ЭЛЕМЕНТЫ НАПРАВЛЕННОГО ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНОВ

Направленная (активированная) технология бетона предусматривает осмысленное и обоснованное использование комплекса приемов и воздействий (механических, химических, тепловых, электрофизических, акустических) для получения бездефектного материала с предельными свойствами при минимальных затратах. Активация воды затво- рения, домол (омоложение) вяжущего, применение разнообразных модифицирующих химических добавок и многие другие технологические приемы — элементы воздействия, позволяющие изменять в нужном направлении свойства бетонных смесей и затвердевшего бетона. Однако это далеко не направленное воздействие, поскольку дальнейшее твердение, как правило, бесконтрольно.

Между тем, цементная система — самоорганизующийся под действием электроповерхностных явлений и развивающегося в межзерновых пустотах вакуума объект, формирующий и упрочняющий контактные зоны композит; причем наиболее интенсивно эти процессы протекают в начальные часы твердения, в связи с чем именно данный структурообразующий временной интервал должен быть под непременным контролем. Этот контроль должен предусматривать технологические режимы, обеспечивающие благоприятные условия для естественного структурообразования, предельно полные гидратационные преобразования клинкерного зерна, способствующие получению стабильной и устойчивой структуры микробетона и бетона в целом.

Одним из таких давно известных и незаслуженно игнорируемых приемов является одно- и многократное вибрирование твердеющего бетона. Виброактивационная технология позволяет нейтрализовать возникающие в самоорганизующейся цементной системе внутренние напряжения, к минимуму свести деструктивные последствия, улучшить все свойства бетона и железобетона, в связи с чем данный прием должен занять подобающее место в отечественной строительной практике.

Циклическое вибрирование в технологии бетона

Историческая справка

Положительное влияние на прочность бетона динамических воздействий, прилагаемых к тщательно уплотненной и твердеющей бетонной смеси, было установлено в 30-е гг. XX в. случайно при усилении (ремонте) железобетонных конструкций (опор железнодорожного моста и фундамента парового молота) [99, 100]. Бетонные работы планировалось производить в условиях неизбежных сотрясений, вызываемых движением поездов и работающим паровым молотом, в связи с чем возникли опасения относительно качества отвердевающего бетона. Для выяснения этого момента изготовили образцы, твердевшие в эксплуатационных и стандартных условиях. Последующие испытания показали, что подвергнутые динамическим воздействиям образцы не только не разрушились, но имели гораздо более высокие прочностные показатели по сравнению с эталонными. Отсюда и возникла мысль о возможности использования многократных вибрационных воздействий как технологического приема в производстве железобетонных изделий и конструкций, для повышения их качества и физико-технических свойств. Следует отметить, что в одном из первых нормативных документов [101], касающемся вибрационного уплотнения бетона вообще, указывалось о целесообразности применения в технологическом процессе повторного вибрирования.

Сообщения о практическом использовании виброактивации относятся ко времени второй мировой войны, когда американское бюро по контролю и конструированию бетонных танкеров и грузовых судов применяло этот метод для улучшения сцепления бетона с арматурой и удаления воды из-под нее. Позже он использовался на ряде строек США с целью уменьшения усадки бетона и лучшего сцепления его с ранее забетонированными слоями [102].

В послевоенный период исследованиями Г. Д. Алферова, И. Н. Ах- вердова, П. К. Балатьева, Ю. В. Бондар, А. Г. Бунакова, О. А. Гершберга, А. Е. Десова, П. М. Миклашевского, А. Е. Минарского, О. П. Мчедлов- Петросяна, А. В. Саталкина, Б. А. Сенченко, В. А. Соколова, В. А. Тихонова, А. В. Ушерова-Маршака, А. И. Чайникова, В. П. Чернышева,

С. В. Шестоперова, В. Н. Шмигальского и многих других авторов было установлено, что повторное вибрирование бетонной смеси способствует не только повышению прочности затвердевшего бетона, но и увеличению в 1,5—2,0 раза его водонепроницаемости, коррозионной стойкости и долговечности. Повторное вибрирование снижает внутренние напряжения и негативные последствия усадочных деформаций, улучшает сцепление бетона с арматурой, повышает морозостойкость, плотность, ударную прочность, однородность бетона в конструкции. Целесообразно совместное воздействие на твердеющий бетон повторной вибрации и химических добавок.

Многие исследователи (К. А. Глуховский, Р. Ф. Иохансон, П. Г. Комо- хов, Б. А. Крылов, А. И. Ли, М. С. Хуторянский и др.) указывали на высокую эффективность совмещения повторной (периодической) вибрации с тепловой (в том числе форсированной) обработкой бетона, что позволило за счет ускорения процесса твердения до 20—30 % сократить продолжительность прогрева изделий, к минимуму свести деструктивные последствия температурного фактора, повысить несущую способность конструкций. Многочисленными опытами показана эффективность виброактивации не только тяжелого, но и легкого (и даже ячеистого) бетонов.

Применение повторного виброуплотнения может привести к существенному улучшению структуры и свойств бетона, при этом наряду с повышением качества железобетонной продукции вскрываются резервы в интенсификации производства, повышении оборачиваемости оборудования, экономии и более полного использования потенциальных возможностей цемента. Отсюда возникает вопрос: почему же, несмотря на такую эффективность и целесообразность использования, данный прием не нашел распространения в отечественной строительной практике? Виброактивация не требует каких-либо специфических условий, существенных изменений в сложившемся технологическом регламенте, вполне вписывается в кассетное, стендовое, конвейерное, вибропрокатное производство сборного железобетона и монолитное строительство. Возможность автоматизации режима активации не оставляет сомнений в ее успешном и эффективном применении, однако и здесь, не считая единичных примеров [103—105], повторная вибрация не нашла достаточно широкой практической реализации.

Одной из основных причин сложившейся в данном аспекте ситуации (и это неоднократно отмечалось исследователями) является отсутствие установившегося мнения относительно механизма благотворного воздействия поздней вибрации на формирующуюся и упрочняющуюся цементную систему. Традиционно сложившиеся и устоявшиеся теоретические подходы не совсем ясно показывают возможность осуществления вибрационных воздействий много времени спустя после «конца схватывания» цемента? Что же произойдет с упрочняющимся кристал- логидратным сростком цементного камня после его частичного или даже полного разрушения? В чем же заключается физическая сущность позитивного действия на твердеющий бетон данного разрушительного приема, для достижения какого результата и когда его следует осуществлять?

Первоначально положительный результат повторно уплотненного бетона связывался с улучшением его макроструктуры — снижением дефектности, вызванной испарением и перераспределением воды за- творения, усадкой, контракцией, тепловыделением, седиментацией. Позитивная роль придавалась пластическому деформированию бетона и снижению истинного В/Ц за счет удаления части воды из его микро- и макропор, обеспечению влажностных условий твердения путем образования на поверхности изделий герметизирующей водной пленки. Конечно же, представленные взгляды отражают позитивный аспект повторной виброобработки. Тем не менее, с этих позиций не ясна значимость фактора времени осуществления вибрационных воздействий. Экспериментально установлено, что максимум эффективности достигается при вибрировании в определенном (и достаточно сжатом) временном интервале. Раннее и позднее вибрирование либо бесполезно, либо несущественно улучшает свойства бетона.

Таким образом, в более поздних работах исследователи пошли по пути уточнения возможной взаимосвязи временного режима повторного вибрирования с кинетикой структурообразования цементного камня. Интенсивное производство бетона и железобетона, включающее использование разнообразных силовых воздействий (в том числе повторного и периодического вибрационного уплотнения), должно осуществляться только на основе комплексного рассмотрения вопросов формирования свойств материала, с учетом объективной, количественной информации о процессах и явлениях, сопровождающих твердение.

Отметим существующую до сих пор популярность деления процесса твердения цементной системы (по типу образующихся структур) на три периода: формирования (индукционный), переходный (разрушительный) и упрочнения материала. Для получения предельного прироста прочности механические воздействия рекомендуется производить в переходный период (переходный момент) от формирования к упрочнению структуры, в момент перелома пластограммы (см. рис. 1.1). Улучшение свойств бетона при этом объясняется частичным устранением дефектов структуры, вызванных преимущественным развитием к этому времени кристаллизационной структуры алюминатной составляющей и реакции ее с гипсом. Иначе говоря, повторное вибрирование в данном периоде позволяет разрушить формирующийся непрочный алюминатный каркас и заменить его силикатной составляющей, определяющей прочностные и прочие свойства цементного камня и бетонов.

Однако, несмотря на стройность данного представления, получены достаточно неожиданные экспериментальные данные. Следовало ожидать, что кривая зависимости конечной прочности бетона от времени приложения вибрационных воздействий должна иметь один максимум, соответствующий по времени переходному периоду от формирования к упрочнению структуры материала. Проведенные же опыты показали, что максимальные значения прироста прочности имеют периодический, волнообразный характер (рис. 7.1).

Отсюда можно заключить — в процессе твердения цементно-водных систем имеется не один, а ряд временных интервалов, подходящих для приложения вибрационных воздействий. Волнообразность прироста прочности дает основание рассматривать положительное действие повторной вибрации в тесной взаимосвязи со стадийным характером твердения портландцемента. При совпадении времени вибрационного уплотнения с периодически протекающим в цементной системе стяжением клинкерных частиц имеет место предельное увеличение прочности, что и отражается соответствующей кривой в виде чередующихся пиков (см. рис. 7.1).

Рис. 7.1. Влияние времени приложения повторной вибрации на прочность растворобетонных образцов на основе воскресенского (7,2), карачаево-черкесского (5) и новороссийского (4)

цементов:

• 1 — растворная смесь Ц:П = 1:2, В/Ц = 0,45; 2 — бетонная смесь Ц:П:Щ = 1:2:4, Ц-310 кг/м³, В/Ц = 0,70; 3 — то же, 1:0,75:2,25, Ц-550 кг/м³, В/Ц = 0,65;
• 4 — растворная смесь 1:2, В/Ц = 0,80

Следовательно, сама природа стадийного отвердевания цементных систем требует обязательного использования дополнительных силовых воздействий (вибрирования, прессования, трамбования, проката и др.) в начальной (пластичной) стадии процесса. Это позволит направленно силовым путем управлять твердением и свойствами бетона и железобетона.