Теоретические основы направленной технологии цементных бетонов


Г. Н. Пшеничный








            ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАПРАВЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ


Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 666.941+666.972
ББК 38.626.1
     П93



Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, член-корреспондент РИА, заслуженный деятель науки РФ Т. В. Кузнецова; доктор технических наук, профессор, директор ТОО «ЦеЛСИМ» г. Алматы 3. А. Естемесов





    Пшеничный, Г. Н.

П93       Теоретические основы направленной технологии цементных бето-
     нов : монография / Г. Н. Пшеничный. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 356 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0798-4

     Представлена история изобретения, производства и применения портландцемента. Даны физико-химические основы его гидратационного твердения, формирования структуры и свойств цементных бетонов. Показана определяющая роль в гидратационном процессе поверхностных явлений, приводящих к стадийному формированию, развитию и распаду активированного комплекса. Уточнены отдельные аспекты морфологии микробетона, наличие на гидратированной поверхности цементных зерен остаточных поверхностно-активных зон. Сформулированы и проверены в производственных условиях элементы активированного твердения бетонов с повышенной эксплуатационной надежностью.
     Для студентов, аспирантов и специалистов, связанных с проектированием, производством и эксплуатацией бетонных и железобетонных конструкций, зданий и сооружений.
                                                 УДК 666.941+666.972
                                                 ББК 38.626.1






ISBN 978-5-9729-0798-4

    © Пшеничный Г. Н., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        Оглавление


Введение.......................................................6
Нормативные ссылки.............................................9
1. Состояние вопроса в области теории и практики цементных бетонов.......................................................10
   1.1. История создания портландцемента......................10
   1.2. Истоки развития бетоноведения.........................17
   1.3. Современное состояние бетоноведения...................21
   1.3.1. Отечественная трехстадийная схема твердения цемента.21
   1.3.2. Западная модель твердения портландцемента...........22
   1.4. Хронические проблемы бетоноведения....................26
   1.5. Электрохимический аспект гидратации портландцемента...48
   1.6. Рабочая гипотеза, цель и задачи работы................52
   1.7. Выводы по главе.......................................54
2. О некоторых аспектах адсорбционного процесса...............58
   2.1. Особенность строения цементных минералов..............58
   2.2. Несколько слов о воде.................................60
   2.3. Особенность адсорбционных свойств воды................64
   2.4. Внешний вид активированных комплексов.................66
   2.5. Строение двойного электрического слоя.................68
   2.6. Динамика развития ДЭС цементной системы...............71
   2.7. Выводы по главе.......................................72
3. Стадийно-поверхностная схема твердения портландцемента.....75
   3.1. Стадийность гидратационного процесса..................75
   3.2. Характер гидратации цементного зерна..................79
   3.3. Особенность гидратационного процесса..................86
   3.4. Специфика строения цементного камня...................90
   3.5. Природа «пилообразного» твердения цемента.............97
   3.6. Выводы по главе......................................100
4. Явления, сопровождающие твердение цемента.................103
   4.1. Кинетика пластической прочности......................103
   4.2. Тепловыделение.......................................107
   4.3. Электрофизические свойства...........................111
   4.3.1. Удельное электрическое сопротивление...............111
   4.3.2. Электродвижущая сила...............................113
   4.4. Химикоаналитические и термовесовые показатели гидратационного процесса..................................119
   4.5. Объемные деформации твердеющей системы...............122

3

   4.6. О «схватывании» и диагностике цементов.................124
   4.7. Выводы по главе........................................128
5. Влияние технологических факторов на твердение и свойства бетонов.....................................................132
   5.1. Состав и свойства портландцемента......................132
   5.2. Роль воды в твердении портландцемента...............139
   5.3. Действие различных добавок..........................141
   5.3.1. Минеральные добавки...............................142
   5.3.2. Добавки-электролиты...............................148
   5.3.3. Диагностика современных модификаторов.............163
   5.3.4. Пластифицирующие добавки..........................165
   5.4. О некоторых особенностях лежалых цементов...........170
   5.5. Влияние температурного фактора......................174
   5.6. Выводы по главе.....................................178
6. Особые свойства цементных бетонов........................182
   6.1. Действие на бетон повышенных температур.............182
   6.2. Действие вибрации...................................188
   6.3. Элементы ползучести цементных бетонов...............202
   6.4. Действие электромагнитных излучений.................212
   6.5. Адаптационная способность бетонов...................214
   6.6. Влияние некоторых факторов на сбросы прочности бетонов.217
   6.7. О критерии качества цементных бетонов...............226
   6.8. Формирование контактной зоны бетонов................230
   6.9. Выводы по главе.....................................242
7. Элементы направленного твердения бетонов.................245
   7.1. Циклическое вибрирование в технологии бетона........247
   7.1.1. Историческая справка..............................247
   7.1.2. Оптимизация режима виброуплотнения................251
   7.1.3. Механизм циклического вибрирования бетона.........256
   7.1.4. Рациональный режим уплотнения.....................261
   7.1.5. Реализация эффекта циклической вибрации...........264
   7.2. Виброактивация неавтоклавного пенобетона............266
   7.3. Виброактивация самоуплотняющихся бетонных смесей....271
   7.4. «Фактор времени» в технологии бетона...................273
   7.5. Влияние давления среды на свойства бетонов..........277
   7.6. Раннее нагружение бетона и железобетона.............280
   7.7. Выводы по главе........................................281
8. Виброактивационная технология железобетона..................284
   8.1. Циклическая вибрация в технологии полурам...........285

4

   8.2. Автоматизация режима виброактивации бетона..........289
   8.3. Виброактивированное производство панелей............291
   8.4. Виброктивационная технология объемных элементов.....295
   8.5. Производство виброактивированных элементов полов....300
   8.6. Мероприятия для широкого освоения виброактивации....302
   8.7. Выводы по главе.....................................307
Общие выводы................................................309
Список литературы...........................................315
Благодарность...............................................331
Основные публикации автора..................................336
Приложение А. Рекомендации по применению циклической вибрации в технологии железобетонных изделий и конструкций...........341
Приложение Б. Пластометрический метод определения рациональных сроков уплотнения твердеющего бетона (железобетона).........350

5

                                      Три стадии признания научной истины: первая — «это абсурд», вторая - «в этом что-то есть», третья - «это общеизвестно» Эрнест Резерфорд

        ВВЕДЕНИЕ

     В середине прошлого столетия сформулировано кардинальное направление отечественного развития технологии бетона и железобетона - направленный (активированный), согласованный с кинетикой твердения портландцемента технологический процесс, обеспечивающий получение конечного продукта «с наперед заданными свойствами». Можно ли признать этот принцип реализованным, учитывая отсутствие и на сегодняшний день ясности в пути (сквозьра-створном, твердофазовом или их симбиозе) преобразования пластичной цементной массы в камень?
     Многие проблемные моменты приобрели хронический вид. До сих пор нет ясности в природе индукционного периода, преданы забвению такие аспекты, как скачкообразность (по В. А. Кинду) отвердевания, пилообразность (по В. А. Кинду, Л. А. Малининой, С. А. Миронову и др.) роста прочности бетонов, отсутствует логическое описание и взаимосвязь сопровождающих структурообразующий процесс свойств и явлений (пластической прочности, тепловыделения, объемных деформаций и др.). Противоречивы данные относительно механизма действия различных добавок (минеральных, электролитов, пластификаторов). Технологическим совершенством считается предельное превращение массивов цементных зерен в гидратированные соединения, что опровергается экспериментами, указывающими на отсутствие эффекта распада любых цементных дисперсий, постоянство толщины гидратной оболочки, не превышающей 1,5 мкм. Традиционно структура цементного камня представляется кристаллогидратным продуктом, что категорически отвергается многочисленными опытными данными. Подобными «белыми пятнами» с избытком насыщено нынешнее строительное бетоноведение.
     Дисперсная твердая фаза характеризуется огромной поверхностной энергией, обусловленной спецификой получения портландцемента - быстрым охлаждением расплава, «замораживанием» высокотемпературной структуры продукта, крайне неустойчивой при обычных условиях. Второй химически-активный компонент - вода - высокоорганизованная полимолекулярная среда, структурно чувствительная к внешним факторам, в том числе активной клинкерной поверхности. Логика подсказывает, что взаимодействие гетерогенной цементной системы следует рассматривать не с традиционно-привычных (пеп-


6

тизирующих, растворительных, гидролизных, хемосорбционных) действий, а с позиций теории «активированного комплекса» или «переходного состояния» (по Г. Эйрингу, М. Поляни). Подчиняясь рельефу, морфологии и дальнодействию активных центров твердой фазы, ассоциированная водная система формирует в межфазной зоне переходную энергетическую композицию, определяющую ход дальнейшего процесса. Метастабильность комплекса определяет его развитие (аккумулирование собственной энергии), достижение критического энергетического уровня, распад (появление в системе активных элементов) и химизм явления. Элементарные гидратационные акты протекают стадийно, что и определяет немонотонный (скачкообразный) характер твердения портландцемента и материалов на его основе.
      В учебных и литературных источниках по технологии бетона и железобетона не уделяется достаточного внимания поверхностным явлениям, сведения в данной области носят отрывочный, мало увязанный с процессом отвердевания и становления цементного композита характер. Так, отмечается появление на границе раздела фаз двойного электрического слоя (ДЭС), формирующего одноименный заряд гидратирующихся цементных частиц, способствующего длительному сохранению смесью пластичности и связности. Однако, при этом не раскрывается природа неравновесности ДЭС, динамики его развития, сущности появления гидратированных образований, закономерностей отвердевания и структурных особенностей затвердевшего цементного камня и бетонов.
      Уточнение этих аспектов предусмотрено в настоящей монографии, основные результаты которой получены при выполнении в КубГТУ в 2007-2012 гг. под руководством автора фундаментальных НИР: «Исследование взаимосвязей «внешние факторы - стадийность процесса» и разработка новых методов синтеза прочности цементных композиций» (номер гос. регистрации 1.1.07); «Исследование механизма деструкции цементных композиций на всех этапах твердения и разработка теоретических основ «синтеза прочности» бетонов с повышенной эксплуатационной надежностью» (код проекта в Рособразовании 6724) и по госзаказу Минобрнауки РФ «Исследование природы и взаимосвязи гидратационного твердения и деструкции цементных систем, и разработка теоретических основ повышения структурной стабильности и надежности бетона (железобетона) в обычных условиях эксплуатации и при воздействии природных и техногенных факторов» (номер гос. регистрации 01201274283).
      Монография содержит разделы по истории развития и становления портландцемента и бетонов на его основе, теоретическим аспектам твердения и формирования композита, возможной динамике поверхностных явлений, уточнению морфологического строения микробетона (бетона в целом) и сущности 7

его адаптационных способностей, действию на процесс и свойства композита различных технологических, природных и техногенных факторов. Большое внимание уделено направленным технологическим воздействиям, обеспечивающим оптимизацию структуры бетона и железобетона, получение конечного продукта с повышенными физикотехническими и эксплуатационными свойствами. Приведены результаты производственного освоения разработанных приемов и режимов на ряде отечественных предприятий строительной индустрии.
     Отдельные главы монографии построены в дискуссионном стиле, дающем возможность воспринимать конкретные положения не в виде незыблемых формулировок и тезисов, а в качестве проблем, требующих дальнейшего уточнения, развития и совершенствования. Автор будет признателен всем, кто хотя бы «по диагонали» просмотрит монографию и сообщит свое мнение о работе, отметит ошибки, неточности, упущенияи недоработки по электронному адресу: E-mail: pgn46@mail.ru. Единственное, что не может быть воспринято, это тезисы типа: «этого не может быть», «все это чепуха», «я в это не верю».

8

        НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ


     В монографии использованы ссылки на следующие нормативные документы:
     -       ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования;
     -       ГОСТ 310.3-76 Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема;
     -      ГОСТ 450-77 Кальций хлористый технический. Технические условия;
     -      ГОСТ 10690-73 Калий углекислый технический. Технические условия;
     -       ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам;
     -      ГОСТ 18105-2010 Бетоны. Правила контроля прочности;
     -       ГОСТ 22690-88 Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля;
     -       ГОСТ 23732-2011 Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия;
     -      ГОСТ 24211-91 Добавки для бетонов. Общие технические требования;
     -       ГОСТ 24544-81 Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести;
     -      ГОСТ 27006-86 Бетоны. Правила подбора состава;
     -       ГОСТ 28570-90 Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций;
     -       ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением.
     -       BS EN 197-1:2011 Цемент. Часть 1. Состав, технические требования и критерий соответствия цемента общего назначения;
     -      CSA CAN 3-A5 Определение времени схватывания цемента;
     -       EN 196-3:2005+А1:2008 Методы испытаний цемента. Часть 3. Определение времени схватывания и равномерности изменения объема;
     -      СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия;
     -      СНиП-111-4-80 Техника безопасности в строительстве;
     -       СТО-008-02495342-2009 Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий.


9

        ГЛАВА 1

        СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ
        И ПРАКТИКИ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ

     1.1. История создания портландцемента

     Исчерпывающую информацию об истории развития минеральных вяжущих веществ от древнейших времен до середины XIX века можно получить из фундаментального труда И. Л. Значко-Яворского [1], а также работ В. Т. Илли-минской, В. Н. Лапина, В. В. Мышляевой, В. В. Суровцева, Б. С. Швецова и других авторов. Здесь же в предельно сжатом виде обозначим основные этапы развития и становления «серого золота», «хлеба строительства» - портландцемента и его разновидностей.
     Использование минеральных вяжущих в строительной области своими корнями уходит во времена неолита. Возведение жилищ из пластичных составов естественных связующих продуктов (чернозема, глины) в сочетании с ото-щающими и армирующими составляющими (песком, соломой, опилками, ка-мышем, тростником и т. п.) сменилось применением для строительных целей искусственных вяжущих материалов - извести и гипса, известных много тысячелетий до нашей эры. Подтверждением столь солидного возраста этих вяжущих веществ являются дошедшие до наших дней уникальные древнейшие объекты: знаменитые египетские пирамиды и легендарный лабиринт, римские Пантеон и Колизей, элементы несущих и стеновых конструкций, Великая Китайская стена, подобные монументальные сооружения в Греции, Индии, Латинской Америке.
     Известковые и гипсовые вяжущие в сочетании с песком и крупным заполнителем позволяли получать достаточно прочный бетон, обладающий, тем не менее, весьма существенным недостатком - низкой водостойкостью, что сужало область его использования, делало невозможным возведение гидротехнических и подводных сооружений. Применительно к известковому вяжущему веществу проблема водоустойчивости, как показал римский опыт (Витрувий, Плиний, Фронтин), достаточно просто решается введением в состав жирной воздушной извести дисперсных гидравлических естественных и специально производимых добавок (диатомита, трепела, опоки, вулканического туфа, пемзы, топливных зол, кирпичной муки и др.). Данное вяжущее широко применялось при изготовлении крупных стеновых блоков, возведении молов, портовых,


10

морских и прочих гидротехнических сооружений. Гидравлические добавки к известковым растворам стали настолько популярны в строительной практике, что на многие столетия задержалось открытие и внедрение принципиально новых вяжущих веществ - гидравлических известей и цементов - продуктов не просто механического соединения компонентов, а обжига естественных или специально составленных сырьевых смесей.


Здесь и далее слева направо: римские инженеры Витрувий (около 50 лет до н. э.), Плиний старший (23 г. н. э.), Секст Юлий Фронтин (40-103 гг. н. э.)

      Бурное развитие в начале XVIII столетия естествознания, транспортной и строительной техники, мореплавания определило потребность во все возрастающих объемах более прочных и водостойких бетонов. Качественный скачек в развитии научных основ химии вяжущих веществ связан с именами Д. Блэка, Д. Пристли, Д. Смитона. В 1756 г. Дж. Блэк, работая с «белой магнезией» (углекислым магнием), открыл и изучил углекислый газ, а в 1974 г. Дж. Пристли -кислород, что позволило не только разрешить старую загадку горения, но и создать теоретическую базу производства известковых вяжущих веществ. Эти результаты позволили Дж. Смитону провести обширные и всесторонние исследования и стать непререкаемым авторитетом в области теории и практики гидравлических известковых вяжущих веществ.
      Следует упомянуть Джеймса Паркера, получившего в 1791 и 1796 гг. патенты (№ 1806 и № 2120) на «римский цемент» - продукт обжига с последующим помолом мергелистого известняка. Отличительными признаками этого цемента являлись отсутствие необходимости предварительного гашения и несравненно более высокие темпы отвердевания, повышенные прочностные и водостойкие свойства бетонов на его основе, по сравнению с существующими в то время вяжущими веществами. Столь высокие технические свойства разработанного вяжущего позволили автору основать цементный завод в Лондоне под фирмой «Паркер и К°». По некоторым источникам в 1799 г. Дж. Паркер продал свой патент и завод Сэмюэлу Витту и эмигрировал в Америку. Витт же сов


11

местно со своим братом Чарльзом производили цемент (фирма «Партер и Витт») вплоть до 1846 г., после чего завод поглотила набирающая обороты компания Уильяма Аспдина.


Джозеф Блэк (1728-1799), Джозеф Пристли (1733-1804), Джон Смитон (1724-1792)

      Подобные научно-практические результаты были достигнуты во Франции (Анселин, Гариэль, Драпье, Лакордер, Лесаж), Германии (Фукс, Панцер, Лойбе, Швенк, Херинг), Америке (Уайт, Халм, Глас, Джильмора). Следует отметить чрезвычайную долговечность изделий из гидравлических цементов, несмотря на их относительно низкую прочность. В Германии, к примеру, и сейчас можно увидеть крыши зданий, покрытых цементно-песчаной черепицей и плиткой на основе этих вяжущих.
      Огромная заслуга в создании и развитии отечественного цементного производства принадлежит В. М. Севергину, И. А. Двигубскому, П. А. Ильенкову. Труды академика Василия Михайловича Севергина посвящены минералогии, химии, в том числе, проблеме повышения гидравлических свойств известковых вяжущих. Профессор Московского университета Иван Алексеевич Двигубский проводил исследования по обоснованию рационального сырья для производства извести, использованию различных дисперсных минеральных добавок (молотую керамику, сажу, каменноугольную золу и др.) в известковые составы для повышения «крепости», водостойкости и долговечности бетонов на их основе. Профессор Санкт-Петербургского университета, ученый-химик Павел Антонович Ильенков издал фундаментальный курс химической технологии вяжущих материалов, основанный на самых передовых по тем временам научных достижениях и новых представлениях о задачах химической технологии.


12

В. М. Севергин (1765-1826), И. А. Двигубский (1771-1839), П. А. Ильенков (1821-1877)

      Заметный след в российской строительной отрасли оставил приглашенный из Франции в Петербург молодой и талантливый профессор Антуан Рокур де Шарлевиль. Наряду с образовательной деятельностью в созданном институте Корпуса инженеров путей сообщения, Шарлевиль разработал и внедрил ряд

А. Р. Де Шарлевиль (1789-1841)

  крупных государственных проектов (зданий, портовых и защитных сооружений морского ведомства, Спасского водовода в Николаеве, Севастопольских корабельных доков). Обобщая накопленный исторический опыт и результаты своих исследований, Шарлевиль опубликовал фундаментальный труд «Трактат об искусстве изготовлять хорошие строительные растворы и практические указания для правильного их применения...», одобренный научной общественностью и имевший большое значение в становлении российской цемент

  ной индустрии.

     Изобретение портландцемента связано с именем каменщика из Лидса (Англия) Джозефа Аспдина (1779-1855), получившего в 1824 г. патент на свое (похожее на портландский камень) «лучшее» вяжущее. Согласно запатентованному способу, тонкоизмельченная смесь известняка и глины после предварительного высушивания в передвижном противне подвергается обжигу «до тех

пор, пока углекислота полностью не выделится» с последующим помолом продукта в тонкий порошок и использованием при смешивании с достаточным количеством воды в качестве вяжущего материала «для желательных целей». Отметим, что заслуга автора заключается не столько в технологическом, сколько в терминологическом плане - термин «портландцемент» существует и будет

существовать неопределенно продолжительное время, поскольку альтернативы ему в обозримой перспективе не предвидится. В то же время, полученный Дж. Аспдиным цемент имеет мало общего с привычным для нас вяжущим веще-

13