Как следует из анализа эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций, ранее сказанное о процессах твердения цемента и комплексной марке позволяет утверждать, что прочность бетона является понятием, не ограничивающимся широко известным представлением о сопротивляемости материала статическим и динамическим внешним силам разных видов, т. е. свойство материала не разрушаться из-за возникающих при этом напряжений. Статические и динамические внешние силы достаточно хорошо можно учесть и с помощью несложных экспериментов определить их воздействие на лабораторных моделях, а также непосредственно в конструкциях; воздействие агрессивных сред на материал не поддается столь же очевидному учету. Тем более усложняется представление о прочности материала и конструкций при совокупном влиянии статических, динамических внешних сил и агрессивных сред. Нельзя забывать, что разрушение материала от напряжений, которые возникают при воздействии внешних сил, относительно точно учитывается путем применения теоретических концепций, связанных с понятием предела прочности материала.
Многочисленные исследования показывают, что привлечение локальных сведений, полученных в лабораторных условиях на сравнительно небольших образцах, и механические расчетные усилия не дают полноценной информации. Одним из методических приемов можно считать выбор таких составов бетона, которые будут стойкими в сооружении. В этом случае определение прочности бетона значительно упрощается и с надлежащей точностью фиксируется лабораторными испытаниями и расчетом.
Для выяснения поведения бетона в агрессивных средах существуют различные методы испытания. Однако опыт эксплуатации конструкций (сооружений) показывает, что необходимо моделировать самые разнообразные условия работы бетона. Методы и испытания можно совершенствовать только на основе раскрытия закономерностей взаимодействия бетона с окружающей средой, понимания процессов, происходящих в нем, умения выделить главные факторы, определяющие заданный срок сохранения бетоном конструкций (сооружений) прочности в каждой их зоне, специфической по условиям работы. Здесь надо учесть, что под сроками надежной работы понимается период времени, исчисляемый не материальным, а моральным старением конструкций (сооружений).
На данном уровне исследований нужно для всех видов испытания вводить один и тот же критерий — сроки разрушения образцов, а не только тенденцию к снижению их. прочности после испытания. Это поможет лучше понять механизм действия разрушающих агентов и от лабораторных испытаний перейти к определению сроков надежной эксплуатации бетона в производственных объектах. Так, морозостойкость фиксируется по снижению прочности против эталона без определения времени, требующегося для полного разрушения. Учитывая значительную трудоемкость и продолжительность испытаний бетонов на воздействие агрессивных сред, некоторое удлинение сроков их испытания за счет доведения образцов до полного разрушения фактически оправдано надежностью рекомендуемых составов бетона.
Особое значение приобретает рассматриваемый вопрос при изготовлении сборного и монолитного массивного бетона и железобетона. В этом случае как сроки получения бетона заданной прочности, так и число марок бетона по прочности на различных стадиях его использования весьма различны и составляют от нескольких часов до одного года.
Действительно, для распалубки конструкции назначается одна марка бетона, затем для ведения строительного процесса другая и, наконец, для осуществления эксплуатационных задач — третья. По этой причине следует рассмотреть вопросы, связанные с условными понятиями: низкая и высокая прочность, медленно- и быстротвер-деющие цементы (бетоны, растворы). Но это нельзя рассматривать вне условий использования любых вяжущих. Действительно, сравнивая цементы с разной характеристикой их активности, легко определить, какой из них имеет более высокую прочность, или анализируя кинетику роста прочности цементов с одинаковой или близкой активностью, сказать, какой из них более быстро упрочняется. По указанным признакам цементы и были стандартизированы.
Целесообразно наряду с анализом особенностей той или другой стандартизации рассмотреть указанные понятия в более широком плане, т. е. условия применения цемента в строительстве, где главным показателем будет технико-экономический критерий, соответствие качества цемента требованиям проекта, а не только показатели цементов по стандартной прочности и кинетике ее изменения во времени.
По ГОСТ 10178—62 цементы в зависимости от вида разделены на следующие марки: 1) шлако- и пуццолановый портландцемента—200, 300, 400, 500; 2) шлаковый магнезиальный портландцемент-—200, 300, 400; 3) сульфатостойкий пуццолановый портландцемент — 200, 300, 400; 4) сульфатостойкий портландцемент и портландцемент с умеренной экзотермией — 300, 400; 5) портландцемент, пластифицированный и гидрофобный портландцемента — 300, 400, 500, 600.
Указанное перечисление марок подтверждает положение о невозможности оценивать качество цемента только сравнительной марочной прочностью. Однако раньше широко пользовались этим неверным приемом оценки качества цемента. В ряде случаев такой способ оценки качества цемента используется и теперь. По различным стандартным характеристикам цементная промышленность выпускает около 90 видов марок цемента. Естественно, возникает вопрос, нужно ли столько разновидностей цемента. Ответить на этот вопрос можно лишь при осведомленности об условиях использования цемента в строительстве и свойствах цемента.
Перечисленные в ГОСТе виды и марки цемента не дают строителю необходимых сведений о свойствах цемента. Исчерпывающая информация о свойствах цемента может быть сосредоточена только в технических документах — каталогах. Требования к качеству цемента связаны со всеми стадиями проектирования сооружения, начиная с изысканий, связанных с выбором места строительства, и кончая стадией проектирования организации работ и проектирования бетона, составляющих часть процесса расчета и проектирования конструкций (сооружений). По этой причине, например, недопустимо применение высокопрочного портландцемента в крупных массивах, как и портландцемента М300 в высокопрочных бетонах, что является основным положением в соблюдении принципа соответствия материала условиям его назначения. Следовательно, только с позиций полного соответствия цемента требованиям, предъявляемым к его использованию, строитель должен оценивать понятия низкой и высокой прочности, медленного и быстрого твердения. Однако сказанное об оптимальном соответствии материалов условиям производства работ и эксплуатации бетона (железобетона), и оценка качества продукции цементного заводам по затратам труда не соответствует стоимости цемента с указанными различиями.
Действительно, с одной стороны, для получения цементов высоких и низких марок нужны различные затраты материальных ресурсов, а с другой — значительное количество бетона в строительстве, в частности в конструкциях, не подвергающихся агрессивным воздействиям, целесообразно изготавливать на цементах с большей относительной прочностью, обеспечивающих кинетику твердения до заданной марочной прочности бетона. Следует также иметь в виду, что к цементам высоких марок всегда целесообразно добавлять мелкомолотые минеральные добавки, что позволяет из одной тонны клинкера производить значительно больше цемента соответствующего вида, и марки.
Итак, понятие о цементах, связанное с представлением об их качестве, например, только по сравнительной оценке прочности, не должно использоваться в практике строительных работ, так как оно не отвечает широкому представлению о качестве цемента, которое всегда многообразно и обязательно связано с условиями приготовления и использования цемента -в строительстве. Строитель, как правило, всегда связывает понятие прочности с представлением о стойкой работе конструкции (сооружения), с быстротой получения бетона проектной марки, а во многих случаях и с получением возможно быстрее необходимых по ходу работ промежуточных марок бетона, обеспечивающих возможность снятия опалубки, передачи собственной массы конструкции на материал, перевозки элементов, деталей, изделий и конструкций из сборного бетона (железобетона).
Рассмотрим детальнее ряд вопросов, возникших при изложении этой задачи:
1. Основные причины приготовления разнообразных видо-марок цемента. Указанные даты использования тех или других марок бетона не связаны со сроками введения этих марок.
В соответствии с нормативными документами появились рекомендации, необходимые для выполнения работ: 1) в 1934 г. при использовании общих нормативных рекомендаций по назначению марок, например, на строительстве канала им. Москвы были введены для применяемых марок бетона по прочности индексы, в которых формулировались дополнительные требования к качеству бетона (+М— по морозостойкости, +В — по водонепроницаемости); 2) в 1950 г. для изготовления предварительно напряженного железобетона рекомендовано область применяемых марок ограничить М300—600; 3) в 1957 г. по СН 10—57 область использования бетона ограничивалась М200—600, более низкие М100 и 150 разрешалось применять при специальном обосновании; в 1970 г. (СНиП П-В. 1—62) дан ряд указаний, а именно: как правило, не допускаются марки бетона ниже M150 при проектировании железобетонных конструкций; при напрягаемой арматуре не допускается бетон ниже М200; для конструкций, подлежащих расчету на выносливость, не рекомендуется бетон ниже М200; для бетонных конструкций не следует применять бетон выше М300; для конструкций, работающих в условиях попеременного замораживания и оттаивания, требуется устанавливать не только марку по прочности, но и по морозостойкости. Существует ряд других требований, из которых одно имеет непосредственное отношение к особенностям роста прочности бетона — необходимость устанавливать проектные марки не только на 28 сут. твердения, но и на иные сроки, что должно быть специально обосновано. В нормах СССР от 1931 г. марки бетона назначались на сроки 28 сут. (для бетонов с меньшим содержанием воды—-из жестких смесей) и 42 сут. (для бетонов с большим содержанием воды — из литых смесей). Автор преследовал цель показать причину возникновения большого числа видо-марок цемента, а не информировать изучающего технологию бетона о существе и разнообразии различных норм. Из приведенных сведений следует, что систематически, из года в год, совершенствовались знания в области технологии бетонов и химии силикатов. Следовательно, проектировщики бетонных (железобетонных) конструкций, связанные с развитием науки о бетоне, формировали более точные требования к материалу — бетону и цементу.
По нормам 1931 г., применяемым в СССР, максимальная марка бетона составляла 210 кг/см2 (10-1 МПа). В ряде стран нормировалось применение бетонов из жестких и литых смесей, а также из смесей, поддающихся трамбованию, и не указано об использовании пластичных смесей. Расходы цемента не связаны с активностью цемента, так же как нет дифференцирования составов бетона по условиям работы. Только в отдельных нормах дано указание о расходах цемента с учетом работы бетона в сухих и влажных условиях. В нормах СССР 1931 г. указано о подборе состава бетона для сборного железобетона и сроках, связанных со спецификой их изготовления и монтажа.
Действительно, в последних нормах появились не только значительно более высокие марки бетона 500 и 600 кг/см2 (Ю-1 МПа) (в ряде случаев и марки по пределу прочности на растяжение, в частности, для дорожного бетона по ГОСТ 8424—72 и по пределу прочности на растяжение при изгибе), но и комплекс требований, обеспечивающий: выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся подвижной или пульсирующей нагрузки (например, железобетонных шпал), строго ограниченный предел деформирования конструкций, обеспечивающий надежность их эксплуатации, а также трещиностойкость, морозостойкость, химическую стойкость и другие свойства, без наличия которых недопустимо изготовление бетона. Развитие нормативных требований к бетону непосредственно связано не только с совершенствованием знаний ,в данной области, но и в увеличении применения железобетона, исключительно долговечного и универсального материала.
Дальнейшее совершенствование указанной классификации, которая должна базироваться на классификации проектируемых конструкций, с учетом различных факторов их эксплуатации, позволит не только сократить число видов и марок цемента, но и наиболее глубокой научной основе их изучения должно помочь дальнейшему совершенствованию свойств цементов.
Взгляды строителей на технические требования к цементу формировались на отечественном и зарубежном опыте использования цемента в строительстве. Критическое отношение к отдельным видам и маркам цемента выразилось в разработке большого числа ведомственных технических условий. Так, в 1935 г. появились технические требования к пуццолановым цементам, пуццоланизируе-мым непосредственно на строительных площадках, что было связано с недостаточным количеством цемента в стране, в частности именно пуццоланового цемента, и одновременным производством работ на строительстве московского метрополитена и гидротехнических сооружений канала им. Москвы. Вслед за этим были разработаны требования на низкомарочные многокомпонентные цементы (в частности, на песчано-пуццолановый портландцемент для гидротехнического строительства), магнезиальный портландцемент, цемент с подобранным минералогическим составом для гидротехнического массивного бетона, дорожный и сульфатостойкий портландцемент, пластифицированные и гидрофобные цементы и многие другие сорта, виды и марки цементов.
2. Цементы с относительно невысокой прочностью. Величина прочности цемента и скорость ее нарастания до стандартного срока в 28 сут. в основном зависит: от петрографического состава цемента (сюда входят минералогический состав цемента, особенности построения и взаимного расположения минералов); количества гипса; гранулометрии цемента; свежести поверхности его зерен и степени их агрегирования; наличия в цементе вполне определенного количества минеральных мелкомолотых добавок, вступающих и не вступающих в химическую связь с минералами цемента.
Влияние мелкомолотых минеральных добавок на прочность цемента необходимо связывать со взаимной гранулометрией цемента и добавок, а не только с их количеством. Сказанное о причинах получения цементов с более низкими прочностями, в первую очередь, связано с качеством сырья и топлива, особенностями оборудования заводов. Основным направлением в производстве цемента является получение цементного клинкера возможно более высоких марок. На хорошо оснащенных цементных заводах большой мощности, оборудованных новейшими агрегатами, при наличии сырья требуемого качества разница в себестоимости цементов низкой и высокой марок весьма незначительна. (3. И. Логинов. Цементная промышленность СССР и перспективы ее развития. Госпланиздат, 1960).
При прочих равных условиях расход цемента высокой марки будет меньшим, чем цемента низкой марки. По этой причине стоимость бетона также снижается. Следует учитывать, что применение низкомарочных цементов вызывает значительное увеличение затрат на дополнительные перевозки. Однако ряд конструкций требует применения цемента с низким тепловыделением, что аналогично применению цемента с относительно меньшей прочностью. Как известно, в чисто клинкерном цементе при прочих равных условиях высокая прочность связана с большим содержанием минерала алита и меньшим минерала белита, более тонким помолом и наличием оптимального количества гипса.
Изменение предела прочности цемента в зависимости от наличия мелкомолотых добавок трепела (гидравлической добавки) и кварцевого песка. Для каждого цементного завода известны возможности выпуска оптимальной наиболее высокой марка цемента. Вне такой ориентировки неверно было бы устанавливать общую марку для всей промышленности.
Пути получения цементов различных видов и свойств, после приготовления клинкера заданного состава, должны обеспечиваться организацией локальных помольных установок. В этом случае резко снижается потеря цемента от распыла, доходящего до 10%, при транспортировании с цементного завода на бетоносмесительную установку, создается исключительная гибкость в работе на цементах необходимых свойств, лучше сохраняется активность цемента, перевозимого в виде клинкера, упрощаются условия его перевозки на любом виде транспорта без защиты от атмосферных осадков, исключительно просто решается хранение клинкера на любой срок в открытых складах, улучшается степень измельчения цемента при применении мокрого помола, появляется возможность широко использовать местные минеральные материалы (горные породы и побочные продукты различного производства), повышается производительность помольных установок по сравнению с технологией сухого помола.
В этом случае целесообразно использовать клинкер необходимого состава, позволяющий получать при помоле без добавок цемент наиболее высокой прочности из возможных при существующих на заводах технологиях. Сказанное подтверждается опытом приготовления цемента по сухой технологии помола с минеральными добавками, обеспечивающими более низкую экзотермию, высокую химическую стойкость.
Указанное перспективное направление в технологии приготовления цементов различных свойств обеспечивает высокие технико-экономические показатели применения цемента. Существующий порядок отгрузки горячих цементов без их предварительного выдерживания в силосах цементных заводов усложняет работу на строительстве и ведет к снижению активности цемента. Для снижения температуры цемента заводы постепенно оборудуются соответствующими приспособлениями. Однако на цементных заводах нецелесообразно устраивать промежуточные емкости перед отгрузкой цемента на строительные предприятия. Следовательно, необходимый объем емкостей под поступающий цемент должен быть построен на предприятиях с учетом получения цемента разных видов и марок.
3. Цементы с высокой прочностью. Резкий рост выпуска сборного железобетона неразрывно связан с производством цементов, быстро твердеющих в любых условиях (при нормальной температуре внешней среды и при повышенной температуре, например, при пропаривании). При этом важно за минимальный срок получить бетон не только необходимой прочности, но и с другими заданными в проекте техническими свойствами. Надо помнить, что ускоренные методы твердения бетона не должны вызывать снижения проектных свойств. Последнее обстоятельство во многих случаях недостаточно учитывается, так как существует взгляд, будто многие свойства бетона можно определить по показателю прочности. Этот взгляд противоречит теоретическим положениям из области образования структур цементного камня и многочисленным опытам с бетоном.
Понятие быстротвердеющий связано с получением цемента высокой прочности в короткие сроки твердения. Для оценки качества цементов на 28 сут. эти понятия неразделимы, если придер живаться стандартных сроков оценки прочности. Если же эта оценка связана с длительными сроками твердения, то понятие о цементах низкой прочности (приготовленных без добавок с более крупными зернами или с большим содержанием минерала C2S при примерно равных соотношениях воды и цемента) требуется изменить, ибо все портландцементы окажутся близкими по прочности. По этой причине высокопрочные цементы — это быстротвердеющие цементы.
В последнее время появилось понятие особо быстротвердеющие цементы (ОБТЦ). Оно связано со сравнительной оценкой прочности цементов в первые сроки твердения через 1—3 сут. после за-творения бетонных (растворных) смесей. При этом ни один из видов портландцемента по скорости нарастания прочности не может считаться равноценным глиноземистому цементу. Наличие в стандартах различных стран мира сроков испытания прочности через 24 и 72 ч твердения, как и для глиноземистых цементов,—показатель сложности получения быстротвердеющих цементов высокой прочности на базе портландцементного клинкера.
Технико-экономический анализ сборного железобетона показывает, что его значительное удорожание по сравнению с монолитным железобетоном связано с необходимостью применения значительного количества металлических форм и тепловой обработки, не только снижающей качество бетона, но и вызывающей перерасход цемента. Следовательно, быстротвердеющий портландцемент позволяет отказаться от пропаривания сборного железобетона, приготовлять бетон с теми же расходами цемента, что и при монолитном железобетоне, и увеличить оборачиваемость форм. Однако портландцементы имеют свои характерные особенности твердения, что создает препятствия для более быстрого упрочнения цементного камня.
Высокую прочность бетон должен набирать за первые сутки твердения цемента с достаточно большим содержанием воды ввиду отсутствия средств для уплотнения жестких смесей. За указанный срок в реакцию гидролиза и гидратации вступает относительно незначительная часть цемента. Это общеизвестное положение в равной степени относится ко всем портландцементам. В стандартных условиях цементы любых марок (вплоть до марки 900) твердеют и медленно и неполноценно. Отношение прочности в возрасте 1 или 3 сут. к прочности в возрасте 28 сут. хотя и колеблется в довольно значительных пределах — от 0,15 до 0,55, однако не может удовлетворить специалиста, так как для отпуска изделий требуются большие значения этих отношений — от 0,7 до 1. Из сравнения роста прочности бетона на цементе повышенного качества с ростом прочности бетона при пропаривании за меньший период времени на цементе с меньшей прочностью видно, что еще не решена задача приготовления большого количества сборного железобетона без ускорения твердения приемами тепловлажностной обработки. Однако при констатации возможностей ускорения твердения бетона этим методом нельзя игнорировать факт снижения качества бетона и недоиспользования той прочности, которая получается в конечном результате при длительном твердении у бетонов в нормальных условиях твердения. По-видимому, качество быстротвердеющих цементов нужно оценивать по двум характеристикам при двух режимах твердения — нормальном и ускоренном.
Характеристика морозостойкости после пропаривания позволит правильно оценить особенность деструктивных процессов, вызванных ускоренным режимом твердения. Из сравнения ряда значений коэффициента k видно, как быстро твердеет цемент в нормальных условиях, при пропаривании и длительное время после пропаривания в разных составах бетона.
Быстротвердеющие цементы не позволяют решать вопрос о быстром наборе прочности для большинства марок бетона, применяемого для изготовления сборного железобетона, а пропаривание снижает качество бетона и, кроме усложнения работ, вызывает значительный перерасход цемента, поэтому необходимо рассмотреть и другие виды цемента, с помощью которых можно улучшить технологию изготовления сборного железобетона с ускорением твердения. Естественно, в этой технологии фактором, определяющим возможность ее успешного применения, являются свойства цемента твердеть при повышенных температурах без той деструкции, которая появляется при организации структур цементного камня на портландцементах.
Для осуществления этого положения надо определить причины деструкции. Считается, что деструкцию в цементном камне вызывают испарение воды, различное расширение каменных материалов и формирующегося цементного камня, расширение в формирующемся цементном камне паровоздушной смеси и особенности формирования в нем извести, выделяющейся при гидролизе и гидратации из минерала алита. Перечисленные причины заслуживают проверки и оценки степени их влияния на формирование структуры цементного камня.
Опыт показывает, что при пропаривании бетона на шлакопорт-ландцементе высокого качества (например, М400 и выше), прочность бетона систематически растет и после пропаривания она может сравниться с прочностью бетона того же состава, твердеющего длительное время при высокой (100%) относительной влажности. Из этого следует, что не все из ранее перечисленных причин вызывают деструкцию цементного камня в бетонах на портландцементе. На термограмме показано, как влияет на состав цементного камня присутствие минералов порошка гранулированного доменного шлака. Известно, что растворимость извести, выделяющейся при гидролизе и гидратации портландцемента из минерала C3S при реакции уменьшается с повышением температуры воды. В то же время количество выделяющейся извести увеличивается с повышением температуры воды (бетона) и длительности пропаривания (или твердения бетона при повышенной температуре).
Поэтому можно считать, что по мере пропаривания бетона из воды, химически не связанной с минералами портландцемента из-за пересыщения известкового раствора, кристаллическая известь будет постепенно выпадать в осадок. Другой опыт показывает, что при насыщении свежеотформованных бетонных образцов водой под вакуумом и при их последующем пропаривании прочность не уменьшается по сравнению с образцами, содержащими то количество воды, которое задано при приготовлении.
Следовательно, ранее сказанное о влиянии испаряющейся воды, как и различия в степени изменения объема при нагревании каменных материалов и цементного камня, не является основной причиной снижения прочности и других свойств пропаренных бетонов. Анализ большого количества опытов, проведенных в разное время на разных цементах, позволяет высказать мнение, что решающими факторами в процессе деструкции твердеющего бетона следует считать воздух, находящийся в свежеотформованном бетоне, и кристаллизацию извести.
Следовательно, стандартные методы испытания должны соответствовать технологии производства, которая сама должна в максимальной степени использовать свойства таких цементов. Однако стандарты до сих пор составляются на основе иных принципов, которые в случае применения цемента только для твердения при стандартных температурах и ниже их позволяют оценивать качество цемента, а для повышенных температур не отвечают своему назначению. По этой причине у строителей создаются неверные представления о действительном качестве цемента, поэтому следует создать на этот цемент ГОСТ, учитывающий условия ускоренного твердения цемента.
Надо отметить, что показателями оптимальных условий твердения и при применении пропаривания бетонов на шлакопортландцементах также служат не только прочности образцов, но и любые технические свойства: ползучесть, виброползучесть, морозостойкость, водонепроницаемость, усадка и др. Как прочность, так и другие свойства бетона становятся значительно выше. Существуют диаметрально противоположные представления о шлакопортландцементе —одни его относят к медленно твердеющему вяжущему с относительно невысокой прочностью, что не позволяет получить бетон высокой морозостойкости и низкой ползучести, другие его считают быстротвердеющим высокопрочным вяжущим, с помощью которого можно изготовить бетон высокой морозостойкости и низкой ползучести. В любой исследовательской работе должна быть полная информация о качестве материалов, применяемых в исследовании. Исследования, которые определили шлакопортландце-мент как малоактивный материал, не дают исчерпывающих данных о его качестве, поэтому нельзя считать эти исследования убедительными для вынесения объективных суждений о шлакопортланд-цементе. Ссылка на марку использованного цемента в определенной мере позволяет считать его цементом с низкой активностью. Следовательно, гранулированный молотый шлак с недостаточной тонкостью измельчения не обеспечит надлежащей активизации как компонент шлакопортландцемента.
Правильнее шлакопортландцементы разделять на две группы: собственно шлакопортландцементы, когда проявляется активное участие в процессах гидратации шлака, и смешанные цементы, когда этот процесс проходит в незначительной части шлака. Большая его часть остается в цементном камне в виде наполнителя. Следовательно, не количество шлака определяет прочность бетона, так же как и скорость его твердения, а его качество. Понятие о качестве нельзя ограничивать показателем его минералогического и петрографического составов. Многочисленные работы в области изучения шлакопортландцементов подтвердили сказанное о том, что высокая дисперсность цемента и количество шлака в шлакопортландцементе позволяют делить цементы на указанные две группы.