Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетонов

Дворкин Л. И., Дворкин О. Л.




Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетонов

Учебное пособие




2-е издание





Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2019

УДК 666.97
ББК 38.626.1
   Д24



ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп.1ч.4ст.11

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Толмачев С. М. (Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, г. Харьков);
доктор технических наук, профессор Шишкин А. А.
(Криворожский национальный технический уни-верситет, г. Кривой Рог)



    Дворкин Л. И., Дворкин О. Л.
Д24 Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетона. Учебное пособие. - 2-е изд., испр. и доп. -М.: Инфра-Инженерия, 2019. -384 с.

ISBN 978-5-9729-0294-1

   Излагаются основные расчетные методики прогнозирования основных свойств бетона на основе структурно-физических представлений и экспериментально-статистических моделей. Приведены основы методологии проектирования составов бетона с комплексом заданных проектных показателей. Рассмотрены алгоритмы и примеры решения задач проектирования составов бетона различных видов, а также их корректирования и адаптации в производственных условиях.
   Книга предназначена для инженерно-технических работников предприятий по изготовлению бетона и железобетонных изделий, а также строительных организаций. Книга может быть использована как пособие студентами и аспирантами строительных специальностей высших учебных заведений

              © Дворкин Л. И., Дворкин О. Л., авторы, 2019 © Издательство Инфра-Инженерия, 2019



ISBN 978-5-9729-0294-1

        Содержание


Предисловие...................................... 4
1. Структурно-физический метод прогнозирования свойств бетона................... 6
1.1. Водопотребность и удобоукладываемость бетонной смеси................................... 6
1.2. Прочность бетона............................. 28
1.3. Деформативные свойства...................... 58
1.4. Морозостойкость............................. 77
1.5. Термическая стойкость и тепловыделение...... 88
1.6. Водонепроницаемость......................... 98
1.7. Коррозионная стойкость...................... 109
2. Прогнозирование свойств бетона с применением экспериментально-статистических моделей.......... 113
2.1. Методология получения и анализа экспериментально-статистических моделей.......... 114
2.2. Анализ экспериментально-статистическихмоделей .. 127
3. Проектирование составов бетона по комплексу заданных параметров. Исходные материалы и общая схема решения задач...................... 139
3.1. Системный подход и условия оптимизации...... 139
3.2. Выбор исходных материалов................... 143
3.3 Выбор оптимального соотношения заполнителей в бетонной смеси................................. 173
3.4. Общая схема решения задач проектирования составов бетона по комплексу заданных параметров..         184
4. Проектирование составов бетонов разных видов..................................... 199
4.1. Конструкционные тяжелые бетоны.............. 200
4.2. Пропариваемые бетоны........................ 212
4.3. Дорожные бетоны............................. 230
4.4. Гидротехнические бетоны..................... 247
4.5. Бетоныдвердеющие при низких температурах и в условиях сухого жаркого климата.............. 266
4.6. Бетоны с активными минеральными наполнителями .  286
4.7. Мелкозернистые бетоны....................... 300
4.8. Легкие иячеистые бетоны..................... 316
5.Экспериментальное корректирование составов бетонных смесей, их регулирование и адаптация...... 356
5.1 . Экспериментальное корректирование лабораторных и определение производственных составов.......... 357
5.2 Регулирование и адаптация составов бетона....     367
Литература....................................... 379

        Предисловие


   Цементный бетон в настоящее время и на обозримую перспективу остается основным строительным материалом для изготовления изделий и конструкций, возведений инженерных сооружений разнообразного назначения. От качества бетона, соответствия его свойств функциональному назначению и условиям эксплуатации зависит надежность и долговечность конструкций и сооружений. Достижение необходимых качественных показателей бетона является сложной техникоэкономической проблемой и обеспечивается комплексом рациональных проектно-технологических решений на стадии подготовки производства и их реализации в процессе производства и строительных работ. Одной из ключевых задач и решении этой проблемы является проектирование оптимальных составов бетона, позволяющих при эффективном использовании ресурсов обеспечить его проектные показатели и необходимые технологические параметры.
   Разработка и совершенствование методологии проектирования оптимальных составов бетона является одной из центральных проблем бетоноведения - науки, изучающей структуру и свойства бетонов, технологические пути их обеспечения.
   Методология проектирования составов бетона развивается на базе экспериментально-теоретических обоснований, основных закономерностей, обуславливающих формирование свойств бетона, их динамику в процессе его работы в различных эксплуатационных условиях. Начиная с основополагающих работ Р. Фере, Д. Абрамса, М. Боломея, Н.М. Беляева, Б.Г. Скрамтаева, многими исследователями бетона на базе обширного экспериментального материала, предложено большое число расчетных зависимостей для прогнозирования основных свойств бетона в зависимости от факторов состава бетонных смесей и связанных с ними технологических параметров. На базе этих зависимостей разработан ряд расчетно-экспериментальных методов проектирования составов бетона с заданными свойствами. В создании таких методов, успешно применяемых на практике, наиболее значительный вклад принадлежит Б.Г. Скрамтаеву, И.Н. Ахвер-дову, Ю.М. Баженову, Г.И. Горчакову, И.М. Грушко, А.Е. Десо-ву, С.А. Миронову, И.А Рыбьеву, В.Н. Сизову, В.И. Сорокеру, А.Е. Шейкину, В.Н. Шмигальскому.

4

   Широко известны также работы Р. Богга, Н. Джулинского, В.Лерча, Ф. Ли, Ф. Мак-Миллана, А. Невилля, Т. Пауэра и др.
   Развитие методологии проектирования составов бетона на современном этапе идет по пути увеличения «разрешающей способности» расчетных зависимостей показателей свойств бетона, создания банка новых расчетных зависимостей, полученных как на основе физических представлений о синтезе свойств бетона, так и на базе кибернетического подхода и математического моделирования. Эти зависимости позволяют разрабатывать алгоритмы многопараметрического проектирования составов бетонов различного назначения при нормировании комплексов необходимых свойств и заданных критериях их оптимальности. Современные информационные технологии и компьютерные программные комплексы позволяют реализовать указанные алгоритмы, в том числе, и автоматизированных системах управления технологическими процессами.
   В данном пособии автор старался обобщить имеющиеся результаты исследований, позволяющие создать расчетную базу для проектирования составов бетона по комплексу заданных параметров.
   Приводятся ряд алгоритмов многопараметрического проектирования составов бетонов различных видов и примеры их реализации.
   Авторы благодарны проф. Ю.М. Баженову за консультации при разработке ряда задач и теоретических вопросов, освещенных в книге. Авторы благодарны также сотрудникам и аспирантам кафедры технологии строительных изделий и материаловедения Национального университета водного хозяйства и природопользования, работавшим с ним в разные годы над проблемой, которой посвящена данная книга.
   Авторы признательны также рецензентам пособия д.т.н. Толмачеву С.М. и д.т.н. Шишкину А.А. за ценные советы и замечания по содержанию книги, которые были учтены, а также инж. Нихаевой Л.И. и Мацько Л.А. за техническую помощь при подготовке книги к изданию.

5

        1. Структурно-физический метод прогнозирования свойств бетона

   Свойства бетона тесно связаны с его структурой. Под структурой бетона понимают его строение на разных 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. Структурные параметры тесно связаны с параметрами составов бетонных смесей, технологии их изготовления, уплотнения, особенностями твердения. Определение этих параметров может осуществляться как эмпирически, так и расчетным способом. В последнем случае неизбежны определенные предположения и ориентировочность количественных оценок. Вместе с тем, расчетные количественные зависимости позволяют реализовать научно обоснованный и очень важный для практики структурно-физический метод прогнозирования различных свойств бетона, который открывает пути управления и оптимизации его составами и технологическими режимами.

    1.1.  Водопотребность и удобоукладываемость бетонной смеси

   Водопотребность и удобоукладываемость - важнейшие взаимосвязанные между собой технологические свойства бетонных смесей, которые определяют как способность их к уплотнению, так и в значительной степени, свойства затвердевшего бетона.
   Не учитывая незначительное количество гидратной воды, можно записать уравнение водного баланса бетонной смеси:
         В = ХКНТЦ + Кс.пП + Кс.щЩ + ВПоГЛ + Всв, (1.1) где В - водосодержание, определяемое необходимой удобоук-ладываемостью смеси, кг/м³; Ц, П и Щ - расходы, соответственно цемента, песка и щебня (гравия), кг/м³; Кн.г, Кс.п, Кс.щ - нор

6

мальная густота и коэффициенты смачивания мелкого и крупного заполнителей (в долях единицы); X = (В/Ц)ц/Кн.г - относительный показатель увлажнения цементного теста в бетонной смеси ((В/Ц)ц - водоцементное отношение цементного теста); Впогл - вода, поглощенная порами заполнителей, кг/м³; Всв - вода, механически удерживаемая в поровом пространстве между зернами заполнителей, покрытыми цементным тестом, кг/м³.
   В зависимости от принятого способа формования и степени увлажнения бетонная смесь может иметь несвязное (рыхлоземлистое) или связное состояние, характеризуемое различной степенью пластичности. Для цементного теста критерии связности Км.в = 0,876Кн.г и Кпр = 1,65Кн.г, характеризующие соответственно его максимальную влагоемкостъ и водоудерживающую способность, были предложены И.Н. Ахвердовым и подтверждены многими исследователями. Степень связности бетонных смесей можно характеризовать предельным напряжением сдвига растворной составляющей (тпр.р) и коэффициентом внутреннего трения. Связные бетонные (растворные) смеси характеризуются тпр = (4...8) 10² Н/м², коэффициент их внутреннего трения f = tg ф (ф - угол внутреннего трения) колеблется от 0,87 до 0,25.
   Минимально необходимое для формуемых смесей количество воды ориентировочно равно:
              Вт₁П = Хт.вКн.гЦ+Кс.пП+Кс.щЩ+Впогл. (1.2) где Хтв - относительное влагосодержание цементного теста, соответствующее максимальной влагоемкости цемента, при которой он практически не содержит в ячейках между обводненными частицами капиллярную влагу (Хм.в < 0,876).
   Коэффициенты смачивания Кс.п и Кс.щ характеризуют удельное количество воды, удерживаемой соответственно мелким и крупным заполнителями в пленочном состоянии на своей поверхности. Они зависят от величины поверхностной энергии, крупности и рельефа поверхности зерен заполнителей.
   Предложены различные методики определения коэффициентов смачивания - испытанием непосредственно увлажненных песка и щебня (гравия) или цементного раствора (бетона) с определенной консистенцией цементного теста. При некоторой

7

влажности песка скачкообразно изменяется электрическое сопротивление, что может свидетельствовать об уменьшении энергии связи воды с песком после его полного смачивания.
   По данным М.Г. Элбакидзе и И.Н. Ахвердова коэффициент смачивания кварцевого песка с учетом водопоглощения в зависимости от крупности фракции колеблется от 0.72 (5-2.5 мм) до 5.04% (0.3-0.15 мм), гранитного щебня от 1.21 (5-10 мм) до 0.75% (40-60 мм). Смачивание завершается равновесием, при котором бетонная смесь приобретает рыхло-землистое состояние. При этом расчетное В/Ц такой смеси (при Впогл = 0) равно:
(В /Ц)0 = 0,876 К г + '<с" П ⁺ Кслц Щ .         ⁽¹-³⁾
б "       н.1         Ц


   Нетрудно подсчитать, что значения

(В/Ц)б = 0.25...0.35.

   При интенсивных механических воздействиях, например, прессовании или вибропрессовании, часть воды смачивания отжимается и (В/Ц)б уменьшается. Величина Км.в при давлении 50 МПа снижается почти до 0.1. В горячепрессованных образцах цементного камня Рой и Гоуда достигли В/Ц=0,093. По данным И.Н. Ахвердова объем воды смачивания на поверхности заполнителя по мере повышения давления прессования может приближаться к адсорбционному. Существенное уменьшение Км.в можно достичь и за счет применения эффективных ПАВ - суперпластификаторов. Это доказывает практика получения вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) при совместном измельчении клинкера и минеральных добавок с введением повышенных доз сухих суперпластификаторов.
   Следующей стадией увлажнения после адсорбирования и смачивания является заполнение водой капиллярно-пористого пространства бетонной смеси. Капиллярная вода также как и вода смачивания относится к физико-механической, но обусловлена капиллярным давлением, возникающим в порах. Основная масса пор в бетонной смеси относится к макрокапиллярам (г >10⁻⁵ см), они заполняются водой при непосредственном соприкосновении с ней и отдают ее в атмосфере, насыщенной водяными парами. Для относительно крупных пор (обычно бо

8

лее 10'³ см) капиллярное давление незначительно и поведение воды в них определяется, в основном, влиянием силы тяжести.
   В соответствии с термодинамической теорией влагоперенос в системе соприкасающихся тел происходит от более широких капилляров с меньшим потенциалом к более узким, имеющим соответственно более высокий капиллярный потенциал. В состоянии гигротермического равновесия потенциалы соприкасающихся тел выравниваются, однако удельные влагосодержа-ния их, как правило, неодинаковы и пропорциональны значениям удельной влагоемкости. Эти выводы теории влагопереноса справедливы и применительно к бетонным смесям. По мере их увлажнения влага насыщает сначала более тонкие капилляры цементного теста и при установлении равновесия удельные вла-госодержания цементного теста и заполнителей могут существенно отличаться.
   Цементное тесто насыщается водой до некоторого предельного В/Ц, характеризующего его водоудерживающую способность. При дальнейшем увеличении В/Ц механически удерживаемая вода раздвигает частицы бетонной смеси, увеличивая ее подвижность, однако ухудшая целый ряд технических свойств бетона.
   Способность бетонной смеси растекаться под действием гравитационной силы или вибрации и приобретать определенную подвижность или жесткость обусловлена содержанием физика -механической воды, относительно слабо связанной с цементом и заполнителями (мобильной воды - Втоь):
ВтоЬ = Всв ₊ (X - Хт.в)Кн.гЦ.        (1.4)
   Одна из важных технологических задач - минимизация водопотребности бетонных смесей без ухудшения показателей их удобоукладываемости решается за счет введения пластифицирующих добавок и оптимизации зернового состава заполнителей, применения цементов с пониженной нормальной густотой.
   Примерно одновременно (в начале 30-х годов прошлого столетия) и независимо друг от друга В.И. Сорокером в СССР и Ф.Р. Макмилланом в США было установлено правило постоянства водопотребности (ППВ). Ими было найдено, что при неизменном водосодержании расход цемента в пределах 200.. .400

9

кг/м³ не влияет существенно на удобоукладываемость бетонных смесей. Первоначально ПИВ распространяли лишь на малоподвижные смеси, а затем оно нашло экспериментальное подтверждение для жестких и подвижных бетонных смесей. Основываясь на ППВ, сначала С.А. Миронов, а затем и другие авторы предложили графики и таблицы для ориентировочного определения водосодержания бетонных смесей в зависимости от показателей осадки конуса и жесткости. Эмпирические рекомендации по определению водосодержания бетонных смесей с учетом ППВ в настоящее время являются обычными в методиках проектирования составов тяжелых бетонов, рекомендуемых в большинстве стран. В соответствии с ПИВ водопотребность бетонных смесей, необходимая для достижения определенного показателя удобоукладываемости, является практически постоянной в определенном диапазоне расходов цемента и В/Ц.
   Признавая ПИВ, различные авторы, вместе с тем, приводят различные значения предельных расходов цемента, в диапазоне которых это правило справедливо. Так, большинство авторов, верхний предел применимости ПИВ принимает 400 кг/м³, В.П. Сизов считает, что оно справедливо до 350 кг/м³, а А.Е. Десов -до 300 кг/м³. По мере увеличения жесткости понижаются как нижний, так и верхний предельные расходы цемента. Даже в пределах одной жесткости верхний предельный расход цемента колеблется от 280 до 380 кг/м³, а нижний от 140 до 200 кг/м³.
   Существенная стабилизация верхнего предела области ПИВ и учет особенностей применяемых цементов достигаются при выражении его через критическое В/Ц ((В/Ц)кр) равное в среднем 1,68Кн.г, где Кн.г - В/Ц, соответствующее нормальной густоте цементного теста.
   С физических позиций правило постоянства водопотребности заключается в том, что с увеличением Ц/В до некоторого критического значения рост структурной вязкости цементного теста в бетонной смеси компенсируется увеличением его количества и, соответственно, толщины слоя цементного теста на зернах заполнителя. За пределами критического Ц/В увеличение количества "смазки" уже не компенсирует прогрессивно возрастающую вяз-костьтеста(рис. 1.1).

10