ВВЕДЕНИЕ. Создание «направленного структурообразования», получение малоэнергоемкого продукта с заданными физико-механическими свойствами

Создание «направленного структурообразования», получение малоэнергоемкого продукта с заданными физико-механическими свойствами, надежностью и долговечностью – важнейшая задача в технологии сборного и монолитного бетона и железобетона. Только в этом случае представится возможность изготавливать изделия и конструкции надлежащего качества, гарантировать нормативный срок эксплуатации без аварийных ситуаций и дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ.

Направленное структурообразование предусматривает осмысленное и целенаправленное оперирование различными технологическими приемами (тепловыми, химическими, электрофизическими), из которых особое место занимает активное силовое воздействие («фактор времени» при формовочных работах, повторное и многократное вибрирование твердеющего бетона, его раннее нагружение), осуществляемое в начальной стадии твердения цементного композита. Отмеченные приемы при символических затратах позволяют на многие десятки процентов увеличить прочность бетонов, сцепление цементного камня с заполнителем и арматурой, значительно сократить сроки твердения, повысить оборачиваемость оснастки, технологического оборудования, снизить расход портландцемента.

Отсюда возникает вопрос: почему же, несмотря на такую эффективность, виброактивация, в частности, мало того, что не нашла должного распространения в отечественной строительной практике, но, зачастую, рассматривается как нечто «динозавроподобное», безвозвратно устаревшее, не сочетающееся с современным уровнем развития бетонной техники. Действительно, о каком повторном вибрировании может идти речь в условиях наметившейся тенденции полного исключения вибрации из технологического цикла, за счет применения гиперпластифицированных самоуплотняющихся бетонов? Беда в том, что наряду с получением заоблачных марок бетона, участились случаи аварийных ситуаций, связанных с обрушением изготовленных на основе «научных достижений» конструкций и сооружений.

Основная проблема сложившейся в бетоноведении неопределенности и неоднозначности заключается в отсутствии установившегося мнения относительно механизма гидратации портландцемента, физической сущности синтеза свойств цементного камня и бетонов. Становится все более очевидной неадекватность тиражируемой сквозьрастворной схемы твердения реальному процессу, что делает проблематичным ясное представление сути и особенностей отвердевания, обоснование рациональных технологических приемов и воздействий, прогнозирование поведения бетонов в эксплуатационной стадии. В этом отношении достаточно отметить такие до сих пор не объясненные, «жизненно важные» с эксплуатационных позиций аспекты, как «скачкообразность» структурообразования, «пилообразный» набор прочности бетонов, сбросы прочности на поздних этапах, разрушение железобетона «без видимых на то причин» и многие другие свойства и явления. Вряд ли кого удовлетворит пояснение этих «аномалий» происками вездесущего эттрингита, перекристаллизацией «сростка», осмотическими силами, поздней гидратацией «реликтовых» клинкерных зерен и подобными маловнятными и сложновоспринимаемыми обстоятельствами.

При гидратации цемента (и это отмечается многими исследователями) интенсивно протекают поверхностные, электрокинетические явления. Дисперсная («замороженная») твердая фаза цементной системы характеризуется огромной энергией, наличием «созвездием» энергетически ненасыщенных активных центров – неустойчивых связей ионов кальция. Второй компонент (вода) – высокоорганизованная, высокоинформационная полярная среда. Следовательно, при их соприкосновении поляризационные и электрокинетические процессы неизбежны, они просто не могут не протекать в данной микрогетерогенной композиции.

Электрокинетический фактор является определяющим в химизме взаимодействия цементных минералов с водой, структурообразовании и упрочнении цементного камня. Образованию гидратных продуктов предшествует стадия формирования на границе раздела фаз «поверхность клинкерного зерна – вода» переходного активированного комплекса, включающего поверхностные активные точки частиц вяжущего, адсорбированные кластеры диполей, ионы добавок, коллоидные дисперсии, микропузырьки растворенного газа. Метастабильность комплекса определяет его неизбежное развитие (аккумулирование собственной энергии), достижение критического уровня, распад (появление в системе активных элементов), химизм явления, развитие вакуума, самоорганизации частиц вяжущего. Элементарные гидратационные акты протекают стадийно, чем и объясняется упоминавшаяся «скачкообразность» твердения цементных составов.

Базовым аспектом проблемы является уточнение «конструктивного» устройства межфазной переходной энергетической композиции и чем достовернее это уточнение, тем более всесторонним и объективным будет трактовка дальнейшего развития событий. На основании изложенного можно заключить, что исчерпывающе полно механизм «становления» цементного камня (бетона) можно представить в совокупности адсорбционных, электрокинетических, коллоидно-химических явлений. Это позволит объяснить и рассмотреть в динамике и взаимосвязи ряд сопровождающих твердение свойств и явлений, уточнить действие на процесс различных технологических факторов, разработать технологические мероприятия для управления синтезом свойств цементного камня и бетонов.

Решению отмеченных вопросов посвящена настоящая работа, которая явилась результатом проводимых на кафедре «Производство строительных изделий и конструкций» ГОУ ВПО КубГТУ под руководством автора финансируемых из средств федерального бюджета фундаментальных НИР: «Исследование взаимосвязей «внешние факторы – стадийность процесса» и разработка новых методов синтеза прочности цементных композиций» (2007-2009 гг.), «Исследование механизма деструкции цементных композиций на всех этапах твердения и разработка теоретических основ «синтеза прочности» бетонов с повышенной эксплуатационной надежностью» (2009-2011 гг.).

Не претендуя на полноту изложения рассматриваемой проблемы, автор надеется, что работа привлечет внимание широкого круга специалистов в области бетона и железобетона, позволит с несколько иных позиций взглянуть на формирование и упрочнение этого загадочного объекта – цементного камня. Хочется думать, представленный материал явится своеобразным толчком проведения более углубленных исследований в данной области для разработки действительно работоспособной теоретической концепции в бетоноведении и технологии цементных бетонов.

1. К ВОПРОСУ О «НАПРАВЛЕННОМ»