А.Г. ЗОТКИН, канд. техн. наук, Коэффициент эффективности минеральных добавок в бетоне: интерпритации и определение
Современная технология предусматривает введение минеральных добавок (МД), и в первую очередь зол ТЭС, как почти обязательного компонента бетона. При этом основная роль МД заключается не в экономии цемента, а в улучшении комплекса технических свойств, т.е. в получении бетона более высокого качества. Важным аспектом технологии таких бетонов является выбор критерия эффективности МД. Из различных применяемых критериев (изменение прочности при введении МД, степени использования цемента и т.д.) наиболее информативным является коэффициент цементирующей эффективности Кцэ [1,2]. Он имеет ясный физический смысл (отношение масс сокращаемого цемента и вводимой МД, при котором прочность бетона остается постоянной) и позволяет рассчитывать прочность бетонов с МД.
Впервые Кцэ был предложен Смитом [1],проводившим эксперименты на золах ТЭС. Его значение рассчитывалось из равенства В/Ц бетона с золой (3) той же прочности. Для нахождения параметров равнопрочных составов строились зависимости прочности от В/Ц для контрольного бетона и бетона с золой, что является достаточно трудоёмким. Так как получаемые значения Кцэ зависели от принятого уровня прочности, определялось среднее из нескольких значений [2]. Эта методика использовалась во многих исследованиях. В Германии она несколько упрощена и предусматривает испытание контрольного состава (с расходом цемента 300 кг/м3) и двух составов разной прочности с МД, что позволяет находить состав, равнопрочный контрольному [3]. В отечественных рекомендациях, где Кцэ предлагается использовать для подбора составов мелкозернистого бетона с минеральной добавкой [4], для нахождения равнопрочного контрольному состава предусматривается изготовление трех составов бетона с МД.
В последнее время в отечественных публикациях появились предложения о включении расхода МД в формулу прочности бетона и учете ее “вклада” в прочность с помощью Кцэ [5,6]. Но практическое использование Кцэ затрудняется двумя причинами: сложностью определения (что было показано выше) и сильной зависимостью его величины от состава бетона и других факторов.
В настоящей статье предлагается более простая методика, позволяющая находить Кцэ по результатам испытания всего двух составов: контрольного и с МД. Представлена и новая интерпретация Кцэ, а также еще одна методика определения, основанная на ней. Эти методы могут применяться не только для более простого определения Кцэ в эксперименте, но и для его расчета по результатам уже выполненных исследований, что расширяет возможности анализа зависимостей от различных факторов. При этом учтено, что термин “цементирующая эффективность является не совсем удачным, так как ассоциируется с пуццоланической активностью, тогда как фактически характеризует общий прочностной эффект любых МД (включая микронаполнители). Поэтому он все чаще заменяется термином “коэффициент эффективности [3,7], который можно использовать и для оценки влияния МД на другие свойства бетона [8]. По нашему мнению, он может быть применен также для некоторых других групп добавок, например, органоминеральных (СП+МД). Поэтому в дальнейшем изложении используется термин “коэффициент эффективности” (Кэ).
Сложность применяемых методик определения Кэ объясняется необходимостью поиска состава бетона с МД, равнопрочного контрольному, так как при ее введении и взамен песка, и взамен цемента прочность бетона изменяется. Методика может быть рационализирована, если изменить объект поиска, и вместо этого состава искать состав (расход цемента) бездобавочного бетона, равнопрочного полученному бетону с МД [9]. В этом случае удается ограничиться двумя составами бетона (контрольного и с МД), а расход цемента в равнопрочном бездобавочном бетоне находится по зависимости прочности от расхода цемента (или Ц/В). Такая зависимость имеется в любой лаборатории, а при необходимости может быть рассчитана по известным формулам прочности по испытанию одного состава контрольного бетона.
Пример, в котором зола вводилась как взамен цемента, так и взамен песка, причем контрольные составы выбраны таким образом, что оба способа дали один и тот же состав бетона с золой, приведен в таблице.
Расход цемента в бетоне, равнопрочном бетону с золой, легко находится и составил 275 кг/м3,
Но 3 состава в таблице приняты лишь для точного определения расхода цемента в равнопрочном контрольном бетоне. Использование предлагаемой методики позволяет ограничиться двумя составами, например 1 и 2. В этом случае расход цемента в бездобавочном бетоне, равнопрочном бетону с золой, рассчитывается по формуле
Использование предложенных методик не только упрощает определение Кэ в эксперименте, но и расширяет возможности его расчета по данным различных исследований, в которых имеется хотя бы один результат прочности бетона с
МД при любом способе ее введения. Ниже приводятся примеры таких расчетов для наиболее широко применяемой МД-золы ТЭС.
Достаточно полную картину влияния состава бетона на Кэ можно получить на основе номограммы прочности бетона с золой, включающей все возможные составы таких бетонов [10]. Для любого состава по номограмме можно определить расходы золы, цемента и прочность. Это позволило посчитать Кэ как обычным (по соотношению масс сэкономленного цемента и введенной золы), так и предложенным “прочностным” методом (по соотношению прироста прочностей при введении одинаковых количеств золы и цемента). Результаты практически совпадали, максимальная разница не превышала 5%. Они представлены на рис.2, откуда видно, что Кэ значительно меняется в зависимости как от расхода цемента, так и от расхода золы.
Необходимо признать, что систематизированных данных о влиянии различных факторов на Кэ в литературе имеется мало. Высказываются сожаления, что значительное количество публикаций о влиянии МД на прочность бетона не содержит данных, необходимых для расчета Кэ (по обычной методике) [3,7]. Методы, предложенные в данной статье, предоставляют такую возможность. Они были применены для обработки результатов исследований по влиянию зол ТЭС на прочность бетонов, выполненных в Великобритании [2], Германии [11] и Канаде [12], составы бетонов в которых варьировались в широких пределах. Результаты обрабатывались с целью получения зависимости Кэ от расхода цемента, которая представляется наиболее важной для расчетов прочности бетона с МД. При этом расход золы находился в пределах 60-120 кг/м3. Несмотря на “случайный” выбор источников (по массовости представленных в них результатов), наблюдался общий характер зависимостей: Кэ уменьшался с ростом расхода цемента (рис.З), что соответствует и данным рис. 2. Низкие значения Кэ, рассчитанные по [2], подтверждаются средними значениями Кэ для разных английских зол, приведенными в этой работе (0,137-0,328).
Анализ характера и причин влияния различных факторов на Kg минеральных добавок не является задачей данной статьи. Но предложенные методики и“прочностная интерпретация Kg, лежащая в основе одной из них, упрощающие определение Кэ и облегчающие такой анализ, могут способствовать более широкому применению коэффициента эффективности в технологии бетонов с минеральными добавками.
Бетон и железобетон, 2005 №5