Бетон: возможности качества

В российской практике производства заполнителей для бетона на многих карьерах и заводах, производящих щебень, этап гидравлической классификации (промывки) исключен из технологического цикла, поэтому производимый ими щебень непригоден к перевозкам и складскому хранению. В связи с этим наиболее важным условием, определяющим качество и долговечность конструкций и возводимых сооружений, является технологически надежное обеспечение постоянства зернового состава заполнителей при приготовлении бетонной смеси. Как показало обследование 86 предприятий ЖБК бывшего Минтрансстроя, выполненное специалистами лаборатории индустриальной технологии бетонных работ НИЦ "Строительные материалы" ОАО ЦНИИС, в дозаторы от замеса к замесу поступают крайне неоднородные по зерновому составу заполнители. Так, гранитный щебень фракции 5-20 мм содержит от 0,5 до 37% частиц мельче 5 мм (каменной крошки и пыли), что почти в 4 раза превышает пределы, установленные соответствующим ГОСТом, в щебне фракций 5-10 и 10-20 содержится количество более мелких частиц, превышающее пределы стандарта в 5 раз.

Применяемая в большинстве случаев в конструкциях и сооружениях для уплотнения бетонной смеси вибрация не уплотняет бетонную смесь, а тиксотропно разжижает цементное тело. Она способствует тому, что зерна-заполнители под действием силы тяжести опускаются в разжиженном цементном тесте, образуют каменный скелет бетона и вытесняют (выдавливают) захваченный при технологических операциях воздух. Для каждой пары заполнителей (песка и щебня) существует лишь единственное соотношение фракций =П/Щ, при котором под действием силы тяжести в процессе вибрации может быть сформирован однородный по высоте уплотняемого слоя бездефектный каменный скелет при минимальном содержании цемента и воды (цементного теста) в бетонной смеси. Изменение от замеса к замесу фактического содержания в щебне песчаных фракций (мельче 5 мм) как в большую, так и в меньшую сторону от оптимального вызывает резкое снижение удобоукладываемости бетонной смеси. Это вынуждает оператора бетоносмесительной установки (БСУ) в обоих случаях увеличивать количество воды затворения для обеспечения заданной удобоукладываемости. Увеличение количества воды затворения требует большего расхода цемента (на 15-20%) по сравнению с расходом, соответствующим оптимальному соотношению фракций заполнителей (=П/Щ), установленному при подборе состава бетона. Заданные свойства и состав бетонной смеси могут быть обеспечены только при стабильности зернового состава заполнителей, поступающих в дозаторы БСУ от замеса к замесу.
Анализ состояния технологии производства заполнителей на щебзаводах и в карьерах показал, что изменение сложившейся практики на промышленном уровне, которое гарантировало бы сохранение постоянства зернового состава заполнителей, поступающих в бетоносмесители БСУ от замеса к замесу, пока нереально. Наиболее надежный, технически и экономически доступный способ, гарантирующий однородность и качество заполнителей, подаваемых в дозаторы, — стабилизация их зернового состава (дополнительное обогащение) непосредственно перед подачей в расходные бункера БСУ (без промежуточных складских и транспортных операций). Стабилизация возможна с промывкой (при оборотном водоснабжении) или без промывки — с рассевом заполнителей фактической влажности. Процесс стабилизации можно организовать, во-первых, созданием специализированных установок (узлов), включающих в линию подачи заполнителей со склада в расходные бункера БСУ; во-вторых, переоборудованием (дооборудованием) накопительных бункеров для обогрева заполнителей; в-третьих, созданием встроенных узлов в составе действующих или проектируемых БСУ. Специалистами лаборатории индустриальной технологии бетонных работ НИЦ "Строительные материалы" ОАО ЦНИИС накоплен значительный опыт создания узлов стабилизации зернового состава щебня в различных производственных условиях заводов товарного бетона и железобетонных конструкций.

Трещиностойкость, долговечность, эксплуатационная надежность и другие важнейшие свойства мостовых конструкций и сооружений зависят не только от качества и однородности бетонной смеси, приготовленной на БСУ, но и от технологии ее подачи и распределения в опалубке, сохраняющей ее исходный состав и исключающей возможность ее расслоения при виброуплотнении. Вибрация способствует влиянию силы тяжести в формировании наиболее плотного каменного скелета из возможных, но только в замкнутом по площади объеме. Вибрирование бетонной смеси на открытой поверхности опалубки или распределительного слоя способствует ее расслоению с отделением цементного теста (раствора), что исключает возможность под действием силы тяжести сформировать плотный каменный скелет, неизбежно вызывает образование каверн и раковин в уложенном бетоне, и никаким увеличением длительности вибровоздействия восстановить исходную однородность бетонной смеси невозможно. Для сохранения исходного качества бетонной смеси в сооружаемой конструкции (а следовательно, и расчетного качества бетона) необходимо распределять бетонную смесь по поверхности опалубки последовательными равномерными слоями толщиной не более 40 см с горизонтальной поверхностью по всей площади слоя (без использования вибраторов). Равномерность распределения бетонной смеси перед виброуплотнением должна быть таковой, чтобы в зоне действия вибратора не происходило расслоение уплотняемой бетонной смеси с вытеканием цементного раствора и "расползанием" составляющих бетонной смеси. В каждом конкретном месте виброуплотнения должна быть образована замкнутая плотность (в т.ч. частью очередной полосы бетонной смеси, распределенной в опалубке).

Тяжелый цементный бетон — самодостаточный строительный материал, имеющий потенциальные возможности постоянно, в течение десятилетий, повышать свою прочность, плотность, долговечность, "залечивать" возникающие дефекты и за счет собственных ресурсов обеспечивать возможность реализации наиболее благоприятных для возводимого сооружения температурных и влажностных условий твердения на начальных этапах своего существования. Потенциальные возможности обеспечены материальной сущностью клинкерного цемента и бетона на его основе — запасами цемента (через месяц в бетоне остается не менее 50% непрореагировавшего цемента), тепла, выделяющегося при экзотермической реакции гидратации цемента, и воды, введенной при затворении бетонной смеси для обеспечения ее необходимой удобоукладываемости. Процесс становления бетона в конструкции не заканчивается при достижении им заданных проектом показателей качества. Это лишь половина его возможностей, а при достижении 70% проектной прочности реализуется всего лишь треть возможностей, причем этот период наиболее опасен с точки зрения воздействия окружающей среды.

Гарантия приобретения уложенным бетоном заданных свойств достигается:

• сохранением в бетоне воды затворения, введенной в бетонную смесь при ее приготовлении посредством защиты открытых поверхностей от сменяющихся объемов воздуха, поглощающего влагу из бетона;


• Исключением возможности возникновения значительных температурных градиентов между ядром и поверхностными слоями (при саморазогреве бетона) или между поверхностью бетона и окружающим воздухом (при распалубке, при выдаче из пропарочной камеры или при снятии крышек с пропарочной камеры, при выдаче на склад готовой продукции и др.)

Особенно опасен для поверхностных слоев бетона конструкций этап охлаждения после пропаривания. Вентиляция внутреннего объема камеры превращает ее в эффектную сушилку, а снятие крышек камеры приводит к интенсивной сушке горячего бетона конструкции поступающим к его поверхности более холодным воздухом. Интенсивное высушивание бетона в поверхностных слоях происходит и при ранней распалубке массивных конструкций, процесс усугубляется, как правило, повышенной температурой внутри бетона. В результате потери поверхностными слоями бетона части воды затворения процессы гидратации неизбежно замедляются или прекращаются вообще. Вне зависимости от последующего увлажнения и потенциальных возможностей бетонной смеси, уложенной в конструкцию, свойства бетона в подсушенном слое практически больше не изменяются и остаются на уровне тех, которые он успел приобрести до подсушивания. В конструкциях и сооружениях, изготовленных даже из высококачественного по своим потенциальным возможностям бетона, из-за технологической необеспеченности защиты от потерь воды затворения в поверхностных слоях качество бетона может оказаться непредсказуемо низким, хотя по результатам испытаний контрольных образцов уложенный бетон соответствует проектным требованиям. При изготовлении сборных бетонных и железобетонных конструкций и возведении сооружений любой массивности из монолитного бетона и железобетона следует использовать технологическую оснастку и технологические приемы и способы, в предельно рациональной степени использующие экзотермическое тепло, выделяющееся при гидратации, и защищающие бетон от потерь воды затворения.

Экзотермический способ выдерживания бетона был впервые предложен и реализован нынешним заведующим лаборатории индустриальной технологии бетонных работ НИЦ Е.А. Антоновым более 30 лет назад при изготовлении преднапряженных балок железнодорожных пролетных строений длиной 34,2 м из высокопрочного бетона марки 700 на полигоне Мостоотряда №8 Мостостроительного треста №3 в Саратове. Экзотермический способ выдерживания в комплексной влаготеплозащитной технологической оснастке, отделяющей уложенный бетон от окружающей среды, основан на управлении уровнем и интенсивностью тепловыделения при гидратации цемента и, следовательно, уровнем и скоростью саморазогрева и режимом остывания бетона в технологической оснастке при безусловной защите неопалубленных поверхностей твердеющего бетона от потерь воды затворения. Комплексная технологическая оснастка должна обеспечивать управляемость между твердеющим бетоном конструкции и окружающей средой. Экзотермический способ выдерживания бетона положен в основу всех разработанных и разрабатываемых лабораторией технологических регламентов организации и производства опалубочных и бетонных работ при строительстве транспортных сооружений из монолитного бетона и железобетона и при производстве сборного железобетона (плит БМП, балок и блоков пролетных строений и др.).