Развитие метода математического моделирования требует одновременного совершенствования критериев оценки материалов бетона как многокомпонентных, так и с отходами промышленности, которые позволили бы получить более точные количественные зависимости «состав – структура – технология – свойства». Это возможно только при формализации структуры бетона и установлении с помощью экспериментальных исследований количественных соотношений между характеристиками структуры бетонов и их свойствами.
Формализация структуры бетона предусматривает количественную оценку влияния на формирование его структуры и свойств каждого из компонентов: заполнителя, цемента, добавок.
Особенность формирования структуры бетона заключатся в том, что схватывание и твердение цементного теста происходят не в блоке, а в пустотах заполнителя или в тонких прослойках между заполнителями. Это вносит особенности в протекающие процессы. Компоновка зерен цемента, расстояние между ними, характер контактов, седиментационные явления, изменение объема цементного теста еще до схватывания цемента в известной мере определяется размером и структурой пустот заполнителей, а также характеристикой его поверхности [1, 2].
Заполнитель в бетонной смеси разделяет цементное тесто на микрообъемы – «структурные ячейки», часть воды затворения в которых адсорбционно связывается поверхностью заполнителя. Вокруг каждого зерна заполнителя образуется так называемый слой обмазки из цементного теста. На рис. 1 представлен бетон слитного строения, в котором цементное тесто заполняет пространство между зернами заполнителя.
После приготовления и укладки (уплотнения) бетонной смеси в цементном тесте, заключенном между зернами заполнителя, происходит седиментационное уплотнение под действием сил тяжести. Осевшее цементное тесто имеет неравномерное строение по высоте: внизу — более крупные частицы цемента, вверху - более мелкие. Под заполнителем образуются полости, заполненные отслоившейся в результате седиментации воды. В этих полостях находятся также пузырьки вовлеченного в смесь воздуха [3].
Рисунок 1. Структурная ячейка бетонной смеси:
1 - зерна заполнителя; 2 – слой воды смачивания; 3 – слой обмазки мз цементного теста; 4 – осевшее цементное тесто; 5 – отслоившаяся в результате седиментации вода; 6 – пузырьки вовлеченного воздуха
В «структурных ячейках» создаются специфические условия, которые влияют на кинетику структурообразования цементного камня в бетоне, выражающиеся в том, что первоначальное твердение бетона происходит при водоцементном отношении, всегда меньшем, чем водоцементное отношение затворения.
Введенный в цементное тесто заполнитель, при постоянном расходе воды затворения существенно влияет на свойства бетонной смеси, например, уменьшает ее подвижность и сокращает период формирования структуры, т.е. переход из вязкого-пластичного состояния в затвердевшее, причем тем в большей степени, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность. Это аналогично уменьшению В/Ц. Кроме того, введение в цементное тесто заполнителя при постоянном В/Ц приводит к возрастанию предельного напряжения сдвига системы, которое возрастает по мере увеличения объемной концентрации заполнителя и как следствие – уменьшения прослоек цементного теста между его зернами.
В системе «цемент – вода» кинетика гидратации цемента и тепловыделения при одинаковых условиях твердения определяются значением В/Ц затворения и периодом формирования структуры, то есть время от начала затворения до момента резкого изменения структурообразования в этом случае зависит только от В/Ц. Однако в бетонах эта закономерность не наблюдается. Бетоны с одинаковыми периодами формирования структуры могут иметь различные значения В/Ц затворения, но все они имеют одинаковое условное В/Ц, цементного теста, так как период формирования структуры у них одинаковый. Условно можно считать, что в этом случае поведение бетонной смеси определяется свойствами цементного камня, как бы имеющего несколько меньшее В/Ц, чем В/Ц затворения.
Зависимость свойств цементного теста от В/Ц представлено на рис. 2. Анализ результатов показывает, что с увеличением В/Ц средняя плотность сначала уменьшается до минимальной величины, что связано с возникновением сольватных оболочек вокруг зерен цемента и, как следствие, образования флокул, внутри которых находится защемленный воздух. С увеличением В/Ц средняя плотность цементного теста увеличивается до максимальной величины, при этом впервые образуется удобообрабатываемое цементное тесто.
Рисунок 2. Зависимость средней плотности
цементного теста от В/Ц [4]
Консистенция цементной смеси до этого момента по внешнему виду напоминает влажную землю. Водоцементное отношение, при котором впервые образуется цементное тесто подвижной консистенции считается минимальным В/Цmin. Дальнейшее повышение В/Ц приводит к снижению средней плотности цементного теста и при В/Цmax происходит расслоение теста. Количественная величина этих В/Ц зависит от нормальной густоты цемента [4]. Если принять нормальную густоту (НГ) за коэффициент нормальной густоты (Кнг), например, для цемента с НГ = 25%, Кнг = 0,25. Тогда для цементного теста подвижной консистенции:
В/Ц = (0,876 – 1,65)∙Кнг.
Исходя из этой формулы, для цемента с НГ = 25% водоцементное отношение составит 0,219 – 0,4125.
Становится очевидным, что твердение цемента с В/Ц = 0,219 – 0,4125 может быть только при этих В/Ц, где бы он не находился в цементном тесте, в растворной или бетонной смеси.
Таким образом, было установлено, что равноподвижные смеси имеют одинаковый период формирования структуры, независимо от В/Ц затворения.
При схватывании формируется определенная первоначальная структура, которая является интегральным итогом предшествующих процессов. В последующем эта структура видоизменяется, уплотняется за счет гидратации цемента, но ее характер оказывает определенное влияние на конечные свойства бетона, т.е. в данном случае проявляется наследственный характер.
Вблизи зерен заполнителя нарушается система упаковки цемента, возникает сложное взаимодействие между цементным тестом и поверхностью заполнителя. В этой контактной зоне условия формирования структуры цементного камня отличаются от условий, наблюдающихся в центре элементарного объема, т.е. в слоях цементного теста, отстоящего от поверхности заполнителя на большее расстояние [5, 6].
Определить количество воды, необходимое для компенсации влияния заполнителя, можно введением понятия об условно-истинном водоцементном отношении (В/Цист) [7]. Под истинным водоцементным отношением подразумевается такое В/Ц, которое обеспечивает такую же подвижность и сроки схватывания цементного теста, что и подвижность и сроки схватывания бетонной смеси при В/Ц затворения.
Добавочное же количество воды, необходимое для получения равноподвижной бетонной смеси при использовании определенного вида заполнителя, условно можно назвать его водопотребностью Взап. Тогда водопотребность заполнителя можно представить:
Водопотребность заполнителя в бетонной смеси легко устанавливается из сравнительных испытаний цементного теста и бетона с одинаковой подвижностью и сроками схватывания или сравнения результатов испытания бетонной смеси разных составов. Однако, В/Цист не определяет однозначно свойства бетонной смеси. Существенное значение имеет содержание в бетоне цементного теста или его концентрация . Как показывают исследования, при оценке поведения бетонной смеси наибольшая сходимость результатов достигается при применении понятия об условной объемной концентрации с учетом В/Цист:
Для полной характеристики строения бетона необходимо оценивать не только его макроструктуру, но и микроструктуру. Микроструктуру можно оценивать по характеру пористости цементного камня и заполнителя, а также пористости, получаемой за счет воздухововлечения при введении химических добавок.
В качестве общей количественной характеристики строения бетона можно воспользоваться условным критерием , который представляет собой отношение объемной концентрации цементного камня в бетоне при заданном значении
к суммарной пористости бетона
, которая складывается из пористости цементного камня, пористости заполнителя
и пористости, образованной вовлеченным воздухом
:
Зависимость «свойство – структура» может быть представлена либо в виде критериальной функции, либо в форме многофакторной математической модели. Критериями прочности и стойкости бетона удобно пользоваться, когда на основе предшествующего опыта достаточно строго определен выбор материалов (вяжущего, заполнителей) и свойства всецело зависят от структуры. В этом случае критерии стойкости, например, позволяют прогнозировать морозостойкость бетона.
Многофакторные уравнения, получаемые математико-статистическим путем, могут включать, наряду со структурными характеристиками, также и характеристики свойств исходных компонентов (вяжущего, заполнителей, наполнителей); они используются для определения состава специальных бетонов, свойства которых зависят от структуры в не меньшей степени, чем от качества вяжущего и заполнителей [7, 8]. Такой подход дает новые возможности для оценки таких длительно определяемых свойств, например, как морозостойкость бетона не только в образцах, но и в конструкциях. В этом случае, для прогнозирования морозостойкости, производственный бетон сличается с эталонным образцом по следующим показателям: идентичность по виду и структуре (объемная концентрация цементного камня, его водоцементное отношение, степень гидратации); идентичность технологических условий приготовления и уплотнения бетонных смесей, условий и времени твердения; идентичность однородности строения и свойств бетона. При одинаковых материалах и технологических условиях показатели стойкости производственного бетона и эталонных образцов могут совпасть только при наличии тождественности их структур.
Разработанные способы оценки водопотребности заполнителей в бетонной смеси и структурообразования цементного камня, раствора и бетона дали возможность разработать метод оценки качества любых наполнителей и заполнителей из отходов промышленности и их влияние на свойства бетонных смесей и бетонов. Для количественной оценки влияния отходов промышленности на свойства бетонных смесей и бетонов были введены понятия о коэффициентах, учитывающих их влияние на удобоукладываемость, морозостойкость, трещиностойкость, которые выражаются соответственно отношением изучаемого свойства соответствующим значениям свойств эталонных бетонных смесей и бетонов [9, 10, 11].
Так как выявленные структурно-технологические характеристики являются общими для бетона и бетонной смеси, обеспечивающей получение бетона заданной структуры, то появилась возможность оптимизировать состав бетона исходя из зависимостей типа «состав-структура-свойства». Это создает основу компьютерного моделирования структуры и свойств бетонов с техногенными отходами [12]. Например, принципом оптимизации является совместное рассмотрение многофакторных моделей, полученных на основе структурно-технологических характеристик с учетом влияния каждого компонента.
Структурные характеристики находят, решая совместно уравнения прочности и жесткости, жесткости и морозостойкости, жесткости и трещиностойкости и т.д. с помощью разработанных компьютерных программ.
В случае применения одних и тех же материалов для бетона (например, на заводах сборного железобетона) можно пользоваться графическими методами решения. Для этого строятся необходимые геометрические образы (изолинии) поверхности отклика.
Использование структурно-технологических характеристик эффективно для многокомпонентных самоуплотняющихся бетонов, в том числе с отходами промышленности, для которых недостаточно эффективны зависимости и методы, применяемые для классических бетонов, так как они лишены оперативности, а значительное изменение свойств отходов промышленности, широкое использование наполнителей и микронаполнителей требуют постоянной корректировки.
