Процесс уплотнения при вертикальных симметричных колебаниях изучали, используя бетонные смеси с осадкой конуса от 0 до 20 см на цементе Воскресенского завода активностью 43,2 МПа, нормальной густотой цементного теста 26,25 % (исследования выполнены канд. техн. наук К. В. Черных). В качестве заполнителей служили: гранитный щебень фракций 5...10 см, песок кварцевый Тучковского карьера с модулем крупности 1,58. Составы подобраны с В/Ц = 0,5, а подвижность обеспечивалась за счет введения до 1 % пластификатора для вибропрессования C-3 (таблица на рис. 1).
Рис. 1. Составы подвижных бетонных смесей
Из бетонных смесей формовали образцы размерами 10 х 10 х 10 см, которые испытывали в возрасте 7 суток в нормальных условиях. Режимы колебаний осуществляли на стенде ВЭДС-400 A в частотном диапазоне 10...50 Гц с ускорением 1...5g. Анализ зависимостей Rb = f (Aω2) показывает, что для получения бетона максимальной прочности для низкочастотных режимов необходимое значение ускорения можно принять равным 2,5g, а минимальное - всего 1...1,5g (рис. 2, кривая 1). Для среднечастотного режима достаточно ускорение, равное 3,5g, при этом прочность составляет 27,3 МПа (кривая 2).
Рис. 2. Зависимость предела прочности от ускорения при различных режимах: 1 - f = 10...25 Гц; 2 - f = 50 Гц
Определение благоприятных условий вибрирования подвижных бетонных смесей с добавкой пластификатора С-3 для вибропрессования связано не только с частотой, но и с продолжительностью вибрирования. Процесс уплотнения во времени изучали для ускорения 2,5g. В эксперименте приняты весьма подвижные бетонные смеси с ОК 11...13 см (состав 4, рис. 1). Анализ кривых 1...4 (рис. 3) показал, что время уплотнения при низких частотах в 1,5...2 раза меньше по сравнению с частотой 50 Гц.
Рис. 3. Влияние времени вибрирования на прочность бетонных образцов при уплотнении весьма подвижных смесей с ускорением колебаний 2,5g: 1 - f = 10 Гц; 2 - f = 15 Гц; 3 - f = 25 Гц; 4 - f = в 50 Гц
Задачу оптимизации частоты и ограничения ускорения колебаний весьма подвижных смесей целесообразно решать с учетом расслаиваемости смесей при различных режимах вибрирования. Показатель раствороотделения для низких частот в 1,5...2 раза ниже, чем при средних частотах (рис. 4). Коэффициент расслаиваемости при одних и тех же значениях подвижности уменьшается при использовании суперпластифицирующей добавки, особенно в диапазоне низких частот.
Рис. 4. Влияние ускорения на расслаиваемость весьма подвижных смесей: 1 - f = 10...25 Гц; 2 - f = 50 Гц
Пластификатор С3 в гиперпрессовании кирпича
Снижению влияния деформации упругого последействия на прочностные характеристики гиперпрессованных бетонов способствует применение дисперсного армирования. Помимо как увеличением начальной прочности гиперпрессованного бетона, снижения деформации упругого последействия можно достичь путем снижения внутренних напряжений в растворе бетона. С этой целью в дисперсно-армированную бетонную смесь предлагается вводить суперпластификатор С-3. В результате армированный гиперпрессованный кирпич обладает более высокими характеристиками и лучшим качеством.
Для экспериментальных исследований влияния деформации упругого последействия на прочность гиперпрессованного армированного кирпича в качестве вяжущего используется 3 марки цемента: ЦЕМ II/A-K (Ш-П) 42.5 Н, ЦЕМ II/А-К (Ш-П) 32,5Б и ЦЕМ I 52,5 Н. Данный выбор вяжущих принят для сопоставления их влияния на прирост прочности гиперпрессованного кирпича с добавлением фибры.
Как показали экспериментальные данные (рис. 5-8) введение суперпластификатора С-3 оказывает положительное воздействие на прочность гиперпрессованного фибробетона. Так, при максимальном давлении гиперпрессования наблюдается увеличение прочности в 1,03-1,13 раза. Таким образом от совокупного воздействия дисперсного армирования и пластифицирующей добавки увеличение прочности гиперпрессованного кирпича составило 1,2-1,28 раза. Наибольший эффект от введения суперпластификатора С-3 в гиперпрессованном армированном кирпиче приходится на интервал давлений прессования от 12 до 24 МПа. Увеличение прочности гиперпрессованного кирпича с базальтовой фиброй следует связывать со снижением внутренних напряжений, происходящих при сбросе давления прессования. При этом наибольшая эффективность от совместного применения дисперсного армирования и пластифицирующей добавки наблюдается при их сочетании 1,5% фибры +0,5% С-3. Увеличение их расхода до 3% фибры +1% С-3 к дальнейшему росту прочности не приводит.
Рис. 5. Влияние на прочность гиперпрессованного кирпича (ЦЕМ II/A-K (Ш-П) 42.5 Н) совместного действия дисперсного армирования и пластифицирующей добавки; 1 - контрольные образцы; 2 - образцы из армированного бетона с расходом фибры 1,5% от количества цемента и пластификатора 0,5%; 3 - то же, количество фибры - 3% и добавки 1%
Рис. 6. Влияние на прочность гиперпрессованного кирпича (ЦЕМ II/А-К (Ш-П) 32,5Б) совместного действия дисперсного армирования и пластифицирующей добавки С3; 1 - контрольные образцы; 2 - образцы из армированного бетона с расходом фибры 1,5% от количества цемента и пластификатора 0,5%; 3 - то же, количество фибры - 3% и добавки 1%
Рис. 7. Влияние на прочность гиперпрессованного кирпича (ЦЕМ I 52,5 Н) совместного действия дисперсного армирования базальтовой фиброй и пластифицирующей добавки; 1 - контрольные образцы; 2 - образцы из армированного бетона с расходом фибры 1,5% от количества цемента и пластификатора 0,5%; 3 - то же, количество фибры - 3% и добавки 1%
Рис. 8. Влияние пластифицирующей добавки на прочность гиперпрессованного кирпича с добавлением фибры
Тем самым, комплексное воздействие дисперсного армирования и суперпластификатора С-3 позволяет активно влиять на снижение деформации упругого последействия и формирование прочности гиперпрессованного армированного кирпича.
В доказательство вышесказанному произведены измерения величины деформации упругого последействия в гиперпрессованном армированном кирпиче. Величина упругого последействия в гиперпрессованном фибробетоне уменьшилась и составила: при расходе фибры и добавки 1,5+0,5% и интенсивности прессования 6 МПа - 0,11-0,14 мм, 12 МПа - 0,24-0,26 мм, 24 МПа - 0,32-0,35 мм; при дозировке 3+1% и интенсивности 6 МПа - 0,08-0,1 мм, 12 МПа - 0,19-0,22 мм, 24 МПа - 0,26-0,3 мм. Комплексное применение дисперсного армирования и суперпластификатора С-3 способствует снижению величины деформации упругого последействия на 15-25% в гиперпрессованном кирпиче, тем самым, позволяет активно влиять на формирование их прочности.
С помощью программного комплекса Statistica 10 и электронной таблицы Excel, входящей в пакет Microsoft Office, была установлена степень значимости интенсивности давления, количества волокон и расхода суперпластификатора С-3 в формировании прочности гиперпрессованного кирпича армированного фиброй (цемент марки ЦЕМ II/A-K (Ш-П) 42.5 Н) (рис. 9). Уравнение регрессии имеет вид:
R = b0 + b1 ∙ P + b2 • F + b3 • C + b4P 2 + b5F 2 + b6C 2 + b7PF + b8PC + b9FC;
Значения коэффициентов уравнения регрессии: b0 = 36,64; b1 = 0,94; b2 = 3,27; b3 = 19,12; b4 = −0,02; b5 = −1,13; b6 = −19,91; b7 = 0,02; b8 = 0,13; b9 = 1,19.
R = 36,64 + 0,94 • P + 3,27 • F + 19,12 • C − 0,02P(2) − 1,13F(2) − 19,91C(2) + 0,02PF + 0,13PC + 1,19FC
где P - интенсивность гиперпрессования, МПа; F - дисперсное армирование, % от расхода цемента; С - пластифицирующая добавка, % от расхода цемента.
Рис. 9. План проведения эксперимента и полученные результаты
Влияние факторов на прочность бетона устанавливается по коэффициентам регрессии. В формировании прочности при сжатии гиперпрессованного кирпича определяющую роль играет суперпластификатор С-3. Вторым по значимости в формировании прочности гиперпрессованного фибробетона является дисперсное армирование. Наименьшее влияние оказывает гиперпрессование.
Аппроксимация полученных экспериментальных данных прочности гиперпрессованного фибробетона, имеющих дискретный характер, трудоемка и весьма затруднительна.
С этой целью для обобщения и аппроксимации полученных данных использованы искусственные нейронные сети. Одно из главных преимуществ нейронных сетей перед традиционными алгоритмами – это их обучаемость. Способности нейронной сети к прогнозированию напрямую следуют из ее способности к обобщению и выделению скрытых зависимостей между входными и выходными данными в процессе обучения. После обучения сеть способна предсказать будущее значение некоторой последовательности на основе нескольких предыдущих значений или действующих факторов.
Нейронные сети позволяют аппроксимировать непрерывные функции и вычислять значения непрерывной функции с заданной точностью.
Выделяют следующие этапы решения поставленной задачи посредством искусственной нейронной сети:
- Сбор исходных данных, подготовка обучения и ее нормализация. Входные данные представляют собой массив зависимости прочности при сжатии гиперпрессованного фибробетона, МПа (R) от трех факторов: давление гиперпрессования, МПа (Р), количество дисперсной арматуры, % (F), расход пластифицирующей добавки, % (С). Нормализация входных данных, в силу различных размерностей, приводит к повышению качества выходных данных.
- Выбор топологии сети. Выбор сети зависит от постановки задачи и имеющихся данных для обучения. Для аппроксимации полученных данных используется нейронная сеть с многослойным перцентроном, в котором один алгоритм обратного распространения ошибки обучает все слои.
- Экспериментальный подбор характеристик сети и параметров обучения. После выбора общей структуры нужно экспериментально подобрать параметры сети. Для сетей, подобных перцептрону, это будет число слоев, количество нейронов на этих слоях, выбор параметра сигмоиды, число блоков в скрытых слоях, скорость и момент обучения.
- Обучение сети. Обучение сети заключается в порядке просмотра обучающей выборки. Порядок просмотра может быть последовательным, случайным. Просмотр выборки может быть, как одиночным, так множественным. Один полный проход по выборке называется эпохой обучения.
- Проверка адекватности обучения. Проверка полученных выходных данных зависит от выбранных характеристик нейронной сети. Завершающее обучение нейронной сети происходит посредством корректировки параметров и нахождения их оптимальных значений.
С помощью программного комплекса Neural Network Wizard происходит реализации возможностей многослойной нейронной сети.
В таблице на рис. 10 представлены значения прочности гиперпрессованного кирпича армированного фиброй при произвольном сочетании условий изготовления образца, находящихся в пределах проведенных исследований.
Рис. 10. Прочность армированного гиперпрессованного кирпича, полученные с помощью нейронной сети
Таким образом, вводя в поля данных значения известных параметров в установленном диапазоне можно подобрать их оптимальное сочетание и получить значение прочности при сжатии гиперпрессованного армированного кирпича. Тем самым, можно снизить количество экспериментальных исследований при достаточно широком диапазоне исходных факторов.
- Установлено, что при увеличении интенсивности гиперпрессования, в момент снятия прессующего давления, происходит проявление деформации упругого последействия, оказывающей влияние на прочность гиперпрессованного кирпича.
- Выявлено, что применение дисперсного армирования в гиперпрессованном кирпиче способствует снижению величины деформации упругого последействия за счет увеличения начальной прочности прессованной бетонной смеси.
- Экспериментальным путем установлено, что комплексное применение дисперсного армирования высокомодульными волокнами и суперпластификатора С-3 способствует значительному снижению деформации упругого последействия.
- Подобрано оптимальное содержание дисперсного армирования и пластифицирующей добавки. Соотношение 1,5+0,5% от расхода цемента является оптимальным для увеличения прочностных характеристик гиперпрессованного кирпича, кроме того, способствует снижению величины деформации упругого последействия на 15-25%.
- Установлено, что в формировании прочности при сжатии гиперпрессованного армированного кирпича определяющую роль играет суперпластификатор С-3, вторым по значимости - дисперсное армирование. Наименьшее влияние оказывает гиперпрессование.
