Исследование взаимосвязи состава, физики процесса уплотнения, микроструктуры и свойств вариатропных бетонов с улучшенными характеристиками

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-10289

НазваниеИсследование взаимосвязи состава, физики процесса уплотнения, микроструктуры и свойств вариатропных бетонов с улучшенными характеристиками

Руководитель Щербань Евгений Михайлович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Вариатропный бетон, вариатропная структура, виброцентрифугированный бетон, железобетонные изделия, бетон с улучшенными характеристиками, микроструктура бетона, дифференциальные конструктивные характеристики, интегральные конструктивные характеристики, долговечность бетона

Код ГРНТИ67.09.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Возрастающие объемы строительства ставят задачи разработки новых производственных технологий, новых материалов и способов конструирования, направленные на сокращение сроков строительства, создание равнопрочных и маломатериалоемких конструкций. Центрифугирование, являясь недооцененной технологией производства, позволяет создавать вариатропные конструкции, то есть конструкции из бетона с различающимися характеристиками (плотность, прочность, деформативность и др.) по сечению бетона. Это, с одной стороны, во многих случаях необходимо учитывать в расчете и проектировании, с другой – это позволит проектировать конструкции с различающимися свойствами в зависимости от их назначения и условий работы. Однако, на сегодняшний момент отсутствуют исследования, связанные с изучением структуры и свойств железобетона, армированного полимерным и базальтовым фиброволокном, не изучены особенности совместной работы стальной арматуры и фиброволокон при центрифугировании. В связи с этим, при расчете и проектировании строительных конструкций вариатропной структуры обычно закладывается необоснованно большой запас, что приводит к заметному удорожанию перспективных строительных конструкций. В существующих нормах и научной литературе отсутствуют теоретические и практические методы расчета центрифугированных железобетонных конструкций с учетом вариатропности структуры и характеристик бетона по сечению. Отдельными научными данными подтверждена высокая эффективность центробежного уплотнения, но существующие методы расчета не позволяют в полной мере использовать преимущества центрифугирования из-за отсутствия в них учета вариатропности структуры. Научная новизна: - будут получены фундаментальные зависимости, происходящие на микроуровне при структурообразовании и формировании свойств вариатропных бетонов с улучшенными характеристиками, исследована совместимость компонентов для получения наилучшего сочетания состава, микроструктуры и свойств таких бетонов; - будет проведено исследование структуры и свойств железобетона, армированного полимерным и базальтовым фиброволокном, изучение совместной работы стальной арматуры и фиброволокон, изучение долговечности бетонов вариатропной структуры, применение алгоритмов искусственных нейронных сетей для исследования взаимосвязи технологических параметров (входы) и свойств бетона (выходы); - будет усовершенствована технология создания виброцентрифугированных бетонов вариатропной структуры; - будут выявлены оптимальные технологические параметры для получения эффективных центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов; - будут предложены расчетные зависимости для определения конструктивных характеристик центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов в зависимости от технологических параметров и возраста бетона, определены значения всех их параметров и коэффициентов; - будет предложено аналитическое описание диаграмм «σ – ε» при сжатии и растяжении вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов в любом возрасте с учетом разработанных рекомендаций по оценке изменения их прочностных и деформативных характеристик, выявлена их взаимосвязь и прогнозирование механических свойств на основе алгоритмов искусственного интеллекта; - будут даны рекомендации значений нормативных и расчетных сопротивлений на сжатие и растяжение для предельных состояний первой и второй групп вибрированных, центрифугированных и виброцентрифугированных бетонов; - аналитически и экспериментально будут выявлены не учитываемые ранее скрытые прочностные резервы промышленных изделий вариатропной структуры, производимых методами центрифугирования и виброцентрифугирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Выполнено моделирование в программном комплексе Ansys стоек из тяжелого бетона кольцевого сечения. Проведено сравнение результатов численного эксперимента, полученных на моделях образцов центрифугированного и виброцентрифугированного бетона, с результатами, полученными на эталонных моделях образцов, изготовленных без применения технологий центробежного уплотнения. Выявлено влияние центробежного уплотнения бетона на его теплозащитные свойства. 1.1. Вариатропные бетоны имеют лучшие (до 23%) теплоизолирующие и звукоизолирующие свойства в сравнении с бетонами обычной структуры, уплотненной вибрированием. 1.2. Отмечено значительное преимущество предложенной технологии и изготавливаемого материала для экономики и экологии при общем улучшении его теплоизоляционных свойств по сравнению с обычным бетоном. 2. Были подобраны составы бетонных смесей для бетонов классов B25, B30 и B40, изготовленных по технологиям вибрирования, центрифугирования и виброцентрифугирования, и оценена их эффективность. Разработан новый способ изготовления трубобетонных колонн с применением технологии центробежного уплотнения бетонной смеси – виброцентрифугирование. Изготовлены опытные образцы полнотелых и пустотелых трубобетонных колонн из вибрированного, центрифугированного и виброцентрифугированного бетонов. Подготовлены и проведены экспериментальные исследования лабораторных образцов полнотелых и пустотелых трубобетонных колонн из вибрированного, центрифугированного и виброцентрифугированного бетона. Проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных и расчетных данных. 2.1. Лучшими прочностными свойствами обладает бетон, полученный с использованием технологии виброцентрифугирования. 2.2. Разработана технология изготовления пустотелых трубобетонных колонн методом виброцентрифугирования. 2.3. Виброцентрифугированные трубобетонные колонны имеют несущую способность выше до 13%, чем у полнотелых вибрированных трубобетонных колонн. 2.4. Полученные экспериментальные значения несущей способности трубобетонных колонн оказались близки к расчетным значениям и имели расхождение не более 10%. 2.5. Разработанная технология виброцентрифугирования трубобетонных изделий имеет ряд преимуществ: во-первых, существенно снижается вес конструкции за счет получения пустотелого бетонного ядра; во-вторых, эффект уплотнения достигается не дополнительными технологическими приемами, а физическим эффектом центробежного уплотнения. 2.6. Практическое применение виброцентрифугированных трубобетонных колонн может быть реализовано при строительстве гражданских и промышленных зданий и сооружений, особенно в районах с высокой сейсмической активностью. 3. Исследованы свойства и структура облегченного вариатропного центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем и модифицированного микрокремнеземом. Разработаны новые составы облегченных вариатропных бетонов. 3.1. Замена крупного тяжелого заполнителя на легкий пористый заполнитель в количестве 40% позволяет снизить плотность центрифугированного композита до 12% при минимальном снижении прочности до 16% и снижении теплопотерь до 21%. 3.2. Добавление микрокремнезема до 10% в облегчённый центрифугированный бетон на комбинированном заполнителе увеличивает его прочность на сжатие - до 15%. 3.3. Анализ структуры вариатропного облегченного бетона показал, что зерна щебня и керамзита имеют хорошую связь с растворной частью; легкий керамзитовый заполнитель имеет хорошее сцепление с растворной частью, которая частично проникает в его поры, обеспечивая хорошее сцепление. 3.4. Получен новый оптимальный состав облегченного бетона с вариатропной структурой, изготовленного по технологии центробежного уплотнения и модифицированного микрокремнеземом: полученный композит отвечает всем нормативным требованиям и имеет облегченный вес; благодаря технологии центрифугирования на изготовление бетонных элементов кольцевого сечения уходит меньше сырья, что делает их более экономичными и выгодными для применения в строительной отрасли. 4. Разработаны алгоритмы компьютерного зрения на основе сверточных нейронных сетей для сегментации дефектных областей бетонов различных структур. Проанализированы изображения образцов бетона, полученных в результате лабораторных испытаний, с точки зрения нарушений целостности и компактности структуры. 4.1. Разработанные алгоритмы компьютерного зрения показали высокую точность (89%) при обнаружении дефектов в бетонах различных структур. 4.2. Рассмотренные алгоритмы, основанные на сверточных нейронных сетях, в среднем способны обнаружить не менее 89% всех дефектов на фотографиях образцов бетона. 4.3. Анализ результатов позволил установить взаимосвязь между рецептурой, технологическими параметрами и долей дефектов: рекомендация в формате «критично/некритично» может быть использована для оценки состояния бетона различных типов структур, корректировки рецептуры и изменения технологических параметров производства.

Публикации

1. Щербань Е.М., Бескопыльный А.Н., Стельмах С.А., Маилян Л.Р. , Шилов А.А., Хиеп Н.К., Сонг Я., Чернильник А.А., Ельшаева Д.М. Study of Thermophysical Characteristics of Variatropic Concretes Строительные материалы и изделия (Construction Materials and Products), Volume 7, Issue 4, 2 (год публикации - 2024)
10.58224/2618-7183-2024-7-4-2

2. Бескопыльный А.Н., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Развеева И.Ф., Кожакин А.Н., Месхи Б.Ч., Чернильник А.А., Ельшаева Д.М., Ананова О.Г., Гиря М.М., Нурхабинов Т.Т., Бескопыльный Н.А. Computer Vision Method for Automatic Detection of Microstructure Defects of Concrete Sensors, Volume 24, No. 13, 4373 (год публикации - 2024)
10.3390/s24134373

3. Щербань Е.М., Стельмах С.А., Маилян Л.Р., Бескопыльный А.Н., Маилян А.Л., Щербань Н.А., Чернильник А.А., Ельшаева Д.М. Composition and Properties of Lightweight Concrete of Variotropic Structure Based on Combined Aggregate and Microsilica Buildings, 15, 346 (год публикации - 2025)
10.3390/buildings15030346

4. Щербань Е.М., Бескопыльный А.Н., Стельмах С.А., Маилян Л.Р., Панфилов И.А., Маилян А.Л., Щербань Н.А., Вяликов И.Л., Ельшаева Д.М., Чернильник А.А. The Impact of Manufacturing Technology on the Tube-Steel Concrete Columns Bearing Capacity Under Axial Load Buildings, 15, 6, 950 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.3390/buildings15060950