Существующие в бетоноведении проблемы

Казалось бы, в теории и бетонной практике все открыто и изучено, и дальнейшее движение — совершенствование и развитие достигнутых результатов. Действительность же свидетельствует о несколько ином состоянии дел, наличии ряда невыясненных вопросов.

1. Как известно, кристаллизационную схему А. Л. Ле-Шателье разработал применительно к отвердеванию строительного гипса. Не принимая для данного воздушного вяжущего конкретного механизма твердения (являющегося на сегодняшний день также дискуссионным), отметим «сомнительность» [11] его механического переноса на клинкерные вяжущие вещества, имеющие совершенно иную сырьевую и технологическую основу. Строительный гипс — продукт дегидратации (обезвоживания) природного двуводного гипса (гипсового камня) CaS04-2H20 при относительно низких температурах (от 140 °С до 180 °С), при которых скелет, структурный каркас гипса сохраняется в дегидратированном продукте в качестве метафазы, несмотря на то, что один инградиент исходного соединения — вода, удален из структуры [12]. Портландцемент же — вяжущее вещество принципиально иной природы. Сырьевые материалы (глина, известняк, корректирующие и прочие добавки) подвергаются обжигу до спекания при температуре около 1450 °С. В клинкерном расплаве взаимодействуют продукты распада сырья ((SiO^)4-,

Са2+ и др.) с образованием комплексных соединений (силикатов, алюминатов, алюмоферритов кальция и др.).

Несопоставимая природа этих вяжущих определяет индивидуальный характер гидратационного твердения, в силу чего закономерности одного из этих процессов вряд ли правомерно переносить на другой. В этой связи трудно согласиться с мнением о том, что закономерности, проверенные на мономинерале CaSO4-0,5H2O, применимы для описания (как наиболее сложного) процесса гидратации и других мономинералов, в том числе, клинкерных [13].

  • 2. Доминирующей теоретической концепцией, вследствие значительно большей строгости и доказательности [14], пользуется сквозь- растворная (кристаллизационная) схема превращения безводных цементных минералов в гидратированные соединения. И если затвердевший цементный камень — «кристаллический сросток», то почему же при электронномикроскопическом исследовании его структуры при различных увеличениях обнаруживается явное отсутствие единого кристаллического каркаса? Более того, при изучении микроструктуры камня двупреломляющие кристаллические новообразования не были выявлены даже после нескольких десятилетий твердения и только «в шлифах из тех цементов, которые были затворены большим количеством воды, были обнаружены кристаллические компоненты» [12]. Не преувеличивается ли, в связи с этим, роль в синтезе прочности цементного камня кристаллических продуктов, учитывая то обстоятельство, что при получении сколов разрушение образцов происходит по дефектным участкам структуры (капиллярам, порам, межзерновым пустотам), в которых преимущественно и формируются кристалло- гидратные комплексы? Проще говоря, еще следует установить, является ли присутствие в структуре теста кристаллических элементов более благоприятным условием для развития прочности [15]. Последние же исследования специалистов Массачусетского технологического института, установившие методом нейтронной интерферометрии «не совсем» кристаллическое строение гидросиликатов [16], ставят под сомнение сам кристаллизационный путь развития процесса, формирования структуры и отвердевания цементных систем.
  • 3. Уместно вспомнить результаты экспериментальных работ по изучению особенностей гидратации портландцемента в условиях невероятности сквозьрастворных преобразований, гидратации силикатов кальция в паровой среде при полном отсутствии «жидкой воды» [17, 18]. Отвердевание протекало обычным порядком, что дало авторам основание предположить о «прямой» (твердофазовой) гидратации цементных минералов. Позже выполнен эксперимент по газогидрата- ции цемента (температура воды составляла от 125 до 250 °С, вяжущего — от 410 до 420 °С). Рассчитанные при этом «скорости твердофазовой реакции таковы, что объясняют процесс гидратации минеральных вяжущих веществ с позиций чисто топохимического механизма» [19].
  • 4. Выполненные профессором Александром Ефремовичем Шейниным исследования процессов гидратации цементов под микроскопом показали, что взаимодействие цементных зерен с водой происходит без распада цементных зерен на мелкие частицы даже при твердении в воде в течение 14 суток [20], т. е. это взаимодействие осуществляется при отсутствии адсорбционного диспергирования частиц вяжущего. Как следствие, размеры любых клинкерных частиц (мелких, средних, крупных) неизменны не только при различных температурно-влажностных условиях выдерживания, но и на всем протяжении отвердевания и существования цементного композита как строительного материала. Таким образом, вызывает сомнение справедливость базового тезиса сквозьрастворной схемы твердения цемента относительно самопроизвольного диспергирования частиц твердой фазы, растворительных явлений, глубинного развития гидратационного процесса и «ядерного» (см. рис. 1.3, 1.4) аспекта.
  • 5. Традиционные схемы твердения предусматривают немедленное после соприкосновения цементных частиц с водой растворение (гидролиз) клинкерных минералов, что выглядит маловероятным на фоне их завидной микротвердости, достигающей 332,1—555,4 кг/мм2 [21], косвенно указывающей на огромную прочность межмолекулярных связей твердой фазы. Вопрос об энергетике и сущности растворительных (гидролизных) явлений был задан сторонникам сквозьрастворной схемы твердения цемента еще в середине прошлого столетия, однако до сих пор нет ответа, если не считать пояснения [22]: «При этом не уточняется, в чем заключается сущность элементарных актов, протекающих на поверхности зерна вяжущего и обеспечивающих его растворение, так как нами было доказано, что этот процесс идет с диффузионным контролем (для дальнейших расчетов это несущественно). Кроме того, в настоящее время прямое изучение этих элементарных актов крайне затруднительно, и можно говорить лишь о гипотезах». Создается впечатление, что только отмеченные элементарные акты могут быть гипотетическим продуктом, в то время как сам кристаллизационный механизм твердения — доказанный и неопровержимый факт.

Реальность немедленного (сразу же после добавления к цементу воды [6]) растворения (гидролиза) сомнительна, учитывая отсутствие тепловых эффектов, что очень просто проверяется элементарной термометрией. После начального 10—20-минутного выделения тепла, связанного с гашением свободной извести, имеет место 1,5—2,0-часовой горизонтальный участок температурной кривой, так называемый «индукционный период». Следовательно, в индукционной стадии говорить об отмеченных растворительных или гидролизных действиях совершенно безосновательно, поскольку в данной стадии не проходят химические реакции, которые можно было бы обнаружить по выделению тепла [23].

6. Известен «скачкообразный» характер твердения цементных систем, на что еще в 1930-е гг. обращали внимание профессора Владимир Августович Кинд и Владимир Федорович Журавлев: «Обычно принято считать, что портландцемент в виде теста или в виде раствора твердеет до определенного срока, причем нарастание прочности происходит плавно, без каких-либо скачков. В действительности же мы имеем дело с процессами, протекающими как раз скачкообразно, а не плавно» [24].

Скорость тепловыделения гидратирующихся цементов клинкера Воскресенского

Рис. 1.5. Скорость тепловыделения гидратирующихся цементов клинкера Воскресенского

завода [20]:

1 — с добавкой 5 % гипса; 2 — без добавки гипса

Скачкообразность процесса экспериментально подтверждается волнообразным изменением щелочности жидкой среды [25] и скорости тепловыделения (рис. 1.5). Профессор Иосиф Николаевич Ахвердов обнаружил такой же характер кривых электрического сопротивления цементного геля различного водосодержания (рис. 1.6) [26], а профессор Юрий Сергеевич Малинин с сотрудниками — аналогичную картину при изучении кинетики пластической прочности и концентрации различных ионов в жидкой фазе гидратирующегося цемента (рис. 1.7)

[27] . Таким образом, несмотря на неоспоримость немонотонного характера формирования и развития физико-механических свойств при твердении минеральных вяжущих, бетонов и тому подобных систем

[28] , данная структурообразующая закономерность нередко игнорируется, относится к аномалиям неких некондиционных цементов.

  • 7. В начальном периоде (по всей вероятности, до максимума тепловыделения) при конкретной температуре твердения моменты внезапного самоупрочнения цементной системы наблюдаются через близкий интервал времени — циклически (стадийно). Данная структурообразующая особенность обычно вызывает недоумение и недоверие, хотя ничего нет проще, чем лично убедиться в этом. Для этой цели необходимо коническим пластометром исследовать кинетику структурной прочности цементного теста и растворных смесей различных консистенций при обычных условиях твердения (с интервалом испытаний не более 10 мин с момента затворения цемента водой) и проанализировать полученные пластограммы.
  • 8. Водоцементный фактор и присутствие заполнителей (крупного, мелкого, плотного, пористого) не оказывают влияния на качественную сторону структурообразующего процесса — время наступления характерных моментов, свидетельствующих о качественно новом этапе твердения. Этот аспект выражается в том, что при изучении изменения во времени ряда сопровождающих процесс свойств (пластических, прочностных, термохимических, электрофизических, акустических и др.) ярко выраженные переломные точки соответствующих кинетических кривых при конкретном температурном режиме твердения наблюдаются в одно и то время, вне зависимости от количества воды затворения и наличия заполнителей. Выше представленный график изменения электрического сопротивления (рис. 1.6), например, показывает совпадение по времени экстремумов в бетонной смеси и цементном геле. Независимость качественной стороны твердения цементных составов от их вида и консистенции также не «вписывается» в устоявшееся представление о влиянии упомянутых факторов на сроки схватывания портландцемента и смесей на его основе.
Кинетика электрического сопротивления цементного геля в процессе схватывания цемента М-500 [26] с разным значением В/Ц

Рис. 1.6. Кинетика электрического сопротивления цементного геля в процессе схватывания цемента М-500 [26] с разным значением В/Ц

Кривые комплексного исследования образца CS + СА + гипс [27]

Рис. 1.7. Кривые комплексного исследования образца C3S + С3А + гипс [27]

  • 1 — предельное напряжение сдвигу (Рт), МПа; 2 — тепловыделение Т (град);
  • 3 — контракция (V), см3/100 г; 4 — концентрация (К) СаО в жидкой фазе, мг/л;
  • 5 — то же Si02

9. Немонотонность процесса справедлива не только для начальной (пластичной) стадии, но и для более поздних этапов твердения. На это обстоятельство указывает продолжение ранее приведенного авторами [24] сведения: «цемент, достигнув какой-то определенной прочности, дает затем заметное понижение последней с тем, чтобы вслед за этим вновь показать дальнейший рост временного сопротивления механическим усилиям, и это становится особенно ясным при рассмотрении результатов долгосрочных испытаний». Позже это явление профессор Лариса Алексеевна Малинина проиллюстрировала «пилообразным» изменением прочности пропариваемого бетона (рис. 1.8) [29] — как видно, при общей тенденции к повышению в определенные закономерно увеличивающиеся периоды наблюдаются ее «сбросы».

Нарастание прочности бетона с В/Ц = 0,47 на Белгородском п/ц М 400 [29]

Рис. 1.8. Нарастание прочности бетона с В/Ц = 0,47 на Белгородском п/ц М 400 [29]

Сбросы прочности имеют место не только в стадии интенсивного отвердевания, но и спустя многие годы и даже десятилетия [30]. Малообъяснимый деструктивный аспект имеет чрезвычайную практическую значимость, тем более в условиях наметившейся в последние годы тенденции строительства высотных и большепролетных железобетонных объектов.

  • 10. Применение химических добавок-электролитов (ускорителей, замедлителей твердения) — важный элемент технологического процесса, позволяющий при их незначительных расходах (долях и единицах процента от массы цемента) существенно изменить свойства бетонных смесей, ход и динамику твердения, конечные свойства материала. Однако это воздействие повсеместно сводится к малопонятным химическим превращениям и кристаллизационным проявлениям. Ускоряющее действие СаС12, например, часто связывается с изменением ионной силы жидкой среды, повышающей растворимость цементных минералов, или образованием комплексных солей (гидрохлоралюминатов, ги- дрохлоралюмоферритов кальция и др.) с последующим интенсивным упрочнением структуры цементного камня дополнительными порциями соответствующих кристалликов. Многочисленные же опыты показали, что в процессе гидратации 2CaOSi02 и 2CaOFe203 совместно с СаС12 в течение длительного периода твердения комплексных солей кристаллогидратов не образуется [31], петрографический анализ свидетельствует об идентичности новообразований во всех системах [32]. Данное обстоятельство дает основание полагать, что цементные минералы в процессе гидратации или вообще не взаимодействуют с хлористым кальцием, или же образование каких-либо хлорсиликатов (а равно — хлоралюминатов, хлорферритов) кальция не является основной реакцией [33].
  • 11. До сих пор нет полной ясности в таких явлениях, как «индукционная стадия», «ложное схватывание» цемента, собственные объемные деформации твердеющей цементной системы, тепловыделение, отмечавшееся волнообразное изменение ряда сопровождающих твердение свойств и их взаимосвязи. Прочность бетона считается едва ли не синонимом его долговечности и надежности. Тогда почему же в некоторых случаях рекомендуется избегать применения бетонов излишне высокой прочности [34]? И если прочность бетонов не есть фактор надежности, то чем объяснить массовое увлечение высоко- и даже ультравы- сокопрочными бетонами? При этом наметившийся путь получения таких бетонов (снижение В/Ц и применение гиперпластификаторов) входит в противоречие с предостережением авторитетных специалистов — профессоров Вадима Васильевича Бабкова, Алексея Филипповича Полака, Павла Григорьевича Комохова, отмечавших, что «необходима осторожность при использовании бетонов высоких классов прочности в несущих конструкциях в том случае, если эта прочность достигается сочетанием низких В/Ц и добавок суперпластификаторов» [35].

И сейчас не совсем ясна причина непредсказуемости цементных бетонов, их адаптационной способности к внешним (силовым, вибрационным, температурным и прочим) техногенным и природным факторам, ползучести под действием внешних нагрузок, приводящих не только к трещинообразованию и разрушению конструкций, но и, нередко, к заметному улучшению их свойств. Подобных неувязок и противоречий можно приводить достаточное количество. Выход из создавшейся ситуации заключается в переосмыслении и уточнении базового аспекта — механизма отвердевания цементных материалов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >