Взаимосвязи показателей свойств и структурных параметров бетона при оптимизации составов

После формулирования условий оптимальности проектирование составов и структуры бетона требует знания взаимосвязей свойств бетона и определяющих эти свойства параметров структуры. Для оптимизационных задач МПСБ важными представляются закономерности группирования различных свойств бетона относительно определенных структурных параметров и характер изменения их с изменением этих параметров.
К настоящему времени выполнены многие исследования, посвященные проблемам структурообразования бетона и синтеза основных его технических свойств, а также деструктивных процессов в различных условиях эксплуатации. Отдельный раздел структурной теории объединяет исследования, направленные на проектирование бетона оптимальной структуры. Из работ, выполненных в этом плане можно выделить исследования направленные на развитие теории искусственных композиционных материалов на основе вяжущих веществ (искусственных строительных конгломератов ИСК). Теория ИСК, к которым можно отнести и цементный бетон основана на ряде обобщений, безусловно внесших существенный вклад в современное бетоноведение. Однако, объективный анализ этих обобщений выполнен недостаточно.
К главным закономерностям теории ИСК, следует отнести закон створа. Отношение к этому закону различных исследователей нельзя назвать однозначным, оно колеблется от полного признания до полного отрицания. В обоих случаях всесторонне не учитывается совокупность исходных физических и материаловедческих предпосылок, что часто приводит к недостаточно объективным или ошибочным выводам.
Позитивное значение закона створа для теории МПСБ заключается в том, что он, во-первых, констатирует объективные взаимосвязи различных свойств бетона как между собой, так и с соответствующими параметрами структуры и состава, а во-вторых, утверждает необходимость совпадения максимально (минимально) возможных значений показателей группы свойств при определенных значениях структурных параметров.
Как известно, все физические закономерности, полученные на основе эмпирического опыта требуют, прежде всего, точного формулирования и указания граничных условий, при которых они справедливы. По И.А.Рыбьеву закон створа заключается в том, что оптимальной структуре соответствует комплекс наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств конгломерата. С такой самой общей формулировкой можно согласиться. Действительно, свойства композиционных материалов в т.ч. и строительных конгломератов являются следствиями или "откликами" их структуры и оптимизация структуры всегда направлена на достижение комплекса наиболее благоприятных свойств. При этом, однако, нельзя забывать, что под комплексом "наиболее благоприятных свойств" следует понимать комплекс наиболее приемлемых показателей свойств материалов при заданных условиях оптимальности. Например, при необходимости достижения наиболее высокой прочности ИСК значения комплекса "наиболее благоприятных" показателей других свойств могут отличаться от таковых при оптимизации ИСК из условий морозостойкости или деформативности. Этот вывод основывается на неодинаковом уровне корреляции связи свойств материалов с различными параметрами их структуры. Экспериментально доказано, например, что при использовании постоянных исходных материалов прочностные свойства тяжелого цементного бетона определяются в основном плотностью цементного камня (d), а морозостойкость соотношением объемов условно-замкнутых и открытых пор (Fк).
Таким образом, при прочих равных условиях, максимальные значения прочности и морозостойкости бетона должны совпадать. Однако, при введении эмульгированного воздуха в бетонную смесь снижается величина d, но возрастает Fк, что приводит соответственно к некоторому снижению прочности, но резкому увеличению морозостойкости бетона.
Закон створа, хотя и признает существование множества разновидностей оптимальных структур, предполагает наличие для них трех обязательных признаков: равномерного распределения заполнителей по объему, наличия непрерывной прослойки в виде пространственной сетки (каркаса, матрицы) вяжущего вещества и минимально возможного отношения среда-фаза (С/Ф). Первые два признака не вызывают сомнений. Они являются общими, не связанными с особенностями оптимизации и могут быть дополнены условиями достаточного сцепления связующего и заполнителей, компактного размещения частиц и др. Эта группа структурных признаков обеспечивается необходимым технологическим уровнем производства материалов и изделий.
Минимизация фазового отношения - С/Ф направлена на максимально возможное увеличение плотности матричной составляющей конгломерата. Для цементных бетонов фазовым служит водоцементное отношение (В/Ц) и оптимизация структуры при В/Ц>min возможна и во многих случаях целесообразна при необходимости достижения максимально возможных значений прочностных и других однозначно связанных с ними свойств.
При минимизации расхода цемента и обеспечении заданных проектных показателей свойств бетона В/Ц, как правило, остается постоянным или может даже 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 ?.
Изменение величины ? достигается выбором вида цемента, добавок, режима твердения и др. Для ряда свойств бетона плотность цементного камня и соответственно В/Ц вообще не является определяющим или является не единственным определяющим структурным параметром.
Таким образом, в группу обязательных признаков оптимальной структуры, которые выбираются в зависимости от постановки задачи оптимизации, могут входить различные структурные параметры, обеспечивающие желаемые значения показателей свойств бетонных смесей и бетонов. Эти признаки "закладываются" при проектировании оптимальных составов бетона.
Закон створа предполагает экстремальный характер изменения структурно-чувствительных свойств и совпадение экстремумов при оптимальных структурах. В своем более позднем определении закона створа И.А.Рыбьев заменил понятие "наиболее благоприятные" свойства понятием "экстремальные значения" свойств. Экстремальное значение прочности и многих других свойств ИСК по И.А.Рыбьеву достигается при наименьшей толщине пленки среды, сохраняющей свою непрерывность. Однако экстремальность при изменении В/Ц и объемного соотношения цементного камня и заполнителей для свойств бетона наблюдается или при определенных условиях (предельная для заданного способа уплотнения жесткость смеси и др.) или вообще не имеет места. Например, усадка бетона и его экзотермия непрерывно уменьшаются с увеличением объемного содержания заполнителей (Vз).
Общий створ свойств материала, характеризующийся совокупностью экстремумов показателей свойств, размещенных на одной прямой, возможен при двух условиях:
1. все свойства определяются одним и тем же структурным параметром;
2. характер изменения свойств в зависимости от структурного параметра носит экстремальный характер.
Под створом, как известно, в технической литературе понимается некоторое предсказуемое положение объектов на одной прямой линии.
В общем случае для обеспечения створа свойств материала достаточно лишь первого из сформулированных выше двух условий. При оптимальной структуре материала на одной прямой 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. Экстремум показателя свойства бетона может быть обусловлен 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. Как известно из курса математического анализа понятия экстремума и максимума (минимума) функции не идентичны. В точке экстремума производная функции или равна нулю или не существует, а в точке максимума или минимума функция имеет наибольшее или наименьшее значения в некоторой окрестности данной точки.
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.
Число возможных створов определяется видом структурных параметров, учитываемых в оптимизационных задачах (плотность, объемное содержание цементного теста (камня), открытая пористость, соотношение различных видов пористости и др.) и нормируемыми свойствами.