О некоторых проблемах в проектировании состава бетона

В статье с производственной точки зрениярассмотрены проблемы проектирования состава бетона для монолитногодомостроения.

Совершенноочевидно, что бетон (и железобетон) определили архитектуру нашего века. Условияэксплуатации его разнообразны, а потому и перечень предъявляемых требованийнеимоверно велик. В ряде случаев уже практическое применение бетона(фибробетон, высокопрочный и литой бетон и др.) опережает теоретические разработки.Это относится ко всей технологии бетона и, в частности, к ее первому переделу«проектирование состава».

Внастоящее время общепризнанным считается расчетно-экспериментальный методБоломея — Скрамтаева [1]. Он базируется на фундаментальных закономерностях, вчастности — постоянстве материального баланса (сумма абсолютных объемов компонентовбетона равна 1 м3,то есть 1000 лготового плотного бетона). Эти закономерности (через ряд коэффициентов)связывают состав (исходное сырье) с прочностью бетона (конечный продукт). Нонадо учесть, что длительное время мы занимались сборным домостроением. Изделияи конструкции готовили в заводских условиях с использованием мощных средствуплотнения. Применяли жесткие и малоподвижные (с осадкой конуса до 3 см) бетонные смеси. Это невызывало особых проблем, но наложило отпечаток не только на составы бетона, нои на формулы их расчета.

Рассчитываясоставы бетонных смесей по формулам, получаем расходы крупного заполнителя впределах 0,8–0,9 м3 на 1 м3 бетона. Такие смеси относятся к тощим,«защебеночным», с относительно малым содержанием цементно-песчаного раствора. Вусловиях монолитного домостроения уплотнять такие смеси глубинными иплощадочными вибраторами трудно, а иногда (при насыщенном армировании)практически невозможно. При монолитном домостроении чаще применяются бетонныесмеси с ОК=10–25 см. И если они «защебеночные», что подразумевает и малыерасходы песка, то не только характеризуются плохой уплотняемостью, но иповышенным водоотделением. Для монолитного бетона нужны смеси «жирные», сменьшим, до 0,7–0,8 м3 на 1 м3 бетона, расходом крупногозаполнителя и повышенным расходом цементно-песчаной составляющей. ФормулыБоломея — Скрамтаева к этому не готовы и это одна из проблем проектированиясостава монолитного бетона. Добавка супер- и гиперпластификаторов делаетнеприменимой закономерность Rб = ? (В/Ц) и требует своего места вформулах расчета состава бетона.

Высокопрочныебетоны требуют более качественного исходного сырья, высокой точностидозирования и мощных средств приготовления смесей. И всё это задачи заводскогоизготовления. Сразу возникает проблема транспортировки смесей на строительнуюплощадку, так как при ОК=4–6 см автобетоновоз практически не может их выгрузить.Кроме того, когда проектируется прочность бетона выше марки цемента,расчетно-экспериментальный метод требует своих доработок. И все же, несмотря наглубину теоретического обоснования постоянства материального баланса, мы можемподобрать состав бетона с выходом только на прочность (заданную марку бетона).Сегодня этого уже мало, нужен учет специальных требований к бетону (морозостойкостьи др.).

Учетспецтребований к бетону при проектировании его состава нашел отражение в монографииО. Л. Дворкина [2]. В ней описано многопараметрическое проектирование составовбетонов разных видов, но с сохранением фундаментальных основ и закономерностейметода абсолютных объемов. Этот метод позволяет обеспечить комплекс заданныхпоказателей свойств бетона при заданных критериях оптимальности. Разработаныалгоритмы многопараметрического проектирования составов бетонов. Приведеныколичественные зависимости в области проектирования бетонов с нормируемымифизико-механическими свойствами. Изложенные основы теории и методологии, атакже компьютерное обеспечение расчетов позволяют надеяться на сдвиг в проблемепроектирования составов спецбетонов.

Втехнологии стройматериалов широко известно экспериментально-статистическоемоделирование (ЭСМ), используемое для оптимизации составов, в том числе ибетонов, в более широком диапазоне «состав — технология — свойство». ЭСМпосвящены работы В. А. Вознесенского, а более объемно и глубоко (на базе болеечем 30 докторских и кандидатских диссертаций) основы применения ЭСМ изложены вработе Т. В. Ляшенко [3]. Вряд ли в промышленности стройматериалов найдетсяисследователь, отвергающий ЭСМ. Однако недостатки его также очевидны. ЭСМ, принятоена вооружение много десятков лет назад, еще и сейчас не полностью приспособленодля применения в промышленности стройматериалов, в частности в технологии бетона.Вот некоторые из его недостатков.

Составу — материальный баланс. При поиске оптимального состава с использованием ЭСМчасть твердых компонентов (например, кг/м3: Ц — 250–310, тонкомолотаядобавка ТД — 10-60 и П — 480–600) относят к переменным факторам (Х1,Х2 и Х3). Здесь разница между минимальным (Х=–1) имаксимальным (Х=+1) уровнями факторов, то есть размах варьирования, составляет31 %. Другие составляющие этой же смеси (вода и щебень) количественнопостоянны. Если принять, что на основном уровне факторов (Х=0), объемуплотненной бетонной смеси составит 1000 л, то при минимальных расходах переменныхон составит 850 л,а при максимальных — 1150 л.Практически в каждом из 15 опытов планированного эксперимента (ПЭ) объем бетоннойсмеси разный. Это значит, что сознательно нарушается основной принцип сохраненияматериального баланса при подборе состава бетонов разных видов. Это ведет ктому, что модель У=? (Х1–3) умозрительна и ее результаты далеки отдействительности.

Составу — фактические расходы материалов. Несоблюдение материального баланса приводит к тому,что формуемый кубик объемом 1 лна основном уровне будет заполнен полностью, а на остальных — недостаток (кубикпо высоте менее 10 см)или избыток (кубик по высоте более 10 см) смеси. Также и средства уплотнения инормативные документы требуют перехода от расчетных (планируемых) к фактическимрасходам материалов. Без выполнения этого этапа неверность результатов ЭСМбесспорна. В то же время, если в каждом опыте ПЭ перейти на фактические расходыкомпонентов бетона, интервал варьирования факторов нарушится, и вся модель «зависнет»от такой перегрузки.

Внимание неучтенным факторам. В ЭСМ есть две группы факторов: переменные(планируемые) и постоянные (количественно или режимно закрепленные). Модель У=?(Х1–3) учитывает влияние только переменных факторов, то есть 100 %вклада в отклик (например, прочность бетона) дают переменные факторы. На самомделе определенная (быть может, значительно б?льшая) доля в этом же отклике принадлежитпостоянным (в модели не учтенным) факторам, которых и количественно значительнобольше, чем переменных.

Примеродной из 30 диссертаций. Оптимизируется состав бетона по 3-факторному плану.Три компонента бетонной смеси варьируются, остальные (режимы приготовления,уплотнения и тепловой обработки) постоянны для всех 15 опытов. Подвижностьбетонной смеси изменялась от 1–2 до 25 см осадки конуса. Второй отклик, прочностьбетона при сжатии, также изменялся в определенных пределах. Составляется модельRсж=? (Х1–3). Результаты этой модели условны, так как суверенностью можно сказать, что в этом случае не состав (факторы переменныеучтенные), а технология (факторы постоянные неучтенные) определяли величинупрочности бетона при сжатии. Потому что если в каждом опыте ОК смеси изменяласьот 1 до 25 см,то кардинально надо менять и технологию в каждом опыте. Так малоподвижные смесис ОК=1 см лучше готовить в бетономешалках принудительного (или длительного свободного)перемешивания, с применением мощных средств уплотнения и коротких, без предварительнойвыдержки, режимов тепловой обработки. Наоборот, смеси с ОК=25 см литые требуютбетономешалок свободного падения и коротких режимов перемешивания, без вибрирования(во избежание расслоения смеси), более длительных режимов тепловой обработкипосле 4–8 ч предварительного выдерживания перед тепловой обработкой. Здесьразмах варьирования факторов не терпит единых режимов технологии, так как водних случаях они способствуют нарушению (и даже разрушению) структурыформирующегося бетона, а в других — неэкономично длительно конструируют ее. Нооба эти случая не отражены в модели, так как они не являются переменными. Апотому модель не просто условна, но и вредна.

Составу — оптимальная технология. Каждому составу бетона отвечает только одна,оптимальная технология — режим приготовления и уплотнения смеси, тепловойобработки свежеотформованного бетона. Это тем более справедливо, что любые нормативныедокументы рекомендуют назначать эти режимы, в основном, в зависимости отрасхода цемента, водоцементного отношения и удобоукладываемости смеси. Поэтомудля каждого опыта ПЭ (их 15 или больше) необходимо устанавливать оптимальныережимы технологических переделов. Только в этом случае мы можем считать, что параметрытехнологии не оказывают влияния на отклик (прочность бетона), а влияют толькопеременные состава.

Даст ли количество нужное качество? Пересчет проектного состава бетона на фактическийпотребует 9 кубиков на один опыт, то есть 135 кубиков для всего плана (из 15опытов). А выбор оптимальной технологии для каждого опыта в приведенном примерепотребует 135 шт. для отработки режимов приготовления, 135 шт. — для отработки режимовуплотнения и 135 шт. — для отработки режимов тепловой обработки. Всего 540образцов. Подбор состава бетона заданной марки по методу абсолютных объемовтребует от 9 до 27 образцов.

Осторожно, нуль! Вызывает сомнение правильность выбора количественныхуровней факторов, когда они могут непредсказуемо оказать влияние на качествобетона. Так, бетон без добавки качественно отличен от аналогичного с добавкой(например, суперпластификатора в количестве от 0 до 1 %). Даже малое количестводобавки может резко изменить отклик и значительно раньше (рис. 1) или позже (рис.2) запланированного. И тогда факторное пространство первого интервала (рис.1) или второго (рис. 2) варьирования сместится в туили иную сторону и не будет равноценно соседнему факторному пространству.

Планируетсяизменение и подвижности бетонной смеси, например от 0 до 8 см осадки конуса. Но нуль такоепонятие, что возможен неучтенный переход в область жестких бетонных смесей сЖ=5 или 10 с (рис. 3). И опять факторные пространства двух интерваловварьирования фактически могут быть не равноценными, но по законам ПЭ считаются таковыми.Как минимум в этом случаях должны быть добавочные эксперименты точно выводящиесмесь по подвижности на нуль.

Интерпретация,достоверность результатов, «расслоение» информации, генерация случайных точек,корреляция и многое другое, в том числе и с применением синтезированных планов,всегда прекрасно удовлетворяют требованиям ПЭ. Однако всегда — с немалымколичеством технологических нестыковок, всё это делается на результатах условных,далеких от действительности, на полях свойств, которые можно назвать «полями чудес».Тенденция использования ПЭ в промышленности строительных материалов с годамирезко снижается. Виноваты в этом технологи, отстающие от статистиков ибезоговорочно верящие в то, что им дают последние.

Естьмнение, что ПЭ нам нужен для того, чтобы «расшатать систему». В технологиибетона мы имеем стройную, сложившуюся систему закономерностей: постоянствоматериального баланса, соотношение между мелким и крупным заполнителем, междуводой и цементом и т. п. И если в такую систему надо внедрить всего лишь одинкакой-то неизвестный добавочный материал, то достаточно с учетом материальногобаланса одну часть материала заменить на другую. Зачем, решая мелкие задачи,расшатывать всю систему и перетряхивать весь состав, чтобы получить опятьнеточные результаты, требующие той корректировки, которая будет произведена ибез ПЭ?

Литература:

1.Баженов Ю. М. Способы определения состава бетона различных видов. — М.: Стройиздат,1975.

2.Дворкин О. Л. Проектирование составов бетона : основы теории и методологии : монография.— Ровно.: УДУВГП, 2003.

3.Ляшенко Т. В. Поля свойств строительных материалов : концепция, анализ, оптимизация: Дисс. ... д. т. н. — Одесса: ОГАСА, 2003.