Г.Н.ПШЕНИЧНЫЙ, канд. техн. наук (Кубанский государственный технологический ун-т), Влияние давления окружающей среды на твердение и свойства цементного камня
Экспериментально установлено положительное влияние избыточного давления окружающей среды на свойства бетона, твердеющего при нормальной температуре и в условиях тепловой обработки. Повышенное давление среды позволяет интенсифицировать твердение бетона, сократить продолжительность прогрева, уменьшить расход цемента, повысить физико-механические свойства бетона и железобетона [1,2]. Механизм благотворного воздействия избыточного давления среды на свойства бетона вряд ли связан с какими-либо более совершенными кристаллизационными процессами [2,3], поскольку не подтверждается опытными данными [4]. Контракционная усадка цементного геля и избыточное давление среды - эти два явления и определяют, по всей видимости, повышенные свойства затвердевшего цементного камня и бетона. На эту сторону вопроса обращала внимание Л. А.Малинина [5], 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. Косвенным подтверждением такого предположения является больший прирост прочности, полученный при твердении под давлением для «жирного» раствора..., по сравнению с более тощим».
Стадийный характер электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой приводит к циклическому самоуплотнению цементных зерен под действием развивающегося в межзерновом пространстве вакуума, экспериментально обнаруженного в середине прошлого столетия [6). Т.е. «движущей силой» структурообразования цементного камня является вакуум, образующийся в цементной системе в результате периодического потребления молекул воды клинкерными минералами. При этом очевидно, что чем выше разность давлений в межзерновых пустотах формирующегося микробетона и окружающей средой, 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 (микробетона) [7].
Отсюда вполне закономерен вопрос: а как будет протекать гид- ратационное твердение портландцемента при пониженном давлении (вакууме) окружающей среды? Если рассматривать процесс с «кристаллизационных» позиций, то это- оптимальные условия для структурообразования цементного камня (улучшается растворимость цементных минералов, образуется малодефектный кристаллический каркас и пр.). Если же «движущей силой» формирования и становления микробетона является развивающийся в межзерновых пустотах вакуум, то при пониженном давлении среды структура цементного камня может либо вообще не образовываться, либо иметь более низкие показатели, по сравнению с твердением в обычных условиях.
Экспериментальных работ по изучению характера твердения и свойств бетона, длительное время выдерживаемого в условиях вакуума, нами не обнаружено. Известные работы [8,9] касаются использования вакуумной обработки бетонных смесей с помощью специального оборудования (вакуум-щи- тов, вакуум-ковров и др.) на формовочной стадии, что, конечно же, не может моделировать процесс твердения цементной системы в среде пониженного давления. В связи с этим были выполнены специальные опыты по уточнению продолжительного влияния вакуума окружающей среды на твердение и свойства цементного камня.
Опыты проведены на цементном тесте с В/Ц=0,26 и 0,3 (новороссийский портландцемент). 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 7 сут 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 их в дальнейшем выдерживали в плотной полиэтиленовой упаковке (для предотвращения пересушивания) и испытывали в 28-суточном 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 отсутствовало 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 вакуумной среде, что косвенно указывало на существенное отличие средней плотности этих образцов. В-третьих, 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 2.. .4 микротрещины шириной до 0,1 мм и длиной 2...3 мм вследствие неизбежного разуплотнения материала при снижении давления под колпаком установки.
Размеры образцов определяли штангенциркулем, массу-с помощью рычажных лабораторных весов, объемную усадку и среднюю плотность рассчитывали обычными методами. Прочность при сжатии определяли при помощи пресса ПСУ-10. Физико-механические свойства цементного камня, твердевшего в естественной среде и в условиях вакуума, представлены в таблице.
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 структуру 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 указанным негативным фактором.
Циклический характер электрохимического взаимодействия цементных минералов с водой приводит к появлению в межзерновых пустотах формирующегося микробетона вакуума, который не в состоянии в полной мере проявить свои «структурообразующие возможности» в условиях пониженного давления окружающей среды. Следовательно, немаловажным (а может быть, даже и 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 обычных, нормальных атмосферных условиях.
Выводы
«Движущей силой» формирования и упрочнения структуры цементного камня является развивающийся в цементной системе вакуум, вызванный стадийным характером электрохимической гидратации цементных минералов, периодическим потреблением молекул воды зернами вяжущего.
Избыточное давление окружающей среды положительно сказывается на свойствах цементного камня и бетона, поскольку создает благоприятные условия самоуплотняющимся цементным частицам, обеспечивает получение качественных контактных зон микробетона.
Твердение бетона в условиях пониженного давления (вакуума) приводит к ухудшению его свойств ввиду отсутствия необходимых условий для «стяжения» цементной системы, формирования требуемых структуры и свойств микробетона.
Бетон и железобетон, 2006 №1