Многопараметричекое проектирование составов бетона

В статье рассмотрены принципы развития теории проектирования составов бетона с комплексом требуемых свойств (многопараметрического проектирования составов бетона). Развитие теории многопараметрического проектирования составов бетона возможно в результате создания новых прогностических зависимостей, связывающих показатели свойств с параметрами структуры и состава и позволяющих учитывать значительное число дополнительных факторов, модифицирования известных в бетоноведении расчетных зависимостей с целью увеличения их «разрешающей способности». Практическим выходом развития теории многопраметрического проектирования составов бетона является создание системы алгоритмов проектирования составов бетона различных специальных видов и на их основе компьютерных систем для расчета и управления составами бетона с комплексом требуемых свойств.

Бетон в конструкциях и сооружениях работает в условиях сложного воздействия различных факторов, его эффективность и надежность в значительной мере зависит от принятых составов бетонных смесей, обеспечивающих комплекс необходимых технических свойств. В настоящее время успешно применяется на практике расчетно-экспериментальное проектирование составов бетона с нормируемыми показателями прочности. Вместе с тем, при всей важности прочности бетона как одного из решающих конструктивных свойств, его долговечность и функциональная эффективность далеко не всегда однозначно определяются лишь прочностью, что обуславливает актуальность проблемы проектирования составов бетона с комплексом требуемых свойств (многопараметрического проектирования составов).

Многопараметрическое расчетно-экспериментальное проектирование составов, как и традиционное, основывается на известных базовых закономерностях бетоноведения (закон или правило В/Ц, правило постоянства водопотребности, оптимального содержания песка и др.), однако требует их модифицирования для решения более сложных задач.

Как известно, правило В/Ц справедливо при определенных ограничениях для тяжелых бетонов и не учитывает пористость и другие особенности заполнителей. Исходя из общей физической гипотезы о решающем влиянии на прочность бетона отношения объема гидратированного цемента к общему объему пор [см. Большаков В.И., Дворкин О.Л. Правило водоцементного отношения и свойства бетона. // Новини науки Придніпров'я, №1, 2003. С. 55–60; Powers T. Structures and Physical Properties of hardened Portlandcement paste. // J. Amer. Ceram. Soc., 41, 1958. Рр. 18–26; Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.], нами предложено правило, констатирующее однозначную связь прочности с «приведенным Ц/В» (правило «приведенного Ц/В»), учитывающее наряду с цементно-водным отношением влияние объема пор, обусловленных заполнителями и вовлеченным воздухом, а также возможность частичной замены цемента активными добавками:

, (1)

где Vвх – объем воздуха, находящийся в бетонной смеси; Д – расход добавки, кг/м3; Кц.э – коэффициент цементирующей эффективности или «цементный эквивалент» 1 кг добавки [см. Смит А.Э. Современный подход к применению золы-унос в бетоне. // Технология товарной бетонной смеси. М.: Стройиздат, 1981. С. 18–24]; Пз – пористость заполнителя; Vз – абсолютный объем пористого заполнителя, л/м3.

Разновидностью «приведенного» цементно-водного отношения можно считать параметр Z [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. О едином физическом подходе к проектированию составов тяжелых и легких бетонов. // Бетон и железобетон, №6, 2003. С. 13–16]:

, (2)

где Vц – абсолютный объем цемента ; В0 – расход воды в л/м3, необходимый для достижения заданной удобоукладываемости смеси за вычетом воды, поглощенной пористым заполнителем.

Однозначная связь прочности бетона с «приведенным Ц/В» справедлива как для тяжелых, так и для легких бетонов, а также бетонов с активными добавками, она позволяет выполнять расчет их составов по физически обоснованным алгоритмам [см. Дворкин О.Л. О едином физическом подходе к проектированию составов тяжелых и легких бетонов. // Бетон и железобетон, №6, 2003. С. 13–16].

Обработка справочных и экспериментальных данных, полученных при испытании широкого диапазона составов, помогла выявить линейные зависимости прочности керамзитобетонов от «приведенного Ц/В» [см. Дворкин О.Л. О едином физическом подходе к проектированию составов тяжелых и легких бетонов. // Бетон и железобетон, №6, 2003. С. 13–16]:

, (3)

где А=1,7; Пк и Wк0 – соответственно пористость и объемное водопоглощение пористого заполнителя; Vк – объемное содержание пористого заполнителя в бетонной смеси, л/м3.

Дополнительное увеличение «разрешающей способности» расчетных зависимостей прочности может достигаться введением мультипликативных коэффициентов, интегрирующих влияние ряда факторов, учитывающих условия твердения, химические добавки и др. [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. Ровно: РДТУ, 2001. 121 с.].

Выражение мультипликативного коэффициента рАі можно представить в виде:

рАі = А А1…Аi…Аn, (4)

где Аi – коэффициент, учитывающий дополнительное влияние на выход прочности i-го фактора (i=1…n). Коэффициент А можно находить по данным [см. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов. М.: Стройиздат, 1975. 272 с.; Сизов В.П. Проектирование составов тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1980. 144 с.].

Для определения Ц/В, обеспечивающего прочность бетона в 28-суточном возрасте, удобно использовать общую формулу прочности бетона [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. Ровно: РДТУ, 2001. 121 с.]:

. (5)

Обычная технологическая информация позволяет учесть в мультипликативном коэффициенте, кроме основного коэффициента, определяемого с учетом системы поправок, до 2...3 дополнительных коэффициентов Аi.

Статистически обработаны известные экспериментальные данные НИИЖБа [см. Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения бетона. М.: Стройиздат, 1964. 346 с.], получены расчетные зависимости выхода прочности от температуры и длительности твердения (Аt,t), а также при использовании противоморозных добавок. Эти зависимости предлагается использовать в алгоритмах расчета составов бетона для зимнего бетонирования и в условиях сухого жаркого климата.

Ниже приведены уравнения, полученные нами статистической обработкой экспериментальных данных С.А. Миронова и Л.А. Малининой [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. Ровно: РДТУ, 2001. 121 с.; Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения бетона. М.: Стройиздат, 1964. 346 с.] для бетонов:

классов В15.. ..B22,5 (М 200...300) на портландцементе М 400:

, (6)

классов В30...В40 на портландцементе М 500…М600:

, (7)

классов В15...В22 на шлакопортландцементе М 400:

, (8)

где t – срок твердения, сут; t – средняя температура бетона, 0С (t=5....40 0С).

При твердении бетона в условиях отрицательных температур и введении противоморозных добавок возможно применение формулы, полученной при статистической обработке данных ДБН В.2.7-64-97 «Правила застосування хімічних добавок у бетонах і будівельних розчинах» [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. Ровно: РДТУ, 2001. 121 с.]:

, (9)

где k1, k2, k3 – коэффициенты, учитывающие вид добавки и ее концентрацию, kц – коэффициент, учитывающий вид цемента.

Таблица 1

Значения коэффициентов в формуле (9)

Примечание: 1. НН – нитрит натрия, ХК – хлорид кальция, ХН – хлорид натрия, ННХК – нитрит-нитрат-хлорид кальция, П – поташ, ННК – нитрит-нитрат кальция, НКМ – нитрат кальция с мочевиной, М – мочевина (карбамид). 2. kц – коэффициент, характерный при применении портландцемента марки М400.

Принятая в настоящее время методология расчетно-экспериментального проектирования составов предполагает нормальное твердение бетона. Применение ее в условиях тепловлажностной обработки требует обоснования соответствующих прогностических зависимостей для прочности бетона с учетом влияния температурного фактора и режимных параметров твердения [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. Ровно: РДТУ, 2001. 121 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона с заданными свойствами. Ровно, РГТУ, 1999. 202 с.; Кайсер Л.А., Чехова Р.С. Цементы и их рациональное использование при производстве сборных железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1972. 80 с.].

Нами экспериментально обоснована возможность использования для расчета прочности бетона, подвергаемого тепловлажностной обработке, линейной зависимости [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкін О.Л. Методика розрахунку складів пропарених бетонів. // VІ Міжнародна наукова конференція «Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля». Львів-Кошице-Жешув: Збірник матеріалів конференції. Львів, 2001. С. 417–422]:

(10)

где рК=КК1К2К3…Кn – мультипликативный коэффициент, учитывающий влияние различных факторов на прочность пропаренного бетона (К – базовый коэффициент, характеризующий влияние ; К1 – коэффициент, зависящий от удобоукладываемости бетонной смеси; К2 – коэффициент, учитывающий влияние особенностей заполнителей пропариваемого бетона; К3 – коэффициент, учитывающий рост прочности при введении ускорителей твердения); – активность цемента в условиях принятого режима пропаривания.

Предложены расчетные формулы для определения и переходного коэффициента от стандартной активности цемента к активности после пропаривания [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкін О.Л. Методика розрахунку складів пропарених бетонів. // VІ Міжнародна наукова конференція «Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля». Львів-Кошице-Жешув: Збірник матеріалів конференції. Львів, 2001. С. 417–422]. Совокупность полученных количественных зависимостей позволяет решать задачи прогнозирования прочностных показателей и расчета Ц/В при различных значениях длительности и температуры твердения с учетом особенностей исходных материалов и последующего твердения после тепловлажностной обработки.

Особенности влияния заполнителей на свойства бетона требуют анализа В/Ц с учетом распределения воды между цементным тестом и заполнителями:

, (11)

где В1/Ц – водоцементное отношение цементного теста в бетоне, складывающееся к моменту определения водопотребности заполнителей («истинное» В/Ц); В2/Ц – водоцементное отношение, обусловленное водой (В2), иммобилизованной заполнителями:

, (12)

где Вп и Вщ – водопотребность соответственно мелкого и крупного заполнителей; П и Щ – расходы мелкого и крупного заполнителей.

Для характеристики водоиммобилизирующего влияния заполнителей в бетонной смеси различными научными школами предложены существенно отличающиеся между собой показатели: коэффициент смачивания [Ахвердов И.Н. Теоретические основы бетоноведения. Мн.: Вища школа, 1991. 188 с.; Элбакидзе М.Г. Фильтрация воды через бетон и бетонные гидротехнические сооружения. М.:Энергия, 1974. 145 с.] и водопотребность заполнителей [Грушко И.М., Ильин А.Г., Чихладзе Э.Д. Повышение прочности и выносливости бетона. Харьков: Вища школа, 1986. 149 с.; Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1987. 449 с.].

Аппроксимация экспериментальных данных (рис.1) позволила получить зависимость для [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Основы теории и методологии многопараметрического проектирования составов бетона. // Матеріали 3-го науково-практичного семінара «Структура, властивості і склад бетону». Рівне, 2003. С. 4–12]:

Вп = 45,7Х-14,8Х2-25,1, (13)

где Кн.г – нормальная густота цемента; – относительный показатель увлажнения цементного теста с (В/Ц)ц.т в бетонной смеси.

При Х=0,876 показатель Вп практически равен коэффициенту смачивания, Х=1 – показателю водопотребности, определяемому по методике Б.Г.Скрамтаева, Ю.М.Баженова [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Основы теории и методологии многопараметрического проектирования составов бетона. // Матеріали 3-го науково-практичного семінара «Структура, властивості і склад бетону». Рівне, 2003. С. 4–12].

Вода, иммобилизованная заполнителями, ослабляет, прежде всего, контактную зону основных фаз бетона, что подтверждено исследованиями микротвердости растворов на кварцевом пеке (рис.2). Экспериментально показано, что в наибольшей мере увеличение отношения массы иммобилизуемой заполнителями воды к массе цемента сказывается на прочности бетона при низких значениях В/Ц цементного теста [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Основы теории и методологии многопараметрического проектирования составов бетона. // Матеріали 3-го науково-практичного семінара «Структура, властивості і склад бетону». Рівне, 2003. С. 4–12].

На основе анализа уравнений водного баланса бетонной смеси обоснованы значения характерных В/Ц бетонных смесей, определяющие их связность , область постоянства водопотребности - и начало водоотделения В/Ц> (рис.3) [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Основы теории и методологии многопараметрического проектирования составов бетона. // Матеріали 3-го науково-практичного семінара «Структура, властивості і склад бетону». Рівне, 2003. С. 4–12].

Не менее важным, чем правило В/Ц, для расчетно-экспериментального определения составов бетона является правило постоянства водопотребности, позволяющее однозначно связать расход воды с показателями удобоукладываемости бетонной смеси.

Для обоснования правила постоянства водопотребности бетонных смесей с помощью специальных реологических исследований нами было модифицировано уравнение вязкости Т.К. Пауэрса [см. Powers T. Structures and Physical Properties of hardened Portlandcement paste. // J. Amer. Ceram. Soc., 41, 1958. Рр. 18–26; Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Теоретический анализ правила постоянства водопотребности бетонных смесей. // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. Вып. 6. КАПКС. Симферополь, 2002. С. 210–214]:

, (14)

где h и h0 – вязкость смеси и исходной дисперсионной среды; К – коэффициент; j – объемная концентрация дисперсной фазы.

Нами изучено изменение вибровязкости мелкозернистой бетонной смеси методом всплывающего шарика [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Теоретический анализ правила постоянства водопотребности бетонных смесей. // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. Вып. 6. КАПКС. Симферополь, 2002. С. 210–214] в зависимости от объемной концентрации заполнителя, представленного песком с Вп=7,5% и щебнем фракции 5…10 мм в соотношении 1:2. Заполнитель смешивали с цементным тестом с различным Ц/В, для которого вязкость, в зависимости от объемной концентрации цемента, предварительно определяли на ротационном вискозиметре РВ-8М. Результаты опытов приведены в табл. 2.

После соответствующих преобразований уравнение вязкости бетонной смеси (14) имеет вид [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Теоретический анализ правила постоянства водопотребности бетонных смесей. // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. Вып. 6. КАПКС. Симферополь, 2002. С. 210–214]:

. (15)

где – коэффициент, учитывающий пустотность заполнителей; – коэффициент, комплексно учитывающий пустотность и удельную поверхность заполнителей.

Таблица 2

Экспериментальные и расчетные значения вязкости цементного теста

и бетонной смеси

Уравнение (15) аналитически подтверждает гипотетический вывод В.И.Сорокера и В.Г.Довжика о том, что «в определенных пределах изменения количества цементного теста и его вязкости взаимно компенсируют друг друга, и вязкость всей системы, а, следовательно, и удобоукладываемость, остаются неизменными» [см. Сорокер В.И., Довжик В.Г. Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона. М.: Стройиздат, 1964. 206 с.].

С изменением Ц/В до некоторого (Ц/В)кр увеличения вязкости компенсируется увеличением толщины пленки цементного теста, что способствует формированию определенной области стабильности водопотребности бетонной смеси (рис.4) [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Теоретический анализ правила постоянства водопотребности бетонных смесей. // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. Вып. 6. КАПКС. Симферополь, 2002. С. 210–214].

Было рассмотрено также аналитическое решение задачи выбора оптимального значения доли песка в смеси заполнителей (r) из условия минимизации вязкости бетонных смесей; предотвращения водоотделения и достижения заданного воздухововлечения [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. // Материалы к 43-му международному семинару – МОК 43. Одесса, 2004. С. 15–17].

Как известно, традиционная методология проектирования составов бетона предлагает нахождение оптимальной доли песка в смеси заполнителей на основе эмпирических данных, как правило, лишь из условия минимизации водопотребности бетонных смесей [см. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов. М.: Стройиздат, 1975. 272 с.; Сизов В.П. Проектирование составов тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1980. 144 с.].

Уравнение оптимального r из условия минимизации вязкости бетонной смеси учитывает необходимость достижения максимального значения толщины обмазки при заданном объеме цементного теста. Значение необходимого r для предотвращения водоотделения может быть найдено из уравнения водного баланса бетонной смеси с учетом максимально возможной водоудерживающей способности цементного теста и водопотребности заполнителей. При нормировании воздухововлечения назначаемое содержание песка в смеси заполнителей должно быть увязано с содержанием воздухововлекающей добавки и фракции песка менее 0,63 мм, а также расходом цемента и водосодержания бетонной смеси [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. // Материалы к 43-му международному семинару – МОК 43. Одесса, 2004. С. 15–17].

Актуальными для проектирования составов бетона являются задачи, учитывающие требования по долговечности бетона, морозостойкости (F), водонепроницаемости (W) и др.

Расчетно-экспериментальное прогнозирование морозостойкости бетона может быть основано на уравнениях связи критического числа циклов замораживания и оттаивания с параметрами, характеризующими соотношение резервных и открытых пор (структурный метод), а также с показателями физико-механических свойств бетона (физико-механический метод) [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Проектирование составов бетонных смесей для зимнего бетонирования. // Изв. ВУЗов «Строительство», №5, 2001. С. 36–39; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Прогнозирование морозостойкости бетона. // Зб. наукових праць «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди», Випуск 9. Рівне, 2003. С. 26–33].

Предложено уравнение для расчетной оценки критического числа циклов замораживания и оттаивания с учетом прочности бетона и объема вовлеченного воздуха [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Проектирование составов бетонных смесей для зимнего бетонирования. // Изв. ВУЗов «Строительство», №5, 2001. С. 36–39; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Прогнозирование морозостойкости бетона. // Зб. наукових праць «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди», Випуск 9. Рівне, 2003. С. 26–33]:

. (16)

Для исследованных бетонов А3=0,35, А1 и А2 изменяются с изменением водосодержания и соответственно подвижности смесей.

Для получения уравнения (16) были статистически обработаны результаты испытаний морозостойкости бетонов, выполненных нами на кафедре ТБВМ Украинского университета водного хозяйства и природопользования с применением импульсного ультразвукового метода (ГОСТ 26154-84*) при температуре –50 0С. В массив данных вошли 30 серий испытаний бетонов, изготовленных с применением цементов Здолбуновского и Каменец-Подольского цементных заводов, гранитного щебня и кварцевых песков с Мк 1,5…2, соответствующих требованиям ДСТУ. В качестве воздухововлекающих использовались добавки СНВ и СДО. В массив обработанных данных вошли результаты определения морозостойкости бетонов достаточно широкого диапазона составов (Rсж=15…40 МПа, В=140…220 л/м3, Vвх=0,8…6,5 %) [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.].

Выполнена статистическая оценка эффективности прогноза морозостойкости бетона различными экспериментальными методами. С учетом высокой изменчивости критического числа циклов как показателя морозостойкости доказано, что существующая градация марок, характеризующих данное свойство бетона, является недостаточно обоснованной [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Проектирование составов бетонных смесей для зимнего бетонирования. // Изв. ВУЗов «Строительство», №5, 2001. С. 36–39; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Прогнозирование морозостойкости бетона. // Зб. наукових праць «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди», Випуск 9. Рівне, 2003. С. 26–33]:

Предложено деление бетонов на 4 класса по морозостойкости в соответствии с характерными условиями их эксплуатации:

1 – умеренной (F50…F150);

2 – повышенной (F150…F300);

3 – высокой (F300…F500);

4 – особо высокой морозостойкости (F>500).

Показана возможность расчетного определения В/Ц необходимого для обеспечения требуемых марок бетона по водонепроницаемости при нормировании относительного водосодержания цементного камня в бетоне с учетом объема воды, иммобилизованной заполнителями (Вп, Вщ) [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчеты составов гидротехнического бетона. // Изв. ВУЗов «Строительство», №11, 2000. С. 61–65]:

, (17)

где (В/Ц)w – В/Ц из условия нормируемой водонепроницаемости (W); r – объемная доля песка в смеси заполнителей; Vц.т – объем цементного теста; Х – отношение В/Ц цементного камня в бетоне к нормальной густоте цемента (Кн.г); rп, rщ – истинная плотность, соответственно мелкого и крупного заполнителей, кг/л.

Для расчетно-экспериментального прогнозирования коэффициента фильтрации бетона (Кф) предложены [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Основы теории и методологии многопараметрического проектирования составов бетона. // Матеріали 3-го науково-практичного семінара «Структура, властивості і склад бетону». Рівне, 2003. С. 4–12; Дворкин О.Л. Многопараметрическое проектирование составов бетона. // Материалы к 43-му международному семинару – МОК 43. Одесса, 2004. С. 15–17; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчеты составов гидротехнического бетона. // Изв. ВУЗов «Строительство», №11, 2000. С. 61–65]:

§ линейная зависимость, связывающая его с пористостью –

Кф = КсП28, (18)

где П28 – пористость в 28-суточном возрасте; Кс – коэффициент скорости движения воды (для W2 – Кс=2,6 .10-6; W4 – Кс=8 .10-7; W6 – Кс=4 .10-7; W8 – Кс=2. 10-7; W14 – Кс=7 .10-8 см/с).

§ зависимость в виде степенной функции: коэффициент фильтрации – прочность бетона –

, (19)

где А и m – коэффициенты, на величину которых влияют особенности составов бетонных смесей, условия и длительность твердения и т.д. Для исследованных материалов А=126, m=-7,7.

Экспериментально установлены коэффициенты, характеризующие скорость движения воды в стандартных образцах бетона, для определения водонепроницаемости при различных значениях прочности бетона и активности цемента (рис.5) [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчеты составов гидротехнического бетона. // Изв. ВУЗов «Строительство», №11, 2000. С. 61–65].

Наряду с модифицированием известных зависимостей, была обоснована возможность создания новых прогностических зависимостей, связывающих показатели свойств бетона с параметрами структуры и состава с использованием основных принципов теории подобия [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Расчетная формула прочности бетонов на основе правила подобия их структур. // Вісник РДТУ, Випуск 5(12). Рівне, 2001. С. 163–169; Дворкін О.Л. Цементні бетони подібні за морозостійкістю. // Збірник наукових праць. Вісник РДТУ. Випуск 1(14). Рівне, 2002. С. 38–44; Дворкин О.Л. О критерии структурного подобия бетонных смесей по удобоукладываемости. // Збірник наукових праць Всеукраїнськ. науково-технічн. конференції «Сучасні проблеми бетону та його технологій». Київ: НДІБК, 2002. С. 91–97].

Обоснованы уравнения структурного подобия бетонов, связывающие их прочность на сжатие, показатели удобоукладываемости бетонных смесей и морозостойкость с параметрами, практически одинаковыми для тяжелых бетонов как бетонов определенного структурного типа. В качестве таких параметров приняты для прочности – отношение объема гидратированного цемента к объему пор бетона, трансформируемое при постоянной степени гидратации в цементно-водное отношение [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Расчетная формула прочности бетонов на основе правила подобия их структур. // Вісник РДТУ, Випуск 5(12). Рівне, 2001. С. 163–169], для морозостойкости – отношение условно-замкнутых пор, заполненных газовой фазой, и открытых пор, насыщаемых водой [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкін О.Л. Цементні бетони подібні за морозостійкістю. // Збірник наукових праць. Вісник РДТУ. Випуск 1(14). Рівне, 2002. С. 38–44], для удобоукладываемости в области постоянства водопотребности – условная средняя толщина слоя цементного теста на зернах заполнителя, отнесенная к нормальной густоте цемента [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. О критерии структурного подобия бетонных смесей по удобоукладываемости. // Збірник наукових праць Всеукраїнськ. науково-технічн. конференції «Сучасні проблеми бетону та його технологій». Київ: НДІБК, 2002. С. 91–97].

Полученные уравнения связи свойство–структурный параметр, имея достаточно простую структуру, позволяют учитывать значительное число факторов. Например, для прочности бетона такое уравнение дополнительно учитывает водопотребность и другие особенности цемента, влияющие на цементно-водное отношение стандартного цементно-песчаного раствора (Ц/В)с.р для определения активности цемента [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Расчетная формула прочности бетонов на основе правила подобия их структур. // Вісник РДТУ, Випуск 5(12). Рівне, 2001. С. 163–169]:

, (20)

где Rц – активность цемента, определяемая испытанием на прочность при сжатии стандартных образцов цементно-песчаного раствора; К – коэффициент, учитывающий особенности влияния заполнителей на прочность бетона по сравнению с влиянием стандартного песка на активность цемента [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Расчетная формула прочности бетонов на основе правила подобия их структур. // Вісник РДТУ, Випуск 5(12). Рівне, 2001. С. 163–169].

Значение коэффициента К колеблется, как показали специально выполненные нами эксперименты, в зависимости от качества исходных материалов [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкин О.Л. Расчетная формула прочности бетонов на основе правила подобия их структур. // Вісник РДТУ, Випуск 5(12). Рівне, 2001. С. 163–169].

Обоснование ряда сопоставимых прогностических зависимостей свойств бетона, имеющих повышенную «разрешающую способность», позволило предложить общие схемы многопараметрического проектирования составов бетона [см. Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона. (Основы теории и методологии). Ровно: Изд-во УГУВХП, 2003. 265 с.; Дворкін О.Л. Методика розрахунку складів пропарених бетонів. // VІ Міжнародна наукова конференція «Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля». Львів-Кошице-Жешув: Збірник матеріалів конференції. Львів, 2001. С. 417–422; Большаков В.И., Дворкин О.Л. Прогнозирование морозостойкости бетона. // Зб. наукових праць «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди», Випуск 9. Рівне, 2003. С. 26–33; Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчеты составов гидротехнического бетона. // Изв. ВУЗов «Строительство», №11, 2000. С. 61–65; Дворкін О.Л., Гарніцький Ю.В. Алгоритми багатопараметричного проектування складів важкого бетону. // Матеріали 3-го науково-практичного семінара «Структура, властивості і склад бетону». Рівне, 2003. С. 66–73; Дворкин О.Л. Забезпечення тріщиностійкості бетону. // Зб. наук. праць «Будівельні конструкції», Будівництво в сейсмічних районах України. Київ, НДІБК, 2004. С. 568–571; Дворкин О.Л., Бордюженко О.М. Методы расчета составов легких бетонов. // Научно-технический сборник «Современные проблемы строительства». Донецк, 2003. С. 63–68; Дворкін О.Л. Проектування складів дорожніх бетонних сумішей для зимового бетонування. // Автошляховик України, №4, 2000. С. 10–12]. Алгоритмы рецептурных задач предлагают нахождение базовых параметров смеси: Ц/В, расхода воды, объема вовлеченного воздуха и доли песка в смеси заполнителей, обеспечивающих наиболее эффективным образом комплекс нормируемых свойств. Алгоритмы рецептурно-технологических задач дополнительно предлагают определение ряда параметр