ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ДВОРКІН ОЛЕГ ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 666.972

ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТА МЕТОДОЛОГІЇ БАГАТОПАРАМЕТРИЧНОГО ПРОЕКТУВАННЯ СКЛАДІВ БЕТОНУ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті водного господарства і природокористування (НУВГП), Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант – Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Большаков Володимир Іванович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри матеріалознавства і обробки металів, ректор.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Пунагін Володимир Миколайович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури , професор кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій;

- доктор технічних наук, професор Пушкарьова Катерина Костянтинівна, Київський національний університет будівництва та архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів;

- доктор технічних наук, професор Сердюк Василь Романович, Вінницький національний технічний університет, професор кафедри менеджменту і організації;

Провідна установа - Національний університет "Львівська політехніка", інститут будівництва та інженерії довкілля, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться 19 травня 2005 року о 13.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури, 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24 а.

Автореферат розісланий 30 березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Бетон зберігає своє значення в ХХІ сторіччі як основний конструкційний матеріал. Багаторічний досвід застосування бетону у всіх областях будівництва показує, що головною умовою його ефективності і надійності є відповідність якісних показників матеріалу особливостям роботи в конструкціях та спорудах. Всебічне урахування цих особливостей необхідне при призначенні проектних вимог і проектуванні оптимальних складів бетону, що забезпечують комплекс його необхідних властивостей – багатопараметричному проектуванні складів бетону (БПСБ). Незважаючи на те, що проблемі визначення оптимальних складів приділялася велика увага протягом усього розвитку науки про бетон, вона відноситься до числа найбільш актуальних проблем бетонознавства і в даний час.

Необхідність урахування складних експлуатаційних впливів на бетон обумовлює актуальність БПСБ поряд з розвитком традиційної методології проектування складів бетону за міцністю й легкоукладальністю. Особливо важливим є урахування комплексу нормованих властивостей для численних різновидів бетону, що працюють у специфічних умовах. В даний час для ряду з них існуючі розрахунково-експериментальні методи проектування складів неприйнятні і воно виконується лише трудомісткими емпіричними підборами.

БПСБ припускає поряд з розширенням комплексу забезпечуваних параметрів враховувати в розрахункових залежностях вплив додаткових факторів складу та технології (вид та вміст добавок, температура твердіння, параметри режиму твердіння й ін.).

Рішення складних задач проектування складів бетону на сучасному етапі розвитку технології забезпечується можливостями комп'ютеризації інженерної практики, засобами автоматизованих систем керування технологічними процесами.

Науковою базою БПСБ є фундаментальні закономірності бетонознавства, що визначають взаємозв'язки властивість-структура-склад бетону. Для його розвитку необхідні теоретичний аналіз і модифікування відомих закономірностей з позицій можливості їх використання для розрахунково-експериментального прогнозування властивостей бетону та проектування складів бетону з комплексом властивостей, обґрунтування нових кількісних залежностей і алгоритмів їх спільного застосування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

Дисертація підготовлена при виконанні досліджень за планами Міністерства освіти і науки по темах: І-11-РК 0103V003531 "Нові ефективні будівельні матеріали з використанням відходів промисловості та сировинних матеріалів Західно-Українського регіону та розробка системи комп'ютерних програм багатопараметричного проектування оптимальних складів бетону", І-46-РК 0198V002422 "Розробка нових в'яжучих, композиційних матеріалів на їх основі та малоцементних бетонів із застосуванням техногенної сировини".

Крім того, частина робіт виконувалася по господарських договорах з підприємствами України.

Мета і задачі дослідження. Мета даної дисертаційної роботи полягала в розробці основ теорії багатопараметричного проектування оптимальних складів бетону (БПСБ), обґрунтуванні комплексу необхідних основних кількісних залежностей та на їхній основі алгоритмів для ряду найбільш розповсюджених видів бетону.

Для реалізації поставленої мети потрібно було вирішити наступні основні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом досліджень, наведених у дисертаційній роботі, є закономірності, які зв'язують структуру, склад бетону і його властивості та методологія проектування складів бетону, що забезпечує необхідні властивості.

Предметом досліджень є способи рішення багатопараметричних задач проектування складів бетону, взаємозв'язки властивість-структура-склад бетонів, базові кількісні залежності для прогнозування властивостей бетону при проектуванні їх складів, методи оптимізаційних рішень при виборі вихідних матеріалів, добавок, складів бетону, адаптація лабораторних складів бетону у виробничих умовах.

Методи досліджень. Вся сукупність досліджень виконана з застосуванням аналітичних та експериментальних методів. Аналітичні дослідження включають критичний аналіз попередніх робіт, аналіз основних положень структурної теорії, теорії подібності, теорії композиційних матеріалів, основних теоретичних положень бетонознавства стосовно до задач БПСБ. Вони включають також статистичну обробку власних експериментальних даних і даних інших авторів.

Експериментальні дослідження виконувалися з застосуванням стандартизованих і в достатній мері апробованих методів. Для роботи характерним є широкий діапазон експериментально досліджених параметрів: показники міцності, мікротвердість, морозостійкість, коефіцієнт фільтрації й ін. Поряд зі звичайними використовували прискорені випробування (визначення морозостійкості ультразвуковим способом і ін.).

Для теоретичного обґрунтування правила постійності водопотреби бетонних сумішей виконані реологічні дослідження з застосуванням пластометрії і методу "спливаючої кульки". Для обґрунтування розрахункової залежності ступеня гідратації цементу виконані експерименти по визначенню цього параметра хімічним способом.

Експериментальні дані, отримані із застосуванням як звичайних так і алгоритмізованих експериментів, що виконані за допомогою математико-статистичних методів. Обробка й апроксимація експериментальних даних, розробка і реалізація запропонованих алгоритмів рішення основних задач виконана з застосуванням програмного комп'ютерного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів.

Сукупність наведених у дисертаційній роботі результатів досліджень дозволяє вперше системно сформулювати комплекс основних теоретичних положень багатопараметричного проектування складів бетону. Визначальні результати, що складають наукову новизну роботи наведені нижче.

§ Запропонований фізично обґрунтований спосіб прогнозування міцності важких та легких бетонів на основі методу "приведеного Ц/В", яке пропорційне співвідношенню об'ємів гідратованого цементу і пор бетону. Показано можливість значного збільшення числа факторів при проектуванні складів бетону шляхом застосування методу "приведеного Ц/В" і використання мультиплікативних коефіцієнтів.

§ Встановлено можливість розробки розрахункових залежностей на основі рівнянь подібності, що дозволяють прогнозувати легкоукладальність бетонних сумішей, міцність і морозостійкість бетону та проектувати склади бетонних сумішей.

§ У результаті теоретичного аналізу балансу розподілу води у бетонній суміші отримані вирази критичних В/Ц, що характерні для екстремальних значень міцності, нижньої і верхньої межі області постійності водопотреби, початку відділення води і розшарування сумішей.

§ Отримано рівняння в'язкості бетонної суміші, яке враховує вплив об'ємної концентрації цементу і заповнювачів з різної пустотністю і питомою поверхнею. Аналітично розкритий фізичний зміст правила постійності водопотреби, що полягає в тім, що у визначених межах зміна кількості цементного тіста і його в'язкості взаємно компенсують один одного й легкоукладальність бетонної суміші залишається незмінною. Встановлено кількісний зв'язок показників легковкладальності бетонній суміші і її в'язкості. Модифікований розрахунковий вираз водопотреби заповнювачів, встановлений зв'язок ії з коефіцієнтом змочування та показаний істотний вплив на цей показник відношення В/Ц цементного тіста до його нормальної густоти.

§ Запропоновано аналітичний спосіб визначення частки піску в суміші заповнювачів (r), що забезпечує оптимальні значення товщини шару цементного тіста на зернах заповнювачів і відповідно найбільш високі значення показників легкоукладальності. Показано, що постійність водопотреби в межах визначеної області Ц/В при заданій легкоукладальності може бути досягнуто лише при відповідному коректуванні параметра r з урахуванням зміни в'язкості бетонної суміші при зміні Ц/В. Запропоновані рівняння для визначення оптимальних значень частки піску в суміші заповнювачів з умов мінімальної водопотреби, а також запобігання відовіддленню та досягнення бетонними сумішами необхідного повітрявтягування.

§ Отримано комплекс нових кількісних залежностей для прогнозування морозостійкості, водонепроникності, а також міцності на стиск бетону з урахуванням впливу температурного фактора та добавок для рішення задач багатопараметричного проектування складів бетону (БПСБ), що сприяє підвищенню його надійності та довговічності.

Практичне значення одержаних результатів.

§ З застосуванням експериментально обґрунтованих залежностей між показниками властивостей бетону та різними рецептурно-технологічними факторами розроблені загальні схеми рішення задач БПСБ і алгоритми розрахунку складів дорожнього і гідротехнічного бетонів, бетонів, що піддаються тепловологісній обробці, для бетонування в зимових умовах і умовах жаркого клімату, з підвищеною тріщиностійкістю, з активними мінеральними добавками, дрібнозернистих і легких бетонів.

§ Запропоновано рішення задачі адаптування розрахункових складів бетонних сумішей для певних виробничих умов за рахунок коригування розрахункових залежностей з урахуванням результатів виробничого контролю.

§ Розроблені комп'ютеризовані системи проектування та управління складами бетонних сумішей, які дозволяють розраховувати і коректувати базові склади, виконувати статистичний контроль, кількісно оцінювати різні технологічні рішення, спрямовані на економію цементу, поліпшення якісних показників, зниження собівартості.

§ Стосовно до задач БПСБ розроблені параметри й умови ефективності техніко-економічної оцінки цементів, мінеральних добавок, хімічних добавок-регуляторів властивостей бетону.

§ Впроваджені результати експериментально-теоретичних досліджень шляхом рішення задач оптимізації складів бетону з комплексом нормованих властивостей, вибором і оцінкою ефективності цементів, мінеральних та хімічних добавок, заповнювачів бетону для ряду промислових об'єктів.

Економічний ефект від запропонованих технологічних рішень стосовно до умов Новодністровської ГАЕС і Луцького заводу ДБК склав 481 тис. грн.

Розроблена комп'ютерна система проектування і управління складами бетону. Система прийнята для експлуатації на Київському заводі ЗБВ ім. С. Ковальської.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. Виконано аналіз закономірностей теорії оптимальних структур бетону й обґрунтовані основні взаємозв'язки між параметрами структури і властивостями бетону. Розроблено загальну схему багатопараметричного проектування складів бетону (БПСБ).

Запропоновано використовувати основні теореми теорії подібності й обґрунтовані правила та рівняння структурної подібності бетонів. Досліджено базові закономірності й отримані кількісні залежності для рішення основних задач БПСБ. На основі сформульованих теоретичних положень та результатів експериментальних досліджень запропонований ряд нових алгоритмів для розрахунку складів бетону різних спеціальних видів з нормованими комплексами проектних вимог. Розроблено ряд показників для оцінки ефективності вихідних матеріалів і добавок при розрахунках складів бетону. Розроблені комп'ютеризовані системи для проектування та управління складами бетону і показана ефективність їх функціонування. Підготовлено методичні рекомендації для широкого практичного використання запропонованих розрахункових методів.

Апробація результатів дисертації

Матеріали досліджень повідомлені на 37 Всеукраїнських і Міжнародних конференціях та семінарах (Бєлгород-2002, Дніпропетровськ-2003, Запоріжжя-2003,2004, Київ (НДІБК)-2002,2003,2004, Луганськ-2004, Львів-Кошице-Жешув-2001, Мінськ-2002, Одеса (МОК)-2002,2003,2004, Пенза-2002,2003, Полтава-2004 Рівне-2001,2002,2003,2004, Сімферополь-2002, Харків-2002, IBAUSIL, Weimar (Німеччина)-2003, Olsztyn-Lansk (Польща)-2002, Zilina (Словаччина)-2001,2002), міжкафедральному науковому семінарі Київського національного університету будівництва і архітектури (2004), міжрегіональному семінарі “Проблеми сучасного матеріалознавства”, Дніпропетровськ (2004), міжрегіональному семінарі національного університету "Львівська політехніка" (2004).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладені в 71 публікаціях, у тому числі 33 у фахових виданнях. За матеріалами дисертації надруковано 4 монографії.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається із вступу, восьми розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Дисертація містить 391 сторінок, 63 рисунків, 85 таблиць. Список літератури включає 272 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність розвитку теорії та методології багатопараметричного проектування складів бетону, визначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведена загальна інформація про роботу, апробацію і кількість публікацій.

Блок-схема досліджень, включених у дисертаційну роботу наведена на рис.1.

У першому розділі виконаний аналіз стану теорії і методології проектування складів бетону, розглянутий розрахунок складів бетону як різновид задач розрахунку речовинного складу полікомпонентних сумішей, сформульовані основні напрямки досліджень.

Класична концепція розрахунково-експериментального проектування складів бетону, яка заснована на роботах Д.Абрамса, М.В.Бєляєва, М.Боломея, Р.Графа, М.Г.Малюги, Ф.Макмілана, Т.К.Пауерса, Б.Г.Скрамтаєва, Р.Фере і розвинута великим колективом вчених-бетонознавців, базується на ряді об'єктивних фізичних закономірностей і наслідках, що випливають з них або правилах: водоцементного відношення, постійності водопотреби, оптимального вмісту піску й ін.

Успіхи сучасного бетонознавства дозволяють створювати нові розрахункові залежності та збільшувати кількість врахованих факторів у відомих залежностях для прогнозування властивостей і розрахунку складів бетону. Поряд зі структурним підходом, заснованим на фізичних гіпотезах формування властивостей бетону під впливом окремих факторів, розвивається кібернетичний підхід з побудовою математико-статистичних моделей. Усе більш актуальним стає розробка задач проектування оптимальних складів бетону та управління ними як підсистем автоматизованих систем технологічної підготовки та управління виробництвом бетону і конструкцій на його основі.

Багато дослідників при розвитку теоретичних уявлень бетонознавства вирішували окремі задачі проектування складів бетону з певним набором нормованих властивостей. У цьому напрямку можна відзначити роботи І.М. Ахвердова, Ю.М. Баженова, І.М. Грушко (високоміцні, дорожні й інші види бетонів), Г.І. Горчакова, В.В. Стольнікова, А.Є. Шейкіна (бетони з заданою морозостійкістю і водонепроникністю), Л.А. Кайсера, С.А. Миронова, І.М. Френкеля (бетони, що піддаються тепловологісній обробці) і ін.

Робоча гіпотеза дисертації полягає в наступному:

1. Комплекс технічних властивостей бетону можна поділити на групи, кожна з яких однозначно визначається відповідними параметрами структури, що характеризують якісні особливості окремих його фаз і їх кількісні співвідношення.

2. Аналіз взаємозв'язків показників властивостей бетону з відповідними визначальними параметрами структури дозволяє знайти необхідні сполучення кількісних показників бетонної суміші та всебічно врахувати вплив технологічних факторів. Сукупність отриманих кількісних залежностей дозволяє вирішувати задачі прогнозування різних властивостей бетону.

В другому розділі аналізуються умови оптимальності структури і складів бетону, взаємозв'язку показників властивостей і структурних параметрів при оптимізації складів, наводяться обґрунтування рівнянь структурної подібності показників міцності і морозостійкості бетону, легкоукладальності бетонних сумішей.

Критерії оптимальності у задачах оптимізації структури і складу бетону можуть прагнути до деякого абсолютного або умовному екстремуму, а в багатокритеріальних задачах знаходяться в компромісній області.

Найбільш характерними при оптимізації структури бетону є задачі, що припускають досягнення умовного екстремуму тобто максимально (мінімально) можливого значення критерію при заданих обмеженнях (наприклад, мінімально можливої об'ємної концентрації цементного каменю при заданих значеннях міцності бетону, легкоукладальності бетонної суміші).

Мінімізація В/Ц, звичайно, необхідна, коли мета оптимізації полягає в максимально можливому підвищенні щільності бетону і відповідній зміні фізико-механічних властивостей при постійному ступені гідратації цементу. При мінімізації витрати цементу в бетонах із заданими властивостями оптимізація структури може бути спрямована на підтримку постійним або навіть збільшення В/Ц без погіршення властивостей бетонів за рахунок використання різних технологічних засобів (повітрявтягуючих добавок, наповнювачів і ін.) (рис.2).

Для оптимізаційних задач БПСБ важливими є закономірності групування різних властивостей бетону щодо визначених параметрів структури і характер зміни їх зі зміною цих параметрів.

При оптимальній структурі бетону максимально або мінімально можливі (але не обов'язково екстремальні) значення здобувають показники групи властивостей, які однозначно обумовлені тим або іншим параметром структури.

Розглядаючи бетони як композиційні матеріали, що складаються з цементного каменю та полідисперсних заповнювачів, можна виділити певні співвідношення фізичних параметрів або критерії, що будуть практично однакові при одній і тій же технології для бетонів одного структурного типу. У цьому полягає загальне правило структурної подібності бетонів, що узгоджується з першою теоремою класичної теорії подібності.

Якщо структурні критерії подібності бетонів по групах однозначно зв'язаних між собою властивостей (Рі), то для бетонів з подібними структурами, які забезпечують дані властивості, у відповідності зі сформульованим вище правилом повинна виконуватися умова:

. (1)

З огляду на імовірний характер закономірностей, що визначають формування технічних властивостей бетону, структурна подібність бетонів є статистичним видом подібності.

Для i-го і j-го складів бетону при і =j F(i):F(j)=Кп, де F(i) і F(j) – показники певної властивості; Кп - коефіцієнт пропорційності. При постійних вихідних матеріалах, умовах твердіння і технології значення коефіцієнта Кп дорівнює 1.

Відповідно до правила структурної подібності для міцності ( ) і морозостійкості (F) бетону а також осадки конуса (ОК) бетонної суміші обґрунтовані рівняння подібності:

(2)

(3)

(4)

де Ц/В и (Ц/В)с.р- відповідно значення цементно-водного відношення бетону та стандартного цементно-піщаного розчину при визначенні активності цементу (); Fк- параметр, що характеризує співвідношення резервних та відкритих, що насичуються водою, пор; РS- параметр, пропорційний середній умовній товщині шару цементного тіста на зернах заповнювача, який враховує Ц/В цементного тіста; К, а, в - коефіцієнти, що враховують особливості вихідних матеріалів.

Рівняння подібності дозволяють знайти нові прогностичні залежності для відповідних властивостей бетону. Так, з рівняння подібності міцності випливає, що:

. (5)

Значення коефіцієнта К коливається залежно від величини Rб і якості вихідних матеріалів від 0,78 до 1,27.

Відмінними особливостями розрахункової формули (5) є:

·

·

·

У третьому розділі виконаний аналіз вмісту і розподілу води в бетонних сумішах у міру їх зволоження та знайдені характерні (критичні) В/Ц на кривій , теоретично обґрунтоване відоме емпіричне правило постійності водопотреби, виконаний аналітичний розрахунок оптимального вмісту піску в бетоні з умов мінімізації в'язкості, запобігання водовідділенню і забезпечення необхідного об'єму втягнутого повітря.

У загальному випадку для бетонної суміші можна записати наступну умову:

, (6)

де - відносний показник зволоження цементного тіста з (В/Ц)ц.т і з нормальною густотою Кн.г у бетонній суміші; Вв - вільна або надлишкова вода, що забезпечує досягнення бетонною сумішшю необхідної рухливості; Ц, П і Щ – відповідно, витрати цементу, дрібного і крупного заповнювачів; Кз.п і Кз.щ – коефіцієнти змочування дрібного і крупного заповнювачів.

Отримані експериментальні дані дозволили зв'язати показники водопотреби піску та щебеню (Вп і Вщ) рівняннями регресії залежно від відносного показника Х. При Х=0,876 показник Вп практично дорівнює коефіцієнтові змочування, Х=1 - показникові водопотреби, що визначається за методикою Б.Г.Скрамтаєва, Ю.М.Баженова. При Х=1,65 цементне тісто досягає граничної водоутримуючої здатності і водопотреба заповнювача набуває практично максимального значення, що можна пояснити тим, що починається процес інтенсивного водовідділення.

При (рис.3) стає можливим досягати максимально можливу міцність та екстремальні значення інших однозначно зв'язаних з міцністю властивостей бетону. Цьому сприяє практична відсутність у бетоні при капілярної вологи й утворених нею пор.

Водоцементне відношення , де Вут – утримувана без водовідділення кількість води. є максимально можливим В/Ц, вище якого починається помітне водовідділення. У діапазоні (рис.3) справедливо правило постійності водопотреби, рухомість (жорсткість) бетонної суміші практично визначається лише водовмістом і не залежить від витрати цементу.

При значеннях бетонні суміші розшаровуються, а властивості бетону стають значною мірою невизначеними та не прогнозованими залежностями типу P=f (В/Ц), де P – показник властивості.

Реологічні дослідження дозволили модифікувати рівняння в'язкості Т.К.Пауерса:

, (7)

(де і 0 – в'язкість суміші і вихідного дисперсійного середовища; К – коефіцієнт; - об'ємна концентрація дисперсної фази) і представити його для бетонної суміші у вигляді виразу:

. (8)

де К0- коефіцієнт пропорційності; - коефіцієнт, що враховує пустотність заповнювачів (Pа.з) ; - коефіцієнт, що комплексно враховує пустотність і питому поверхню (Uз) заповнювачів, - умовна середня товщина шару цементного тіста на зернах заповнювача; Vц/VВ- співвідношення об'ємів цементу і води.

Зі зміною Ц/В до певного (Ц/В)кр збільшення в'язкості компенсується збільшенням товщини плівки цементного тіста, що сприяє формуванню певної області постійності водопотреби бетонної суміші (рис.4).

Рівняння (8) аналітично підтверджує припущення В.І.Сорокера і В.Г.Довжика про те, що “у певних межах зміна кількості цементного тіста та його в'язкості взаємно компенсують один одного і в'язкість усієї системи, а отже легкоукладальність залишаються незмінними”.

Правило оптимального вмісту піску можна розглядати як наслідок правила постійності водопотреби бетонних сумішей. Для більшості складів бетонних сумішей оптимальний вміст піску в суміші заповнювачів (rо) знаходиться з умови: rrо при Vц.т=const (Vц.т- об'єм цементного тіста), якщо б.сmin.

Розрахунок оптимального значення частки піску в суміші заповнювачів (рис.5) з умови досягнення мінімальної в'язкості бетонної суміші (або мінімальної водопотреби при сталому значенні в'язкості і відповідно легкоукладальності) як показала обробка експериментальних даних може виконуватися за формулою:

, (9)

де - частка піску, що забезпечує максимальну товщину обмазки при та розрахована з умови ; КЦ/В- коефіцієнт, що враховує зміну в'язкості бетонної суміші при зміні Ц/В та .

Розрахунок можливий при відомих значеннях об'єму цементного тіста (Vц.т), пустотності заповнювачів по відношенню до їх абсолютного об'єму (Ра.з) та питомої поверхні суміші дрібного та крупного заповнювачів (Uз Vз):

. (10)

Для литих бетонних сумішей, призначених для тонкостінних, густоармованих конструкцій, підводного бетонування і т.д. частка піску в суміші заповнювачів призначається з урахуванням запобігання водовідділенню (Ввд). З цією метою використовуються відомі емпіричні рекомендації.

Представимо рівняння для визначення кількості води, утримуваної в 1м3 бетонній суміші (Вутр) у вигляді:

, (11)

де Vц.т - об'єм цементного тіста; n і щ- густина піску і щебеню.

Тоді за умови В=Вутр можна знайти розрахункову формулу для визначення необхідної частки піску для запобігання водовідділенню литих бетонних сумішей:

. (12)

При розрахунках складів спочатку доцільно знаходити rо з умови забезпечення найкращої легкоукладальності (найменшої в'язкості) бетонної суміші, а потім при необхідності перевіряти можливість водовідділення та визначати необхідне значення . У табл.1 приведені для ряду складів бетонних сумішей значення rо й та результати експериментального визначення водовідділення.

На вибір оптимального вмісту піску в бетонній суміші може істотно впливати також необхідність забезпечити потрібний об'єм втягнутого повітря.

Вплив на r водовмісту бетонної суміші, витрати цементу, вмісту фракції піску менш 0,63 мм і повітрявтягуючої добавки для досягнення необхідного об'єму повітря в бетоні показаний за допомогою поліноміальної моделі, отриманої за факторним планом експерименту На5.

При оптимізації частки піску в суміші заповнювачів може бути використане правило постійності величини коефіцієнта заповнення порожнин та розсунення зерен крупного заповнювача цементно-піщаним розчином (Кр), яке дійсне при незмінній легкоукладальності. Показано, що дану закономірність можна розглядати як наслідок правила постійності водопотреби бетонних сумішей.

У певній області В/Ц зміною співвідношення цемент : пісок у розчинній складовій і відповідно частки піску в суміші заповнювачів представляється можливим при постійному водовмісті забезпечити задану рухомість або жорсткість бетонної суміші без зміни товщини шару розчину на зернах крупного заповнювача

Таблиця 1

Значення оптимальної частки піску для

бетонних сумішей (Кнг=0,24, Вп=7%, Вщ=2%)

№

п.п | Витрати цементу (Ц) і води (В), кг/м3 | Ц/В | Вутр,

кг/м3 | Значення rо

за Сізовим В.П. | Розрахун-кові оптимальні значення rо

та | Водовідділен-ня бетонних сумішей, %

Ц | В

1 | 350 | 200 | 1,75 | 196 | 0,39 | 0,36 / - | -

2 | 350 | 210 | 1,67 | 188 | 0,4 | 0,34 / 0,37 | 2,6 / -

3 | 350 | 220 | 1,59 | 187 | 0,41 | 0,32 / 0,49 | 2,9 / -

4 | 400 | 200 | 2,00 | 204 | 0,37 | 0,34 / - | -

5 | 400 | 210 | 1,90 | 203 | 0,39 | 0,32 / - | -

6 | 400 | 220 | 1,82 | 202 | 0,4 | 0,29 / 0,3 | 0,6 / -

7 | 400 | 240 | 1,67 | 201 | - | 0,27 / 0,54 | 3,2 / -

8 | 450 | 210 | 2,14 | 218 | 0,37 | 0,32 / - | -

9 | 450 | 220 | 2,05 | 217 | 0,38 | 0,29 / - | -

Примітки: 1. Над рискою наведені значення r з умови мінімальної в'язкості (rо) за формулою (9), під рискою з умови запобігання водовідділенню за формулою (12) ( ). 2. Над рискою наведені розрахункові значення водовідділення, під рискою експериментальні значення ("-" означає практичну відсутність водовідділення).

У четвертому розділі обґрунтовується правило "приведеного В/Ц" та заснований на ньому загальний метод проектування складів бетону як на щільних, так і пористих заповнювачах.

Експериментально показано, що зміна В/Ц при зміні водопотреби заповнювачів позначається на властивостях бетону не тільки через зміну щільності цементного каменю, але і через зміну якісної характеристики (мікротвердості) контактної зони цементного каменю та заповнювачів.

Вираз "приведеного Ц/В" (Z), на відміну від звичайного Ц/В, включає додатково умовно прирівняні ("приведені") до об'ємів води (Vв) та цементу (Vц) відповідно об'єми пор заповнювачів (ПзVз), повітря, що міститься в бетонній суміші (Vпв), а також активних мінеральних добавок, які використовуються для економії цементу :

, (13)

де - коефіцієнт "цементуючої ефективності" ("цементний еквівалент") добавок; - об'єм добавок, Пз- пористість заповнювача; Vз- об'єм заповнювачів.

Експериментально встановлений лінійний зв'язок міцності легких бетонів на заповнювачах з різною пористістю (рис.6) з "приведеним Ц/В" (Z). Отримано розрахункові формули, що зв'язують міцність керамзитобетонів з середньою густиною 800...1600 кг/м3 з "приведеним Ц/В" при використанні керамзитового гравію з насипною густиною 300...800 кг/м3.

На основі довідкових даних розраховані значення коефіцієнту "цементуючої ефективності" золи-винесення Бурштинської та Ладиженської ТЕС для бетонів класів В15...В22,5, що твердіють як в нормальних умовах, так і при пропарюванні, що відкриває можливість розрахунку складів бетонів, які містять золу.

Для бетонів з однаковою міцністю та легкоукладальністю економія цементу за рахунок введення активної мінеральної добавки може бути знайдена з рівняння:

= Кц.е.Д - (Ц/В)пр , (14)

де - зміна водопотреби бетонної суміші при введенні добавки.

Більшість запропонованих формул, що зв'язують міцність бетону з водоцементним або цементно-водним відношенням розроблено для нормальних температурно-вологісних умов твердіння бетону протягом 28 діб.

Додаткові можливості для збільшення кількості врахованих факторів в формулах міцності бетону типу в тому числі й температурно-вологісних умов твердіння створюються при використанні інтегрального коефіцієнта рА у вигляді мультиплікативного виразу:

, (15)

де А- базовий коефіцієнт, що враховує особливості вихідних компонентів; А1...Аn- коефіцієнти, що враховують вплив додаткових факторів.

В результаті статистичної обробки відомих експериментальних даних отримані емпіричні рівняння коефіцієнтів Аі, які характеризують вплив тривалості та температури твердіння бетонів на портландцементі і шлакопортландцементі (t=5...400С, =1...28 діб) Отримані також рівняння для розрахунку Аі, які характеризують значення відносної міцності бетонів при використанні розповсюджених пртиморозних добавок.

На основі експериментальних даних автора й інших дослідників запропонована система кількісних залежностей для розрахунку Ц/В бетону з заданою міцністю після пропарювання та міцністю у проектному віці. При цьому враховуються параметри режиму тепловологісної обробки і тривалість твердіння після пропарювання. Для розрахунку міцності бетону після пропарювання до Ц/В3 можливе використання лінійної залежності:

, (16)

де - активність цементу після пропарювання. При відсутності дослідних даних для розрахунку може бути використане рівняння:

, (17)

де Ке- коефіцієнт ефективності цементу при пропарюванні; - стандартна активність цементу.

Найбільш істотними факторами, що впливають на Ке, є хіміко-мінералогічний склад, вміст мінеральних добавок та активність цементу при стандартному випробуванні:

(18)

де - базове значення коефіцієнта ефективності, яке можна знайти по емпіричних формулах з урахуванням температури пропарювання та тривалості ізотермічного прогріву; КА, КD, КRц - поправочні коефіцієнти, що залежать відповідно від вмісту трьохкальцієвого алюмінату у цементі, вмісту мінеральних добавок та активності цементу.

На величину інтенсивності приросту міцності пропареного бетону при його наступному витримуванні до 1 доби найбільш істотно впливають Ц/В та тривалість ізотермічного прогріву.

При подальшому твердінні бетону інтенсивність росту міцності бетону практично не залежить від параметрів режиму пропарювання.

У п'ятому розділі викладені основи розрахунково-експериментального прогнозування та забезпечення показників морозостійкості і водонепроникності, що нормуються при проектуванні складів бетону.

Структурний метод прогнозування морозостійкості бетону ґрунтується на взаємозв'язку критичного числа циклів заморожування і відтавання з параметром, що характеризує співвідношення умовно-замкнених та відкритих пор бетону. Для його реалізації при проектуванні складів бетону необхідне використання довідкових або розрахункових значень ступеня гідратації цементу в бетоні (). Запропоновано вираз для розрахунку з урахуванням активності цементу, В/Ц і тривалості твердіння бетону.

Певна наближеність розрахункової оцінки ступеня гідратації цементу, об'єму відкритих та резервних пор зменшують прогностичну здатність структурних критеріїв морозостійкості. Для прогнозування морозостійкості бетону і проектування складів представляється доцільним використовувати рівняння зв'язку морозостійкості, міцності бетону й об'єму втягнутого повітря.

У результаті статистичної обробки результатів випробувань морозостійкості бетонів класів В12,5...В30, виготовлених із застосуванням цементів Здовбунівського і Кам'янець-Подільського заводів, отримано рівняння:

, (19)

де F- критичне число циклів; Rст- міцність бетону при стиску; Vпв- об'єм втягнутого повітря; А1, А2, А3- коефіцієнти, обумовлені водовмістом та особливостями вихідних матеріалів.

Для досліджених бетонів А3=0,35, А1 і А2 змінюються зі зміною витрати води та відповідно рухомості сумішей.

При вмісті втягнутого повітря 3...5 % морозостійкість бетону, як випливає з аналізу формули (19) (рис. 7) зростає в 3...6 разів. При цьому з підвищенням міцності бетону понад 30...40 МПа відносне збільшення критичного числа циклів, що досягається за рахунок втягнутого повітря, дещо зростає, що можна пояснити збільшенням впливу умовно-замкнених пор контракційного походження.

Поряд із об'ємом втягнутого повітря на величину критичного числа циклів істотно впливає також капілярна пористість бетону, обумовлена В/Ц та водовмістом бетону.

Алгоритм розрахунку складів при використанні формули (19) обов'язково включає перевірку можливості досягнення заданого числа циклів при нормованому значенні міцності та, при необхідності, відповідне збільшення Rст або введення втягнутого повітря.

Складний характер напруженого стану бетону в процесі випробувань на морозостійкість, що обумовлений нестаціонарністю температурного поля та зростанням кристалів льоду, сприяє суттєвій мінливості критичного числа циклів як показника морозостійкості. Використання прискорених методів у ще більшій мірі знижує статистичну надійність одержуваних результатів, оскільки на мінливість показника критичного числа циклів накладається додатково мінливість, обумовлена кореляційними зв'язками його з параметрами прискорених випробувань.

З огляду на реальні коливання критичного числа циклів при випробуваннях, існуюча градація марок бетону за морозостійкістю вимагає укрупнення. Відповідно до характерних умов експлуатації доцільно використання 4 класів бетону за морозостійкістю:

1 – помірної (F50…F150);

2–підвищеної (F150…F300);

3–високої (F300…F500);

4–особливо високої (F>500).

Використання класів бетону за морозостійкістю повинно сприяти підвищенню статистичної ефективності їх забезпечення, більш широкому використанню розрахункових залежностей при проектуванні складів бетонів.

Найпростішим способом забезпечення необхідної марки бетону за водонепроникністю є обмеження В/Ц.

Запропоновано залежно від необхідної марки бетону за водонепроникністю призначати величину Х, тобто співвідношення В/Ц цементного каменю в бетоні до величини Кн.г. Як показано в нашій роботі нормування відносного водовмісту цементного каменю в бетоні Х може використовуватися при проектуванні складів водонепроникних бетонів, якщо воно використовується для переходу до В/Ц бетону за допомогою залежності:

, (20)

де (В/Ц)w- В/Ц, що вибирається з умови нормованої водонепроникності W; r- об'ємна частка піску в суміші заповнювачів; Vц.т- об'єм цементного тіста.

Величину коефіцієнта фільтрації Кф бетону можна орієнтовно розраховувати за допомогою залежностей:

лінійної -

, (21)

або ступеневої -

, (22)

де Кш- коефіцієнт швидкості руху води, П28- пористість; Rст- міцність бетону; А і m- коефіцієнти, на величину яких впливають особливості складів бетонних сумішей, умови і тривалість твердіння.

У роботі наведені для типових складів бетону із широким діапазоном В/Ц емпіричні значення коефіцієнтів у рівняннях коефіцієнта фільтрації.

У шостому розділі обґрунтовані загальні схеми рішення задач багатопараметричного проектування складів бетону (БПСБ), наводяться алгоритми задач БПСБ для бетону, що використовується для дорожнього, гідротехнічного та інших галузей будівництва з нормованою морозостійкістю, водонепроникністю, підвищеною тріщиностійкістю, для умов підвищених та низьких температур, з активними мінеральними добавками, дрібнозернистого та легкого бетонів, приклади їх реалізації

Задачі БПСБ відрізняються від традиційних значною кількістю параметрів, які враховуються, як на "вході", так і на "виході" складних гетерогенних систем, якими є бетонна суміш та бетон. Усі задачі БПСБ можна розділити на два типи: рецептурні та рецептурно-технологічні.

Алгоритми рецептурних задач (рис.8) передбачають визначення базових параметрів суміші - цементно-водного відношення (Ц/В), витрати води (В), об'єму втягнутого повітря (Vпв) і частки піску в суміші заповнювачів (r), що забезпечують найбільш ефективним чином комплекс нормованих властивостей. Алгоритми рецептурно-технологічних задач (рис.8) передбачають визначення як базових параметрів суміші, так і параметрів технологічного процесу (температури, тривалості твердіння, режиму ущільнення і т.п.).

Реалізація алгоритмів рецептурних та рецептурно-технологічних задач можлива завдяки однозначному зв'язку групи найважливіших фізико-механічних властивостей бетону з Ц/В. У цю групу властивостей входять насамперед показники міцності, деформативні та інші властивості, обумовлені співвідношенням об'єму гідратованого цементу і пористості бетону. Для задач БПСБ правило В/Ц варто розглядати як базову закономірність, що визначає весь комплекс зазначених властивостей, а не тільки міцність при стиску.

Для бетонів з мінеральними та повітрявтягуючими добавками доцільно використовувати в якості основного рецептурного параметра "приведене Ц/В" (Ц/В)пр, що істотно збільшує діапазон використання розрахунково-експериментальних методів проектування складів бетону і розрахункових залежностей міцності бетону:

, (23)

де Кц.е – коефіцієнт "цементуючої ефективності" добавки; Vпв – об'єм втягнутого повітря.

Характерною особливістю алгоритмів задач БПСБ є урахування інтервалів можливих значень параметрів суміші, обумовлених різними нормованими показниками. Оптимізація складів бетонних сумішей у задачах БПСБ припускає звуження інтервалів параметрів суміші та зменшення необхідних значень Ц/В і В. Вибір оптимізаційних рішень проводиться з урахуванням конкретних можливостей і обмежень і спрямований на досягнення заданих умов оптимальності.

При розробці алгоритмів виконаний аналіз можливості спільного використання запропонованих розрахункових залежностей і адаптації розрахункових складів у виробничих умовах, сформульовані загальні принципи побудови та функціонування комп'ютерних систем проектування складів бетону і управління ними.

У сьомому розділі розглянуті критерії оцінки ефективності вихідних матеріалів при проектуванні складів бетону з застосуванням різних техніко-економічних показників. Виконано аналіз ефективності цементів, що випускаються ВАТ "Волинь", а також активних мінеральних добавок для золомістких бетонів.

Показано ефективність найбільш розповсюджених видів хімічних добавок у бетон з позиції відношення вартості заощаджених ресурсів до витрат на добавки. Розглянуто характерні варіанти оцінки порівняльної техніко-економічної доцільності застосування різних заповнювачів.

У восьмому розділі наведені основні результати рішення задач БПСБ для виробничих об'єктів.

Розроблена комп'ютерна система проектування і управління складами бетону (КСУБС) для монолітно-каркасного домобудівництва, яка прийнята до експлуатації Київським заводом ЗБК ім. С.Ковальської

Система дозволяє проектувати базові склади бетону із заданими властивостями, здійснювати статистичний контроль якості бетону з побудовою контрольних карт міцності й однорідності і коригування складів бетону при зміні характеристик вихідних матеріалів, істотному збільшенні коефіцієнта варіації та виході міцності бетону за попереджувальні межі, а також неприпустимих коливаннях рухомості суміші. Рішення про коригування складів приймається після загального технологічного аналізу можливих відхилень параметрів виробничого процесу від установлених регламентом, стану устаткування тощо.

Для умов будівництва Новодністровської ГАЕС і Луцького заводу ДБК при проектуванні складів бетонів з комплексом необхідних властивостей (міцністю при стиску та розтягу, морозостійкістю, водонепроникністю тощо) обґрунтований ряд оптимальних рішень, зв'язаних з вибором цементів, заповнювачів, мінеральних та хімічних добавок, переходом на безпрогрівну технологію залізобетонних виробів. Економічний ефект від реалізації зазначених рішень склав 481 тис.грн.

Розроблені автором алгоритми проектування складів бетону різних спеціальних видів ввійшли до методичних рекомендацій, підготовлених для виробничих організацій інститутом ДержДорНДІ Мінтранспорту України.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Перспективним напрямком створення нових прогностичних залежностей, що зв'язують показники властивостей бетону з його структурою і складом, є використання рівнянь подібності. Обґрунтовано рівняння структурної подібності бетонів, що зв'язують їх міцність на стиск, показники легкоукладальності бетонних сумішей та морозостійкість із певними фізичними параметрами, практично однаковими для бетонів одного структурного типу. На цій основі отримана нова розрахункова залежність для міцності бетону, яка додатково враховує водопотребу і інші особливості цементу, що впливають на цементно-водне відношення стандартного цементно-піщаного розчину для визначення активності цементу.

Показано можливість розрахункового визначення ступеня гідратації цементу при прогнозуванні морозостійкості бетону залежно від співвідношення об'ємів умовно-закритих та