|
Анализ основных положений закона створа теории ИСК (Технологии бетонов 1-2 2010)Л.И. ДВОРКИН, доктор техн. наук, проф., О.Л. ДВОРКИН, доктор техн. наук, проф., Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина Рассматриваются технические и технико-экономические критерии оптимизации структуры и состава бетона. Фундаментальной базой бетоноведения являются теоретические представления о взаимосвязи параметров структуры и состава бетона с его свойствами. Структурная теория бетона начиная с XIX-го столетия разрабатывалась многими исследователями, однако, учитывая сложность бетона как полиструктурной физико-химической системы, непрерывно изменяющейся во времени и активно взаимодействующей с окружающей средой, она еще далека от завершения. Определенный положительный вклад в развитие структурной теории бетона внесла теория искусственных строительных конгломератов (ИСК), основы которой разработаны проф. И.А. Рыбьевым [1, 2]. К главным закономерностям теории ИСК следует отнести закон створа, утверждающий, что оптимальной структуре соответствует комплекс экстремальных значений свойств искусственных конгломератов, к которым можно отнести бетон. Отношение к этому закону различных исследователей нельзя назвать однозначным, оно колеблется от его полного признания до полного отрицания. В обоих случаях всесторонне не учитывается совокупность принимаемых исходных материаловедческих предпосылок, что часто приводит к недостаточно объективным или ошибочным выводам. Позитивное значение закона створа для бетоноведения заключается в том, что он, во-первых, констатирует объективные взаимосвязи различных свойств бетона как между собой, так и с соответствующими параметрами структуры и состава и, во-вторых, утверждает необходимость совпадения наилучших значений показателей свойств при некоторых определенных значениях структурных параметров. Вместе с тем недостаточная убедительность принимаемых в теории ИСК представлений об «оптимальной структуре» и постулирование обязательной экстремальности и совпадения экстремумов для всего комплекса свойств бетона при определенной его структуре снижают значение закона створа как общей закономерности структурной теории. В теории ИСК оптимальной называют структуру с равномерно распределенными в ней частицами (фазами, компонентами, порами и др.), низким содержанием дефектов, непрерывной прослойкой пространственной сетки матрицы затвердевшего вяжущего при минимально возможном фазовом (для бетона – водоцементном) отношении. Критерием оптимизации структуры по И.А. Рыбьеву является достижение комплекса экстремальных значений свойств. Вместе с тем существует достаточно много технических и технико-экономических критериев оптимизации структуры и состава бетона. Некоторые из них приведены в таблице. Таблица 1 Основные критерии оптимальности при проектировании составов и структуры бетона Показатель свойства (комплекса, соотношения свойств) бетонной смеси или бетона (Р i): , где Рi – подвижность бетонной смеси, прочность, морозостойкость, усадка бетона и др. Отношение показателей свойства для анализируемого бетона (Р i) и бетона эталонного состава (структуры) (Ро): . Отношение показателей свойства бетона (Рi) к удельному расходу материального или энергетического ресурса, необходимого для его изготовления (Х): , где Х - расход цемента, заполнителей, добавок, тепловой, электрической энергии и др. Продолжение табл. 1 Удельный расход ресурса (на 1 м3 бетонной смеси, конструкции, сооружения): . Отношение удельного расхода ресурса к показателю свойства бетона: . Удельный стоимостной показатель*: , где С – стоимость 1 м3 бетона, конструкции, сооружения; стоимость ресурсов; прибыль; приведенные затраты и др. Отношение удельных стоимостных показателей для анализируемого бетона и бетона эталонного состава (структуры) (С о)*: . Отношение удельных стоимостных показателей и показателей свойств (или наоборот) *: (или ). Примечание: *Критерий оптимальности рассматривается при обязательном обеспечении заданных показателей свойств. Наиболее характерными при оптимизации структуры бетона являются задачи, предполагающие достижение не абсолютного, а условного экстремума значения критерия при заданных ограничениях (например, минимально возможной объемной концентрации цементного камня при нормируемых значениях прочности бетона, удобоукладываемости бетонной смеси и др.). В теории ИСК такие структуры выделяют из оптимальных и называют рациональными. Очевидно, при правильном формулировании условий оптимальности оптимальные структуры всегда являются рациональными. Качественные признаки оптимальных структур бетона также определяются как предъявляемым комплексом требований к нему, так и условиями оптимальности. Например, для морозостойких бетонов оптимальная структура должна характеризоваться необходимым соотношением условно-замкнутых и открытых пор. Количественные значения параметров структуры бетона зависят от нормируемых показателей свойств, особенностей исходных материалов, режима твердения, добавок и др. (рис. 1).
Разнообразие возможных вариантов постановки задач оптимизации обусловливает и многообразие оптимальных структур, отличающихся качественными особенностями, количественными соотношениями основных фаз, межфазными взаимодействиями. Проектирование оптимальной структуры бетона в конечном счете достигается проектированием его оптимального состава. Однако при минимизации расхода цемента (Ц→min) и обеспечении заданных проектных показателей свойств бетона соотношение В/Ц, как правило, остается постоянным или даже может повышаться (например, за счет вовлеченного воздуха при нормировании прочности и морозостойкости бетона). При этом задачи оптимизации структуры и соответственно состава бетона реализуются за счет выбора цемента и других исходных материалов смесей с пониженной водопотребностью, введения добавок, подбора зернового состава заполнителей и др. Минимизацию В/Ц при сохранении непрерывности матричной сетки нельзя считать универсальным признаком оптимальных структур и при необходимости достижения максимального (минимального) значения показателей свойств, определяемых плотностью цементного камня. Для бетонов увеличение плотности цементного камня достигается не только при В/Ц→min, но и при В/Ц=const, когда возрастает степень гидратации цемента a. Это следует из расчетного выражения плотности цементного камня [3] Х: (1) где kг - коэффициент увеличения объема продуктов гидратации цемента, (k г=2,09…2,2); Vу.ц - удельный объем цемента (Vу.ц=1/ρц=0,319 см3/г). Изменение величины α достигается выбором вида цемента, добавок, режима твердения и др. Для ряда свойств бетона плотность цементного камня и соответственно В/Ц не является определяющим или является не единственным определяющим структурным параметром. Этот вывод иллюстрируется анализом известных расчетных зависимостей, некоторые из которых приведены в табл. 2. В задачах проектирования оптимальных составов бетона с комплексом различных свойств (многопараметрическое проектирование составов бетона) приходится учитывать, что ряд свойств бетона неоднозначно связан с прочностными свойствами и, следовательно, с В/Ц, а ряд свойств бетона определяется другими параметрами состава. Таблица 2 Расчетные зависимости свойств бетонной смеси и бетона Свойства бетонной смеси и бетона Расчетная формула Условные обозначения Удобоукладываемость бетонной смеси [4]
С - константа; В - водосодержание смеси; К - показатель степени (К »8,5) Водопотребность бетонной смеси [5] В=60+40К+0,07Sщ+ +5Вп+1,5Н.Г ОК - осадка конуса, см; Sщ - удельная поверхность щебня, м 2/м3; Вп - водопотребность песка, %; Н.Г - нормальная густота цемента, % Мера ползучести бетона [6]
К - константа; В – расход воды, л/м 3; Rсж - прочность бетона Усадка бетона [6]
mк - относительное массовое содержание цементного камня в бетоне
В своем более позднем определении закона створа И.А. Рыбьев заменил понятие «наиболее благоприятные» свойства понятием «экстремальные значения» свойств [2]. Экстремум показателей ряда свойств бетона может быть обусловлен, например, некоторым минимально возможным значением В/Ц, при котором достигается минимальная и в то же время непрерывная прослойка матричной фазы (цементного камня) на зернах заполнителя. Для бетона это возможно, как правило, лишь в тех случаях, когда не нормируется удобоукладываемость бетонной смеси, определяющая толщину прослойки цементного камня. Однако экстремальность при изменении В/Ц и объемного соотношения цементного камня и заполнителей для свойств бетона или наблюдается при определенных условиях (предельная для заданного способа уплотнения удобоукладываемость смеси и др.), или вообще не имеет места. Например, усадка бетона и его экзотермия непрерывно уменьшаются с увеличением объемного содержания заполнителей (V з). Показатели этих свойств можно рассчитать по формулам [6]: , (2) где - усадка цементного камня, мм/м; Q – экзотермия бетона, кДж/м3; q t - удельное тепловыделение цемента, кДж/кг; n - показатель степени.
При оптимальной структуре материала на одной прямой, т.е. в створе оказываются максимально (минимально) возможные при заданных условиях, но не обязательно экстремальные значения комплекса свойств, однозначно связанных (вид исходных материалов, режим твердения и др.) с определенным структурным параметром. В качестве структурных наряду с В/Ц могут выступать и другие параметры (рис. 2). Все свойства бетона, очевидно, можно сгруппировать не в один глобальный створ показателей, изменяющихся относительно В/Ц, а в некоторый ряд створов, каждый из которых объединяет свойства, определяемые соответствующим показателем структуры. Выводы: 1. Применимость закона створа требует уточнения для конкретных задач условий оптимизации структуры. 2. Наряду с водоцементным отношением при оптимизации структуры бетона необходим учет ряда других структурных параметров. Число возможных створов определяется видом структурных параметров, однозначно связанных с данной группой свойств бетона. 3. При оптимальной структуре бетона «в створе» оказываются максимально (минимально) возможные при данных условиях, но не обязательно экстремальные значения комплекса свойств. Библиографический список: 1. Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1978. – 309 с. 2. Рыбьев И.А. и др. Общий курс строительных материалов. М., Высшая школа, 1987, 584 с. 3. Powers T. The physical structure of Cement and Concrete. // Cement and Lime Manufacture. V. 29, № 2, 1956. – 270 р. 4. Сорокер В.И., Довжик В.Г. Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона. - М.: Стройиздат, 1964. – 206 с. 5. Грушко И.М., Ильин А.Г., Рашевский С.Т. Прочность бетонов на растяжение. – Харьков: Изд-во ХГУ, 1973. – 155 с. 6. Берг О.В., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон.- М.: Стройиздат, 1971. – 208 с. 7. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. – С-Пб: Строй Бетон, 2006. – 692 с. 8. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Высшая школа, 1987. – 449 с. 9. Бермант А.Ф., Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа. - М.: Стройиздат 1971. – 208 с.анализ основных положений закона створа теории ИСК Л.И. ДВОРКИН, доктор техн. наук, проф., О.Л. ДВОРКИН, доктор техн. наук, проф., Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина Рассматриваются технические и технико-экономические критерии оптимизации структуры и состава бетона. Фундаментальной базой бетоноведения являются теоретические представления о взаимосвязи параметров структуры и состава бетона с его свойствами. Структурная теория бетона начиная с XIX-го столетия разрабатывалась многими исследователями, однако, учитывая сложность бетона как полиструктурной физико-химической системы, непрерывно изменяющейся во времени и активно взаимодействующей с окружающей средой, она еще далека от завершения. Определенный положительный вклад в развитие структурной теории бетона внесла теория искусственных строительных конгломератов (ИСК), основы которой разработаны проф. И.А. Рыбьевым [1, 2]. К главным закономерностям теории ИСК следует отнести закон створа, утверждающий, что оптимальной структуре соответствует комплекс экстремальных значений свойств искусственных конгломератов, к которым можно отнести бетон. Отношение к этому закону различных исследователей нельзя назвать однозначным, оно колеблется от его полного признания до полного отрицания. В обоих случаях всесторонне не учитывается совокупность принимаемых исходных материаловедческих предпосылок, что часто приводит к недостаточно объективным или ошибочным выводам. Позитивное значение закона створа для бетоноведения заключается в том, что он, во-первых, констатирует объективные взаимосвязи различных свойств бетона как между собой, так и с соответствующими параметрами структуры и состава и, во-вторых, утверждает необходимость совпадения наилучших значений показателей свойств при некоторых определенных значениях структурных параметров. Вместе с тем недостаточная убедительность принимаемых в теории ИСК представлений об «оптимальной структуре» и постулирование обязательной экстремальности и совпадения экстремумов для всего комплекса свойств бетона при определенной его структуре снижают значение закона створа как общей закономерности структурной теории. В теории ИСК оптимальной называют структуру с равномерно распределенными в ней частицами (фазами, компонентами, порами и др.), низким содержанием дефектов, непрерывной прослойкой пространственной сетки матрицы затвердевшего вяжущего при минимально возможном фазовом (для бетона – водоцементном) отношении. Критерием оптимизации структуры по И.А. Рыбьеву является достижение комплекса экстремальных значений свойств. Вместе с тем существует достаточно много технических и технико-экономических критериев оптимизации структуры и состава бетона. Некоторые из них приведены в таблице. Таблица 1 Основные критерии оптимальности при проектировании составов и структуры бетона Показатель свойства (комплекса, соотношения свойств) бетонной смеси или бетона (Р i): , где Рi – подвижность бетонной смеси, прочность, морозостойкость, усадка бетона и др. Отношение показателей свойства для анализируемого бетона (Р i) и бетона эталонного состава (структуры) (Ро): . Отношение показателей свойства бетона (Рi) к удельному расходу материального или энергетического ресурса, необходимого для его изготовления (Х): , где Х - расход цемента, заполнителей, добавок, тепловой, электрической энергии и др. Продолжение табл. 1 Удельный расход ресурса (на 1 м3 бетонной смеси, конструкции, сооружения): . Отношение удельного расхода ресурса к показателю свойства бетона: . Удельный стоимостной показатель*: , где С – стоимость 1 м3 бетона, конструкции, сооружения; стоимость ресурсов; прибыль; приведенные затраты и др. Отношение удельных стоимостных показателей для анализируемого бетона и бетона эталонного состава (структуры) (С о)*: . Отношение удельных стоимостных показателей и показателей свойств (или наоборот) *: (или ). Примечание: *Критерий оптимальности рассматривается при обязательном обеспечении заданных показателей свойств. Наиболее характерными при оптимизации структуры бетона являются задачи, предполагающие достижение не абсолютного, а условного экстремума значения критерия при заданных ограничениях (например, минимально возможной объемной концентрации цементного камня при нормируемых значениях прочности бетона, удобоукладываемости бетонной смеси и др.). В теории ИСК такие структуры выделяют из оптимальных и называют рациональными. Очевидно, при правильном формулировании условий оптимальности оптимальные структуры всегда являются рациональными. Качественные признаки оптимальных структур бетона также определяются как предъявляемым комплексом требований к нему, так и условиями оптимальности. Например, для морозостойких бетонов оптимальная структура должна характеризоваться необходимым соотношением условно-замкнутых и открытых пор. Количественные значения параметров структуры бетона зависят от нормируемых показателей свойств, особенностей исходных материалов, режима твердения, добавок и др. (рис. 1).
Разнообразие возможных вариантов постановки задач оптимизации обусловливает и многообразие оптимальных структур, отличающихся качественными особенностями, количественными соотношениями основных фаз, межфазными взаимодействиями. Проектирование оптимальной структуры бетона в конечном счете достигается проектированием его оптимального состава. Однако при минимизации расхода цемента (Ц→min) и обеспечении заданных проектных показателей свойств бетона соотношение В/Ц, как правило, остается постоянным или даже может повышаться (например, за счет вовлеченного воздуха при нормировании прочности и морозостойкости бетона). При этом задачи оптимизации структуры и соответственно состава бетона реализуются за счет выбора цемента и других исходных материалов смесей с пониженной водопотребностью, введения добавок, подбора зернового состава заполнителей и др. Минимизацию В/Ц при сохранении непрерывности матричной сетки нельзя считать универсальным признаком оптимальных структур и при необходимости достижения максимального (минимального) значения показателей свойств, определяемых плотностью цементного камня. Для бетонов увеличение плотности цементного камня достигается не только при В/Ц→min, но и при В/Ц=const, когда возрастает степень гидратации цемента a. Это следует из расчетного выражения плотности цементного камня [3] Х: (1) где kг - коэффициент увеличения объема продуктов гидратации цемента, (k г=2,09…2,2); Vу.ц - удельный объем цемента (Vу.ц=1/ρц=0,319 см3/г). Изменение величины α достигается выбором вида цемента, добавок, режима твердения и др. Для ряда свойств бетона плотность цементного камня и соответственно В/Ц не является определяющим или является не единственным определяющим структурным параметром. Этот вывод иллюстрируется анализом известных расчетных зависимостей, некоторые из которых приведены в табл. 2. В задачах проектирования оптимальных составов бетона с комплексом различных свойств (многопараметрическое проектирование составов бетона) приходится учитывать, что ряд свойств бетона неоднозначно связан с прочностными свойствами и, следовательно, с В/Ц, а ряд свойств бетона определяется другими параметрами состава. Таблица 2 Расчетные зависимости свойств бетонной смеси и бетона Свойства бетонной смеси и бетона Расчетная формула Условные обозначения Удобоукладываемость бетонной смеси [4]
С - константа; В - водосодержание смеси; К - показатель степени (К »8,5) Водопотребность бетонной смеси [5] В=60+40К+0,07Sщ+ +5Вп+1,5Н.Г ОК - осадка конуса, см; Sщ - удельная поверхность щебня, м 2/м3; Вп - водопотребность песка, %; Н.Г - нормальная густота цемента, % Мера ползучести бетона [6]
К - константа; В – расход воды, л/м 3; Rсж - прочность бетона Усадка бетона [6]
mк - относительное массовое содержание цементного камня в бетоне
В своем более позднем определении закона створа И.А. Рыбьев заменил понятие «наиболее благоприятные» свойства понятием «экстремальные значения» свойств [2]. Экстремум показателей ряда свойств бетона может быть обусловлен, например, некоторым минимально возможным значением В/Ц, при котором достигается минимальная и в то же время непрерывная прослойка матричной фазы (цементного камня) на зернах заполнителя. Для бетона это возможно, как правило, лишь в тех случаях, когда не нормируется удобоукладываемость бетонной смеси, определяющая толщину прослойки цементного камня. Однако экстремальность при изменении В/Ц и объемного соотношения цементного камня и заполнителей для свойств бетона или наблюдается при определенных условиях (предельная для заданного способа уплотнения удобоукладываемость смеси и др.), или вообще не имеет места. Например, усадка бетона и его экзотермия непрерывно уменьшаются с увеличением объемного содержания заполнителей (V з). Показатели этих свойств можно рассчитать по формулам [6]: , (2) где - усадка цементного камня, мм/м; Q – экзотермия бетона, кДж/м3; q t - удельное тепловыделение цемента, кДж/кг; n - показатель степени.
При оптимальной структуре материала на одной прямой, т.е. в створе оказываются максимально (минимально) возможные при заданных условиях, но не обязательно экстремальные значения комплекса свойств, однозначно связанных (вид исходных материалов, режим твердения и др.) с определенным структурным параметром. В качестве структурных наряду с В/Ц могут выступать и другие параметры (рис. 2). Все свойства бетона, очевидно, можно сгруппировать не в один глобальный створ показателей, изменяющихся относительно В/Ц, а в некоторый ряд створов, каждый из которых объединяет свойства, определяемые соответствующим показателем структуры. Выводы: 1. Применимость закона створа требует уточнения для конкретных задач условий оптимизации структуры. 2. Наряду с водоцементным отношением при оптимизации структуры бетона необходим учет ряда других структурных параметров. Число возможных створов определяется видом структурных параметров, однозначно связанных с данной группой свойств бетона. 3. При оптимальной структуре бетона «в створе» оказываются максимально (минимально) возможные при данных условиях, но не обязательно экстремальные значения комплекса свойств. Библиографический список: 1. Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1978. – 309 с. 2. Рыбьев И.А. и др. Общий курс строительных материалов. М., Высшая школа, 1987, 584 с. 3. Powers T. The physical structure of Cement and Concrete. // Cement and Lime Manufacture. V. 29, № 2, 1956. – 270 р. 4. Сорокер В.И., Довжик В.Г. Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона. - М.: Стройиздат, 1964. – 206 с. 5. Грушко И.М., Ильин А.Г., Рашевский С.Т. Прочность бетонов на растяжение. – Харьков: Изд-во ХГУ, 1973. – 155 с. 6. Берг О.В., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон.- М.: Стройиздат, 1971. – 208 с. 7. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Основы бетоноведения. – С-Пб: Строй Бетон, 2006. – 692 с. 8. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Высшая школа, 1987. – 449 с. 9. Бермант А.Ф., Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа. - М.: Стройиздат 1971. – 208 с. |