Авторы статьи отмечают, что стадийно-поверхностный гидратационный процесс приводит к формированию на гидратированных цементных зернах локально рассредоточенных остаточных поверхностно-активных зон. Они обнаруживаются электронной микроскопией в виде сферических пор и каналов диаметром 0,3 мкм и менее. Эти зоны относительно равновесны, сохраняются в цементном композите неопределенно продолжительное время, являются объектами как естественной поздней гидратации, так и химических процессов, инициированных внешним, в том числе вибрационным воздействием.

УДК 693

Г.Н. ПШЕНИЧНЫЙ, канд. техн. наук, Б.П. ПОПОВ, бакалавр, ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»

Ключевые слова: портландцемент, гидратация, стадийность процесса, микробетон, поверхностно-активные зоны, вибрация бетона
Keywords: Portland cement, hydration, process staging, micro-concrete, surface-active zones, vibration of concrete

Нередко железобетонные здания и сооружения подвергаются вибрации, например, при забивке свай на рядом расположенной строительной площадке. При этом за счет резонансных явлений отдельные железобетонные элементы верхних этажей многоэтажных зданий приобретают вибрационные параметры, многократно превышающие таковые нижних этажей [1], что может привести к трещинообразованию и снижению несущей способности конструкций. Не исключена также неравномерная просадка сотрясаемого грунта, вызывающая недопустимые деформации фундамента и реальную аварийную ситуацию. Все это справедливо и не вызывает сомнений. Вместе с тем хотелось бы обратить внимание на вероятность не менее значимого деструктивного аспекта – вызванного вибрацией позднего химического процесса, который вряд ли будет безболезненным для структуры и свойств цементного композита.

Взаимодействие гетерогенной цементной системы имеет поверхностный характер [2], предусматривающий переход из исходного в гидратированный вид через стадии формирования на границе раздела фаз, развития и распада метастабильного активированного комплекса, представляющего собой определенным образом рассредоточенные на клинкерной поверхности шестиопорные шатровые полимолекулярные построения диаметром до 0,5 мкм. Представление о «конструктивном устройстве» элементарного активированного комплекса дает С.В. Зенин в [3].

Метастабильность (неустойчивость тенденции развития) комплекса определяется наличием под дипольными сводами энергетически не насыщенных активных центров (связей ионов кальция цементных минералов) твердой фазы и динамизмом жидкой среды (постоянным колебательным и вращательным тепловым движением диполей, непрерывным их перемещением по микрокапиллярам кластеров). Развитие сформировавшейся полимолекулярной композиции (аккумулирование собственной энергии) идет по пути постепенного накопления у опорных зон диполей воды («свободных носителей заряда», по М.М. Сычеву [4]), приводящего к закономерному повышению ξ-потенциала пространственного двойного электрического слоя (ДЭС) цементных дисперсий до критического уровня, завершающегося распадом комплекса, появлением активных частиц и их быстротечным (взрывообразным) взаимодействием.

Отмеченная электрохимическая последовательность определяет постепенное заполнение подшатровых клинкерных микроповерхностей гидросиликатом кальция в виде аморфизированной «слоисто-бугорчатой» массы без всяких «признаков кристаллических образований» [5] (рис. 1). При этом адсорбированные прочно связанные друг с другом диполи играют роль своеобразных «фильер», сквозь периферийные зоны которых выдавливаются увеличивающиеся в объеме новообразования, формируя волокнисто-трубчатую модификацию новообразований (рис. 2).

Логический финал процесса – появление на гидратированной поверхности цементных зерен локально рассредоточенных остаточных поверхностно-активных зон (с адсорбированными кластерами), легко обнаруживаемых электронной микроскопией в виде оснований каналов или сферических пор диаметром 0,3 мкм и менее в поверхностном гидросиликатном продукте (рис. 2, 3). Эти зоны относительно равновесны, сохраняются в цементном композите неопределенно продолжительное время, являются причиной «непредсказуемости» [6], формальной живучести [7] цементного композита, объектами как естественной поздней гидратации (с неизбежным возникновением внутренних структурных напряжений), так и инициированных внешним (в том числе вибрационным) воздействием химических процессов.

Гидратационный процесс сопровождается гидролизом силикатов кальция, выбросом в поровую жидкость ионов кальция. Таким образом, жидкая среда является электролитом с постоянно меняющейся концентрацией ионов Са+2. Для фиксации данной особенности рационально использование электрофизического метода, основанного на изучении кинетики электродвижущей силы (ЭДС), введенной в цементную систему гальванической пары, в качестве которой целесообразно применять медь-алюминиевое сочетание (с электродными потенциалами металлов, соответственно, +0,34 и -1,66 В), позволяющее существенно повысить электродное напряжение, точность и чувствительность испытаний. Гальваническая пара (рис. 4, поз. 5) выполнена в виде жесткого цилиндрического элемента диаметром 15 мм и высотой 45 мм (включает по 20 мм алюминиевый и медный электроды и 5 мм – изолирующее кольцо).

Последовательность работ заключалась в следующем. На основе воронежского ЦЕМ I 42,5 Н (производство ­«ЕВРОЦЕМЕНТ груп») стандартным (ГОСТ 310.3) методом приготавливали цементное тесто с В/Ц=0,28 и укладывали в сетчатые цилиндрические формы диаметром и высотой 50 и 70 мм с внутренней однослойной прокладкой из фильтровальной бумаги. В центральную часть образцов погружали гальваническую пару, смесь тщательно уплотняли, поверхность образцов заглаживали, покрывали фильтровальной бумагой, форму помещали в заполненную питьевой водой пластиковую емкость и выдерживали до момента испытания (водные условия твердения необходимы для предельного заполнения формирующегося капиллярно-порового пространства микробетона электропроводящей жидкой средой). В требуемом возрасте емкость с водой и одним из образцов жестко крепили к виброплощадке; вторую емкость с эталонным (не подвергаемому вибрированию) образцом располагали в непосредственной близости (рис. 4). С 10-минутным интервалом (в течение часа – в обычном состоянии, затем с вибрированием) милливольтметром фиксировали величину ЭДС гальванических пар и по полученным результатам строили соответствующие зависимости.

Анализ полученных результатов (рис. 5) не оставил сомнений относительно химической сущности вибрационного уплотнения цементного композита. Вибрирование разрушает водородные связи адсорбированных на клинкерной поверхности водных кластеров, активирует диполи, провоцирует в итоге гидролиз силикатов кальция. Выделяющиеся при этом ионы кальция мгновенно меняют ионную силу поровой жидкости, о чем косвенно свидетельствуют явно выраженные чередующиеся «всплески» кривых. Заметим, что и в эталонном образце также просматриваются соответствующие эффекты, обусловленные непрекращающимся («плановым») гидратационным процессом.

Опыты проведены на цементном материале раннего возраста, тем не менее основные позиции явления, вряд ли будут иными при оперировании бетонами иных составов, сроков и условий твердения. Таким образом, деструктивное действие вибрации обусловлено не только ранее упомянутыми резонансными явлениями и связанным с ними трещинообразованием, но и провоцированием вибрационным воздействием гидратационных преобразований. Появляющийся в условиях сложившейся структуры микробетона гидратный продукт является источником внутренних напряжений, причиной микротрещинообразования и сбросов прочности.

Выводы:

1. Стадийно-поверхностный гидратационный процесс приводит к формированию на затвердевших цементных зернах локально рассредоточенных остаточных поверхностно-активных зон с адсорбированными водными кластерами. Данная морфологическая особенность микробетона легко обнаруживается электронной микроскопией в виде каналов и сферических пор диаметром 0,3 мкм и менее в гидросиликатном материале.

2. Поверхностно-активные зоны определяют непредсказуемость, формальную живучесть и адаптационную способность микробетона (бетона в целом) к внешним факторам. Эти зоны относительно равновесны, сохраняются в цементном композите неопределенно продолжительное время, являются объектами как естественной поздней гидратации (со сбросом прочности), так и химических процессов, инициированных внешним воздействием.

3. Негативное действие на бетон (железобетон) вибрации связано не только с резонансными явлениями и трещинообразованием, но и с химическим аспектом. Вибрационные воздействия разрушают водородные связи кластеров поверхностно-активных зон, активируют диполи, провоцируют гидратационный процесс, возникновение внутренних растягивающих напряжений с неизбежным деструктивным сопровождением.

4. Повышение вибрационной стойкости бетона и железобетона может быть достигнуто при предельно полном и завершенном гидратационном процессе, который обеспечивается достаточно простыми технологическими приемами: водным твердением, использованием добавок-ускорителей, тепловой обработкой, активизирующими воздействиями (силовыми, вибрационными и др.).

Библиографический список

1. Капустин Н.К., Щерба В.Г. Особенности забивки свай вблизи зданий. www.stroinauka.ru.

2. Пшеничный Г.Н. О гидратации портландцемента. Часть 2 (стадийно-поверхностная схема) // Технологии бетонов, №7-8, 2016, с. 43-49.

3. Зенин С.В. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем: дисс. … докт. биол. наук. – М., 1999, – 207 с.

4. Сычев М.М. Твердение вяжущих веществ. – Л.: Стройиздат (­Ленингр. отд.), 1974, – 80 с.

5. Бикбау М.Я. Наноцементы – будущее мировой цементной промышленности и технологии бетонов // Технологии бетонов, №3-4, 2016, с. 38-41.

6. Рахимбаев Ш.М. Экологичный портландцемент // Технологии бетонов, №7-8, 2010, с. 18-19.

7. Подвальный А.М. Физико-химическая механика – основа научных представлений о коррозии бетона и железобетона // Бетон и железобетон, №5, 2000, с. 23-27.