А.А. Характеристики цементного камня в области низких водоцементных отношений // Строительная наука и техника. 2011.№1. C. 63–66.
Довжик В.Г. Расчет и нормирование теплопроводности керамзитобетона и других видов бетона // Бетон и железобетон. 2007.№5. C. 15–19.
Дмитриева М.А., Лейцин В.Н., Шаранова А.В. Компьютерное моделирование процессов набора прочности механоактивированных бетонных смесей // InternationalWorkshop "Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems"; Международная конференция "Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций"; VIII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, посвященная 50-летию основания Института химии нефти "Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа": тезисы докладов. Томск, 2019. C. 188–189. DOI: 10.17223/9785946218412/125
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2024 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.