Состав тяжелого бетона

Проектирование составов бетона - ключевая технологическая задача, решение которой определяет уровень эксплуатационной надежности конструкций и сооружений и степень рационального использования ресурсов, затраченных на их изготовление и возведение.
Основоположником практической методологии проектирования составов бетона является Д. Абраме. Он, обобщив результаты обширных экспериментальных исследований в Чикагской лаборатории, сформулировал основные задачи проектирования составов бетона и методы их решения. По Абрамсу проектирование составов бетона заключается в «выборе водоцементного фактора, соответствующего заданной прочности и условиям работы сооружений, и нахождении такой комбинации заполнителей, которая могла бы дать бетон требуемого качества и пригодной консгистенции». При этом должна быть обеспечена наименьшая затрата средств на изготовление бетона и его укладку.
Сформулированные на заре развития технологии бетона задачи проектирования составов остаются актуальными и в настоящее время.
В современной технологии под проектированием составов бетона понимают обоснование, выбор вида исходных материалов и их соотношений, обеспечивающих при заданном критерии оптимальности нормируемые проектные требования к бетонной смеси и бетону. При использовании методологии системного подхода проектирование составов бетона может включать ряд дополнительных задач, связанных с оптимизацией технологических параметров производства и проектных требований.
Д. Абраме впервые предложил два метода проектирования составов бетона: т.н. «пробный метод» или экспериментальный подбор, и метод предварительных вычислений. Как показала практика, оба метода имеют право на существование и развитие.
Развитие бетоноведения, компьютеризация технологических и технико-экономических расчетов представили новые возможности для развития расчетного метода проектирования составов бетонов. Расчетные составы бетонных смесей требуют экспериментального уточнения до их производственного использования, тем не менее применение расчетного метода оказывается целесообразным, особенно при необходимости оперативного обоснования потребности ресурсов и эффективности исходных материалов, снижения трудоемкости лабораторных работ. Два указанных метода проектирования составов, как считал Д. Абраме, должны быть основаны на (законе) правиле водоцементно-го отношения. Многие последующие исследования показали, что утверждение Абрамса о том, что «прочность бетона при данных материалах и условиях их обработки определяется единственно отношением объема употребляемой для смеси воды к объему цемента» является некоторым преувеличением и слово «единственно» лучше заменить на слова «в основном». В ряде работ, в частности, показано существенное влияние на прочность тяжелого бетона при данных исходных материалах наряду с В/Ц, характеризующим качество цементного клея, его объемной концентрации и других факторов.

В настоящее время в технологической практике проектирование составов бетона осуществляется на базе достаточно большого количества методов, основанных на различных теоретических и технологических предпосылках. Все эти методы могут успешно применяться на практике, если они решают поставленные задачи. Как показало время, стремление универсализировать методологию проектирования составов и дискуссия о предпочтительности одних подходов над другими оказались неконструктивными.
Актуальными направлениями развития методологии проектирования составов бетона являются:
• увеличение "разрешающей способности" расчетных методик,
т.е. возможности более полного учета технологических факторов и проектных требований к бетону;
• повышение эффективности алгоритмов расчетных методик, их
точности и быстродействия.
Развитие этих направлений возможно за счет реализации современных представлений бетоноведения о формировании строительно-технических свойств бетона в сочетании с системным анализом.
Наиболее общий подход к проектированию составов бетона основан на количественном учете взаимосвязей типа свойство -структура-состав бетона путем анализа и совместного решения уравнений, связывающих показатели свойств бетона с параметрами его структуры.
Основными предпосылками такого подхода можно считать
следующие положения бетоноведения:
1 Большинство свойств бетона являются функциями его структуры. В зависимости от характера тех или иных свойств их могут формировать преимущественно макро- или микроструктурные особенности бетона. Влияние на свойства бетона его структуры предопределяет взаимозависимость различных свойств.
2. Каждое из свойств бетона однозначно связано с соответствующими параметрами или критериями структуры, которые учитывают качественные и количественные особенности его твердой фазы и порового пространства. Как для типичного композиционного материала структурные параметры бетона учитывают особенности его матрицы (цементного камня) и заполнителей, их взаимодействие.
3. Направления изменения различных свойств бетона при изменении параметров структуры и факторов состава могут как совпадать, так и быть различными. Проектирование состава бетона с заданными свойствами требует учета их направленности и во многих случаях является задачей компромиссной.
Оптимальная структура бетона - это структура, которая обеспечивает комплекс требуемых свойств при выполнении заданных
условий оптимальности (минимальный расход цемента, мини
мальная стоимость бетонной смеси и др.). В соответствии с этим
условием составы бетона могут существенно отличаться при раз
личных условиях оптимальности.
В строительно-технологической практике наибольшее распространение получили методы проектирования составов бетона с требуемой прочностью при сжатии. Это обусловлено, во-первых, тем, что при конструктивных расчетах прочность бетона является основным его параметром, и, во-вторых, предположением, что с прочностью однозначно связаны и другие необходимые свойства бетона. Последнее предположение, однако, не является достаточно общим. Действительно, с прочностью бетона при сжатии однозначно связаны многие его свойства: прочность при изгибе, растяжении, износостойкость, кавитационная стойкость и др. Однако не является однозначной зависимость прочности и морозостойкости, прочности и ползучести и т.д., и их расчетное определение должно быть основано на использовании комплекса специальных количественных зависимостей.
Проектирование составов бетона может рассматриваться как изолированная система (первый тип задач) и как подсистема более общих технологических систем, например проектирования бетонных и железобетонных конструкций и технологии их производства (второй тип задач). В первом случае задача заключается лишь в оптимальном рецептурном обеспечении заданных параметров, а во втором - решается дополнительно и задача оптимизации самих задаваемых параметров (удобоукладываемости смеси, прочности бетона и др.).
Существующая практика предполагает, в основном, решение задач первого типа, что не всегда может оказаться достаточным. Например, стремление технологов добиться максимальной экономии цемента при проектировании бетона заданной прочности не является продуктивным, если сам показатель прочности не оптимален с позиций стоимости конструкций. В частности, применение бетона повышенной прочности может позволить уменьшить сечение конструкций и, таким образом, с позиций расхода цемента на единицу изделий (конструкций), а не на кубометр бетона, может оказаться более выгодным. Аналогично, не всегда технико-эконо-мически обоснованными являются показатели удобоукладываемости бетонных смесей, от которых существенно зависят составы. Например, если критерием оптимизации составов является стоимость конструкции, применение жесткой бетонной смеси может оказаться менее выгодным, учитывая трудозатраты на укладку бетона, чем применение литой смеси, хотя последняя содержит большее количество цемента. В связи с этим представляется рациональным, там где это возможно, объединять усилия конструкторов, технологов и экономистов для комплексного решения задач конструктивного и технологического проектирования бетона.
При проектировании составов бетона в задачах второго типа предполагается их многовариантность. Выбор того или иного состава определяют в конкретных условиях, исходя из принятого критерия оптимальности. Такими критериями наиболее часто могут быть минимальный расход цемента, минимальная средняя плотность бетона, минимальная стоимость бетона. Может быть выбран более сложный критерий, например, стоимость конструкций или даже всего сооружения в целом с учетом не только стоимости бетона но и трудоемкости, стоимости изготовления, перевозки и монтажа конструкций.
В задачах второго типа в качестве оптимизируемых факторов состава бетонной смеси рассматриваются не только рецептурные (соотношение заполнителей, расход добавки), но технологические и конструктивные параметры.
Одним из подходов, связывающих состав бетонной смеси с технологическим процессом, является теоретический подход, разработанный Ю. Сторком. Он предложил рассматривать энергию уплотнения бетонной смеси при вибрации как один из основных параметров состава смеси, обеспечивающий в комплексе с другими факторами, необходимую прочность бетона. Исходя из этой предпосылки, Ю. Сторк вывел ряд уравнений, устанавливающих зависимость между режимом вибрации, составом и физико-механическими свойствами бетонных смесей и бетонов.
В ряде работ получены уравнения, связывающие состав бетона с режимом тепловой обработки, и рассмотрены их решения при различных критериях оптимальности.
Задачи первого типа можно разделить на группы: однопара-метрические, двух- и многопараметрические. В основу такой классификации положено общее количество нормируемых параметров для бетонной смеси и затвердевшего бетона.
Для однопараметрических задач не нормируется обычно в строго определенных количественных границах показатель удобоукладываемости смеси. Указывается лишь его качественная характеристика (смесь полусухая, жесткая, подвижная, литая). Качественно могут характеризоваться и отдельные показатели затвердевшего бетона (бетон морозостойкий, водонепроницаемый, сульфатостойкий и др.). В ряде случаев указывается способ изготовления изделий или выполнения бетонных работ. Могут указываться также условия эксплуатации конструкций. В тех случаях, когда это представляется возможным, технолог вводит в условие задачи проектирования составов количественные показатели, адекватные качественным оценкам, и однопараметрическая задача проектирования состава трансформируется в двух- или многопараметрическую. В остальных случаях приходится, проектируя состав, обеспечивающий нормируемые свойства, вводить необходимые ограничения по расходу воды, В/Ц, крупности и виду заполнителей, содержанию добавки.
Наиболее разработанными и реализуемыми на практике являются двухпараметрические задачи, когда нормируемым свойством бетона является его прочность при сжатии (Псж), а бетонной смеси - показатель удобоукладываемости (подвижность ОК или жесткость Ж). Для решения задач этого типа широко применяются расчетно-экспериментальные методы, использующие ряд известных технологических зависимостей: прочности бетона от цемен-тно-водного отношения, правило постоянства водопотребности бетонных смесей, правило оптимального содержания песка и др.
При решении таких задач для тяжелых бетонов последовательно определяют значения цементно-водного отношения, расход воды с учетом требуемой подвижности или жесткости бетонной смеси и расход заполнителей, используя допущение о том, что бетонная смесь складывается из абсолютных объемов всех ее составляющих. В простейшем случае для четырехкомпонентной смеси необходимо знание трех параметров: цементно-водного отношения (Ц/В), расхода воды (В) и фактора, характеризующего соотношение заполнителей (доли песка в смеси заполнителей (г) или коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором (а)). Последний фактор можно рассматривать как оптимизирующий, т.к. лишь при некотором оптимальном его значении, в условиях Ц/В=сопзт, возможно достижение минимального расхода цемента (рис. 7.1). Чаще всего под оптимальным принимают соотношение заполнителей, обеспечивающее их наилучшую удобоукладываемость или минимальную водопотребность. Для бетонной смеси с большим количеством компонентов строгий аналитический поиск оптимального соотношения заполнителей становится достаточно сложной задачей, требующей применения методов нелинейного программирования и ДР - В некоторых случаях задача может быть упрощена при использовании эмпирических зависимостей.
Оптимизирующим фактором может служить также расход добавки. В частности добавки-пластификаторы позволяют достичь минимального расхода цемента при оптимальном их расходе, который зависит от необходимой подвижности смеси, прочности бетона.

В тех случаях когда, кроме прочности при сжатии, возникает необходимость нормирования ряда других его строительно-технических свойств, задача проектирования состава существенно усложняется.
При проектировании составов различных и, в особенности, специальных видов бетона (гидротехнического, дорожного, кор-розионностойкого и т.д.) возникают многопараметрические задачи. Их можно разделить на три подгруппы:
с нормируемыми параметрами, однозначно связанными с прочностью бетона при сжатии;
с нормируемыми параметрами, неоднозначно связанными с
прочностью при сжатии;
с нормируемыми параметрами, не связанными с прочностью
при сжатии.
В первую подгруппу входят, например, задачи с различными нормируемыми показателями прочности бетона. При расчете составов таких бетонов сначала находится определяющий параметр из нормируемых свойств бетона, соответствующая ему прочность при сжатии и устанавливается минимально возможное Ц/ В, обеспечивающее весь набор свойств. Под "определяющим параметром" понимается такой нормируемый параметр, достижение которого предполагает одновременно достижение и всех других параметров, указанных в условии задачи.
Разработка достаточно общего и доступного расчетно-экспериментального метода проектирования составов бетонных смесей с заданной удобоукладываемостью и прочностью бетона стала возможной благодаря использованию ряда допущений, сделанных на основе физических закономерностей, обусловленных влиянием структуры бетона на его свойства. Такими закономерностями являются закон (правило) водоцементного отношения, правило постоянства водопотребности бетонных смесей, правило оптимального содержания песка и др. Данные закономерности могут быть использованы и при многопараметрическом проектировании составов бетона. При этом общая схема метода следующая:
1 С учетом проектных требований к бетону, технологических условий и технико-экономического анализа выбираются исходные компоненты бетонной смеси и ее удобоукладываемость.
2 В тех случаях, когда нормируются свойства бетона, однозначно связанные с прочностью бетона при сжатии Рсж (прочность при растяжении, изгибе, модуль упругости, условная растяжимость и др.), определяется значение последней, обеспечивающее заданные свойства.
3. С учетом активности цемента, качественных особенностей за
полнителей, условий твердения и других факторов определяется Ц/В, обеспечивающее заданные свойства.
4. Для достижения требуемого показателя удобоукладываемости и при необходимости других свойств бетонной смеси и бетона (например, усадки) при использовании данных исходных
материалов и добавок определяется расход воды (В). При этом в случае выхода за пределы правила постоянства водопотребности расход воды корректируется с учетом Ц/В.
5. При нормировании морозостойкости бетона рассчитывается требуемый объем эмульгированного воздуха и уточняется необходимое Ц/В.
6. При найденных значениях В и Ц/В проверяется возможность достижения нормируемых свойств, которые определяются этими двумя технологическими параметрами. В случае недостижения нормируемых параметров производится дополнительное корректирование В и Ц/В с использованием при необходимости специальных технологических приемов (введение добавок и др.).
7. Рассчитывается с учетом окончательно найденных Ц/В и В расход цемента и проверяется выполнение ограничений, связанных с расходом цемента (тепловыделение, стойкость к коррозии и др.).
8. Рассчитывается состав мелкого и крупного заполнителя при введении нескольких фракций, а затем их расходы. При выборе соотношения заполнителей наряду с достижением наилучшей удобоукладываемости и прочности принимаются во внимание и другие условия (повышенная водонепроницаемость, толщина конструкции, степень армирования и др.).
9. Рассматривается возможность использования различных технологических решений, направленных на экономию цемента, снижение энергозатрат, уменьшение стоимости бетонной смеси.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• Самый надежный вариант покупки бетона - оформить заказ через нашу систему.
• Детальные подробности про бетон в15 (цена, характеристики, область употребления и месторасположение производств).
• В тендерной системе «М350» стоимость за бетон складывается в результате конкурентной борьбы между Солнечногорским бетонным заводом и РБУ окрестных районов.