Условия оптимальности структуры и составов бетона

Еще основоположник практической методологии проектирования составов бетона Д.Абрамс указывал, что составы бетона должны обеспечивать необходимые свойства бетона наиболее эффективным образом. Вопросам оптимизации составов бетона посвящены многие исследования, однако в них рассматривались преимущественно пути оптимизации составов при нормировании лишь двух параметров прочности бетона и удобоукладываемости бетонной смеси. По мере увеличения числа нормируемых параметров задачи оптимизации составов могут существенно усложняться.
Проектирование оптимальных составов направлено, в конечном счете, на оптимизацию структуры бетона. К настоящему времени еще нет общепризнанного определения самого понятия "оптимальной структуры" бетона, что не способствует однозначной оценке выводов и рекомендаций, предлагаемых различными исследователями.
Если допустить, что структуру бетона можно выразить определенной системой физических параметров, характеризующих его как макрокомпозиционный материал с матрицей из цементного камня и диспергированными в ней полидисперсными заполнителями, то оптимальной можно считать, очевидно, такую структуру, которая соответствует, как и любая другая управляемая система, принятым условиям ее эффективности. Формулирование условий эффективности структуры - конкретная прагматическая задача, включающая определение критерия оптимальности и необходимых ограничений.
Практика допускает применение разнообразных простых и комплексных, технических, экономических и технико-экономических критериев оптимальности. Критерии оптимальности в задачах оптимизации структуры и состава бетона могут стремиться к некоторому абсолютному или условному экстремуму, а в многокритериальных задачах находятся в компромиссной области.
В зависимости от принятых условий оптимальности критерии могут совпадать или нет. Критерии оптимальности могут быть как независимыми, так и связанными между собой. В работе установлены, например, зависимости между расходом цемента, приведенными затратами на изготовление бетонной смеси, коэффициентами рационального использования цемента и топлива. Наиболее обстоятельно проанализированы постановка и классификация строительно-технологических задач оптимизации и методы поиска оптимума в известной работе В.А. Вознесенского, Т.В. Ляшенко и Б.И. Огаркова. Они в полной мере справедливы и для задач оптимизации структуры бетона.
Стремление к экстремальному значению критерия оптимизации структуры характерно особенно для задач, когда критерий представлен отношением, например, показателя свойства бетона к его стоимости или расходу цемента (энергетического ресурса).
Наиболее характерными при оптимизации структуры бетона являются задачи, предполагающие достижение условного экстремума т.е. максимально (минимально) возможного значения критерия при заданных ограничениях (например, минимально возможной объемной концентрации цементного камня при заданных значениях прочности бетона, удобоукладываемости бетонной смеси).
Оптимальная структура находится в компромиссной области, когда она определяется двумя или более критериями оптимальности.
При большем содержании Vвх увеличивается F, однако снижается Rсж при меньшем возрастает прочность, однако не достигается требуемая морозостойкость.
При постановке оптимизационных задач необходимо учитывать взаимосвязи различных критериев оптимизации. Когда критериями оптимизации служат показатели свойств бетона, то зависимости между ними обусловлены взаимосвязями соответствующих структурных параметров, обуславливающими рассматриваемые свойства. Совпадение векторов изменения свойств возможно при изменении соответствующих структурных параметров пропорционально связанных между собой. Степень жесткости соотношения свойств бетона между собой и с параметрами состава зависит от связи с последними соответствующих структурных параметров. Отношение, например, плотности цементного камня в бетоне (Х) к объемной концентрации цементного камня (С) является некоторой функцией расхода цемента и В/Ц.
Соответственно свойства, определяемые этими параметрами (группа прочностных свойств, усадка, экзотермия и др.) "жестко" связаны между собой при изменении В/Ц и Ц=const. При одновременном изменении В/Ц и Ц показатели свойств могут "дрейфовать" относительно друг друга.
При использовании постоянных исходных материалов структура и состав бетона, оптимальные по минимуму расхода цемента, являются обычно оптимальными и по стоимости бетонной смеси. Однако минимизация расхода цемента за счет выбора вида цемента и добавок не обязательно должна приводить к минимизации стоимости бетона.
Критерии оптимизации, представленные в виде отношений показателей свойств и удельных расходов тех или иных ресурсов, удельных стоимостных показателей, показателей свойств бетона и др. являются более общими чем соответствующие частные критерии. Они легко приводятся к последним при необходимых ограничениях числителя или знаменателя в соответствующих расчетных выражениях.
Разнообразие возможных вариантов постановки задач оптимизации структуры бетона обуславливает и многообразие оптимальных структур, отличающихся качественными особенностями, количественными соотношениями основных фаз, межфазными взаимодействиями. Нельзя считать корректными часто встречающиеся в литературе трактовки оптимальной структуры бетона как такой его организации, когда достигаются наилучшие показатели всех свойств и тем более когда эти наилучшие показатели обеспечиваются при минимальной стоимости и т.д. Правильное формулирование условий оптимальности является важнейшим условием проектирования оптимальной структуры и составов бетона.
В рамках отдельных структурных теорий бетона сделаны попытки обозначить общие физические и физико-химические признаки оптимальных структур. В теории искусственных строительных конгломератов (ИСК) к ним отнесены равномерное расположение частиц, непрерывность среды и минимально возможное фазовое отношение т.е. В/Ц. В соответствии с полиструктурной теорией физическая, термодинамическая и топологическая неоднородность структуры неизбежна и для оптимизации структуры желательно регулируемое кластерообразование частиц за счет введения пластификаторов и наполнителей с использованием интенсивной раздельной технологии.
Минимизация В/Ц, очевидно, необходима, когда цель оптимизации состоит в максимально возможном повышении плотности бетона и соответствующем изменении физико-механических свойств при постоянной степени гидратации цемента. При минимизации расхода цемента в бетонах с заданными свойствами оптимизация структуры может быть направлена на поддержание постоянным или даже увеличение В/Ц без ухудшения свойств бетонов за счет использования различных технологических средств (воздухововлекающих добавок, наполнителей и др.).
Реализация общих физических и физико-химических рекомендаций, независимо от их концептуального содержания без учета критериев оптимизации и принятых ограничений не является достаточной для оптимизации структуры бетона.
Проектирование оптимальной структуры бетона может достигаться по двум схемам:
1. свойства-структура-состав;
2. свойства-состав-структура.
По первой схеме оптимизация структуры осуществляется непосредственно посредством использования зависимостей, связывающих ее параметры с показателями свойств. К настоящему времени в ряде работ предложены математические модели, прямо связывающие показатели свойств бетона и его структурные критерии или параметры. Т
Вместе с тем, модельная база для реализации схемы "свойства – структура – состав" при проектировании составов бетона остается пока недостаточной, а алгоритмы совместного решения моделей и переход с их помощью к составам бетонных смесей часто чрезмерно сложны. Поэтому более доступной является вторая схема, использование которой основано на разработанной методологии проектирования оптимальных составов бетонов. Переход от состава бетонных смесей к характеристике структуры производится с помощью интегральных структурных параметров (табл.2.2) и требует знания численных значений дополнительных факторов (степени гидратации цемента, пустотности и удельной поверхности заполнителей и др.), определенных эмпирически или расчетным способом.
Понятие "структура бетона" более емкое, чем состав, который раскрывает количественные соотношения основных фаз и ряд их качественных характеристик на макроуровне.
Проектирование оптимальной структуры бетона требует дополнительного учета физических и физико-химических особенностей бетона на микро- и мезоуровнях, существенно влияющих на его свойства . Эти особенности являются объектом исследований интенсивно развиваемой структурной теории бетона.