Структурное подобие и свойства бетона
Оптимизация составов и структуры бетона предполагает использование различных технологических решений, направленных на достижение условий оптимальности. Выбор этих решений, количественная оценка вклада того или иного фактора в величину параметра оптимизации облегчается при использовании уравнений "свойство-состав", имеющих повышенную "разрешающую способность" т.е. позволяющих более полно описать влияние технологических факторов. Наряду с регресионным анализом экспериментальных данных, полученных с применением как "пассивного" так и "активного" эксперимента с этой целью также могут быть использованы основы теории подобия. Несмотря на широкое применение математического моделирования для изучения бетона как материальной и кибернетической системы, методология теории подобия в науке о бетоне пока не нашла достаточной реализации.
Исходным требованием применения принципов теории подобия для физических объектов является констатация их одинаковой физической природы. Главным общим признаком бетонов и растворов можно считать наличие двух фаз: первой – цементной матрицы и второй – дисперсной фазы или заполнителей. Наличие этих фаз и границы раздела между ними характеризует бетоны (растворы) как типичные композиционные материалы.
Физическое подобие материальных объектов определяется качественными особенностями компонентов, их количественными соотношениями, особенностями взаимодействия фаз. Для цементных бетонов подобие целесообразно рассматривать в пределах трех основных структурных подгрупп – обычных или тяжелых, легких (на пористых заполнителях) и ячеистых бетонов. Решающий вклад в синтез прочности тяжелых бетонов оказывает первая фаза т.е. цементный камень, наиболее существенно на прочности ячеистых бетонов сказывается вторая фаза, в роли которой выступают газовые включения, для легких бетонов вклад первой и второй фаз – цементного камня и пористых заполнителей является соизмеримым.
Одна из первых попыток представить расчетные зависимости показателей прочности бетона как уравнения подобия сделана в работе.
Экстремальный характер зависимости при некоторой минимальной толщине слоя цементного теста не вызывает сомнений. Этот факт установлен еще классическими работами И.Г.Малюги, Н.М.Беляева и И.П.Александрина. Из этих же работ известно, что по мере увеличения содержания заполнителей в бетоне положение экстремума прочности сдвигается в сторону больших В/Ц.
Из практики хорошо известно, однако, что экстремумы зависимости лежат в области таких значений В/Ц, при которых бетонные смеси являются особо жесткими и требуют повышенных механических условий при уплотнении.
Нетрудно подсчитать, что для обычных составов тяжелых цементных бетонов (Ц=200-600 кг/м3) при Кн.г=0,24…0,28; Кс.п=0.01…0,035; Кс.щ=0,007…0,02 и Хм.в=0,876, (В/Ц)0=0,25…0,50. При таких значениях В/Ц и соответствующем содержании цементного камня капиллярная пористость бетона, обусловленная избыточной водой, приближается к нулю.
Таким образом экстремальные значения Rб характерны не для всей, а сравнительно узкой области В/Ц. Снижению прочности способствует и недостаток воды затворения для достаточно полной гидратации цемента.
В практике проектирования составов бетона приходится обычно завышать объемное соотношение цементного камня и заполнителей Vц.к:Vз по сравнению с его значением при максимально достижимой прочности так как Vц.к:Vз, как правило, определяется необходимой толщиной цементного теста на зернах заполнителя для достижения требуемого показателя удобоукладываемости бетонной смеси. В связи с этим определение значений В/Ц, при которых прочность приобретает экстремальное значение возможно лишь в том случае, если практически не нормируется показатель удобоукладываемости и возможно уплотнение жестких смесей.
Оптимизация структуры бетона с целью минимизации расхода цемента при достижении заданных значений прочности и удобоукладываемости в т.ч Vц.к:Vз и Vп:Vщ (Vп и Vщ - объемы мелкого и крупного заполнителей) обеспечивается как при возможном увеличении В/Ц за счет, например, технологических приемов увеличения степени гидратации цемента (повышение активности цемента, введение ускорителей твердения и др.), так и при уменьшении В (введение пластификаторов, подбор зернового состава заполнителей, уменьшения Кн.г и др.) при В/Ц=const.
Для определения В/Ц по уравнению (2.6) необходимо знать максимально достижимую прочность цементного камня Rц* и его В/Ц* обеспечивающее эту прочность. Применение этих нестандартизованных параметров существенно усложняет процедуру проектирования составов, и не всегда уточняет значение В/Ц.
Включение цементного камня в ряд бетонов можно было бы оправдать представлениями теории "микробетона" В.Н.Юнга. Однако удельная поверхность негидратированных зерен в цементном камне, выполняющих роль "заполнителей", а, следовательно, и поверхность раздела фаз цементного камня, как минимум, на порядок выше чем у обычных растворов и бетонов. Это должно обусловливать принципиальное различие в свойствах микро- и макрокомпозитов, к которым можно отнести соответственно цементный камень и бетоны (растворы) на его основе
Прочность цементного камня характеризует в основном когезионную прочность цементного клея в бетоне. Однако нельзя не учитывать влияние на прочность бетона адгезии цементного камня к заполнителям. По данным К.И. Александера прочность цементного камня составляет лишь 2/3 прочности бетона, а прочность на отрыв в контакте 1/3. По данным С.С.Гордона [46] для бетонов низких марок более половины общей прочности дает сцепление. Рост сцепления достигается в первую очередь сближением цементных зерен с заполнителями, чему способствует снижение В/Ц.
С учетом физического подобия сравниваемых конгломератов в формулу прочности бетона (2.6) предпочтительно вместо прочности цементного камня R* вводить стандартизованный показатель активности цемента Rц. При этом однако следует учитывать, что В/Ц стандартного цементно-песчаного раствора определяется необходимым расплывом конуса. Экстремальный характер зависимости прочности раствора от В/Ц возможен только тогда, когда этого ограничения нет.
Рассматривая бетоны как композиционные материалы с матрицей из цементного камня и диспергированными в ней полидисперсными заполнителями, можно выделить определенные соотношения физических параметров или критерии, которые будут практически одинаковы при одной и той же технологии для бетонов одного структурного типа. В этом заключается общее правило структурного подобия бетонов, согласующееся с первой теоремой классической теории подобия. Под термином "критерий подобия" в теории подобия понимается безразмерный параметр, включающий сочетание физических величин, имеющий одинаковое значение для подобных объектов.
Учитывая вероятностный характер закономерностей, определяющих формирование технических свойств бетона, структурное подобие бетонов является статистическим видом подобия.
C данным правилом согласуются закон прочности конгломератов оптимальных структур теории ИСК и ряд других закономерностей бетоноведения. В рамки этого правила вписывается и основная закономерность, определяющая прочность бетона – правило (закон) В/Ц.
В соответствии с классической теорией подобия критерии подобия должны быть получены анализом дифференциальных уравнений исследуемых объектов. Составление дифференциальных уравнений, описывающих свойства бетонных смесей и бетона, затрудняется многообразием и сложным характером взаимодействий факторов, участвующих в синтезе свойств. Поэтому, при определенных допущениях роль критериев структурного подобия могут выполнять структурные параметры, однозначно связанные с той или иной группой свойств.
Для тяжелых бетонов однозначно связанными между собой параметрами "при прочих равных условиях" являются прочность (Rб) и цементно-водное (или водоцементное) отношение (Ц/В). Нетрудно показать, что Ц/В характеризует при постоянной степени гидратации цемента отношение объема гидратированного цемента к объему пор цементного камня в бетоне. Как указывалось ранее, многочисленными исследованиями показано, что этот параметр оказывает решающее влияние на прочность тяжелого бетона.
Также как и прочность, морозостойкость бетона определяется многими факторами, характеризующими его структуру, состав, технологию производства и условия эксплуатации. К настоящему времени признано, что структура морозостойкого бетона отличается, прежде всего, рациональным соотношением объемов условно-замкнутых пор, заполненных газовой фазой, и, открытых пор, насыщаемых водой. Важное значение имеет также "фактор расстояния", показывающий распределение условно-замкнутых пор в цементном камне. Наиболее благоприятные значения "фактора расстояния" характерны при эмульгировании воздуха в бетонной смеси добавками ПАВ.
Уравнение подобия структур морозостойких бетонов позволяет, как прогнозировать критическое число циклов F при известных составах бетона, так и в совокупности с другими количественными зависимостями (для прочности бетона, его водопотребности и др.) проектировать состав бетона с заданной морозостойкостью.
На практике, зная критическое число циклов F1 и соответственно Fк1 для бетона некоторого эталонного состава можно находить значение показателя F для других составов на постоянных материалах из условия.
Одним из определяющих технологических свойств бетонных смесей является удобоукладываемость, характеризуемая показателями подвижности и жесткости. Прогнозирование удобоукладываемости и расчет водопотребности бетонных смесей осложняется большим числом влияющих факторов. Предложенные эмпирические уравнения имеют, как правило, ограниченную применимость, не учитывают влияние структурных особенностей или не предназначены для решения задач проектирования составов бетона.
Известно, что структурным параметром, однозначно связанным с удобоукладываемостью бетонных смесей при Ц/В=const, является условная средняя толщина слоя цементного теста на зернах заполнителя. Однако с увеличением Ц/В возрастает вязкость цементного теста в бетонной смеси и при некотором его критическом значении, несмотря на то, что , влияние Ц/В на подвижность и жесткость становится превалирующим. Структурно-механические свойства цементного теста в бетонной смеси в значительной мере определяются также его нормальной густотой (Кн.г), на величине которой сказываются химико-минералогический и вещественный состав цемента, его дисперсность и другие факторы.