О критерии качества цементных бетонов

Согласно разработанному ЦНИИПпромзданий МНИИТЭП СТО-008— 02495342—2009, непременным условием обеспечения сохранности зданий и сооружений, недопущения их локальных разрушений и прогрессирующего обрушения, является достижение и сохранение в расчетной эксплуатационной стадии необходимой прочности несущих железобетонных конструктивных элементов. С этой целью регламентируется жесткий контроль прочностных показателей бетонов на всех этапах строительства и эксплуатации (консервации) несущих конструкций. Проще говоря, прочность (желательно, как можно более высокая и стабильная во времени) считается едва ли не синонимом долговечности и надежности железобетона.

Для предметности обсуждения следует уточнить сущность таких понятий, как «долговечность» и «надежность» бетонов. В соответствии с ГОСТ 27751—2014, «долговечность: способность строительного объекта сохранять прочностные, физические и другие свойства, устанавливаемые при проектировании и обеспечивающие его нормальную эксплуатацию в течение расчетного срока службы. Надежность строительного объекта: способность строительного объекта выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации». Сложно уловить специфику этих терминов в предлагаемых пояснениях. Несущественно отличной формулировкой (более полной в первом варианте) отражается один и тот же смысл. Если соблюдается сохранность, стабильность и неизменность физических и других свойств несущего элемента, то обеспечиваются его требуемые эксплуатационные функции и наоборот.

Издавна же долговечность ассоциировалась со стойкостью бетонов в суровых климатических условиях и агрессивных средах (попеременное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии, выщелачивание мягкими водами, неблагоприятное действие растворов солей, кислот, щелочей, минерализованных вод и т. п.). Отмеченные среды имеют откровенно выраженную деструктивную направленность, негативный исход неизбежен, разрушительный итог — дело времени. Вопрос в том, насколько обоснованные и принятые меры окажутся эффективными для повышения срока службы конструкций и сооружений в конкретных эксплуатационных условиях. При этом взаимосвязь между прочностью и долговечностью бетонов не просматривается, на что указывает, к примеру, широко используемый технологический прием повышения морозостойкости путем поризации растворной составляющей, приводящей к одновременному снижению плотности и прочностных показателей.

В то же время акцентируем внимание на ряде внешних воздействий, отнесенных в СНиП 2.01.07 к «особым нагрузкам», отличающихся от агрессивных сред неочевидным (разрушительным или, напротив, упрочняющим) эффектом. Таким воздействием, как отмечалось, обладает повсеместный временной фактор, определяющий при отсутствии внешней агрессии последовательное увеличение прочности наряду с ее периодическими сбросами. Нагружение бетона в раннем возрасте, действие повышенных температур, вибрации, электромагнитной обработки также связаны не только со снижением прочности и разрушением бетонов, но и в ряде случаев с их заметным упрочнением. Иначе говоря, рассматриваемые «особые нагрузки» при определенном стечении обстоятельств приводят либо к разрушению бетона и железобетона, либо способствуют их благополучному отвердеванию и упрочнению. Сложно предсказуемые (негативные или позитивные) последствия «особых нагрузок» и следует оценивать таким качеством, как эксплуатационная надежность, т. е. способностью сохранения функциональных свойств несущей железобетонной конструкцией, зданием и сооружением при нештатных форс-мажорных природных и техногенных ситуациях.

Взаимосвязь между прочностью и термостойкостью (см. рис. 6.4, 6.5), прочностью и вибростойкостью (см. табл. 6.2) не просматривается. Более того, нельзя не заметить большей уязвимости именно высокопрочных (см. рис. 6.4, а), нежели рядовых (см. рис. 6.4, б) бетонов, что связано с повышенной концентрацией в таких вяжущих системах чувствительного к внешнему температурному фактору, а потому опасного и непредсказуемого компонента — цементного камня. Тепловая обработка, заведомо определяя недобор прочности, приводит тем не менее к повышению термостойкости (см. рис. 6.4, б).

Следовательно, непосредственной взаимосвязи между прочностью, долговечностью и надежностью цементных бетонов нет, и не может быть, поскольку рассматриваемые категории — реакция цементного композита на принципиально отличные «раздражители». Прочность и долговечность бетонов — малопроблемные показатели, требуемые значения которых достигаются достаточно простыми и отработанными методами (оптимизацией состава и консистенции смеси, гранулометрии заполнителей, водосодержания, условий твердения, первичными и вторичными мерами защиты и др.). Что же касается надежности бетонов в условиях неопределенного воздействия вышеотмеченных природных и техногенных факторов, то вряд ли требует доказательств ее превалирующая роль, приобретающая особую актуальность и значимость при возведении ответственных железобетонных объектов и сооружений.

Обеспечение структурной стабильности и предельно возможной надежности цементных бетонов возможно при непременном условии четкого и однозначного представления физической сущности стадийности гидратационного отвердевания клинкерных систем, морфологических особенностей затвердевшего цементного камня (микробетона), его адаптационных способностей в условиях технологических, разнообразных природных и техногенных факторов. Только ясность в данных аспектах позволит осмысленно (активированно) производить железобетонную продукцию с требуемыми структурно-механическими параметрами и прогнозировать ее состояние в реальных эксплуатационных условиях.

Характерной особенностью затвердевшего цементного камня (бетона и железобетона в целом), кардинально отличающегося от стабильных структур (каменных материалов, керамики, силикатного бетона и др.), является наличие поверхностно гидратированных клинкерных частиц (крупного заполнителя микробетона) с рассредоточенными остаточными негидратированными зонами со сгущением определенным образом высокоорганизованных кластеров воды. Относительно равновесные поверхностно-активные зоны придают затвердевшему цементному камню (бетону, железобетону) способность адаптационной эволюции под действием эксплуатационной среды. Естественное развитие указанных зон приводит к гидратационным преобразованиям на поздних этапах в условиях сформировавшегося цементного камня с неизбежным возникновением внутренних напряжений и сбросами прочности. Отсутствие повсеместных и массовых аварийных ситуаций, отнюдь, не опровержение столь мрачной перспективы, а подтверждение отсутствия синхронности гидратации на цементных зернах в объеме конструкции, обусловленной температурно-влажностным разбросом, градиентом скорости гидратации вяжущего в различных микрообъемах, соответственно, различным уровнем их энергетического развития к конкретным срокам твердения.

Опасность представляют нештатные ситуации: резкий нагрев нагруженного бетона (например, пожар в подвальном помещении или нижних этажах каркасного здания), неожиданные вибрационные воздействия (забивка свай на рядом расположенной строительной площадке), внезапное облучение бетона электромагнитными импульсами наряду с динамическими ударами (землетрясения). Эстафетное ослабление и разрушение водородных связей, нарушение равновесия энергетических структур, последующая гидратация активных центров на значительном количестве клинкерных частиц в объеме конструкции могут привести к сложно прогнозируемым результатам.

Изложенный материал позволяет сделать следующее заключение:

  • 1) морфологической особенностью цементных бетонов, кардинально отличающихся от других строительных материалов, является наличие поверхностно гидратированных клинкерных зерен, включающих локально рассредоточенные поверхностно-активные зоны «остаточные активные центры — адсорбционный слой диполей», играющие сложно прогнозируемую роль в эксплуатационный период. Естественный процесс энергетического развития негидратированных зон определяет гидратацию вяжущего на поздних этапах, в условиях сформировавшегося микробетона, приводящую к возникновению внутренних напряжений и сбросам прочности;
  • 2) отсутствие повсеместных аварийных ситуаций связано с асинхронностью процесса на клинкерных частицах в объеме бетона, вызванного неизбежным градиентом скорости гидратации на стадии отвердевания композита. Опасны внезапные природные и техногенные (силовые, температурные, вибрационные и др.) «особые» (согласно СНиП 2.01.07—85) нагрузки, способные активизировать адсорбционно-связанную воду, синхронизировать взаимодействие реагентов на цементных зернах, привести к сложно предсказуемым результатам. Вероятность и возможные последствия подобной ситуации целесообразно оценивать таким критерием, как эксплуатационная надежность несущих железобетонных конструкций;
  • 3) показано отсутствие взаимосвязи между прочностью, долговечностью и надежностью цементных бетонов. Как следствие, не все меры, способствующие повышению прочности, будут целесообразными с позиций долговечности и надежности бетона и железобетона. Прочность не есть нечто неизменное, данное на века. Данный показатель — динамичен, в связи с чем наметившаяся в последние годы тенденция получения высокопрочных (и даже ультравысокопрочных) бетонов вызывает некоторое недоумение. Прочность должна быть достаточной и не более того, основное же внимание должно быть уделено несравненно более важному качеству — надежности продукции;
  • 4) поверхностный характер взаимодействия цементных минералов с водой затворения позволяет теоретически обосновать и практически реализовать направленное производство сборного и монолитного железобетона с повышенной структурной стабильностью и эксплуатационной надежностью. Данный аспект очевиден и сводится к двум тезисам: «не навреди» и «способствуй», т. е. используй комплекс приемов, способов и режимов, благоприятствующих естественно протекающему гидратационному и структурообразующему процессу и обеспечивающих предельно возможное поверхностное преобразование клинкерных минералов в гидратированные соединения;
  • 5) в строительной практике (особенно в набирающем обороты монолитном производстве) необходимо учитывать неоднократно упоминавшиеся технологические меры (ограничение применения проти- воморозных добавок-электролитов, супер- и гиперпластификаторов, использование оптимума водосодержания и исключительно влажностных условий твердения и др.). Особо следует подчеркнуть целесообразность широкого распространения различных способов активации воды затворения (термической, химической, электрофизической, акустической), способствующей полноте гидратационного процесса;
  • 6) для количественной оценки влияния тех или иных факторов на надежность бетонов рекомендуется использовать представленный в настоящем учебном пособии методический подход — испытание конкретным воздействием (температурным, вибрационным, электромагнитным, ультразвуковым, ионизирующим и др.) нагруженных образцов-пластин. Время разрушения эталонного и контролируемого образцов и может служить ориентировочным показателем эффективности принятых технических режимов и решений.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >