Почему упаковка заполнителей влияет на стабильность прочности бетона

Одним из пионером в области изучения факторов, влияющих на прочность бетона, является американский ученый Duff A. Abrams, который в 1918 году опубликовал работу Design of concrete mixtures, Bulletin 1, Structural Material Research Laboratory, где была установлена связь между прочностью бетона и водоцементным отношением. Было получено простое эмпирическое соотношение, которое являлось результатом обработки нескольких десятков тысяч экспериментов. С тех пор знание о важности определяющего свойства водоцементного отношения напрочь укрепилось в качестве фундамента при расчете состава бетона. Однако необходимо иметь в виду, что во времена Абрамса практически все рецептуры бетона создавались с изрядным запасом цементного геля, что гарантировало некоторый минимальный набор прочности. Методов и технологий работы с упаковкой заполнителей в тот период работы еще не было. Позднее, когда стоимость цемента возросла значительно, а масштабы строительства увеличились кратно (чему послужила сперва индустриализация СССР, затем вторая мировая война и далее последующее восстновление стран) стал актуальным вопрос о снижении издержек - в первую очередь за счет сокращения расхода цемента. Исследователи стали изучать рецептуры с меньшим количеством цементного геля, и оказалось, что прочность бетона зависит от гораздо большого количества факторов, чем только В/Ц. На рисунке 1 приведены несколько наиболее важных из них.

Рисунок 1

Как следует понимать данные на рисунке 1? Понимать следующим образом - допустим, что у вас имеется некоторая рецептура - П, Щ, Ц, В, Д. Если теперь в этой рецептуре зафиксировав все параметрым постоянными значениями, и менять только один из них - например, погрешность определения влажности песка, то прочности бетона будет меняться на указанное на рисунке количество процентов. В случае с погрешностью песка - прочность будет "плавать" на 18% - в большую или меньшую сторону. В любом производстве присутствуют различные случайные факторы - это неучтенные влажности, колебания температуры, человеческий фактор (многие производители, считает последний бичом производства, однако, в отличие от других факторов - человеческий управляемый), погрешности дозирующих устройств и т.д. Все это приводит к тому, что итоговая прочность бетона не имеет конкретного значения, а находится в некотором диапазоне, определяемом коэффициентом вариации. Более понятной величиной является - размах колебаний прочности бетона за период наблюдений. Например, взгляните на рисунок 2 - это график наблюдений прочности бетона на одном из заводов за период 60 дней.

Рисунок 2

Такие колебание прочности бетона, конечно, доставляют производителю бетона массу проблем и хотелось бы иметь как можно меньший диапазон возможных значений прочности. Для того, чтобы понять как можно управлять величиной размаха колебаний с использованием технологии оптимизации упаковки заполнителей, попробуем разобраться как связана прочность и внутренняя структура бетона. Когда бетон затвердел, его прочность можно условно представить в виде трех вкладов - вклад от цементного камня, от границы раздела цементный камень/заполнитель и от прочности зерен заполнителей. Прочность границы цементный камень/заполнители - самая слабая из перечисленных, далее по возрастающей идет прочность цементного камня, прочность зерен песка и самые прочные - зерна щебня (если щебень состоит из гранитных пород). Упаковка зерен определяет среднее расстояние между зернами и площадь поверхности раздела между зернами заполнителей и цементным камнем. Кроме того, упаковка также определяет и количество самих зерен заполнителей, что обязательно будет сказываться на прочности.

Рисунок 3

Взгляните на рисунок 3, где приведено два возможных случая упаковки зерен заполнителей. В первом случае - зерна упакованы редко, расстояние между ними большое, цементный камень занимает как пустоты между зернами, так и существенно раздвигает их, формируя большую толщину прослойки между ними. Это случай бетона, который был распространен во времена Абрамса. Прочность бетона такого типа в основном определяется прочностью цементного камня, которая напрямую зависит от его пористости. Пористость цементного камня почти полностью определяется водоцементным отношением. Таким образом, взаимосвязь прочности бетона и водоцементного камня имеет наглядный физический смысл. Разрушение бетона в этом случае происходит за счет распространения трещин по цементному камню. Кроме водоцементного отношения на прочность будет значительно влиять также и активность самого цемента. Поскольку его активность - характеристика нестабильная, даже в одной партии может меняться вплоть до 10%, то итоговая прочность бетона будет также нестабильной величина и будет меняться на те же 10%. Для активности цемента в 50 МПа, размах колебаний прочности бетона может составлять до 10 МПа, что является неприемлимым для производства.

Вторая панель - справа - на рисунке 3 показывает другой предельный случай, когда количество зерен велико и они упакованы максимально. Тогда их пустотность будет минимальной и расход цемента будет также минимальным, что очень привлекательно с точки зрения экономии. Однако упускается из виду тот факт, что подвижность такой смеси будет крайне низкой. К тому же прочность такой структуры будет вопреки ожиданиям (прочность заполнителей в 1,5-2 раза выше прочности цементного камня) ниже, чем в случае на панели слева, когда в смеси много цеметного геля. Низкая прочность связана с тем, что площадь поверхности в максимально упакованной смеси будет также большой и количество контактов между зернами возрастает. Создаются благоприятные условия распространения трещины в бетоне через наиболее слабый элемент - граница раздела поверхности цементный камень/зерна заполнителей. Свойства этой границы напрямую зависят от свойств цемента, который, как указывалось выше, имеет нестабильные характеристики. Таким образом, оба случая - большое содержание цементного камня и максимальная упаковка зерен заполнителей - приводят к тому, что прочность бетона, помимо малого значения, будет определяться во многом свойствами цемента. Эти свойства нестабильны, следовательно, прочность бетона также будет характеризоваться разбросом.

Внимательный анализ рисунка 3 подсказывает, что если мы будем уменьшать количество цементного камня и увеличивать долю зерен заполнителей, однако не доводя ее до предельного значения, то мы можем получить такую упаковку зерен, при котором прочность будет наиболее стабильной и иметь максимальное значение. Пример такой упаковки приведен на рисунке 4.

Рисунок 4

Количество зерен на рисунке 4 подобрано таким образом, чтобы исходя из их гранулометрического состава, обеспечить наименьшую зависимость от нестабильных характеристик цемента, но в то же время не увеличивать вклад от наиболее слабого элемента - граница раздела между цементным камнем и зернами заполнителя. Прочность при такой упаковке возрастает благодаря тому, что увеличивается вклад в общую прочность бетона от отдельных зерен заполнителей. Как правило прочность последних в 1,5-2 раза выше прочности цементного камня и гарантированно стабильнее.

В результате мы получаем, что правильный подбор упаковки заполнителей уменьшает разброс прочности бетона, а также повышает среднее значение его прочности. Пример стабилизации на основе упаковки заполнителей рассмотрен в разделе Оптимизация имеющейся рецептуры.

Автор данной статьи -
руководитель компании,
к.ф.-м.н, Резаев Роман