Криотехнологии поризованных мелкозернистых бетонов

Григорий Иванович Черноусенко рассказывает о технологии выполнения бетонных работ и производства бетонных изделий при пониженных и отрицательных температурах без применения противоморозных добавок.

До настоящего времени в строительстве выполнение бетонных работ и производство бетонных изделий при пониженных и отрицательных температурах обеспечивается благодаря использованию противоморозных добавок и различных способов дополнительного обогрева залитых массивов бетонной смеси. Существует широкий набор технологий, имеющих теоретическое обоснование, нормативное обеспечение и богатый практический опыт применения в специфических природно-климатических условиях нашей страны.

Однако имеется немало фактов, когда элементы зданий и сооружений, выполненные монолитным способом при отрицательных температурах со значительным отступлением от рекомендуемых технологических режимов, достигали требуемых эксплуатационных параметров. И это вызывает необходимость дополнительных исследований в данной области бетоноведения.

Автор предлагает для изучения и возможного практического использования результаты опытно-экспериментального строительства объектов различного назначения в осенне-зимние периоды на основе поризованных мелкозернистых бетонов. Общестроительные работы, выполненные в диапазоне температур от +5 оС до –30 оС, сравнивались по различным показателям с объемами работ, выполненными при температурах выше +5 оС (до +40 оС). На основе многократно проведенных натурных экспериментов удалось сделать вывод: процесс гидратации и твердение бетона идут в широком диапазоне наружных отрицательных температур. Важно, что экспериментальное строительство осуществлялось без дополнительного подогрева массивов бетонных смесей и без применения специальных противоморозных добавок.

Так как известные теоретические исследования не давали объяснения полученным результатам, автором была предпринята попытка дать свое обоснование новым научно-практическим фактам. В 2005 г. в сборнике научных статей Петербургского государственного университета путей сообщения опубликованы новая модель структурообразования и гипотеза о процессе гидратации поризованных мелкозернистых бетонов при отрицательных температурах [см. Черноусенко Г. И. О структурообразовании поризованного бетона. // Новые исследования в материаловедении и экологии. Сб. науч. ст. – Выпуск 5. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2005; Черноусенко Г. И. Особенности твердения поризованного мелкозернистого бетона при отрицательных температурах. // Новые исследования в материаловедении и экологии. Сб. науч. ст. – Выпуск 5. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2005]. Там, во-первых, по-новому объясняется поведение молекул (диполей) воды, обеспечивающей процесс гидратации, а во-вторых, отмечается особая роль закрытых воздушных пузырьков, которые названы основным и важнейшим заполнителем в структуре поризованных мелкозернистых бетонов. Именно повышенная энергетическая активность сферических воздушных пор изменяет состояние диполей воды и всех ее компонентов. Твердые заполнители (песок и другие) под воздействием воздушных пор, полученных с помощью поверхностно активных веществ (ПАВ) исполняют роль катализатора структурообразования, обеспечивают подложку для формирования кристаллической матрицы на основе процессов гидратации.

Эта матрица из кристаллогидратов различного вида является вторичной и формируется внутри исходной объемной матрицы, созданной отрицательно заряженными воздушными пузырьками с высоким энергетическим потенциалом вследствие значительной удельной поверхности подсистемы «воздух-вода».

Дополнительным эффектом сферических воздушных пор является демпфирование расклинивающего действия кристаллов льда, которое возможно при замерзании «свободных» молекул воды в объеме бетонной смеси в процессе гидратации при отрицательных температурах.

По мнению автора, комплексное воздействие воздухововлекающих добавок дает набор специфических процессов в структурообразовании мелкозернистых бетонов, которые обеспечивают не только сдвиг точки замерзания свободной воды в диапазон более низких температур и компенсацию негативного эффекта в случае формирования расклинивающих кристаллов льда, но и позволяют идти экзотермическому процессу гидратации с активными диполями воды в объеме адсорбционных и диффузных слоев вокруг воздушных, твердых заполнителей и зерен вяжущего (цемента, гипса). Повышенная активность диполей связанной воды обеспечивает дополнительную и длительную дезагрегацию зерен вяжущего. Тем самым реализуется механизм использования термодинамического резерва прочности бетонов.

Известно, что энергетический потенциал зерен вяжущего в процессе гидратации реализуется не полностью. Одной из причин этого специалисты-бетоноведы называют нехватку влаги для процесса длительной дезагрегации зерен вяжущего. Производственная практика показывает, что, в отличие от традиционных бетонов, поризованный мелкозернистый бетон, как и пенобетон, приготавливается в более высоком диапазоне водоцементного отношения – 0,7 ? В/Ц ? 1,2.

Высокая водоудерживающая способность поризованных мелкозернистых бетонов позволяет значительно (на десятки лет) растянуть во времени процесс гидратации. При этом минимизируются проявления деструктивных явлений в процессе формирования бетонного камня, что ведет к улучшению эксплуатационных параметров элементов зданий и сооружений.

Под руководством автора в течение последних семи осенне-зимних сезонов осуществлялись различные виды общестроительных работ: заливка фундаментов, несущих стен, перекрытий, основы под полы и другие. В условиях частого перехода температуры окружающего воздуха через +/–0 оС наблюдалась чешуйчатость поверхностного слоя залитого массива бетона, что можно объяснить явлением седиментации (водоотделения) и вымораживанием свободной влаги, тем более что заливка осуществлялась в металлическую опалубку (высокая теплоотдача). При быстром и значительном понижении температуры воздуха (по утрам до –30 оС) свежезалитые стены набирали прочность без проявлений чешуйчатости, а прочный к сколам и истиранию узорчатый морозный слой неопровержимо подтверждает факт набора прочности бетоном при замораживании бетонной смеси.

Можно считать, что криотехнологии бетонов применительно к одному из видов ячеистых бетонов – поризованным, состоялись. Под «криотехнологиями бетонов» условимся понимать процессы получения бетонных материалов под воздействием внешней среды в диапазоне отрицательных температур, в отличие от тех же процессов, осуществляемых при положительных температурах. Этап агрессивного неприятия, отторжения и сдержанного скептицизма к новой идее в бетоноведении постепенно преодолевается. Полученные автором результаты стали признаваться учеными и специалистами, восприниматься строителями-практиками. Научное объяснение некоторых технологических эффектов нашло отражение в ряде опубликованных работ и теоретических исследований [см. Термодинамический и электронный аспекты свойств композиционных материалов для строительства и экозащиты. / Под науч. ред. Л. Б. Сватовской. – СПб: ОАО «Издательство Стройиздат СПб», 2004; Петров С. Д. Ускорение твердения монолитного пенобетона при пониженных и отрицательных температурах / Дисс. … канд. техн. наук. – СПб., 2005; Черноусенко Г. И. О структурообразовании поризованного бетона // Новые исследования в материаловедении и экологии. Сб. науч. ст. – Выпуск 5. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2005; Черноусенко Г. И. Особенности твердения поризованного мелкозернистого бетона при отрицательных температурах // Новые исследования в материаловедении и экологии. Сб. науч. ст. – Выпуск 5. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2005].

Предварительные лабораторные исследования, проведенные по просьбе автора в 2006 г. в институте стройматериалов Ростовского государственного строительного университета, подтвердили наличие заявленных новых научно-практических эффектов.

Важным подтверждением выдвинутой автором гипотезы по криотехнологии поризованных мелкозернистых бетонов является концепция и модель «аква-комплексов», опубликованная профессором института неорганической химии СО РАН (г. Новосибирск) Стениной Н. Г. в 2006 г. [см. Стенина Н. Г. Вода в силикатах. // Строительные и отделочные материалы. Стандарты ХХI века. Материалы ХIII международного семинара АТАМ. – Новосибирск, 2006].

Именно связыванием активированных диполей воды в аква-комплексы можно объяснить установленные автором эффекты по упрочнению поризованных бетонов. В процессах гидратации и отвердения происходит формирование кристаллохимических новообразований. Главное при этом, что кислород Н2О-молекулы становится одновременно мостиковым кислородом (Si–O–Si) кремнекислородных тетраэдров, являющихся основным строительным кирпичиком всех силикатных минералов. Возникающий при SiO3–OH2 радикал отвечает левой части модели аква-комплекса. Формированию [MeO4] радикалов, отвечающих правой части аква-комплекса, и объединению их с водно-кремнеземистыми комплексами способствуют ПАВ.

Процесс структурирования (отвердения и упрочнения) вторичной матрицы в поризованной смеси на основе процессов гидратации стимулируется (катализируется) оборванными связями на огромной поверхности сферических воздушных пор. Эти оборванные связи способствуют перераспределению химических связей между аква-комплексами, которые играют роль интермедиатов в кристаллохимических реакциях.

При таком подходе более полно и точно объясняется явление «протонизации» в процессах структурообразования бетонов, которые являются проявлением водородных связей. Важнейшим переносчиком энергии в такой самоорганизующейся системе являются, по-видимому, не столько отрицательные элементарные частицы – электроны, сколько положительные – ядра водорода Н+.

Термодинамические явления, сопровождающие процессы энергомассопереноса при гидратации вяжущих в поризованных мелкозернистых смесях в условиях внешних отрицательных температур, по мнению автора, носят иной характер, который дополняет изложенное в традиционном бетоноведении по данному вопросу. Знание этих механизмов позволит целенаправленно управлять процессами получения поризованных бетонов в различных средах при различных температурах и создавать строительные материалы с заданными свойствами.

Поризованные мелкозернистые бетоны разной плотности, с различным количеством затворенного вяжущего на единицу объема смеси, с применением армирующих волокон или без них, приготовленные на основе мелкозернистых заполнителей с использованием воздухововлекающих ПАВ, демонстрируют различные, порой уникальные технологические и эксплуатационные особенности, имеющие практическую значимость.

На данном этапе своей работы автор считает необходимым заявить, что монолитное возведение объектов и сооружений при отрицательных температурах на основе криотехнологий поризованного мелкозернистого бетона имеет практическое подтверждение. Вместе с тем требуются дальнейшие исследования и научное обоснование механизмов формирования структуры, твердения поризованнных бетонов в условиях внешних отрицательных температур.

Предлагаемые инновационные технологии строительства в сравнении с традиционными позволяют достигать более высоких уровней технической, технологической и экономической эффективности.