СОЗДАНИЕ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНГЛОМЕРАТОВ

Общая теория ИСК способствует не только существенному по­вышению качества и совершенствованию технологий с переводом их в прогрессивные на уровне мировых достижений, но и созданию новых строительных материалов с конгломератным типом структу­ры. Именно поэтому в единой классификации предусмотрены ва­кантные «клетки». Каждая из них может быть в свою очередь цент­ром развития своеобразной группы конгломератов определенной разновидности. Однако эти группы и отдельные конгломераты в них продолжают оставаться связанными с единой классификацией ИСК общей теорией, общими закономерностями оптимальных структур.

Создание новых строительных конгломератов основывается на открытых закономерностях, количество которых возрастает по мере развития строительного материаловедения как фундаментальной науки прикладного характера. Оно осуществляется по определен­ной системе, в которой исходные положения прогнозирования соче­таются с новыми экспериментальными исследованиями. Среди основных положений прогнозирования следующие:

всегда неизбежен качественный скачок к оптимальной структуре конгломерата и переход, через экстремум показателей свойств по мере количественного накопления дисперсионной среды в системе с переходом ее из дискретного в континуальное пленочное состояние на поверхности твердой фазы;

оптимальная структура конгломерата возможна при любом за­полнителе, хотя наиболее экономичными и технически рациональ­ными являются составы с максимальной плотностью упаковки его частиц и, следовательно, с наименьшим расходом вяжущего вещест­ва в конгломерате;

с достаточной степенью приближения к истине целесообразно принимать, что линия оптимальных структур конгломератов на гра­фике R(с/ф) описывается гиперболической зависимостью у = а/х^b, в которой все члены имеют строго определенный физический смысл;

вдоль кривой оптимальных структур размещается бесчисленное множество створов с наиболее благоприятным комплексом показа­телей строительных и эксплуатационных свойств. Проектирование состава позволяет выбрать один или несколько рациональных по технико-экономическим показателям;

самой наглядной и полной формулой прочности ИСК оптималь­ной структуры является (3.6). В ней нашли отражение практически все его структурные элементы в их теснейшей взаимосвязи.

Постадийное осуществление творческого процесса создания но­вых видов ИСК заключается в следующем.

Первая стадия включает детальное изучение вероятного вяжущего вещества. Для этого вначале потребуется установить главные техниче­ские требования к конгломератному материалу с тем, чтобы он обес­печивал надежность и долговечность изготовляемой из него конструк­ции в эксплуатационный период. По комплексу показателей конгло­мерата судят в первом приближении о необходимых свойствах вяжу­щего вещества как будущей матричной части и выбирают наиболее подходящее вяжущее из числа традиционных. Важно учесть характер эксплуатационных условий работы конгломерата в конструкции. Ча­сто именно от этих условий зависит выбор неорганического или орга­нического вяжущего вещества с последующим уточнением их конк­ретной разновидности из числа традиционных.

Сложнее тот случай, когда при разработке нового ИСК не име­ется в наличии традиционного вяжущего вещества.и приходится ориентироваться на его получение по аналогии с традиционными технологиями или вовсе оригинального продукта и т. п. С помощью лабораторных испытаний изучаются с разной степенью полноты (от прикидочных да уточненных) свойства создаваемых композиций по некоторым условно принятым технологиям с последующим их кор­ректированием. Постепенным увеличением базового отношения с/ф достигают экстремального значения требуемого (ключевого) свой­ства, ранее принятого для конгломерата. Если определяющими свойствами конгломерата являются прочность и какое-либо другое свойство, например теплосопротивление, то выясняются показатели обоих свойств вяжущего. При необходимости понижения теплопе­редачи можно предусмотреть использование поризующих средств, но с учетом допустимого снижения прочности вяжущего (его рас­четной активности при оптимальной структуре). Если важно сохра­нить в определенных пределах обратимые деформации — упругие и упруго-вязкие (эластические), то эти свойства вяжущего также изу­чают при оптимальной структуре. Процесс изучения сырья для вя­жущего основывается на законах створа и конгруэнции свойств. Не­обходимые средства улучшения ключевых показателей качества — введение дополнительных ингредиентов, катализаторов, отвердителей, соединение с традиционными вяжущими веществами, использо­вание технологических приемов (измельчение, механико-химическая обработка, тепловая обработка, перемешивание и др.). Далее выяс­няют отдельные детали технологии изготовления вяжущего вещест­ва, предлагают методы оценки его качества, сходные с принятыми при оценке конгломератов.

На второй стадии создания нового строительного конгломерата определяют возможную разновидность заполнителя, что также обусловлено сырьевыми ресурсами, проектными требованиями к свойствам ИСК, разновидностью вяжущего вещества (порошкооб­разный, компаунд, расплав и т. п.) и уровнем его вероятной адгезионной способности по отношению к предполагаемому заполнителю. Устанавливают рациональный род заполнителя — минеральный или органический, порошкообразный, зернистый или волокнистый, тяжелый, плотный или легкий, пористый. Учитывают также другие возможные пожелания к качеству; цвет — при изготовлении конгло­мератного материала для отделочных штукатурок, теплопровод­ность — при изготовлении теплоизоляционно-конструктивного ма­териала и т. п. Одновременно решают вопрос о целесообразных форме и размере частиц заполнителя, плотности заполняющей смеси.

Наиболее экономичными являются, как отмечалось, составы с максимальной плотностью упаковки плотных или пористых частиц заполнителя и, следовательно, с наименьшим расходом вяжущего вещества. Этот принцип приобретает тем большее значение, чем ближе оптимальная структура к контактной. Вместе с тем максима­льная плотность не может быть самоцелью, а должна назначаться в совокупности с экономическими подсчетами, с учетом фазового от­ношения вяжущего вещества (с его увеличением целесообразно по­вышение количества мелкозернистой фракции в заполнителе), нали­чием материалов и т. п.

Вопрос о минимально допустимой прочности заполнителя так­же решается с позиций общей теории[18]. Его актуальность возра­стает по мере снижения прочности заполнителя по сравнению с прочностью создаваемого ИСК. При решении вопроса о минима­льной прочности камня как заполнителя принимают во внимание релаксационный процесс, который тем эффективнее снижает внут­реннее напряженное состояние, чем меньше период релаксации матричного материала. И тогда появляется дополнительная воз­можность снижения минимально допустимой прочности камня, ис­пользуемого для изготовления заполнителя. Период или время ре­лаксации матричного вещества оценивается при соответственных условиях, т. е. при оптимальных структурах и отрицательной тем­пературе, наиболее часто наблюдаемой в эксплуатационном райо­не сооружения.

Исследования заполняющей, части конгломерата проводят с уче­том следующих требований: удешевления продукции, облегчения конструкций (если допускают эксплуатационные условия), пониже­ния однородности заполнителя и конгломерата, увеличения долго­вечности конструкций и сооружений.

На завершающей стадии в системе «свойства конгломерата — с/ф (или какой-либо иной структурный фактор)» строят график пуч­ка кривых оптимальных составов, в которых были использованы принятые вяжущее вещество и разновидности заполнителя. Из пуч­ка кривых непосредственно или по минимальному значению показа­теля степени п в формуле (3.3) следует целесообразность выбора за­полняющего материала.

На третьей стадии создания нового строительного конгломерата устанавливают возможный рациональный состав', при котором структура во всех своих частях остается не только единой, монолит­ной, но и поддерживает необходимые технические показатели на должном и притом экстремальном уровне. Для этих целей использу­ют общий метод проектирования, изложенный выше.

Четвертая стадия посвящена детальной отработке технологиче­ских операций, параметров и режимов. На этой же стадии проводят опыты по изготовлению вяжущего и конгломерата в полупромыш­ленных условиях, а после получения определенного количества но­вого материала применяют его в строительстве. За поведением кон­гломератного материала устанавливают технический контроль и длительные наблюдения, внося, при необходимости, текущие кор­рективы.

3.7. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСК ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Комплекс наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств (закон створа) ИСК оптимальной струк­туры обеспечивает не только более продолжительные сроки их на­дежной работы в конструкциях, но и более высокие показатели эко­номической эффективности по сравнению с конгломератами, структура которых не оптимальна. Надежность и повышенная дол­говечность конгломератов оптимальной структуры в конструкциях обусловлена устойчивыми свойствами морозостойкости, водостой­кости, воздухостойкости, которые каждый раз отмечаются в экспе­риментальных исследованиях таких материалов. Максимальная экономическая эффективность конгломератов оптимальной струк­туры устанавливается расчетными данными, в частности, путем сравнения приведенных затрат при оптимальной и неоптимальной структурах.

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

П = С + ЕК + Э, (3.17)

где П — приведенные затраты, руб.; С — себестоимость годовой продукции на заводе; Е — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; так как окупаемость капиталовложений принима­ется в 8 лет, то нормативный коэффициент Е = 1/8 = 0,125; К— удельные капиталовложения в заводское производство конгломерата равные сумме капвложений, отнесенной к объему выпускаемой продук­ции в год, руб.; Э — среднегодовые эксплуатационно-ремонтные 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 по­следняя тем больше, чем выше разность между П₁и П₂, умноженная на объем выпускаемой продукции заводом в год (А), т. е. А(П₁ – П₂) где П₁ — приведенные затраты конгломерата неоптимальной струк­туры и П₂ — то же, при оптимальной структуре конгломерата.

Если в обоих случаях (оптимальной и неоптимальной структур данного конгломерата) слагаемое ЕК в формуле (3.17) является величиной постоянной, то экономическая эффективность ЭЭ выра­зится:

ЭЭ = A(C₁ – Э₁) – (С₂ + Э₂),

где C₁ и Э₁ относятся к неоптимальным, а С₂ и Э₂ структурам конгломерата.

Величины себестоимости продукции (С) функционально связаны в основном с амортизацией основных фондов, стоимостью сырья, затратами энергии, топлива и др. В данном случае при сравнении себестоимостей C₁ и С₂ основное значение имеет стоимость затрачи­ваемых материалов, в первую очередь вяжущих веществ как наибо­лее дорогих компонентов. Другие факторы, влияющие на величину себестоимости, или практически остаются постоянными при сравне­нии C₁ и С₂, или непосредственно связаны с расходом и стоимостью материалов, например стоимостью сырья. Очевидно, что чем ниже оказывается расход и стоимость применяемых материалов, тем ниже расход и стоимость сырья, на основе которого вырабатывают­ся эти материалы.

Между тем анализ показывает, что наиболее экономными со­ставами по расходу вяжущих веществ являются оптимальные, при которых конгломерат удовлетворяет закону створа. На рис. 3.16 по­казаны один оптимальный в точке Н и ряд неоптимальных в точках А, В, С, Д, Е составов конгломерата, изготовляемого из принятых материалов — вяжущего вещества и заполнителей и при принятой технологии. Независимо от структур во всех указанных точках со­ставы удовлетворяют величине заданного свойства, например пре­делу прочности при сжатии (R_тр). Однако составы отличаются тем, что в точке Я содержится наи­меньшее количество вяжущей части и вяжущего вещества. Пола­гая, что вяжущая часть дороже заполняющей, очевидно, что и се­бестоимость C₁ при принятых выше условиях больше себестои­мости С₂, причем разность между ними быстро возрастает по мере удаления принятого состава от состава в точке Я. Аналогичное явление характерно при любых других свойствах, принятых в ка­честве критериев для оценки качества конгломерата.

Величины эксплуатационно-ремонтных расходов (Э) обусловле­ны в первую очередь долговечностью и надежностью материала в конструкций. Чем выше долговечность и надежность конгломерата, тем реже требуются ремонтные работы и ниже будут эксплуатаци­онные расходы на поддержание конструкции в нормальном состоя­нии.

Между тем из рис. 3.16 видно, что структуры конгломерата в точках А, В, Е характеризуются дискретностью вяжущей прослойки и повышенной пористостью, вызванной недоуплотненностью конг­ломерата. То и другое всегда приводит к преждевременному разру­шению структуры, особенно под влиянием циклического заморажи­вания материала, насыщающегося водой. В тех случаях, когда требуется повышенная пористость конгломерата (снижение массы конструкции, повышение теплозащитных качеств и т. п.), целесооб­разно сохранять оптимальную плотную структуру, но использовать легкие пористые заполнители, поризовать вяжущую часть и даже иногда повышать содержание жидкой среды в пределах оптималь­ной структуры или, наоборот, вводить в смесь пластификатор (суперпластификатор) с тем, чтобы сократить расход жидкостной среды. 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, Д, L структуры конгломерата характеризуются повышенной пористостью за счет испарения части жидкой среды в эксплуатационный период или частичного синерезиса с выпотеванием на поверхности изделий или конструкций. Повышенное отношение с/ф способствует появлению и развитию пластических деформаций, ускоряя потребность в ремонтных работах и дополнительных эксплуатационных расходах.

Таким образом, анализ показывает, что при неоптимальных структурах значения С₁ и Э₁ растут тем быстрее и в больших размеpax, чем дальше отстоит структура конгломерата от оптимальной Значения же С₂ и Э₂ всегда ниже, чем обеспечивается определенная экономическая эффективность при оптимальных структурах конг­ломерата. Однако следует учитывать, что при стоимости вяжущих веществ ниже стоимости заполнителя величина ЭЭ также несколько уменьшается, что может быть установлено только с помощью конк­ретных расчетных данных.

Выше, при сравнении приведенных затрат, было принято что слагаемое ЕК в формуле (3.17) является величиной постоянной при оптимальной и неоптимальной структурах материала. Однако в ре­альных условиях оптимальные структуры могут оказать положите­льное влияние на рост производительности завода и увеличение вы­пуска продукции в единицу времени. Это вызовет снижение удельных капиталовложений в заводское производство конгломера­та, а поэтому уменьшатся и приведенные затраты, возрастет соответственно экономическая эффективность.

На основании изложенного становится ясным, почему показа­тель наибольшей экономической эффективности размещается в виде экстремума в общем створе технических (строительно-эксплуатаци­онных) свойств конгломерата оптимальной структуры. Комплекс экстремумов технических свойств становится как бы взаимно свя­занным с максимумом экономической эффективности, и в этом за­ключается одно из существенных достоинств оптимальных структур в строительном материаловедении.