Бетонов

Принято считать, что усадочные и контракционные процессы, сопровождающие твердение цементных бетонов, способствуют «обжатию» заполнителя (в том числе арматурных элементов) цементным камнем, повышая тем самым прочность его контактной зоны. Однако при испытании традиционно изготовленных образцов в плоскости излома наблюдается огромное количество оголенного заполнителя (рис.4.19), свидетельствующих об обратном. Уточнение данного аспекта имеет трудно переоценимое значение, поскольку качество контактной зоны является определяющим фактором получения бетона и железобетона с предельно возможными прочностными свойствами и долговечностью, в связи с чем, считается целесообразным высказать некоторые соображения по этому поводу.

Рис.4.19. Общий вид строения и отдельные участки контактной зоны

традиционно изготовленного бетона (новороссийский ПЦ500-Д0,

раствор Ц: П=1: 2, В/Ц=0, 6)

При изучении кинетики электродвижущей силы в обычно твердеющих цементом тесте и растворных смесей с помощью смонтированных в боковых стенках текстолитовой формы «медь-угольного» электродов и цифрового вольтметра Ф-4202 (с периодом замера показателей 5 мин) получены весьма информативные кинетические кривые (рис.2.22). Прежде всего, кривые абсолютно отчетливо свидетельствуют о стадийности электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой и структурообразующего процесса – с интервалом 90±10 мин с момента затворения цемента водой имеют место характерные, не зависящие от водоцементного фактора, переломные точки кривых, указывающие о качественном изменении состояния твердеющей цементной системы.

Особого внимания заслуживает следующая закономерность – финалом всех кинетических кривых является резкий сброс показателей, практически, до нулевого уровня. Причем для некоторых составов наблюдалось периодическое снижение величины ЭДС (для цементного теста с В/Ц=0, 33, например, - через 200 и 350 мин, растворной смеси с В/Ц=0, 5 – через 270, 360 и 450 мин с момента затворения цемента водой).

В чем же причина столь внезапного ухудшения работы «гальванических элементов»? Было сделано предположение, что причиной данной особенности является нарушение качества контакта электродов с твердеющей вяжущей системой, вызванного стадийным стяжением клинкерных зерен. В начальный период твердения, когда смесь характеризуется высокой пластичностью, достаточным количеством воды затворения, самоуплотнение (самоорганизация) системы не сказывается заметным образом на контакте электродов с твердеющим материалом. По мере химического связывания молекул воды, «обезвоживания» составов, повышения хрупкости смеси усадочные процессы приводят к «проскальзыванию» формирующегося микробетона относительно поверхности электродов, резкому ухудшению качества их сцепления, что и сопровождается сбросами значений ЭДС. Подтверждением реальности данного механизма является кратность времени сбросов показателей девяноста минутам, т.е. стадийности «нормально» твердеющего портландцемента.

Не сложно представить на месте электродов крупный, мелкий заполнители и арматурные (в том числе, предварительно напряженные) элементы. Объемные усадочные процессы при традиционном производстве приводят не к «обжатию», а к ослаблению адгезионного сцепления цементного камня с указанными объектами, что согласуется с рядом экспериментальных работ [400, 409]. Разрушение бетона происходит по дефектным участкам – контактной зоне, что визуально и фиксируется обилием в месте излома оголенных поверхностей заполнителя (рис.4.19).

Прочность контактной зоны в значительной степени зависит и от ряда других факторов. В качестве примера приведем появившуюся на Кавказском заводе железобетонных шпал (Краснодарский край) проблему, связанную с преждевременным разрушением изделий после полутора – двухлетней эксплуатации, что в три – четыре раза ниже нормативного срока службы. Разрушение шпал начинается с появления на поверхности бетона своеобразного «мозаичного рисунка» (рис.4.20) с последующим растрескиванием бетона, оголением арматуры и полной потерей изделием несущей способности. Следует заметить, что отмеченная «мозаика» и отслоение верхней бетонной массы часто просматриваются и в свежеизготовленных шпалах (рис.4.21).

Рис.4.20. Общий вид демонтированных шпал после

полутора – двухлетней эксплуатации

Рис.4.21. Общий вид свежеизготовленных отбракованных шпал

На первый взгляд, технологический процесс производства шпал достаточно благополучен. В качестве сырьевых материалов применяют высокомарочный новороссийский ПЦ500Д0-Н, песок нормируемой гранулометрии, высокопрочный гранитный щебень фракции 5…20 мм, питьевую воду, суперпластификатор С-3 в количестве 0, 6 % от массы цемента. Однородную, связную, с требуемой удобоукладываемостью бетонную смесь приготавливают в бетоносмесителе принудительного действия, доставляют к формовочному посту без ухудшения свойств. Укладку смеси в подготовленную групповую форму (на десять изделий) и тщательное уплотнение производят на специальном вибрационном посту. После двухчасового предварительного выдерживания извлекают разделительные перегородки, формы штабелируют в пропарочной камере и подвергают тепловой обработке с контролируемыми параметрами прогрева (скорость подъема температуры и охлаждения не превышает 15…20 °С/ч). После приобретения бетоном требуемой прочности производят отпуск предварительно напряженной арматуры, передачу шпал на пост технического контроля, затем – на склад готовой продукции.

Однако специально выполненные экспериментальные работы показали определенные упущения технологического процесса. Прочность изготовленных из производственного состава образцов в возрасте 14 суток «нормального» твердения составляла 48…60 МПа, после тепловой обработки (прогрева образцов с герметизированной открытой поверхностью при температуре 80±2 °С в камере SNOL 67/350) – не превышала 20 МПа. Причина столь существенного недобора прочности бетона после термообработки достаточно очевидна. Следует обратить внимание на расширение образцов из каменных материалов при их одностороннем нагреве (рис.4.11, а), а именно, многократное превышение температурных деформаций гранитного образца, по сравнению с другими структурами (мрамором, керамикой), что связано с его кристаллическим анизотропным строением. Использование в бетоне в качестве крупного заполнителя гранитного щебня связано, в связи с этим, со следующим противодействием. Нагрев уплотненной бетонной смеси (стадия подъема температуры) приводит к ускорению гидратации цементных минералов, интенсификации структурообразующих и усадочных процессов при одновременном постепенном температурном расширении гранитного щебня. При охлаждении бетона идет обратный процесс – уменьшение объема заполнителя в жесткой (затвердевшей) цементной матрице. Эти взаимоисключающие явления разрушают контактный слой, определяют, низкую прочность сцепления микробетона с гранитным щебнем. Наблюдаемая «мозаичная» картина – окаймляющие заполнитель микротрещины, являются одной из основных причин низкой долговечности продукции. Следовательно, «для получения бетонов высокой прочности с повышенной границей микроразрушений < …> следует использовать в качестве крупного заполнителя < не гранитный, а> прочный однородный известняковый щебень» [410], характеризующийся родственным строением и лучшим сцеплением с цементным камнем [411].

Для решения возникшей проблемы заводу рекомендованы следующие мероприятия:

1) использование в качестве крупного и мелкого заполнителей высокопрочного известнякового щебня и отсева камнедробления;

2) приготовление бетонной смеси должно предусматривать загрузку в емкость бетоносмесителя щебня, песка и воды (частично или полностью) и после 30…40-секундного предварительного перемешивания компонентов введение цемента и доведение массы до однородного состояния. Данный прием позволит очистить поверхность заполнителя от плотной, связанной электростатическими силами пылевой пленки, улучшить тем самым качество контактной зоны;

3) исключить из состава бетонной смеси суперпластификатор С-3 по причинам, представленным в разд.3.3.3;

4) использовать известняковый щебень фракции 5…20 мм с содержанием фракции 5…10 мм не менее 40%, что исключит сводообразование (зависание щебня между арматурными струнами и продольными бортами форм), снизит вероятность расслоения смеси и трещинообразования шпал;

5) перед подачей формы в тепловую камеру твердеющие изделия следует повторно в течение 1, 0…1, 5 мин уплотнить на виброплощадке, что позволит повысить прочность контактной зоны бетона и сцепление цементного камня с арматурой.

Таким образом, к подбору состава бетонов необходимо подходить с непременным учетом температурных условий твердения изделий и конструкций. Определяющим фактором при выборе заполнителей для бетонов, подвергаемых тепловой обработке, является далеко не прочность (которая должна быть не ниже проектного класса бетона), а его теплофизические параметры, предельно возможное соответствие температурных деформаций структурообразующим процессам вяжущей композиции.