О компьютерном бетоноведении

Необходимость разработки компьютерного материаловедения очевидна.Однако на современном этапе эти работы можно отнести к разряду абстрактно-обобщенногоподхода с отсутствием какой-либо конкретики применительно хотя бы к однойотрасли строительного производства. Примером может стать экспериментально-статистическоемоделирование, пропагандируемое В. А. Вознесенским [2], которое действительномогло бы быть элементом компьютерного материаловедения, но пока не стало. Исейчас это всего лишь объединенные в единое целое калькулятор, кульман и пишущаямашинка. Нельзя бесконечно оптимизировать и принимать за истину результат, всостав которого входят две группы факторов: переменные и постоянные. Переменныеотражены в математической модели, а постоянные — нет. Вклад же постоянныхфакторов в результат (отклик) зачастую значительно больше, чем переменных. Ноони в формуле модели не отражены и ускользают не только от технологическогоанализа, но и от объективной оценки результата опытов. К тому же нельзя вводитьв базовый состав хотя бы один новый компонент и механически, не учитывая егосовместимость (структурную, химическую и др.) с остальными компонентами. К внедрениюв компьютерное материаловедение статистического моделирования приведет толькоучет исключительно всех составляющих строительного материала. А до этих пор, какимибы безграничными ни казались его возможности, статистическое моделирование даетстоль общие закономерности, что применить их на практике невозможно.

Второйпуть «абстрактного» компьютерного материаловедения — использование компьютера дляобеспечения долговечности бетона на разные сроки. В [4] долговечность бетона оцениваетсяпо степени его выщелачивания и прогнозируется сроком до 400 лет. Химикам нельзятолько «паразитировать» на «слезах» бетона (выщелачивании), а надо искать путисохранения щелочности среды для предотвращения коррозии арматуры за стольдлительные сроки. К тому же выщелачивание идет с поверхности бетона, и этоявление не отражает сути глубинных процессов. Долговечность бетонаобеспечивается, прежде всего, выбором качества исходного сырья и, практическина всё время эксплуатации (особенно в метростроении), гидроизолирующимиматериалами, о чем умалчивают работы.

Втехнологии бетона практически всё поставлено на эмпирическую основу, к которойуже после находят основу теоретическую. И даже эмпирически мы подошли кнеобходимости работать с бетоном на наноуровне. В настоящее время строительноематериаловедение развивается от макро- к микро-, нано-, фемто- уровням.Представляется логичным развивать отрасль науки о создании твердого вещества(бетона), начиная от атома, иона. При этом от исследователя наночастиц требуетсявыявлять их основные функциональные особенности, совместимость (сродство) сдругими компонентами, их количественную и качественную роль в создании твердоговещества (бетона).

Полагаем, что истоки компьютерного материаловедения должны находиться науровне нанотехнологии. И именно от нее нужно идти к макротехнологии. А чтобыуйти от излишнего обобщения, будем говорить о технологическом подходе ккомпьютерному бетоноведению (а не материаловедению в целом). Нужно познать бетон(основной строительный материал) «изнутри»: от атома к изделию, от теоретическогоподхода к эмпирическому.

В исследованиях за основу принят системный подход на базе работ [3, 5].Результаты расчетов выборочно приведены в табл. 1.

№	Показатель	Величина
Система «Лигносульфонат — вода затворения»
9	Толщина водной прослойки между двумя расположенными рядом молекулами ЛСТ, мкм	2
10	Фактическая концентрация водного раствора ЛСТ, %	0,45
Система «Микрокремнезем — раствор ЛСТ»
14	Количество воды, поглощенное зернами МК, л	17
16	Отношение свободной воды затворения к массе цемента	0,41
20	Количество слоев Н2О на одном зерне МК, шт.	2052
23	Количество ЛСТ на одном зерне МК, шт.	2260
25	Расстояние между двумя расположенными рядом зернами МК, мкм	1,2
27 (43)	Количество воды затворения на водопотребность зерен П (Щ), л	24 (22)
Система «Заполнитель — суспензия»
37 (48)	Толщина слоя Н2О на каждом зерне П (Щ), мкм	0,13 (143)
38 (51)	Толщина молекул ЛСТ на каждом зерне П (Щ), мкм	0,03 (1)
39 (55)	Толщина зерен МК на каждом зерне П (Щ), мкм	1,1 (506)
41	Расстояние между двумя расположенными рядом зернами, мкм: – песка	2,54
57	– песка и щебня	399
58	– щебня	794

Таблица 1.Теоретический расчет материального баланса между водой, добавками изаполнителем из расчета на 1 м3бетона

Изучение системы «ЛСТ — Н2О» свидетельствует о дискретномрасположении молекул лигносульфоната технического (ЛСТ) в среде водызатворения. В действительности возможна их флокуляция, спутывание, образованиеклубков и т. п. Фактическая концентрация водного раствора равна 0,45, но этотпоказатель мало о чем говорит, так как пока не установлена связь раствора ствердыми компонентами. Но уже четко ясно, что мы имеем дело не просто с водой,а с раствором ЛСТ, то есть модифицированной водой затворения. В системе «микрокремнезем— раствор ЛСТ», по данным [1], микрокремнезем (МК) впитает в среднем 70 %раствора ЛСТ от своей массы.

При этом неизвестно, каков размер пор МК и произойдетли внедрение в них молекул ЛСТ. Неясно также, нужно ли, чтобы молекулы ЛСТ поглощались.Может быть, они более ценны для зерен цемента (Ц) в последующем. Не выяснено,как взаимодействуют МК и ЛСТ и надо ли, чтобы зерна МК покрывались молекуламиЛСТ, то есть стоит ли вводить МК в состав воды затворения и сразу его консервировать.Возможно, сначала нужно смешивать воду с МК, а затем добавлять ЛСТ.

Присутствие МК превращает раствор ЛСТ в суспензию.Совершенно очевидно, что вязкость суспензии будет отлична от вязкости воды. Итем более на этом этапе о воде затворения можно говорить только условно. Однакоотношение свободной воды затворения в данной системе составляет 0,41. При этомсуммарная поверхность зерен МК в 4 раза больше суммарной поверхности зерен цемента.Это не может не изменить вязкость системы. Большое количество слоев раствораЛСТ на зернах МК также говорит о дискретном размещении последних.

Показатели системы «заполнитель — суспензия МК» рождают большевопросов, чем ответов. На данном этапе речь должна идти о смачивании кварцевогопеска (П) и гранитного щебня (Щ), а не об их водопотребности, как принято по Ю.М.Баженову. Потому и толщины слоев молекул ЛСТ и зерен МК на зернах заполнителяотличаются на несколько порядков, что крайне сомнительно. Есть ли смыслрасходовать ЛСТ и МК для покрытия зерен П и Щ в количестве до сотен микрон? Сдругой стороны, суммарная поверхность зерен заполнителя составляет всего лишь 5% от суммарной поверхности зерен Ц и 1,6 % от суммарной поверхности Ц+МК. Либо этимможно пренебречь, либо — раздельно готовить цементное тесто с добавками МК иЛСТ. В данной системе заполнитель поглощает 46 л суспензии. Количествосвободной воды для смешивания с зернами цемента будет меньше: В/Ц=0,31.

Значительные расстояния между двумя расположенными рядом зернамитвердых компонентов свидетельствуют о преимуществе сил гравитации (тяжести) надсилами взаимного притяжения. Так, силы тяжести зерен П равны 0,02 Н, а силывзаимного притяжения между зернами П и МК — 424•10–20 Н, а между Щ иМК — 270•10–7 Н. Это подтверждает наши теоретические предположения[3] о роли сил гравитации в упорядочивании структуры бетона.

Данные о системе «цемент — суспензия МК» (табл. 2) показывают,какое количество других составляющих бетона приходится на 470 кг цемента.

№	Показатель	Величина
59	Вода затворения зерен цемента, л	147
60	Фактическое В/Ц	0,31
61	Содержание в воде затворения, шт.: – молекул Н2О	123•1026
62	– молекул ЛСТ	700•1019
63	– зерен МК	285•1016
64	Суммарная поверхность зерен цемента, м2	197 400
65	Количество зерен цемента в 1м3 бетона, шт.	157•1014
66	Расход на одно зерно цемента, шт.: – молекул Н2О	783•109
67	– молекул ЛСТ	446•103
68	– зерен МК	182
69	Количество слоев на одном зерне цемента, шт.: – молекул Н2О	37
70	– молекул ЛСТ	4
71	– зерен МК	2
72	Толщина слоев на одном зерне цемента, нм: – молекул Н2О	103
73	– молекул ЛСТ	35
74	– зерен МК	3640
75	Суммарная толщина слоев Н2О+ЛСТ+МК на каждом зерне цемента, мкм	0,38
76	Расстояние между двумя расположенными рядом зернами цемента, мкм	0,76

Таблица2. Результаты расчетасистемы «цемент — суспензия МК»

При выбранном нами методе расчета трудно сказать достаточно ли длякаждого зерна Ц материалов (№№ 69, 70, 71). Количество слоевисходного сырья на зернах Ц во много раз меньше, чем на зернах заполнителя (№№ 37–39).Здесь принят усредненный размер зерен Ц, не вступивший в реакцию. Это стартовоесостояние. Расчет пригоден только для принятой последовательности (Н2О— ЛСТ — МК — П — Щ — Ц) приготовления смеси.

Возникает масса вопросов: чему равны оптимальные расходы Н2О,ЛСТ и МК для покрытия зерен цемента разного диаметра? какие химические реакции проходятв каждой системе? каковы количество и качество новообразований? и другие.

Какие задачи может решить нанотехнология в бетоноведении?

1. Целенаправленное, разумное химико-технологическое проектирование составабетона от атома и молекулы до изделия с заданными физико-техническимисвойствами; повышение точности преобразования минералов цемента и возникновенияновообразований; компьютеризация этих процессов.

2. Уход от эмпирических и переход к теоретическим основам решения материаловедческихпроблем. Именно нанотехнология обнажает массу нерешенных материаловедческихпроблем и приводит к научным основам их решения.

3. Максимальное использование функциональных возможностей ивзаимодействий компонентов бетона (добавок, минералов, воды и др.); понимание механизмаих действия.

4. Определение количественных характеристик и изучение свойств важнейшихновообразований бетона.

5. Управление свойствами бетонных смесей, процессами твердения бетона исоздание тех условий твердения, при которых нужные новообразования возникнут внужном количестве, а следовательно, будет получен бетон с заданными свойствами;повышение однородности внутри- и межпартионных свойств бетона.

6. В макротехнологии бетона каждый предыдущий технологический передел(приготовление, уплотнение и др.) должен обеспечивать максимально успешнуюработу последующего.

На данном этапе компьютерное бетоноведение заключаются в том, что,после выбора качества (в зависимости от условий эксплуатации и др.) иколичества исходного сырья (ЛСТ, МК и др.) по методу абсолютных объемов, ведетсякомпьютерное научное моделирование на молекулярном уровне с целью уточненияфизико-химической взаимосвязи (совместимости, синтеза) компонентов бетона.

Работас бетоном на уровне нанотехнологии, с одной стороны, выявляет большоеколичество нерешенных вопросов, с другой — вызывает уверенность в правильностиподхода к научному созданию бетона заданных качеств, в более высокой (посравнению с современными методами) точности проектирования состава шихты длябетона. Компьютерное бетоноведение начинается после выбора исходных материалов(в перспективе и этим будет заниматься компьютер) для определенных условийэксплуатации. Системный подход, выявляющий взаимосвязь компонентов ипозволяющий применить для этой цели компьютер, — это и есть началокомпьютерного бетоноведения.

Продолжениеследует.

Литература:

1. Бабушкин В. И. и др. Термодинамика силикатов. — М.:Стройиздат, 1972.

2. Компьютерное материаловедение и обеспечениекачества. — Одесса: Астропринт, 2006.

3. Кучеренко А. А. О механизме пластификации бетонныхсмесей // Вестник ОГАСА. — 2007.

4. Плугин А. Н. и др. Проектирование долговечностиконструкций и сооружений из бетона на основе физико-химических моделей. — М.:Стройиздат, 1972.

5. Фисенко В. А. Микрокремнезем как активнаяминеральная добавка // Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков:Колорит, 2005.