О свойствах мелкозернистых поризованных бетонов

Г.И. ЧЕРНОУСЕНКО, член Академии строительства Украины, сотрудник НПО «Стройтехавтоматика», представитель ООО «Композит XXI век» в ЮФО РФ и на Украине

Ключевые слова: мелкозернистый поризованный бетон, влагостойкость, морозостойкость
Keywords: fine-grained porous concrete, moisture resistance, frost resistance

Автор обобщает многолетний практический опыт применения ячеистых бетонов неавтоклавного твердения в строительстве. В частности, он отмечает такие свойства мелкозернистых поризованных бетонов различной плотности в диапазоне от 200 до 2000 кг/м3, как высокий уровень влагостойкости и морозостойкости, длительный период набора прочности, превышение в несколько раз порогов расчетной прочности, высокая адгезия к различным строительным материалам, высокие уровни звуко- и теплоизоляции, малая зависимость от качества исходного сырья.

Влагостойкость и морозостойкость бетонных элементов зданий и сооружений являются важнейшими эксплуатационными характеристиками. Для любого объекта они определяются на этапах проектирования с учетом природно-климатических условий и функциональных требований, контролируются в процессе возведения и последующей эксплуатации. Но реальная строительная практика показала, что многие из традиционных нормативных правил, принципов и методов в строительстве неприменимы в случае использования мелкозернистых поризованных бетонов.

Прежде всего это относится к требованиям строго обеспечивать рекомендуемое водоцементное отношение при приготовлении бетонных смесей различного состава и назначения. Оптимизацию рецептур обычных бетонов осуществляют из условия минимизации количества воды затворения. Именно это должно обеспечивать расчетную прочность готовых бетонных изделий и конструкций. Нормативные документы определяют значения В/Ц в диапазоне от 0,25 до 0,6. Но автор при приготовлении своих ячеистых (поризованных) смесей воспользовался диапазоном В/Ц≥1,0-5,0, чего традиционная практика и теория бетоноведения в настоящее время не допускают. Прошедшие два десятилетия активного освоения и применения пенобетонов неавтоклавного твердения приблизили значение В/Ц к уровню 0,9, но при этом сертифицированный показатель морозостойкости не превышал F=50 [1]. Автор заявляет для своих смесей значение F>300 и уже по этим причинам выделяет свои рецептуры (составы) в особый вид ячеистых бетонов. К тому же прочностные параметры готовых изделий и конструкций из мелкозернистых поризованных бетонов (при равных плотности и расходе вяжущего) существенно превышают технические параметры у продукции из обычных пенобетонов и других ячеистых материалов.

За прошедшие 20-25 лет опытно-экспериментального строительства для своих обобщений и выводов автор использует результаты лабораторных испытаний лишь для небольшого числа из нескольких сот объектов. Дело в том, что такие испытания, во-первых, являются дорогостоящими, а во-вторых, официальные испытания тормозились из-за того, что экспериментальную деятельность автора на реальных объектах считали авантюрной, недопустимой деятельностью. Это относилось не только к вариантам исполнения несущих конструктивных элементов из легких смесей, которые бетоноведы относят чисто к теплоизоляционным материалам. Наибольшее неприятие и скептическое отношение проявлялось к результатам монолитной заливки несущих конструкций из мелкозернистых поризованных бетонов различной плотности при пониженных и отрицательных температурах (до минус 20°С) без использования противоморозных добавок, без внешнего подогрева свежезалитых массивов и других традиционных способов ухода за бетоном. Сам факт осознанного замораживания десятков кубометров бетона на реальных объектах вызывал у ряда ученых, специалистов, рабочих, представителей заказчика и других заинтересованных лиц самый широкий набор негативных оценок и реакций. Но, несмотря на это, положительные результаты практической работы опровергали негативные прогнозы противников и скептиков и с каждым годом усиливали интерес и внимание к необычным натурным экспериментам. Но подтолкнуть ученых-бетоноведов к системному исследованию и анализу результатов фактически состоявшейся «криотехнологии» мелкозернистых поризованных бетонов до настоящего времени не удалось. По мнению автора, накопилось достаточно «упрямых» фактов, чтобы начать изучать новые явления в бетоноведении, а также распространить понятие морозостойкости не только к готовым конструктивным элементам из бетонов, но и к стадиям приготовления смесей из исходных сырьевых компонентов, транспортировки, укладки смесей, а главное, на первые периоды процесса их гидратации.

Различные по плотности смеси демонстрируют отличительные особенности на замораживание по однородности структуры в глубине и на поверхности массивов, по параметрам прочности, влагопроницаемости и т.п. Нужны смелость, достаточный уровень квалификации и заинтересованность научных кругов и представителей строительного рынка, чтобы сделать данные криотехнологии в монолитном строительстве достоянием широкой производственной практики. Тем более это актуально в связи с государственными проектами освоения арктических и заполярных областей РФ.

К необъяснимым в строительной теории, а значит, неприменимым на практике относятся результаты исполнения фундаментов различных конструктивных решений (столбчатые, ленточные, буроналивные, плиты и др.) в диапазоне плотностей поризованных смесей D=600-1600 кг/м3. Тем более что заливка осуществлялась иногда не в один массив, а в несколько слоев. При этом автор заявляет, что гидроизоляцию фундаментов от прилегающих грунтов, даже водонасыщенных, можно не производить, объясняя это тем, что вследствие высокого В/Ц и наличия в бетоне на всех этапах гидратации в течение многих лет достаточного количества «связанной» воды, а также преобладания в объеме смесей закрытой структуры пор и минимального количества капиллярных каналов во внутренней структуре, влаге извне затруднительно проникать в массив бетонных конструкций. Ни один из существующих экспериментальных объектов за весь период эксплуатации не проявил нежелательную миграцию влаги через фундаменты и другие элементы, исполненные из поризованных смесей. А среди объектов можно перечислить не только подпорные стены, чаши бассейнов, колодцевые кольца, но и многое другое [1-6].

За прошедшие годы наработано немало инновационных технических, проектно-конструкторских и технологических решений [1, 3-6]. Делалось это на реальных стройплощадках в различных регионах России и Украины на доступных местных сырьевых ресурсах, в различных погодно-климатических условиях, с использованием экспериментальных технических средств и малоквалифицированных рабочих кадров. Но практически все объекты состоялись и выдерживают проверку временем эксплуатации. При этом имеет место низкий уровень материальных и трудовых затрат на возведение и отделку этих объектов.

Не имея достаточно доброжелательного отношения со стороны представителей строительной науки, автор самостоятельно пытается понять и объяснять во многом неожиданные технологические и материаловедческие эффекты, которые проявились и неоднократно воспроизводились в ходе многолетнего опытно-экспериментального строительства. В дополнение к ранее опубликованным гипотезам и моделям структурообразования мелкозернистых поризованных бетонов необходимо сформулировать новые предположения, объясняющие хотя бы некоторые из выявленных технологических эффектов: упругопластичные свойства несущих конструкций, протекание процессов гидратации в замерзших массивах смеси, пассивирующее действие к стальной арматуре, высокие уровни влагостойкости и морозостойкости, малая зависимость от качества исходного сырья, превышение в несколько раз порогов расчетной прочности, повышенная звуко- и теплоизоляция, длительные периоды набора прочности за счет реструктуризации и термодинамического резерва прочности зерен цемента, возможность оптимизации сочетания в смесях различных вяжущих (цемента, гипса, извести, полимерсиликатов, ПВА, латексов и др.), высокая адгезия к большому набору строительных материалов и многое другое.

Именно благодаря специальным воздухововлекающим добавкам и высокооборотным (около 1000 об/мин) смесителям турбулентного типа с кавитационными камерами под избыточным давлением (>1 техн. атм.) удается приготавливать смеси на различных вяжущих с требуемыми свойствами. Эти смеси, как сложные термодинамические, гидродинамические и супрамолекулярные гетерогенные системы, содержащие газообразную, жидкую и твердые фазы, обладают высокой потенциальной энергией. После транспортировки и укладки смеси начинаются процессы, снижающие эту энергию. Осуществляется это в основном за счет процессов гидратации. Но в отличие от обычных бетонных смесей направление, структуру и скорость гидратации задают воздушные поры, образующиеся в условиях кавитации при участии молекул воздухововлекающей добавки ПАВ.

Особую роль воздушных пузырьков следует объяснить отдельно, ведь именно ради них реализуется управляемая поризация смеси. Важно не только то, что пузырьки стабилизируются двойным электрическим слоем, они равномерно распределяются в объеме смеси, создавая устойчивую однородную структуру. Величина заряда на границе раздела фаз «конденсированная среда – воздух» определяется количеством сформировавших его молекул поверхностно-активной воздухововлекающей добавки. Автор предполагает, что воздушные поры за счет сил поверхностного натяжения приобретают форму сферического многогранника из пентагональных и гексагональных ромбоэдров фракталов воды, реализующих пропорции золотого сечения. В углах таких пор расположены молекулы воздухововлекающей добавки (гидрофильная головка находится в конденсированной фазе, гидрофобный «хвостик» – в газообразной). Толщина водной пленки у такой воздушной поры определяется размерами малых диагоналей у ромбоэдров. Благодаря такой структуре пор в процессе гидратации в пространстве между порами оптимально укладываются формирующиеся кристаллогидраты из матриц кальция, кремния, алюминия, кислорода и других химических элементов, входящих в гетерогенную дисперсную систему. Таким образом, формируется по законам самоорганизации и супрамолекулярной химии однородная, изотропная структура композитного материала как химико-физическая имитация квазикристаллического вакуума (эфира).

Для получения высококачественных мелкозернистых поризованных бетонов необходимо использовать те воздухововлекающие добавки, которые дают наименьший размер воздушного пузырька. Позитивный результат этого состоит в том, что, чем меньше диаметр пузырьков, тем выше удельная поверхность на границе раздела сред «воздух – жидкость», которая энергетически и химически активно воздействует на процесс гидратации в объеме поризованных смесей. Изложенная модель структурообразования мелкозернистых поризованных бетонов достаточно наглядно разъясняет необходимость такого большого количества воды затворения при приготовлении смесей (В/Ц > 1).

Автор данной публикации отдает себе отчет, что она носит дискуссионный характер. В то же время, для того чтобы разработанные и испытанные им технологии получили зеленый свет в строительном комплексе, необходимы теоретические разработки в области материаловедения, коллоидной и супрамолекулярной химии, которые смогут объяснить наблюдаемые эффекты, позволят прогнозировать свойства материалов при варьировании технологических параметров. В конечном итоге эти технологии будут признаны на уровне нормативных документов и на законных основаниях внедрены в строительной сфере.

Библиографический список

1. Канарев Ф.М. Теоретические основы физхимии микромира. Монография. – Краснодар, 2009. – 828 с.
2. Голубев С.Н., Голубев С.С. Взгляд на микромир с позиции биолога. Монография. – Владивосток: «Дальнаука», ДВО РАН, 2009. – 245 с.
3. Стенина Н.Г. Вода в силикатах. Сборник докладов на 13-м Международном семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материаловедения. – Новосибирск, 2006. Т. 2. с. 148-151.
4. Черноусенко Г.И. Особенности твердения поризованного мелкозернистого бетона при отрицательных температурах. Новые исследования в материаловедении и экологии // Сборник научных статей. Вып. 5 – СПб, 2005, с. 84-87.
5. Черноусенко Г.И. Криотехнологии поризованных мелкозернистых бетонов // Популярное бетоноведение, 2007, №2, с. 65-67.
6. Перцев В.Т., Черноусенко Г.И. Особенности рецептуры поризованных бетонов // Технологии бетонов, 2009, №4, с. 74-75.
7. Черноусенко Г.И. Принципы конструирования, изготовления и эксплуатации смесителей для производства поризованных бетонов. // Горные, строительные, дорожные и мелиоративные машины. Всеукраинский сборник научных трудов. Вып. 83 – Киев, 2014, с. 55-60.