Большое различие в строительно-технических свойствах вяжущих потребовало выпуска отдельных ГОСТов. Для полноценного использования свойств вяжущих на строительстве недостаточно сведений, содержащихся в ГОСТах, что вызывает проведение дополнительных исследований в строительных и научно-исследовательских организациях, результаты которых должны быть постепенно сведены в каталоги свойств вяжущих.
Рассмотрим историю развития стандартов на гидравлические-вяжущие материалы. В статье, опубликованной в 1807 г. В. М. Севериным в «Технологическом журнале», были описаны свойства вяжущего, полученного в результате обжига мергелей и обладающего водостойкостью. Спустя примерно 50 лет после открытия цемента-вся мировая промышленность стала выпускать около 2 млн. т цемента. На территории бывшей Российской империи в 1856 г. был пущен первый цементный завод, в 1866 г. — два, а к 1887 г. — девять. В отсталой России цементная промышленность развивалась крайне медленно, постоянно встречая конкуренцию со стороны английских и германских цементных заводов, которые начали работать значительно ранее русских. Сложная технология производства» цемента нуждалась в огнеупорах и оборудовании, поставляемых из-за рубежа.
Еще в 1819 г. в Петербургском институте инженеров путей сообщения (ныне ЛИИЖТ им. В. Н. Образцова) систематически изучались свойства гидравлических вяжущих. В организации исследований русского цемента и смелого внедрения его в строительство выдающуюся роль сыграли русские ученые А. Р. Шуляченко и Н. А. Белелюбокий, которые в течение многих лет являлись руководителями регулярно созываемых съездов представителей русской цементной промышленности. С 1885 по 1912 г. состоялось 14 таких съездов. Ведомство путей сообщения явилось той организацией, которая первой начала широко применять русский цемент, что совпало с началом больших для того времени работ по строительству железных дорог и портов.
В 1881 г. в России были выпущены первые технические условия на поставку цемента ведомству путей сообщения. Эти нормы разработаны А. Р. Шуляченко и И. Г. Малюгой. А. Р. Шуляченко заложил научные основы испытания цементов, которые продолжают систематически развиваться. Уже в 1892 г. на основе работ Н. А. Белелюбского, который провел серию сравнительных испытаний, можно было утверждать, что русские цементы по качеству не уступали заграничным.
Однако было бы неправильным не обратить внимание на ряд существенных недостатков, которые до сих пор не устранены из ГОСТов на цемент. К ним относится:
1. Невозможность определения не только двух, трех сроков упрочнения образцов, а всей кинетики твердения цемента, начиная с конца схватывания и кончая любыми сроками, имеющими практическую значимость, возможность определения прочности расчетным путем, без механического испытания образцов, используя лишь. физико-химические и минералогические характеристики цемента.
2. Отсутствие в ГОСТах необходимых для строительного производства всех строительно-технических характеристик. В этом отношении ГОСТ на сульфатостойкий портландцемент имеет большие преимущества по сравнению с ГОСТами на другие цементы. Сведения о марке недостаточны для выбора цемента. Следует расширить сведения о цементах, указав области и условия их применения.
3. Отсутствие указаний о необходимости использования разных методик испытания цементов. Это нужно для выбора цементов с наиболее высокими свойствами из серии цементов (например, для выбора цементов, которые должны твердеть при обычных положительных температурах внешней среды, когда такие условия для всех испытываемых цементов являются оптимальными). Однако на базе того же портландцемента можно изготовить другие цементы, например пуццолановые, шлакопортландцементы, для которых оптимальными являются условия твердения при повышенных температурах. Поэтому испытание по единой методике показывает только одну сторону вопроса, а именно, что за один и тот же срок цементы имеют меньшую прочность, но остается открытой вторая сторона, имеющая не только научный, но и прямой производственный интерес.
Испытание при повышенных температурах покажет полное преимущество пуццолановых и шлакопортландцементов по сравнению с исходными портландцементами, следовательно, вскроет несостоятельность широко практикующихся приемов изготовления сборного железобетона преимущественно на портландцементах. Кроме существующей имеются и другие методики испытания, которые должны выявить качество цемента, а расчетные приемы позволят осуществить выбор цемента с наилучшими технико-экономическими показателями.
Какое же различие в процессе выполнения бетонных работ может резко повлиять на твердение цемента, выявив его специфические физико-химические особенности? Это—условия, в которых происходит твердение. Следовательно, зная, что твердение цементов с гидравлическими добавками, шлаковым компонентом протекает отлично от твердения портландцементов, необходимо их испытывать по другой методике, выявляющей именно эту принципиальную особенность — особенность формирования структуры цементного камня при разных температурах. По этой причине, несмотря на кажущееся различие в методах испытания цемента в разных странах, существо их остается одинаковым.
Различие в методах испытания сказывается и на их результатах. Один и тот же цемент, испытанный по разным методикам, покажет разную прочность (большую или меньшую) в зависимости от количества воды, которое применяется для затворения, качества стандартного песка, способа перемешивания и уплотнения смеси, размера образцов. По этой причине нельзя сравнивать между собой качество цементов, испытанных по разным методикам, не внеся в них соответствующие коррективы.
Цемент можно замешивать с песком в смесях двух видов: жесткой и пластичной, которые содержат различное количество воды. Так, в СССР цементы ранее испытывали в жестких смесях с малым количеством воды. Последние годы их испытывают в пластичных смесях по ГОСТ 310—60. Такое испытание дает более близкие показатели, приготовление смесей и формование образцов проходит проще и быстрее, можно изготавливать балочки, а не кубики, что позволяет получать показатели по двум видам разрушения — изгибу и сжатию.
Естественно, от вида смеси зависит и прием ее уплотнения: жесткие смеси формуются путем трамбования, пластичные — вибрированием и ручным штыкованием. Для перемешивания и уплотнения смесей существует набор оборудования, которое в разной степени отличается одно от другого, что сказывается и на результатах испытания. По этой причине в каждой стране в стандартах дается точное название приборов, приемов изготовления смесей и образцов из них, сроков испытания и точного режима твердения цемента.
Определение показателей прочности цемента на растяжение, весьма интересное для анализа свойств цемента, сложно проводить прямыми испытаниями образцов восьмерок. Сложность испытания заключается в необходимости применять особо точные приборы для разрыва. Применение рычажных приборов Михаэлиса массового изготовления приводило к резкому отклонению показателей прочности от истинных величин. По этой причине испытание прочности в балочках, когда определяется косвенный показатель сопротивления растяжению при изгибе, следует считать более удачным.
Для стандартов почти всех стран остается общим обязательное определение химического состава цемента, в том числе: окиси магния MgO, щелочей К2О и Na20; п. п. п., нерастворимого остатка S03; определение минералогического состава цемента, а также тонкости помола, равномерности изменения объема, сроков схватывания. Без этих нормируемых стандартом характеристик цемент в строительстве не может быть использован. Указанные показатели цемента следует отнести к категории тех, которые позволяют браковать цемент, применение которого приводит к разрушению бетона вследствие возникновения процессов деструкции в твердеющем цементном камне. Разрушение может произойти в различный срок после возведения сооружения.
Так, при наличии в цементе избыточного количества MgO (в виде минерала периклаза) разрушение может произойти через длительный период, так как MgO (указанной структуры) вступает в реакцию с водой в обычных условиях исключительно медленно; природа разрушения бетона из-за неравномерности изменения объема формирующегося цементного камня иная, и разрушение проходит в короткие сроки, вслед за окончанием бетонных работ.
Сказанное ранее о разрушении бетона из-за неверного выбора цемента, в конечном счете, связано с возникновением процессов, вызывающих деструкцию от наличия во внешней среде агрессивных агентов. В рассматриваемом случае возникают процессы, приводящие к деструкции формирующегося цементного камня из-за того, что в нем имеются химические соединения, побочная реакция которых с водой не должна протекать в условиях, типичных для получения цементного камня с высокими техническими свойствами. Из факторов, вызывающих деструкцию, при наличии указанных реакций, которые можно именовать побочными для основных соединений цемента, являются физические факторы. Новые гидратированные соединения, например, MgO, занимают больший объем, чем исходные компоненты, следовательно, в структурь цементного камня возникают напряжения, превышающие допустимый предел для материала, в котором формируются эти новообразования. Наличие недопустимых в цементе веществ обязательно вызовет их реакцию с водой и последующее разрушение бетона.
Строительные нормы и правила на неорганические вяжущие и добавки для бетона и растворов (СНиП I-B.2—62) — основной нормативный документ для их выбора и применения. В нем даны основные определения и стандартные показатели качества. В СНиПе изложены особенности условий твердения указанных вяжущих, деление вяжущих на марки по прочности при сжатии, номенклатура добавок к вяжущим, растворам и бетонам. Однако в нем, как правило, не дается детальных пояснений к каждому пункту, который обязан быть в точности выполнен в полном соответствии с содержащимися в нем указаниями.
Действительно, широко известно, что тепловлажностные условия являются оптимальными для твердения шлакопортландцемента с высоким содержанием шлака (пропаривание при 100° С и 100% относительной влажности воздуха). Для шлакопортландцементов с относительно невысоким содержанием молотого шлака — 30—40% оптимальными следует считать условия твердения в воде, во влажном грунте или на воздухе при обеспечении его высокой влажности (тех же 100% относительной влажности воздуха). Следовательно: а) отсутствие в СНиПе более подробных сведений о шлакопортландцементе не должно приводить к ухудшению качества бетона на шлакопортландцементе; б) применение шлакопортландцемента с поверхностно-активными гидрофильными и гидрофобизирующими веществами или с их комплексом особенно резко улучшает свойства пропариваемых бетонов; о таких цементах не упоминается в СНиПе по той причине, что в настоящее время их не изготавливает цементная промышленность.
Эти примеры показывают на необходимость творческого использования технических документов, которое проверяется итогами принятых решений.
В СНиПе, как правило, не приводится обоснование технических требований.
В СНиПах, как правило, развивается наиболее существенная часть основных технических положений соответствующих им ГОСТов. Так, повторяющем основные положения о составе пуццоланового портландцемента — гидравлического вяжущего, твердеющего в воде и во влажных условиях, сказано: что «…бетоны, изготовленные из пуццоланового портландцемента, отличаются повышенной водостойкостью и водонепроницаемостью… Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на пуццолановом портландцементе ниже, чем бетонов на портландцементе…». В СНиПе вопрос о свойствах таких бетонов не ограничен приведенными здесь особенностями. Следовательно, познакомившись с условиями назначения пуццолановых или любых других цементов, можно избежать ошибок в их использовании.
Контроль качества цементов производится в соответствии с требованиями ГОСТов и ТУ». Это очень важное положение, базирующееся на многолетних фундаментальных работах и обширной практике строительства, к сожалению, не нашло должного отражения для большей части видов и марок цемента в Гостах на цементы.
По этой причине при производстве работ, в которых бетон сооружений проектируется по комплексной марке, необходимо в соответствующих случаях выяснять, имеет ли цемент перечисленные показатели технических требований. Это осуществляется путем запроса сведений о цементе у лабораторий заводов-поставщиков, а также у научных организаций, работающих в области исследований цемента.
Смысл этого технического мероприятия весьма широк, он базируется на исследованиях и практике работ. Действительно, иногда цемент после поступления на строительство по ряду причин не используется в течение определенного периода и теряет свою активность. В другом случае полученный цемент недостаточно активен для конкретного случая его использования. Может также поступить цемент со сроками схватывания, которые не удовлетворяют требованиям производства работ, но в то же время находятся в полном соответствии с требованиями ГОСТа. В этом случае домол цемента с введением дополнительного количества гипса (в пределах требований стандарта до 3,5% в расчете на S03) позволит удлинить сроки схватывания.
Следовательно, указания СНиПа нацеливают специалиста на правильное решение многообразных производственных задач в полном соответствии с требованиями ГОСТов и основными научными положениями из области химии силикатов, технологии бетонов, организации производства и ряда других наук, обеспечивающих производство строительных работ на высоком техническом уровне.