Учебное пособие 800523

Выполнение третьего условия достигается через изменение величины ак-

тивной площади поверхности; удельной поверхностной энергии; смачиваемости поверхности твердой фазы; размерно-геометрических характеристик и

энергонасыщенности объема пор.

Формирование необходимой для выполнения выдвинутых условий струк-

туры материала реализуется через следующие управляющие факторы: соотношение компонентов матрицы и включений, их химический, минералогический,

гранулометрический состав; параметры процессов структурообразования и твердения. К технологическим средствам регулирования следует отнести:

а) расход, вид и состав вяжущего (матричного материала); б) расход, вид и гранулометрию заполнителей и наполнителей (включений);

в) исходное содержание жидкости (воды затворения) в сырьевой смеси; г) дозировку химических добавок ПАВ.

При этом следует рассчитывать не на аддитивный, а скорее на синергетический эффект возможного совместного влияния управляющих рецептурно-

технологических факторов на характеристики твердой фазы и порового пространства и соответственно на влажностное состояние материала и реализацию его

свойств при эксплуатации.

Предлагаемая процедура конструирования поризованных бетонов опира-

ется на классическую методологию постановки оптимизационных задач, определяющую обоснование и выбор критериев оптимизации, ограничений, гра-

ничных условий 71-76 .

В связи с многокритериальностью задачи, когда нужно достигнуть зада-

ваемого уровня качества одновременно по ряду свойств, критерий оптимизации (целевая функция) будет представлять собой тот из показателей качества конкретного вида бетона, который является критическим для его долговечности и надежности работы конструкции в зависимости от условий ее эксплуата-

ции. Требования к остальным свойствам, не отраженным в целевой функции, формируются согласно условиям работы бетона в конструкции, соответствуют нормируемым значениям свойств для границ изменения влажностного состояния при эксплуатации, и учитываются в виде функциональных ограничений для их значений.

В качестве целевой функции и функциональных ограничений, исходя из системно-структурной концепции управления свойствами строительных материалов, используются экспериментально-статистические количественные зави-

симости типа «рецептурно-технологические факторы - состав, структура, со-

101

стояние - свойства материала». Основанием к этому являются достижения компьютерного материаловедения в решении прикладных задач материаловедения и технологии строительных композитов математическими методами.

Они базируются на подходах, позволяющих объединить экспериментальностатистические зависимости с концептуальными моделями структуры материа-

ла (работы Ю.М Баженова, Воробьева В.А. 77 , А.В. Вознесенского 78 , О.Л.

Дворкина 79 , В.И. Кондращенко 80 , Т.В. Ляшенко 81 , Е.М.Чернышова

82 , Е.С.Шинкевич 83 ).

При решении задачи конструирования поризованных бетонов использование экспериментально-статистических зависимостей также опирается на

концептуальные модельные представления о структуре поризованных бетонов

62 , которые позволяют определить предельно допустимые значения парамет-

ров факторного пространства управления (параметров состава и структуры ма-

териала), то есть обосновать граничные условия задачи. В этой связи укажем, что имеющая место трансформация структуры поризованного бетона по мере

изменения его средней плотности определяет возможность существования, по крайней, мере двух граничных типов (моделей) структуры (рисунок 24):

1)модель 1 – поры воздухововлечения относительно мелкие, их объем относительно невелик (до 0,4 м3/м3), поэтому более крупные, чем макропоры, вклю-

чения зерен песка диаметром Dз образуют пространственный каркас, который омоноличивается цементным камнем, наполненным включениями воздуховов-

леченных пор диаметром Dп < Dз ;

а) Модель 1 (Dп<Dз)	б) Модель 2 (Dп>Dз)
Зернистое включение Цементный камень	Пора воздухововлечения
	Зернистое включение

п	D
D
	з

	Dз
			Пора воздухововлечения			Dп		Цементный камень

Рис. 24. Модели структуры поризованного бетона: а) средней плотности 1200 кг/м3; б) средней плотности 800 – 1000 кг/м3

102

2)модель 2 – поры воздухововлечения относительно крупные, их объемное содержание повышенное (0,5-0,8 м3/м3); диаметр зернистых включений меньше диаметра макропор, в этом случае макропоры окружены (омоноличены) мате-

риалом, состоящим из цементного камня, наполненного зернистыми включениями (Dп > Dз).

В бетоне со структурой по модели 1 очевиден предел меры поризации, то есть возможности размещения объема генерируемых макропор Dп в объеме, за-

нимаемом межзерновыми прослойками толщиной . Поэтому данная модель отвечает структуре бетона с небольшой степенью поризации ( = 12001600 кг/м3) и характеризуется наличием пространственного каркаса из зерен песка, омоноличиваемых цементной матрицей с относительно невысокой степенью поризации. При увеличении содержания макропор структура бетона не-

избежно приближается к модели 2, для которой принципиально важным становится требование конгруэнтности размера зерен включений Dз толщине межпо-

ровой перегородки , так как для эффективного использования потенциала прочности межпоровых перегородок в конструкции структуры поризованного бетона необходимо выполнение условия квазиоднородности 63 структуры матричного материала, в соответствии с которым размер включения должен быть меньше величины как минимум в 4…5 раз. В расчетах величины , про-

веденных для бетонов задаваемой средней плотности от 800 кг/м3 до 1600 кг/м3, использовали зависимость между объемным содержанием включений VЭ.В, их средним эквивалентным диаметром DЭ.В и величиной :

	DЭ.В		1.	(3.1)
		VЭ.В

При определении расчетной величины исходили из наиболее вероятной гек-

сагональной упаковки шаровидных макропор и учитывали, что применительно к реальным структурам эта упаковка характеризуется координационным чис-

лом не 12, а 9…10 и коэффициентом плотности упаковки = 0,7. Из получен-

ных расчетных данных величины (табл. 25), следует, что при увеличении объ-

емной доли воздухововлеченных пор толщина межпоровой перегородки закономерно уменьшается; одновременно уменьшается и допустимый диаметр зернистых включений.

103

Таблица 25 Зависимость допустимого расчетного размера зернистых включений от компонентного состава и средней плотности поризованного бетона

с учетом фактора обеспечения квазиоднородности структуры межпоровых перегородок ( /dэ 4…5)

Соот-	Толщина межпоровой перегородки (над чертой) и допустимый размер зернистых
ноше-			включений (под чертой), мкм
ние		при средней плотности поризованного бетона, кг/м3
Ц:Н
	1200	1100	1000	900	800		700
1:1	700	620	540	450	350		250
	140-175	120-150	110-135	90-110	70-87		50-62
1:1,5	650	610	420	280	210		160
	130-160	110-140	84-105	56-70	42-52		32-40
1:2	540	340	250	150	100		80
	108-135	68-85	50-62	30-38	20-25		16-20

Проведенные аналитические расчеты 62 и экспериментальные исследо-

вания структуры поризованных бетонов 29,30 для диапазона средней плотно-

сти = 800-1600 кг/м3 позволили определить требования к диапазону значений основных структурных характеристик конструкционного и конструкционнотеплоизоляционного поризованного бетона (табл. 26), ограничивающих фак-

торное пространство управления при конструировании их структур. При обосновании указанных требований по граничным значениям параметров структуры учитывалось также, что объем пор воздухововлечения (VВВП) И объем микробетона (Vмб) межпоровых перегородок определяется задаваемой средней плотно-

стью. Объем включений (Vвкл) в микробетоне определяется условиями пориза-

ции бетонной смеси 84 (верхняя граница) и допустимым по экономическим соображениям расходом цемента (нижняя граница). Диаметр включений (dвкл)

также определяется средней плотностью, так как от нее, как отмечалось выше, зависит толщина межпоровой перегородки. Принципиальной характеристикой для зерен включений является активность их поверхности по отношению к воде, интегральной оценкой которой является теплота смачивания водой (q), зависящая от химико-минералогического состава и дисперсности наполнителей.

От смачиваемости зерен включений зависит объем микропор в микробетоне, так как именно мерой смачиваемости определяется водопотребность бетонной смеси и соответствующие значения В/Ц-отношения.

104

Таблица 26. Характеристика диапазона регулирования параметров структуры

поризованного бетона (граничные условия)

				Диапазон значений параметров структуры
Наименование структурной ха-
				конструкционный бетон	конструкционно-
	рактеристики			(1200-1600 кг/м3)	теплоизоляционный бетон
					(800-1200 кг/м3)
Объем пор воздухововлечения,				0,25-0,42 м3/м3	0,42- 0,62м3/м3
VВВП
Объем микробетона (межпоро-				0,58-0,75 м3/м3	0,38-0,58 м3/м3
вых перегородок) в поризован-
ном бетоне, Vмб
Объем	включений	в	единице	0,40-0,55 м3/м3	0,2-0,4 м3/м3.
объема микробетона, Vвкл
Объем	микропор	в	единице	0,20-0,30 м3/м3	0,25-0,38 м3/м3
объема микробетона, Vмп
Диаметр зерен включений, dвкл				150-370 мкм	30-170 мкм
Теплота	смачивания		поверхно-	0,7-2 кДж/кг	0,9-3 кДж/кг
сти включений, qвкл

При постановке задачи конструирования следует исходить из того, что для цементных поризованных бетонов нормального твердения определяющим, критическим свойством, можно сказать, камнем преткновения, выступает их трещиностойкость, определяемая эксплуатационной деформируемостью (усадкой, ползучестью), так как именно от нее зависит долговечность конструкций. Следовательно, функцией цели при нахождении оптимальных параметров состава и структуры твердой фазы и порового пространства следует считать минимум деформативности. Для конструкционно-теплоизоляционного бетона в соответствии с требованиями теплоэффективности зданий может быть выдвинута и иная функция цели: минимум значений эксплуатационного влагосодержания для обеспечения минимальных изменений теплопроводности материала при эксплуатации. При формулировке каждой конкретной задачи в зависимости от выбранного критерия оптимизации и в соответствии с нормативными требованиями (табл. 27, 28) выдвигаются ограничения по значениям плотности, прочности, диапазону эксплуатационного влагосодержания, морозостойкости и т.д.

Для сформулированных требований к граничным условиям по параметрам структуры и ограничениям по уровню свойств разработаны алгоритмы конструирования конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных поризованных бетонов по критериям минимизации деформативности и эксплуатационного влагосодержания.

105

Таблица 27

Характеристика диапазона значений нормируемых1 свойств конструкционного поризованного бетона (ограничения)

						Соотношение рас-
	Марка					четного
					Влаж-	и нормативного	Равновесная
	по	Класс	Нормативное	Начальный
						сопротивления	эксплуатаци-
	сред-	по	сопротивление	модуль уп-	ностная
						бетона, Rb/Rbn с	онная влаж-
	ней	проч-	осевому сжа-	ругости, Eb,	усадка,	учетом коэффи-	ность,
	плот-	ности	тию, Rbn, МПа	МПа	, мм/м	циента условий	Wравн, %
	ности					работы по влаж-
						ности b11
	D1200	В7,5	6,9	8700	3
	D1400	В7,5;	6,9-9,0	8700-9500	не нор-	≥0,85	10-15
		В10
					миру-
		В10;
	D1600		9,0-10,5	9500-10000	ется
		В12,5

Таблица 28 Характеристика диапазона значений нормируемых2 свойств конструкционно-теплоизоляционного поризованного бетона

(ограничения)

			Влаж-		Тепло-	Тепло-
Марка		Нормативное		Марка	провод-	провод-	Равновесная
по	Класс	сопротивле-	ност-	по мо-	ность в	ность во	эксплуата-
средней	по проч-	ние осевому	ная	розо-	сухом	влажном	ционная
			усадка,
плот-	ности	сжатию, Rbn,	,	стойко-	состоя-	состоя-	влажность,
ности		МПа		сти	нии, с,	нии, W,	Wравн, %
			мм/м
					Вт/м 0С	Вт/м 0С
D800	В2; В2,5	1,9-2,4		F35-	0,18-	0,33
				F50	0,21		8-15
D900	В2,5;	2,4-3,3		F35-	0,20-	0,37
	В3,5		≤3	F50	0,24
D1000	В3,5; В5	3,3-4,6		F35-	0,23-	0,41
				F50	0,29		10-15
D1100	В5; В7,5	4,6-6,9		F50	0,26-	0,47
					0,34

1По СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции», СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия».

2По СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции», СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия».

106

3.2. Алгоритмы конструирования структур

цементных поризованных бетонов

При разработке алгоритмов решение задачи конструирования ведется последовательно от макро- к микромасштабному уровню структуры поризованно-

го бетона. Конструирование конкретного вида бетона осуществляется, вопервых, путем направленного формирования его макроструктуры на основе учета влияния пор воздухововлечения в матрицу микробетона на задаваемые свойства, во-вторых, путем нахождения рациональных характеристик строения самого матричного материала – микробетона. При этом учитываются те характеристики исходных компонентов бетона, которые имеют определяющее влия-

ние на энергетические характеристики твердой фазы и порового пространства и, следовательно, на регулирование составляющих баланса сил связи воды со структурой, определяющих реализацию задаваемых свойств при эксплуатационных влажностных воздействиях, а также объемные соотношениями между структурными элементами бетона.

Разработаны алгоритмы и решены задачи конструирования в следующей постановке:

1)обеспечить минимум деформаций ползучести конструкционного поризо-

ванного бетона с нормируемыми характеристиками по плотности, прочности в сухом и влажном состоянии при задаваемых значениях характеристик исходных компонентов;

2)обеспечить минимум влажностной усадки конструкционно-

теплоизоляционного поризованного бетона с нормируемыми характеристиками по плотности, прочности при задаваемых значениях характеристик ис-

ходных компонентов;

3)обеспечить минимум значений эксплуатационного влагосодержания для достижения минимальных изменений теплопроводности при эксплуатации конструкционно-теплоизоляционного поризованного бетона с нормируе-

мыми характеристиками по плотности, прочности при задаваемых значениях характеристик исходных компонентов.

Для определения рациональных параметров структуры в алгоритмах использовались экспериментально-статистические зависимости (табл. 29, 30)

107

Таблица 29 Экспериментально-статистические зависимости* взаимосвязи между свойствами конструкционного поризо-

ванного бетона и структурными факторами их регулирования

	Свойства	Вид экспериментально-статистических зависимостей
		На уровне поризованного бетона					На уровне микробетона
	Средняя плотность	=1912 – 1665VВВП				(3.2)
	Прочность при сжатии	Rb= (Rb)0 ·е-4,6VВВП				(3.3)	Rмб = Rцк ·е-2,1Vвкл		(3.5)
108		RbW = -0,003w2 – 0,3w + Rb(W=0)				(3.4)
	Влажностная усадка	ПБ = мб е	0,49VВВП			(3.6)	мб = цк·е	-1,88Vвкл	(3.7)
	Мера ползучести,	С=4,6е6,1VВВП 105	(3.8)		qвкл=0,7-1
	С(t,τ)
		С=6,2е5,4VВВП 105	(3.9)		qвкл =1-2

*Для диапазона значений диаметра зерен включений dвкл = 150-400 мкм; теплоты смачивания их поверхности q=0,7-2,0 кДж/кг.

99

Таблица 30 Экспериментально-статистические зависимости* взаимосвязи между свойствами конструкционнотеплоизо-

ляционного поризованного бетона и структурными факторами их регулирования

Наименование свойств

Вид экспериментально-статистических зависимостей

На уровне поризованного бетона

На уровне микробетона

Средняя плотность

=1912 – 1665VВВП

(3.10)

qвкл=0,9-1,5

-

=1700 – 1650VВВП (3.11)

qвкл =1,5-3

Предел прочности

Rb= Rмб·е - 4,2VВВП

(3.12)

qвкл=0,9-1,5

Rмб = Rцк ·е-1,2Vвкл

при сжатии

(3.14)

Rb= Rмб ·е -3,6VВВП

(3.13)

qвкл =1,5-3

109

Влажностная усадка

ПБ = мб·е 0,66VВВП

(3.15)

qвкл=0,9-1,5

мб = цк·е -1,76Vвкл

(3.16)

qвкл= 0,8-1,5

ПБ

= ·е 1,36VВВП

(3.17)

qвкл =1,5-3

мб =

цк·е

-1,18Vвкл

(3.18)

qвкл= 1,5-3

мб

-

цк = 0,9·е 3,5Vмп

(3.20)

цк = 0,98·е 2,5В/Ц

(3.21)

Влажность

WПБ = Wмб·е 0,58VВВП

(3.22)

Wмб = -2,89q2 + 13,79q – 5,69

(3.23)

Теплопроводность

(W) = с е0,04W

(3.24)

* для диапазона значений диаметра зерен включений dвкл = 30-170 мкм; теплоты смачивания их поверхности , q= 0,9-3,0 кДж/кг

100

о количественных взаимосвязях в системе «состав, структура, влажностное со-

стояние - свойства», которые были получены путем регрессионного анализа всего комплекса экспериментальной информации по цементным поризованным бетонам. Коэффициент достоверности аппроксимации (R2) при регрессионном анализе составлял не менее 0,85.

Алгоритм расчетов при решении задачи 1 включает следующую систему шагов (рис. 25):

1)задаются характеристики, нормируемые по плотности, прочности, и минимальные по ползучести; обозначаются начальные условия по характеристи-

кам сырьевых компонентов;

2)исходя из зависимости (3.2) для заданной средней плотности поризованного бетона вычисляется объем пор воздухововлечения;

3)на основании зависимости (3.3) для заданной прочности поризованного бе-

тона требуемой средней плотности рассчитывается необходимая для ее обеспечения прочность микробетона Rмб;

4)исходя из соотношения (3.5) для найденного значения Rмб и с учетом марки цемента рассчитывается необходимый для ее обеспечения объем включе-

ний; 5) для фактических значений теплоты смачивания водой наполнителя в соот-

ветствии с соотношением (3.23) рассчитывается влажность микробетона

(Wмб);

6)по соотношению (3.22) для найденных значений Wмб и объема пор воздухововлечения (VВВП) определяется минимально возможная для заданных характеристик сырья величина эксплуатационного влагосодержания поризованного бетона (WПБ);

7)с учетом полученного значения WПБ и в соответствии с нормируемой прочностью бетона по соотношению (3.4) рассчитывается его прочность во влажном состоянии;

8)соотношение прочности в сухом и влажном состоянии проверяется на со-

ответствие заданной ее величине;

9)на основании зависимостей (3.8) или (3.9) и с учетом характеристик на-

полнителя для заданной средней плотности и соответствующего объема пор воздухововлечения определяется значение меры ползучести, которое прове-

ряется на соответствие минимума ее значений;

110