Критерии качества цементных бетонов и несущих железобетонных конструкций

Дата публикации: 
22.04.2015

бетон

 

Согласно СТО 008-02495342-2009 «Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Проектирование и расчет» непременное условие обеспечения сохранности зданий и сооружений, недопущения их локальных разрушений и прогрессирующего обрушения - достижение и сохранение в расчетной эксплуатационной стадии необходимой прочности несущих железобетонных конструктивных элементов. В этих целях регламентируется жесткий контроль прочностных показателей бетонов на всех этапах строительства и эксплуатации (консервации) несущих конструкций. Проще говоря, прочность (желательно, как можно более высокая и стабильная во времени) считается едва ли не синонимом долговечности и надежности железобетона.

Для предметности обсуждения следует уточнить сущность таких понятий, как «долговечность» и «надежность» бетонов. Согласно СТО 36554501-014-2008 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения»: «Долговечность - способность строительного объекта сохранять физические и другие свойства, устанавливаемые при проектировании и обеспечивающие его нормальную эксплуатацию в течение расчетного срока службы при надлежащем техническом обслуживании, а надежность строительного объекта - его способность выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации». Сложно уловить специфику этих терминов в предлагаемых пояснениях. По сути, в обе формулировки (более полная - первая) вложен один и тот же смысл. Если соблюдается сохранность, стабильность и неизменность физических и других свойств несущего элемента, то обеспечиваются его требуемые эксплуатационные функции и наоборот.

Долговечность всегда ассоциировалась со стойкостью бетонов в суровых климатических условиях и агрессивных средах (попеременное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии, выщелачивание мягкими водами, неблагоприятное действие растворов солей, кислот, щелочей, минерализованных вод и др.). Отмеченные среды имеют откровенно выраженную деструктивную направленность, негативный исход неизбежен, разрушительный .итог - дело времени. Вопрос в том, насколько обоснованные и принятые меры окажутся эффективными для повышения срока службы конструкций и сооружений в конкретных эксплуатационных условиях. При этом взаимосвязь между прочностью и долговечностью бетонов не просматривается, на что указывает, к примеру, широко используемый технологический прием повышения морозостойкости путем поризации растворной составляющей, приводящей к одновременному снижению плотности и, соответственно, прочностных показателей.

В то же время акцентируем внимание на ряде внешних воздействий (отнесенных в СТО 36554501-015-2008 «Нагрузки и воздействия» кособым нагрузкам), отличающихся от агрессивных сред неочевидным эффектом (разрушительным или напротив упрочняющим). Таким воздействием обладает повсеместный временной фактор, определяющий при отсутствии внешней агрессии последовательное увеличение прочности, наряду с ее периодическими сбросами, что давно известно и не вызывает сомнений. Нагруже-ние бетона в раннем возрасте, действия повышенных температур, вибрации, ультразвуковой, электромагнитной, ионизирующей обработки связаны не только со снижением прочности и с разрушением бетона, но и в ряде случаев с его заметным упрочнением. Так, «в условиях длительного воздействия температур... возможны или снижение или рост прочности цементного камня во времени». Иначе говоря, рассматриваемые особые нагрузки при определенном стечении обстоятельств либо приводят к разрушению бетона и железобетона, либо способствуют их благополучному отвердеванию и упрочнению. Сложнопредсказуемые последствия (негативные или позитивные) особых нагрузок и следует оценивать таким качеством, как эксплуатационная надежность, т.е. способность сохранения функциональных свойств несущей железобетонной конструкцией, зданием и сооружением при нештатных форс-мажорных природных и техногенных ситуациях.

Взаимосвязь между прочностью и термостойкостью, как показали исследования по изучению действия температурного фактора на время разрушения нагруженных образцов-пластин, не просматривается. Более того, нельзя не заметить большей уязвимости именно высокопрочных бетонов, нежели рядовых, что связано с повышенной концентрацией в таких вяжущих системах чувствительного к температурному фактору компонента, а потому опасного и непредсказуемого, - цементного камня. Тепловая обработка, вызывая недобор прочности, приводит, тем не менее, к заметному повышению термостойкости. Подобная картина наблюдается при воздействии на бетон вибрации с обычными параметрами уплотнения: частотой 50 Гц, амплитудой 0,19-0,92 мм. Следует при этом отметить, что не было ни одного случая вибрационного разрушения предварительно пропаренных образцов.

Cвязи между прочностью, долговечностью и надежностью цементных бетонов нет и не может быть, поскольку рассматриваемые категории - реакция цементного композита на принципиально отличные «раздражители». Прочность и долговечность бетонов - малопроблемные показатели, требуемые значения которых достигаются достаточно простыми и отработанными методами (оптимизация состава и консистенции смеси, гранулометрия заполнителей, водосодержание, условия твердения, первичные и вторичные меры защиты и др.). Что же касается надежности бетонов в условиях неопределенного воздействия вышеотмеченных природных и техногенных факторов, то вряд ли требует доказательств ее превалирующая роль, приобретающая особую актуальность и значимость при возведении большепролетных и высотных железобетонных объектов.

Обеспечение структурной стабильности и предельной надежности цементных бетонов возможно при непременном условии четкого и однозначного представления физической сущности гидратационного отвердевания клинкерных систем, морфологических особенностей затвердевшего цементного камня (микробетона), его адаптационных способностей в условиях технологических, разнообразных природных и техногенных факторов. Только ясность в данных аспектах позволит осмысленно, направленно производить железобетонную продукцию с требуемыми структурно-механическими параметрами и прогнозировать ее состояние в реальных эксплуатационных условиях.

Портландцемент взаимодействует с водой затворения на границе раздела фаз, однако это взаимодействие не следует сводить к хрестоматийным растворительным, гидролизным, кристаллизационным и прочим проявлениям. Гидратационный процесс имеет электростатическую основу. При соприкосновении компонентов в межфазной зоне мгновенно формируются переходные неравновесные энергетические комплексы в виде локально распределенных на подложке пористых (шатровых) сферических скоплений кластеров. Развитие комплексов включает последовательное разрушение сегки водородных связей дипольных сводов, концентрацию молекул воды у адсорбционных центров, возбуждение системы (аккумулирование собственной энергии), достижение критического энергетического уровня, распад и взаимодействие реагентов. Аморфный гидратный продукт в виде рассредоточенных скоплений покрывает поверхность клинкерных зерен. Процесс протекает стадийно, сопровождается периодическим потреблением безводными цементными минералами порций диполей, появлением в межзерновых пустотах вакуума, организующего в пластической стадии клинкерные частицы, формирующего и упрочняющего микробетон посредством гидросиликатных прослоек.

Гидратационное твердение портландцемента включает, таким образом, чередование индукционных (подготовительных) временных интервалов и быстротечных (взрывообразных) моментов образования гидрата. В начальный период «нормального» твердения (до максимума тепловыделения) стадийность гидратообразования составляет 90±10 мин. По мере уменьшения в системе активных диполей, снижения поверхностной энергии клинкерных зерен продолжительность индукционных интервалов закономерно увеличивается, сначала исчисляется часами , потом сутками, месяцами и годами. Отвердевание цементного композита - единство и неразрывность позитивных и негативных явлений, связанных с упрочнением материала и его временным ослаблением вновь образующимся гидратом с увеличением объема твердой фазы и возникновением внутренних напряжений; естественная периодическая деструкция микробетона - реальный и стохастический аспект, влияние которого на надежность бетонов зависит от сочетания множества факторов и обстоятельств.

Развитие гидратационного процесса связано с последовательным снижением исходного диаметра шатровых энергетических комплексов и, как его логический финал - формированием на поверхности затвердевших клинкерных частиц локально рассредоточенных остаточных негидратированных поверхностно-активных зон. То есть характерная особенность затвердевшего цементного камня (бетона и железобетона в целом), кардинально отличающегося от стабильных структур (каменные материалы, керамика, силикатный бетон и др.), - наличие поверхностно гидратированных клинкерных частиц (крупного заполнителя микробетона) с рассредоточенными негидратированными зонами со сгущением определенным образом высокоорганизованных кластеров воды. Относительно равновесные поверхностно-активные зоны и придают затвердевшему цементному камню (бетон, железобетон) способность адаптационной эволюции под действием эксплуатационной среды. Естественное развитие указанных зон приводит к гидратационным преобразованиям на поздних этапах в условиях сформировавшегося цементного камня с неизбежным возникновением внутренних напряжений и сбросом прочности. Отсутствие повсеместных и массовых аварийных ситуаций - отнюдь не опровержение столь мрачной перспективы, а подтверждение отсутствия синхронности гидратации на цементных зернах в объеме конструкции, обусловленной температурно-влажностным разбросом, градиентом скорости гидратации вяжущего в различных микрообъемах и, соответственно, различным уровнем их энергетического развития к конкретным срокам твердения.

Опасность представляют нештатные ситуации: резкий нагрев нагруженного бетона (например, пожар в подвальном помещении или нижних этажах каркасного здания), неожиданные вибрационные воздействия (забивка свай на рядом расположенной строительной площадке), внезапное облучение бетона электромагнитными импульсами наряду с динамическими ударами (землетрясения). Эстафетное ослабление и разрушение водородных связей, нарушение равновесия энергетических структур, последующая гидратация активных центров на значительном числе клинкерных частиц в объеме конструкции могут привести к сложно прогнозируемым результатам.

Основную роль в данной эволюции играет гидратационный процесс, что подтвердилось дифференциально-термическим и термовесовым анализами, показавшими повышение степени гидратации цемента после температурного, силового и вибрационного воздействий.

Интервал вибрационной стойкости находится в пределах ранее отмеченной стадийности процесса (90±10 мин). Следовательно, активация адсорбционно-связан-ной воды определяет обычный ход развития поверхностно-активных зон и гидратации цемента. При этом большое значение имеет время приложения вибровоздействий. При наложении вибрации в относительно стабильных временных интервалах фиксируется повышенная вибростойкость (близкая к предельной 90±10 мин). И напротив, совмещение вибровоздействий с собственными структурными перестройками (точка В) приводит к деструкции в более ранние сроки. В отдельных случаях разрушение вибрируемого бетона наблюдалось во втором инициированном вибрацией гидратационном акте (через 180±10 мин).

Представленный материал позволяет заключить следующее:

1.     Морфологическая    особенность    цементных   бетонов,    кардинально   отличающихся   от других строительных материалов, - наличие поверхностно гидратированных клинкерных частиц, включающих, в свою очередь, локально рассредоточенные  поверхностно-активные  зоны «остаточные активные центры - адсорбционный слой диполей», играющие сложнопрогнозируемую роль в эксплуатационный период. Естественный процесс энергетического развития негидратированных зон определяет гидратацию вяжущего на поздних этапах в условиях сформировавшегося микробетона, приводящую к возникновению внутренних напряжений и периодическим сбросам прочности.

2.   Отсутствие  массовых аварийных ситуаций связано с асинхронностью процесса на клинкерных частицах в объеме бетона, вызванного неизбежным градиентом скорости гидратации на стадии отвердевания композита. Опасны внезапные природные и техногенные особые (по СТО 36554501-015-2008) нагрузки: силовые, температурные, вибрационные и другие, способные активизировать адсорбционно-связанную воду, синхронизировать взаимодействие реагентов на цементных зернах, привести к сложнопредсказуемым результатам. Их целесообразно оценивать таким качеством, как эксплуатационная надежность несущих железобетонных конструкций.

3. Показано отсутствие взаимосвязи между прочностью, долговечностью и надежностью цементных бетонов. Как следствие, не все меры, способствующие повышению прочности, будут целесообразными с позиций долговечности и надежности бетона и железобетона. Прочность - это ни нечто неизменное, данное на века. Данный показатель динамичен, в связи с чем наметившаяся в последние годы тенденция получения высокопрочных (и даже ультравысокопрочных)  бетонов вызывает некоторое недоумение. Прочность должна быть достаточной и не более того, основное же внимание надо уделять несравненно более важному качеству - надежности продукции.

4.  Поверхностный характер взаимодействия цементных минералов с водой затворения позволяет теоретически обосновать и практически реализовать направленное производство сборного и монолитного железобетона с повышенной структурной стабильностью и, соответственно, эксплуатационной надежностью. Данный аспект очевиден и сводится к простому тезису: использование комплекса приемов, способов и режимов, благоприятствующих естественно протекающему гидратационному и структурообразующему процессу и обеспечивающих предельно возможное поверхностное преобразование клинкерных минералов в гидратированные соединения.

5. В строительной практике (особенно в набирающем обороты монолитном производстве) необходимо учитывать следующие технологические меры: ограничение применения противоморозных добавок-электролитов, супер- и гиперпластификаторов; использование оптимума водосодержания, исключительно влажностных условий твердения и др. Особо следует подчеркнуть целесообразность широкого  распространения  различных  способов активации воды затворения (термический, химический, электрофизический, акустический), что в полной мере соответствует сформулированному в п. 4 тезису.

6.  Для сравнительной количественной оценки влияния тех или иных факторов на надежность бетонов может быть использована представленная в работе методика испытаний, заключающаяся в изготовлении образцов-пластин, выдерживании их до приобретения требуемых физико-механических свойств и обработке конкретным воздействием (температурное, вибрационное, электромагнитное, ионозирующее и др.) в нагруженном, наиболее невыгодном для цементного композита - изгибаемом состоянии. Время разрушения эталонного и контролируемого образцов и будет искомым показателем эффективности тех или иных способов, составов и режимов.

Категория: 

изготовление бетона