Твердение бетона связано с гидролизом и гидратацией минералов, составляющих вяжущее, что бывает в том случае, если они реагируют с водой. Такие изменения можно назвать коррозионными. Указанные процессы могут протекать не только на этапах «склеивания» сыпучих каменных материалов после уплотнения, но и в период эксплуатации, когда из бетонной смеси сформованы конструкции (сооружения). Следовательно, при выборе вяжущих учитывают не только возможность их реакции с водой затворения, но и недопустимость дальнейшего развития реакции воды-среды с новообразованиями — цементным камнем.
Однако стойкость цементного камня, состоящего из гидратиро-ванных соединений, нельзя сохранять только за счет выбора минералогического состава вяжущего, так как при длительном воздействии избыточной воды-среды все соединения постепенно корродируют, что приводит к разрушению бетона (раствора) По, этой причине нельзя допускать непосредственного контакта воды-среды с массой цементного камня. Следовательно, выбор химико-минералогического состава цемента необходимо дополнить требованиями, позволяющими получить бетон (раствор), цементный камень которого имел бы минимальный контакт с водой, а в ряде случаев создать дополнительную защиту внешних поверхностей сооружений (например, путем устройства защитных покрытий).
Итак, рассмотрение твердения бетона (раствора) не следует ограничивать изучением собственно процессов гидролиза и гидратации, которые протекают даже при хранении цемента на воздухе, так как в нем имеется влага. Такие условия гидролиза и гидратации приводят только к порче цемента — снижению его вяжущих свойств.
Для использования вяжущих свойств с наибольшим эффектом надо применять: цементы с высокими строительно-техническими свойствами; бетонные смеси с минимально возможным количеством воды, допускающим их формование до такой степени сближения зерен цемента, которая обеспечивает последующее формирование новообразований с пассивными капиллярами и, следовательно, систематическую сработку микробетона Юнга и др. Сказанное о комплексе показателей, имеющих технический смысл при оценке твердения бетона, связано с созданием оптимальных условий для получения искусственных технических камней, для омоноличивания рыхлых каменных материалов, тщательно упакованных при уплотнении бетонных (растворных) смесей, у которых были заранее определены и подобраны зерновые составы.
Многочисленными опытами и анализом работы сооружений в конструкций показано, что высокие плотности цементного камня и, текстуры бетона имеют решающее значение для его долговечности. Под плотной текстурой нужно понимать такое состояние, когда все межзерновое пространство материала заполнено не воздухом, а-водой, обеспечивающей длительный процесс гидролиза и гидратации цемента зерна которого в минимально возможной степени раздвинуты, пленками воды. В зависимости от тонкости помола цемента, его свежести, зернового и химико-минералогического составов, наличия в нем минеральных и других добавок этот процесс протекает годами. Отсутствие воды в межзерновых пространствах, незаполненных цементным тестом, создает неблагоприятные условия для структурообразования цементного камня, резко снижает его технические свойства. Из этого не следует делать вывод, что по указанной причине в бетонную смесь нужно вводить возможно больше воды.
Как известно, вода, рведенная сверх оптимального количества для обеспечения гидролиза и гидратации на контактах цементных зерен при их максимально возможном сближении, приводит к снижению прочности и других технических свойств. Стремление получить бетон с минимальным содержанием воды должно быть всегда 1) поле зрения строителей; это, в частности решается при приготовлении бетонных смесей на бетоносмесительных установках принудительного перемешивания, при предварительном приготовлении цементного теста и вибрировании бетонных смесей.
Акад. А. А. Байков указывал на сложность процесса твердения цементов, представляющего комплекс химических, физических и механических факторов. Сказанное относится к твердению бетона, которое, если не соблюдать ранее изложенные положения о важности получения бетона только плотных текстур, покажет, что процесс твердения цемента не обеспечил получение бетона высоких свойств.
Твердение бетона нельзя рассматривать на основе только химических процессов между цементом и водой, протекающих в лабораторных условиях, отвлекаясь от материала, в котором они будут происходить, и от их условий, которые исключительно разнообразны и нестабильны. Ошибки в производстве работ связаны именно с неучетом указанного различия в результатах химического процесса твердения цемента, когда при одних и тех же новообразованиях и одном и том же их количестве получаются бетоны с разными свойствами.
Твердение бетона невозможно без химического процесса между цементом и водой, однако результаты твердения зависят не только от этого.
Следовательно, зависимость предела прочности бетона при сжатии от В/Ц действительна в строго ограниченных условиях (в нашем случае при одном и том же качестве цемента и других материалов одинаковой технологии бетонных работ). Это легко установить прямыми испытаниями. В частности, при испытании контрольных образцов бетона на сжатие могут быть ошибки, если не учитывается: ровность поверхности образцов (грани, прилегающие к плитам пресса должны быть строго параллельны), скорость приложения нагрузки, центрирование образца и недеформируемость опорных стальных плит пресса. При недостаточной толщине таких плит происходит их деформирование и снижение показателей прочности у испытываемых образцов.
Технике испытания прочности бетона посвящен ряд исследований. Несоблюдение требований испытания приводит к серьезным ошибкам как при проектировании составов бетона, так и при оценке прочности сооружений или их частей (конструкций, деталей и элементов из бетона и железобетона). Указанные закономерности, определяющие прочность бетона на какой-либо срок твердения, являются частным случаем более широкой математической зависимости прочности бетона от различных факторов и используются при непременном условии параллельных приготовлений опытных составов смеси и бетона для каждого случая расчета. Действительно, прочность бетона на любой срок твердения зависит от многих переменных факторов.
Как следует из приведенной записи, подавляющее число характеристик связано с качеством и условиями твердения цемента. В частности, при производстве работ особое внимание уделяется условиям формования смесей, в том числе времени от момента ее приготовления до начала уплотнения. Вылеживание ряда смесей не только снижает их пластичность, но и значительно повышает Прочность из-за изменения межзернового состава в формующемся цементном тесте. Следовательно, в зависимости Rб=f/(В/Ц) всегда должны учитываться сроки твердения бетона, а также сроки от конца приготовления смеси до ее формования в образец (конструкцию).
Результаты опытов, многократно повторенные с различными материалами, подтверждают, что в случае вылеживания смесей нельзя пользоваться зависимостью Rб=f/(В/Ц), без коррективов к показателям прочности бетона. Действительно, бетон с В/Ц при 8,5 ч вылеживания смеси без испарения воды обладает большей прочностью, чем бетон с В/Ц=0,8, если образцы были сформованы вслед за приготовлением смеси. Указанная причина по многих случаях приводит к расхождению в показателях прочности контрольных кубов, сформованных при производстве работ, и кубов, сформованных при подборе состава бетона.
Для лучшего понимания сказанного рассмотрим, как вода распределяется в бетоне. Зерна цемента различны по размерам и минералогическому составу. Известно, что изготовляется большое число цементов различного вида (портландцементы с минеральны-ными добавками, пуццолановые портландцементы и другие вяжущие, зерна которых обладают различной активностью к воде).
Реакция с водой начинается с поверхностных слоев зерен цемента (в том числе и с поверхности трещин в зернах). По мере течения i процесса исходные зерна цемента, вступившего в реакцию с водой, систематически изменяются в размерах.
Количество химически связанной роды будет определяться при анализе воды и полученных новообразований. Количество несвязанной воды находят из разности между количествами воды затворения и снизанной воды в процессе гидролиза и гидратации цемейта. Указанный пример распределения воды в бетоне можно иллюстрировать опытами по ее связыванию зернами цемента различного размера. Так, если зерна цемента мельче 30 мкм могут удерживать в своей массе количество воды, соответствующее В/Ц> 0,8, то более крупные зерна удерживают значительно меньше воды, что определяется по значениям В/Ц<0,25. Такое распределение воды в бетонах (растворах) подсказывает нам причины значительной неоднородности строительно-технических свойств. Указанные зависимости, в первую очередь, необходимо использовать при разработке путем повышения технических свойств бетона и на этой основе его долговечности в сооружениях (конструкциях).
Рассмотрим понятие — нормальные условия твердения цемента. Различие в условиях твердения изменяет скорость гидролиза и гидратации минералов цемента и условия формирования новообразований из них. По этой причине стандартными считают условия, когда относительная влажность среды, в которой твердеет цемент, составляет 100%, а температура воздуха —20±3° С (ГОСТ 310—60). Данные условия не являются оптимальными для всех минералов. По этой причине прочность некоторых бетонов при несовершенном уходе оказывается выше прочности бетонов тех же составов, твердевших при тщательном уходе. Однако долговечность бетонов с высокой прочностью будет меньшей. Понятие «нормальные условия твердения» достаточно условно и необходимо для сравнительной оценки цементов.
На практике нормальными следует считать такие условия, при которых на цементе конкретного состава при его минимально допустимом расходе на кубический метр бетона можно получить больший эффект. В частности, критерием такого нормального режима твердения следует считать предел прочности с 1 кг цемента при наибольшей долговечности бетона (раствора). Например, для шлакопортландцемента с высоким содержанием гранулированного мелкомолотого шлака нормальным режимом будет пропаривание при 100° С и 100% относительной влажности воздуха.
Рассмотрим связь прочности бетона (раствора) с другими техническими характеристиками. Иногда считают, что водонепроницаемость, морозостойкость и другие свойства находятся в прямой зависимости с прочностью бетона. Однако это частный случай, а не закономерность. Действительно, причины, обеспечивающие прочность бетона, связаны с совокупностью условий, не вскрываемых приемами испытания образцов, например при сжатии. Так, наличие в бетоне большего или меньшего числа пассивных капилляров, являющихся решающим фактором в его морозостойкости, никак не может быть вскрыто проверкой прочности бетона существующими методами. Несомненно, различие в капиллярах в какой-то мере отражается на показателях прочности.
Другие характеристики текстуры бетона превалируют над различием в структуре капилляров и поэтому не улавливаются достаточно грубыми приемами испытания прочности бетона. При исключении таких разнородных факторов прочность бетона коррелирует с его морозостойкостью. В этом случае различие в капиллярах четко улавливается по изменению прочности бетона. Однако из сказанного не следует, что, сравнивая морозостойкость бетонов разного состава по показателю морозостойкости, можно судить о большей или меньшей их прочности. Это также относится к любым свойствам (в частности, к ползучести бетона, химической стойкости и т. д.).
Оценка свойств бетона по показателю прочности, как правило, не возможна без привлечения других сведений (качества материалов, анализа, состава смеси и бетона по ряду показателей, анализа условий производства работ). Примером такого приема оценки свойств бетона по многозначной, а не однозначной зависимости тут служить рекомендации по оценке морозостойкости и коррозиной стойкости, приведенные в табличной форме. Смысл сказаного вытекает из широких понятий структуры компонентов, оставляющих текстуру бетона. В частности, определение ползучсти, морозостойкости, водонепроницаемости выявляет дифференциальное качество структурных компонентов в микрообъемах, в то время как определение прочности не позволяет улавливать эти особенности структур компонентов текстуры бетона.