Ученые спорят о понятиях прочности и эксплуатационной надежности бетонов

«Понимаем ли мы бетон?» — так называлась статья, опубликованная в «Строительной газете» №37 от 21 сентября 2018 года (текст статьи см. ниже). Ее автор, доцент Кубанского государственного технологического университета Геннадий Пшеничный, утверждал, что существующие представления о процессах твердения портландцемента устарели и сдерживают внедрение новых эффективных технологических приемов. По мнению эксперта, традиционная трехстадийная кристаллизационная модель твердения не объясняет природы индукционного периода, скачкообразности, поверхностности, пилообразности процесса и многие другие нерешенные проблемы. В результате теоретическая основа бетоноведения заменена, по выражению автора, кубико-прочностным подходом и ограничивается получением как можно более высокой прочности. Прочность же, хотя и важный показатель несущего бетона, но далеко не определяющий, поскольку несравненно более значимой является его эксплуатационная надежность. Теоретической основой ее достижения может стать стадийно-поверхностный механизм твердения цемента. Раскрывая сущность этого механизма, Геннадий Пшеничный ссылается на американских ученых, которые установили, что при соприкосновении цемента с водой на клинкерной поверхности образуются рассредоточенные сгустки диполей (свободных носителей заряда), представляющих собой шестиопорные шатровые конфигурации. Непрерывная адсорбция диполей к контактным зонам «шатров» повышает поверхностный положительный заряд цементных зерен до критического уровня (индукционный период), приводящего к распаду комплексов (появлению активных частиц). Быстротечное потребление порций диполей для формирования очередного комплекса определяет развитие в межзерновых пустотах вакуума, организующего систему. Процесс протекает стадийно, сопровождается стяжением цементных зерен, появлением и упрочнением их контактных участков посредством накапливающегося поверхностного аморфного гидросиликата кальция. При этом на гидратированной поверхности цементных зерен остаются поверхностно-активные зоны, играющие сложно предсказуемую роль в эксплуатационной стадии. Отсюда автор статьи делает вывод, что прочность бетона должна быть достаточной и не более того, а основное внимание следует уделять надежности цементного композита, которая обеспечивается предельно возможной степенью гидратации цемента в технологический период. Статья Геннадия Пшеничного вызвала весьма неоднозначную реакцию его коллег по научному цеху, поэтому «СГ» решила продолжить дискуссию и дать слово как критикам, так и единомышленникам краснодарского ученого.

Ответы на поверхности?

Среди специалистов, к которым «СГ» обратилась за комментариями, есть такие, которые решительно не согласны с автором статьи «Понимаем ли мы бетон?». В наиболее развернутой форме точку зрения критиков изложил заведующий кафедрой технологии строительного производства Донского государственного технического университета (Ростов-на-Дону), профессор Григорий Несветаев. Он считает, что претензии его коллеги к российскому бетоноведению не обоснованы. Прежде всего, он опровергает утверждение о том, что представления российских ученых о твердении портландцемента устарели. По его словам, знания российских специалистов постоянно пополняются на международных конгрессах по химии и технологии цемента.

«В ЕС тоже испытывают образцы-кубы, — заявляет Несветаев. — На каком основании автор говорит о «теоретической ущербности» представлений отечественных ученых о бетоне? Наши нормативные документы основаны на результатах научных исследований, соответствуют уровню норм стран, на которые обычно указывают как на «развитые». Отдельные вопросы в нормах, например, EN, проработаны более глубоко, другая группа вопросов более детально отражена в отечественных нормах. Это нормальная ситуация».

Григорий Несветаев убежден, что прочность является одним из основных показателей качества, по которому, в первую очередь, классифицируются конструкционные бетоны. Поскольку прочность бетона определяется его пористостью, от которой зависят и свойства, определяющие стойкость бетона в агрессивных средах (морозостойкость, водонепроницаемость и др.), существует связь между прочностью и показателями стойкости, которые, в частности, определяют долговечность конструкции. Эксперт категорически не согласен с утверждением о том, что, поскольку прочность цементных бетонов является динамичным, постоянно меняющимся свойством, ее нельзя считать определяющим свойством несущего бетона. По его мнению, для любого конструкционного материала прочность является одним из основных свойств, при этом речь идет не о прочности «вообще», а о некотором уровне, ниже которого в известных условиях эксплуатации предел прочности материала невозможен с очень высокой степенью вероятности.

«Скачкообразность», по мнению Несветаева, тоже не является загадкой, поскольку при формировании структуры цементного камня в ранний период происходят физические, физико-химические и химические процессы, сопровождающиеся, в том числе, изменениями в поверхности смачивания и количестве свободной воды, что приводит к изменению пластических свойств цементного теста. При этом на протяжении определенных периодов, например, индукционного, видимых изменений практически не наблюдается. Понятна Григорию Несветаеву и природа «пилообразности»: «Некоторые «сбросы» прочности при твердении цементного камня (бетона) вызваны внутриструктурными напряжениями, обусловленными собственными деформациями и градиентом температуры вследствие тепловыделения. Указанные напряжения могут вызвать трещинообразование и «сброс» прочности. Процесс гидратации обеспечивает частичное или полное «залечивание» трещин, что сопровождается ростом прочности. Отсюда «пилообразность». Не разделяет Григорий Несветаев и мнение о том, что отсутствует ясность в понимании формирования ослабленной контактной зоны бетона. По его мнению, одной из причин ослабленной контактной зоны «цементный камень — заполнитель» является контракционная усадка (autogenous shrinkage).

По мнению ученого из Ростова, наука не нуждается в предложенном Геннадием Пшеничным механизме твердения портландцемента. Теорию своего оппонента он не отвергает полностью, но отзывается о ней так: «Дискуссионно. Один из возможных механизмов. В приведенной редакции выглядит как гипотеза в самых общих чертах». Что же касается предлагаемого Пшеничным повторного и циклического вибрирования, этот процесс, по словам Несветаева, хорошо известен. Он оказывает благоприятное влияние, в первую очередь, на водонепроницаемость бетона, поскольку разрушает направленную капиллярную пористость и дефекты контактной зоны, а также на морозостойкость. Понятно, что прочность бетона при этом тоже улучшается.

Каверзные вопросы

Сотрудники лаборатории тонкостенных и пространственных конструкций НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» Светлана Подмазова, Марина Глушкова и Даниил Литвак отмечают, что в статье не представлено ни одного примера реальной альтернативы для «кубико-прочностного» подхода в бетоноведении, который можно было бы повсеместно принять на строительных площадках и производствах. Автор предлагает использовать в качестве критерия оценки достижения бетоном той стадии, на которой возможно дальнейшее нагружение конструкции? Как и в каких единицах можно определить, зафиксировать и выразить для технологов динамику нарастания прочности, а также «структурно стабильный период» бетона, для определения периода момента нагружения? Эти вопросы остаются открытыми. Что же касается метода повторного вибрирования, то в некоторых диссертациях упоминается опыт применения данного метода на производстве, в частности при производстве изделий на вибропрокатном стане. Результаты данных исследований показали, что происходит некоторое повышение прочности бетона, но в очень небольшом диапазоне. Представители НИИЖБ считают, надо понять, что при производстве сборного железобетона может дать наложение повторного вибрирования на бетон изделий.

Если копнуть глубже

Статья Геннадия Пшеничного вызвала противоречивые отклики со стороны специалистов. Многие их ни категорически не согласны с ученым из Краснодара. Но есть и те, кто полагает, что традиционные представления о зависимости прочности бетона от его гранулометрического и химического состава действительно устарели и нуждаются в обсуждении.

К числу тех, кому теория Геннадия Пшеничного не кажется такой уж экстравагантной, относятся химики. Некоторые из них считают, что традиционные представления о зависимости прочности бетона от его гранулометрического и химического состава действительно устарели. Так, заведующий кафедрой химической технологии композиционных и вяжущих материалов Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева Сергей Сивков разделяет точку зрения, что в последние годы у специалистов, работающих в области бетона, сложились упрощенные представления о его твердении. По словам московского ученого, российских бетонщиков захватили идеи получения высокопрочных самоуплотняющихся бетонов путем использования рационального гранулометрического состава заполнителя и наполнителей, обеспечивающих максимальную плотность упаковки частиц, а также использование минимального количества воды в растворной смеси за счет применения современных высокоэффективных гиперпластификаторов. К этому можно добавить еще введение противоморозной добавки. Смесь должна легко перемешиваться, не расслаиваться, иметь достаточную живучесть и давать после затвердевания желаемые прочностные характеристики — вот к чему сводятся требования бетонщиков. А если со временем в бетоне появляются трещины или он самопроизвольно разрушается, то вина обычно перекладывается на производителей цемента или добавок для бетонов. Такой подход Сивков называет «кубиковым» (именно на образцах-кубиках определяют прочность затвердевшего бетона) и призывает «копнуть глубже».

«Бетоны «преподносят» нам много сюрпризов», — говорит специалист. Сивков вспоминает скандал по поводу так называемых «аммиачных домов», тогда аммиак стал выделяться из свежего бетона, и причина этого до сих пор до конца не установлена. Не очень ясна, по мнению московского химика, судьба большого количества органических добавок, которые вводятся в состав бетонов. Их постепенная деструкция может привести к выделению из бетонов веществ, гораздо более вредных, чем аммиак. «Не установлены до конца причины сбросов прочности, которые, в чем я опять же солидарен с Геннадием Никифоровичем Пшеничным, характерны для большинства современных бетонов», – заявляет завкафедрой РХТУ.

С тем, что недостаточно характеризовать состояние бетона и эффективность его работы в конструкции одним лишь показателем прочности, достигаемой на 28-е сутки твердения, согласен и заведующий кафедрой технологии строительных материалов и метрологии Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, профессор Юрий Пухаренко. «Это все равно, что, выдав человеку паспорт в 14 лет, считать, что он проживет долгую и счастливую жизнь, — говорит Пухаренко. — На самом деле все намного сложнее: процессы, изменяющие структуру и свойства бетона, продолжаются десятками лет, на протяжении которых материал испытывает всевозможные воздействия, порой деструктивные. Все это отражается на его эксплуатационных качествах, причем не только (а порой не столько) на прочности, но и на показателях долговечности. Все это должно учитываться уже на стадиях проектирования состава бетона и изготовления строительных конструкций».

Пища для размышления

Правда, с гипотезой Геннадия Пшеничного относительно механизма твердения и причин сбросов прочности бетона столичные ученые согласиться не могут, прежде всего потому, что она не подтверждена опытами. Более правдоподобной причиной периодического падения прочности твердеющего бетона или цемента Сергей Сивков считает доказанное экспериментально явление периодической перекристаллизации или рекристаллизации гидратных новообразований, происходящее под влиянием как внешних воздействий, так и самопроизвольных процессов, протекающих в цементном камне. Ведь недаром бетон на основе цемента считают «живым» материалом, в отличие от «мертвых», таких как, стекло или керамика, полученных при высоких температурах. Бетон в течение десятков и сотен лет меняет свою структуру и прочность. Что же касается технологических рекомендаций использовать повторное виброуплотнение бетонных смесей на стадии их нахождения в пластичном состоянии, то Сергей Сивков предполагает, что некоторое улучшение свойств бетона в данном случае достигается простым удалением уже поднявшихся к поверхности бетона пузырьков воздуха, а не гипотетическим разрушением «дипольных комплексов».

О том, что некоторые рекомендации автора статьи «Понимаем ли мы бетон?» могут оказаться спорными, так как не подкреплены результатами экспериментов и не имеют соответствующего обоснования, говорит и Юрий Пухаренко. В то же время он подчеркивает важность поднятых в статье проблем, которые, по его словам, являются предметом фундаментальных исследований и поэтому должны формулироваться и решаться на государственном уровне с привлечением для этого необходимых средств.

Слабым вниманием государства к строительной науке объясняет причину определенной отсталости отечественного бетоноведения и Сергей Сивков. «Все это происходит потому, что в России постепенно исчезает научная школа о бетоне, как, впрочем, и о цементе. Распад отраслевых институтов привел к тому, что старые научные кадры остались не у дел, а наука о строительных материалах сосредотачивается в основном в учебных заведениях, — считает Сивков. — Там студентов обучают преподаватели, пусть и весьма квалифицированные, но получившие образование двадцать, тридцать и более лет назад. И мало кто из них, за неимением возможностей и способностей, смог повысить свою квалификацию, хотя бы путем внимательного, вдумчивого чтения и анализа научно-технической литературы или различного вида стажировок».

К этому, по мнению ученого-химика, следует добавить отсутствие в большинстве институтов строительного профиля современного научно-исследовательского оборудования или его крайне нерациональное использование из-за незнания нашими учеными и преподавателями возможностей новейших методов исследования применительно к строительным материалам. «Вот и приходится давать студентам, мягко говоря, устаревшие, упрощенные знания, воспитывая в них вышеупомянутый «кубиковый» подход к проблемам бетоноведения», — резюмирует завкафедрой РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Алексей ТОРБА

«Строительная газета», 26 октября – 2 ноября 2018 г.

ПОНИМАЕМ ЛИ МЫ БЕТОН?

Устаревшие представления о твердении портландцемента и материалов на его основе сдерживают внедрение эффективных технологических приемов

Геннадий ПШЕНИЧНЫЙ, доцент института строительства и транспортной инфраструктуры ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ), эксперт научно-технической сферы ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ

II Международная научно-практическая конференция «Современные бетоны и технологии: проблемы, решения, перспективы», посвященная 100-летию со дня образования КубГТУ, состоялась 12-13 сентября 2018 года в Краснодаре. Выступивший на ней начальник отдела промышленности строительных материалов депертамента промышленной политики Краснодарского края Константин Глеков представил анализ состояния и перспектив развития строительной отрасли на Кубани. Председатель технического комитета Американского института бетона Джулия Буффенбаргер поделилась опытом использования в строительстве бетона повышенной долговечности. Старший научный сотрудник лаборатории железобетонных конструкций и контроля качества НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» Дмитрий Кузеванов ознакомил с последними достижениями в области контроля прочности бетона и развития нормативной базы. Первый вице-президент ассоциации «Железобетон» Вячеслав Фаликман затронул экологический аспект в бетоностроительной сфере и рассказал об использовании малоэнергоемких вяжущих веществ. Заведующий кафедрой технологии строительного производства ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» профессор Григорий Несветаев доложил о перспективах формирования для некоторых изделий и конструкций каркасной структуры бетонов, сформулировал основные требования к компонентам. Заведующий кафедрой производства строительных конструкций и строительной механики КубГТУ Сергей Удодов привел данные относительно получения и практического применения самоуплотняющихся бетонов на пористых заполнителях. На конференции были также заслушаны доклады молодых специалистов об использовании в строительной отрасли местного сырья, различных методов повышения прочности бетонов (химическими добавками, кавитационной обработкой дисперсных компонентов, ранним нагружением изделий и конструкций) и о получении уникальных свойств бетонов, в том числе светопропускания.

Разумеется, у пишущего эти строки нет и тени сомнения относительно благих намерений исследователей, их стремления к развитию, совершенствованию и процветанию отечественной строительной индустрии. Получение конкретного результата связано с огромными затратами сил, энергии, интеллекта, жизненного временного лимита, в связи с чем остается пожелать сложившимся ученым и становящимся на этот, порой тернистый и неблагодарный путь, успехов и получения ожидаемых результатов. Тем не менее, возникает ощущение некоей двусмысленности и недосказанности, и тезис одного из организаторов конференции ООО «Реопласт» «Мы понимаем бетон» в значительной мере преувеличен.

Так, давно известная «скачкообразность» (по В.А. Кинду, 1932 г.) отвердевания портландцемента, легко обнаруживаемая различными методами, например, пластометрией (рис.1), так и остается загадкой. Скачкообразность, плавно переходящая в свою позднюю разновидность «пилообразность» (по Л.А. Малининой) – процесс твердения, сопровождающийся периодическими сбросами прочности (рис. 2), также не уточнена. Последний же аспект может быть причиной многих бывших и, к сожалению, возможных аварийных ситуаций и катастроф. Однако, несмотря на бесспорную актуальность отмеченные особенностей, они не только не изучены, но даже не упоминаются в учебных материалах подготовки специалистов строительного направления.

Отечественная бетоностроительная отрасль «развивается» и «совершенствуется» при полном «мраке» в теоретическом плане. Десятилетия используемая трехстадийная кристаллизационная теоретическая концепция откровенно искажает суть отвердевания портландцемента и материалов на его основе. Подтверждением данного обстоятельства является ряд, ставших уже хроническими, научных проблем. Среди них отсутствие ясности в понимании природы индукционного периода, «движущей силы» структурообразования и упрочнения цементного композита, волнообразного (или ступенчатого) характера изменения ряда сопровождающих процесс свойств и явлений, формирования ослабленной контактной зоны бетона (железобетона).

Рис. 1. Кинетика структурной прочности цементных систем

В этом отношении западная модель твердения портландцемента, предусматривающая химическое взаимодействие реагентов минуя индукционную стадию, более последовательна и логична. Теоретический аспект взаимодействия гетерогенной цементной системы следует рассматривать с позиций теории активированного комплекса (по Г. Эйрингу) или переходного состояния (по М. Поляни), предусматривающих взаимодействие реагентов путем предварительного формирования на границе раздела фаз некоей переходной метастабильной энергетической композиции. Общий вид этой композиции, представляющей собой рассредоточенные на клинкерной поверхности дипольные сгустки, впервые обнаружены американскими исследователями еще в 50-х годах прошлого столетия. Периодическое развитие (накопление собственной внутренней энергии) и распад (появлением активных частиц и их взаимодействие) этой композиции и является причиной скачкообразности процесса твердения портландцемента. Быстротечное стадийное потребление цементными минералами порций диполей приводит к появлению в межзерновых пустотах вакуума (движущей силы структурообразования), организующего и упрочняющего микробетон. Принципиальный момент – разрушение компонентов (цементных минералов, воды) происходит при значительно меньших затратах энергии, по сравнению с распадом индивидуальных реагентов. Изложенный механизм характерен не только для начальной (пластичной) стадии, но и для поздних этапов твердения. Вновь образующийся гидрат в условиях сложившейся структуры микробетона является причиной возникновения внутренних растягивающих напряжений и сбросов прочности. Как видно из рисунка 2, временные интервалы сбросов прочности, действительно, приходятся на «определенные сроки твердения» (по В.А. Кинду).

Заметим, прочность цементных бетонов – динамичное, постоянно меняющееся свойство. Этот динамизм обусловлен массообменными процессами цементного композита с окружающей средой и неограниченным во времени химическим взаимодействием реагентов. Поэтому считать прочность несущего бетона определяющим свойством, вряд ли, оправданно. Использование конкретного показателя прочности (величина которого наблюдается в течение весьма продолжительного временного интервала, рис. 2) в качестве критерия для осуществления тех или иных силовых воздействий (нагружения колонн монолитных зданий путем удаления поддерживающих опор, передачи усилия напряженной арматуры на конструкцию и т.п.) должно осуществляться с определенной осторожностью. Нагружать бетон (железобетон) следует в структурно-стабильных (индукционных) периодах, и весьма нежелательные результаты (рис. 3) можно получить при осуществлении этой операции в деструктивных временных интервалах. В связи с этим, под непрерывным контролем несущих элементов должна быть не столько величина прочности, сколько динамика и характер ее развития.

Рис. 2. Кинетика прочности обычных (А) и пластифицированных (Б) составов

на новороссийском ПЦ 500-Д0

Структурная стабильность и эксплуатационная надежность цементных бетонов, таким образом, достигаются в случае использования технологических приемов, согласующихся с движущей силой структурообразования (развивающимся в межзерновых пустотах микробетона вакуумом), обеспечения предельно полного электрохимического взаимодействия реагентов в технологический период. Положительный результат достигается, например, тепловлажностной обработкой (несмотря на закономерное снижение прочности за счет температурного разброса, неравномерной усадки, контракции и микротрещинообразования). Данный аспект должен быть непременно учтен в монолитном производстве высотных и многопролетных объектов.

Рис. 3. Вынужденное усиление колонн монолитных зданий обоймами

из силового проката для предотвращения надвигающейся угрозы обрушения

Цементное тесто, растворные и бетонные смеси – стадийно самоуплотняющиеся объекты, по природе своего твердения требующие обязательного приложения в пластической стадии в рациональные сроки (моменты самоорганизации) дополнительных силовых воздействий (вибрирования, пресссования, трамбования). Циклическое вибрирование является фактором, обеспечивающим компактную упаковку клинкерных частиц, уплотнение «клеевых прослоек» микробетона, существенное упрочнение контактной зоны «цементный камень – заполнитель (арматурные элементы)», повышение трещиностойкости, плотности, морозостойкости и надежности бетонов. К тому же, представляется возможность интенсификации твердения бетона, сокращения продолжительности тепловой обработки, до 10-15 % снижения расхода энергозатратного портландцемента. Циклическая виброактивация вполне вписывается в стендовое, кассетно-стендовое, некоторые разновидности конвейерной технологии сборной железобетонной продукции и монолитное производство несущих элементов зданий и сооружений (стен, колонн, шахт лифтов и др.). Данный прием – не использованный в должной мере резерв совершенствования отечественной строительной отрасли.

ЦИТАТА В ТЕМУ

«Можно ли производить продукцию «с наперед заданными свойствами», имея смутное представление относительно механизма, физической сущности конкретного явления? Конечно же, очевиден отрицательный ответ на этот вопрос. Производить продукцию требуемого качества возможно исключительно «направленным» воздействием, согласованием технологических факторов, приемов и воздействий с особенностями и закономерностями структурообразующего процесса».

ЦИТАТА В ТЕМУ

«В отечественной бетонной науке сложилась непростая, требующая кардинального и оперативного решения ситуация. Теоретическая ущербность породила «кубико-прочностной» подход в бетоноведении и строительной практике. Прочность считается едва ли не синонимом качества несущего бетона, определяющая, по мнению некоторых авторов, его долговечность, надежность и область применения. При этом наметившаяся тенденция получения высокопрочных бетонов путем снижения расхода воды и использования сильно действующих гиперпластификаторов входит в явное противоречие с предостережением бесспорных бетоноведческих авторитетов: В.В. Бабкова, А.Ф. Полак, П.Г. Комохова, указывавших на опасность такого рода технологий. Подтверждение тому – существенные поздние деструктивные процессы в так называемых бетонах «нового поколения».

СПРАВОЧНО

Организаторы II Международной научно-практической конференции «Современные бетоны и технологии: проблемы, решения, перспективы» - департамент промышленной политики Краснодарского края, ФГБОУ ВО «КубГТУ» и ООО «Реопласт». Цель конференции – повышение значимости интеллектуального капитала, как важнейшего фактора инновационного развития строительства; основные задачи – проанализировать и оценить проводимые научные исследования с точки зрения их результативности, способствовать внедрению современных технологий.

«Строительная газета», 21 сентября 2018 г.