Статьи

О некоторых проблемах в проектировании состава бетона

Хотите получать свежие статьи на свою почту?

Все свежие статьи публикуются в электронном журнале ВесьБетон.

Подписка на журнал бесплатная, процедура подписки занимает одну минуту! Подписаться!

Журнал «ВесьБетон» — всегда свежая и профессиональная информация о производстве и применению бетонов и других строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.

Особенности журнала ВесьБетон:

1. Публикуются статьи и книги о производстве и применении строительных материалов, добавок.
   
2. Тираж более 10 500 профессиональных строителей.
   
3. Подписаны только строители, технологи и производители, так как публикуется только профессиональная информация.
4. Выходит 2 раза в месяц.
5. Честный тираж! Журнал распространяется через независимый канал Subscribe.ru
6. Обсуждение статей на форумах

В статье с производственной точки зрения рассмотрены проблемы проектирования состава бетона для монолитного домостроения.

Совершенно очевидно, что бетон (и железобетон) определили архитектуру нашего века. Условия эксплуатации его разнообразны, а потому и перечень предъявляемых требований неимоверно 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».

В настоящее время общепризнанным считается расчетно-экспериментальный метод Боломея — Скрамтаева [1]. Он базируется на фундаментальных закономерностях, в частности — постоянстве материального баланса (сумма абсолютных объемов компонентов бетона равна 1 м³, то есть 1000 л готового плотного бетона). Эти закономерности (через ряд коэффициентов) связывают состав (исходное сырье) с прочностью бетона (конечный продукт). Но надо учесть, что длительное время мы занимались сборным домостроением. Изделия и конструкции готовили в заводских условиях с использованием мощных средств уплотнения. Применяли жесткие и малоподвижные (с осадкой конуса до 3 см) бетонные смеси. Это не вызывало особых проблем, но наложило отпечаток не только на составы бетона, но и на формулы их расчета.

Рассчитывая составы бетонных смесей по формулам, получаем расходы крупного заполнителя в пределах 0,8–0,9 м³ на 1 м³ бетона. Такие смеси относятся к тощим, «защебеночным», с относительно малым содержанием цементно-песчаного раствора. В условиях монолитного домостроения уплотнять такие смеси глубинными и площадочными вибраторами трудно, а иногда (при насыщенном армировании) практически невозможно. При монолитном домостроении чаще применяются бетонные смеси с ОК=10–25 см. И если они «защебеночные», что подразумевает и малые расходы песка, то не только характеризуются плохой уплотняемостью, но и повышенным водоотделением. Для монолитного бетона нужны смеси «жирные», с меньшим, до 0,7–0,8 м³ на 1 м³ бетона, расходом крупного заполнителя и повышенным расходом цементно-песчаной составляющей. Формулы Боломея — Скрамтаева к этому не готовы и это одна из проблем проектирования состава монолитного бетона. Добавка супер- и гиперпластификаторов делает неприменимой закономерность R_б = ? (В/Ц) и требует своего места в формулах расчета состава бетона.

Высокопрочные бетоны требуют более качественного исходного сырья, высокой точности дозирования и мощных средств приготовления смесей. И всё это задачи заводского изготовления. Сразу возникает проблема транспортировки смесей на строительную площадку, 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 на глубину теоретического обоснования постоянства материального баланса, мы можем подобрать состав бетона с выходом только на прочность (заданную марку бетона). Сегодня этого уже мало, нужен учет специальных требований к бетону (морозостойкость и др.).

Учет спецтребований к бетону при проектировании его состава нашел отражение в монографии О. Л. Дворкина [2]. В ней описано многопараметрическое проектирование составов бетонов разных видов, но с сохранением фундаментальных основ и закономерностей метода абсолютных объемов. Этот метод позволяет обеспечить комплекс заданных показателей свойств бетона при заданных критериях оптимальности. Разработаны алгоритмы многопараметрического проектирования составов бетонов. Приведены количественные зависимости в области проектирования бетонов с нормируемыми физико-механическими свойствами. Изложенные основы теории и методологии, а также компьютерное обеспечение расчетов позволяют надеяться на сдвиг в проблеме проектирования составов спецбетонов.

В технологии стройматериалов широко известно экспериментально-статистическое моделирование (ЭСМ), используемое для оптимизации составов, в том числе и бетонов, в более широком диапазоне «состав — технология — свойство». ЭСМ посвящены работы В. А. Вознесенского, а более объемно и глубоко (на базе более чем 30 докторских и кандидатских диссертаций) основы применения ЭСМ изложены в работе Т. В. Ляшенко [3]. Вряд ли в промышленности стройматериалов найдется исследователь, отвергающий ЭСМ. Однако недостатки его также очевидны. ЭСМ, принятое на вооружение много десятков лет назад, еще и сейчас не полностью приспособлено для применения в промышленности стройматериалов, в частности в технологии бетона. Вот некоторые из его недостатков.

Составу — материальный баланс. При поиске оптимального состава с использованием ЭСМ часть твердых компонентов (например, кг/м³: Ц — 250–310, тонкомолотая добавка ТД — 10-60 и П — 480–600) относят к переменным факторам (Х₁, Х₂ и Х₃). Здесь разница между минимальным (Х=–1) и максимальным (Х=+1) уровнями факторов, то есть размах варьирования, составляет 31 %. Другие составляющие этой же смеси (вода и щебень) количественно постоянны. Если принять, что на основном уровне факторов (Х=0), объем уплотненной бетонной смеси составит 1000 л, то при минимальных расходах переменных он составит 850 л, а при максимальных — 1150 л. Практически в каждом из 15 опытов планированного эксперимента (ПЭ) объем бетонной смеси разный. Это значит, что сознательно нарушается основной принцип сохранения материального баланса при подборе состава бетонов разных видов. Это ведет к тому, что модель У=? (Х_1–3) умозрительна и ее результаты далеки от действительности.

Составу — фактические расходы материалов. Несоблюдение материального баланса приводит к тому, что формуемый кубик объемом 1 л на основном уровне будет заполнен полностью, а на остальных — недостаток (кубик по высоте менее 10 см) или избыток (кубик по высоте более 10 см) смеси. Также и средства уплотнения и нормативные документы требуют перехода от расчетных (планируемых) к фактическим расходам материалов. Без выполнения этого этапа неверность результатов ЭСМ бесспорна. В то же время, если в каждом опыте ПЭ перейти на фактические расходы компонентов 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=? (Х_1–3) учитывает влияние только переменных факторов, то есть 100 % вклада в отклик (например, прочность бетона) дают переменные факторы. На самом деле определенная (быть может, значительно б?льшая) доля в этом же отклике принадлежит постоянным (в модели не учтенным) факторам, которых и количественно значительно больше, чем переменных.

Пример одной 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. Подвижность бетонной смеси изменялась от 1–2 до 25 см осадки конуса. Второй отклик, прочность бетона при сжатии, также изменялся в определенных пределах. Составляется модель R_сж=? (Х_1–3). Результаты этой модели условны, так как с уверенностью можно сказать, что в этом случае не состав (факторы переменные учтенные), а технология (факторы постоянные неучтенные) определяли величину прочности бетона при сжатии. Потому что если в каждом опыте ОК смеси изменялась от 1 до 25 см, то кардинально надо менять и технологию в каждом опыте. Так малоподвижные смеси с ОК=1 см лучше готовить в бетономешалках принудительного (или длительного свободного) перемешивания, с применением мощных средств уплотнения и коротких, без предварительной выдержки, режимов тепловой обработки. Наоборот, смеси с ОК=25 см литые требуют бетономешалок свободного падения и коротких режимов перемешивания, без вибрирования (во избежание расслоения смеси), более длительных режимов тепловой обработки после 4–8 ч предварительного выдерживания перед тепловой обработкой. Здесь размах варьирования факторов не терпит единых режимов технологии, так как в одних случаях они способствуют нарушению (и даже разрушению) структуры формирующегося бетона, а в других — неэкономично длительно конструируют ее. Но оба эти случая не отражены в модели, так как они не являются переменными. А потому модель не просто условна, но и вредна.

Составу — оптимальная технология. Каждому составу бетона отвечает только одна, оптимальная технология — режим приготовления и уплотнения смеси, тепловой обработки свежеотформованного бетона. Это тем более справедливо, что любые нормативные документы рекомендуют назначать эти режимы, в основном, в зависимости от расхода цемента, водоцементного отношения и удобоукладываемости смеси. Поэтому для каждого опыта ПЭ (их 15 или больше) необходимо устанавливать оптимальные режимы технологических переделов. Только в этом случае мы можем считать, что параметры технологии не оказывают влияния на отклик (прочность бетона), а влияют только переменные состава.

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

Осторожно, нуль! Вызывает сомнение правильность выбора количественных уровней факторов, когда они могут непредсказуемо оказать влияние на качество бетона. Так, бетон без добавки качественно отличен от аналогичного с добавкой (например, суперпластификатора в количестве от 0 до 1 %). Даже малое количество добавки 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 ту или иную сторону и не будет равноценно соседнему факторному пространству.

Планируется изменение и подвижности бетонной смеси, например от 0 до 8 см осадки конуса. Но нуль такое понятие, что возможен неучтенный переход в область жестких бетонных смесей с Ж=5 или 10 с (рис. 3). И опять факторные пространства двух интервалов варьирования фактически могут быть не равноценными, но по законам ПЭ считаются таковыми. Как минимум в этом случаях должны быть добавочные эксперименты точно выводящие смесь 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 немалым количеством 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 годами резко снижается. Виноваты в этом технологи, отстающие от статистиков и безоговорочно верящие в то, что им дают последние.

Есть мнение, что ПЭ нам нужен для того, чтобы «расшатать систему». В технологии бетона мы имеем стройную, сложившуюся систему закономерностей: постоянство материального баланса, соотношение между мелким и крупным заполнителем, между водой и цементом и т. п. И если в такую систему надо внедрить всего лишь один какой-то неизвестный добавочный материал, то достаточно с учетом материального баланса одну часть материала заменить на другую. Зачем, решая мелкие задачи, расшатывать всю систему и перетряхивать весь состав, чтобы получить опять неточные результаты, требующие той корректировки, которая будет произведена и без 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.

Еще статьи из этого раздела:

• Технологии производства бетона с улучшенными характеристиками. Бетон с высоким уровнем устойчивости к воздействию серной кислоты
• Криотехнологии поризованных мелкозернистых бетонов
• Бетонные изделия для благоустройства: обзор и анализ рынка (на примере производителей Москвы и Санкт-Петербурга)
• Вулканические шлаки как компонент смешанных вяжущих для бетонов, эксплуатирующихся в условиях Сибири
• Неорганические пигменты для сухих строительных смесей и декоративных бетонов. Свойства. Эффективность применения
• Бетоноведение в патентах - 10
• Долговечная защита для инженерных сооружений из железобетона объектов энергии
• Неоднородность — коварное свойство бетона
• Коррозия и защита железобетонных конструкций в систему водоснабжения и водоочистки
• Эффективность различных способов повышения ранней прочности бетона нормального твердения на шлакосодержащих цементах.
• Инновации – залог развития отрасли!
• Виброактивация цементно-песчаного раствора. Часть 2
• Бетон, как стеновой материал. Ретроспектива и перспектива
• Повышение долговечности модифицированных бетонов тонкостенных железобетонных конструкций, эксплуатируемых в воде
• Способы определения качества заполнителей
• Бетон: Классика и современность
• Бетоноведение в патентах. Перспектива и ретроспектива
• Основные принципы создания высокопрочных и особо высокопрочных бетонов
• Применение тонкодисперсных минеральных наполнителей и шламов в цементных растворах и бетонах
• А. Г. Бибиков: «Успех нашей компании – это, прежде всего, люди»
• Малоцементные бетоны с золомикрокремнезёмистым наполнителем. Свойства бетонных смесей с золомикрокремнезёмистыми наполнителями — 3
• Выдающемуся учёному-строителю А. А. Гвоздеву — 110 лет
• Высоколокальные аналитические методы в исследовании процессов структурообразования бетона
• Дисперсное армирование бетонов
• Подготовка песка для бетона – резерв снижения стоимости строительства
• Коррозия и защита железобетонных конструкций в систему водоснабжения и водоочистки
• «СЗНК-Бетон» запускает новый завод в Петербурге
• Бетон: Классика и современность
• Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства
• Методически правильное проектирование состава бетона — путь к снижению стоимости строительства