8)улучшение строительных материалов путем введения
добавок;
9)уплотнение материалов;
10)самоуплотнение и расслаиваемость при транспорти
ровке.
В последнее время все большее значение приобретают исследования по вопросам планирования и экономического обоснования, а также организации строительных процессов, от ражающих в комплексе сложные проблемы и системы.
Оптимизация структур строительных организаций и объе динений, информационные и другие управленческие процессы занимают ведущее место в исследованиях, что обусловлено вне дрением ЭВМ в строительстве.
Несмотря на многообразие процессов, встречающихся в строительстве, они имеют ряд общих принципиальных положе ний. Эти процессы протекают в соответствии с законами диа лектики и основными законами термодинамики (1, 2, 3 законы). В большинстве случаев одновременно развиваются два проти воположных процесса. Например, твердение вяжущих наряду со структурообразованием сопровождается деструкцией, а при воздействии разрушающих нагрузок вместе с разрушением про исходит упрочнение.
На различных этапах одни процессы преобладают над другими. При больших механических нагрузках преобладают процессы разрушения, при небольших механических нагрузках возможно упрочнение материала. Наряду с детерминированны ми процессами в строительстве широко распространены и слу чайные процессы, особенно это относится к планированию, ор ганизации и управлению.
8. МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Первичным в познании физической сущности процессов выступают наблюдения. Любой процесс зависит от множества факторов. Каждое наблюдение или измерение может зафикси ровать лишь некоторые факторы. Необходимо иметь множество измерений и наблюдений. Информацию стремятся сгустить в некоторое абстрактное понятие - Jмодель.
Модель - искусственная система, отображающая основ
ные свойства изучаемого объекта - оригинала. Различают физи ческое и математическое моделирование. При физическом мо делировании физика явлений в объекте и модели и их математи ческие зависимости одинаковые.
При математическом моделировании физика может быть различна, а математические зависимости одинаковы (рис. 1).
Ц |
То |
|
|
АЛЛ |
> —физичес |
|
/7 7 7 7 7 |
кая модель |
е = — ь |
---------------- математическая |
модель |
Е |
л |
|
Рис. 1. Реологическая |
модель бетонной смеси: и - нагрузка; Е - мо |
дуль упругости; I®- предел напряжения сдвига; ц - вязкость; t - время
Модели могут быть физические, математические (е) (см.
рис. 1) и натурные.
Модель, обеспечивающая оптимизацию технологических процессов и их управление
|
Пусть имеется A j, Л2, А3 |
|
|
объектов (рис. |
2) строительст |
|
ва, потребляющих ai, а2, Дз |
|
|
щебня. |
|
|
В\9 В2 - |
притрассовые |
|
карьеры с запасами щебня Ь\ |
|
|
\\Ъг. а\ +а2+ аг = Ъ\ + 6 2- |
|
|
Стоимость единицы про |
|
Рис. 2. Схема доставки щебня |
дукции из карьера Я, на объ |
|
с карьеров на объекты |
ект А 1 равна С1Ь на объект Ai |
|
|
равна С12, на объект Аз равна |
С13 и т.д. (таблица). Общее количество щебня Xip транспорти руемое на объект Atиз карьера Я„ равно:
Задача сводится к такому подбору X, которые обеспечива ли бы соответствующие оптимальные значения Y. Статистиче
ским путем находят модели исследуемого процесса. Во многих случаях для построения таких моделей целесообразно исполь зовать метод математического планирования эксперимента.
Модели-аналоги и модели-подобия
В теоретических исследованиях применяют модели-ана логи и модели-подобия. Основываясь на подобии и аналогии объектов, процессов и т.д., изучают экспериментально-теорети ческим путем явления на модели, а затем с помощью соответст вующего математического аппарата устанавливают закономер ности в натуре.
На рис. 4 приведена электрическая модель-аналог для изу чения напряженно-деформированного состояния балки на двух
опорах. |
|
|
|
P^ |
Pi |
/i |
h |
Рис. 4. Схема балки на опорах и ее электрическая модель-аналог для изучения напряженно-деформированного состояния балки: Ри Р2 - на грузки; РА, РБ- реакции; /?ь R2i R3 - электрические сопротивления; /ь /2- сила тока, моделирующая нагрузки Р, и Р2
Реакции на опорах балки вычисляются по формулам:
р |
/ | « 2 + / з ) + * У з |
р |
_ р \1\ + / г ( / 2 |
+ li) |
А |
/ . + / 2 + ' з |
’ |
Б |
/ > + ' 2 + / 3 |
Силу тока на входе и выходе электрической цепи вычис ляют аналогично:
Л (-^2 |
^3 ) |
^2-^з |
Л^1 + ^2 0^2 + ^3 ) |
/ д = - |
R*y + |
R* |
*^"^2 ~^"*3 |
/? i + |
Таким образом, меняя силу тока 1и 12 и сопротивление R\
можно изучать реакции опор балки в зависимости от величины
Р\ и Ръ
Модели подобия используют давно. Например, нет необ ходимости теоретически вычислять или непосредственно изме рять высоту (Н) Останкинской башни в Москве. Для этой цели достаточно использовать простейшую модель - треугольник и с помощью теоремы о подобии треугольников путем измерения расстояния к башне определить ее высоту по формуле
Н=ИКР,
где Kp - критерий подобия, равный КР = z I (/ - сторона тре угольника), h - высота треугольника.
Аналогичный прием широко используют и при исследо вании процессов, но критерий подобия и уравнения в этом слу чае определить значительно сложнее. Анализ многообразных физических моделей изучаемых процессов исследуется матема тическими методами, которые могут быть разделены на основ ные группы:
1.Аналитические методы исследования (элементарная ма тематика, дифференциальные и интегральные уравнения, вариа ционное исчисление и другие разделы высшей математики) ис пользуются для изучения непрерывных детерминированных процессов.
2.Методы математического анализа с использованием эксперимента (метод аналогий, теория подобия, метод размер ностей) и др.
3.Вероятностно-статистические методы исследования (статистика и теория вероятностей, дисперсионный и корреляционный анализы, теория надежности, метод МонтеКарло и др.) используются для изучения случайных процессов - дискретных и непрерывных.
4.Методы системного анализа (исследование операций, теория массового обслуживания, теория управления, теория
множеств и др.), используемые для исследования сложных мо делей - систем с многообразными и сложными взаимосвязями элементов, характеризуемых непрерывностью и детерминиро ванностью, а также элементами дискретности и случайности.
Методы системного анализа получили широкое распро странение в последнее время, что в значительной степени обу словлено развитием ЭВМ, обеспечивающим быстрое решение и анализ сложных математических задач.
В прикладной математике, которая широко используется в технике, эффективно применять так называемые рациональные методы, допускающие наличие формулировок и утверждений, справедливые лишь в данных реальных условиях. При этом они могут уточняться в ходе исследования, базироваться на доводах, основанных на приближенных решениях, аналогиях или экспе риментах и т.п., что не приемлемо в «чистой» математике.
Большое влияние на развитие математических методов исследования, особенно в прикладной математике, оказали ЭВМ, с созданием которых связывают новый современный этап математики. Использование ЭВМ многократно ускоряет мате матические преобразования и вычисления, в то же время не ос вобождает исследователя от необходимости владеть математи ческим аппаратом и творчески мыслить. Обычно наибольший эффект получают в том случае, если исследователь физического процесса хорошо знает возможности ЭВМ, специфику методов работы с ними, а привлекаемый им математик-вычислитель от четливо представляет физические особенности исследуемой за дачи. Это позволяет квалифицированно обсуждать все вопросы, возникшие в исследовании, что способствует наиболее успеш ному и эффективному выполнению научно-исследовательских работ.
Иногда построение физических моделей и математическое описание явления невозможно. Однако и при этом необходимо сформулировать рабочую гипотезу, проиллюстрировать ее гра фиками, таблицами, предположить и оценить результаты, кото рые должны быть получены на основе этой гипотезы, спланиро вать и провести научно-исследовательскую работу.
9. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследуя физические модели, описывающие функцио нальные связи, используют аналитические методы, с помощью которых устанавливают математическую зависимость между параметрами модели. В строительстве широко применяются элементарные функции и уравнения, особенно, когда стремятся упростить исследуемую модель и получить приближенные ре шения поставленной задачи.
Достаточно часто используют линейные функции и урав нения, например, при исследовании сложных строительных ма териалов. Полагая, что напряжения в слоистом материале рас пределяются прямо пропорционально модулям упругости его компонентов, с помощью элементарных линейных уравнений можно получить ряд полезных сведений.
В практике часто встречаются процессы, протекающие по принципу «цепного» механизма (растворение, охлаждение, пе ремешивание и т.д.). Для их исследования используют химиче ские и физико-химические методы исследования. Рыночная эко
номика требует повышения качества строительных материалов, в том числе и с заданными свойствами. Производство строи тельных материалов - извести, цемента и изделий из них - это сложный многостадийный процесс и качество их зависит от правильно выбранных параметров, поэтому контроль качества материалов на отдельных стадиях - необходимый этап техноло гического процесса изготовления строительных материалов. Необходимым условием совершенствования и развития произ водства композиционных строительных материалов является правильно организованный контроль, который начинается с изучения и исследования сырья и кончается определением каче ства выпускаемой продукции. Требования по всем видам кон троля повышается. Значительно выросли требования к точности результатов аналитических исследований, к сокращению време ни аналитического исследования, к повышению чувствительно сти аналитических методов для определения весьма малых ко личеств некоторых элементов, входящих в состав строительных материалов.
В современных строительных лабораториях, оснащенных сложными испытательными машинами и приборами, произво дятся испытания самых разнообразных по назначению, структу ре и составу материалов. В оборудование лабораторий строи тельных материалов помимо традиционных испытательных при боров и машин (весов, измерительных приборов, прессов, раз рывных машин) входят новейшие приборы, например, ультра звуковые, позволяющие определять прочность изделий без раз рушения, камеры погоды, с помощью которых оценивается дол говечность материалов в разных климатических условиях и т.п.
Постоянное расширение номенклатуры строительных ма териалов находит отражение и в количестве исследований, про водимых строительными лабораториями. Методы исследования строительных материалов подразделяются на химические и фи зико-химические.
Спомощью химических методов можно изучать строение
исвойства строительных материалов, находить закономерности создания и разрушения их структур, разрабатывать прогрессив ные технологические процессы изготовления материалов и из делий и изыскивать способы оценки и повышения их долговеч ности. Однако перед химическим анализом вскоре стали такие требования, как проведения анализа более быстро и с большей чувствительностью. Этим условиям удовлетворяют физические
ифизико-химические методы исследования, которые в настоя щее время широко применяются в НИИ и в заводских условиях.
При выполнении физико-химических методов исследова
ния точку эквивалентности определяют не визуально, а при по
мощи приборов, которые фиксируют изменение физических свойств. В физико-химических методах исследования и анализа вещества о концентрации судят по результатам взаимодействия вещества с тем или другим реактивом, контролируемым по ка кому-либо физическому свойству (электрическому току, спек тру поглощения светового потока и т.д.). В физико-химических методах исследования используется сложная аппаратура для из мерения оптических, электрических и других свойств веществ. Эти методы иногда называют инструментальными методами исследования. Наиболее широко применяются три группы инст
рументальных методов исследований:
-электрохимические методы исследования;
-оптические методы исследования;
-хроматографические методы исследования.
Электрохимические методы исследования основаны на
взаимодействии вещества с электрическим током. Электрохи мические методы исследования подразделяются:
-электровесовой метод;
-потенциометрическое титрование;
-кондуктометрическое титрование;
-полярографический анализ;
-амперометрическое титрование;
-кулометрическое титрование.
Встроительной технологии наибольшее применение на шли - кондуктометрический, потенциометрический и поляро графический методы.
Кондуктометрические методы исследования
Прямая кондуктометрия используется для исследования процесса гидратации портландцемента, для определения порис тости бетона, для определения степени диссоциации растворен ной соли, растворимости малорастворимой соли. Недостаток метода - загрязнение рабочих электродов и необходимость их периодической очистки, невозможность анализа концентриро ванных растворов, для которых электропроводность не является прямой функцией концентрации, а также большие температур ные погрешности.
Значительно большее применение имеет метод кондукто метрического титрования, который позволяет вести контроль достижения эквивалентных соотношений в растворе. Примене ние основано на зависимости удельной электропроводности электролитов от концентрации определяемого компонента. Обычно при проведении кондуктометрического титрования из меряют удельную электропроводность, но можно измерять и ве личину, пропорциональную ей, например эквивалентную элек тропроводность.
Результаты измерения электропроводности раствора в процессе титрования обычно изображают графически в виде так
называемых кривых титрования, характеризующих протекание химической реакции при титровании.
Рассмотрим, как-изменяется электропроводность в про цессе реакции.
Разберем осаждение ионов Ва2+ ионами S O /2 (рис. 5).
ВаС12 + Na2S 0 4 —> B aS04J + 2NaCl
или
Ва2+ + 2СГ + 2 Na+ + S 0 4'2 -*• BaS04j + 2 Na+ + 2СГ
а, Ом 1см |
|
Если к раствору ВаС12 |
|
добавлять |
концентрирован |
||
|
ный |
раствор Na2S 0 4, то ион |
|
|
СГ остается в растворе неиз |
||
|
менным. |
Образующийся |
|
|
BaS04 нерастворим, не обра |
||
|
зует |
заметного количества |
|
|
ионов и не проводит электри |
||
|
чества. Следовательно, в рас |
||
|
творе, в |
результате добавле |
|
|
ния Na2S 0 4 ион Ва2+ заменяет |
||
Рис. 5. Кривая кондуктометриче |
ся ионом Na+ Электропровод |
||
ского титрования |
ность раствора е уменьшается, |
||
|
так как более подвижный ион |
заменяется менее подвижным, а общий объем раствора V увели
чивается. Это уменьшение электропроводности будет происхо дить до тех пор, пока все ионы бария, находящиеся в растворе, не перейдут в осадок. После этого добавление Na2S 0 4 резко увеличит электропроводность раствора, так как концентрация электролита в растворе резко возрастет.
Точка перелома представляет собой точку эквивалентно сти титрования. Зная точку эквивалентности (Т.Э) и титр рабо
чего |
раствора Na2S 0 4, можно легко вычислить содержание |
ВаС12 |
в титруемом растворе. Такого типа кривые получаются во |
всех случаях, когда более подвижный ион заменяется менее подвижным, например, при нейтрализации сильных кислот сильными основаниями очень подвижный ион Н+ заменяется менее подвижным ионом металла. Точка эквивалентности в
данном случае выражается четко, и результаты титрования обычно хорошие.
Для определения концентрации исследуемого раствора используется калибровочный график, построенный в координа тах (рис. 6): электропро водность раствора с из
вестной |
концентрацией |
|
|||
е - |
концентрация иссле |
|
|||
дуемого раствора С. |
|
||||
|
Измерив |
электро |
|
||
проводность раствора Е\ |
|
||||
с |
неизвестной |
концен |
|
||
трацией |
|
исследуемого |
|
||
компонента, по |
калиб |
|
|||
ровочному |
графику на |
|
|||
ходят |
эту |
концентра |
Рис. 6. Калибровочный график |
||
цию С). |
|
|
|
|
Процессы твердения минеральных вяжущих веществ свя заны с процессами образования растворов электролитов. По ме ре затвердевания концентрация этих растворов изменяется, а следовательно, изменяется и электропроводность твердеющего материала. Поэтому по изменению электропроводности вяжу щего вещества можно косвенно судить о процессах, происходя щих в системе вяжущее - вода.
Потенциометрические методы исследования
Эти методы широко используются при исследовании мут ных, окрашенных растворов, когда нельзя подобрать индикатор для соответствующего объемного определения, а также провес ти определение без предварительного разделения сложной сме си на компоненты. Различают прямую потенциометрию и по тенциометрическое титрование. В первом случае измеряют аб солютное и точное значение электродного потенциала. Прямая потенциометрия используется для определения активности ио нов водорода и pH растворов, а также других потенциалопределяющих ионов.
Метод прямой потенциометрии широко применяют для
определения активности ионов водорода (pH растворов), а также различных катионов и анионов с использованием ионоселектив ных мембранных электродов.
Измерение pH заключается в сравнении потенциала инди каторного электрода, погруженного в исследуемый раствор, с потенциалом того же электрода в стандартном буферном рас творе с известным значением pH. Для измерения pH применяют высокоомные потенциометры различных систем или рН-метры. шкала которых градуирована в милливольтах или непосредст венно в единицах pH.
При помощи прямой потенциометрии можно изучать кор розию стальной арматуры в бетонах и кинетику процесса схва тывания. Регистрируя значение pH во времени, можно опреде лить сроки схватывания минеральных вяжущих, проследить за процессом гидратации, оценить коррозионную устойчивость цементов в коррозионных средах.
Потенциометрическое титрование применяют для коли
чественного определения вещества в растворе титрованием егс стандартным раствором соответствующего реагента в оптИ мапьных условиях. В процессе потенциометрического титрова ния определяется эквивалентный объем стандартного раствора реагента путем измерения электродвижущей силы (ЭДС) специ ально подобранной электрической пары: индикаторного элек трода и электрода сравнения. ЭДС, возникающая за счет разно сти потенциалов между индикаторным электродом и электро дом сравнения, осуществляется с помощью высокоомных по тенциометров. Величина ЭДС особенно сильно изменяете* вблизи точки эквивалентности. Абсолютное значение отноше ния изменения ЭДС к приращению объема прибавляемого стан дартного раствора в этой точке будет максимальным. Результ3 ты титрования представляются графически. Полученная крив3* титрования используется для определения точки эквиваленты0 сти методом четырех касательных. Это показано на рис. 7.
В практике потенциометрии большое внимание уделяете' правильному подбору и использованию электродов, чистке их- ‘
также хранению в нерабочем состоянии.
Для определения кон центрации определяемого иона в исследуемом рас творе используется метод калибровочного графика. Для этого измеряется ЭДС электронной пары или рас считывается эквивалент ный объем V3KB. Для не
скольких растворов с из вестной концентрацией и строится калибровочный график (рис. 8).
Измерив ЭДС элек тронной пары в исследуе мом растворе с неизвест ной концентрацией, по ка либровочному графику на ходят эту концентрацию С]. Методом потенциомет
рического титрования оп ределяют содержание хло ридов в твердых строи тельных материалах, содер жание фосфатов при изго товлении жаростойких бе тонов, содержание фосфора
висходном сырье, связках
ибетонах на их основе.
Е, мВ
Рис. 7. Кривая потенциометрического титрования
Е, мВ
Полярографические методы исследования
Различают прямую полярографию и полярографическое титрование. В прямой полярографии для анализа веществ в ис
пытуемый раствор опускают два электрода, как правило, катод (индикаторный электрод) имеет малую поверхность, например, капля ртути, вытекающая из очень тонкого капилляра. Анод представляет собой слой ртути с большей поверхностью или на-
Определив предельный ток / для раствора с неизвестной концентрацией, по графику находят эту концентрацию.
Полярографический метод широко применяется для опре деления небольших количеств металлов в сплавах, рудах. К дос тоинству метода относится то, что им можно определять одно временно катионы разных металлов, не прибегая к предвари тельному их разделению. Поляграфируя такую смесь, получают несколько полярографических волн.
Недостаток - высокая токсичность ртути и ее паров. По этому работа должна производиться в специальном помещении. Полярографический метод используется для определения железа в цементах и бетонах, а также для определения нитрат ионов в агрессивных средах и продуктах коррозии бетона и железобетона.
Полярографическое титрование позволяет получить ре зультаты, не зависящие от температуры, характеристики капил ляра и даже состава раствора. Кроме того, во многих случаях можно не удалять кислород. Преимуществом полярографиче ского титрования является то, что можно определять вещества, которые сами не восстанавливаются или не окисляются, но мо гут быть оттитрованы восстанавливающимися или окисляющи мися реагентами. Измеряя силу тока при постоянном потенциа ле капельного ртутного электрода в области предельного тока после каждого прибавления титрованного раствора реагента к исследуемому раствору и строя зависимость предельного тока от объема добавленного реагента, получают кривые полярогра фического титрования (рис. 11).
/, А |
/, А |
/, А |
Рис. 11. Кривые полярографического титрования