CC BY
7
Исследование показателей качества несущих железобетонных конструкций и
цементных бетонов
Research of quality indicators of load-bearing reinforced concrete structures and cement
concretes
Соибназаров Джавхардод Сардорович, Строй Техно Инженеринг Soibnazarov Dzhavkhardod Sardorovich
Аннотация. В статье проведено исследование показателей качества несущих железобетонных конструкций и цементных бетонов. Автор приходит к выводу, что отсутствие массовых аварийных ситуаций связано с асинхронностью процесса на клинкерных частицах в объеме бетона, вызванного неизбежным градиентом скорости гидратации на стадии отвердевания композита. Опасны внезапные природные и техногенные особые (по СТО 36554501-015—2008) нагрузки: силовые, температурные, вибрационные и другие, способные активизировать адсорбционно-связанную воду, синхронизировать взаимодействие реагентов на цементных зернах, привести к сложнопредсказуемым результатам. Их целесообразно оценивать таким качеством, как эксплуатационная надежность несущих железобетонных конструкций.
Summary. The article studies the quality indicators of load-bearing reinforced concrete structures and cement concretes. The author comes to the conclusion that the absence of mass emergencies is due to the asynchrony of the process on clinker particles in the volume of concrete, caused by the inevitable gradient of the hydration rate at the stage of solidification of the composite. Sudden natural and man-made special loads (according to STO 36554501-0152008) are dangerous: power, temperature, vibration, and others that can activate adsorption-bound water, synchronize the interaction of reagents on cement grains, and lead to difficult-to-predict results. They should be evaluated by such quality as the operational reliability of load-bearing reinforced concrete structures.
Ключевые слова: бетон, железобетон, долговечность, надежность, агрессивная среда, воздействия природного и техногенного характера.
Keywords: concrete, reinforced concrete, durability, reliability, aggressive environment, natural and man-made impacts.
Введение. В СТО 008-02495342—2009 «Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий[1]. Проектирование и расчет» указано, что непременное условие обеспечения сохранности зданий и сооружений, недопущения их локальных разрушений и прогрессирующего обрушения -достижение и сохранение в расчетной эксплуатационной стадии необходимой прочности несущих железобетонных конструктивных элементов. В этих целях регламентируется жесткий контроль прочностных показателей бетонов на всех этапах строительства и эксплуатации (консервации) несущих конструкций. Соответственно, прочность считается едва ли не синонимом долговечности и надежности железобетона. Однако взаимосвязь между прочностью и долговечностью бетонов не просматривается, на что указывает, к примеру, широко используемый технологический прием повышения морозостойкости путем поризации растворной составляющей, приводящей к одновременному снижению плотности и, соответственно, прочностных показателей [1].
В то же время необходимо акцентировать внимание на ряде внешних воздействий (отнесенных в СТО 36554501-015—2008 «Нагрузки и воздействия» кособым нагрузкам), отличающихся от агрессивных сред неочевидным эффектом (разрушительным или напротив упрочняющим). Таким воздействием обладает повсеместный временной фактор, определяющий при отсутствии внешней агрессии последовательное увеличение прочности, наряду с ее периодическими сбросами, что давно известно и не вызывает сомнений [4].
Методы исследования: аналитический, сравнительный.
Результаты. Нагружение бетона в раннем возрасте, действия повышенных температур, вибрации, ультразвуковой, электромагнитной, ионизирующей обработки связаны не только со снижением прочности и с разрушением бетона, но и в ряде случаев с его заметным упрочнением. Так, «в условиях длительного воздействия температур... возможны или снижение или рост прочности цементного камня во времени» [4]. Иначе говоря, рассматриваемые особые нагрузки при определенном стечении обстоятельств либо приводят к разрушению бетона и железобетона, либо способствуют их благополучному отвердеванию и упрочнению.
Сложнопредсказуемые последствия (негативные или позитивные) особых нагрузок и следует оценивать таким качеством, как эксплуатационная надежность, т.е. способность сохранения функциональных свойств несущей железобетонной конструкцией, зданием и сооружением при нештатных форсмажорных природных и техногенных ситуациях. Взаимосвязь между прочностью и термостойкостью, как показали исследования по
изучению действия температурного фактора на время разрушения нагруженных образцов-пластин [4], не просматривается. Более того, нельзя не заметить большей уязвимости именно высокопрочных бетонов, нежели рядовых, что связано с повышенной концентрацией в таких вяжущих системах чувствительного к температурному фактору компонента, а потому опасного и непредсказуемого, — цементного камня.
Тепловая обработка, вызывая недобор прочности, приводит, тем не менее, к заметному повышению термостойкости. Подобная картина наблюдается при воздействии на бетон вибрации с обычными параметрами уплотнения: частотой 50 Гц, амплитудой 0,19-0,92 мм [2]. Следует при этом отметить, что не было ни одного случая вибрационного разрушения предварительно пропаренных образцов. Следовательно, связи между прочностью, долговечностью и надежностью цементных бетонов нет и не может быть, поскольку рассматриваемые категории - реакция цементного композита на принципиально отличные «раздражители».
Прочность и долговечность бетонов - малопроблемные показатели, требуемые значения которых достигаются достаточно простыми и отработанными методами (оптимизация состава и консистенции смеси, гранулометрия заполнителей, водосодержание, условия твердения, первичные и вторичные меры защиты и др.) [5]. Что же касается надежности бетонов в условиях неопределенного воздействия вышеотмеченных природных и техногенных факторов, то вряд ли требует доказательств ее превалирующая роль, приобретающая особую актуальность и значимость при возведении большепролетных и высотных железобетонных объектов.
Обсуждение. Обеспечение структурной стабильности и предельной надежности цементных бетонов возможно при непременном условии четкого и однозначного представления физической сущности гидратационного отвердевания клинкерных систем, морфологических особенностей затвердевшего цементного камня (микробетона), его адаптационных способностей в условиях технологических, разнообразных природных и техногенных факторов. Только ясность в данных аспектах позволит осмысленно, направленно производить железобетонную продукцию с требуемыми структурно-механическими параметрами и прогнозировать ее состояние в реальных эксплуатационных условиях.
Портландцемент взаимодействует с водой затворения на границе раздела фаз, однако это взаимодействие не следует сводить к хрестоматийным растворительным, гидролизным, кристаллизационным и прочим проявлениям. Гидратационный процесс имеет электростатическую основу. При соприкосновении компонентов в межфазной зоне
мгновенно формируются переходные неравновесные энергетические комплексы в виде локально распределенных на подложке пористых (шатровых) сферических скоплений кластеров [4].
Развитие комплексов включает последовательное разрушение сетки водородных связей дипольных сводов, концентрацию молекул воды у адсорбционных центров, возбуждение системы (аккумулирование собственной энергии), достижение критического энергетического уровня, распад (появление активных элементов: , Са2+, ОН-, Н3 0+ и др.) и взаимодействие реагентов. Аморфный гидратный продукт в виде рассредоточенных скоплений покрывает поверхность клинкерных зерен.
Процесс протекает стадийно, сопровождается периодическим потреблением безводными цементными минералами порций диполей, появлением в межзерновых пустотах вакуума, организующего в пластической стадии клинкерные частицы, формирующего и упрочняющего микробетон посредством гидросиликатных прослоек. Гидратационное твердение портландцемента включает, таким образом, чередование индукционных (подготовительных) временных интервалов и быстротечных (взрывообразных) моментов образования гидрата. В начальный период «нормального» твердения (до максимума тепловыделения) стадийность гидратообразования составляет 90±10 мин [3].
По мере уменьшения в системе активных диполей, снижения поверхностной энергии клинкерных зерен продолжительность индукционных интервалов закономерно увеличивается, сначала исчисляется часами, потом сутками, месяцами и годами. Отвердевание цементного композита — единство и неразрывность позитивных и негативных явлений, связанных с упрочнением материала и его временным ослаблением вновь образующимся гидратом с увеличением объема твердой фазы и возникновением внутренних напряжений; естественная периодическая деструкция микробетона — реальный и стохастический аспект, влияние которого на надежность бетонов зависит от сочетания множества факторов и обстоятельств.
Развитие гидратационного процесса связано с последовательным снижением исходного диаметра шатровых энергетических комплексов и, как его логический финал — формированием на поверхности затвердевших клинкерных частиц локально рассредоточенных остаточных негидратированных поверхностно-активных зон. То есть характерная особенность затвердевшего цементного камня (бетона и железобетона в целом), кардинально отличающегося от стабильных структур (каменные материалы, керамика, силикатный бетон и др.), — наличие поверхностно гидратированных
клинкерных частиц (крупного заполнителя микробетона) с рассредоточенными негидратированными зонами со сгущением определенным образом высокоорганизованных кластеров воды [3].
Относительно равновесные поверхностно-активные зоны и придают затвердевшему цементному камню (бетон, железобетон) способность адаптационной эволюции под действием эксплуатационной среды. Естественное развитие указанных зон приводит к гидратационным преобразованиям на поздних этапах в условиях сформировавшегося цементного камня с неизбежным возникновением внутренних напряжений и сбросом прочности.
Отсутствие повсеместных и массовых аварийных ситуаций - отнюдь не опровержение столь мрачной перспективы, а подтверждение отсутствия синхронности гидратации на цементных зернах в объеме конструкции, обусловленной температурно-влажностным разбросом, градиентом скорости гидратации вяжущего в различных микрообъемах и, соответственно, различным уровнем их энергетического развития к конкретным срокам твердения. Опасность представляют нештатные ситуации: резкий нагрев нагруженного бетона (например, пожар в подвальном помещении или нижних этажах каркасного здания), неожиданные вибрационные воздействия (забивка свай на рядом расположенной строительной площадке), внезапное облучение бетона электромагнитными импульсами наряду с динамическими ударами (землетрясения) [4].
Эстафетное ослабление и разрушение водородных связей, нарушение равновесия энергетических структур, последующая гидратация активных центров на значительном числе клинкерных частиц в объеме конструкции могут привести к сложно прогнозируемым результатам. Основную роль в данной эволюции играет гидратационный процесс, что подтвердилось дифференциально-термическим и термовесовым анализами, показавшими повышение степени гидратации цемента после температурного, силового и вибрационного воздействий [4].
Морфологическая особенность цементных бетонов, кардинально отличающихся от других строительных материалов, — наличие поверхностно гидратированных клинкерных частиц, включающих, в свою очередь, локально рассредоточенные поверхностно-активные зоны «остаточные активные центры — адсорбционный слой диполей», играющие сложнопрогнозируемую роль в эксплуатационный период. Естественный процесс энергетического развития негидратированных зон определяет гидратацию вяжущего на поздних этапах в условиях сформировавшегося микробетона, приводящую к возникновению внутренних напряжений и периодическим сбросам прочности.
Вывод. Про результатам анализа можно заключить следующее. Взаимосвязь между прочностью, долговечностью и надежностью цементных бетонов отсутствует. Как следствие, не все меры, способствующие повышению прочности, будут целесообразными с позиций долговечности и надежности бетона и железобетона. Прочность - это ни нечто неизменное, данное на века. Данный показатель динамичен, в связи с чем наметившаяся в последние годы тенденция получения высокопрочных (и даже ультравысокопрочных) бетонов вызывает некоторое недоумение. Прочность должна быть достаточной и не более того, основное же внимание надо уделять несравненно более важному качеству — надежности продукции.
Поверхностный характер взаимодействия цементных минералов с водой затворения позволяет теоретически обосновать и практически реализовать направленное производство сборного и монолитного железобетона с повышенной структурной стабильностью и, соответственно, эксплуатационной надежностью. Данный аспект очевиден и сводится к простому тезису: использование комплекса приемов, способов и режимов, благоприятствующих естественно протекающему гидратационному и структурообразующему процессу и обеспечивающих предельно возможное поверхностное преобразование клинкерных минералов в гидратированные соединения.
В строительной практике (особенно в набирающем обороты монолитном производстве) необходимо учитывать следующие технологические меры: ограничение применения противоморозных добавок-электролитов, супер- и гиперпластификаторов; использование оптимума водосодержания, исключительно влажностных условий твердения и др. Особо следует подчеркнуть целесообразность широкого распространения различных способов активации воды затворения (термический, химический, электрофизический, акустический).
Список использованной литературы
1.Байбурин А.Х. Технология ускоренного возведения монолитных конструкций в зимних условиях// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2009. - № 2. -С. 72-73.
2. Головнев С.Г., Беркович Л.А. Ускоренное возведение зданий из монолитного бетона в зимнее время// Вестник отделения архитектуры и строительных наук. - М.: РААСН. Орел: АСИ ОрелГТУ, 2009. - С. 13-16..
3. Пшеничный Г.Н. Роль температурного фактора в деструкции цементных бетонов// Техника и технология силикатов. - 2008. - Т. 15. - № 2. - С. 2-10.
4. Пшеничный Г.Н. Влияние вибрации на надежность цементных бетонов// Безопасность труда в промышленности. - 2011. - № 5. - С. 12-18.
5. Комохов П.Г., Александров Н.И. Наноструктурированный радиационностойкий бетон и его универсальность// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. -2008. - № 5. - С. 38-40.
References
1. Baiburin A. H. Technology of accelerated construction of monolithic structures in winter conditions// Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. — 2009. — №
2. — P. 72-73.
2. Golovnev S. G., Berkovich L. A. Accelerated construction of buildings made of monolithic concrete in winter// Bulletin of the Department of architecture and construction Sciences. Orel: ASI OrelGTU, 2009. — P. 13-16.
3. Pshenichny G. N. The role of the temperature factor in the destruction of cement concretes// Technique and technology of silicates. — 2008. — Vol. 15. — No. 2. — P. 2-10.
4. Pshenichny G. N. influence of vibration on the reliability of cement concretes// Occupational safety in industry, 2011, no. 5, Pp. 12-18.
5. Komokhov P. G., Alexandrov N. I. Nanostructured radiation-resistant concrete and its universality// Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. — 2008. — № 5. — P. 38-40.
