Воздействие вибрации на бетон

Дата публикации: 
24.07.2014

надежность бетона

Высотные здания и сооружения из железобетона нередко подвергаются вибрационным воздействиям, например при забивке свай на рядом расположенной строительной площадке. Это может привести к трещинообразованию и снижению несущей способности конструкций, что обычно ассоциируется с неравномерной просадкой грунтов, необходимостью проведения предупредительных мероприятий по усилению существующих зданий и укреплению грунтооснований. Вместе с тем хотелось бы обратить внимание на вероятность не менее значимого деструктивного момента, требующего непременного учета в теории бетоноведения, практике строительства и эксплуатации железобетонных объектов. Не могут ли вибрационные воздействия инициировать не только физико-механический, но и химический аспект, спровоцировать химическое взаимодействие цементных минералов с водой, что вряд ли будет безболезненным для структуры и свойств сформировавшегося и нагруженного композита? Итак, что же произойдет с бетоном после воздействия на него вибрации не в стадии отвердевания, формирования структуры и свойств, а через месяц и более? Ответ, на первый взгляд, «лежит на поверхности»: либо ничего существенного (в таких условиях постоянно и без проблем эксплуатируются железобетонные фундаменты виброблоков, кассет-но-стендовых формовочных установок и другого вибрационного оборудования), либо, действительно, при определенных обстоятельствах возможны трещинообразование и разрушительные последствия. Для первой части экспериментов изготовляли образцы-балочки (16x4x4 см) из различных составов на основе новороссийского цемента марки ПЦ500-ДО, в том числе с применением низкомодульного кубанского песка, микрокремнезема (удельная площадь поверхности 5= 10 тыс. см2/г), гиперпластификатора УС 5600 В11 (000 «Зика», г. Москва) и противоморозной добавки (поташа). В 28-суточном и 2-4-летнем возрасте балочки раскалывали пополам, маркировали и формировали две серии образцов, в каждой из которой присутствовало по половинке одной и той же балочки. Одну из серий перед испытанием на прочность при сжатии подвергали вибрированию на лабораторной виброплощадке (амплитуда А = (0,86±0,06) мм, частота п = 50 Гц) в течение 15 и 30 мин.

Статистический анализ результатов испытания 28-суточных образцов (110 шт.) показал, что вибрирование обычных (бездобавочных) цементных и цементно-песчаных составов в 50-60 % случаев не изменяет прочность цементного камня (находится в допустимом 10%-ном интервале), в 20-30% — прочность заметно увеличивается, а в 10-20 % — снижается. Эти же параметры для пластифицированных составов: соответственно 25-35, 30-40, 25-35 %, а для составов с добавлением поташа: 10-20,30-40, 50-60 %. Подобная картина просматривается при вибрационном уплотнении образцов в 2-4-летнем возрасте, правда с некоторым отличием соотношения «знака» изменения прочностных свойств. Если в бездобавочном материале неизменность, увеличение и снижение прочности составляли соответственно 40-50, 30-40 и 20-30 %, что достаточно близко к результатам испытания 28-суточных образцов, то в пластифицированном цементном камне — соответственно 40-50,10-15 и 30-40 %.

Ранее представленные взгляды на деструктивное действие вибрации (как источника микротрещинообразования) вполне описывают возможную причину снижения прочности, вызванную знакопеременными ударными воздействиями, ослаблением и разрушением структурных связей бетона. Можно понять неизменность прочностных свойств бетона, подвергшегося вибрации, как, например, связанную с недостаточной ее интенсивностью. В то же время неожиданным и невероятным оказалось увеличение прочности бетона после его вибрационной обработки. Причем в ряде случаев это увеличение (как и снижение) составляло 50-60 % и более, что далеко выходит за пределы доверительной области и не может быть погрешностью измерений.

Представленные испытания мало отражают реальные условия эксплуатации несущих железобетонных конструкций, работающих в условиях разнообразных силовых нагрузок. В связи с этим следующая часть экспериментов посвящена изучению действия вибрации на нагруженный изгибающей нагрузкой цементный камень. Изготовляли образцы-пластины (160x40x10 мм) из бездобавочного цементного теста с водоцементным отношением В/Ц = 0,22; 0,24; ...;0,32, пластифицированных составов с В/Ц = 0,18; 0,20;...; 0,28, а также из теста с В/Ц = 0,26 и В/Ц = 0,3 с содержанием добавок-электролитов: К2С03, МаС1, КС! и СаС!2, массовая доля которых в каждой из консистенций составляла 0,5; 2 и 5 %. В 28-суточном возрасте образцы при помощи пружин растяжения, динамометра и специального стенда подвергали сосредоточенной изгибающей нагрузке (100 Н), составляющей от 30 до 70 % разрушающего усилия. Стенд с нагруженными образцами при помощи струбцин жестко крепили к лабораторной вибрационной площадке и проводили вибрационную обработку. Использовали три типа виброплощадок с промышленной частотой 50 Гц и амплитудами колебаний (0,28±0,09); (0,57±0,05) и (0,86+0,06) мм.

Анализируя полученные на бездобавочных цементных составах данные (табл. 1), можно отметить:

1) разрушение образцов произошло через временной интервал (75±10) мин (только два показателя: 35 и 174 мин не вписываются в отмеченную особенность);

2)  разрушение характерно для образцов с низким и высоким В/Ц (образцы с В/Ц = 0,24 и В/Ц = 0,26 показали повышенную вибрационную стойкость);

3) амплитуда колебаний (во всяком случае в диапазоне 0,19-0,92 мм) не оказала заметного действия на интенсивность деструктивных и разрушительных проявлений.

Результаты дают основание для следующего обобщения. Прежде всего, близкие значения времени с момента начала вибрирования до разрушения (стойкости) подавляющего числа виброобра-ботанных образцов различных составов и прочности указывают на явную закономерность процесса, вряд ли связанную с физикомеханикой процесса микротрещинообразования.

Интерпретация полученных результатов возможна при некотором уточнении механизма отвердевания цементных систем. Портландцемент взаимодействует с водой затворения на границе их раздела, однако этот процесс не следует сводить к хрестоматийным растворительным, гидролизным, кристаллизационным и прочим проявлениям. Взаимодействие реагентов имеет электростатическую основу. При соприкосновении вяжущего и воды на твердой фазе мгновенно формируются переходные неравновесные энергетические комплексы в виде локально распределенных на подложке пористых (шатровых) сферических скоплений кластеров, реальность которых подтверждена оптической микроскопией

Развитие комплексов включает последовательное разрушение водородных связей шатровых композиций, концентрацию диполей у адсорбционных центров, возмущение системы (аккумулирование собственной энергии), достижение критического уровня (окончание первого индукционного периода), распад (появление активных элементов) и взаимодействие реагентов. Гидратация минералов протекает стадийно, сопровождается периодическим потреблением молекул воды, развитием в межзерновых пустотах вакуума, организующего клинкерные частицы, формирующего и упрочняющего микробетон.

Гидратационное твердение портландцемента включает чередование индукционных (подготовительных) временных интервалов и быстротечных (взрывообразных) моментов образования гидрата. В начальный период «нормального» твердения гидрато-образование протекает с (90±10)-минутной стадийностью. По мере уменьшения в системе активных диполей, снижения поверхностной энергии клинкерных зерен, продолжительность индукционных интервалов закономерно увеличивается (через сутки исчисляется часами, через несколько месяцев — сутками, через несколько лет — месяцами). Гидратационный процесс бесконечен и неисчерпаем во времени. Особенность микробетона — наличие на гидратированной поверхности цементных зерен, локально рассредоточенных относительно равновесных энергетических зон «остаточные активные центры — адсорбированные кластеры», которые легко обнаруживаются электронной микроскопией в виде сферических пор в механически ненарушенной гидратной оболочке , цилиндрических полостей с рваными «чешуйчатыми» краями  или каналов в разрушенной гидросиликатной массе.

Фрагменты поверхности гидратированных цементных зерен

Остаточные негидратированные зоны (своеобразные мины замедленного действия) сохраняются неопределенно продолжительное время и оказывают неоднозначное влияние на твердение и свойства цементных бетонов. Непрекращающийся адсорбционный процесс приводит к гидратации минералов на поздних этапах, что связано с увеличением объема твердой фазы, возникновением в микробетоне внутренних напряжений, и к возможным сбросам прочности. При обычных условиях деструкция проходит без особых негативных последствий ввиду неравномерно протекающих на клинкерных частицах гидратационных явлений. Появляющиеся дополнительные порции гидросиликатного клея залечивают микродефекты, повышают плотность композита, возвращают и даже увеличивают исходные прочностные показатели. Однако многие внешние воздействия (тепловые, электромагнитные, силовые) способны активировать адсорбционно-связанную в цементном камне воду и спровоцировать одновременную гидратацию минералов на подавляющем большинстве

клинкерных частиц, что может быть весьма опасным для несущих железобетонных конструкций.

Наличие на затвердевших цементных зернах указанных негидратированныхзон со сгущением определенным образом высокоорганизованных кластеров воды придают затвердевшему цементному камню (бетону) способность адаптационной эволюции под действием эксплуатационной среды. Основную роль в данной эволюции играет гидратационный процесс. Естественная гидратация не приводит, как правило, к негативным последствиям ввиду отсутствия синхронности процесса на цементных зернах. Структурно-адаптированный бетон также малочувствителен к конкретным воздействиям (фундаменты вибрационного оборудования). Опасность представляют нештатные, форс-мажорные, ситуации: резкий нагрев нагруженного бетона (например, пожар в подвальном помещении или нижних этажах каркасного здания), внезапное облучение бетона электромагнитными импульсами наряду с динамическими ударами (землетрясения), неожиданные вибрационные воздействия. Эстафетное ослабление и разрушение водородных связей, нарушение равновесия энергетических структур, последующая гидратация активных центров могут привести к сложно прогнозируемым результатам.

Локально рассредоточенные поверхностные энергетические структуры при активации воды проходят естественную стадию развития: накопление собственной энергии, достижение критического состояния и распада (гидратация активных центров), составляющую по продолжительности отмеченный временной интервал — (75±10) мин. Образующийся гидрат, увеличиваясь в объеме, является источником внутренних напряжений и причиной разрушения нагруженных образцов.

При этом не следует полагать, что цементные зерна — одновременно запущенные хронометры. Даже в условиях герметичного выдерживания неизбежен температурно-влажностный градиент по объему бетона, приводящий к формированию в микробетоне остаточных негидратированных зон с различной степенью энергетической зрелости. Некоторым зонам достаточно незначительного вибрационного толчка для осуществления гидратационных процессов (35-минутный интервал для цементного камня с В/Ц = 0,28); деструкция других составов наблюдается в очередном инициированном вибрацией гидратационном акте спустя (90±10) мин (174-минутный интервал для камня с В/Ц = 0,3).

Как показали опыты, структурная стабильность цементного композита обеспечивается при оптимуме В/Ц, находящемся в интервале от 0,24 до 0,26. По всей вероятности, в данном диапазоне В/Ц приобретается рациональное соотношение таких параметров, как степень поверхностной гидратациицементных зерен, качество (плотность, прочность) контактных зон микробетона и толщина (энергия водородных связей) остаточных полимолекуляр­ных слоев адсорбированных диполей, что обеспе­чивает повышенную стабильность композита. Боль­шее и меньшее количество воды затворения нару­шает эту стабильность, отрицательно сказывается на стойкости вибрируемого цементного камня (по­добное явление отмечалось автором при темпера­турном воздействии ).

Образцы на основе пластифицированных соста­вов в подавляющем большинстве случаев выдержа­ли вибрационное уплотнение продолжительностью от 1,5 до 3 ч (разрушился лишь образец с В/Ц = 0,28 через 71 мин).

Совершенно иная картина при введении в цемент­ный состав добавок-электролитов (поташ, хлориды натрия и калия) — интервал стойкости образцов при вибрационных воздействиях составляет от несколь­ких единиц до нескольких десятков минут (табл. 1). Применение в качестве добавки хлорида кальция не привело к разрушительным последствиям.

Таблица 1

Вид добавки

Время, мин, с момента начала вибрирования до разрушения образца с массовой долей добавки, %

0,5           I           2,0

5,0

К2С03

В 20

Ц = 0,26

Н.д.

Н.д.

МаСl

23

13

6

КСl

-

66

21

СаСl2

-

-

-

К2С03

В

/Ц = 0,30

28

24

МаСl

8

8

7

КСl

-

106

53

СаСl2

-

-

-

 

Примечание. Образцы с В/Ц = 0,26 и массовой до­лей поташа 2 и 5 % не изготовляли ввиду быстрого за­густения смеси и невозможности проведения формо­вочных работ.

Действие добавок-электролитов необходимо рассматривать не в свете химических превращений (образования мифических двойных, тройных и тому подобных комплексных соединений), а с позиций внесения «заряженной частицы в кластер из моле­кул воды», резко изменяющей полимолекулярную структуру и свойства жидкой среды. Одни добавки способствуют формированию мощных структуриро­ванных водных систем, снижению подвижности и ре­акционной активности диполей (положительная ги­дратация ионов по О.Я. Самойлову), другие — раз­рушению водородных связей кластеров, повышению активности и реакционной способности воды (отрицательная гидратация). Представители первой раз­новидности добавок — поташ, хлориды натрия и ка­лия, второй — хлористый кальций.

При этом вызывает недоумение то обстоятель­ство, что отмеченные добавки, несмотря на прин­ципиально отличный механизм действия и достига­емый результат, отнесены к одной группе — «уско­ряющих схватывание бетонных смесей и твердение бетона» (ГОСТ 24211—91). Причина этого недо­разумения — некорректное использование требо­ваний ГОСТ 310.3—76. Если хлористый кальций — действительно безоговорочный и общепризнанный ускоритель, применявшийся еще на заре развития технологии тяжелых и легких бетонов, то уско­ряющие функции совершенно не свойственны по­ташу и хлоридам натрия, калия. Поташ, структури­руя воду, используется как противоморозный про­дукт, позволяющий проводить бетонные работы в условиях отрицательных температур. В то же вре­мя известно существенное ухудшение капилляр­но-пористой структуры и всех свойств (прочность, плотность, морозостойкость) бетонов с противоморозным компонентом, причем это ухудшение напря­мую зависит от количества введенной добавки. При­чина столь негативной ситуации очевидна — увод значительной части воды из электрохимического гидратационного процесса в ассоциированные ком­плексы, образование в структуре цементного кам­ня оводненных микрообъемов, соответственно, по­вышенной влажности и пористости затвердевшего композита. К данным недостаткам можно добавить не менее значимый — катастрофическое снижение надежности модифицированных противоморозной добавкой бетонов в условиях вибрационных (а так­же температурных, электромагнитных, силовых и др.) воздействий. Разрушение относительно сла­бых электростатических связей структурирован­ных диполей, активация жидкой среды приводят к гидратации остаточных активных центров клинкер­ных частиц, собственным напряжениям, микротрещинообразованию, ослаблению межзерновых свя­зей и неизбежной деструкции бетонов.

Эти свой­ства значительно менее ярко выражены у хлорида калия, в связи с чем деструкция вибрируемого це­ментного камня, в соответствующих образцах на­блюдается в гораздо более поздние сроки (при ми­нимальном содержании добавки разрушение отсут­ствовало вообще). Нельзя не видеть (этот момент особенно отчетливо просматривается в предпо­следнем составе), что при прочих равных условиях некоторое увеличение В/Ц и снижение содержания добавки приводит к заметному повышению стойкости микробетона (бетона) в условиях вибрационных воздействий.

Конечно же, противоморозные добавки достаточно эффективное (а в ряде случаев и сложно заменимое) средство зимнего бетонирования. Однако при этом следует учитывать рассматриваемый и вполне реализуемый деструктивный аспект, тем более при производстве несущих сборных и монолитных железобетонных конструкций.

Действие хлористого кальция (даже при массовой доле, не превышающей 1 %) аналогично твердению обычных цементных систем при температуре 40-45 °С — доведение стадийности гидратационного и структурообразующего процессов до (50±5) мин. Таким образом, добавка почти вдвое интенсифицирует твердение бетонов по сравнению с обычными температурными условиями. Более полная поверхностная гидратация цементных частиц при этом определяет повышенную эксплуатационную надежность бетонов, что подтверждается отсутствием разрушения образцов с данной добавкой при вибрационных воздействиях. В связи с этим нельзя не согласиться с появляющимся в последнее время мнением о необходимости пересмотра и уточнения многих традиционно устоявшихся и не отвечающих современным тенденциям развития строительного бетоноведения положений. Это, в частности, относится и к практическому использованию незаслуженно игнорируемого хлорида кальция как эффективного средства интенсификации производства, повышения качества и эксплуатационной надежности бетонной и железобетонной продукции.

Полученные результаты позволили дополнить ранее отмечавшиеся в работе теоретические позиции и практические рекомендации.

1.  Выявленная близкая продолжительность стойкости нагруженных вибрируемых образцов различных составов и прочностей — (75±10) мин — указывает на поверхностный, стадийный путь превращения безводных цементных минералов в ги-дратированные соединения, элементарный гидратационный акт которого включает формирование в межфазной зоне переходного энергетического комплекса с его развитием (аккумулированием собственной энергии), достижением критического уровня, распадом (появлением активных элементов) и взаимодействием реагентов.

2. Отмеченные комплексы легко обнаруживаются микроскопией в виде локально рассредоточенных на поверхности цементных зерен сферических водных образований, метастабильность которых определяется их пористой, шатровой конструкцией, содержащей под высокоассоциированными динамичными дипольными сводами огромное количество энергетически ненасыщенных активных центров твердой фазы. Развитие комплексов включает последовательное разрушение сетки водородных связей, локализацию диполей у адсорбционных центров, возбуждение, достижение системой критического уровня, быстротечный распад (разрыв Са-0-связей минералов, разрушение кластеров, появление активных групп ОН~, Н30), взаимодействие компонентов и образование аморфного гидросиликата.

3. Стадийное потребление цементными минералами воды затворения приводит к образованию в межзерновых пустотах вяжущей системы вакуума (движущей силы отвердевания), организующего клинкерные зерна, формирующего и упрочняющего посредством клеевых аморфных гидросиликатных продуктов микробетон (и бетон в целом). В неразрывном единстве со структурообразующими процессами протекают деструктивные явления, вызванные увеличением объема твердой фазы, возникновением внутренних напряжений, ослаблением межзерновых связей микробетона и сбросом прочности.

4. Гидратация безводных цементных минералов приводит к последовательному снижению диаметра шатровых энергетических комплексов. Появляющийся в соседних микрообъемах продукт выдавливается в поровое пространство с образованием лепестковых, чешуйчатых и тому подобных формирований. В начальные часы нормального твердения гидратообразование протекает стадийно (с интервалом (90±10) мин). По мере снижения количества активных диполей и поверхностной энергии цементных зерен индукционные интервалы закономерно увеличиваются (через сутки исчисляются часами, несколько месяцев — сутками, несколько лет — месяцами).

5.  Отличительная особенность затвердевшего цементного камня — наличие на гидратирован-ной поверхности зерен, локально рассредоточенных относительно равновесных энергетических зон «остаточные негидратированные активные центры — адсорбированные кластеры», легко обнаруживаемых электронной микроскопией в виде сферических пор, цилиндрических каналов и полостей в гидросиликатной массе. Не прекращающееся развитие этих зон приводит к гидратационным процессам на поздних этапах, в условиях сложившейся структуры микробетона, что сопровождается «пилообразным» набором прочности и ее сбросами на поздних этапах.

6. Деструкция микробетона в результате естественной поздней гидратации портландцемента не приводит, как правило, к массовому и повсеместному обрушению железобетона и аварийным ситуациям, что связано с отсутствием синхронности гидратационного процесса на цементных зернах ввиду неизбежного температурно-влажност-ного разброса по объему твердеющего бетона и, соответственно, формирования отмеченных зон с различным энергетическим потенциалом (хотя известны случаи разрушения железобетонных кон-струкций и сооружении при отсутствии агрессивного воздействия среды, без видимых на то причин).

7. Основная опасность заключается в синхронности гидратационного процесса на подавляющем большинстве клинкерных частиц, что может быть вызвано многими внешними воздействиями: температурными, электромагнитными, химическими, акустическими, силовыми, вибрационными. Эстафетное разрушение вибрацией водородных связей, активация адсорбционно-связанной в цементном камне воды приводит к указанной в п.1 последовательности развития остаточных не-гидратированных зон, химизму явления и деструкции системы.

8. Экспериментально установлено существование своеобразного реабилитационного периода восстановления структуры и прочностных свойств цементного бетона (железобетона), подвергшегося вибрации. Вновь образующийся гидратный продукт — не только источник структурных напряжений и деструкции, но и фактор «залечивания» структурных дефектов микробетона, восстановления исходных и даже приобретения более высоких прочностных параметров. Проще говоря, при определенной степени и характере нагружения бетон, подвергшийся вибрации, либо разрушится от внутренних напряжений, либо, наоборот, возвратит и даже приумножит свои прочностные позиции.

9. Наличие на поверхности затвердевших частиц вяжущего остаточных активных центров с адсорб-ционно-связанными кластерами придает цементному камню (бето.ну, железобетону) чрезвычайную чувствительность к внешним факторам, способность адаптации композита к меняющимся внешним эксплуатационным факторам.

10. Надежность и безопасность цементных бетонов прямо зависит от полноты и завершенности гидратационных преобразований, структурной стабильности микробетона. Поэтому рекомендуется:

  • исключать применение в технологии несущих бетонных и железобетонных конструкций противо-морозных добавок-электролитов ;
  • безопасность конкретной добавки может быть оценена представленной в настоящей работе методикой испытаний образцов-пластин;
  • оптимизировать количество воды затворения, что позволит достичь рационального соотношения таких аспектов, как степень поверхностной гидратации цемента, качество контактных участков микробетона, энергетический потенциал остаточных негидратированных зон;
  • активировать воду затворения (тепловой обработкой, электрофизическим воздействием, введением в бетонную смесь общеизвестного ускорителя твердения СаСl2 и т.д.), обеспечивающую интенсификацию и полноту гидратационных процессов;
  • проявлять осторожность при оперировании современными гиперпластификаторами, принимая во внимание их малое (мягко говоря) соответствие самоорганизующейся под действием развивающегося в межзерновых пустотах вакуума цементной композиции;
  • использовать совместимые с цементной системой минеральные модификаторы (глиняный шлам, гашеная известь, оптимальная гранулометрия дисперсных компонентов и др.) для повышения пластичности и жизнеспособности бетонной смеси;
  • подвергать конструкции перед эксплуатацией обработке активизирующим воздействиям (температурные, электромагнитные, ионизирующие, вибрационные и др.), что позволит адаптировать структуру бетона к возможным форс-мажорным ситуациям, повысить его надежность и долговечность;
  • предохранять структурно не адаптированные несущие железобетонные конструкции даже от кратковременного воздействия вибрации (и прочих упомянутых факторов) с любыми параметрами колебаний (при вероятности ситуации следует предусмотреть надежные виброизолирующие меры);
  • удалять связанную в микробетоне воду путем высушивания затвердевшего бетона до постоянной массы и пропитки (облицовки) влагозащитными составами и материалами для повышения эксплуатационной надежности конструкции.

воздействие вибрации