Математическая модель для назначения высокоэффективного состава бетона с использованием молотого гранулированного доменного шлака
Автор: Иванов Илья Михайлович, Крамар Людмила Яковлевна
Рубрика: Строительные материалы и изделия
Статья в выпуске: 4 т.20, 2020 года.
Бесплатный доступ
Произведён выбор материалов, повышающих эффективность бетонов, предложен подход к оптимальному использованию гранулированного доменного шлака. В целях получения высокого экономического эффекта реализована оптимизация состава бетона с учётом динамики набора его прочности, для чего выведены упрощённые уравнения твердения бетона, являющиеся ядром разработанной математической модели. Контроль качества принятых материалов, испытания бетонных смесей на удобоукладываемость и образцов бетона на прочность проведены в соответствии с действующими стандартами России. Обработка полученных данных выполнена в программном обеспечении Microsoft Excel, а получение уравнений и графиков поверхностей откликов - в StatSoft STATISTICA. Проведён планированный эксперимент, в котором варьируемыми факторами приняты: расход цемента (от 280 до 440 кг на 1 м3 бетона) и содержание шлака в цементе (от 24 до 76 %). В каждой точке плана произведён экспериментальный подбор параметров состава бетона, получены уравнения и графики поверхностей откликов для этих параметров. Испытания образцов бетона на прочность при нормальных условиях твердения стремились выполнять на 3, 7 и 28-е сутки, а при твердении с тепловой обработкой (7 ч, 70 °C) - на 1, 7 и 28-е сутки. По средним значениям прочности в фактические сроки испытания для всех полученных составов определены уравнения твердения, из которых вычислена прочность ровно в 1-е и 28-е сутки для всех точек плана, а затем получены уравнения поверхностей отклика по прочности. Последние необходимы для вычисления прочности любого из плана состава бетона к заданному сроку по ранее выведенным упрощённым уравнениям твердения. Эти и другие полученные уравнения объединены в математическую модель, состоящую из блоков: вводных параметров, вычисления прочности, вычисления параметров состава бетона, расчёта расхода компонентов и оценки себестоимости. Представленная в статье математическая модель через разработанные виджеты в среде Excel позволяет быстро и достаточно точно решать задачу оптимизации - для выбранных условий твердения назначать состав бетона с минимальной себестоимостью и условием обеспечения требуемой прочности к заданному сроку.
Математическая модель, оптимизация состава бетона, высокоэффективный бетон, молотый гранулированный доменный шлак (МГДШ), портландцемент (ПЦ или ЦЕМI), шлакопортландцемент (ШПЦ или ЦЕМ III), отсев дробления щебня
Короткий адрес: https://sciup.org/147233726
IDR: 147233726 | УДК: 666.972 | DOI: 10.14529/build200404
Mathematical model for assigning high-effective concrete mix using ground granulated blast-furnace slag
The selection of materials that increase the efficiency of concrete is made, an approach to the optimal use of ground granulated blast-furnace slag is proposed. In order to achieve a high economic effect, the concrete composition is optimized considering the dynamics of its strength set, for which simplified equations of concrete hardening, which are the core of the developed mathematical model, are derived. Quality control of accepted materials, testing of concrete mixtures for flowability and strength of concrete samples are carried out in accordance with the current standards of Russia. Processing of the obtained data is performed in Microsoft Excel software, and obtaining equations and graphs of response surfaces is carried out in StatSoft STATISTICA. A planned experiment is carried out, in which the variable factors are cement consumption (from 280 to 440 kg per cubic meter of concrete) and slag content in cement (from 24 to 76 %). At each point of the plan, an experimental selection of the parameters of the concrete composition is made, the equations and graphs of the response surfaces for these parameters are obtained. Tests of concrete specimens for strength under normal hardening conditions were aimed to be performed in the 3rd, 7th, and 28th days, and during hardening after heat treatment (7 hours, 70 °C) - in the 1st, 7th and 28th days. The hardening equations are determined from the average strength values at the actual test times for all the compositions obtained, from which the strength is calculated at exactly in the 1st and 28th days for all points of the plan, and then the equations for the strength response surfaces are obtained. The latter are necessary for calculating the strength of the concrete by a set time using previously derived simplified hardening equations. These and other obtained equations are combined into a mathematical model consisting of blocks: input parameters, strength calculation, calculation of concrete composition parameters, calculation of component consumption and cost estimation. The mathematical model presented in the article, through the developed widgets in Excel, allows to quickly and accurately solve the optimization problem - to assign a concrete mix proportion for the selected hardening conditions with a minimum cost and a condition for ensuring the required strength by the specified time.
Список литературы Математическая модель для назначения высокоэффективного состава бетона с использованием молотого гранулированного доменного шлака
- Ozbay, E. Utilization and Efficiency of Ground Granulated Blast Furnace Slag on Concrete Properties - A Review / E. Ozbay, M. Erdemir, H.I. Durmus // Construction and Building Materials. -2016. - Vol. 105. - P. 423-434.
- Saranya, P. Eco-friendly GGBS Concrete: A State-of-The-Art Review / P. Saranya, P. Nagarajan, A.P. Shashikala // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2018. -Vol. 330, № 1. - P. 012057, 1-5.
- Ozturk, O. Mechanical and Workability Eva-lution of Self-Compacting Concrete Incorporating High Volume Ground Granulated Blast Furnace Slag / O. Ozturk, B. Dalgic, U.S. Keskin // Cement Wapno Beton. - 2017. - Vol. 22, № 2. - P. 145-148.
- Tang, K. Early-age Heat Development in GGBS Concrete Structures / K. Tang, S. Millard, G. Beattie // Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Structures and Buildings. - 2015. -Vol. 168, № 8. - P. 541-553.
- Osborne, G.J. Durability of Portland Blastfurnace Slag Cement Concrete / G.J. Osborne // Cement and Concrete Composites. - 1999. - Vol. 21, № 1. - P. 11-21.
- Performance of Reinforced Concrete Beams Cast with Different Percentages of GGBS Replacement to Cement / R.A. Hawileh, J.A. Abdalla, F. Fardmanesh et al. // Archives of Civil and Mechanical Engineering. - 2017. - Vol. 17, № 3. - P. 511-519.
- Aghaeipour, A. Effect of Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS) on RCCP durability / A. Aghaeipour, M. Madhkhan // Construction and Building Materials. - 2017. - Vol. 141. - P. 533-541.
- Xu, G. Effect of Steel Slag and Granulated Blast-furnace Slag on the Mechanical Strength and Pore Structure of Cement Composites / G. Xu, X. He, Y. He // Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition. - 2018. - Vol. 33, № 5. -P. 1186-1192.
- Air Void System and Frost-salt Scaling of Concrete Containing Slag-Blended Cement / Z. Giergiczny, M.A. Glinicki, M. Sokoiowski, M. Zie-linski // Construction and Building Materials. -2009. - Vol. 23, № 6. - P. 2451-2456.
- GGBS and Fly Ash Effects on Compressive Strength by Partial Replacement of Cement Concrete / A.A. Phul, M.J. Memon, S.N.R. Shah, A.R. Sandhu // Civil Engineering Journal. - 2019. - Vol. 5, № 4. -P. 913-921.
- Samad, S. Strength Development Characteristics of Concrete Produced with Blended Cement Using Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS) under Various Curing Conditions / S. Samad, A. Shah, M.C. Limbachiya // Sadhana - Academy Proceedings in Engineering Sciences. - 2017. -Vol. 42, № 7. - P. 1203-1213.
- Rao, S.K. Abrasion Resistance and Mechanical Properties of Roller Compacted Concrete with GGBS / S.K. Rao, P. Sravana, T.C. Rao // Construction and Building Materials. - 2016. - Vol. 114. -P. 925-933.
- Richardson, I.G. Microstructure and Micro-analysis of Hardened Cement Pastes Involving Ground Granulated Blast-furnace Slag / I.G. Richardson, G.W. Groves // Journal of Materials Science. -1992. - Vol. 27, № 22. - P. 6204-6212.
- Lukowski, P. Durability of Mortars Containing Ground Granulated Blast-furnace Slag in Acid and Sulphate Environment / P. Lukowski, A. Salih // Procedia Engineering. - 2015. - Vol. 108. - P. 47-54.
- Ground Granulated Blast Furnace Slag Effect on the Durability of Ternary Cementitious System Exposed to Combined Attack of Chloride and Sulfate / G. Li, A. Zhang, Z. Song et al. // Construction and Building Materials. - 2018. - Vol. 158. - P. 640-648.
- Иванов, И.М. Бетон на основе шлако-портландцемента для дорожных и аэродромных покрытий / И.М. Иванов, Л.Я. Крамар, А.А. Кирсанова // Цемент и его применение. - 2019. -№ 2. - С. 96-102.
- Ключевые показатели цементной и строительной отраслей России за 2019 год. -https://jcement.ru/statistic/klyuchevye-pokazateli-tsementnoy-i-stroitelnoy-otrasley-rossii-za-2019-god/ (дата обращения: 9 мая 2020).
- Pizon, J. Influence of Hardening Accelerating Admixtures on Properties of Cement with Ground Granulated Blast Furnace Slag / J. Pizon, P. Miera, B. Lazniewska-Piekarczyk // Procedia Engineering. - 2016. - Vol. 161. - P. 1070-1075.
- Трофимов, Б.Я. Молотый доменный гранулированный шлак и способы его активации / Б.Я. Трофимов, К.В. Шулдяков // Труды международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг» 2015. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2015. - С. 146-152.
- ТУ 38.32.22-012-99126491-2017. Добавка активная минеральная для производства бетонов, растворов и сухих строительных смесей Green-Cems GGBS-450 (шлак доменный гранулированный молотый). - Челябинск: ООО Мечел-Материалы, 2017. - 25 c.
- Хицков, А.А. Влияние глинистых частиц различных песков на эффективность поликарбок-силатных суперпластификаторов и свойства цементного камня / А.А. Хицков, И.М. Иванов, Л.Я. Крамар // Строительство и реконструкция. - 2018. - № 6. - С. 102-116.
