Проектирование составов бетона с заданными свойствами

ПРЕДИСЛОВИЕ Проектирование составов бетона с комплексом нормируемых строительно-технических свойств является одной из основных задач технологии этого материала и конструкций на его основе. Развитие теоретических представлений и эмпирической базы бетоноведения позволяют значительно расширить традиционный подход к проектированию составов, использовать технологические расчеты для задач, ранее решавшихся только экспериментально. Такие расчеты позволяют находить не только сами составы бетонных смесей, но и оценивать пути снижения их стоимости, экономии цемента и энергозатрат, находить оптимальные решения в конкретных производственных ситуациях. Важность развития методологии технологических расчетов возрастает по мере компьютеризации инженерного труда, создания современных программных комплексов. В монографии приводится анализ основных типов задач проектирования составов бетона, дается обзор расчетных зависимостей, полученных как авторами, так и другими исследователями. Основное внимание уделяется разработке алгоритмов многопараметрического проектирования составов тяжелого цементного бетона. Приведены необходимые количественные зависимости для решения задач проектирования составов бетона с нормируемыми прочностными и деформативными свойствами, морозостойкостью, водонепроницаемостью, тепловыделением. Даются примеры решения соответствующих задач. Авторы отдают себе отчет в том, что посвятили свою работу проблеме еще далекой от достаточно полного решения, и последующий опыт будет существенно корректировать и дополнять рекомендованные и расчетные методики. В подготовке главы 4 принимал участие кандидат техн.наук Ю.В.Гарницкий. Авторы выражают признательность инж. Гордийчук Л.Ф. за техническую помощь в подготовке монографии к печати. ГЛАВА 1. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ БЕТОНА 1.1. Исходные предпосылки Для решения одной из центральных проблем технологии бетонных и железобетонных конструкций - получения изделий и конструкций с заданными свойствами - необходимо совершенствование методологии проектирования составов бетона. В литературе часто отождествляют задачи проектирования, подбора и расчета составов бетона, хотя они не всегда идентичны. Проектирование составов является более общей технологической задачей. Оно включает технические и технико-экономические обоснования, связанные с выбором исходных материалов, добавок, показателя удобоукладываемости бетонной смеси, расчетную часть, целью которой является определение рецептуры бетонной смеси при заданном критерии оптимальности, и экспериментальное уточнение расчетных составов. В настоящее время в технологической практике проектирование составов бетона осуществляется на базе достаточно большого количества методов, основанных на различных теоретических и технологических предпосылках [1-5]. Все эти методы могут успешно применяться на практике, если они решают поставленные задачи. Как показало время, стремление универсализировать методологию проектирования составов и дискуссия о предпочтительности одних подходов/над другими, оказались не конструктивными. Актуальными направлениями развития методологии проектирования составов бетона являются: - увеличение "разрешающей способности" расчетных методик, т.е. возможности более полного учета технологических факторов и проектных требований к бетону; - повышение эффективности алгоритмов расчетных методик, их точности и быстродействия. Развитие этих направлений возможно за счет реализации современных представлений бетоноведения о формировании строительно-технических свойств бетона в сочетании с системным анализом. Наиболее общий подход к проектированию составов бетона основан на количественном учете взаимосвязей типа свойство - структура - состав бетона путем анализа и совместного решения уравнений, связывающих показатели свойств бетона с параметрами его структуры. Основными предпосылками такого подхода можно считать следующие положения бетоноведения: Большинство свойств бетона являются функциями его структуры. В зависимости от характера тех или иных свойств их могут формировать преимущественно макро- или микроструктурные особенности бетона. Влияние на свойства бетона его структуры предопределяет взаимозависимость различных свойств. Каждое из свойств бетона однозначно связано с соответствующими параметрами или критериями структуры, которые учитывают качественные и количественные особенности его твердой фазы и порового пространства. Как для типичного композиционного материала структурные параметры бетона учитывают особенности его матрицы (цементного камня) и заполнителя, их взаимодействие. Направления изменения различных свойств бетона при изменении параметров структуры и факторов состава могут как совпадать, так и быть различными. Проектирование состава бетона с заданными свойствами требует учета их направленности и, во многих случаях, является задачей компромиссной. Оптимальная структура бетона - это структура, которая обеспечивает комплекс требуемых свойств при выполнении заданных условий оптимальности (минимальный расход цемента, минимальная стоимость бетонной смеси и др.). В соответствии с этим условием составы бетона могут существенно отличаться при различных условиях оптимальности. В строительно-технологической практике наибольшее распространение получили методы проектирования составов бетона с требуемой прочностью при сжатии. Это обусловлено, во-первых, тем, что при конструктивных расчетах прочность бетона является основным его параметром, и, во-вторых, предположением, что с прочностью однозначно связаны и другие необходимые свойства бетона. Последнее предположение, однако, не является достаточно общим. Действительно, с прочностью бетона при сжатии однозначно связаны многие его свойства: прочность при изгибе, растяжении, износостойкость, кавитационная стойкость и др. Однако, не является однозначной зависимость прочности и морозостойкости, прочности и ползучести и т.д. В тех случаях, когда, кроме прочности при сжатии, возникает необходимость нормирования ряда других его строительно-технических свойств, задача проектирования состава существенно усложняется. В этих случаях при существующей практике она обычно огрубляется и расчет сводится к учету ряда ограничений (чаще всего по цементно-водному отношению) без всесторонней оценки других влияющих факторов. В последние годы при решении задач проектирования составов бетона с комплексом строительно-технических свойств получила распространение методология, предполагающая использование комплекса математико-статистических уравнений, связывающих нормируемые показатели свойств бетона с совокупностью тех или иных технологических факторов [2,6]. Применение этой методологии, однако, требует значительной предварительной экспериментальной работы применительно к конкретной технологической ситуации и "привязано" к исходным условиям моделирования. Вместе с тем, в ряде случаев, например при введении добавок, применении многокомпонентных смесей, такой подход может оказаться предпочтительным. В этом случае реализуется кибернетическая концепция "черного" или "серого" ящика, а полученные уравнения регрессии рассматриваются как поведенческие модели исследуемого объекта и позволяют запроектировать его состав, обеспечивающий условия оптимальности. Рациональным может быть объединение элементов как структурного так и кибернетического подходов для решения ряда задач, учитывая недостаточную теоретическую информацию, не позволяющую предложить достаточно адекватные структурные модели для всех свойств бетонной смеси и бетона, рассматриваемых при проектировании состава.