КРАТКИЙ ИТОГ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АКТИВИРОВАННЫХ БЕТОНОВ

Организация любого технологического процесса должна основываться на ясном и достаточно полном представлении о механизме, физической сущности конкретного явления. Только в этом случае возможно обоснование направленное применение технологии, осмысленное использование разнообразных режимов, приемов и воздействий, благоприятствующих протеканию, способствующих полноте и завершенности этого явления, получению в итоге качественной продукции с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Этот тезис чрезвычайно актуален для бетоностроительной отрасли. Не секрет, что возведение различных высотных, большепролетных зданий и сооружений, железобетонных объектов специального назначения осуществляется без должного теоретического сопровождения. Традиционно используемая трехстадийная схема твердения портландцемента и материалов на его основе не отражает в должной мере реальный процесс, подтверждением чему является ряд не выясненных аспектов (скачкообразность и «движущая сила» отвердевания, габаритная неизменность гидратирующихся цементных зерен, периодичность сбросов прочности, адаптационная способность бетонов и др.).

И сейчас в научных исследованиях и строительной практике преобладает кубико-прочностной подход к оценке эффективности тех или иных технологических решений. Повсеместно в экспериментальных работах используются условные «сроки схватывания». До сих пор нет полной ясности в сущности действия водоцементного, температурного факторов, химических добавок (электролитов, пластификаторов, комплексных) и высокодисперсных (в том числе наноразмерных) минеральных модификаторов. Распространенное мнение о кристаллоинициирующем влиянии модификаторов выглядит как-то малоубедительным в «не совсем кристаллическом» цементном камне. Да и традиционная трактовка морфологии последнего (микробетона), как симбиоза кристаллизационных и топохимических преобразований, является умозрительным продуктом, вызывающим большое количество безответных вопросов.

Все это свидетельствует о десятилетиями сложившемся глубоком кризисе в теории и практике строительной отрасли, призрачности организации в подобных условиях технологии активирования бетона. Выход из создавшегося теоретического тупика единственный — более глубокое исследование процесса гидратационного твердения портландцемента с учетом всех имеющих место особенностей и закономерностей, сопровождающих твердение цементных систем свойств и явлений.

Считается целесообразным в сжатом аннотированном виде оттенить ключевые аспекты рассматриваемого вопроса, что обеспечит более полное и качественное усвоение материала, может стать почвой для возникновения свежих и неожиданных идей по уточнению, развитию и совершенствованию отдельных позиций гидратационной проблемы:

1. Бетоноведение в историческом разрезе. Проведенный краткий экскурс в историю развития минеральных вяжущих веществ показал тернистый путь становления основного вяжущего вещества — портландцемента. Многовековое существование гидравлической извести, получаемой применением отдельно приготовленных природных и естественных пуццолановых добавок, можно пояснить не столько отсутствием соответствующих технических средств и условий, сколько своеобразной привычкой, сложившейся традицией, нежеланием ломки сформировавшихся устоев, воззрений и стереотипов. Нестандартный подход, а именно, использование для помола ранее отбраковывавшихся спекшихся известково-глинистых частиц позволило И. Ч. Джонсону вплотную подойти к изобретению «хлеба строительства». Основные положения разработанного регламента (состав и подготовка сырьевых материалов, режим и оборудование для обжига, помол продукта в сочетании с минеральными добавками) используются и в настоящее время в цементной отрасли.

С момента практического применения минерального вяжущего вещества было ясно, что управление процессом отвердевания и свойствами конечного материала невозможно без достаточно полного представления о физической сущности превращения пластичной вяжущей массы в камень. Существующие кристаллизационная (А. Л. Ле-Шателье, 1887 г.), топохимическая (В. Михаэлис, 1893 г.) и их объединяющая трехстадийная (акад. А. А. Байков, 1924 г.) схемы твердения портландцемента не описывают в должной мере процесс, подтверждением чему является ряд до сих пор не устранимых «белых пятен».

Нет ясности в природе «скачкообразного» (В. А. Кинд, В. Ф. Журавлев) характера твердения цементных систем, косвенно подтверждаемого волнообразной (ступенчатой) динамикой многих сопровождающих отвердевание цементных систем свойств и явлений (И. Н. Ахвердов, Л. Н. Маргулис, А. Е. Шейкин и др.). Особую теоретическую и практическую значимость представляет деструктивный фактор — периодичность сбросов прочности на всех этапах существования бетона, что нашло отражение в многочисленных работах весьма авторитетных исследователей (Ю. С. Малинина, Л. А. Малининой, С. А. Миронова, Е. Н. Малинского и др.). Рассматривать в качестве разрушительных причин перестройку кристаллогидратного сростка в стабильные модификации, срабатывание «цементных ядер», действие моно- или групп вредоносных кристаллов и тому подобных представлений малопродуктивно, и уж совершенно недопустимо относить деструкцию к «аномальному», свойственному неким некондиционным цементам явлению. Деструктивный аспект является такой же закономерной и неотъемлемой стороной отвердевания бетона, как и позитивный, структурообразующий процесс. Отмеченные и ряд других теоретических недоработок делают призрачной организацию в сложившихся условиях активированной, основанной на механизме, особенностях и закономерностях отвердевания портландцемента технологии бетона и железобетона.

В то же время есть общий для вышеупомянутых классических гидра- тационных схем признак — момент контакта цементных зерен с водой затворения. Это дает основание предположить определяющую роль неизбежных, но малоучитываемых сил электрической природы, возникающих на границе раздела фаз цементной системы и нашедших прямое экспериментальное подтверждение в виде положительного, весьма динамичного (неоднократно увеличивающегося и понижающегося) заряда гидратирующихся цементных частиц (О. Л. Алексеев, Г. Р. Вагнер, А. Е. Шейкин и др.). Учет электростатического эффекта, его возможной динамики и превалирующей роли в гидратационных преобразованиях и является принципиальной основой настоящего учебного пособия.

2. Характеристика химически активных компонентов. Прежде всего следует понять, в чем причина гидравлической активности и вяжущей способности искусственно полученного молотого камня (портландцемента)? Что представляет собой всем известная и в то же время таящая массу загадок вода?

Ответ на первый вопрос был озвучен на Третьем международном конгрессе по химии цемента (Лондон, 1952 г.) в докладах Дж. Джеффри, Р. Нэрса, М. Бредига, Д. Мальквори и др. В результате комплексных исследований было установлено, что кристаллохимической спецификой силикатов кальция является слабая, неустойчивая связь ионов кальция, являющаяся следствием быстрого охлаждения клинкерного расплава. «Замораживание» высокотемпературной структуры приводит к неравномерности распределения электронной плотности на Si-0-Са- связи, вследствие чего кислородные атомы образуют неравноценные связи: жесткие и прочные — с атомами кремния и более подвижные (ионные) — с кальцием. Как следствие — силикаты кальция обладают высокой энергией решетки, что и определяет метастабильность, тенденцию к перестройке, гидравлическую активность и проявление вяжущих свойств при обычных условиях.

Функцию жидкой среды — воды — не следует упрощать, рассматривать как средство для протекания растворительных, гидролизных, химических, кристаллизационных и прочих действий. Это — «полярный», высокоорганизованный объект, посредством водородных связей формирующий высокоинформационные пространственные кластерные структуры, чрезвычайно чувствительные к внешим (термохимическим, электрофизическим, динамическим, акустическим и пр.) воздействиям, в том числе к поверхностным силам твердых фаз. Для воды характерна избирательная, рассредоточенная адсорбция на минеральных подложках, что подтвердилось более низкой плотностью, тепло- и электропроводностью граничного слоя по сравнению с объемной водой (Б. В. Дерягин, Ф. Д. Овчаренко, Ю. И. Тарасевич, Н. В. Чураев,

В. И. Яшкичев и др.).

Учитывая отмеченное, можно сделать вывод о том, что исходной позицией взаимодействия цементных минералов с водой является поляризация граничной зоны, формирование на границе раздела фаз из поверхностных активных центров цементных зерен, адсорбированных диполей, микропузырьков растворенного газа, частиц коллоидных размеров и других элементов неравновесного переходного энергетического комплекса. Этот комплекс в виде определенным образом распределенных на смоченной клинкерной поверхности дипольных сгустков размером 0,4—0,5 мкм впервые обнаружили оптической микроскопией американские исследователи в середине прошлого столетия, затем были подтверждены в отечественных экспериментальных работах (в том числе и автора).

Анализ дипольных сгустков дал основание признать их шатровое (доменное) шестиопорное конструктивное устройство. Таким образом, при соприкосновении цемента с водой в межфазной зоне мгновенно формируется полимолекулярный пористый двойной электрический слой, неравновесность которого определяется наличием под динамичными и подвижными дипольными сводами огромного количества энергетически не насыщенных активных центров цементных зерен. По мере удаления от клинкерной поверхности повышается подвижность (колебательное и вращательное тепловое движение) диполей, приводящее к разрыву водородных связей и «скатыванию» дисперсий по внутренней поверхности полимолекулярных сводов к адсорбционным центрам энергетических комплексов.

3. Возможная динамика поверхностных процессов. Взаимодействие цементных минералов с водой осуществляется посредством образования на границе раздела фаз неравновесного ДЭС, с его развитием (накоплением на поверхности зерен «свободных носителей заряда» по М. М. Сычеву, аккумулированием собственной энергии), достижением критического значения, распадом (появлением активных элементов) и химизмом процесса. Данный аспект находится в полном соответствии с фундаментальным положением химической кинетики гетерогенных реакций, предусматривающим переход взаимодействующей гетерогенной (в том числе цементно-водной) композиции из исходного в конечный вид через ее промежуточное состояние — состояние переходного активированного энергетического комплекса (Т. В. Кузнецова с сотр.).

Элементарный гидратационный акт включает последовательность следующих этапов:

  • — адсорбцию кластеров воды активными центрами клинкерных частиц, формирование на границе раздела фаз неравновесного (пористого) энергетического комплекса;
  • — постепенное разрушение сетки водородных связей граничного слоя воды, локализацию диполей у адсорбционных центров;
  • — повышение плотности заряда двойного электрического слоя, возбуждение системы (индукционная стадия);
  • — достижение критического состояния (перенапряжения) комплекса, разрушение Са—О-связей и молекул воды, появление активных элементов;
  • — быстротечное химическое взаимодействие компонентов с образованием гидратных продуктов, в виде аморфных локальных скоплений покрывающих поверхность цементных зерен;
  • — потребление последними порции диполей (формирование очередного энергетического комплекса), развитие в межзерновых пустотах вакуума, самоорганизация (стяжение) частиц вяжущего.
  • 4. Скачкообразность и поверхностность процесса. В начальный период нормального твердения (до максимума тепловыделения) химическое взаимодействие компонентов, самоорганизация цементной системы протекают стадийно, «скачкообразно» (по В. А. Кинду, В. Ф. Журавлеву), через каждые 90 ± 10 мин на основе обычного портландцемента (C3S — до 65 %, C2S — до 20 %, С3А — до 10 %, C4AF — до 20 % и активными минеральными добавками — до 55 %). Отмеченная стадийность поясняется последовательной гидратацией периферийных активных центров путем поворота переходного энергетического комплекса на гидратационный шаг, соответственно неизменностью размеров дипольных структур и энергии водородных связей, достаточным количеством воды.

По мере уменьшения в системе активных диполей, снижения поверхностной энергии клинкерных зерен и диаметра переходных комплексов, повышения энергии их межмолекулярных связей интервалы между актами гидратообразования (индукционные периоды) закономерно увеличиваются, превращаясь со временем в часы, сутки, месяцы.

Гидратация цементных минералов сопровождается гидролизом силикатной части клинкера с преимущественным выбросом в жидкую среду ионов кальция. Гидролизные остатки (Si04)4- остаются на поверхности зерна на своих «исходных позициях», связываются с высокореактивными продуктами распада молекул воды, образуя водонепроницаемый барьер, делающий невозможным проникновение гидратационного фронта вглубь плотного тела клинкерного зерна. В связи с этим такие понятия, как «глубина гидратации цемента», «степень использования клинкерного фонда» и т. п., должны предусматривать не глубинный, а поверхностный смысл.

5. Формирование и строение микробетона. Последовательные ги- дратационные преобразования определяют стадийное заполнение гидратом поверхности клинкерных зерен, самоорганизацию последних под действием развивающегося в межзерновых пустотах вакуума, появление и уплотнение контактных зон посредством гидросиликатных прослоек. Формируется микробетон — материал, состоящий из поверхностно гидратированных цементных частиц, соединенных в единое целое аморфными новообразованиями. Поверхностно гидратированные клинкерные зерна, отнюдь не объекты, «переставшие играть активную роль в твердении», а важнейшие структурообразующие компоненты, «крупный заполнитель», формирующий основные физико-технические свойства композита, что подтверждается многочисленными исследованиями по оптимизации гранулометрии цементного порошка.

Стадийно-поверхностный гидратационный процесс, сопровождающийся образованием гидросиликата с увеличением объема твердой фазы в условиях развития в системе вакуума и стяжения цементных частиц, приводит к продавливанию гидратного продукта сквозь граничные зазоры прочносвязанных друг с другом и клинкерной подложкой дипольных энергетических сгустков. Своеобразная экструзия гидрата через рассредоточенные на поверхности зерна сферические дипольные «фильеры» является причиной появления трубчатых «войлокообразных» (по Дж. Берналу, А. Грудемо, Дж. Джеффри) гидросиликатных структур.

Характерной особенностью микробетона, кардинально отличающегося от других каменных материалов, является наличие на гидратированной поверхности клинкерных зерен локально рассредоточенных структур «остаточные негидратированные активные центры — адсорбированные кластеры», легко обнаруживаемые электронной микроскопией в виде сферических пор, полостей и каналов в гидратированной массе с размером от десятых долей микрона и менее. Остаточные негидратированные зоны (своеобразные «мины замедленного действия») относительно равновесны, при стабильных внешних условиях сохраняются неопределенно продолжительное время. В то же время естественное развитие энергетической системы, воздействие внешних факторов провоцируют гидратационный процесс на поздних этапах с неизбежным сбросом прочности.

Толщина гидратной (экранной) оболочки постоянна и неизменна вне зависимости от температурно-влажностных условий и сроков твердения, находится в пределах от 1,0 до 1,5 мкм. При этом кажущееся противоречие относительно стабильности толщины гидратной пленки, наряду с повышающейся со временем степенью гидратации цемента, легко решается, принимая во внимание наличие остаточных поверхностно-активных зон, являющихся своеобразным резервом предстоящих гидратационных явлений. Можно полагать, что полная гидратация цемента в реальных условиях недостижима ввиду ассоциированности жидкой среды.

Твердение цементных систем — одновременное и тесным образом взаимосвязанное протекание структурообразующих и деструктивных процессов. Развивающийся в межзерновом пространстве вакуум является позитивным фактором, «движущей силой» самоорганизации системы, формирования и становления цементного камня и бетонов. Электрохимическое взаимодействие компонентов в условиях сложившейся структуры приводит к внутренним напряжениям, периодическому ослаблению структурных связей, «пилообразному» росту прочности цементного камня и бетонов (при благоприятных) или (неблагоприятных условиях) — к сбросу прочности и разрушению конструкций.

Кристаллизация новообразований — сопутствующее явление при отвердевании цементных систем, имеющее место (как установлено многочисленными экспериментами) в условиях повышенного исходного водосодержания. Заполняя межзерновые пустоты, поры, капилляры и прочие дефектные структурные участки, кристаллогидраты, по всей вероятности, повышают плотность, снижают проницаемость микробетона и бетона в целом, что является позитивным фактором с точки зрения долговечности композита. В то же время считать сквозьра- створные процессы определяющими в «синтезе свойств» микробетона вряд ли целесообразно.

6. Действие технологических факторов. Затвердевший цементный камень — микробетон, состоящий из поверхностно гидратированных цементных зерен (крупного заполнителя), соединенных в монолит аморфным гидросиликатом. Повышенные физико-технические свойства микробетона (бетона в целом) могут быть достигнуты применением полидисперсного состава портландцемента, обеспечивающего предельное заполнение объема композита клинкерными зернами. Фракционирование цемента — весьма эффективный и до сих пор в полной мере не реализованный путь совершенствования цементного производства.

Процесс стадийного электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой локализован на границе раздела фаз, протекает в плотной области двойного электрического слоя, в связи с чем, количество воды затворения, крупный и мелкий заполнители, не оказывают влияния на качественный ход процесса. Определенные моменты (начало основной экзотермии, скачки структурной прочности, переломные точки электрофизических свойств и т. п.), свидетельствующие о качественно новом этапе твердения вяжущей системы, в цементном тесте, растворных и бетонных смесях при конкретной температуре твердения наблюдаются в одно и то же время, являются константой конкретного портландцемента.

Температурный фактор является фактором активации жидкой среды за счет разрушения водородных связей, снижения степени ассоциации диполей, повышения их подвижности, интенсификации, тем самым, кинетики поверхностных, гидратационных и структурообразующих преобразований. При температурах 40, 60 и 80 °С продолжительность начальных индукционных интервалов составляет 45, 30 и 20±5 минут, что в 2, 3 и 4,5 раза сокращает сроки твердения, по сравнению с нормальными температурными условиями. При плавном нагреве цементной системы указанные индукционные интервалы закономерно сокращаются.

Минеральные добавки (активные, инертные) с соизмеримыми с цементными зернами размерами приводят, как правило, к снижению начальной прочности микробетона вследствие разобщения активной клинкерной составляющей. Сверхтонкие же добавки (например, бентонитовая глина, микрокремнезем), размер которых оценивается единицами и долями микрона, являясь мелким заполнителем микробетона, равномерно распределяясь и заполняя его межзерновые пустоты, повышает плотность, прочность и долговечность цементных бетонов.

Действие химических добавок-электролитов связано с «отрицательной» или «положительной» (по О. Я. Самойлову) гидратацией, повышающей или снижающей активность диполей, ускоряющей или замедляющей адсорбционные и гидратационные преобразования. Представителем ускорителя твердения является хлористый кальций, обеспечивающий 50-минутную стадийность гидратообразования. Такие добавки, как поташ, хлориды натрия и калия оказывают замедляющее действие на гидратацию портландцемента, значительно увеличивая продолжительность индукционных стадий, по сравнению с твердением бездобавочного материала.

Введение некоторых добавок (например, поташа) приводит к быстрому загустеванию цементного теста и смесей, усложняющему производство бетонных работ. Потеря подвижности смесей в данном случае связана с поляризационными явлениями, формированием полимоле- кулярных комплексов типа К+(Н20)п, замедляющим гидратационные и структурообразующие процессы, в связи с чем ассоциировать это явление со схватыванием нет никаких оснований. Подобные добавки следуют классифицировать как добавки-загустители цементных составов.

Механизм действия супер- и гиперпластификаторов заключается в формировании на границе раздела фаз «поверхность клинкерного зерна — вода» ДЭС с одноименным электрокинетическим потенциалом, приводящим к взаимному отталкиванию зерен вяжущего и разжижающему эффекту, что противодействует естественному процессу отвердевания цементных систем — самоорганизации под действием вакуума частиц, формированию и упрочнению их контактных зон. Обратный «вектор действия» этих явлений определяет сомнительность использования самоуплотняющихся цементных бетонов в технологии несущих конструкций.

Полимером пластифицирующей добавки блокируется не более 20 % поверхности цементной частицы, что не вносит сколь-либо заметных корректив в протекающий обычным порядком гидратационный процесс. Обнаруживаемое на практике оперативное приобретение гипер- пластифицированным бетоном повышенной распалубочной прочности связано с проявлением второго предельного случая нарушения агрегативной устойчивости коллоидных систем (теория ДЛФО) — концентрационной коагуляции, перекрытия диффузных зон ДЭС цементных зерен и слипания дисперсий. В получаемой прочности, таким образом, значительная доля приходится на силы электростатической природы, что вряд ли можно считать позитивным с точки зрения надежности бетона.

7. О «схватывании» и диагностике портландцемента. К понятию «схватывание» (внезапно наступившему и прогрессирующему увеличению структурной прочности) цемента следует относить исключительно процессы, связанные с химическими преобразованиями, сопровождающиеся стадийным потреблением порций диполей, развитием в межзерновых пустотах вакуума и стяжением клинкерных частиц. Иные факторы, приводящие к загустеванию (испарение воды, ее поглощение пористым заполнителем, структурирование, кристаллизация диполей и т. п.) не должны даже ассоциироваться с термином «схватывание». Стандартный метод (ГОСТ 310.3) определения сроков схватывания цементов может быть использован исключительно на тесте стандартной консистенции, однако ввиду условности данные показатели не корректно использовать в научных исследованиях вследствие неизбежного получения ошибочных заключений и выводов.

Традиционные «сроки схватывания» не отражают кинетики структурообразующих процессов, а в ряде случаев откровенно вводят исследователей в заблуждение, в связи с чем вызывает сомнение целесообразность их дальнейшего практического и (тем более) теоретического использования. Стадийный характер гидратационного процесса, сопровождающийся периодическим выбросом в жидкую среду ионов кальция, потреблением порций молекул воды, развитием в межзерновых пустотах вакуума и стяжением клинкерных частиц определяет волнообразное (ступенчатое) изменение ряда сопровождающих свойств и явлений. Наличие на кинетических кривых многих из этих свойств характерных переломных точек можно использовать для контроля и управления структурообразованием и конечными свойствами бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Практика показала, что из всех сопровождающих твердение цементных систем свойств, наиболее яркими, непосредственно описывающими начальную стадию процесса, являются кинетика структурной (пластической) прочности и тепловыделение. Поэтому целесообразно прибор Вика заменить коническим пластометром в комплексе с термометрической установкой для возможности оперирования свойствами, непосредственно отражающими особенности твердения цементных систем. Разработана и рекомендуется к широкому практическому применению термо-пластометрическая установка (патент на полезную модель RU 128331) для диагностики портландцемента, его разновидностей, уточнения механизма действия различных технологических факторов и решения иных задач в области бетоноведения. Целесообразно совершенствование установки в части замены механических элементов (пружины, зубчатой пары, прогибомера) высокочувствительным пьезоэлектрическим элементом давления с регистрирующим прибором. Следует также оснастить установку электронно-компьютерным оборудованием для обеспечения автоматизации режима испытания и архивации результатов.

8. Особые свойства цементных бетонов. Свойства затвердевшего бетона не есть нечто неизменное и постоянное при отсутствии явной внешней агрессии. Естественное развитие остаточных поверхностноактивных зон, а также воздействие на бетон температурных, вибрационных, силовых, электромагнитных и прочих разрушающих водородные связи и активизирующих диполи факторов, могут привести к гидратации цементных минералов на поздних этапах и сложно прогнозируемым результатам. И если в процессе твердения или эксплуатационного периода работающего при сжатии бетона (железобетона) поздние гидратационные явления не приводят к явным негативным результатам (ввиду самозалечивания дефектов вновь образующимся гидратом), то для изгибаемых конструкций резкое ослабление структуры может иметь серьезные последствия.

Экспериментально показано существование своеобразного реабилитационного периода восстановления структуры и прочностных свойств цементного бетона (железобетона) при внешних инициирующих ги- дратационный процесс воздействиях. Вновь образующийся гидратный продукт является не только деструктивным, но и фактором залечивания структурных дефектов, восстановления исходных и даже приобретения более высоких прочностных параметров микробетона. Установлено, что при обычных температурно-влажностных условиях твердения и эксплуатации бетона (железобетона) продолжительность реабилитационного (адаптационного) периода составляет не менее одних суток.

Основным аспектом пластического деформирования (ползучести) бетонов под нагрузкой является химизм явления, обусловленный силовым деформированием микробетона и активацией адсорбированных кластеров остаточных негидратированных зон. При этом следует иметь в виду пилообразность изменения во времени прочностных свойств и вполне реальную вероятность нагружения бетона (железобетона) в момент собственных гидратационных актов и деструктивных явлений. Такое сочетание (при благоприятном стечении обстоятельств) приведет к существенному отклонению реальных и планируемых де- формативных результатов, либо — возможному трещинообразованию и аварийной ситуации.

Базовыми критериями качества несущих бетонов являются прочность, долговечность и эксплуатационная надежность, т. е. сохранение функциональных свойств конструкций в условиях расчетных нагрузок, агрессивных сред и особых (СНиП 2.01.07) воздействий. Показано отсутствие непосредственной взаимосвязи между этими категориями. Более того, повышение расхода цемента, приводящее, как правило, к однозначному изменению прочности, одновременно способствует получению бетона, весьма чувствительного к особым (например, силовым или температурным) воздействиям, определяя соответствующую ответную реакцию (увеличенную деформативность или деструкцию).

Учитывая предыдущую позицию, а также несоизмеримо более высокую значимость эксплуатационной надежности конструкций и сооружений, можно сделать вывод, что не все меры, приводящие к повышению прочности, будут оправданными и позитивными с позиций надежности бетонов. Так, снижение водоцементного фактора увеличивает прочность и повышает вероятность будущих гидратационных процессов с неизбежной деструкцией. Как следствие, использование кубико-прочностного подхода в бетоноведении при обосновании тех или иных технических решений требует осторожного подхода.

Для повышения эксплуатационной надежности железобетона необходимо использование комплекса технологических приемов, способствующих гидратационному и структурообразующему процессу и обеспечивающих полноту и завершенность этих преобразований. Показана эффективность применения оптимального водосодержания, термохимической активации жидкой среды, исключительно влажностных условий твердения и др. наряду с ограничением применения полимерных и синтетических пластификаторов, противоморозных добавок- электролитов и прочих модификаторов с аналогичным механизмом действия.

Традиционная технология бетона связана с ухудшением прочности адгезионного сцепления цементного камня с поверхностью плотных заполнителей и арматурных (в том числе, предварительно напряженных) элементов за счет объемной усадки вяжущей системы, повышения ее хрупкости и проскальзывания относительно поверхности отмеченных объектов. Данный аспект должен учитываться в технологическом процессе и использоваться комплекс мер (например, применение виброактивации), обеспечивающих повышение качества контактной зоны.

Тепловая обработка в стадии подъема (снижения) температуры ускоряет (замедляет) гидратационные, структурообразующие и усадочные процессы в вяжущей композиции при одновременном температурном расширении (уменьшении объема) крупного и мелкого заполнителей, что значительно ухудшает контактную прочность и свойства бетонов. При проектировании состава высокопрочного композита необходимо учитывать морфологию заполнителя, его структурное соответствие микробетону и предпочтение отдавать не столько прочностным, сколько теплофизическим свойствам.

9. Циклическая вибро активация твердения бетона. По природе своего твердения, заключающейся в стадийной самоорганизации под действием вакуума гидратирующихся клинкерных частиц, формировании и упрочнении контактных зон посредством аморфных гидросиликатных продуктов, цементные системы требуют обязательного применения в пластической стадии внешних силовых воздействий (циклического вибрирования, прессования, трамбования), обеспечивающих благоприятные условия становления структуры и свойств микробетона и бетона (железобетона) в целом.

Силовые воздействия следует осуществлять в стадийно наступающих моментах качественного изменения структурообразующего процесса, которые обнаруживаются в виде характерных переломных точек кинетических кривых ряда сопровождающих процесс свойств (пластической прочности, тепловыделения, электрического сопротивления, скорости прохождения ультразвука и др.). В связи с этим время приложения силовых воздействий может назначаться на основании предварительного изучения как отмеченных, так и иных свойств, непосредственно отражающих ту или иную сторону начального твердения цементных систем.

Для практических целей рекомендуется пластометрический способ определения рациональных сроков уплотнения, заключающийся в изучении изменения пластической прочности цементного теста удобной для работы консистенции, твердеющего в идентичных с бетоном температурных условиях, и назначении времени приложения силового воздействия в своеобразных «переходных моментах» построенной пластограммы. Разработано и апробировано инструментальное и методологическое обеспечение проведения соответствующих пластометрических работ для решения конкретных исследовательских и производственных задач.

Оптимальный режим циклического вибрирования, предусматривающий время приложения и количество уплотнений, продолжительность обработки в каждом из сроков, зависят от начальной подвижности бетонной смеси и определяются экспериментально. Для жестких бетонных смесей может быть использовано ограниченное количество уплотнений, осуществляемых в начальных переходных моментах, для подвижных и литых смесей временной интервал циклической виброактивации закономерно увеличивается. По сравнению с традиционным производством оптимальный режим циклического вибрирования при символических затратах позволяет на 70 % и более повысить прочность бетона при сжатии, в два-три раза интенсифицировать твердение, на 25—50 % сократить продолжительность тепловой обработки, не менее чем на 10 % сократить расход цемента, улучшить качество сцепления цементного камня с заполнителем и арматурными элементами, повысить трещиностойкость, долговечность и эксплуатационную надежность конструкций.

Одним из основных аспектов положительного действия циклического вибрирования на физико-механические свойства цементного камня и бетонов является дополнительное уплотнение гелевых клеевых прослоек клинкерных зерен, что подтверждается снижением степени гидратации вяжущего в виброактивированном микробетоне. Силовое выдавливание адсорбционно-связанной воды из поверхностных остаточных негидратированных зон частиц цемента снижает вероятность гидратационных процессов на поздних этапах и деструктивные проявления.

Эффективно сочетание циклического вибрирования с интенсивными методами твердения бетонов (тепловой обработкой, введением добавки хлористого кальция), позволяющими более оперативно осуществить режим активации, частично нейтрализовать деструктивные последствия «кинетического фактора». Для этих целей разработаны аналитические и графические зависимости рациональных сроков уплотнения от продолжительности предварительного выдерживания бетонной смеси и скорости прогрева бетона.

Показано, что для конкретного соотношения твердых компонентов бетонной смеси существует верхний прочностной предел, который может быть достигнут за счет циклической виброактивации, вне зависимости от количества введенной воды затворения. Для повышения подвижности бетонной смеси можно пойти по пути преднамеренного увеличения до разумных пределов расхода воды, негативное последствие которой нейтрализуется вибрационным путем. Циклическое вибрирование целесообразно использовать в технологии не только тяжелых и легких бетонов, но и конструкционных пенобетонов неавтоклавного твердения. При некотором повышении средней плотности представляется возможность за счет оптимизации структуры межпоро- вых перегородок практически вдвое увеличить прочность и коэффициент конструктивного качества пенобетонов.

10. Производственное освоение виброактивационной технологии. Выполнена проверка эффективности циклического вибрирования в технологии объемных блоков на Краснодарском ЗАО «ОВД», показавшая реальную возможность сокращения продолжительности первой стадии прогрева, повышения за счет этого оборачиваемости формовочных машин и производительности производства. Разработан и рекомендован комбинату комплекс технологических мер, включающих оптимизацию режима активации, контроль технологических параметров и качества продукции, обеспечение технологических условий получения продукции с повышенной трещиностойкостью.

Разработано и освоено на производственной базе ООО «Неолит» (г. Краснодар) малоэнергоемкое беспрогревное производство железобетонных решеток и балок полов животноводческих зданий с применением циклического вибрирования. Изготовлен и используется специальный виброактивационный пост для обработки твердеющих при обычных температурных условиях изделий. Применяемый режим активированного твердения бетона обеспечивает суточную оборачиваемость форм наряду с выпуском изделий с несущей способностью, практически вдвое превышающей нормативные параметры.

Разработан, изготовлен, испытан в условиях действующего предприятия и готов к широкому производству опытный образец блока управления вибраторами (БУВ-01), обеспечивающий автоматизацию подобранного режима циклического вибрирования в технологии сборного и монолитного железобетона. Блок автоматики укомплектован электронными реле времени, рассчитан для осуществления пяти уплотнений с требуемыми интервалами и продолжительностью, предназначен для одновременного обслуживания двух поочередно работающих формовочных установок.

Сформулированы основные технологические мероприятия для широкого и эффективного освоения циклического вибрирования не только в технологии сборного железобетона, но и монолитном строительстве. Рекомендуется, в частности, для производства вертикальных монолитных конструкций разработать специальную щитовую опалубку, позволяющую в автоматизированном режиме уплотнять бетонную смесь быстросъемными навесными (электромеханическими, пневматическими) вибраторами «мембранным» методом, путем передачи динамических воздействий обрабатываемой бетонной смеси контактирующей и виброизолированной от силовой рамы плоскостью.

В монолитном и сборном производстве бетона и железобетона следует широко использовать такие технологические приемы, как оптимальное время укладки бетонной смеси и раннее нагружение конструкций, позволяющие без каких-либо дополнительных затрат повысить оборачиваемость форм и оборудования, темпы строительства, сократить материальные и энергетические затраты при одновременном улучшении физико-механических и эксплуатационных свойств продукции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >