Г#/ге' reh ГА

Рис. 5.5. График изменения прочности вяжущего вещества

ляжущего вещества и плотности упаковки макрочастиц, на сниже­ние толщин пленок среды в свежеизготовленном конгломерате. Кроме того, хотя из формулы непосредственно не видно, но из гра-

HKa в пространственной системе координат вполне очевидно (рис. 4), что за каждым фазовым отношением с/ф при оптимальных Структурах обязательно следует определенное содержание, ему Соответствующее, вяжущего вещества (или заполнителя). Во всех случаях необходимо стремиться к минимуму вяжущего при соблю­дении других условий оптимальности структуры и комплекса за­данных свойств. Повышение прочности вяжущего достигается пу­тем снижения внутренней дефектности структуры за счет, напри­мер, предохранения на стадии формования и тепловой или иной обработки изделия от технологических микротрещин, усадочных деформаций и т. п., повышения компактности упаковки микрочас­тиц сближением их друг с другом. В некоторых пределах возможен также один из приемов увеличения модуля упругости (£), т. е. Жесткости материала.

Формулой прочности (5.3) можно пользоваться при условии, что температура материала и скорость нагружения (или скорость де­формирования) при испытаниях остаются постоянными, а структу-

pa —оптимальной. Для расчета прочности с переходом к другим
температурам или другим скоростям нагружения (деформирова­
ния) образцов используют обобщенную зависимость того/же авто­
ра, в которой дополнительно появляются температурный и реоло­
гический компоненты: /

Rt„v_i = Rt, v(T/^ti)^p(vJ'v)*, J (5.4)

где R_T, v — прочность, заданная или определенная по формуле (5.2) или (5.3); Г, — новая температура, при которой определяется прочность; vi — новая скорость нагружения (или деформирования), при которой определяется прочность; р — показатель теплостойко­сти, характеризующий интенсивность изменения прочности с изме­нением температуры материала; k — показатель деформативной стойкости или пластичности, характеризующий интенсивность из­менения прочности с изменением скорости деформирования (или скорости приложения нагрузки) при испытаниях.

Следует отметить, что многие материалы мало реагируют на изменение скорости деформирования (например, хрупкие или псев­дохрупкие материалы) в определенных пределах ее изменения. Не­которые материалы мало реагируют на изменение температуры ис­пытания в определенных пределах. В каждом таком случае соот­ветствующие показатели степени (р или k) становятся равными нулю и формула (5.4) принимает выражение, свободное от соот­ветствующего компонента или обоих одновременно (т. е. темпера­турного и реологического). Таковы, например, цементные бетоны, силикатные изделия и др. Однако асфальтобетон, термопластичный полимербетон и другие ИСК весьма чувствительны к колебаниям температуры и скорости деформирования.

Закон конгруэнции устанавливает, что между свойствами вяжу­щего вещества и конгломерата на его основе или между свойства­ми различных конгломератов на основе общего вяжущего вещества при оптимальных структурах существует обязательное соответст­вие.

Этот закон означает, что при улучшении или ухудшении ка­чества вяжущего соответствующие изменения произойдут и с конг­ломератом, изготовляемом на его основе. При неоптимальных структурах нередко получают конгломераты худшего качества да­же при повышении качества вяжущего вещества. Закон конгруэн­ции показывает, что одной из главных задач при повышении каче­ства любого конгломерата является всемерное улучшение его вя­жущей части. Конкретные меры зависят от разновидности вяжу­щего, но всегда определенную пользу приносят: сближение частиц до предельно возможного минимума; повышение дисперсности частиц твердой фазы; применение добавочных веществ направлен­ного действия; обработка вяжущего (и конгломерата) с помощью физических активаторов и т. п. Устойчивую зависимость между свойствами материала и его вяжущей частью выражают в виде формул по типу (5.2).

Wh-A Исследования показали, что закон конгруэнции может быть Щ^распространен и выражен в виде уравнений на материалы опти-УЩ'мальных, структур при различных вяжущих веществах и техноло--Шгиях, т. ё. он имеет более широкое обобщение, чем было указано Ж выше. Eri применение позволяет совершенствовать производство, Щдткрывать\новые материалы с заданными и притом экстремальны­ми ми свойствами, прогнозировать качество материала и т. п. щ'р Законы оптимальных структур не изолированы друг от друга, |р* взаимосвязаны, поэтому их используют в совокупности. Особен- Щ-Ф° наглядны^ их комплексное использование проявляется при про-Ж«ктировании оптимальных составов. Метод проектирования преду--ресматривает применение законов для получения не только оптималь-\т ного состава по заданным показателям качества, но и обеспечения |; оптимальной структуры для принятой технологии, чтобы заданные ^свойства были одновременно и экстремальными (закон створа).

5.2. Принцип долговечности строительных материалов

Временные элементы долговечности. Комплексной характери­стикой качества материалов является долговечность — способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в течение воз­можно более длительного времени. О долговечности судят по про­должительности изменения до критических пределов прочности, упругости или других свойств. С этой целью образцы или изделия подвергают в лабораторных или натурных (эксплуатационных) ус­ловиях воздействию комплекса механических, физических, химиче­ских и других факторов, реально воздействующих на конструкцию. Т1осле расчетного периода времени действия комплекса факторов, или определенного цикла испытаний, устанавливают степень изме­нения первоначальных числовых значений свойств и сравнивают с допустимой величиной их изменения.

О долговечности пока судят по отклонениям в структуре мате­риала, хотя первопричиной изменения свойств обычно служит на­рушение микро- или макроструктуры, отклонение общей структуры от оптимальной. В теории ИСК под долговечностью понимают спо-'собность материала сохранять в эксплуатационный период време­ни на допустимом уровне структурные характеристики (парамет­ры), которые сложились в технологический, т.е. предэксплуатаци-онный период.

Независимо от способа оценки долговечности — по изменению свойств или структуры — период долговечности условно можно раз­делить на три этапа, или временных элемента (рис. 5.6). До начала первого этапа имеется еще предэксплуатационный период, который характеризуется в основном набором и формированием структур­ных элементов и свойств. Он связан с выполнением технологиче­ских переделов и поэтому может быть назван как технологический. По сравнению с последующими этапами технологический период непродолжительный, хотя материал, еще не поступивший в экс-

плуатацию, может уже значительно изменить свою структуру и свойства, особенно при неблагоприятных условиях пребывания его в предэксплуатационное время. Тем не менее принято считать дол­говечность от момента т₀ (рис. 5.6), полагая (иногда уже без до­полнительного контроля), что к этому моменту уровень/оптималь­ной структуры и в первую очередь показателей свойств⁷ находится в пределах заданных.

ПроШжительность Воздействия эксплуа­тационной ситуации им кояичеетбо цик­лов мбораторньа испытаний t

Рис. 5.6. График изменения ключевого структурного параметра или свойства от продолжительности воздей­ствия эксплуатационной ситуации

Материал, помещенный в конструкции зданий и сооружений, на первом этапе долговечности характеризуется упрочнением струк­туры, или улучшением показателей свойств, второй этап — их отно­сительной стабильностью, третий — деструкцией, т. е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического уровня и даже полного разрушения, с соответствующим ухудше­нием показателей качества. У отдельных материалов в эксплуата­ционный период тот или иной этап в периоде долговечности может отсутствовать или его продолжительность столь мала, что прини­мается практически равной нулю. Может, например, полностью отсутствовать временной элемент упрочнения структуры или ее стабильного состояния. Что же касается этапа деструкции, то он почти неизбежен, хотя и не всегда наблюдаемый визуально. Го­раздо реже деструкция протекает с огромной интенсивностью, ког­да временной элемент становится практически равным нулю.

Задача заключается в том, чтобы всемерно увеличивать долго­вечность, т. е. продолжительность каждого из трех взаимосвязан­ных временных элементов, особенно этапов упрочнения и стабиль­ности структуры, добиваясь вместе с тем эффективного торможе­ния деструкционных процессов.

Сущность упрочнения структуры на первом этапе долговечно­сти заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок,

^инверсий фаз и т. п. в эксплуатационный период в материале, осо­бенно в\ его вяжущей части, а также в контактных зонах возника- '^Ш '*^{> т и С0}\^вР^еменем укрупняются новые (вторичные) структурные |дентры. Совместно с теми, которые возникли на ранней стадии формирования структуры (первичными), они участвуют в дополни­тельном процессе уплотнения структуры, с увеличением концентра­ции той части твердой фазы, которая является основным носителем эффекта упрочнения. В результате не только наблюдается упроч­нение структуры и прочности материала по отношению к механиче­ским нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств, в том числе свойств вяжущей части. Примером упрочнения структу­ры в эксплуатационный период может служить цементный бетон и его вяжущая (матричная) часть в виде цементного камня при контакте с щавелевой кислотой. Последняя, проникая в поры, об­разует малорастворимые соли и плотные продукты с очень низкой диффузионной проницаемостью. Особенно часто эффект упрочне­ния наблюдается в связи с доуплотнением под нагрузкой новообра­зованиями при соединении углекислого газа с известью в материа­ле, перехода аморфного вещества в кристаллическое и т. п. Одна­ко упрочнение структуры в эксплуатационный период составляет только тогда положительный эффект в долговечности материала, если оно не является следствием так называемого «старения». Под последним понимается часто наблюдаемое явление охрупчивания конгломератов на основе полимеров за счет протекания химиче­ских реакций, или рекристаллизации с увеличением в объеме но­вообразований. Старение переводит материал в состояние хрупко­го микротрещинообразования и в конечном итоге резкого сокраще­ния долговечности.

Второй этап — стабилизация структуры — характеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элементов в единице объема материала и относительным постоянством показа­телей свойств. Практически уровень этих показателей имеет коле­бания за счет местных процессов упрочнения и деструкции, однако в целом сохраняется их сбалансированность на некотором среднем, сстабильном» уровне.

Третий этап долговечности — деструкция — самый типичный процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с первого Же момента эксплуатации конструкции, но может следовать также за этапами упрочнения и временной стабилизации структуры (см. рис. 5.6). Как отмечено выше, третий этап характеризуется нару­шением структуры с возможной потерей ее сплошности, постепен­ным накоплением разрывов межатомных связей. Разрывы возни­кают под влиянием ускорения теплового движения атомов и моле­кул, развития механических, усадочных, осмотических и иных на­пряжений. Установлено, что процесс постепенного повреждения структуры сопутствует каждой, даже самой малоупругой деформа­ции.

Кроме физических в период деструкции протекают химические и физико-химические процессы, которые обычно именуют как корро­зионные. В широком смысле коррозия означает разъедание метал­ла или другого материала под влиянием контакта с внешней агрес­сивной средой, проникания ее в поры и капилляры. Эт7 процессы коррозии усиливаются при одновременном воздействии физиче­ских факторов, если, например, материал находится в напряжен­ном состоянии под влиянием растягивающих или сжимающих уси­лий или если вместе с агрессивной средой, например жидкой, ма­териал подвержен воздействию низких отрицательных температур с циклическим замерзанием и оттаиванием жидкой усреды в порах. На заключительной стадии деструкция переходит /в интенсивный процесс образования опасных микро-и макротрещин, завершается полным или частичным разрушением конгломерата.

Определение и изучение долговечности и ее временных элемен­тов производится на разных уровнях структуры — от молекулярной и надмолекулярной до макроскопической, причем всегда целесооб­разно начинать с характеристик структуры, а затем переходить к показателям свойств. Но они, как отмечалось выше, тесно взаимо­связаны, а при оптимальных структурах имеются строгие законо­мерные связи.

При изучении структур обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур за­нимается стереология; ее методы используются и для изучения долговечности ИСК. Эти методы позволяют по плоскостным мик­рофотоснимкам или другим данным структурного анализа опреде­лять объемное содержание изучаемых структурных элементов; раз­мер и объем пор, внутреннюю удельную поверхность твердой фа­зы, размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды, соотношение объемов кристаллической и аморфной (стекловатой) частей в вяжущем, однородность расположения частиц в объеме и т. п.

Критические уровни ключевых характеристик структуры и свойств. Основные, или ключевые, характеристики свойств и струк­туры имеют, как уже отмечалось, критические уровни, переход за пределы которых сопряжен со сравнительно интенсивным разруше­нием материала или срочным капитальным ремонтом конструкции. Критические уровни устанавливаются для каждого ИСК в кон­струкции. При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны, как правило, числовые показа­тели технических свойств материала и допустимые пределы их из­менения в эксплуатационный период. Для некоторых материалов могут быть два, три или большее количество числовых показателей ключевых свойств, причем для каждого устанавливается свой пре­дельный уровень допустимого изменения. При эксплуатации кон­струкций необходимо всемерно увеличивать период времени до мо­мента, когда ключевой показатель (или несколько принятых клю-

К%№ показателей) окажется на критическом уровне допустимого Ет& менения. Соответствующий период времени выражает долговеч-/Жйость материала, поскольку недопустима дальнейшая эксплуата-жйия конструкции без проведения капитального ремонта. «J Аналогичный метод оценки долговечности производится и по Жструктурным параметрам. Ключевые структурные показатели бли-Ж^: ; 5ке и непосредственнее отражают уровень внутренних изменений в щкатериале под влиянием эксплуатационных факторов. Эти измене-Жрия относятся^ к отклонениям от первоначально зафиксированных жйазмеров ключевых структурных характеристик. Вследствие от-|Клонений возможно нарушение оптимальных структур с частичной '^Потерей ранее установленных технических свойств. Пока отсутст-■ |_ь вуют какие-либо нормы в отношении допустимых количественных! £. изменений в структуре. Однако имеется ГОСТ * на определение; | Структурных характеристик материалов. Допустимый уровень из-| менений в структуре устанавливается путем предварительного сов-■ V местного изучения структурных и качественных характеристик ма­териала оптимальной структуры и их сопоставления между собой.., Появление микро- и макротрещин, увеличение пористости или ее резкое снижение, отслаивание контактной зоны, шелушение или выкрашивание, дислокационные нарушения в структуре и тексту­ре и другие дефекты являются существенными признаками внут­ренних структурных и качественных изменений, возникших в мате­риале под влиянием эксплуатационных факторов. С Их появлением возникает необходимость тщательного наблюдения за дальнейшим тсостоянием конструкций с принятием мер к своевременному их ре­монту.

Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих, Как правило, негативное влияние на состояние строительных конст­рукций и материалов, можно выделить механические — воздейст­вие внешних нагрузок различной величины и интенсивности ста­тического и динамического характера, а также собственного веса Материала и конструкций; температурные — воздействия устойчи­вой температуры и ее колебаний в конструкциях зданий и соору­жений; воздушную и газовую среду с содержанием в ней углекислого газа, пара, пыли и других примесей; водную среду с широкими пределами ее агрессивности; кислоты, щелочи, солевые растворы разных концентраций и другие жидкие среды, например раститель­ные масла, нефтепродукты и т. п., которые имеют различную сте­пень агрессивности по отношению к материалу; климатические, к которым кроме упомянутых выше факторов относятся также сол* нечная радиация, ветер, влажность воздуха; воздействие некото­рых других возможных физических факторов — электрического поля и тока, излучения, магнитного поля и т. п. Кроме того, не­редко участвуют спонтанные негативные явления в материале.

* ГОСТ 22023—76 «Материалы строительные. Метод микроскопического количественного анализа».

Большую разрушительную активность по отношению jk строи­тельным материалам и конструкциям проявляют животное и рас­тительные микроорганизмы и их производные — органогенные аг­рессивные среды. Академик В. И. Вернадский утверждал, что на земной поверхности не имеется химической среды болте постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим разруша­ющим последствиям, чем растительные и животные микро- и мак­роорганизмы. До 15...20% от всего ущерба, который имеется от коррозии, вызывается микроорганизмами. В этих средах целесооб­разно оценивать предельное состояние ИСК в конструкциях клю­чевым показателем химической стойкости, наприм/р по привесу новообразований в агрессивной среде, изменению.водородного по­казателя рН во времени и др.

В реальных условиях на конструкцию и ее материал обычно воздействует комплекс из двух или большего количества эксплуа­тационных факторов. Получаемый эффект при воздействии такого комплекса значительно сложнее, чем от каждого фактора в отдель­ности или даже от их суммирования. Совместное воздействие ак­тивных сред и механических напряжений приводит к интенсифика­ции деструкции и, в частности, коррозионных процессов. Под влия­нием деструкции от их совместного воздействия прочность, напри­мер, снижается в больших размерах, чем суммарное уменьшение ее под влиянием внешней нагрузки, или минерализованных вод и циклического замораживания. То же — при совмещении воздейст­вия агрессивной среды с попеременным замораживанием и оттаи­ванием. Следует отметить, что различного вида природными и про­изводственными агрессивными средами повреждается от 15 до 75% всех строительных конструкций зданий и сооружений.

Ниже (см. гл. 10, 15, 16) рассмотрены примеры воздействия не­которых внешних факторов и агрессивных сред на наиболее типич­ные ИСК — цементные бетоны, асфальтобетоны и полимербетоны. Сейчас же важно отметить, что долговечность с некоторым прибли­жением может быть определена теоретическим методом, что позво­ляет ее прогнозировать, т. е. предвидеть заранее. Более точное прогнозирование долговечности осуществляется при сочетании тео­ретического расчета и экспериментальных данных.

Теоретические вопросы оценки долговечности. Согласно закону конгруэнции, как уже отмечалось, между вяжущим веществом и конгломератом при оптимальных структурах существует обязатель­ное соответствие свойств. Обеспечение условий, при которых соз­дается необходимая долговечность вяжущего вещества оптималь­ной структуры, в значительной мере предрешает задачу обеспече­ния долговечности самого конгломерата. И хотя присутствие в ИСК кроме вяжущего других структурных элементов {заполнителя, контактной зоны, пор и др.) вносит свои коррективы, иногда зна­чительные, в долговечность, все же эти коррективы принципиально не изменяют характер основной зависимости между долговечно­стью ИСК и его вяжущей частью при оптимальных структурах.

Шля строительных конгломератов эта зависимость может быть вы- Щ\\ -ражена формулой

" Ы \ t_r,.=tj,./jc-_f (5.5)

■ де тг.₀ — Долговечность конгломерата оптимальной структуры, оп-■ еделённаяшри температуре Т и напряжении а; -с*з> — долговеч­ность вяжущего вещества оптимальной структуры при тех- же ус­ловиях ее определения, что и конгломерата; х — отношение фазо­вых отношений в вяжущем веществе ИСК и в вяжущем веществе рптимальной структуры, т. е. < с/ф)/(с*/Ф); л —комплексный пока­затель степени, отражает нелинейность зависимости долговечности От фазового отношения вяжущего вещества в конгломерате и обу­словлен разновидностью и характеристикой заполнителя, а при от­сутствии его — величиной поверхности раздела фаз; как правило, iff этот показатель является положительной величиной и, следователь-Й но, т< т*.

В формуле (5.5) долговечность вяжущего вещества как микро-

■; дисперсной матричной части конгломерата может быть выражена

, '; на участке /// кривой (рис. 5.6) формулой, принятой в кинетиче-

: ской теории прочности, развитой в работах С. Н. Журкова н

Г. М. Бартенева:

• ПН^ < ⁵*⁶>

т*=т₀е ^кТ,

где т* — расчетная долговечность вяжущего вещества; то — кинети­ческая постоянная, характеризующая материал; у — структурный Коэффициент, кДж/(моль-МПа); ст* — расчетное напряжение при Температуре t, МПа; k — постоянная Больцмана, как отношение универсальной постоянной к числу Авогадро: k=R/Ne\ T — абсо­лютная температура по шкале К; то, и₀, у — постоянные величины, Зависящие от природы и структуры материала.

Числитель экспоненты и₀ — yat имеет размерность энергии и на­зывается энергией активизации процесса разрушения, обозначае­мой и. Поэтому можно записать:

t* = T₀e" /*^r (5.7)

Или нередко формулу (5.8) записывают в виде

х*=Ае-*°, (5.8)

где Л = тоС •'*''' и $=у/кТ.

Подставляя то или иное выражение т* в формулу (5.5) долго­вечности конгломерата, можно написать, что

*г-«-а*? — • (5.9)

или, что то же,

Формулы (5.9) и (5.10) долговечности учитывают действие только механических напряжений — от момента нагружения до момента разрыва материала, но не учитывают воздействия агрес­сивной среды. Они также не учитывают возможного упрочнения и стабилизации структуры в эксплуатационный период. /

5.3. Подобие материалов оптимальной структуры /

В основе общих законов изменения свойств при оптимальных структурах материалов и их взаимосвязи, кроме тел физических и физико-химических факторов, которые были изложены выше, ле­жит еще не менее важное научное положение: конгломераты опти­мальных структур подобны между собой. В теории ИСК это поло­жение явилось результатом доказательства соответствующей тео­ремы. Сущность последней заключается в следующем.

Согласно третьей теореме теории подобия, выведенной М. В. Кирпичевым и А. А. Гухманом, устанавливается, что необхо­димым и вполне достаточным условием подобия явлений служит наличие индикатора (указателя) подобия, по величине всегда рав­ного единице.

В теории ИСК индикатором подобия служит выражение

при условии, что постоянное значение А = \. Если величина Аф\, то это укажет, что материал не обладает оптимальной структурой. Материалы оптимальной структуры имеют индикаторы подобия и, следовательно, подобны между собой. Имеется в виду подобие гео­метрическое и физическое, поэтому для изучения общих закономер­ностей достаточно пользоваться одним-двумя «модельными» мате­риалами, имеющими оптимальные структуры. Полученные законо­мерности распространяются на все другие, им подобные, материалы. Цементные бетоны, асфальтобетоны, пластмассы, строительные ра­створы, древесно-стружечные плиты и т. п. применяются в конст­рукциях нередко в виде сложных сочетаний в системах, в которых отдельные конгломераты выступают в качестве подсистем. Однако и в этом случае каждый материал в системе должен иметь по воз­можности свою оптимальную структуру, поскольку тогда обеспе­чивается наилучшее качество всей конструкции. Согласно теореме В. А. Веникова, если подобны подсистемы, то оказываются подоб­ными и сами системы. Следовательно, материалы оптимальной структуры не только подобны между собой, но и образуют в целом систему, т. е. строительную конструкцию наилучшего качества, что способствует эффективному решению многих инженерных задач.

P.^; i#.4. Научные принципы и общий метод проектирования Ш состава материалов оптимальной структуры

.ар Оптимизацию структуры и обоснованное определение состава «различных конгломератов осуществляют общим методом проекти-Фрования, разработанным в теории ИСК. В его основе лежат общие.Жнаучные принципы, законы и критерии оптимальных структур. За-Ждоны и критерии были изложены выше, а общие научные принци--№|№ заключаются в следующем: достижение по возможности наи-.Жволее плотной упаковки полидисперсных частиц; обеспечение царепрерывности пространственной сетки вяжущего вещества или /ЖНаиболее развитых поверхностей контакта при первичных типах ЖчСвязи; придание минимальных значений отношению массы жидкой ¹|| «реды к массе твердой фазы вяжущего вещества; приближение ■ Ш принимаемых условий проектирования состава смеси к реальной Ш технологии изготовления смеси и изделий; перевод системы в наи-5 менее стабильное (метастабильное) состояниес последующим мак- '$ симальным упорядочением микро- и макроструктур, снижением; {: энтропии, приданием повышенной термодинамической устойчиво- $ 15ти; равномерное распределение частиц разной крупности, пор, по-| #ер.хностей раздела фаз и других структурных элементов по объ­ему материала; придание смеси реологического состояния, соответ­ствующего реальным технологическрм параметрам и режимам; ''Обеспечение совладения заданных показателей свойств с экстрему­мами тех же свойств при оптимальных структурах; использование Объективных закономерностей, присущих материалам оптимальной Структуры, в том числе закона створа, закона конгруэнции, закона Прочности и других свойств; учет факторов, способствующих упроч­нению, стабилизации и интенсивному торможению деструкции в эксплуатационный период работы материала в конструкциях; со­блюдение стадийности проектирования оптимального состава, а Также корректирование принятого состава в производственных усло­виях.

Предусмотрен также ряд других условий, особенно в период вы­бора исходных материалов в качестве обязательных компонентов i проектируемого состава.

Общий метод проектирования состава применим ко всем мате­риалам, получаемым на основе вяжущих веществ, содержит три обязательных этапа, взаимосвязанных между собой.

На первом этапе: а) обосновывают главные, или ключевые, по­казатели строительно-технологических и эксплуатационных свойств материала, что достигается тщательным анализом условий работы конструкции. Особо выделяют те факторы, которые могут оказать наиболее значительное влияние на сохранность и долговечность материала. Отмечают также характер и величину вероятных меха­нических нагрузок в эксплуатационный период, интенсивность их приложения к конструкциям, экстремальные температуры воздуха (внешней среды вообще) в летний и зимний периоды, скорость и

размеры температурных перепадов, влажностные условия, особен­но связанные с циклическим высушиванием или замерзанием воды в порах, и т. п. Полученные или собранные сведения позволяют ус­тановить параметры испытаний в лаборатории. Этот анализ и вы­бор главных (ключевых) показателей качества строительного ма­териала нередко облегчаются с помощью предварительно разрабо­танных или действующих нормативов, в частности ГОСТов, Строи­тельных норм и правил (СНиП) и других, например, заданных по техническому проекту;

б) производят выбор и проверяют свойства выбранных исход­
ных материалов, особенно вяжущего вещества, или нескольких вя­
жущих, а также заполнителей и наполнителей. После этого по
литературным данным или опытным путем изыскивают способы
дополнительного повышения их качества, доступные в пределах
предполагаемой технологии производства материала. При оконча­
тельной оценке качества принятых материалов используют как
стандартные, так и нестандартные методы;

в) назначают лабораторные условия изготовления и испытания
образцов с предельно возможным моделированием натурных (про­
изводственных) условий.

На втором этапе проектирования состава определяется рекомен­дуемый состав искусственного строительного конгломерата. Опре­деление оптимального состава на этом этапе проектирования прак­тически состоит в определении расхода подготовленных материалов на 1 т, или 1 м³, или на другое количество смеси. На этом этапе последовательность операций: а) оценка свойства (ключевого) и определение минимального фазового отношения вяжущего вещест­ва оптимальной структуры, причем в необходимых случаях воз­можна его предварительная поризация или другие способы обра­ботки; б) получение состава плотной смеси заполняющего мате­риала с необходимой предварительной классификацией его и применением уплотнения, принятого в производственных условиях; в) нахождение расчетной величины фазового отношения ИСК (по формулам), при котором обеспечивается принятый показатель клю­чевого свойства, для чего потребуется выполнение ряда лаборатор­ных испытаний, связанных с определением некоторых эмпириче­ских величин (обычно одной); г) определение количества (по массе) вяжущего вещества в конгломерате при найденном значе­нии фазового отношения; д) расчет состава смеси; е) проверка свойств конгломерата принятого состава, с учетом общего закона створа, т. е. чтобы заданные показатели свойств были также экс­тремумами.

От этой последовательности в проектировании состава возмож­ны отклонения с обеспечением оптимальной структуры материала, если они не являются принципиальными.

На третьем этапе изготовляется пробный замес по возможности в производственных условиях, например в цехе завода. С помощью этого замеса производится окончательная проверка качества смеси

конгломерата запроектированного состава — удобообрабатывае-; ти, прочности, деформативности, плотности, водостойкости, мо-> зостойкости и других свойств в полном объеме технических тре-)ваиий, обусловленных на первом этапе проектирования. Особо; танавливают наличие оптимальной структуры, например, по ин­дикатору подобия. Если в ходе проверок отмечены отклонения от сданных величин, то производится корректирование состава. По­зднее может потребоваться и при выпуске массовой продукции заводе, если исходные материалы окажутся время от времени > угого состава и свойств, чем принятые на стадии проектирования лаборатории.

Запроектированный состав передается для выпуска материала заводских условиях и его последующего применения в строитель­стве.

6.5 Оценка технико-экономической эффективности Материалов оптимальной структуры

Комплекс наиболее благоприятных показателей строительных и ^Эксплуатационных свойств (закон створа) ИСК при оптимальных структурах обеспечивает не только более продолжительные сроки ₄ах надежной работы в конструкциях, но также и более высокие показатели экономической эффективности по сравнению с конгло-. Иератами, структура которых является неоптимальной. Надежность ' н долговечность ИСК в конструкциях обусловливаются устойчивы­ми показателями морозостойкости, водостойкости, воздухостойко-сти и некоторыми другими свойствами, определяемыми при лабо­раторных исследованиях материалов. Максимальная экономиче­ская эффективность конгломератов, структуры которых оптималь­ные, устанавливается расчетными данными, в частности путем сравнения так называемых приведенных затрат при оптимальной Я неоптимальной структурах. Приведенными называются такие за­траты, которые слагаются из величины себестоимости и суммы де­нежных средств на окупаемость затрат, произведенных в связи с капитальными вложениями.

Экономическая эффективность конгломерата, изготовляемого в в заводских условиях, оценивается величиной приведенных затрат на единицу продукции, выраженной в рублях:

П=С+ЕК+Э, (5.12)

где П — приведенные затраты, руб.; С — себестоимость годовой продукции на заводе; Е — нормативный коэффициент эффективно­сти капиталовложений; так как окупаемость капиталовложений в промышленности строительных материалов принимается в восемь лет, то нормативный коэффициент £ =1/8=0, 125; К — удельные капиталовложения в заводское производство конгломерата, равное сумме капиталовложений, отнесенной к объему выпускаемой про­дукции в год, руб.; Э — среднегодовые эксплуатационно-ремонт-

ные расходы по поддержанию конгломератного материала и кон­струкции из него в нормальном состоянии.

Понятно, что чем меньше приведенные затраты, тем выше эко­номическая эффективность производства конгломерата и конст­рукций из^него. При сравнении же экономической эффективности, получаемой при производстве конгломератов оптимальной и неоп­тимальной структур, очевидно, что она тем больше, чем выше раз­ность между /7, и /7_а, умноженная на объем выпускаемой продук­ции заводом в год (Л), т. е. Л(Я, —Л₂), где П_х — приведенные за­траты конгломерата неоптимальной структуры и Я₂ —то же, при оптимальной структуре конгломерата.

Если в обоих случаях (оптимальной и неоптимальной структур данного конгломерата) слагаемые ЕК в формуле являются вели­чиной постоянной, то экономическая эффективность

ЭЭ=А[(С₁+Э₁)-(С_а+Э_а)]₁ (5.13)

где d и Э\ относятся к неоптимальным, а С₂ и Э₂ — к оптимальным структурам конгломерата.

Себестоимость продукции функционально связана в основном с затратами на сырье, топливо и электроэнергию, заработной платой производственных рабочих и административно-технического персо­нала с учетом всех начислений, а также с амортизационными за­тратами по основным фондам. В данном случае при сравнении се-бестоимостей Ci и С_а основное значение имеет стоимость затрачи­ваемых материалов, в первую очередь вяжущих, как наиболее до­рогостоящих компонентов. Другие факторы, влияющие на величину себестоимости, или практически остаются при сравнении постоян­ными, или непосредственно связаны с расходом и стоимостью ма­териалов, например, стоимостью сырья. Очевидно, что чем ниже оказываются расход и стоимость примененных материалов, тем ни­же расход и стоимость сырья, на основе которых вырабатываются эти материалы.

Между тем анализ показывает, что наиболее экономичными со­ставами по расходу вяжущих веществ являются оптимальные, при которых конгломерат удовлетворяет закону створа. На рис. 5.7 по­казаны один оптимальный в точке Н и ряд неоптимальных в точ­ках А, В, С, D составов когломерата, изготовляемого из принятых компонентов, — вяжущего вещества и заполнителей и по принятой технологии. Независимо от структур во всех указанных точках со­ставы удовлетворяют величине заданного свойства, например пре­делу прочности при сжатии (R_TP). Однако составы отличаются тем, что в точке Н содержится наименьшее количество вяжущей части и вяжущего вещества. Полагая, что вяжущая часть дороже запол­няющей, очевидно, что и себестоимость при принятых выше услови­ях С| больше Сз, причем разность между ними быстро возрастает по мере удаления принятого состава от состава в точке И. Анало­гичное явление характерно при любых других свойствах, принятых в качестве критериев для оценки качества конгломерата.

Ш.

|^' Величины эксплуатационно-ремонтных расходов Э обусловлены

^| первую очередь долговечностью и надежностью материала в кон-

" " " > укции. Чем выше долговечность и надежность конгломератного

(атериала, тем реже потребуются ремонтные работы и ниже будут

ссплуатационные расходы на поддержание конструкции в нор-

(альном состоянии.

, Структуры конгломерата в точках А, В, Е характеризуются дис--»етностью вяжущей прослойки и повышенной пористостью, выз-шной недоуплотненностью когломерата (рис. 5.7). То и другое»иводит всегда к преждевре-|енному разрушению конгло-1ерата в конструкциях зданий Цц сооружений, особенно под сиянием циклического замо-'раживания материала, насы­щающегося водой. В тех слу­чаях, когда требуется повы­шенная пористость конгломе­рата (снижение массы кон-

С/< Р

егрукции, повышение теплоза- _{Рис 5 7 0птимальная {в точке Н) и ие}. «НИТНЫХ СВОЙСТВ и т. п.), целе- оптимальные (в точках А, В, C_t D, Е). «ООбразНО И ТОГДа сохранять структуры ИСК с заданной прочностью

^Оптимальную плотную струк- (или другого свойства)

Ttypy. но использовать легкие Пористые заполнители, поризовать вяжущую часть и даже иногда повысить содержание жидкой среды в пределах оптимальной структуры. Следовательно, в точке Н структура обеспечивает наи­большую долговечность конгломерата, наименьшие эксплуатаци­онно-ремонтные расходы по сравнению со структурой в точках А, В, Е. В точках С, D, Л структуры конгломерата характеризуются повышенной пористостью за счет испарения части жидкой среды в эксплуатационный период при наличии свободной (объемной) жидкой среды, если она не была подвержена испарению или суб­лимации. Свободная среда в конгломерате подвержена также си-нерезису. Во всех случаях ускоряется процесс старения вяжущей части и изменения структуры при повышенном с/ф. Последнее способствует появлению и развитию деформаций конгломерата, ускоряя потребность в ремонтных работах и эксплуатационных расходах.

Таким образом, анализ показывает, что при неоптимальных структурах значения Ci и Э\ растут тем быстрее и в больших мас­штабах, чем дальше отстоит структура конгломерата от оптималь­ной. Значения же С₂ и Э% всегда ниже, чем обеспечивается опреде­ленная экономическая эффективность при оптимальных структурах

^: конгломерата. Однако следует учитывать, что при стоимости вяжу­щего вещества ниже стоимости заполнителя ЭЭ также несколько уменьшается, что устанавливается с помощью конкретных расчет­ных данных.

Выше, при сравнении приведенных затрат, было принято, что слагаемое ЕК в формуле является величиной постоянной при оп­тимальной и неоптимальной структурах конгломерата. Однако в реальных условиях оптимальные структуры могут оказать положи­тельное влияние на рост производительности завода и увеличение выпуска продукции. Это вызовет снижение удельных капиталовло­жений в заводское производство, а потому уменьшатся и приведен­ные затраты, возрастет соответственно экономическая эффектив­ность.

На основании изложенного становится ясным, почему показате­ли наибольшей экономической эффективности размешаются в виде экстремума в общем створе технических (строительно-эксплуата­ционных) свойств конгломерата. При оптимальной структуре (см. рис. 5.3) экономический показатель становится как бы неразрывно связанным с техническими.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Почему материалы могут находиться в состоянии устойчивого равнове­сия? 2. Как формулируется закон створа и в чем его сущность? 3. Какова при­рода явлений, обусловливающих действие закона створа? 4. Как формулируется закон прочности (и некоторых других свойств) оптимальных структур? 5. Ка­кие следствия для практики можно сделать из формулы прочности строитель­ных конгломератов оптимальной структуры? 6. Две части закона конгруэнции н примеры его применения. 7. Основные слагаемые — временные элементы — при оценке долговечности. 8. Формула долговечности и ее ограничения. 9. Общие понятия о теореме подобия оптимальных структур. 10. Можно ли одним мето­дом определить оптимальный состав практически любого ИСК? Краткая схема проектирования оптимального состава. П. Почему наивысшая экономическая эффективность производства материалов оптимальной структуры находится в общем створе с экстремальными значениями технических свойств?

ПРИРОДНЫЕ

И ИСКУССТВЕННЫЕ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ