Приемлемые результаты могут быть получены также при расчетах составов наполненных бетонов с минеральными добавками с помощью метода "приведенного Ц/В". Алгоритм расчета составов бетонов данным методом базирующемся на рассмотренном ранее правиле "приведенного Ц/В", отличается от обычного тем, что после установления оптимального количества активного наполнителя при известном значении его "цементирующей эффективности" определяется по зависимости сначала (Ц/В)пр, а затем расход цемента.
Для определения расхода добавки используются известные данные или специальные зависимости, связывающие расход добавки с требуемыми значениями прочности, условиями твердения и др.
Например, известно, что для бетонов нормального твердения оптимальный расход золы-уноса составляет 100...150 кг/м3, пропариваемых - 150...200 кг/м3, для микрокремнезема и метакаолина он колеблется в интервале 30...50 кг/м3. При введении активного минерального наполнителя увеличивается объем вяжущего в бетонной смеси и соответственно должен увеличиваться коэффициент раздвижки (Кр) и уменьшаться доля песка в смеси заполнителей (r). Проведены опыты по определению возможности применения известных рекомендаций по назначению Кр и r, разработанных для цементных бетонов без добавки золы-унос. В качестве критерия оптимальности данных параметров выбрана подвижность бетонных смесей при постоянном объеме цементно-зольного теста. Исходными компонентами бетонных смесей служили портландцемент Здолбуновского ЦШК, зола-унос Бурштынской ТЭС, песок средней крупности с Мк=2,1 и гранитный щебень 5...20 мм.
Результаты проведенных трех серий опытов показывают, что при равных расходах цементного и цементно-зольного вяжущих и одинаковых В/Ц оптимальные значения Кр и r, при которых достигается наилучшая подвижность бетонных смесей, практически одинаковы.
4. Мелкозернистые бетоны
В последние годы все шире применяются мелкозернистые бетоны (МЗБ), в том числе для литых, прессованных и вибропрессованных изделий.
Многочисленные экспериментальные данные показывают, что на прочность мелкозернистого бетона при сжатии кроме Ц/В, активности цемента и качества заполнителя, влияет много других факторов, таких как удобоукладываемость смеси, условия твердения, вид и количество активных минеральных добавок и т.д. Наряду с этим, значительное влияние на свойства мелкозернистого бетона имеет также и способ уплотнения смеси.
Предлагаемая методика проектирования состава мелкозернистого бетона имеет ряд особенностей по сравнению с существующими:
• при назначении необходимого цементно-водного отношения учитывается тип бетонной смеси по ее удобоукладываемости, который определяет способ формования изделий и конструкций;
• учитывается не только крупность, но и форма зерен заполнителя через величину его удельной поверхности;
• используется физическая концепция формирования плотной структуры бетонной смеси (цементное тесто заполняет пустоты между зернами заполнителя и создает на его зернах пленку некоторой толщины, от величины которой зависит удобоукладываемость бетонной смеси).
Анализ экспериментальных данных позволяет предложить усредненные значения коэффициентов А и b с учетом вида бетонных смесей по удобоукладываемости.
При расчете состава мелкозернистой бетонной смеси необходимо учитывать, что после ее уплотнения в бетоне всегда остается некоторый объем воздуха. Количество вовлеченного воздуха определяется особенностями конкретных воздухововлекающих добавок. Определенный объем воздуха остается в результате недоуплотнения бетонной смеси (защемленный воздух Vз.в). Аппроксимация данных позволяет предложить выражения для расчета объема защемленного в мелкозернистых бетонных смесях воздуха (л):
• для пластичных смесей:
Vз.в=-6,52ln(ОК+1) + 19,9,
• для жестких смесей:
Vз.в=24,95ln(Ж+1) - 8,3.
Для смесей, жесткость которых нельзя определить обычными методами, (сверхжесткие или полусухие смеси), а также для бетонных смесей, которые уплотняются силовыми способами, объем защемленного воздуха зависит от параметров и особенностей способа уплотнения. Для бетонных смесей, которые уплотняются вибропрессованием, количество защемленного воздуха можно найти по номограмме, полученной на основе экспериментальных данных. Расходы всех компонентов мелкозернистой бетонной смеси связываются между собою условием: Vц.т+ Vп+ Vз.в =1000 л,
где Vц.т -объем цементного теста, л; Vп -объем песка, л.
Количество цементного теста должно быть таким, чтобы заполнить пустоты между зернами песка и создать на них пленку некоторой толщины.
Анализ известных экспериментальных данных дает возможность утверждать, что условная толщина пленки ?зависит от удобоукладываемости бетонной смеси (Ж или ОК), Ц/В, удельной поверхности заполнителя (S), пустотности заполнителя в насыпном состоянии и объема пустот между зернами заполнителя незаполненного цементным тестом (Vн).
Определить условную толщину цементной пленки на зернах заполнителя можно пользуясь номограммами полученными на основе экспериментальных данных В.П.Сизова.
Величина Vн характеризует недостаток цементного теста для заполнения пустот между зернами заполнителя (а в некоторых случаях и на создание пленки условно-минимальной толщины (13 мкм)), наличие защемленного воздуха.
В первом приближении Vн можно принимать равным объему защемленного воздуха Vз.в., однако в случае, если полученная величина ?будет меньше 13 мкм, Vн нужно увеличивать, пока условие не будет выполнено.
Снижение величины Vн можно достичь увеличением количества цементного теста за счет введения дисперсного активного или инертного наполнителя (например золы или гранитной пыли).
5.Бетоны термосного твердения
Задачи проектирования состава бетона при выдерживании конструкции методом термоса преследуют цель определить такое соотношение компонентов бетонной смеси, которое позволит обеспечить заданные свойства бетона к моменту его замерзания. В зависимости от характера учитываемых ограничений можно выделить три основные типы задач:
1) с заданными характеристиками исходных материалов и параметрами термосного выдерживания бетона;
2) с заданными параметрами термосного выдерживания бетона и возможностью выбора вида и марки цемента;
3) с возможностью выбора вида и марки цемента и параметров термосного выдерживания бетона.
Расчеты составов бетона сводятся к решению оптимизационных задач с использованием уравнений:
• требуемой прочности бетона для обеспечения заданного класса;
• теплового баланса, при котором обеспечивается необходимый тепловлажностный режим твердения бетона;
• роста прочности бетона во времени для принятых температурно-влажностных параметров режима твердения;
• абсолютных объемов.
Критериями оптимальности в задачах указанных типов могут быть минимально возможный расход цемента, энергозатраты или стоимость бетона с учетом нагрева смеси и изготовления соответствующей опалубки. Возможна постановка задач оптимизации с целью достижения заданного критерия оптимальности, например, минимальной стоимости при ограничениях по энергоресурсам и расходу цемента.
При заданном значении прочности бетона к моменту замерзания необходимую длительность изотермического выдерживания находят по известным рекомендациям с учетом температуры твердения и вида цемента.
Модуль поверхности конструкции и коэффициент теплопередачи опалубки определяют по известным формулам, затем назначают конструкцию опалубки и, при необходимости, для задач третьего типа выбирают и дополнительно рассчитывают толщину теплоизоляции.
Принимая за температуру изотермического выдерживания бетона среднюю его температуру tб.ср за период охлаждения, из формулы теплового баланса можно найти необходимый расход цемента при термосном выдерживании бетона, обеспечивающий при данном коэффициенте теплопередачи опалубки такую экзотермию, которая требуется для поддержания tб.ср. Расход цемента, принятый из условия теплового баланса, может существенно превышать необходимый расход цемента из условия прочности. В этом случае фактические прочности бетона как на момент замерзания, так и в 28 сут R28,20 будут значительно завышены. Поэтому оптимальный расход цемента можно определить путем совместного решения уравнений, и уравнения проектной прочности бетона R28,20. Очевидно, что это возможно лишь с помощью метода последовательных приближений. Расчет считают завершенным, когда разница между значениями расхода цемента из условий прочности и теплового баланса не превышает 5%.
При условии, что прочность бетона после термосного выдерживания должна быть не ниже заданной, по уравнениям можно оценить энергетическую эффективность разных возможных технологических приемов уменьшения в пределах каждого из указанных типов задач, в том числе и целесообразности некоторого перерасхода цемента.
Наиболее сложными представляются задачи с использованием критерия оптимальной стоимости (С), особенно задачи третьего типа, когда оптимизация состава бетона рассматривается неразрывно с оптимизацией параметров термосного выдерживания бетона. В этом случае целевая функция:
С = Сб.с + Соп + Снагр ,
где Сб.с - стоимость бетонной смеси на момент окончания укладки; Соп - стоимость опалубки; Снагр - стоимость предварительного нагрева бетонной смеси.