Основные выводы

1. В основе взаимодействия гетерогенной цементной системы, дисперсная твердая фаза которой характеризуется энергетически ненасыщенными активными центрами (связями ионов кальция), жидкая – полярными, кооперативными свойствами, лежат поверхностные явления. Образование гидратных продуктов осуществляется через стадии формирования в межфазной зоне неравновесной пространственной энергетической композиции, состоящей из поверхностных активных центров клинкерных зерен, кластеров диполей, ионов химических добавок, коллоидных частиц, микропузырьков растворенного газа, с последующим ее развитием (накоплением собственной энергии), достижением критического энергетического уровня и распадом (химизмом процесса).

2. Элементарный гидратационный акт включает последовательность этапов: избирательную адсорбцию диполей активными центрами клинкерных зерен, образование пористого, «доменного» двойного слоя → постепенную локализацию диполей у адсорбционных центров твердой фазы, повышение плотности заряда ДЭС, возбуждение системы (индукционный период) → достижение критического энергетического состояния (перенапряжения), разрушение молекул воды (появление активных групп ОНˉ, Н₃О⁺), разрыв Са-О-связей в структуре цементных минералов → химическое взаимодействие реагентов с образованием продуктов, в виде локальных аморфных скоплений покрывающих поверхность цементных зерен → резкое потребление активными точками клинкерных частиц очередной порции диполей, развитие в межзерновых пустотах вакуума, самоорганизацию цементной системы.

3. Гидратация цементных минералов сопровождается гидролизом силикатной части клинкера с преимущественным «выбросом» в жидкую среду ионов кальция (чем и определяется экзотермия процесса). Гидролизные «остатки» (SiO₄)^4– остаются в твердой фазе, связываются с высокореактивными продуктами распада молекул воды, образуя, практически, водонепроницаемый барьер, что делает маловероятным проникновение гидратационного фронта вглубь плотного тела клинкерного зерна. Гидратация портландцемента имеет поверхностный (топохимический) характер, в связи с чем такое понятие как «степень (глубина) гидратации портландцемента» должно предусматривать не глубинный, а поверхностный смысл.

4. Твердение цементных композиций – чередование «индукционных» (подготовительных) интервалов и быстротечных моментов химизма явления, стяжения системы, что и определяет давно известную «скачкообразность» процесса. В начальной стадии (до максимума тепловыделения) гидратообразование протекает через каждые 90±10 минут при «нормальных» условиях твердения портландцемента обычного вещественного и минералогического составов (C₃S – 50…65, C₂S – 10…20, C₃A – 5…10, C₄AF – 10…20 % и активными минеральными добавками – до 55 %). По мере снижения поверхностной энергии клинкерных зерен, уменьшения в системе количества свободных диполей индукционные закономерно увеличивается, через сутки исчисляются часами, месяцы – сутками, годы – месяцами, десятилетия - годами.

5. Электрохимическое взаимодействие клинкерных минералов с водой локализовано на границе раздела фаз, в связи с чем количество воды затворения и заполнитель (крупный, мелкий) не оказывают влияния на качественную сторону процесса – определенные «моменты», характеризующие его качественное изменение («скачки» прочности, «сингулярные» точки кинетических кривых некоторых свойств), в начальной стадии протекают синхронно в цементном тесте, растворных и бетонных смесях, т.е. являются константой конкретного портландцемента.

6. Температурный фактор оказывает влияние на активность (вязкость, степень ассоциации) кластеров воды. Повышение (снижение) температуры увеличивает (уменьшает) активность диполей, что приводит к сокращению (удлинению) интервалов гидратообразования. При температурах твердения цементной системы: 40, 60 и 80 °С стадийность процесса составляет, соответственно, 45, 30 и 20 мин. При плавном подъеме температуры (период нагрева изделий) продолжительность циклов закономерно сокращается. Установлена аналитическая зависимость времени наступления начальных «переходных моментов» от температурного режима твердения цементных бетонов, разработаны соответствующие номограммы для их оперативного определения в производственных условиях.

7. Ускоряющее или замедляющее действие конкретной химической добавки может быть достаточно просто и точно установлено путем исследования и анализа кинетики пластической прочности и тепловыделения модифицированной цементной системы. Время с момента затворения цемента водой до начального «всплеска» пластической прочности или начала тепловыделения указывает о продолжительности первого индукционного периода. Сопоставляя этот показатель с аналогичным – бездобавочной системы, можно не только качественно, но и количественно оценить действие добавки.

8. Считается необходимым уточнение некоторых действующих нормативных материалов: раздел ГОСТ 24211-91 (Добавки для бетонов. Общие технические требования) – Добавки, ускоряющие схватывание бетонных смесей и твердение бетона – в части классификации некоторых добавок (К₂СО₃ и NaCl должны быть отнесены к добавкам-замедлителям твердения цементных бетонов); ГОСТ 310.3-76 (Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема) – прибор Вика следует заменить термопластометрической установкой для оперирования свойствами, непосредственно отражающими структурообразущий процесс в твердеющих вяжущих композициях.

9. Гидратационное твердение цементных систем – одновременное и взаимосвязанное протекание структурообразующих и деструктивных явлений. Развивающийся в системе вакуум является позитивным фактором, «движущей силой» структурообразования, обусловливающей стяжение цементной системы, формирование и упрочнение контактных зон цементных зерен, приобретение необходимых свойств затвердевшим материалом. В то же время, стадийное накопление на поверхности клинкерных частиц гидратных продуктов приводит к раздвижке ранее образовавшегося гидрата, временному ослаблению «клеевых прослоек», структурных связей системы, «пилообразному» росту прочности цементных бетонов в стадии твердения и «сбросам прочности» в поздние сроки.

10. Затвердевший цементный камень − «микробетон» (термин В.Н.Юнга), материал, состоящий из поверхностно гидратированных клинкерных частиц, играющих важную структурообразующую роль «крупного заполнителя», склеенных в единое целое аморфными гидросиликатными продуктами. Свойства микробетона, как и обычного бетона, во многом зависят от гранулометрического состава заполнителя (зерен вяжущего), что подтверждается известными многочисленными экспериментальными данными, указывающими на взаимосвязь максимальной прочности камня с оптимизацией полидисперсного состава цементного порошка.

11. Отличительной особенностью микробетона является наличие на гидратированной поверхности цементных частиц локально рассредоточенных динамически равновесных структур «остаточные негидратированные активные центры − адсорбированные кластеры», которые легко обнаруживаются электронно-микроскопическим методом испытаний в виде цилиндрических пор и каналов, относительно равномерно распределенных в гидросиликатной массе. Данные структуры в результате непрекращающихся естественных адсорбционных процессов (накопления собственной энергии) являются источником гидратационных и деструктивных процессов на поздних этапах, определяя сбросы прочности бетона спустя месяцы, годы, десятилетия.

12. Поздние гидратационные процессы могут быть инициированы внешними тепловыми, электромагнитными, химическими, ультразвуковыми, вибрационными, силовыми и прочими разрушающими водородные связи, активизирующими диполи воды остаточных негидратированных зон воздействиями. Активизация гидратации цементных минералов, в данном случае, на подавляющем большинстве клинкерных зерен резко ослабляет структуру микробетона и бетона в целом, что определяет интенсификацию деформации ползучести нагруженного бетона и сложно прогнозируемые результаты в эксплуатируемой железобетонной конструкции, что следует учитывать в теории и практике строительства.

13. Надежность бетона (железобетона), предусматривающая сохранение его эксплуатационных физико-технических свойств при воздействии внешних (например, температурных) факторов, во многом зависит от полноты и завершенности поверхностных гидратационных преобразований клинкерного зерна в стадии интенсивного твердения. С этой целью рекомендуется использовать тепловую обработку в сочетании с циклической виброактивацией отформованных изделий и конструкций, обеспечивать их исключительно влажностные условия твердения (оптимальный вариант – водное выдерживание), тщательно предохранять распалубленный бетон от влагопотерь и пересушивания надежными защитными покрытиями и др.

14. Цементное тесто, растворные и бетонные смеси – стадийно (циклически) самоуплотняющиеся объекты, т. е. по природе своего твердения цементные материалы требуют обязательного приложения в пластической стадии (в моменты самоорганизации) дополнительных силовых воздействий (вибрирования, пресссования, трамбования). Циклическое вибрирование является дополнительным силовым фактором, обеспечивающем компактную упаковку частиц вяжущего, уплотнение «клеевых прослоек» микробетона, упрочнение контактной зоны «цементный камень – заполнитель (арматурные элементы)», выдавливание адсорбционно-связанной воды из негидратированных зон, повышение, тем самым, эксплуатационной надежности бетона.

15. Для определения сроков уплотнения рекомендуется использовать пластометрический способ, заключающийся в изучении кинетики пластической прочности цементного теста, твердеющего при заданных температурных условиях, и назначении времени приложения уплотнения по характерным переломным точкам построенной пластограммы. Для захвата более широкого временного интервала пластометрические работы следует проводить на цементном тесте с нескольким значением В/Ц (например, 0, 26; 0, 28; 0, 30) и полученные результаты переносить на растворные и бетонные смеси. В отдельных случаях указанные сроки могут определяться расчетно-графическим способом (п.6).

16. Оптимальный режим циклического вибрирования, предусматривающий время приложения, количество уплотнений, продолжительность вибрирования в каждом из сроков, зависит от исходной подвижности бетонной смеси – чем она выше, тем следует использовать большее количество вибрационных воздействий и наоборот. Ориентировочно для бетонных смесей подвижностью менее 2…4 см принимается 1...3-разовое вибрирование, до 10…12 см – 3…6-разовое, более 12 см – 4…8-разовое. В каждом конкретном случае режим виброактивации уточняется экспериментально путем изготовления и испытания контрольных образцов или опытной партии изделий в процессе производственной отработки технологических параметров.

17. Производственная проверка циклической вибрации в кассетно-стендовом производстве изделий (Северо-Кавказский, Энгельсский, Орловский сельский строительные комбинаты, Уфимский ДСК), технологии объемных элементов (Краснодарский комбинат ЗАО «ОБД»), проведенные ведомственные приемочные испытания (Приокский ССК), освоение производства виброактивированных изделий для животноводческих зданий (ООО «Неолит», г. Краснодар) показали высокую эффективность разработанной технологии. Виброактивация позволяет в два-три раза интенсифицировать твердение бетона, на 25…50% сократить продолжительность тепловой обработки, на 10…15% снизить расход портландцемента, повысить трещиностойкость, несущую способность и эксплуатационную надежность изделий и конструкций, по сравнению с традиционным производством.

18. В результате выполненных исследований, производственной проверки и приемочных испытаний разработано Руководство по применению циклической вибрации в технологии сборного железобетона, сформулирован комплекс мероприятий для оперативного освоения виброактивации на предприятиях строительной индустрии и монолитном строительстве. Активное силовое сопровождение структурообразования, формирования свойств микробетона, бетона и железобетона в виде повторного, циклического вибрирования, оптимального времени укладки смесей, раннего нагружения конструкций – обязательный атрибут технологического регламента любых, тем более, несущих сборных и монолитных железобетонных конструкций.