Твердение бетонов
реклама
Любое иное мнение двигает науку вперед. И хорошо, когда отдельные ученые находят свою тему, не слепо следуя догматическим постулатам, а путем экспериментов и сопоставления уже имеющегося опыта, анализа научных изысканий в конкретной области знаний. Тогда их выводы звучат несколько непривычно, почти революционно. Геннадий Никифорович Пшеничный, кандидат технических наук, доцент кафедры «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Кубанского государственного технологического университета, как раз и относится к тем представителям научного мира, которые своими изысканиями разрушают, казалось бы, незыблемые, десятилетиями сложившиеся стереотипы относительно твердения цементных бетонов. Он не устает доказывать, что твердение бетонных и железобетонных изделий и конструкций на всех временных этапах имеет «скачкообразный», стадийный характер. Эта объективная структурообразующая особенность известна с 30-х годов прошлого столетия, однако до сих пор либо серьезно не воспринимается, либо объясняется малопонятными, а потому и малореальными процессами. Сегодня мы попросили Геннадия Пшеничного рассказать о своем пути в науке, об опытах и исследованиях, приведших к таким неожиданным результатам. Г. П.: Исследования в области твердения цементных бетонов провожу с 1974 г. Уже в те давние времена на основании экспериментальных данных я пришел к твердому убеждению — цементные бетоны твердеют не только «скачкообразно», но и циклически, т.е. при конкретном температурном режиме моменты внезапного увеличения структурной прочности в тесте и смесях наступают через достаточно близкий интервал времени. Причем водоцементный фактор и заполнители не оказывают влияния ни на ход процесса, ни на время наступления указанных «скачков» прочности. Эта структурообразующая особенность была использована для практических целей, которая реализовалась в кандидатской диссертации «Циклическое вибрирование бетонных смесей и его влияние на свойства цементного камня и бетона», успешно защищенной в бывшем РИСИ в 1981 г. Разработанная технология прошла производственную проверку на ряде заводов при выпуске железобетонных конструкций. Ведомственные приемочные испытания проведены в 1986 г. на бывшем Приокском ССК. В результате было решено использовать циклическую виброактивацию на всех кассетно-стендовых линиях бывшей системы Минсельстроя СССР с целью экономии портландцемента, ускорения сроков твердения, повышения свойств продукции. Однако в связи с известными социально-экономическими событиями этим намерениям не суждено было сбыться. Все попытки доказать очевидное, обратить внимание научной общественности на данную «странность» поведения бетона для возможности решения этой проблемы, создания теоретически обоснованного направленного производства бетона и железобетона не нашли поддержки. В подавляющем большинстве случаев на мои работы были крайне отрицательные отзывы, что делало невозможным их публикацию. Не найдя понимания, я оставил научную деятельность и с 1989 г. перешел на преподавательскую работу в бывший Краснодарский политехнический институт. Читаю студентам лекции по технологии обычного и легкого, в том числе ячеистого, бетонов, их защиты от коррозии, основам научных исследований и другим темам. Провожу со студентами лабораторные и исследовательские работы по изучению твердения цементных систем, действия на процесс химических добавок (электролитов, пластифицирующих, комплексных), влияния на свойства бетона различных активизирующих факторов. Накоплен достаточно обширный, весьма интересный экспериментальный материал. В частности, многие химические добавки, считающиеся ускорителями твердения, вряд ли можно относить к таковым из-за их явно замедляющего действия (например, широко известный поташ). Или сформировалось мнение, что все хлориды — ускорители. Однако и этот момент требует уточнения. Хлориды натрия и калия значительно замедляют гидратационный процесс. Многие химические добавки, считающиеся ускорителями твердения, вряд ли можно относить к таковым из-за их явно замедляющего действия (например, широко известный поташ). В последние 2–3 года отношение к моим работам в корне изменилось. Ряд базовых работ опубликовано в журналах «Бетон и железобетон», «Строительные материалы», международных сборниках научных трудов. По полученным результатам мною подготовлена докторская диссертация, которую надеюсь защитить в текущем году. Корр.: Давайте остановимся на ваших исследованиях подробнее. Что нового Вы вносите в бетоноведение? Г. П.: По большому счету, как это ни парадоксально звучит, — ничего, поскольку на этот вопрос я мог бы отвечать фразами, сказанными ранее многими исследователями. Например: «в настоящее время нет общепринятой научной теории, исчерпывающе раскрывающей механизм образования и твердения вяжущего, а существующие традиционные теоретические концепции не позволяют выявить тонкие механизмы образования цементного камня» (надеюсь, я не исказил смысл и по назначению использовал высказывание авторов В. А. Помазкина и А. А. Малаевой, которое встретилось мне в журнале «Бетон и железобетон» от 2002 г., № 2). Я бы даже сказал более категорично: принятая в качестве теоретического фундамента так называемая «сквозьрастворная» или «кристаллизационная» схема твердения портландцемента в основе своей искажает реальное состояние дел, ее дальнейшее использование совершенно нецелесообразно, поскольку данная «теория твердения» ставит больше вопросов, чем дает ответов. Цементный камень никогда не был и вряд ли когда-то станет кристаллическим сростком или, как сейчас говорят, «материалом с оптимальным соотношением кристаллической и гелевидной фаз». Это аморфный продукт с вытекающими отсюда последствиями. Кстати, о кристаллических продуктах. Можно возразить, утверждая, что при изучении структуры образцов с помощью электронной микроскопии наблюдается огромное количество кристаллогидратов, так что отрицать протекание кристаллизационных новообразований — бесперспективное занятие. Но ведь этого никто и не отрицает. Бесспорно, кристаллизационные явления имеют место быть, но есть процессы определяющие (основные) и сопутствующие (второстепенные). При получении сколов разрушение материала происходит по наиболее слабым, дефектным участкам (межзерновым пустотам, порам, микротрещинам), которые характеризовались избыточным водосодержанием и всеми условиями для протекания кристаллизации (преимущественно, извести). В итоге с помощью микроскопии мы изучаем не структуру цементного камня, а структуру его дефектных участков, в связи с чем еще предстоит установить. Как говорил А. Грудемо, «является ли присутствие в структуре теста кристаллических элементов более благоприятным условием для развития прочности?». «Скачкообразность» процесса отмечали В. А. Кинд и В. Ф. Журавлев на заре развития сборного железобетона. Так что и здесь принципиально нового ничего нет, если не считать того, что в первые 12–16 часов твердения (до максимума тепловыделения) «скачки» прочности наблюдаются циклически, причем синхронно как в цементном тесте, так и в смесях различных видов и консистенций. К своей заслуге могу отнести наблюдение, что отмеченная «скачкообразность» (точнее, стадийность или цикличность) является постоянной характеристикой, константой данного цемента. Рассматриваемая особенность твердения бетона справедлива не только для пластической стадии, но и для более поздних этапов. Об этом наглядно свидетельствуют такие аспекты, как обнаруженный Л. А. Малининой с сотрудниками «пилообразный» рост прочности бетона, его сбросы прочности спустя месяцы, годы и десятилетия. Т. е. это объективная реальность, которую непременно следует учитывать при изготовлении и эксплуатации железобетонных конструкций. Корр.: В чем же Вы видите причину ритмичного твердения цементных бетонов? Г. П.: В таком же характере химического взаимодействия клинкерных минералов с водой затворения. В основе взаимодействия этих компонентов лежат электроповерхностные явления, которые, бесспорно, протекают в цементной системе. С одной стороны, — искусственно полученная, чрезвычайно неустойчивая, «замороженная» твердая среда, характеризующаяся высокоразвитой поверхностью, наличием огромного количества поверхностных активных центров — связей ионов кальция, с другой, — «полярный» объект. Следовательно, при соприкосновении поверхности цементных зерен с кластерами воды неизбежны определенные электростатические проявления. Если схематично сделать набросок элементарного гидратационного акта, то он выглядит таким образом: формирование неравновесного двойного электрического слоя с избытком зарядов в цементном зерне; адсорбционный процесс (аккумулирование системой внутренней энергии); достижение критического состояния, разрушение структурных связей твердой среды и воды; химическое взаимодействие компонентов, образование гидрата, в виде оболочки покрывающего цементное зерно; резкое потребление порции диполей, формирование очередного неравновесного ДЭС; развитие вакуума, стяжение, самоорганизация клинкерных зерен. Этот процесс протекает стадийно: вначале — через близкий интервал времени, но по мере «обезвоживания» системы подготовительные (индукционные) интервалы все более растягиваются во времени. Корр.: Так что же это за материал — цементный камень? Г. П.: Очень точно цементный камень назвал В. Н. Юнг — микробетон. Правда, расшифровка этого термина требует некоторого уточнения. По мнению его автора, микробетоном является материал, состоящий из кристаллической и гелевидной фаз, а также многочисленных включений не полностью разложившихся клинкерных зерен различных размеров, переставших играть активную роль. Судя по этой формулировке, неразложившиеся цементные зерна — второстепенный и негативный элемент, от которого желательно бы избавиться, разложив зерна на его составляющие. Однако, к счастью, это мероприятие трудновыполнимо, а в ряде случаев и невозможно, но если бы мы этого и достигли (например, сверхтонким помолом цемента), то вряд ли получили бы что-либо позитивное. Ведь эти многочисленные включения неразложившихся клинкерных зерен являются основополагающим структурным элементом, определяющим все свойства камня и бетона. Если в обычном бетоне эту роль выполняют плотный и прочный крупный и мелкий заполнители, то в микробетоне — частично гидратированные клинкерные зерна. Об этом свидетельствуют многочисленные опыты по повышению прочности камня путем добавления в обычный цемент грубомолотой фракции или использования полидисперсного состава цементного порошка. Таким образом, цементный камень является действительно микробетоном — материалом, состоящим из частично гидратированных клинкерных зерен, выполняющих роль «крупного заполнителя», склеенных аморфными гидратными прослойками. Появляющиеся при твердении кристаллические образования — сопутствующий элемент, не играющий принципиальной роли в процессе. Корр.: Чем же объясняются сбросы прочности бетона на поздних этапах? Г. П.: Следует отметить важный момент. Глубина гидратации частиц вяжущего в затвердевшем микробетоне ничтожна, она составляет несколько микрон. Основная же масса клинкерного зерна на протяжении всего срока эксплуатации железобетонной конструкции находится в негидратированном виде. Последнее обстоятельство неоднозначно. С одной стороны, как отмечалось, не полностью гидратированные клинкерные зерна выполняют важнейшую роль «крупного заполнителя» микробетона, с другой, — вероятны гидратационные процессы на более поздних этапах. Появление гидратных продуктов в толще клинкерного зерна приводит к растрескиванию клеевой прослойки микробетона, ослаблению структурных связей, снижению свойств материала. При обычных условиях твердения эти деструктивные последствия, как правило, «залечиваются» новыми порциями гидрата. В случае же загруженности конструкции протекающее на поздних стадиях электрохимическое взаимодействие компонентов приведет к накоплению структурных дефектов (микротрещин) с очевидным нежелательным итогом. Таким образом, твердение бетона — одновременное и теснейшим образом взаимосвязанное протекание созидательных (структурообразующих) и негативных (деструктивных) процессов. Одной из вероятных причин имевших место аварийных ситуаций с нередко печальным итогом можно назвать продолжающуюся гидратацию цементных зерен в стадии эксплуатации конструкции. Так что этот момент непременно следует учитывать в технологическом процессе и при эксплуатации конструкций. Корр.: Как же повысить надежность, качество железобетона? Г. П.: Принято считать, что затвердевший бетон при отсутствии внешних агрессивных воздействий неограниченно длительное время сохраняет свои свойства. Однако это далеко не так. При определенных обстоятельствах (несоблюдение технологического регламента, применение жестких с пониженным расходом смесей, эксплуатация конструкций в условиях повышенной влажности и температуры среды и др.) бетон может разрушаться. В сформировавшейся структуре возникают внутренние напряжения, приводящие к негативным последствиям. И дело не в злополучном эттрингите и прочих мифических вещах, а в ранее отмеченных гидратационных процессах. Информация об этой стороне проблемы, включающая некоторые меры защиты, опубликована в журнале «Бетон и железобетон» (№4, 2006). Сейчас мы с инициативной группой студентов занимаемся данным вопросом, накапливаем экспериментальный материал. Для разрушения нагруженного бетона достаточно его нагреть до температуры, скажем, 70 ?С. Опыты мы проводим таким образом: изготавливаем из различных составов образцы-пластины размером 160х40х10 мм, обеспечиваем конкретные условия твердения. В месячном возрасте определяем разрушающую нагрузку и с помощью специального стенда и пружин нагружаем образец 50 %-ной нагрузкой, т.е. обеспечиваем двукратный запас прочности. Ставим стенд с образцом в сушильную или пропарочную камеру с установленной температурой испытания и через несколько минут происходит, как правило, разрушение. Принято считать, что затвердевший бетон при отсутствии внешних агрессивных воздействий неограниченно длительное время сохраняет свои свойства. Однако это далеко не так. Корр.: С пропарочной камерой все более или менее понятно, а отчего разрушается бетон в сухой среде? Г.П.: Дело в том, что в затвердевших цементном камне и бетоне имеется очень много воды — до 10–16 % по массе. Однако это структурированная, адсорбционно связанная твердой фазой, совершенно безобидная вода, которая может присутствовать в бетоне неограниченно долгое время безо всяких нежелательных последствий. Картина резко меняется при нагреве бетона. Повышенные температуры разрушают водородные связи, молекулы воды резко активизируются и вступают в электрохимическое взаимодействие с цементными минералами. Образовавшийся продукт разрушает гидратную оболочку, вследствие чего ослабляются структурные связи, что и приводит к столь печальному для бетона итогу. Можно наглядно убедиться в этих разрушительных процессах. Вместе с Геннадием Никифоровичем мы проходим в лабораторию, где студенты проводят опыты по изучению надежности образцов разных составов при воздействии повышенных температур. Каждый образец нагружается индивидуальной нагрузкой. После этого они помещаются в сушильный шкаф. Через несколько минут некоторые образцы разрушаются, что сопровождается резким характерным звуком. Время разрушения и марка не выдержавшего испытание образца фиксируются. Г. П.: Эти деструктивные процессы, к сожалению, объективная реальность. Косвенным подтверждением гидратационных процессов является то, что предварительно высушенные образцы совершенно не разрушаются. Повышенной стойкостью обладает также бетон, твердевший в водной среде, поскольку предельно гидратированные поверхностные активные центры способствуют снижению вероятности поздних гидратационных актов. Не исключено, что многие катастрофы с железобетонными элементами связаны именно с этим разрушительным явлением. Без преувеличения можно сказать, что этот аспект — бомба замедленного действия, заложенная в наши сборные и монолитные конструкции. Корр.: А как влияют на структуру цемента пластифицирующие добавки? Г. П.: Очень простой и в то же время чрезвычайно сложный вопрос. Простота заключается в том, что ответ лежит на поверхности. Вводя в цементную систему органическую добавку, мы заряжаем одноименным потенциалом клинкерные зерна, приобретаем тем самым эффект взаимного отталкивания последних, что в свою очередь повышает текучесть, удобоукладываемость смеси, позволяет сократить энергозатраты, повысить качество формовочных работ. Однако этим приемом мы осложняем естественный структурообразующий процесс — стяжение системы, самоорганизацию клинкерных зерен. Иначе говоря, мы искусственным путем препятствуем качественному формированию цементного камня. Кстати, традиционный суперпластификатор С-3 катастрофически снижает надежность бетона. Некоторые составы не представилось возможности даже испытать, поскольку образцы самопроизвольно разрушались в процессе твердения. Традиционный суперпластификатор С-3 катастрофически снижает надежность бетона. Что касается сложности вопроса, то это связано с наметившейся в последние годы тенденцией повсеместного и безоглядного использования этой органики в технологии сборного и монолитного железобетона. Кто будет возражать против «самовыравнивающихся» полов, «теплых» ячеистобетонных самонесущих стен, санитарно-технических кабин, панелей перегородок и т. п. Но совсем неправильно использовать пластифицированные смеси при производстве плит покрытий и перекрытий, подкрановых балок, колонн, ферм и подобных ответственных в эксплуатационном отношении конструкций. В последние годы на отечественный строительный рынок хлынул поток различных добавок, способных, по мнению разработчиков, решить все проблемы в сборном и монолитном строительстве. При символических расходах (1..2 % от массы цемента) в разы повысить сроки твердения, прочность бетона, на десятки процентов сократить расход цемента, без всяких дополнительных хлопот получать практически водонепроницаемый материал и т.п. Мы со студентами проверяли действие некоторых таких добавок. Действительно, в ряде случаев можно получить сиюминутный эффект, но кто даст гарантию позитивности этой добавки в перспективе? Во всяком случае, при строительстве своего монолитного дома я вряд ли использовал бы многие из этих добавок. Корр.: Что Вы предлагаете предпринять, чтобы избежать разрушения, повысить надежность бетона и железобетона? Г. П.: Предлагаю, прежде всего, осмысленный, научно обоснованный технологический регламент, включающий массу способов и приемов. Разумное использование химических добавок, в частности, пластифицирующих при их непременной экспериментальной проверке на надежность. Обязательное применение в процессе производства циклического вибрирования, обеспечивающего повышение оборачиваемости форм и оснастки, значительное повышение прочности бетона, сцепления цементного камня с заполнителем и арматурными элементами. Необходимо не допускать пересушивания бетона, использовать исключительно влажностные условия его твердения, оптимальный вариант — твердение в воде. Защищать работающие на изгиб железобетонные конструкции от увлажнения и повышенных температур. Проще говоря, применять комплекс мер для предотвращения возможной гидратации «заполнителя микробетона» в стадии эксплуатации конструкции.
