Известно, что с уменьшением плотности ячеистого бетона снижается его прочность, но какова эта зависимость? Не простой вопрос. Физики установили связь между скоростью и временем, между массой и энергией, но функциональная зависимость между плотностью и прочностью - все еще тайна за семью печатями.

 Видимо, одним из первых этим вопросом заинтересовался французский ученый Фере (R.Feret), который еще в 1897 году предложил линейную зависимость между прочностью и отношением твердых компонентов к объему пор. Позднее американец Пауэрс (Т.С.Powers) вывел сначала гиперболическую, а затем степенную зависимость между прочностью и плотностью. Подобные зависимости предлагались М.З.Симоновым, А.Ф.Полаком и другими.

 Большую работу по исследованию данного вопроса провел Н.И.Левин. Он обработал методами математической статистики огромное количество фактических данных о свойствах отечественных и зарубежных ячеистых бетонов и получил зависимость в форме полинома, а для использования на практике он рекомендовал более простую формулу:

(1),

 где - прочность, кг/см; а - плотность, т/м.

 Серьезным недостатком формулы (1), как и всех других предлагавшихся выражений, являлось то, что они совершенно не учитывали влияние таких важных технологических параметров, как вид и расход вяжущего, режимы гидротермальной обработки и т.п., а потому для практики не представляли особого интереса.

 Прорыв в этом вопросе совершил С.М.Ицкович. Анализируя каноническое уравнение параболы, он приходит к выражению:

(2),

 где и - прочность ячеистого бетона при плотностях и .

 Преимущество формулы (2) в том, что она учитывает свойства конкретного материала. Достаточно узнать прочность ячеистого бетона при плотности , и можно вычислить прочность при любой другой плотности. При плотности 1 т/м прочность бетона имеет какую-то, неизвестную нам величину , а подставив эти значения в (2), получим:

(3),

 и если при плотности 1 т/м ячеистый бетон будет иметь прочность 100 кг/см, то формула (3) превратится в формулу (1).

 Отсюда оставался всего один шаг до весьма важного вывода: если при любом фиксированном значении удвоится величина , то, соответственно, вдвое возрастет и значение . Но при неизменной плотности такое возможно только в результате повышения прочности того вещества, из которого составлены перегородки между ячейками. Значит, параметр является константой для бетона данного состава, отражающей прочностную характеристику скелета ячеистого бетона, того силикатного камня, из которого выполнены перегородки между ячейками, независимо от плотности бетона.

 Определить величину нетрудно, достаточно формулу (3) записать иначе:

(4)

 Это очень серьезное достижение, поскольку оно позволяет оценивать ячеистый бетон всего по одному показателю. Сравните с тяжелым бетоном: скажут, что бетон марки 400, и специалисту ясно, что это за материал. С ячеистым бетоном сложнее: если выяснится, что его марка по прочности 50, то полученная информация будет равна нулю, поскольку это либо очень хороший бетон (если его плотность 600 кг/м), либо очень плохой (при плотности 1200 кг/м).

 В Советском Союзе был головной институт по технологии ячеистых бетонов, собиравший информацию со всех заводов. Он ежегодно издавал журнал под названием ТЭП, где анализировалась информация о ячеистых бетонах. При этом под названием коэффициент прочности использовался показатель, вычисляемый по формуле (4), и это давало возможность сравнивать между собой бетоны, различающиеся по многим параметрам: автоклавные и неавтоклавные, конструкционные и теплоизоляционные, на основе цемента или извести, силикальцитные и грунтосиликатные, поризованые газом или пеной и т.д.

 Никто не хотел замечать, что прочность ячеистого бетона должна, как минимум, зависеть от двух параметров - от прочности материала, составляющего перегородки между ячейками, и от характеристик ячеистой структуры - от формы и размера ячеек, от равномерности их распределения в объеме образца. Позднее выяснилось, что на прочность бетона влияет даже повышенная или пониженная гладкость внутренней поверхности ячеек, а в формуле (3) - только одна независимая переменная величина.

 Действительно, при заданной плотности ячеистого бетона его прочность можно понизить двумя путями: либо уменьшить прочность перегородок между ячейками, например, сократив расход цемента, либо ухудшив качество структуры, например, использовав в качестве газообразователя сухую алюминиевую пудру вместо гидрофильной суспензии. Соответственно, и в формуле прочности должно быть не менее двух независимых переменных. Но тогда какой же член формулы (3) должен нести ответственность за качество структуры? Под подозрение попадает один член - показатель степени. Устроим следственный эксперимент.

 В случае газовой пористости равной нулю и плотность, и прочность бетона приобретут максимальные значения - и . Выразим в долях этих величин изменяющиеся значения и аргумента, и функции в формуле (3), при этом получим:

(5)

 И прочность, и плотность в формуле (5) - относительные, они изменяются в диапазоне от нуля до единицы. Построим в декартовых координатах график по формуле (5) и дополнительно нанесем на него кривые, полученные с другими показателями степени: 1, 3, 4 (рис.1).

Рис.1

 Из рисунка 1 видно: чем больше показатель степени, тем ниже прочность бетона при фиксированном значении плотности, т.е. при одинаковом удельном расходе цемента, при одинаковом водотвердом отношении, при одинаковой величине вспучивания. Подозрение о наличии криминальной связи между показателем степени и структурой усилилось, но нужны прямые улики.

 С этой целью был проведен эксперимент. Известно, что мельчайшие зерна газообразователя - алюминиевой пудры - склонны к слипанию в флокулы разных размеров, кроме того, они покрыты тонкой пленкой парафина, придающего зернам свойство гидрофобности, вследствие чего сухая пудра, будучи введенной в газобетонную смесь, долго плавает на поверхности, не желая равномерно распределяться по всему объему замеса, препятствуя созданию качественной структуры.

 Проблема была достаточно серьезной. Поначалу пытались обжигать пудру, чтобы удалить пленку парафина; такая пудра уже не плавала на поверхности и более равномерно распределялась по объему смеси, но обнаружилось другое: частенько пудра загоралась во время обжига. И только гидрофильная суспензия с добавкой ПАВ решила проблему.

 В рамках запланированного эксперимента готовили три вида газобетонной смеси:

 а) в смесь вводили сухую алюминиевую пудру;

 б) газообразователь вводили в виде водной суспензии с добавлением ПАВ;

 в) перед введением в газобетонную смесь алюминиевую суспензию дополнительно перемешивали в быстроходном турбулентном смесителе для диспергирования флокул и более равномерного распределения газообразователя по объему замеса.

 Газобетон каждого из трех видов затворяли при разных расходах газообразователя с целью получения опытных образцов разной плотности. Количество образцов было таким, чтобы обеспечивалась достоверность получаемых результатов. Все образцы были изготовлены в один день, из одного сырья, при одном и том же соотношении ингредиентов (кроме газообразователя), запарены одновременно в одном автоклаве, в один день испытаны на плотность и прочность.

 Небольшое отступление. Поскольку под подозрение попал показатель степени, формулу (3) необходимо переписать в таком виде:

(6),

 где - неизвестное нам число.

 Прологарифмировав формулу (6), обнаружим, что логарифм прочности является линейной функцией логарифма плотности:

(7)

 и, значит, в двойном логарифмическом масштабе график будет прямой линией. Запишем формулу (6) для двух произвольных значений плотности:

(8)

(9)

 Разделим почленно (8) на (9):

* (10)

________________

 * Текст соответствует оригиналу. - Примечание КОДЕКС.

 а затем прологарифмируем и преобразуем (10). В результате получаем:

(11)

 Но правая часть выражения (11) - не что иное, как тангенс угла наклона линеаризованного графика в двойном логарифмическом масштабе:

(12)

 Так вот. Полученные в эксперименте значения плотности и прочности газобетонных образцов в двойном логарифмическом масштабе образовали три четкие прямые с разными углами наклона, блестяще подтвердив связь показателя степени с качеством ячеистой структуры. Экспериментальные значения показателя степени для всех трех видов газобетона приведены в таблице 1.

 Таблица 1. Зависимость показателя степени от способа введения газообразователя

 Но какой показатель степени характерен для сегодняшнего реального газобетона, выпускаемого отечественной промышленностью? Естественно, что на разных заводах разное качество продукции и показатели могут быть неодинаковыми, но есть обходной маневр. В нормативных документах приводятся возможные значения класса прочности ячеистого бетона разной плотности. Максимальные для каждой плотности значения, в двойном логарифмическом масштабе четко легли на прямую с тангенсом угла наклона, равным 3 (рис.2). Можно считать, что формула прочности современного бетона имеет вид:

(13),

 а для коэффициента качества она, соответственно, выглядит так:

(14)

Прочность бетона, кг/м

Рис.2

 Закономерный вопрос: почему же тогда у Н.М.Левина и у некоторых других исследователей фигурировал показатель степени не 3, а 2? Этому есть объяснение. Дело в том, что ячеистый бетон появился на свет как материал сугубо теплоизоляционный; поначалу никто и не мыслил делать из него несущие конструкции. У ячеистобетонщиков была одна забота - сделать материал как можно более легким, максимально насыщенным воздушными порами.

 Маленькое отступление. Насыплем в сосуд одинаковые шарики, потрясем сосуд, чтобы получить максимально плотную упаковку шариков, спросим себя: достаточно ли однородно распределены шарики по объему сосуда? Ответ будет положительным. Теперь повторим этот мысленный эксперимент со смесью из двух частей цемента и одной части шариков и зададим себе тот же вопрос. Скорее всего, положительного ответа уже не получим.

 Наиболее действенным негативным следствием влияния пористой структуры на прочность материала является неравномерность распределения пор по объему, а у самых легких бетонов пор много, они упакованы более плотно, неравномерность их распределения менее вероятна, качество структуры выше и, соответственно, показатель степени в формуле (6) меньше.

 Во времена Н.И.Левина ячеистые бетоны, в подавляющем большинстве, были материалами только теплоизоляционными. Отсюда и низкий показатель степени в формуле. Есть сведения, что в принципе возможны показатели степени и меньше 2. Однако когда ячеистые бетоны перевели в ранг конструкционно-теплоизоляционных материалов, прочности оказалось недостаточно и плотность бетона пришлось повышать, а платой за это было увеличение показателя степени.

 Когда и правители, и предприниматели поймут, что лучше иметь информацию об ячеистых бетонах, чем ее не иметь, и захотят возродить ТЭПы, то надо будет вспомнить, что, кроме коэффициента качества, определяемого по формуле (14), появился еще и показатель структуры , определяемый по формуле (11). Без этого проблематично получение хорошего ячеистого бетона.