Технология бетона неразрывно связана с различными областями науки и техники и не может изучаться без глубокого знания свойств вяжущих. Изучение технологии бетона предопределяется специализацией студентов, для которых все процессы технологии строительных материалов и в данном случае технологии бетона проектируются, организуются и осуществляются в их практической работе. Это положение определило структуру и содержание учебника. Такое построение не только облегчает изучение прикладных дисциплин, аналогичных данной, где подавляющее количество сведений носит экспериментальный характер и опирается на данные, проверенные многолетней практикой, но и поднимает их на более высокий уровень. Систематизация помогает выявлять новые закономерности со всеми вытекающими отсюда положительными результатами. Многолетний опыт работы в проектных, строительных, исследовательских организациях и в высшем учебном заведении, постоянная связь со специалистами, повышение научного уровня в области технологии бетона, равно как и других дисциплин (технологии асфальтобетона, грунтобетона и др.), будет способствовать повышению качества работ и снижению их стоимости.
В каждом параграфе, кроме традиционных названий, которые понятны специалистам, например «марка цемента», указано более точное «марка цемента по прочности»; этим обращается внимание на более широкое понятие марки. С этой целью рассмотрены история и обстоятельства, связанные с их возникновением и последующей эволюцией, которая произошла по ряду причин, связанных как с развитием научных представлений, так и с прямыми производственными разработками, сущность которых и успех их применения не всегда подкреплены теорией.
Как в цепи нельзя допускать разнопрочности звеньев, так и в любом комплексном вопросе, в данном случае в технологии бетона, недопустима неравноценность внимания к теоретическим и практическим положениям и сведениям, размещенным в разных параграфах.
Для развития у студентов творческого подхода к изучению этого курса даются подробный анализ наиболее важных сторон с позиций механизма процесса и их прикладного значения для технологии Сетона; рекомендации, связанные с творческими разработками ученых-технологов, оправдавшимися хотя бы в единичных случаях строительной практики, и обоснования их широкого применения, проблемные разработки, целесообразность которых вытекает из анализа того или другого положения о технологии бетона. При этом не должно быть крайности: отрицания технических нормативов в силу их известного несовершенства или формального исполнения таких нормативов, без желания их совершенствования, доказательства приемлемости новых рекомендаций и их утверждения в виде более прогрессивных технических документов.
Проверка нового, которая идет параллельно со старым методом испытания, должна быть обстоятельной, объективной, доказывающей целесообразность замены старого новым. Результат фиксируется выпуском нового технического документа. В ряде случаев возникают проблемы, связанные с совершенствованием той или иной методики, или более совершенной классификацией материалов. К ним можно отнести проблему улучшения свойств цементов всех видов и марок путем использования комплексных неорганических и органических добавок, которые, с одной стороны, регулируют водопотребность цементов, а с другой стороны — процессы их структурообразования, в том числе сроки их твердения. Введение добавок надо рассматривать не только с позиций экономии цемента, а и коренного улучшения их строительно-технических свойств (например, добавка типа гидрофильной сульфитно-спиртовой барды).
Столь же характерным примером может служить испытание бетонов на морозостойкость. Различие в испытании камня и бетона на морозостойкость заключалось в количестве смен, или циклов оттаивания и замораживания образца. С течением времени накапливания информации о состоянии сооружений (конструкций) из бетона (железобетона) число циклов испытания увеличилось, что должно как бы отвечать общей идее испытания материалов на прочность. Бетон не разрушается при большем числе циклов, следовательно, он имеет большую морозостойкость. Однако морозостойкость нельзя смоделировать одним лишь числом циклов испытания.
Из сказанного не следует делать вывод о бесполезности многолетних исследований, в данном случае морозостойкости бетона. Наоборот, именно исследования показали необходимость более совершенной организации таких работ, которая не мыслится без использования достижений науки и техники, в частности с помощью ультразвуковой дефектоскопии.
Ультразвуковые испытания, систематически развиваемые за последние пятнадцать лет, оперативно и весьма определенно фиксируют такие изменения, следя за каждым нарушением сплошности материала, если она возникает при испытании. Необходимость пересмотра трудоемкой и длительной методики испытания бетона на морозостойкость несомненна.
Существующие методы не только трудоемки и не представительны (не моделируют разнообразия всех требований, которые надо обеспечить при испытании образцов), но и столь длительны, что результаты даже таких неполноценных испытаний, как стандартные, не могут быть выданы производству в заданный срок.
Условно для подбора составов бетона по прочности требуется от одного до двух месяцев, а для испытания бетона морозостойкостью в 200 циклов — один год. По этой причине в последние годы некоторые исследователи пытаются разработать ускоренные методы испытания, в основе которых лежат испытания образцов при температурах ниже температур, при которых будет работать бетон конструкции.
Химические процессы между цементом и водой обусловливают упрочнение бетона и связаны с образованием в нем пористости. По этой причине необходимо особое внимание обращать на качество исходных компонентов и возникающий при изготовлении бетона физико-химический процесс твердения. Обязательным условием приготовления смесей (растворных, бетонных) при существующих приемах работы является избыток воды в смеси против того количества, которое обеспечивает процесс твердения. Из-за избытка воды и испарения части воды в бетоне всегда образуются поры, количество, размер и качество которых во многом определяют любые свойства. Под качеством пор подразумевается наличие в цементном камне пор, часть объема которых заполнена сжатым в нем воздухом. Изъятие воздуха и заполнение пор водой во время схватывания и первых часов твердения приводит такие бетоны, достаточно морозостойкие в лаборатории, к исключительно быстрому разрушению. Это происходит потому, что разрушения распространены по всем поверхностям контактных зон цементного камня и поверхности каменного материала (зерен песка, гравия, щебня). Разрушение бетонов, твердевших без изъятия из них воздуха, происходит постепенно и начинается с наиболее слабых мест. Таким образом выясняется природа бетона — материала неоднородного. Сокращение числа слабых мест в бетоне стало доступным, так как известны причины их образования. Принцип проектирования долговечности бетона базируется на уменьшении в нем дефектных мест.
По-видимому, факт резко различной морозостойкости бетонов подтверждает гипотезу о причинах разрушения бетона, которые проявляются лишь в строго определенных условиях. Следовательно, можно получить такой состав бетона, который при попеременном воздействии воды и мороза не будет разрушаться при любом числе циклов, так как в нем не возникнут напряжения, обусловленные переходом воды в лед в капиллярах и порах бетона. Срок службы сооружений из бетона в силу его особенностей и высокой стоимости должен определяться не разрушением последнего, а моральным износом сооружений, где он использован.
Особое значение для стабильной работы железобетонных конструкций, в которых напрягается арматура, имеет свойство бетона длительно деформироваться даже под весьма незначительными нагрузками (при относительно небольших напряжениях). Это свойство названо ползучестью. При изучении ползучести бетона необходимо учитывать все сведения о компонентах бетона и, в первую очередь, цементе и цементном камне. Исследованиями установлено, что одинаковые по величине относительные деформации ползучести могут возникать по разным причинам. Это не безразлично для работы сооружения (конструкции, детали). Для низкомарочных шлако-портландцементов характерна низкая морозостойкость и высокая ползучесть. Выводы о шлакопортландцементе по этим испытаниям использовать нельзя, так как в них отсутствует необходимый анализ качества шлакопортландцемента, примененного в опытах; неизвестно, какие минеральные порошки и как вступили в реакцию и образовали цементный камень.
Порошки, не вступившие в реакцию, являются микронаполнителем я для качества цементного камня имеют специальное назначение. По этой причине, с тем же результатом для формирования цементного камня вместо шлака мог быть взят минеральный порошок иного генезиса (например, молотый кварцевый песок, зола, молотый карбонатный порошок). Опыты на шлакопортландцементах, содержащих 70—80% гранулированного доменного шлака тонкого помола, показывают, что в этом случае получаются высококачественные цементы, позволяющие готовить бетоны высокой морозостойкости, низкой ползучести, высокой химической стойкости, в частности, в мягких и сульфатных водах. Особый интерес этот цемент должен представлять в технологии сборного железобетона. Он может быть назван шлакопортландцементом в силу формирования из него структур цементного камня на основе химических процессов всех его компонентов с водой. Образование структур цементного камня в таких цементах проходит с наибольшим техническим эффектом при высоких температурах и высокой относительной влажности воздуха. Такие смешанные цементы нашли широкое применение в строительстве гидротехнических сооружений, мостовых опор, где решающее значение имеет сохранение монолитности сооружения (конструкции, детали), которая нарушается из-за экзотермии цемента, вызывающей температурные напряжения в бетоне.
Отметим, что условия твердения цементов любых видов и марок не привлекают к себе должного внимания; это находит отражение и в технической литературе. Твердение — длительный физико-химический процесс, имеющий для каждого вяжущего строго определенные параметры условий: его кинетики, температуры, влажности. Наличие в ГОСТе только нескольких показателей прочности на конкретные сроки (3, 7 и 28 сут.), а не на любой день формирования структуры цементного камня, показывает, насколько разнообразны условия ее организации из-за полиминеральности, полидисперсности и полиагрегатности цемента, даже в строго определенных стандартных условиях. Для превращения всего количества цемента в новообразования (в продукт процесса твердения полиминеральных зерен цемента с водой) последний должен иметь определенный набор зерен, не связанных в агрегаты, быть обеспечен наличием воды в системе цемент + вода, сохраняющейся в ней длительное время, измеряемое годами. В наших опытах бетон после 35 лет твердения под водой на дне канала им. Москвы содержал до 30% зерен, не вошедших в реакцию с водой в цементе обычного состава (а не оптимального для ускорения сроков полноценного твердения). Цементный камень, содержащий такие зерна цемента, был назван микробетоном Юнга. В своих исследованиях этого вопроса, проведенных в 1938—1940 гг., Ю. М. Бутт и С. Д. Окороков показали, что в заводских цементах в стандартных растворных образцах марочной прочности (через 28 сут. стандартного твердения) в реакцию с водой вступает от 40 до 60% цемента, содержащегося в образце.
Одним из исследовательских направлений в этой области являются разработки, позволяющие повысить количество цемента в процессах твердения. Одно из них — изыскание цементов с большей полнотой твердения в наиболее короткие сроки; другое — изыскание ускорителей твердения, доступных для столь обширной области применения, как бетонные работы, не вызывая при этом коррозии арматуры; третье направление — разработка наиболее совершенных методов уплотнения бетонных смесей, содержащих минимальные количества воды затворения.
Особая роль в любой технологии производства отводится лабораторному контролю. В данной технологии, связанной с технологическими переделами, исполнение которых весьма различно по содержанию и местам выполнения (приготовление смеси — чисто заводской процесс, транспортирование смеси, ее уплотнение и уход за бетоном — специфически строительный процесс), роль лаборатории особенно значительна. Однако нельзя лабораторный контроль ограничивать проверкой качества материалов, завезенных на строительные площадки, приготовленной смеси и соблюдением технологических нормативов. Задачи работников лаборатории значительно шире. Опыт показывает, что наибольший успех связан с научной организацией работ, в которые входят профилактические мероприятия, предпринимаемые лабораторией заблаговременно, в частности, и участие ее работников в анализе проекта организации и механизации работ.
Одним из вопросов, обеспечивающих успех в работе, является обучение кадров на любом участке производства. Исполнители, твердо знающие и специфику работ, будут выполнять ее технически грамотно. Перечисленные вопросы не могут быть решены и тем более внедрены без критического осмысливания теоретической базы этой дисциплины и ее практического состояния. В этих вопросах первым шагом является изучение основ дисциплины, которая и изложена в курсе «Технология бетона».