Оптимизация структуры бетона для улучшения его качественных характеристик

Под структурой бетона понимают его строение на различных уровнях, от атомно-молекулярного для отдельных компонентов до макроструктуры как композиционного материала, состоящего из матрицы (цементного камня или цементно-песчаного раствора), заполнителей и контактной зоны. Каждый уровень структуры может быть охарактеризован определенными физическими параметрами, определяющими его особенности.
Структура бетона является объектом интенсивно развиваемой в бетоноведении структурной теории, устанавливающей влияние структурных параметров на свойства материала. Оптимизация структуры бетона направлена на достижение такой совокупности ее параметров, которое обеспечивает требуемый комплекс технических свойств при заданном критерии оптимальности.
Структурные параметры тесно связаны с параметрами составов бетонных смесей, технологии их изготовления, уплотнения, особенностями твердения. Определение этих параметров может производиться как эмпирически, так и расчетным способом. В последнем случае неизбежны определенные допущения и приблизительность количественных оценок.
В зависимости от постановки оптимизационных задач возможно применение разнообразных простых, комплексных, технических и технико-экономических критериев оптимальности (показатели свойств бетона, удельные расходы цемента, энергетические затраты, стоимость и др.).
Задача оптимизации заключается в достижении максимально или минимально возможного значения критерия оптимальности, который может задаваться при определенных ограничениях (по расходу ресурсов, технологическим параметрам).
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 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, обусловливающими рассматриваемые свойства.
Совпадение векторов изменения свойств и их оптимальных значений возможно при пропорциональном изменении соответствующих структурных параметров. Отношение, например, плотности цементного камня в бетоне (X) к объемной концентрации цементного камня (С) является некоторой функцией расхода цемента.
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 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 структурообразование за счет введения пластификаторов и наполнителей с использованием интенсивной раздельной технологии. Минимизация В/Ц необходима, когда цель оптимизации состоит в максимально возможном повышении плотности бетона и соответствующем изменении физико-механических свойств. 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.).
Строгое решение задач оптимизации, в том числе и структуры бетона, возможно с помощью математических методов, предполагающих построение и анализ математических моделей. Математические модели можно объединить в две группы -детерминированные и стохастические, или вероятностные.
Наибольшие возможности в материаловедческих исследованиях представляют стохастические модели, при построении которых используются кибернетические представления о т.н. «черном» или «сером» ящиках, различаемых так в зависимости от отсутствия или наличия определенных предварительных сведений о виде модели объекта.
Для систем «черного» и «серого» ящиков неизвестна внутренняя структура, задача моделирования заключается в том, чтобы исследовать изменение параметров «выхода» У при изменении параметров (факторов) «входа» X и получить уравнения связи, используя их для установления и анализа их причинно-следственной природы, оптимизации рецептурно-технологических решений.
Стохастические модели получают с применением экспериментально-статистических методов, обрабатывая данные «пассивного» или «активного» эксперимента. При «пассивном» эксперименте проводят опыты с поочередным варьированием каждого фактора или собирают необходимый статистический материал, не проводя специальных опытов. «Активный» эксперимент ставится по заранее составленному плану (планирование эксперимента), при этом предусматривается изменение всех изучаемых факторов. Обработка полученных данных проводится с помощью корреляционного и регрессионного анализов.
В настоящее время разработано большое число типовых планов для построения линейных и квадратичных моделей, а так же компьютерных программ, позволяющих полностью обработать исходные данные, выполнить необходимый анализ.
С применением полиномиальных моделей можно решать большой комплекс задач проектирования оптимальных составов и структуры материалов с заданными свойствами, технологических параметров, обеспечивающих заданные условия оптимальности.
При оптимизации структуры бетона, обеспечивающей комплекс требуемых свойств, необходимо учитывать что объективные взаимосвязи свойств с определенными структурными параметрами обусловливают и соответствующие связи свойств бетона между собой.
Из работ, выполненных в этом плане, можно выделить исследования, направленные на развитие теории искусственных строительных конгломератов (ИСК), основы которой разработаны И. А. Рыбьевым. 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. 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).

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• Детальные данные о бетоне 100 (стоимость, распространенность, сфера применения и месторасположение производств).
• По ссылке представлены подробные детали про возможность купить бетон м300 (цена, характеристики, сфера использования и расположение отгружающих РБУ).
• Требования к прочности бетона по ГОСТ - основные и дополнительные документы.