Л.И.ДВОРКИН, д-р техн. наук, проф., О.Л.ДВОРКИН, канд. техн. наук, доц. (Роеенский государственный технический университет, Украина), Многопараметрические задачи проектирования составов бетона
Задачи проектирования составов бетона можно классифицировать в зависимости от количества нормируемых параметров.
Наиболее разработанными и реализуемыми на практике являются двухпараметрические задачи, когда нормируемым свойством бетона является его прочность на сжатие Ясж, а бетонной смеси - показатель удобоукладываемости (подвижность или жесткость). Для решения задач этого типа широко применяются расчетно-экспериментальные методы, использующие ряд известных технологических зависимостей: прочности бетона от цементно-водного отношения, правило постоянства водопотребности бетонных смесей, правило оптимального содержания песка и др. [1,2].
Недостаточно разработанны многопараметрические задачи, которые возникают особенно часто при проектировании различных специальных видов бетона: гидротехнического, дорожного, коррозионностойкого и др. Их можно разделить на три подгруппы:
1. с нормируемыми параметрами, однозначно связанными с прочностью бетона на сжатие.
2. с нормируемыми параметрами, неоднозначно связанными с прочностью на сжатие.
3. с нормируемыми параметрами?не связанными с прочностью на сжатие.
В первую подгруппу входят, например, задачи с нормируемыми показателями модуля упругости, прочности бетона (на растяжение, изгиб и др).
При расчете состава таких бетонов сначала находится определяющий параметр из нормируемых свойств бетона, соответствующая ему прочность на сжатие и устанавливается минимально возможное Ц/В, обеспечивающее весь набор свойств. Под “определяющим параметром’ мы понимаем такой нормируемый параметр, достижение которого предполагает одновременно достижение и всех других параметров, указанных в условии задачи.
Принципиальной особенностью таких задач является существование области Ц/В, в пределах которой находится Ц/В,обеспечивающее все нормируемые показатели. Чем уже эта область (рис. ) и чем в большей мере она сдвинута в сторону меньших значений Ц/В, тем ближе приближается состав к оптимальному и Ц—> min. Для достижения этого условия могут использоваться различные технологические приемы: введение добавок - регуляторов свойств, изменение условий твердения, подбор исходных материалов и др.
Нормируемыми параметрами в задачах второй подгруппы, наряду с прочностью на сжатие, могут быть ползучесть, морозостойкость, тепловыделение и т.д.
При постоянном Ц/В и, следовательно, прочности бетона ползучесть его может существенно различаться [3] в зависимости от количества цементного камня в бетоне. Аналогично, можно показать неоднозначность зависимости прочности бетона на сжатие с группой свойств, определяемых капиллярной пористостью (водопоглощение, морозостойкость и др.).
Параметры, нормируемые в многопараметрических задачах, могут формироваться под влиянием как одних и тех же, так и существенно различающихся технологических факторов . В вышеприведенном примере прочность на сжатие и ползучесть определяются прежде всего цементно-водным отношением. Аналогично цементно-водное отношение является основным влияющим фактором, если нормируются прочность и морозостойкость (особенно при неиспользовании воздухововлекающей добавки). Однако, в отличие от задач первой подгруппы, здесь нормируемые параметры связаны менее жестко.
Для решения задач данной подгруппы, так же как и предыдущей, устанавливается область Ц/В, которая обеспечивает нормируемые параметры, рассматриваются технологические пути ее сужения и окончательно необходимое значение нормируемого Ц/В. .
Регулирование необходимого Ц/В в этих задачах возможно, однако, за счет изменения других факторов состава, в частности количества цементного теста, объема вовлеченного воздуха и др.
Например, нормируются средняя прочность бетона Rcw=65Mna (В50) и ползучесть Cmx 106 = 3,5. ПОДВИЖНОСТЬ бетонной смеси на гранитном щебне и среднезернистом кварцевом песке принята ОК=2 см. Активность цемента Ru = 50 МПа. По расчетной формуле прочности бетона R6 = ARU(H/B - 0,5) при А = 0,6, Ц/В = 2,63. При расходе воды В= 175 л/м3 и соответственно расходе цемента Ц = 460 кг/м3, мера ползучести не обеспечивается (Стх I0f = 4.5). Для достижения нормируемого значения Стх 10е необходимо увеличить значение Ц/В. Практическое совпадение Ц/В из условий прочности и ползучести можно достичь переходом на более жесткую смесь.
Мощным средством уменьшения ножниц” по ЦВ в морозостойких бетонах является вовлечение воздуха. Характерно при этом, что значительно уменьшая Ц/В для достижения заданной морозостойкости, вовлеченный воздух в то же время увеличивает Ц/В из условия прочности. При этом общий положительный эффект уменьшения расхода цемента может быть весьма значительным особенно в бетонах с высокими значениями морозостойкости при умеренном нормируемом значении прочности.
Для ряда задач проектирования составов бетона(например, легких бетонов) Ц/В не является определяющим фактором, обеспечивающим комплекс нормируемых свойств. Для таких задач следует находить другой, существенный для всех нормируемых свойств фактор. Определение необходимого значения этого фактора становится главной задачей расчета составов.
Разработка достаточно общего и доступного расчетно-экспериментального метода проектирования составов бетонных смесей с заданной удобоукладываемостью и прочностью бетона стала возможной благодаря использованию ряда допущений, сделанных на основе физических закономерностей, обусловленных влиянием структуры бетона на его свойства. Данные закономерности могут быть использованы и при многопараметрическом проектировании составов бетона. При этом общая схема м етода сл едую щая:
1. В тех случаях, когда нормируются свойства бетона, однозначно связанные с прочностью бетона на сжатие (прочность при растяжении, изгибе, модуль упругости, условная ратяжимость и др.), определяется значение последней, обеспечивающее заданные свойства.
2. С учетом активности цемента, качественных особенностей заполнителей, условий твердения и других факторов определяется Ц/В, обеспечивающее заданные свойства.
3. Для достижения требуемого показателя удобоукладываемости и при необходимости других свойств бетонной смеси и бетона (например, усадки) при использовании данных исходных материалов и добавок определяется расход воды (В). При этом в случае выхода за пределы правила постоянства водопотребности расход воды корректируется с учетом Ц/В.
4. При нормировании морозостойкости бетона рассчитывается требуемый объем вовлеченного воздуха и уточняется необходимое Ц/В.
5. При найденных значениях В и Ц/В проверяется возможность достижения нормируемых свойств, которые определяются этими двумя технологическими параметрами. В случае недостижения нормируемых параметров производится дополнительное корректирование В и Ц/В с использованием при необходимости специальных технологических приемов (введение добавок и др.).
6. Рассчитывается с учетом окончательно найденных Ц/В и В расход цемента и проверяется выполнение ограничений, связанных с расходом цемента (тепловыделение, стойкость к коррозии и др.).
7. Рассчитывается состав мелкого и крупного заполнителя при введении нескольких фракций, а затем их расходы. При выборе соотношения заполнителей наряду с достижением наилучшей удобоукладываемости и прочности принимаются во внимание и другие условия (повышенная водонепроницаемость, толщина конструкции, степень армирования и др.).
8. Рассматривается возможность использования различных технологических решений, направленных на экономию цемента, снижение энергозатрат. уменьшение стоимости бетонной смеси.
При выборе количественных зависимостей должны рассматриваться как целевая установка конкретной задачи, так и имеющаяся исходная информация. Например, для простейших задач, включающих определение прочности тяжелого бетона в условиях нормального твердения без минеральных наполнителей, виздухо-вовлекающих и других добавок могут быть использованы наиболее известные формулы [1, 5]. При наличии развернутой информации о качестве исходных материалов коэффициент А уточняется согласно рекомендациям [2], в противном случае берется по укрупненным рекомендациям [1] или вообще не учитывается [4].
Для более сложных задач при введении в состав бетонных смесей минеральных наполнителей и добавок ПАВ при известных значениях Кцз и рА целесообразно использование обобщенной формулы прочности [5]:
Различные количественные зависимости можно использовать и для определения расхода заполнителей. При известных значениях удельной поверхности и пустотности заполнителей можно воспользоваться для определения формулой, приведенной в работе [6]. Если качество заполнителей характеризуется модулем крупности песка и максимальной крупностью щебня или гравия пригодны другие формулы [2]. В тех случаях, когда известны наряду с расходом цемента и Ц/В лишь водопотребность песка, расход щебня можно определить, рассчитав коэффициент раздвижки а по рекомендациям [I]. Если заданы пустотность песка и щебня (их можно легко вычислить, зная истинные и насыпные плотности заполнителей) расчет а следует вести по зависимостям [2] с соответствующими поправками. Таким образом, имеющаяся в современном бетоноведении эмпирическая база позволяет создать банк количественных зависимостей, представляющих возможность реализовать альтернативный подход при расчетах составов бетона. Этот банк количественных зависимостей стремительно увеличивается в последние годы особенно за счет полиномиальных уравнений регрессии - математических моделей, адекватных в определенном "факторном пространстве. Наиболее значительную часть этих моделей получают с помощью методов планирования эксперимента.
Ниже приведен характерный пример многопараметрической задачи проектирования состава цементного бетона.
Бетон и железобетон, 2002 №2