Концепции бетоноведения и технологии бетона
По материалам Международной научной конференции "Технология строительства и реконструкции: проблемы и решения" — TCR-2004, состоявшейся 25-26 октября 2004 г. в Минске в БНТУ.
Состояние проблемы
На стыке XX и XXI вв. технология бетона — основного конструкционного материала современности, история которого насчитывает более 5,5 тыс. лет, — претерпевает революционные преобразования. Сегодня во многих странах стали обыденными бетоны, называвшиеся недавно бетонами нового поколения /1-3/. Высокопластичные бетонные смеси с низким водоцементным отношением (до 0,3 В/Ц), с длительно (до 2 ч. и более) сохраняемой удобоукладываемостью, практически без вовлеченного воздуха и со свойствами самоуплотнения позволили получать особоплотные с прочностью до 200 МПа бетоны с высокими показателями долговечности, морозостойкости и сопротивляемости химической агрессии. Прогресс в повышении свойств бетона на стыке веков (рис. 1) оказался пропорционален росту объемов производства бетонов в мире /4/. Естественно, получению подобных результатов предшествовали исследования и установление новых закономерностей бетоноведения в рамках концептуально-познавательной системы "состав — структура — процесс — свойства" (ССПС). При этом масштабно востребованы методы и средства компьютерного материаловедения, мониторинга и информационных технологий в целях функционирования систем обеспечения качества бетона. Наметившийся подъем в строительной сфере и рыночные условия способствуют объективному отбору жизнеспособных научно обоснованных технологических решений, а также освоению мирового позитивного опыта в бетоноведении и технологии бетона, строительных растворов и сухих смесей. К числу первоочередных задач в этом плане относится создание современной учебно-методической литературы, коренное совершенствование образовательной сферы на стадии формирования технологического мышления студентов всех без исключения строительных специальностей.
Рис. 1. Развитие технологии бетона
О технологическом мышлении в бетоноведении
Мышление как философская категория представляет собой активный процесс отражения объективного мира в принципах, понятиях, гипотезах, теориях, направленных на решение проблем и задач на основе обобщения и способов опосредствованного познания действительности. Применительно к бетоноведению мышление носит технологический характер. Его цель — получение бетонов с заданными свойствами путем познания сущности и закономерностей процессов, свойственных технологии бетона. Ретроспективный анализ развития и состояния бетоноведения за последние полвека доказывает неотвратимость достижения положительных итогов в случае следования принципам объективности познания и, естественно, отрицательных — при отступлении от них. Ранее /5/, анализируя общие методологические представления о химической технологии бетона как науке, мы обосновали целесообразность принципа соответствия уровней фундаментальных знаний и решаемых технологических задач.
Длительное время в СССР и странах СНГ предпринимались безуспешные и бесплодные попытки переноса фундаментальных знаний из химической кинетики, квантовой химии, синергетики и т.п. на объекты бетоноведения. Сущность технологического мышления раскрывается в рамках концептуально-познавательной системы ССПС на основе фундаментальных знаний. Убедительным примером и достижением следования принципам технологического мышления представляется создание бетонов новых поколений с учетом закономерностей коллоидной химии и других дисциплин. И, напротив, уход от таких принципов, механистическое и необоснованное заимствование понятий, терминов и положений фундаментальных наук или перенос явлений микромира на макрообъекты технологии бетона, что очевидно, засорило и резко снизило уровень отечественного бетоноведения.
Объекты бетоноведения
Во второй половине XX в. бетоноведение и технология бетона в СССР были ориентированы на заводское производство железобетонных изделий. Теперь в полном соответствии с мировыми тенденциями в странах СНГ приоритеты изменились и стали следующими:
— товарный бетон для монолитных сооружений;
— ремонт и защита бетона;
— железобетонные изделия, в т.ч. мелкоштучные бетонные элементы;
— специальные бетоны, изделия и конструкции.
Наметившаяся и уже осуществляемая переориентация сопряжена с постановкой и решением технологических задач на существующей ослабленной теоретической и экспериментальной базе действующих НИИ и вузов. Можно добавить к этому необходимость и сложность быстрого освоения норм европейского уровня.
Ресурсы бетоноведения
Реализовать столь сложные задачи невозможно без использования ресурсов бетоноведения /6/. По функциональному признаку эти ресурсы можно разделить на материаловедческий, методологический и информационный. Материаловедческий ресурс реализуется, и весьма успешно, на основе законов физической и коллоидной химии применительно к дисперсным системам при использовании аппарата, способов и процедур кинетики гетерогенных реакций, химии поверхностных явлений на границах раздела фаз и др. Появление и успешная реализация бетонов новых поколений подтверждает всеобщность принципа единства новых знаний и технологических действий. Термин "бетон" теперь трудно уложить в традиционную трактовку пятикомпонентного искусственного каменного материала из корректно подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси. Бетон, скорее, следует рассматривать как эволюционирующую композиционную систему с определяющей ролью химических и минеральных дисперсных добавок. Методологический ресурс в бетоноведении реализуется наиболее обоснованно и объективно на феноменологическом уровне, учитывающем не преодоленную до сего времени сложность разделения процессов твердения на элементарные акты (адсорбция, растворение, химическая реакция, кристаллизация и т.п.). Поэтому выбор исследовательских методов и средств обусловливается целесообразностью получения и применения данных в результате измерений, испытаний и знаний в рамках системы ССПС. Каждая из частей этой системы является многоуровневым объектом исследования для обеспечения знаний в виде нормативно-технологических и справочных данных, моделей, правил и закономерностей.
Калориметрия в бетоноведении
Любому методу из исследовательского арсенала бетоноведения присуща определенная информационная емкость. К числу наиболее высокоинформационных методов относится калориметрический анализ /7/. Возможности калориметрии в бетоноведении и технологии бетона отражены в таблице. Самым "старым" методом в термохимии и термодинамике силикатов является калориметрия растворения. Результаты экспериментальных определений позволяют получить или рассчитать термодинамические характеристики реакций гидратации — энтальпию DН, энтропию S и кажущуюся энергию активации Е, определить теплоты гидратации цементов. Дифференциальная изотермическая микрокалориметрия и развиваемый на ее основе более 30 лет термокинетический анализ (ТКА) наиболее результативны.
Термокинетические зависимости скорости dQ/dt = f(t) и полноты Q = f(t) тепловыделения позволяют количественно оценивать реакционную способность цементов, выделять характерные периоды (индукционный, ускоренный, замедленный) и моделировать кинетику ранней гидратации в изотермических и, что важно, в неизотермических условиях. Особую значимость имеет термокинетическая информация для обоснования составов и режимов твердения бетонов с учетом влияния технологических факторов. Роль и эффективность химических и минеральных добавок существенно возросла, усложнились механизмы их действия. Термокинетика на феноменологическом уровне позволяет регулировать ранние стадии твердения для достижения заданных свойств бетонных смесей и бетонов. ТКА определяет вклад экзотермии в энергетический баланс твердения бетона, термонапряженное состояние изделий и конструкций. Тепловыделение, как известно, стремятся увеличивать в технологии железобетонных изделий и снижать в массивном, монолитном бетоне применением соответствующих цементов, химических добавок и т.п. Прецизионная дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) является основой метода термопорометрии (ТПМ) /6/. Определение теплоты фазовых переходов поровой жидкости при замораживании цементного камня обеспечивает информацию о его структуре в интервале микропористости, опасности льдообразования и др.
В основу ТПМ положены:
— многоуровневая схема структуры цементного камня, формирующаяся в результате взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз. Приняты количественные классификационные признаки: для твердой фазы — уровни структуры от надмолекулярного до микроскопического и дисперсность в нм, для порового пространства — механизм образования и геометрические размеры пор в нм, а в случае жидкой фазы — ее состояние и энергия связи;
— метод ДСК для определения температур и теплоты фазовых переходов при замораживании (до -60°С) или оттаивании образцов цементного камня, т.е. кристаллизации или плавлении поровой жидкости в зависимости от радиуса и формы пор. Для всех приведенных в таблице случаев калориметрическая информация соответствует принципам бетоноведения.
Функциональность и совместимость химических и минеральных добавок с цементами
Мы отмечали тот факт, что химические и минеральные добавки в последнее десятилетие стали основным средством регулирования составов, структуры и технологических процессов получения бетонов с заданными свойствами /7/. В европейских нормах ЕN 934-2 добавки классифицируются по основному технологическому эффекту. Технологическая эффективность добавок, как и других компонентов бетона, предопределяется их функциональностью.
Функциональность. Понятия "функция" и "функциональность" относят, в основном, к назначению добавок. В широком технологическом смысле оба они обозначают, помимо назначения, еще свойства или явления, зависящие от других свойств и явлений, протекающих в бетоне и изменяющихся во времени по мере взаимодействия компонентов. Функциональность добавок зависит от их природы, состава и механизма действия. Это вполне понятное и логичное положение четко прослеживается на примере функциональности суперпластификаторов. Адсорбционные, электростатические и стерические механизмы действия этих добавок обусловливают водоредуцирующий и тормозящий начальную гидратацию эффекты, их величину и длительность. В значительной степени нивелируется высокая водопотребность цемента и дисперсных минеральных добавок, что, в свою очередь, позволяет улучшать свойства бетонных смесей и бетонов. Функциональность суперпластификаторов в комплексе с высокодисперсными компонентами обеспечивает регулирование свойств бетонных смесей и бетонов при одноразовом или поэтапном (запоздалом) введении, а также получении вяжущих и бетонов низкой водопотребности с заменой значительной части клинкерной составляющей высокодисперсными реакционноспособными или инертными компонентами. Очевидно, что функциональность не ограничивается прямым назначением пластифицирующих добавок на основе ПАВ. Высокая функциональность суперпластификаторов отвела им роль своеобразного центра формирования многокомпонентных составов, комплексных добавок, обеспечивающих практически любые потребности технологии бетона. В качестве примера приведен один из возможных вариантов диаграммы формирования комплексных добавок (рис. 2). Весьма важен учет химических и коллоидно-химических явлений аддитивности (сложения), синергизма (усиления) или антагонизма при взаимодействии добавок различной природы. Условия, при которых наблюдаются эти явления, сложно определить, а тем более — количественно оценить, как и совместимость добавок (особенно новых поколений) с цементами.
Рис. 2. Диаграмма формирования комплексных добавок
Совместимость добавок с цементами. Совместимость — понятие емкое, широко используемое в самых разнообразных областях науки и техники. Применительно к бетону совместимость можно рассматривать как способность добавок обеспечивать требуемые технологические эффекты с поддержанием их на заданном уровне определенное время с учетом действия различных факторов: например, температуры, концентрации и т.п. Совместимость добавок с цементами — самостоятельная проблема бетоноведения, обострившаяся в связи с ростом их функциональности. Совместимость добавок с традиционными цементами в связи с обеспечением эффективности изучается в зависимости от содержания в них С3А, гипса, свободных щелочей, а также от вида, строения цепей, молекулярной массы суперпластификаторов. Основное внимание при этом уделяется сохранности во времени технологических (реологических) свойств бетонной смеси (рис. 3). По этому признаку суперпластификаторы эмпирически делят на совместимые и несовместимые. Феноменологически установлена взаимосвязь показателей времени и интенсивности проявления технологических эффектов с показателями тепловыделения. Именно в самом начале взаимодействия цементов с добавками обеспечиваются ожидаемые технологические эффекты.
Рис. 3. Реологическая совместимость добавок с цементами: 1 — идеальная, 2 — нормальная, 3 — несовместимость
Термокинетические зависимости скорости и полноты тепловыделения от времени (dQ/dt = f(t) и Q = f(t) соответственно) интегрально отражают селективность механизмов действия добавок на элементарные акты гидратации (адсорбцию, химические реакции, зародышеобразование, кристаллизацию и т.п.). Изменения термокинетических показателей количественно характеризуют влияние добавок на скорость и полноту, длительность основных периодов гидратации цементов, а, следовательно, сроки схватывания, жизнеспособность бетонных смесей, темп замедления или роста прочности бетона. Любые добавки независимо от природы и назначения действуют по трем основным кинетическим схемам: ускорение, замедление или нейтральное влияние (рис. 4). Возможны комбинированные варианты типа "замедление с последующим ускорением", "ускорение с последующим замедлением" и т.п. Нами разработана методика компьютерной оценки совместимости добавок и процедура определения кинетических параметров гидратации, критериев эффективности и индекса совместимости.
Рис. 4. Основные (а) и комбинированные (б) кинетические схемы влияния добавок: 1 — контрольный образец, 2 — замедление, 3 — ускорение, 4 — замедление с ускорением, 5 — ускорение с замедлением
Мониторинг и информационная технология бетона
Мониторинг — это система наблюдений, оценки и прогноза состояния бетона в изделиях и конструкциях на всех этапах от проектирования состава до эксплуатации с учетом влияния технологических и климатических факторов. Особое значение мониторинг приобретает в связи с переходом на использование товарных смесей при круглогодичном возведении зданий и сооружений из монолитного бетона. Определение прочности монолитного бетона путем испытания контрольных образцов или неразрушающим способом весьма приблизительно и не способствует экономичному корректированию составов и режимов твердения в летних и — особенно — зимних условиях.
Функция "зрелости" представляет собой математическое выражение обоюдного влияния температуры времени на развитие прочности бетона. Мониторинг твердеющего бетона сводится преимущественно к температурному контролю и нахождению эмпирических зависимостей "температура бетона — прочность бетона".
В стандартах США используется эмпирический подход к вычислению показателя начальной прочности — "зрелости" (maburity) бетона с прогнозом этого свойства в позднем возрасте. Еще в 1950-60-е гг. в СССР довольно широко развивалась теория градусо-часов, эквивалентных в определенных случаях для конкретных составов бетона. И в стандартах США температурно-временной фактор рассматривается в качестве индикатора зрелости, вычисляемой по так называемой температурной истории бетона. В этой процедуре предлагается линейная зависимость скорости твердения (гидратации) от температуры. Несмотря на то, что упомянутый метод мониторинга не несет в себе строгой физико-химической основы для каждого вида цемента и бетона, не часто меняющихся на одной стройплощадке, можно построить обобщенные зависимости от температуры для принятия технологических решений, например, длительности прогрева и выдерживания конструкции в опалубке. Современная измерительная и компьютерная техника позволяет осуществлять мониторинг дистанционно в Интернете.
Особое значение мониторинг приобретает при использовании высокоэффективных суперпластификаторов и регуляторов схватывания и твердения, когда темпы нарастания прочности трудно поддаются количественному регулированию по причинам различий в длительности транспорта и укладки бетонной смеси, а также для обоснования выбора метода и средств ухода за твердеющим бетоном для обеспечения заданных свойств. Мониторинг — одна из составных частей информационной технологии бетона "Термобет", попытки разработать которую предпринимались нами на протяжении многих лет /7/.
Заключение
Современная технология бетона развивается с учетом корректности методологических основ бетоноведения, а также освоения высокоинформационных методов и средств исследования, мониторинга, информационных технологий.
Литература
1. Aitcin P.-C. Cements of yesterday and today. Concrete of tomorrow. Cem. and Concr. Res., 2000, 30, pp. 1349-1359.
2. Walraven J.C. Concrete a new century. Proc. of the 1st FIB Congr., Tokyo, 2002. — pp.11-22.
3. Bentur A. Cement materials — nine millennia and a new century: past, present and future. Journ. of materials in civil eng., 2002, №1, pp. 2-22.
4. Czarnezki L. Domieszki do betony. Mozliwosci i ograniczenia. Budownictwo, technologia, architektura, 2003, №3, рp. 4-6.
5. Кузнецов В.И., Зайцева З.А. Химия и химическая технология. Эволюция взаимосвязей. — М.: Наука, 1984. — 295 с.
6. Ушеров-Маршак А.В. Ресурсы бетоноведения. Фундаментальные и прикладные аспекты // Бетон и железобетон, 2004, №3.
7. Ушеров-Маршак А.В. Калориметрия цемента и бетона. — Харьков: Факт, 2002. — 183 с.
Александр УШЕРОВ-МАРШАК, заслуженный деятель науки и техники Украины, лауреат государственной премии Украины, доктор техн. наук, профессор Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры
Состояние проблемы
На стыке XX и XXI вв. технология бетона — основного конструкционного материала современности, история которого насчитывает более 5,5 тыс. лет, — претерпевает революционные преобразования. Сегодня во многих странах стали обыденными бетоны, называвшиеся недавно бетонами нового поколения /1-3/. Высокопластичные бетонные смеси с низким водоцементным отношением (до 0,3 В/Ц), с длительно (до 2 ч. и более) сохраняемой удобоукладываемостью, практически без вовлеченного воздуха и со свойствами самоуплотнения позволили получать особоплотные с прочностью до 200 МПа бетоны с высокими показателями долговечности, морозостойкости и сопротивляемости химической агрессии. Прогресс в повышении свойств бетона на стыке веков (рис. 1) оказался пропорционален росту объемов производства бетонов в мире /4/. Естественно, получению подобных результатов предшествовали исследования и установление новых закономерностей бетоноведения в рамках концептуально-познавательной системы "состав — структура — процесс — свойства" (ССПС). При этом масштабно востребованы методы и средства компьютерного материаловедения, мониторинга и информационных технологий в целях функционирования систем обеспечения качества бетона. Наметившийся подъем в строительной сфере и рыночные условия способствуют объективному отбору жизнеспособных научно обоснованных технологических решений, а также освоению мирового позитивного опыта в бетоноведении и технологии бетона, строительных растворов и сухих смесей. К числу первоочередных задач в этом плане относится создание современной учебно-методической литературы, коренное совершенствование образовательной сферы на стадии формирования технологического мышления студентов всех без исключения строительных специальностей.
Рис. 1. Развитие технологии бетона
О технологическом мышлении в бетоноведении
Мышление как философская категория представляет собой активный процесс отражения объективного мира в принципах, понятиях, гипотезах, теориях, направленных на решение проблем и задач на основе обобщения и способов опосредствованного познания действительности. Применительно к бетоноведению мышление носит технологический характер. Его цель — получение бетонов с заданными свойствами путем познания сущности и закономерностей процессов, свойственных технологии бетона. Ретроспективный анализ развития и состояния бетоноведения за последние полвека доказывает неотвратимость достижения положительных итогов в случае следования принципам объективности познания и, естественно, отрицательных — при отступлении от них. Ранее /5/, анализируя общие методологические представления о химической технологии бетона как науке, мы обосновали целесообразность принципа соответствия уровней фундаментальных знаний и решаемых технологических задач.
Длительное время в СССР и странах СНГ предпринимались безуспешные и бесплодные попытки переноса фундаментальных знаний из химической кинетики, квантовой химии, синергетики и т.п. на объекты бетоноведения. Сущность технологического мышления раскрывается в рамках концептуально-познавательной системы ССПС на основе фундаментальных знаний. Убедительным примером и достижением следования принципам технологического мышления представляется создание бетонов новых поколений с учетом закономерностей коллоидной химии и других дисциплин. И, напротив, уход от таких принципов, механистическое и необоснованное заимствование понятий, терминов и положений фундаментальных наук или перенос явлений микромира на макрообъекты технологии бетона, что очевидно, засорило и резко снизило уровень отечественного бетоноведения.
Объекты бетоноведения
Во второй половине XX в. бетоноведение и технология бетона в СССР были ориентированы на заводское производство железобетонных изделий. Теперь в полном соответствии с мировыми тенденциями в странах СНГ приоритеты изменились и стали следующими:
— товарный бетон для монолитных сооружений;
— ремонт и защита бетона;
— железобетонные изделия, в т.ч. мелкоштучные бетонные элементы;
— специальные бетоны, изделия и конструкции.
Наметившаяся и уже осуществляемая переориентация сопряжена с постановкой и решением технологических задач на существующей ослабленной теоретической и экспериментальной базе действующих НИИ и вузов. Можно добавить к этому необходимость и сложность быстрого освоения норм европейского уровня.
Ресурсы бетоноведения
Реализовать столь сложные задачи невозможно без использования ресурсов бетоноведения /6/. По функциональному признаку эти ресурсы можно разделить на материаловедческий, методологический и информационный. Материаловедческий ресурс реализуется, и весьма успешно, на основе законов физической и коллоидной химии применительно к дисперсным системам при использовании аппарата, способов и процедур кинетики гетерогенных реакций, химии поверхностных явлений на границах раздела фаз и др. Появление и успешная реализация бетонов новых поколений подтверждает всеобщность принципа единства новых знаний и технологических действий. Термин "бетон" теперь трудно уложить в традиционную трактовку пятикомпонентного искусственного каменного материала из корректно подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси. Бетон, скорее, следует рассматривать как эволюционирующую композиционную систему с определяющей ролью химических и минеральных дисперсных добавок. Методологический ресурс в бетоноведении реализуется наиболее обоснованно и объективно на феноменологическом уровне, учитывающем не преодоленную до сего времени сложность разделения процессов твердения на элементарные акты (адсорбция, растворение, химическая реакция, кристаллизация и т.п.). Поэтому выбор исследовательских методов и средств обусловливается целесообразностью получения и применения данных в результате измерений, испытаний и знаний в рамках системы ССПС. Каждая из частей этой системы является многоуровневым объектом исследования для обеспечения знаний в виде нормативно-технологических и справочных данных, моделей, правил и закономерностей.
Калориметрия в бетоноведении
Любому методу из исследовательского арсенала бетоноведения присуща определенная информационная емкость. К числу наиболее высокоинформационных методов относится калориметрический анализ /7/. Возможности калориметрии в бетоноведении и технологии бетона отражены в таблице. Самым "старым" методом в термохимии и термодинамике силикатов является калориметрия растворения. Результаты экспериментальных определений позволяют получить или рассчитать термодинамические характеристики реакций гидратации — энтальпию DН, энтропию S и кажущуюся энергию активации Е, определить теплоты гидратации цементов. Дифференциальная изотермическая микрокалориметрия и развиваемый на ее основе более 30 лет термокинетический анализ (ТКА) наиболее результативны.
Термокинетические зависимости скорости dQ/dt = f(t) и полноты Q = f(t) тепловыделения позволяют количественно оценивать реакционную способность цементов, выделять характерные периоды (индукционный, ускоренный, замедленный) и моделировать кинетику ранней гидратации в изотермических и, что важно, в неизотермических условиях. Особую значимость имеет термокинетическая информация для обоснования составов и режимов твердения бетонов с учетом влияния технологических факторов. Роль и эффективность химических и минеральных добавок существенно возросла, усложнились механизмы их действия. Термокинетика на феноменологическом уровне позволяет регулировать ранние стадии твердения для достижения заданных свойств бетонных смесей и бетонов. ТКА определяет вклад экзотермии в энергетический баланс твердения бетона, термонапряженное состояние изделий и конструкций. Тепловыделение, как известно, стремятся увеличивать в технологии железобетонных изделий и снижать в массивном, монолитном бетоне применением соответствующих цементов, химических добавок и т.п. Прецизионная дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) является основой метода термопорометрии (ТПМ) /6/. Определение теплоты фазовых переходов поровой жидкости при замораживании цементного камня обеспечивает информацию о его структуре в интервале микропористости, опасности льдообразования и др.
В основу ТПМ положены:
— многоуровневая схема структуры цементного камня, формирующаяся в результате взаимодействия твердой, жидкой и газообразной фаз. Приняты количественные классификационные признаки: для твердой фазы — уровни структуры от надмолекулярного до микроскопического и дисперсность в нм, для порового пространства — механизм образования и геометрические размеры пор в нм, а в случае жидкой фазы — ее состояние и энергия связи;
— метод ДСК для определения температур и теплоты фазовых переходов при замораживании (до -60°С) или оттаивании образцов цементного камня, т.е. кристаллизации или плавлении поровой жидкости в зависимости от радиуса и формы пор. Для всех приведенных в таблице случаев калориметрическая информация соответствует принципам бетоноведения.
Функциональность и совместимость химических и минеральных добавок с цементами
Мы отмечали тот факт, что химические и минеральные добавки в последнее десятилетие стали основным средством регулирования составов, структуры и технологических процессов получения бетонов с заданными свойствами /7/. В европейских нормах ЕN 934-2 добавки классифицируются по основному технологическому эффекту. Технологическая эффективность добавок, как и других компонентов бетона, предопределяется их функциональностью.
Функциональность. Понятия "функция" и "функциональность" относят, в основном, к назначению добавок. В широком технологическом смысле оба они обозначают, помимо назначения, еще свойства или явления, зависящие от других свойств и явлений, протекающих в бетоне и изменяющихся во времени по мере взаимодействия компонентов. Функциональность добавок зависит от их природы, состава и механизма действия. Это вполне понятное и логичное положение четко прослеживается на примере функциональности суперпластификаторов. Адсорбционные, электростатические и стерические механизмы действия этих добавок обусловливают водоредуцирующий и тормозящий начальную гидратацию эффекты, их величину и длительность. В значительной степени нивелируется высокая водопотребность цемента и дисперсных минеральных добавок, что, в свою очередь, позволяет улучшать свойства бетонных смесей и бетонов. Функциональность суперпластификаторов в комплексе с высокодисперсными компонентами обеспечивает регулирование свойств бетонных смесей и бетонов при одноразовом или поэтапном (запоздалом) введении, а также получении вяжущих и бетонов низкой водопотребности с заменой значительной части клинкерной составляющей высокодисперсными реакционноспособными или инертными компонентами. Очевидно, что функциональность не ограничивается прямым назначением пластифицирующих добавок на основе ПАВ. Высокая функциональность суперпластификаторов отвела им роль своеобразного центра формирования многокомпонентных составов, комплексных добавок, обеспечивающих практически любые потребности технологии бетона. В качестве примера приведен один из возможных вариантов диаграммы формирования комплексных добавок (рис. 2). Весьма важен учет химических и коллоидно-химических явлений аддитивности (сложения), синергизма (усиления) или антагонизма при взаимодействии добавок различной природы. Условия, при которых наблюдаются эти явления, сложно определить, а тем более — количественно оценить, как и совместимость добавок (особенно новых поколений) с цементами.
Рис. 2. Диаграмма формирования комплексных добавок
Совместимость добавок с цементами. Совместимость — понятие емкое, широко используемое в самых разнообразных областях науки и техники. Применительно к бетону совместимость можно рассматривать как способность добавок обеспечивать требуемые технологические эффекты с поддержанием их на заданном уровне определенное время с учетом действия различных факторов: например, температуры, концентрации и т.п. Совместимость добавок с цементами — самостоятельная проблема бетоноведения, обострившаяся в связи с ростом их функциональности. Совместимость добавок с традиционными цементами в связи с обеспечением эффективности изучается в зависимости от содержания в них С3А, гипса, свободных щелочей, а также от вида, строения цепей, молекулярной массы суперпластификаторов. Основное внимание при этом уделяется сохранности во времени технологических (реологических) свойств бетонной смеси (рис. 3). По этому признаку суперпластификаторы эмпирически делят на совместимые и несовместимые. Феноменологически установлена взаимосвязь показателей времени и интенсивности проявления технологических эффектов с показателями тепловыделения. Именно в самом начале взаимодействия цементов с добавками обеспечиваются ожидаемые технологические эффекты.
Рис. 3. Реологическая совместимость добавок с цементами: 1 — идеальная, 2 — нормальная, 3 — несовместимость
Термокинетические зависимости скорости и полноты тепловыделения от времени (dQ/dt = f(t) и Q = f(t) соответственно) интегрально отражают селективность механизмов действия добавок на элементарные акты гидратации (адсорбцию, химические реакции, зародышеобразование, кристаллизацию и т.п.). Изменения термокинетических показателей количественно характеризуют влияние добавок на скорость и полноту, длительность основных периодов гидратации цементов, а, следовательно, сроки схватывания, жизнеспособность бетонных смесей, темп замедления или роста прочности бетона. Любые добавки независимо от природы и назначения действуют по трем основным кинетическим схемам: ускорение, замедление или нейтральное влияние (рис. 4). Возможны комбинированные варианты типа "замедление с последующим ускорением", "ускорение с последующим замедлением" и т.п. Нами разработана методика компьютерной оценки совместимости добавок и процедура определения кинетических параметров гидратации, критериев эффективности и индекса совместимости.
Рис. 4. Основные (а) и комбинированные (б) кинетические схемы влияния добавок: 1 — контрольный образец, 2 — замедление, 3 — ускорение, 4 — замедление с ускорением, 5 — ускорение с замедлением
Мониторинг и информационная технология бетона
Мониторинг — это система наблюдений, оценки и прогноза состояния бетона в изделиях и конструкциях на всех этапах от проектирования состава до эксплуатации с учетом влияния технологических и климатических факторов. Особое значение мониторинг приобретает в связи с переходом на использование товарных смесей при круглогодичном возведении зданий и сооружений из монолитного бетона. Определение прочности монолитного бетона путем испытания контрольных образцов или неразрушающим способом весьма приблизительно и не способствует экономичному корректированию составов и режимов твердения в летних и — особенно — зимних условиях.
Функция "зрелости" представляет собой математическое выражение обоюдного влияния температуры времени на развитие прочности бетона. Мониторинг твердеющего бетона сводится преимущественно к температурному контролю и нахождению эмпирических зависимостей "температура бетона — прочность бетона".
В стандартах США используется эмпирический подход к вычислению показателя начальной прочности — "зрелости" (maburity) бетона с прогнозом этого свойства в позднем возрасте. Еще в 1950-60-е гг. в СССР довольно широко развивалась теория градусо-часов, эквивалентных в определенных случаях для конкретных составов бетона. И в стандартах США температурно-временной фактор рассматривается в качестве индикатора зрелости, вычисляемой по так называемой температурной истории бетона. В этой процедуре предлагается линейная зависимость скорости твердения (гидратации) от температуры. Несмотря на то, что упомянутый метод мониторинга не несет в себе строгой физико-химической основы для каждого вида цемента и бетона, не часто меняющихся на одной стройплощадке, можно построить обобщенные зависимости от температуры для принятия технологических решений, например, длительности прогрева и выдерживания конструкции в опалубке. Современная измерительная и компьютерная техника позволяет осуществлять мониторинг дистанционно в Интернете.
Особое значение мониторинг приобретает при использовании высокоэффективных суперпластификаторов и регуляторов схватывания и твердения, когда темпы нарастания прочности трудно поддаются количественному регулированию по причинам различий в длительности транспорта и укладки бетонной смеси, а также для обоснования выбора метода и средств ухода за твердеющим бетоном для обеспечения заданных свойств. Мониторинг — одна из составных частей информационной технологии бетона "Термобет", попытки разработать которую предпринимались нами на протяжении многих лет /7/.
Заключение
Современная технология бетона развивается с учетом корректности методологических основ бетоноведения, а также освоения высокоинформационных методов и средств исследования, мониторинга, информационных технологий.
Литература
1. Aitcin P.-C. Cements of yesterday and today. Concrete of tomorrow. Cem. and Concr. Res., 2000, 30, pp. 1349-1359.
2. Walraven J.C. Concrete a new century. Proc. of the 1st FIB Congr., Tokyo, 2002. — pp.11-22.
3. Bentur A. Cement materials — nine millennia and a new century: past, present and future. Journ. of materials in civil eng., 2002, №1, pp. 2-22.
4. Czarnezki L. Domieszki do betony. Mozliwosci i ograniczenia. Budownictwo, technologia, architektura, 2003, №3, рp. 4-6.
5. Кузнецов В.И., Зайцева З.А. Химия и химическая технология. Эволюция взаимосвязей. — М.: Наука, 1984. — 295 с.
6. Ушеров-Маршак А.В. Ресурсы бетоноведения. Фундаментальные и прикладные аспекты // Бетон и железобетон, 2004, №3.
7. Ушеров-Маршак А.В. Калориметрия цемента и бетона. — Харьков: Факт, 2002. — 183 с.
Александр УШЕРОВ-МАРШАК, заслуженный деятель науки и техники Украины, лауреат государственной премии Украины, доктор техн. наук, профессор Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 01 за 2005 год в рубрике бетон
