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
###
Savel’yev V.V., Korobkov S.V. Komp’yuternoye modelirovaniye protsessa gidratatsii peskotsementa v normal’nykh usloviyakh. Izbrannyye doklady 66 Universitetskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov i molodykh uchenykh. Tomsk: Tomsk State University of Architecture, Civil Engineering, 2020. P. 112–113.
Sheykin A.E. Stroitel’nyye materialy. Moscow: Stroyizdat, 1978. 432 p.
Vysokoprochnyy beton / ed. by O.Y. Berg. Moscow: Stroyizdat, 1971. 208 p.
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
Leytsin V.N., Dmitriyeva M.A. Modelirovaniye svyazannykh protsessov v reagiruyushchikh sredakh. Kaliningrad: Immanuel Kant Baltic Federal University, 2012. 240 p.
Aldushin A.P., Khaikin B.I. Combustion of mixtures forming condensed reaction products. Combustion, Explosion and Shock Waves. 1974. Vol. 10. P. 273–280. DOI: 10.1007/BF01463752
Leitsin V.N., Dmitrieva M.A., Ivonin I.V., Ponomarev S.V., Polyushko V.A., Tovpinets A.O., Narikovich A.S. Determining Factors in the Formation of Low-Temperature Ceramics Structure. Physical Mesomechanics. 2018. Vol. 21, no. 6. P. 529–537. DOI: 10.1134/S1029959918060085
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
Leont’yev N.E. Osnovy teorii fil’tratsii. Moscow: MAKS Press, 2017. 88 p.
Gol’dshteyn R.V., Yentov V.M. Kachestvennyye metody v mekhanike sploshnykh sred. Moscow: Nauka, 1989. 224 p.
Martynenko O.G., Pavlyukevich N.V. Heat and mass transfer in porous media. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 1998. Vol. 71. P. 1–13. DOI: 10.1007/BF02682488
Protasevich A.A., Filimonova N.V. The analysis of modern representations about structure concrete from positions of his permeability. Vestnik of Brest State Technical University. 2011. No. 1. P. 111–117.
Leonovich S.N. Capillary shrinkage and cracing in plastic concrete. Vestnik of Volga State University of Technology. Series “Materials. Constructions. Technologies”. 2017. No. 3. P. 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
Dobrego K.V., Zhdanok S.A. Engineering calculation of the characteristics of a filtration-combustion wave based on a onedimensional two-temperature model. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 1998. Vol. 71. P. 420–428. DOI: 10.1007/BF02682522
Shtern M.B., Radomysel’skii I.D., Pechentkovskii E.L., Serdyuk G.G., Maksimenko L.A. Effect of mode of pressing on the stressedstrained state of bushing-type parts I. A method of investigating the effect of mode of pressing on the stressed-strained state of axisymmetric parts. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1978. Vol. 17, no. 3. P. 167–172. DOI: 10.1007/BF00791422
Kalitkin N.N. Chislennyye metody. Moscow: Nauka, 1978. 512 p.
Shaposhnik V.A. The analysis of temperature dependence of water viscosity. Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2004. No. 1. P. 107–109.
Nikolayev A.P., Kondrashchenko A.P. Vyazhushchiye svoystva portlandtsementa. Kontrol’ i analiz. Kharkov: Kharkiv National Academy of Urban Economy, 2017. 82 p.
Nesvetaev G.V., Kardumyan G.S. Influence of strain on own porosity and properties of cement stone. Stroitel’nye Materialy. 2015. No. 9. P. 38–42.
Lotov V.A. Izmeneniye fazovogo sostava sistemy tsement-voda pri gidratatsii i tverdenii. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2012. Vol. 321, no. 3. P. 42–45.
Kharitonov A.M. Printsipy prognozirovaniya svoystv tsementnykh kompozitsionnykh materialov na osnove strukturnoimitatsionnogo modelirovaniya. Proceedings of Petersburg Transport University. 2009. No. 1. P. 141–152.
Franchuk A.U. Tablitsy teplotekhnicheskikh pokazateley stroitel’nykh materialov. Moscow, 1969. 142 p.
Fizicheskiye velichiny: Spravochnik / ed. by I.S. Grigor’ev, E.Z. Mejlikhov. Moscow: Energoatomizdat, 1991. 1232 p.
Adamtsevich A.O., Pashkevich S.A., Pustovgar A.P. Application of calorimetry for prognosticating strength increase of fast-curing cement systems. Magazine of Civil Engineering. 2013. No. 3. P. 36–42. DOI: 10.5862/MCE.38.5
Fedosov S.V., Bobylev V.I., Ibragimov A.M., Kozlova V.K., Sokolov A.M. Modelirovaniye nabora prochnosti betonom pri gidratatsii tsementa. Stroitel’nye Materialy. 2011. No. 11. P. 38–41.
Raykhel’ V., Konrad D. Beton: Ch. 1. Svoystva. Proyektirovaniye. Ispytaniye. Moscow: Stroyizdat, 1979. 111 p.
Yamaguchi G., Takemoto K., Uchikawa H., Takagi S. The rate of hydration of cement compounds and portland cement estimated by X-ray diffraction analisys. Chemistry of Cement. Proceedings of the Fourth International Symposium. Vol. 1. Washington, 1960. P. 495–499.
Bazhenov Y.M. Tekhnologiya betona. Moscow: Vysshaya shkola, 1987. 415 p.
Kozhnikova C.A. Assessment of the influence ofwater-cement ratio on the strength of concrete with activated cement. Engineering journal of Don. 2017. No. 1. P. 112.
Babitskiy V.V., Drozd A.A. Kharakteristiki tsementnogo kamnya v oblasti nizkikh vodotsementnykh otnosheniy. Stroitel’naya nauka i tekhnika. 2011. No. 1. P. 63–66.
Dovzhik V.G. Raschet i normirovaniye teploprovodnosti keramzitobetona i drugikh vidov betona. Concrete and reinforced concrete. 2007. No. 5. P. 15–19.
Dmitrieva M.A., Leitsin V.N., Sharanova A.V. Computer simulation of the strength processes of mechanically activated concrete mixtures. Proceedings of the International Conference on Advanced Materials with Hierarchical Structure for New Technologies and Reliable Structures. Vol. 2167. AIP Publishing, 2019. 020072. DOI: 10.1063/1.5131939
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.
