Основные принципы решения задач многопараметрического проектирования составов бетона
Задачи МПСБ отличаются от традиционных большим числом учитываемых параметров как на "входе", так и на "выходе" сложных гетерогенных систем, каковыми являются бетонная смесь и бетон.
Все задачи МПСБ можно разделить на два типа:
1. рецептурные задачи, заключающиеся в определении удельных расходов компонентов, обеспечивающих нормируемый комплекс свойств бетона;
2. рецептурно-технологические задачи, заключающиеся в определении наряду с удельными расходами компонентов значений тех или иных технологических факторов, характеризующих условия получения и твердения бетонной смеси и бетона.
Задачи обоих типов являются оптимизационными и могут считаться решенными лишь при выполнении сформулированных условий оптимальности.
Алгоритмы рецептурных задач предполагают нахождение базовых параметров смеси - цементно-водного отношения (Ц/В), расхода воды (В), объема вовлеченного воздуха (Vвх) и доли песка в смеси заполнителей (r), обеспечивающих наиболее эффективным образом комплекс нормируемых свойств. Алгоритмы рецептурно-технологических задач предполагают определение базовых параметров смеси и параметров технологического процесса (температуры, длительности твердения, режимы уплотнения и т.п.).
Использование базовых параметров смеси с привлечением уравнений абсолютных объемов позволяет найти расходы 5-и компонентов бетонной смеси (цемента (Ц), воды (В), объема вовлеченного воздуха (Vвх), мелкого (М) и крупного заполнителей (К).
Последовательность нахождения параметров смеси определяется особенностями конкретных задач МПСБ.
Реализация алгоритмов возможна благодаря однозначной связи группы важнейших физико-механических свойств бетона с Ц/В. В эту группу свойств входят прежде всего прочностные показатели, ряд деформативных и других свойств, определяемых соотношением объема гидратированного цемента и пористости бетона. Для задач МПСБ правило В/Ц следует рассматривать как базовую закономерность, определяющую весь комплекс указанных свойств, а не только прочность при сжатии.
Для бетонов с добавками и легких бетонов целесообразно использовать в качестве основного рецептурного параметра "приведенное Ц/В", что существенно увеличивает диапазон применимости расчетно-экспериментальных методов проектирования составов бетона и расчетных зависимостей прочности бетона.
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, воздухововлекающих и других добавок могут быть использованы наиболее известные формулы. При наличии развернутой информации о качестве исходных материалов коэффициент А в формулах прочности бетона уточняется согласно рекомендациям, в противном случае берется по укрупненным рекомендациям или вообще не учитывается.
Различные количественные зависимости можно использовать и для определения расхода заполнителей. При известных значениях удельной поверхности и пустотности заполнителей можно воспользоваться для определения оптимального соотношения формулой. В тех случаях, когда известны наряду с расходом цемента и В/Ц лишь водопотребность песка, расход щебня можно определить, рассчитав коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором Кр по рекомендациям. Если заданы пустотность песка и щебня (их можно легко вычислить, зная истинные и насыпные плотности заполнителей) расчет Кр можно вести по зависимостям с соответствующими поправками. Банк имеющихся в бетоноведении 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.
Характерной особенностью алгоритмов задач МПСБ является учет интервалов возможных значений параметров смеси, обусловленных различными нормируемыми показателями.
Такой интервал характерен обычно, например, для Ц/В при нормировании различных прочностных показателей. Аналогично, "ножницы" по расходу воды образуют, например, показатели удобоукладываемости бетонной смеси и усадка бетона, по объему вовлекаемого воздуха - прочность и морозостойкость. Это требует включения в алгоритмы задач МПСБ специальных вычислений, связанных с определением таких значений параметров смеси, которые обеспечивают весь комплекс нормируемых свойств. При этом в каждой группе свойств один из показателей становится определяющим. Достижение этого параметра предполагает одновременно достижение и других нормируемых показателей данной группы.
Не все рекомендуемые для использования в расчетах зависимости , где Рі- показатель свойства бетона, являются достаточно однозначными. Так, ряд исследователей предлагает связывать меру ползучести (Сm) лишь с прочностью бетона при сжатии. В то же время в настоящее время можно считать доказанным существенное влияние на Сm при Rсж=const содержания цементного камня, что согласуется с физическими гипотезами о механизме деформаций бетона при длительном действии нагрузки. Работами Е.Н.Щербакова показано также существенное влияние массового содержания цементного камня наряду с прочностью при сжатии в широком диапазоне составов на модуль упругости бетона. Как известно, Европейским комитетом по бетону, а также СНИПами рекомендуются для прогнозирования модуля упругости зависимости, связывающие его лишь с прочностью при сжатии.
Можно показать также неоднозначность зависимости прочности бетона при сжатии и соответственно Ц/В или В/Ц с группой свойств, определяемых капиллярной пористостью (водопоглощение, морозостойкость и др.).
Уменьшение В/Ц и увеличение количества связанной воды снижает капиллярную пористость, но при этом повышение расхода цемента приводит к увеличению объема цементного камня в бетоне и несколько повышает пористость.
Зависимости рассмотренного вида могут быть использованы для проверки возможности достижения соответствующих показателей свойств при известном составе и корректирования параметров смеси. Например, нормируется средняя прочность бетона Rсж=65 МПа и ползучесть Сm.106=3,5.
Подвижность бетонной смеси на гранитном щебне и кварцевом песке средней крупности принята ОК=2см. Активность цемента Rц=50МПа. По формуле при А=0,6 Ц/В=2,63. Необходимая подвижность бетонной смеси обеспечивается при В=175 л/м3.
В ряде многопараметрических задач достижение комплекса нормируемых свойств невозможно без специальных технологических средств - применения добавок, регулирования температуры и др. В частности, без применения таких технологических средств могут оказаться недостижимыми требования обеспечения высокой подвижности бетонной смеси и низкой усадки, пониженного тепловыделения и высокой прочности и т.д. В еще большей мере усложняются задачи при ограничениях технологических параметров (температуры, длительности твердения, типа опалубки и др.).
Оптимизация составов бетонных смесей в задачах МПСБ предполагает сужение интервалов по параметрам смеси и сдвиг необходимых значений Ц/В и В в меньшую сторону. Выбор оптимизационных решений проводится с учетом конкретных возможностей и ограничений и направлен на достижение заданных условий оптимальности. Наиболее эффективными оказываются технологические решения, направленные на достижение комплексного эффекта. В частности при решении оптимизационных задач МПСБ эффективным оказывается применение добавок, которые можно отнести к полифункциональным модификаторам (ПФМ). ПФМ могут быть представлены как одинарными, так и композиционными добавками различного типа.
Для рецептурно-технологических задач оптимизация состава достигается выбором наилучшего соотношения параметров смеси при наиболее рациональных значениях регулируемых технологических факторах.