Рассмотрены рекомендации по проектированию составов тяжелого и мелкозернистого бетона, как обычного, так и высокопрочного. Впервые рассматриваются подходы к подборам самоуплотняющегося бетона, а также напрягающего высокопрочного тяжелого и высокопрочного мелкозернистого бетонов. Дана историческая справка по «Руководству по подборам составов тяжелого бетона» (1979 г.) и «Рекомендациям по подбору тяжелых и мелкозернистых бетонов (к ГОСТ 27006–86)» (1990 г.). Непосредственно в первой редакции Рекомендаций изменены подходы при разработке составов бетона по обеспечению заданной удобоукладываемости. Также представлена методика разработки производственных норм, т. е. на примерах и в тексте даны наименее трудоемкие способы разработки составов бетона, как нормального твердения для монолитных конструкций, так и бетона для сборных железобетонных изделий.

Введение дисперсных минеральных добавок оказывает благоприятное влияние на многие свойства бетона. Это связано с физическим эффектом, который проявляется в том, что мелкие частицы обычно имеют более тонкий гранулометрический состав, чем портландцемент, и проявляют себя как микронаполнитель. С другой стороны, это может быть связано с их пуццолановой активностью, которая проявляется в способности кремнезема и глинозема взаимодействовать с гидратом окиси кальция и образовывать гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. В данной работе активность минеральных дисперсных компонентов оценивали по теоретическому значению коэффициента гидратационной активности, который определяли по их химическому составу. Фактический коэффициент гидратационной активности рассчитывали по максимальному значению прироста массы дисперсных побочных продуктов промышленности путем поглощения этими добавками Ca(OH)₂ из насыщенного раствора извести. Количественный и вещественный состав кристаллических соединений в побочных продуктах промышленности определяли одним из косвенных методов, а именно с помощью рентгенофазового анализа. Экспериментальными данными было установлено, что фактическая пуццолановая активность оказалась намного ниже теоретического значения, и поэтому побочные продукты промышленности расположились в такой последовательности: золошлаковая смесь - побочный продукт углеобогащения - доменный гранулированный шлак, что подтверждается результатами рентгенофазового анализа и согласуется со значениями предела прочности бетонных образцов при сжатии, испытанных в разный период твердения.

Актуальной задачей развития экономики на современном этапе является создание промышленности по переработке и утилизации отходов промышленных производств. Строительная отрасль в значительных количествах утилизирует крупнотоннажные отходы металлургических производств, к которым относятся доменные шлаки. Особое внимание при этом уделяется уменьшению потребления клинкерного цемента в бетоне, снижению себестоимости бетона. В статье представлены характеристики молотых гранулированных шлаков ПАО «Северсталь» и бетонов с заменой до 50% цемента на молотый шлак. Экономическая эффективность использования гранулированного доменного шлака заключается в расширении сырьевой базы для получения эффективных строительных материалов; сокращении расхода клинкера (до 50%); сокращении стоимости вяжущего; обеспечении высоких эксплуатационных характеристик бетона при применении молотого доменного гранулированного шлака. Экологическая эффективность заключается в решении экологической задачи за счет утилизации отходов металлургической промышленности.

Трудность, сопровождающая применение теории ползучести в строительной практике, по мнению авторов, заключается в декомпозиции деформационных свойств бетона. Она сложилась исторически. В 1660 г. Р. Гук сформулировал закон, определяющий связь между напряжением и деформацией упругого тела. Впервые на неупругие свойства бетона обратил внимание А. Консидер (публикация в 1905 г.), т. е. на 245 лет позднее. С этого времени можно вести отсчет изучения ползучести, которое велось параллельно с изучением упругости бетона, и в связи с приоритетом по времени исследований упругости ползучесть получила статус прикладной. У того и другого направления определялись свои эмпирические зависимости, ничем не связанные друг с другом. Это привело к тому, что разделение экспериментальных значений деформаций на упругие и неупругие в зависимостях, полученных из опытов, проводилось по-разному. В данной статье показано, что свойство общности функции старения позволяет избежать этой декомпозиции.

Ползучесть и усадка бетона – это зависящие от времени деформации, влияющие, в первую очередь, на эксплуатационную пригодность, а в некоторых случаях и на безопасность железобетонных конструкций, и с предварительным напряжением, и без него. Усадка, в основном, обусловлена как самовысушиванием, так и высыханием влаги, если бетон подвергается воздействию окружающей среды с более низкой относительной влажностью. Вдобавок и в сочетании с этим, большие и в значительной степени неустранимые деформации ползучести бетона могут вызвать значительные изменения воздействий на конструкции с точки зрения распределения внутренних напряжений, чрезмерных прогибов и потерь предварительного напряжения, а также привести к образованию больших трещин. Все эти эффекты влияют на работоспособность и долговечность конструкций, а также могут влиять на их структурную безопасность.

Для объяснения и моделирования зависящего от времени поведения бетона предложено много моделей. Кроме того, в литературе было представлено несколько методов, упрощающих расчет деформации ползучести конструкций, таких как метод эффективного модуля, метод скорости ползучести, метод коэффициента старения (метод AAEM) и подход, основанный на линейной теории вязкоупругости старения. В последнее время разработаны также более совершенные и продвинутые подходы к детальному численному анализу структурных эффектов ползучести и усадки бетона в сложных, неоднородных и последовательно возводимых конструкциях. Однако зависящее от времени поведение бетона должно быть согласовано с определенной обстановкой в более широких всеобъемлющих рамках, поскольку оно является результатом взаимодействия многочисленных химических, физических и механических процессов, которые являются функциями состава материала и его выдерживания, а также воздействия окружающей среды и условий нагружения.

Природа и масштабы, в которых происходят все вышеупомянутые процессы, представляют собой сложную задачу для численного моделирования. Бетон – гетерогенный материал, состоящий из двух компонентов, имеющих очень большие различия: цементной матрицы и заполнителей. Заполнители, как правило, гораздо более жесткие, менее пористые, и их зависящие от времени деформации на порядки ниже, чем у цементной матрицы. Оставаясь на мезоуровне, эти две фазы создают основную гетерогенность бетона, поскольку в этом масштабе вклад границы раздела матрица/заполнитель, называемой «межфазной переходной зоной» (ITZ), можно условно объединить с матрицей и отличить их от заполнителя, чтобы затем описать основную гетерогенность бетона. Путем отделения заполнителя от матрицы можно непосредственно уловить мезомасштабное взаимодействие на этом уровне; например, когда бетон нагружается при сжатии, мезоструктура испытывает хорошо известный механизм расщепления заполнителей. Мезомасштабные модели способны разрешать напряжения и деформации на таком уровне и могут различать деформации растяжения и сжатия, в то время как макроскопические модели должны усреднять их. Это различие становится очень важным при взаимодействии повреждений и ползучести/усадки, или когда внутренние самоуравновешенные напряжения являются единственным источником нагружения, как, например, при неравномерном высушивании или свободном расширении при прогрессирующей щелочной реакции заполнителя (ASR); в этих случаях макроскопические напряжения равны нулю. Следовательно, макроскопические непрерывные модели должны явно учитывать эти явления на более низком уровне в своих основных (конститутивных) законах.

В литературе существует множество мезомасштабных подходов, основанных на континуальных моделях конечных элементов (FE), на дискретных моделях, таких как классические методы дискретных элементов частиц (DEM). Описаны решетчатые методы и комплексный подход, сочетающий в себе оба вышеприведенных метода и называемый «решетчатой дискретной моделью частиц». Известны сети «жесткого тела – пружины» (RBSN), а также интерфейсные модели элементов с определяющими законами, базирующимися на нелинейной механике разрушения. Только через физическую основу конститутивных подходов может быть преодолена проблема создания надежных моделей прогнозирования, но это по-прежнему требует калибровки в обширной базе данных.

В данной статье впервые будет рассмотрен современный мезомасштабный подход, способный удивительно хорошо представить зависящее от времени поведение бетона. Этот мезомасштабный подход состоит из комбинации мезомасштабной дискретной модели, называемой «решетчатой дискретной моделью частиц» (LDPM), которая является всеобъемлющей моделью бетона. Она представляет внутреннюю структуру (неоднородность) материала с помощью набора крупных заполнителей, которые взаимодействуют на дискретных границах раздела. Модель успешно применялась при моделировании образцов бетона и железобетонных конструкций в различных условиях статического и динамического нагружения. Недавно LDPM была объединена с гидротермохимической (HTC) моделью, что привело к созданию мультифизической платформы, которая позже была расширена для учета связанных деформаций ползучести, усадки и щелочной реакции заполнителя (ASR). В этом контексте деформации ползучести и усадки моделируются на основе дискретного варианта теории микропреднапряжения – твердения.

Наконец, для демонстрации возможностей и уникальных особенностей предложенной вычислительной платформы в статье используются различные наборы экспериментальных данных, имеющиеся в литературе. Поскольку вычислительная платформа состоит из нескольких компонентов, она требует объективной твердой стратегии калибровки множества параметров. В цифровых применениях сначала представляется калибровка каждого компонента модели на основе пригодных для этой цели данных испытаний. Затем выполняется валидация с использованием экспериментальных данных, которые не были использованы для калибровки. Примеры, рассмотренные в статье, относятся к ползучести и усадке при различных гидротермических условиях, влиянию старения на прочность, третичной ползучести и ее применению к анализу времени до разрушения, разрушающему эффекту щелочной реакции заполнителей (ASR) в сочетании с ползучестью и усадкой.