А.В.УШЕРОВ-МАРШАК, д-р техн. наук, проф., Т.В.БАБАЕВСКАЯ, инж. (Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры); МАРЕК ЦИАК, канд. техн. наук (Университет Варминско-Мазурский, Польша), Методологические аспекты современной технологии бетона

Накопление и использование огромных массивов знаний и информации в области бетоноведения к концу XX века резко интенсифицировало характер эволюционного развития технологии бетона. Из бетонов, названных бетонами нового поколения, возведены уникальные сооружения: мосты, тоннели, высотные здания [1-3].

Составляющими новых бетонов служат известные компоненты: цементы, заполнители, высокоэффективные химические добавки, реакционноспособные или инертные минеральные дисперсные добавки, микроарматура. Однако существенно меняется рецептура, установлены новые закономерности в проявлении свойств бетонных смесей, уточняется методология бетоноведения. Прогресс отнесен в основном на счет добавок-разжижителей, способных радикально модифицировать свойства бетонных смесей при значительном снижении их водосодержания [4, 5] (см. таблицу).

При практически одинаковом механизме действия эффективность модификаторов пластифицирующего типа, как справедливо отмечал В.Батраков [6], зависит от структуры, наличия и вида функционально активных групп, их расположения в молекулах, длины и формы цепей, молекулярной массы. Добавки также назвали добавками нового поколения. Отличительная их особенность, по мнению авторов [4, 5], кроется в том, что, находясь в адсорбированном на зернах цемента и новообразованиях состоянии, они создают так называемый “стерический” эффект отталкивания. Этот эффект, обусловленный формами цепей и характером зарядов на поверхности зерен цемента и гидратов, представляется основной причиной длительного сохранения жизнеспособности бетонных смесей (рис.1).


Высокая эффективность новых добавок значительно обострила в общем также не новую проблему их совместимости (compatibility) между собой (при комплексном введении), с цементами, главным образом из-за содержания в них С3А и гипса, минеральными дисперсными компонентами. Совмес

тимость определенным образом связывает свойства суперпластификатора и твердеющего цемента с реологическими характеристика- ми бетонной смеси, темпом твердения и свойствами бетона и др.

Один из путей решения этой методологической задачи основан на феноменологическом уровне методом термокинетики, который позволил установить явление кинетической селективности влияния химических добавок на процессы твердения [7]. Мы исходили из понятного тезиса — технологический эффект применения добавки вызван механизмом ее действия на “элементарные” стадии гидратации: смачивание, адсорбцию, химическую реакцию, зародышеобразование и кристаллизацию и др. Выделить каждую из стадий в чистом виде затруднительно, а интегрально оценить результаты влияния добавок с помощью термокинетики вполне возможно (рис.2).



Гидратация цемента, с точки зрения термокинетики, — медленнопротекающий процесс со слабыми тепловыми эффектами, характеризуется, как хорошо известно, двумя экзоэффектами. Первый из них обусловлен преимущественно адсорбционными процессами, второй — зародышеобразованием и кристаллизацией гидратов. Суперпластификатор за счет вклада теплоты адсорбции увеличивает первый экзоэффект, снижая величину второго вследствие замедления гидратообразова н ия.

Ускорители твердения, напротив, интенсифицируя химические реакции, обусловливают рост значений второго экзоэффекта. Любые добавки меняют продолжительность основных периодов ранней гидратации — индукционного, ускоренного и замедленного. Таким образом, термокинетика, количественно характеризуя влияние добавок на скорость и полноту тепловыделения, позволяет приблизиться к пониманию механизмов их действия. Методологическая целесообразность термокинетического анализа доказана нами совместно с НИИЖБ при обосновании режимов синтеза и составов модификаторов, в том числе и комплексных, с различными степенями совместимости и влияния на технологические эффекты [6, 7].

В качестве примера успешного решения одной из методологических задач бетоноведения можно привести разработку методик оценки реологических и технологических характеристик высокоподвижных бетонных смесей с расплывом 400...600 мм. В этом случае известный показатель — осадка конуса не позволяет полно и количественно характеризовать бетонные смеси. В связи с этим предложены новые средства реометрии и параметры: напряжение на срез в пластическом состоянии (shear yield stress) и пластическая вязкость (plastic viscosity). Кроме того, в чисто технологическом плане способность литых смесей течь и эффективно заполнять объем в форме или опалубке оценивается с помощью простых и доступных Y и V-образных приборов-приспособлений [8].

Модификаторы последнего поколения позволили намного повысить эффективность высокодисперсных минеральных добавок, называемых в нашей литературе наполнителями. К наиболее применяемым относятся: микрокремнезем (15...20 м2/г), молотый песок кварцевый (100.. .400 мкм), кварцевая и известняковая мука (5...20 мкм), а также молотые шлаки и золы-уноса. Их содержание в бетонной смеси может достигать 40% объема растворной части. Соответственно снижается содержание крупного заполнителя. Бетоны с высоким, вплоть до 100%, содержанием высокодисперсных порошков, активно участвующих в становлении свойств бетонной смеси и бетонов, получили название Reactive Powder Concrete (RPC) [3].

При этом явно прослеживается пересмотр роли крупного и мелкого заполнителей, дисперсных порошков в бетоне [2, 3, 9]. Кстати, вполне назрела необходимость пересмотреть корректность термина “наполнитель”. Он принят только в СНГ с последующим введением абсолютно некорректного определения “наполненный” бетон. Полагаем уместным заметить, что в СНГ проявляется особый интерес к использованию далеко не всегда обоснованной и целесообразной терминологии [10]. Такие понятия, как кластеры, закон створа, каркасная и интенсивная раздельная технологии, фрактальные и диссипативные системы, самоорганизация и симметрия и т.п. ничем не обогатили ни бетоноведение, ни технологию. Ведь, как выразился совершенно справедливо один зарубежный профессионал, “прогресс — в изменении технологии, а не терминологии”. Именно изменения в технологии, как итог соблюдения главного методологического принципа единства новых знаний и действий, приводят к прогрессу. Постараемся развить эту мысль далее.

Изменения составов бетона новых поколений с большим содержанием высокодисперсных реагентов обусловливают изменения в методиках их подбора. Вероятна замена в этих случаях показателя В/Ц показателем В/(Ц+П). Сама процедура подбора становится более многоступенчатой.

При испытаниях свойств бетонных смесей с химическими или минеральными добавками новых поколений, помимо высокой текучести, были зафиксированы эффекты:

значительного повышения однородности при практическом отсутствии расслоения и седиментации;

резкого сокращения объемов вовлеченного воздуха;

достижения высоких показателей плотности и безусадочности;

способность без вибрации заполнять сложнодоступные места опалубки или форм.

Обнаруженное свойство было названо самоуплотнением (self-compactibility), а бетон, соответственно, — самоуплотняющимся (self-compacting concrete) (SCQ) [2]. Установлено, что такие бетоны в раннем возрасте свободны от дефектов, а в зрелом — достаточно защищены от внешних факторов. Огромный интерес к этим работам отражает факт открытия специального Web-узла в Интернете (http:/www. infra, kochi-tech.ac.jp/ sccnet).

Самоуплотняющиеся и реакционно-порошковые бетоны с заданными свойствами расширили терминологию и номенклатуру бетонов [11]. Под этим утверждением понимается не столько высокая прочность, сколько функциональные характеристики на стадиях строительства и долговременной эксплуатации с точек зрения эффективности технологии, материальных и энергетических затрат, конструктивных решений и инженерной эстетичности. Правомерен поэтому еще один термин — бетоны высокофункциональные “High Performance” — НРС [1], в отличие от высокопрочных—“High Strength Concrete” (HSC). Иногда НРС трактуют как высокопрочные или высококачественные бетоны.

Ретроспективно тенденции развития бетонов типа НРС с использованием добавок новых поколений отражают данные рис.З.

Обсуждая тенденции развития бетонов новых поколений, один из их создателей и пропагандистов, проф. П.Аткин [1], очертил ряд проблем, которые предстоит решать по мере массового освоения, в том числе снижения стоимости компонентов и прежде всего добавок. Без всякого преувеличения отнесем их к проблемам методологии бетоноведения. Это выработка методик определения совместимости твердых и жидких реагентов, оценка, учет и регулирование тепловыделения, прогноз температурных полей и напряжений, изучение особенностей формирования микроструктуры и др. Здесь мы не останавливаемся на конструкционных свойствах бетона типа ползучести или хрупкости.


Разработка новых методологических подходов к получению, накоплению, переработке и использованию только целесообразной в технологическом плане информации для наполнения банков данных и баз знаний должна осуществляться в рамках познавательной системы “функция-состав- структура-процесс-свойство”. Для реализации в самом недалеком будущем современных информационных технологий бетона важно использовать методы с высокой информационной емкостью, например, калориметрический анализ, включая термокинетику и термопорометрию [12, 13].

Бетон и железобетон, 2002 №1