Вибрации твердеющего бетона

Первоначально положительный результат повторного вибрирования связывался с улучшением макроструктуры бетона. Дополнительная вибрация, производимая на сравнительно поздних этапах, позволяет снизить дефектность структуры, вызванной испарением и перераспределением воды затворения, усадкой, контракцией, тепловыделением, седиментацией [2]. Определенная роль придавалась пластическому деформированию бетона и удалению части воды из его микро- и макропор (уменьшению истинного В/Ц) [11, 16-18], что позволяет дополнительно уплотнить компоненты смеси «без их расслоения, ибо макроструктура бетона уже сложилась при первоначальном вибрировании бетонной смеси во время ее укладки» [19].

Отмеченные представления, в какой-то мере, отражают позитивный аспект повторно виброобработанного бетона. Тем не менее, изложенные взгляды, несмотря на кажущуюся очевидность, не вскрывают сущность повторного уплотнения, поскольку с их позиций совершенно не понятна значимость «фактора времени» – влияние срока осуществления повторного уплотнения на конечный результат. Применительно к конкретному составу и условиям твердения бетонной смеси максимум эффективности достигается при вибрировании в оптимальном (достаточно узком) временном интервале. Раннее и позднее вибрирование либо бесполезно, либо в значительно меньшей степени улучшают свойства бетонов.

Таким образом, в более поздних работах исследователи пошли по пути уточнения возможной взаимосвязи временного фактора повторного вибрирования с гидратационным процессом и кинетикой структурообразования цементного камня. Вряд ли у кого вызовет возражение, что это – действительно, единственно верное и рациональное направление. Интенсивное производство бетона и железобетона, включающее использование разнообразных 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 сложных процессах и явлениях, сопровождающих твердение» [20]. Именно изменяемая со временем «вяжущая система < …> наиболее восприимчива к управляющим < силовым> воздействиям» [21].

Основополагающей теоретической концепцией являлась сквозьрастворная (кристаллизационная) схема, в связи с чем, и пояснение данного аспекта носило соответствующий характер. В результате электронно-микроскопического изучения «цементных камней с повторной вибрацией и без нее после двух лет хранения в воздушно-сухих условиях» было установлено, что камень, подвергнутый через 15 мин после укладки в формы повторной вибрации, «имеет ярко выраженную кристаллическую структуру», причем, эта структура «более дисперсная, мелкокристаллическая < …> с параллельно направленной ориентировкой кристаллов», по сравнению с традиционно изготовленным образцом [22]. Полученные данные позволили авторам считать основным действием повторной вибрации на ранней стадии твердения изменение физической структуры цементного камня в части повышения ее дисперсности и параллельной ориентации кристаллов.

Несколько позже [23] отмеченный механизм повторной вибрации был некоторым образом видоизменен и представлялся средством более интенсивного образования гидросиликатов, гидроалюминатов кальция и извести. Вибрирование, осуществляемое через 1, 5…2, 0 часа с момента затворения цемента водой, ускоряет твердение цементного камня и повышает его конечную прочность за счет разрушения, обдирания механическим воздействием экранирующих пленок новообразований, обнажения свежих слоев цементных зерен и углубления процесса гидратации. Т.е. действие повторного вибрирования аналогично виброактивации или вибросмешиванию бетонной смеси и в какой-то степени вибродомолу цемента [15].

Представление о роли повторного вибрирования, как разрушительного фактора экранирующих гидратных оболочек цементных частиц, достаточно популярно. Данная гипотеза все более уточнялась, развивалась и совершенствовалась. Высказывалось мнение, что ускорение физико-химических процессов в повторно уплотненном в пластичной стадии цементном камне вызвано отрывом от зарождающихся центров кристаллизации кусков, обломков кристаллов новообразований, которые, рассеиваясь по всему объему, служат новыми центрами кристаллизации. Роль кристаллических «затравок» могут также играть разрушающиеся экранирующие оболочки, «что, с одной стороны, способствует диффузии ионов, а с другой – создает новые центры кристаллизации гидратных соединений вне поверхности исходного цементного зерна» [24]. Иначе говоря, повторное механическое воздействие «является способом внесения на определенном этапе твердения кристаллических затравок», т.е. способом «интенсификации процессов кристаллизации < …> механическим по форме и кристаллохимическим по существу» [25].

Предполагалось также «причиной положительного влияния механического уплотнения пластичных масс на прочность соответствующих образцов < …> более быстрое формирование кристаллического сростка в твердеющей системе» [26]. Ускорение процесса объяснялось воздействием сжимающих усилий, способствующих сближению отдельных кристаллогидратов, создающих, вследствие этого, благоприятные условия для их срастания или просто механического сцепления.

Развитие данного процесса детализировалось и связывалось со сроками схватывания вяжущего. В начальной «стадии повторное вибрирование сближает зерна цемента и заполнитель, при этом происходит перераспределение воды и частичное ее отжатие при избыточном содержании жидкой фазы». Вибрирование же в конце схватывания цемента, когда основная часть воды «находится в адсорбционно-связанном состоянии < …> способствует более равномерному перераспределению и уменьшению толщины оболочек жидкой фазы на поверхности цементных зерен во всем объеме цементного геля, интенсификации процесса образования пересыщенного ионного раствора, ускорению зарождения кристаллогидратных комплексов, а также ликвидации микротрещин, возникающих при контракционной усадке цементного геля [27]. В более поздней работе [28] вибрационным воздействиям отводилась уже роль не столько перераспределяющего жидкую фазу фактора, сколько силового аспекта, уплотняющего структуру цементного геля: «при повторном воздействии в указанный период (в конце индукционной стадии) в цементном геле жидкая фаза не перераспределяется и основная часть колебательной энергии расходуется на упорядочение (уплотнение) микрогелевой структуры. С увеличением толщины сольватных оболочек количество волновой энергии на перераспределение жидкой фазы и активацию процесса ионообмена увеличивается, в связи с чем возрастает эффективность повторного виброуплотнения, способствующая снижению пористости цементного геля».

Рассматривалась возможная взаимосвязь повторной вибрации с экзотермическим процессом твердения цементных систем и протекающими на границе раздела фаз электрокинетическими явлениями [29, 30]. Разогрев пасты выделяющимся к моменту окончания индукционного периода теплом активизирует элементы энергетической структуры. Одновременно «увеличивается концентрация электролита в жидкой фазе и поступление многозарядных ионов, диффузный слой сжимается и наступает ближняя коагуляция – схватывание. Компактная коагуляция вызовет уплотнение системы. Это уплотнение не достигает предельной возможности. Поэтому использование в этот момент вибрации < …> позволит за счет более полного разрушения структуры пасты получить более плотную начальную структуру камня и прирост прочности».

Даже беглый взгляд на многие из представленных «механизмов» вызывает некоторое сомнение и недоверие в их реальности. Повторное вибрирование производится в пластической стадии, т.е. в столь ранний период, что о медленнотекущих кристаллогидратных образованиях и, тем более, изменении их кристаллохимических параметров, и упоминать, вряд ли, уместно. Да и каким образом столь чрезвычайно раннее и кратковременное вибрационное воздействие окажет влияние на структуру камня, формирующуюся на несравненно более поздних этапах? Относительно надуманности и бесполезности кристаллизационных «затравок» (как синтезированных, так и полученных из продуктов гидратации) показано еще в 60-х годах [31, 32]. В части возможности разрушения кратковременной вибрацией прочно связанных с основным массивом клинкерного зерна гидратных экранирующих образований также больше вопросов.

Однако, самое главное, так и нет удовлетворительного ответа на природу «фактора времени». «Первые рекомендации по оптимальным срокам приложения механических воздействий связывались со сроками схватывания вяжущих. Указывалось, что наиболее целесообразно < эти воздействия осуществлять> в период между началом и концом схватывания. Однако это чрезвычайно приближенная рекомендация, поскольку < …> этот период даже у вяжущих, удовлетворяющих требованиям стандарта, может быть в пределах 1-12 ч» [2].

В этом отношении, вызывает интерес деление процесса твердения цементной системы (по типу образующихся структур) на два периода: формирования и упрочнения структуры. Период формирования (индукционный период) – «это начальный от момента затворения период твердения, когда цементное тесто сохраняет свою пластичность. В этот период тесто характеризуется вначале коагуляционной, а затем коагуляционно-кристаллизационной структурой, с преобладанием коагуляционной». Период упрочнения сопровождается «значительно большей скоростью нарастания прочности структуры цементного камня, последняя в этот период является кристаллизациионно-коагуляционной, с преобладанием в ней кристаллизационной структуры» [33]. Указанные периоды иллюстрируются кинетической кривой пластической прочности (Р_m) твердеющего цементного теста (рис.1.1). Время с момента затворения цемента водой до перелома пластограммы, характеризующееся сравнительно невысокой скоростью прироста пластической прочности, соответствует периоду формирования, после переломного (переходного) временного интервала – упрочнению структуры.

Рис.1.1. Взаимосвязь момента приложения повторной вибрации и конечной прочности бетона

Для получения предельного прироста прочности (R_б) механические воздействия рекомендуется [34-37] производить в переходный период (переходный момент) от формирования к упрочнению структуры, в «момент перелома» пластограммы (Т_опт). 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» [36]. Иначе говоря, повторное вибрирование в данном периоде позволит разрушить формирующийся непрочный алюминатный каркас и «заменить» его силикатной составляющей, обуславливающей прочностные и прочие свойства цементного камня.

Однако, несмотря на стройность и логичность данного представления, получены достаточно неожиданные и сложно объяснимые экспериментальные результаты. Следовало ожидать экстремальный характер кривой, с максимумом, соответствующему по времени «переходному периоду», «переходному моменту» от формирования к упрочнению структуры материала (рис.1.1). Проведенные же опыты показали, что максимальные значения прироста прочности имеют периодический, волнообразный характер: «на кривых изменения прочностных характеристик образцов < …> наблюдалось сначала увеличение прочности, затем некоторое уменьшение с последующим возрастанием» (рис.1.2) [2].

Рис.1.2. Изменение прочности бетона, отформованного в различное

время с момента приготовления смеси (по данным [2])

Обнаруженный «волнообразный» характер прироста прочности бетона, подвергнутого в различные сроки повторному вибрированию (либо отформованного в различное время), закономерно повторяется на различных цементах и составах (рис.1.3). Отсюда можно заключить: в процессе твердения цементно-водных систем имеется не один, а несколько (быть может, ряд) временных интервалов, целесообразных для приложения вибрационных воздействий.

Периодичность прироста прочности уплотненного в различные сроки бетона дает основание рассматривать положительное действие повторной вибрации в тесной и непосредственной взаимосвязи с обнаруженным В.А.Киндом еще в 30-х годах «скачкообразным» характером твердения цемента: «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, причем 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. Это явление становится особенно ясным при рассмотрении результатов долгосрочных испытаний». При этом «в большинстве случаев цементы показывают не один, а два, три, иногда даже четыре максимума. Интересно то обстоятельство, что наибольшее число случаев для 1-го, 2-го и 3-го максимумов падает на определенные сроки твердения. Следовательно, мы здесь имеем дело с < …> закономерным явлением в процессе твердения портландцемента» [38]. Таким образом, отвердевание цементных систем – не стабильный и плавный процесс, а сопровождающийся периодически наступающими моментами его качественного изменениями. При совпадении силовых воздействий с отмеченными «моментами» имеет место значительный прирост прочности, что и отражается соответствующей кривой в виде чередующихся «пиков».

Рис.1.3. Влияние времени приложения повторной вибрации на прочность

растворных и бетонных образцов на основе воскресенского (1, 2), карачаево-черкесского (3) и новороссийского (4) портландцементов:

1 – растворная смесь 1: 2, В/Ц=0, 45;

2 – бетонная смесь Ц: П: Щ=1: 2: 4, Ц – 310 кг/м³, В/Ц=0, 7;

3 – то же, 1: 0, 75: 2, 25, Ц – 550 кг/м³, В/Ц=0, 65;

4 – растворная смесь 1: 2, В/Ц=0, 8

Выявление природы и физической сущности «скачкообразности», действие на данную особенность различных технологических факторов позволят не только уточнить механизм и рациональный режим повторных вибраций, оценить целесообразность их практического применения, но и сформулировать комплекс для производства бетона и железобетона с повышенными эксплуатационными свойствами. Можно предположить, что «скачкообразность» непосредственным образом связана с гидратационными и структурообразующими преобразованиями в цементной системе. Рассмотрим существующие теоретические позиции в данной области.