Свойства бетонов

Опытным путем установлено положительное влияние на свойства бетона избыточного давления, осуществляемого в барокамере или путем статического пригруза (обжатия) бетонной смеси, твердеющей при нормальной температуре. Специально выполненные исследования [429] показали, «что образцы, твердевшие в среде с избыточным давлением, имеют более высокую прочность, чем при атмосферном давлении. Так, прочность образцов из раствора при твердении под давлением 3 ат была в суточном возрасте в 2, 5 раза выше, чем тех же образцов в нормальных условиях. В 28-суточном возрасте увеличение прочности было несколько меньше, но и в этом возрасте прочность обжатых образцов была примерно в 1, 5 раза выше контрольных».

Избыточное давление весьма эффективно и в сочетании с тепловой обработкой бетона [1]. За счет обжатия бетонной смеси давлением окружающей среды можно увеличить скорость подъема температуры и температуру изотермической выдержки. Давление среды позволяет, таким образом, интенсифицировать твердение бетона, сократить продолжительность прогрева, уменьшить расход цемента, повысить свойства изделий.

Механизм положительного влияния избыточного давления на формирование структуры и свойств бетона вряд ли следует искать в получении более устойчивых, бездефектных модификаций кристаллогидратов, «повышении «степени гидратации цемента под давлением» [430] и т.п. Эти представления носят, скорее, декларативный характер и вряд ли отражают реальную сущность процесса.

Контракционная усадка цементного геля и избыточное давление среды – эти два фактора являются определяющими в повышении свойств затвердевшего цементного камня и бетона. На эту сторону вопроса обращала внимание Л.А.Малинина [1], отмечавшая, «что внешнее давление способствует уменьшению внутреннего напряженного состояния твердеющего бетона. Совпадая по направлению своего воздействия на бетон с направлением усилий, сопровождающих контракцию, оно способствует, очевидно, улучшению структуры твердеющего раствора и бетона». Именно, соответствие и согласование этих двух факторов (внешнего и внутреннего) и есть причина столь позитивного результата.

Стадийный характер электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой приводит к циклическому самоуплотнению цементных зерен под действием развивающегося в межзерновом пространстве вакуума. То есть «движущей силой» структурообразования цементного камня является вакуум, образующийся в цементной системе в результате периодического потребления порций молекул воды клинкерными минералами и контракции системы. При этом очевидно – чем выше разность давлений в межзерновых пустотах формирующегося микробетона и окружающей среде, тем интенсивнее протекает самоуплотнение частиц, улучшается качество их контактных зон, повышаются свойства микробетона и бетона в целом. Таким образом, одним из основных моментов положительного воздействия избыточного давления окружающей среды на физико-механические свойства бетона является создание благоприятных условий для самоуплотнения (стяжения) частиц вяжущего, формирования и упрочнения структуры цементного камня.

Отсюда вполне закономерен вопрос: каким образом будет протекать процесс гидратационного твердения портландцемента и структурообразования системы в условиях пониженного давления (вакуума)? Если «движущей силой» формирования и становления микробетона является вакуум, то можно предположить, что при пониженном давлении окружающей среды структура цементного камня может либо вообще не образовываться, либо иметь более низкие показатели по сравнению с твердением в обычных условиях.

Экспериментальных работ в части изучения характера твердения и свойств бетона, длительное время выдерживаемого в условиях вакуума, автором не обнаружено. Известны работы [6, 7, 431-433], касающиеся вакуумной обработки различных бетонных смесей с помощью специального оборудования (вакуум-щитов, вакуум-ковров и др.). Обработанные таким образом изделия имеют повышенную плотность, прочность, долговечность. В то же время отмеченные работы предусматривают использование вакуумной обработки бетонных смесей на формовочной стадии, что, конечно же, не может моделировать процесс длительного твердения цементной системы в среде пониженного давления.

В связи с этим были выполнены специальные опыты по уточнению продолжительного влияния вакуума среды на твердение и свойства цементного камня [434]. Опыты проведены на цементном тесте с В/Ц=0, 26 и 0, 3. Приготовленное стандартным методом цементное тесто укладывали в формы образцов-кубиков с ребром 2 см, тщательно уплотняли, поверхность образцов заглаживали и плотно закрывали металлической пластиной. Часть образцов твердела в естественных условиях, часть – была помещена под колпак вакуумной установки. С помощью компрессора из-под колпака откачивали воздух до предельно достижимого разряжения (около 0, 094 ат) и выдерживали формы с твердеющими образцами. Для компенсации неизбежного подсоса воздуха под колпак установки компрессор в течение всего периода испытаний работал непрерывно. Твердеющие образцы сообщались с окружающей средой через неплотности разъемов форм. После семи суток твердения образцов в условиях вакуума компрессор отключали и через сутки (к этому времени под колпаком восстанавливалось атмосферное давление) производилось раскрытие форм, визуальное обследование и испытание образцов. Часть образцов в дальнейшем выдерживалась в плотной полиэтиленовой упаковке (для предотвращения пересушивания) и испытывалась в двадцативосьмисуточном возрасте.

Внешний осмотр показал значительное отличие образцов, твердевших в атмосферной среде, от таковых, выдержанных в условиях вакуума. Во-первых, поверхность образцов, твердевших при обычном давлении, была ниже верхней плоскости форм, что свидетельствовало о явной усадке; это явление совершенно отсутствоваловало в образцах, твердевших в условиях вакуума. Во-вторых, образцы заметно отличались внешним видом: обычно твердевший цементный камень имел более темный цвет, по сравнению с камнем, твердевшем в вакууме, что косвенно указывало на существенное различие в их средней плотности. Наконец, все образцы имели четкие геометрические размеры; в то же время, в некоторых ребрах твердевших в вакууме образцов (в местах сообщения с окружающей средой) имелось по две-четыре трещины шириной до 0, 1 мм и длиной 2…3 мм, вследствие неизбежного разуплотнения пластичного состава при снижении давления окружающей среды. Размеры образцов определяли штангенциркулем, массу – с помощью рычажных лабораторных весов, объемную усадку и среднюю плотность рассчитывали обычными методами. Прочность при сжатии определяли с помощью пресса ПСУ-10. Результаты испытаний представлены в табл.5.6. Как видно из результатов испытаний, цементный камень, твердевший в атмосферных условиях, характеризуется значительной усадкой, более высокими плотностью и прочностью, по сравнению с аналогичными показателями камня, твердевшего в вакуумной среде. Разумеется, что определенную деструктивную роль сыграл вышеуказанный «разуплотняющий фактор» – в процессе снижения давления среды из массы цементного теста выдавливался защемленный воздух, нарушая сплошность материала, ухудшая его конечные свойства. В то же время столь значительное снижение плотности и прочности (соответственно, 9…12 и 30…50%), вряд ли, связано только лишь с этим негативным явлением.

Таблица 5.6

Физико-механические свойства цементного камня, твердевшего

в естественной среде и в условиях вакуума

Стадийный характер электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой приводит к появлению и развитию в межзерновых пустотах формирующегося микробетона вакуума, который не в состоянии в полной мере проявить свои «структурообразующие возможности» в условиях пониженного давления окружающей среды. То есть немаловажным (а, скорее, определяющим) фактором в данном случае является отсутствие необходимых условий для качественного стяжения, усадки цементной системы, становления микробетона с необходимыми структурой и свойствами.

Полученные данные имеют определенное практическое значение. Так, например, без предварительных исследований сложно дать однозначный ответ на вопрос о целесообразности производства бетонных работ в высокогорных районах с пониженным атмосферным давлением. Может быть, в данном случае экономически более выгодно доставлять в эти районы уже готовые бетонные и железобетонные конструкции, изготовленные в условиях нормального атмосферного давления.