12. Элементы «направленного» твердения цементных бетонов
«Направленная» технология бетона предусматривает осмысленное и обоснованное использование комплекса воздействий (механических, химических, тепловых, электрофизических, акустических) для малоэнергоемкого получения бездефектного материала с предельными свойствами и эксплуатационной надежностью. Технологический процесс должен включать режимы, обеспечивающие предельно полные гидратационные преобразования клинкерного зерна, благоприятные условия самоорганизации цементной системы, получение стабильной и устойчивой структуры микробетона. Одним из таких незаслуженно забытых приемов является повторное вибрирование твердеющего бетона, необходимость применения которого вытекает из самой сути отвердевания клинкерных вяжущих веществ. Осуществление вибрационного уплотнения в оптимальные сроки позволит к минимуму свести деструктивные последствия, улучшить все свойства бетона и железобетона, в связи с чем, данный прием должен занять соответствующее место в отечественной строительной индустрии.
Историческая справка
Положительное влияние на прочность бетона динамических воздействий, прилагаемых к тщательно уплотненной и твердеющей бетонной смеси, было установлено в 30-х годах прошлого столетия. Последующие исследования показали, что повторное вибрирование не только значительно повышает прочностные показатели бетонов, но и 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. Повторное вибрирование (оптимальное время укладки смесей) является эффективным средством улучшения свойств как обычного, так и легкого (в том числе ячеистого) бетонов. Как видно, применение повторного виброуплотнения приводит к существенному улучшению структуры и всех свойств бетона. При этом, наряду с интенсификацией производства, повышением оборачиваемости форм и оснастки, качества и физико-технических свойств бетона и железобетона, вскрываются резервы в экономии и более полном использовании потенциальных возможностей цемента. Отсюда возникает вопрос: почему же, несмотря на такую эффективность и целесообразность использования, данный прием не нашел распространения в отечественной производственной практике?
Можно предположить, что одной из основных причин ограниченного применения повторного вибрирования (и это неоднократно отмечалось исследователями) является отсутствие установившегося мнения относительно механизма воздействия на формирующуюся структуру цементного камня (бетона) повторных вибраций, что затрудняет обоснование оптимальных ее режимов и разработку практических рекомендаций. Действительно, с традиционных подходов как-то не совсем ясна позитивность осуществления вибрационных воздействий много времени спустя после «схватывания» цемента? Что же произойдет с упрочняющимся «кристаллогидратным каркасом» цементного камня после его полного разрушения?
Первоначально положительный результат повторного вибрирования связывали с оптимизацией макроструктуры бетона. Дополнительная вибрация, по мнению авторов, позволяет снизить дефектность структуры, вызванной испарением и перераспределением воды затворения, усадкой, контракцией, тепловыделением, седиментацией, повысить тем самым плотность и прочность бетонов. Отмеченные представления, действительно, в какой-то мере, отражают позитивный аспект улучшения свойств повторно виброобработанного бетона. Тем не менее, изложенные взгляды, несмотря на кажущуюся очевидность, не вскрывают суть процесса, поскольку с их позиций не ясна значимость «фактора времени» - влияние срока осуществления повторного уплотнения на конечный результат. Максимум эффективности достигается при вибрировании во вполне определенном (и достаточно узком) временном интервале; раннее и позднее вибрирование либо бесполезно, либо в значительно меньшей степени изменяют свойства бетона. Таким образом, в более поздних работах исследователи пошли по пути уточнения возможной взаимосвязи временного режима повторного вибрирования с кинетикой структурообразования цементного камня.
Высказывалось мнение, что основным действием повторного вибрирования на ранней стадии твердения является изменение физической структуры цементного камня в части повышения дисперсности и параллельной ориентации кристаллов. Вибрационное воздействие, являясь источником сжимающих усилий, способствует сближению отдельных кристаллогидратов, создает благоприятные условия для их срастания или просто механического сцепления, обеспечивает интенсивное формирование кристаллического сростка в твердеющей системе.
Предполагалось также, 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» (Л.Г.Шпынова с сотр.). Проще 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» (В.С.Софронов).
Развитие данного процесса детализировалось и связывалось с эффектом 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» (И.Н.Ахвердов).
Рассматривалась возможная взаимосвязь повторной вибрации с экзотермическим процессом твердения цементных систем и протекающими на границе раздела фаз электрокинетическими явлениями. 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» (М.М.Сычев).
Даже беглый взгляд на многие из представленных гипотез вызывают сомнение в их реальности и адекватности. Повторное вибрирование производится в пластичной стадии, т.е. в столь ранний период, что о медленнотекущих кристаллогидратных образованиях, тем более, изменении их кристаллохимических свойств, и упоминать, вряд ли, уместно. Да и каким образом столь чрезвычайно раннее и кратковременное динамическое воздействие окажет влияние на структуру камня, формирующуюся на несравненно более поздних этапах отвердевания? Относительно надуманности и бесполезности дополнительных кристаллизационных «затравок» уже упоминалось (разд.4.3.1). В части возможности разрушения кратковременной вибрацией прочно связанных с основным массивом клинкерного зерна гидратных экранирующих образований также больше вопросов.
Однако, главная проблема – так и нет удовлетворительного ответа на природу «фактора времени». В этом отношении, вызывает интерес деление процесса твердения цементных систем (по типу образующихся структур) на три периода: формирования, переходный и упрочнения структуры (рис.6.1). Для получения предельного прироста прочности (Rб) механические воздействия рекомендуется производить в переходный период (переходный момент) от формирования к упрочнению структуры, в «момент перелома» пластограммы (Топт). Улучшение свойств бетона при этом поясняется, как правило, разрушением формирующегося непрочного (временного) алюминатного каркаса и его заменой силикатной составляющей.
Рис.6.1. Взаимосвязь момента приложения повторной вибрации и конечной прочности бетона
Несмотря на внешнюю логичность, и данное представление не совсем «вписывается» в экспериментальные результаты. Следовало ожидать, что кривая зависимости конечной прочности бетона от времени приложения вибрационных воздействий должна иметь максимум, соответствующий по времени «переходному периоду», «переходному моменту» от формирования к упрочнению структуры материала (рис.6.1). Проведенные же В.Н.Шмигальским 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.6.2), откуда можно заключить, что в процессе твердения цементно-водных систем имеется не один, а несколько (быть может, ряд) временных интервалов, целесообразных для приложения вибрационных воздействий.
Рис.6.2. Изменение прочности бетона, отформованного в различное время с момента приготовления смеси (по данным В.Н.Шмигальского)
«Волнообразность» прироста прочности дает полное основание рассматривать положительное действие повторной вибрации в тесной и непосредственной взаимосвязи со «скачкообразным» характером твердения портландцемента. При совпадении времени осуществления вибрационного уплотнения с периодически протекающими в цементной системе качественными изменениями структурообразующего процесса имеет место предельное увеличение прочности, что и отражается соответствующей кривой в виде чередующихся «пиков».
Учитывая представленную поверхностную схему твердения цементной композиции, а также модель цементного камня (микробетона), можно сделать предположение о роли дополнительной вибрационной обработки, осуществляемой в стадийно наступающих моментах стяжения цементной системы, как силового фактора, обеспечивающего компактную упаковку частиц вяжущего, уплотняющего структуру прослоек новообразований между клинкерными зернами, повышающего качество контактных зон последних, улучшающего тем самым эксплуатационные свойства цементного камня и бетонов.