Формирование контактной зоны бетонов

Существует мнение, что усадочные и контракционные явления, сопровождающие твердение цементных бетонов, способствуют обжатию (своеобразному предварительному напряжению) заполнителя (в том числе арматурных элементов) цементным камнем, повышению тем самым контактной прочности. Однако при испытании образцов любого возраста в плоскости излома наблюдается огромное количество оголенного заполнителя (рис. 6.19, 6.20), характеризующегося явно ущербной контактной прочностью, свидетельствующих о несколько ином состоянии дел. Уточнение особенностей формирования контактной зоны бетонов имеет огромное практическое значение с позиций получения конечной продукции с повышенными эксплуатационными свойствами.

В результате изучения кинетики электродвижущей силы в твердеющем цементом тесте и растворных смесях на различных цементах получены кинетические кривые (рис. 4.9, 4.10), свидетельствующие о стадийности гидратационного процесса, его качественной независимости от водоцементного фактора, заполнителей и минеральных добавок. Вместе с тем, заслуживает особого внимания финал кинетических кривых — резкий сброс показателей до, практически, нулевого уровня, причем, для некоторых составов наблюдалось периодическое снижение величины ЭДС.

Общий вид строения и отдельные участки контактной зоны трехмесячного раствора

Рис. 6.19. Общий вид строения и отдельные участки контактной зоны трехмесячного раствора:

Новороссийский ПЦ500, Ц:П = 1:2, В/Ц = 0,6

Строение бетона фундамента производственного здания 105-летнего возраста

Рис 6.20. Строение бетона фундамента производственного здания 105-летнего возраста

(пос. Абрау-Дюрсо)

Ранее представленный материал позволяет сделать некоторые пояснения по данному поводу. На начальном этапе твердения, когда в цементной смеси достаточное количество воды затворения, самоуплотнение (самоорганизация) цементных зерен под действием развивающегося в межзерновых пустотах вакуума не сказывается на качестве контакта электродов с твердеющим материалом. По мере же химического связывания молекул воды, обезвоживания системы, повышения хрупкости составов объемная усадка приводит к проскальзыванию, отрыву формирующегося микробетона от поверхности электродов, резкому ухудшению качества их сцепления, что и сопровождается сбросами значений ЭДС. Справедливость данного механизма подтверждается кратностью интервалов сбросов показателей 90 ± 10 мин, т. е. стадийностью нормально твердеющего портландцемента. Несложно представить на месте электродов заполнители и арматурные (в том числе, предварительно напряженные) элементы. Объемные усадочные процессы приводят не к обжатию, а к отслаиванию формирующегося цементного камня от поверхности заполнителя, ослаблению адгезионного сцепления этих элементов (обведено на рис. 6.21).

Межфазная переходная зона бетона

Рис. 6.21. Межфазная переходная зона бетона:

1 — цементный камень; 2 — поверхность кварцевого песка

Следовательно, обычное отвердевание цементных бетонов сопровождается не упрочнением, а ухудшением качества контактной зоны, в связи с чем разрушение происходит по данным дефектным участкам, что визуально и фиксируется обилием в месте излома оголенных поверхностей заполнителя. Таким образом, получение дефектной контактной прочности бетонов при обычном производстве — естественный и закономерный процесс, обусловленный самой сутью отвердевания клинкерных вяжущих веществ — пространственной усадкой, стяжением, самоорганизацией системы. Испытываемое заполнителем в процессе твердения избыточное давление имеет весьма символический характер (рис. 4.16). Отсюда возникает вопрос: каким же образом можно нейтрализовать негативные последствия усадочных процессов, улучшить сцепляемость компонентов бетона, повысить его конечные свойства?

Представленная стадийно-поверхностная схема формирования и упрочнения микробетона дает основание заключить:

  • 1) усадка цементного камня — результат действия, преимущественно, вакуума, развивающегося в межзерновых пустотах вследствие стадийного потребления цементными минералами порций диполей. В связи с этим усадочные явления должны рассматриваться не как нечто негативное, требующее непременного использования исключающих мер, а как нормальный, закономерный, характерный клинкерным вяжущим веществам процесс. От усадки, к примеру, можно избавиться, для чего достаточно осуществить твердение бетона в условиях вакуума. Однако отсутствие крайне важного градиента давления межзернового пространства и окружающей среды, нейтрализация движущей силы структурообразования цементной системы вряд ли будет позитивной;
  • 2) для несущих железобетонных конструкций прочность при сжатии — важный, однако далеко не определяющий параметр. Вряд ли возникнет сомнение относительно несоизмеримо более высокой ценности эксплуатационной надежности (живучести) конструкций при форсмажорных техногенных и природных воздействиях (пожары, взрывы, вибрация, электромагнитное излучение, землетрясение и др.). Следовательно, прочностной показатель никак не может быть синонимом качества цементного композита. Прочность должна быть достаточной, и не более того, в связи с чем развитие бетоноведения должно предусматривать не безудержную гонку за рекордными марками бетонов (нередко используя весьма сомнительные технические решения), а идти по пути повышения их структурной стабильности и эксплуатационной надежности;
  • 3) под качеством заполнителя обычно подразумеваются прочность, морозостойкость, форма и рельеф поверхности зерен, фракционный состав, величина загрязненности глинистыми, илистыми и пылевидными включениями. Казалось бы, под эти признаки безукоризненно подходит свежедробленный фракционированный гранитный щебень — завидные прочность, модуль упругости, плотность, морозостойкость, высокоразвитая поверхность и т. п. Тогда почему же для получения высокопрочных бетонов рекомендуется использовать в качестве крупного заполнителя не гранитный, а в разы менее прочный известняковый щебень [97], доменные отвальные шлаки [98], дробленую керамику? Не в морфологии ли заполнителей дело? Содержащий кристаллические минералы (полевые шпаты, кварц, слюды) гранит отторгается отвердевающей «не совсем» кристаллической цементной системой; структурно же родственный с последней (например, известняковый) заполнитель обеспечивает более высокое качество адгезионного сцепления;
  • 4) проблема адгезии цементного камня к тому же гранитному заполнителю усугубляется при тепловой обработке бетона. При нормальном твердении, к примеру, прочность бетона на гранитном щебне достигает 50—60 МПа, после прогрева при температуре 80 ± 2 °С — не превышает 25—30 МПа. Одна из причин двукратного недобора прочности достаточно очевидна. Нагрев отформованного бетона ускоряет структурообразование и усадочные процессы вяжущей составляющей, протекающие в условиях существенного температурного расширения анизотропного гранитного щебня, в 1,5—2,0 раза превышающего аналогичные показатели известнякового (обведено на рис. 6.12, а). При охлаждении бетона идет обратный процесс — уменьшение объема заполнителя в сформировавшейся жесткой цементной матрице. Эти взаимоисключающие явления отрывают заполнитель от цементного камня, разрушают контактный слой, что визуально фиксируется вначале малозаметной мозаичной картиной (рис. 6.22, а), ярко проявляющейся при эксплуатации изделий и приводящей, в итоге, к закономерному и неизбежному финалу (рис. 6.22, б);
Общий вид свежеизготовленных отбракованных (а) и демонтированных

Рис. 6.22. Общий вид свежеизготовленных отбракованных (а) и демонтированных

разрушенных (б) шпал

  • 5) тепловую обработку иногда называют «неизбежным злом». И это действительно так, если исходить из прочностных и энергозатратных предпосылок. Контактный подвод тепла определяет температурный перепад, неравномерность усадочных процессов, микротрещинообразо- вание, нарушение сплошности и снижение механических показателей композита. В то же время температурный перепад невольно программирует градиент скоростей гидратации цементных зерен в различных микрообъемах цементного камня, что затрудняет на поздних этапах синхронизацию гидратации на цементных зернах при инициирующих внешних воздействиях и достижение критической деструктивной ситуации. К тому же активация воды обеспечивает более полные гидра- тационные преобразования, повышение структурной стабильности и надежности бетонов. Следовательно, это «зло» должно найти широкое и повсеместное распространение в практике не только в практике сборного, но и монолитного производства несущих конструкций;
  • 6) для повышения контактной прочности и эксплуатационных свойств цементных бетонов рекомендуется:
    • — оптимизировать гранулометрический состав цементного порошка. Эффективно применение минеральных продуктов с дисперсностью, соизмеримой с размерами межзерновых пустот «заполнителя» (клинкерных частиц) микробетона — глинистых растворов, микрокремнезема и др. Предельная упаковка объема твердеющего продукта минеральными частицами позволит значительно снизить естественную усадку микробетона и достичь желаемого результата;
    • — положительную роль может сыграть использование структурно совместимых с минеральной матрицей дисперсных волокнистых материалов (например, асбеста). Армирование аморфной гидросиликатной массы также будет способствовать снижению усадочных деформаций микробетона;
    • — применять в качестве крупного и мелкого заполнителей высокопрочный известняковый щебень и отсев камнедробления. Данный момент должен быть непременно учтен при использовании тепловой обработки железобетонных изделий и конструкций, определяющей противоположные по направлению действия усадочные процессы и температурные деформации заполнителей;
    • — количество воды затворения должно быть оптимальным, обеспечивающим рациональное сочетание таких факторов, как степень поверхностной гидратации клинкерных зерен, качество их клеевых зон и толщина (энергия Н-связей) остаточных полимолекулярных адсорбционных слоев диполей. Следует предохранять распалубленный бетон от влагопотерь;
    • — приготовление бетонной смеси должно предусматривать предварительное 20—30-секундное перемешивание щебня с частью песка и воды, что позволит очистить поверхность заполнителя от плотной, связанной электростатическими силами пылевой пленки, улучшить тем самым качество контактной зоны бетона;
    • — экспериментально уточнять необходимость промывки крупного и мелкого заполнителей и целесообразность использования естественных глинистых и пылевидных примесей как уплотняющих компонентов, способствующих повышению плотности и прочности микробетона и бетона в целом;
    • — для получения максимально плотной упаковки следует применять фракционированный крупный и мелкий заполнители с содержанием крупной фракции 60 % и низкой фракции — 40 %, что сведет к минимуму усадочные деформации и вероятность сводообразования при бетонировании густоармированных элементов;
  • 7) представленные меры — пассивное решение проблемы, поскольку упускается из виду несравненно более весомый аргумент — возможность активного участия в структурообразующем процессе. По природе своего твердения (стадийно самоорганизующийся объект) цементные системы в пластической стадии требуют непременного силового сопровождения (вибрирования, прессования, трамбования, проката) в оптимальные сроки, что позволит существенно улучшить не только контактную прочность, но и все эксплуатационные параметры композита.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >