Все о пенобетоне - – 15-й выпуск.

Оптимизация технологического регламента изготовления пенобетонов.

Часть 4. Модификация соотношения Вода/Цемент (В/Ц)

Анализ “строительного Интернета” позволяет достаточно легко выявить наиболее “модные” темы обсуждений. Различные сайты специализируются на разных направлениях. А, представляя тот или иной “дом моделей”, в меру своих сил и способностей, направленно формируют структуру интересов посетителей - ни для кого не секрет, что практически все сетевые ресурсы реализуют или сопровождают определенные коммерческие проекты.

Стало уже доброй традицией при каждом таком сайте иметь свой Форум. Как способ информационной поддержки, сложных либо узкоспециализированных тем, коими изобилуют строительные направления, их рассматривать, конечно, нельзя. И в первую очередь из-за ограниченности формата, - скорее некая трибуна, место обмена мнениями и информацией оперативного характера, призванные “перенацелить” страждущего на основные ресурсы сайта.

Если активность Форума не формируется искусственно, он очень результативно отслеживается практически всеми поисковиками – основными поставщиками новых посетителей на сайт. Нужно только, чтобы темы обсуждений, а соответственно и присутствующие в них ключевые слова – объект предполагаемого поиска, как можно точнее соответствовали структуре интересов и запросов потенциальных посетителей. (Утверждения об обратном – от лукавого, - нужно быть законченным глупцом либо патологическим лентяем, чтобы не использовать такой действенный механизм привлечения новых посетителей на свой сайт).

Если внимательно присмотреться к строительным Форумам именно с позиций количества в их сообщениях ключевых слов, таковых окажется не так уж и много - пара-тройка десятков. Еще более внимательный анализ покажет, - наличие именно этих слов-лексем в сообщениях и обеспечивает степень демократичности Форума. Модератор, порой, согласен даже закрыть глаза на явные рекламистские ушки, торчащие из отдельных сообщений, пока их информационная наполненность отрабатывает общую идею. А уж если это “дружественные уши”, зайца кормящегося с соседней грядки – тут, как говорится, - сам Бог велел. (Особняком стоит ситуация с залётными зайцами-мутантами – пока они смачно хрумтят чужую моркву, сторожа тоже не внакладе - продают билеты всей округе, сбежавшейся поглядеть на цирк).

А если пойти “от обратного” - какая тема наименее освещена в строительном Интернете, и почему?

Такой информационной золушкой, по праву, можно назвать тему водоцементного соотношения – сокращенно В/Ц. Один из самых главных, фундаментальных и основополагающих постулатов бетоноведения он, в том или ином приложении, справедлив для любых минеральных вяжущих. Его грамотная реализация способна творить чудеса. Для их натурной реализации достаточно всего лишь ЗНАНИЯ, и его неукоснительного соблюдения со стороны исполнителя. Но водоцементное соотношение нельзя продать. Соответственно, с позиции продавца, обсуждать его, либо популяризировать, либо просто разъяснять суть явления – бессмысленная трата средств и времени.

На другом полюсе популярности и обсуждаемости – тема пластификаторов. Их “раскрутке”, продвижению и продаже, в той или иной степени, уделяют внимание все, даже ленивые. Нет ни одного строительного сайта, где бы Вы не нашли о них упоминания. А задавать поисковику в качестве объекта поиска лексему “пластификатор” просто бессмысленно – завалит тысячами ссылок. И если Вы станете руководствоваться этими ссылками, сути проблемы – А для чего собственно эти пластификаторы нужны? - так и не уясните.

Между тем, эти две темы – “оптимизация В/Ц” и “Пластификаторы” - близнецы-братья. Они неразрывно связаны друг с другом. Но если оптимизация В/Ц – описывает суть происходящих явлений, то пластификаторы помогают эту оптимизацию реализовать в натурном воплощении без лишних хлопот.

И если водоцементное соотношение продавать бессмысленно, то способы его оптимизации – очень даже ходовой товар. Попробую вас в этом убедить, но вот только начну нетрадиционно – с самого начала… 

Вода является наиболее важным фактором, определяющим как технологические свойства бетонной смеси, так и одним из обязательных её компонентов. Проследим, как распределяется и используется вода в бетонной смеси и каково ее влияние на качество смеси при постепенном увеличении ее содержания.

Вода, содержащаяся в бетонной смеси, может быть:

- в связанном состоянии, когда она находится во взаимодействии с твердыми частицами смеси и удерживается в ней силами, превышающими силу тяжести;

- в свободном состоянии - когда она заполняет крупные пустоты цементного камня, легко в них передвигается и столь же легко может быть из них удалена механическим путём – отжатием, центрифугированием, вибрированием, прессованием, ваккумированием и т.д.

К связанной воде относятся:

а) химически связанная вода;

б) адсорбционно связанная вода;

в) капиллярно связанная вода

Химическое связывание воды происходит в результате химических реакций с участием минералов, составляющих цементный клинкер. Её количество определяют стехиометрические соотношения в таких соединениях, как Ca(OH)₂, Mg(OH)₂ и различных кристаллогидратах составляющих основу цементного клинкера. Эта вода нас, пока, не интересует (во всяком случае, в рамках темы именно этой рассылки).

Адсорбционно-связанная вода – это тонкие, молекулярной толщины, и окружающие их, более толстые – порядка 0.1 микрона пленки воды, покрывающие все твёрдые компоненты бетонной смеси. В таких тонких слоях вода уже изменяется – значительно повышается её плотность и структурная вязкость. С физической точки зрения, в таких тонких плёнках воду следует уже рассматривать не как жидкость, а как твёрдое тело.

Количество воды, затрачиваемое на образование слоя адсорбционно-связанной воды наибольшей толщины, определяет максимальною влагоемкость твердых компонентов бетонной смеси. А её величина непосредственно зависит от удельной поверхности твердых частиц. В бетонной смеси наибольшее значение имеет влагоёмкость вяжущего вещества – цемента, и других мелкозернистых добавок, обладающих наибольшей удельной поверхностью – глинистые и илистые включения в заполнители.

Капиллярно связанная вода находится под действием капиллярных сил, развивающихся в результате поверхностного натяжения возникающего на границе двух сред. В узких капиллярах цементного камня диаметром менее 40 микрон, вода удерживается исключительно капиллярными силами. Чем меньше диаметр капилляра, тем эти силы больше. И соответственно больше давление, преодолевая которое влага стремится заполнить эти капилляры – до 200 атм. (В этой связи становится понятно, что любые обмазочные гидроизоляции бетонов не способны в полной мере бороться с капиллярным водоподсосом – с усилием в несколько сот атмосфер, с которым вода стремится проникнуть в бетон, можно бороться только тем же “капиллярным оружием”).

Кроме того, сквозные капилляры диаметром меньше 0.2 микрона могут самопроизвольно заполняться водой в процессе сорбции и конденсации в них водяных паров уже на стадии эксплуатации. Чем меньше диаметр пор, тем этот процесс идет легче. Но и удаление такой капиллярной влаги происходит аналогично – чем тоньше пора, тем сложней из неё эту влагу извлечь. 

Образование менисков воды в местах контактов твердых компонентов бетона (обводнение поверхности межзерновых пространств) и заполнение ею узких капилляров происходит в тот период, когда воды в системе еще недостаточно для того, чтобы заполнить все пустоты и более крупные капилляры и поры в системе. При влажности бетонной смеси, обеспечивающей возможность полного обводнения поверхности всех твердых частиц и образования контактных менисков, смесь обладает минимальной подвижностью, однако достаточной для того, чтобы при соответствующей работе уплотнения обеспечить наиболее плотную укладку бетона.

Следует учесть, что количественное распределение различно связанной воды, имеющейся в бетонной смеси, меняется во времени с развитием процессов химического взаимодействия, с внутренним отсосом воды в поры заполнителей, а также в зависимости от изменения состояния влажности бетона и окружающей среды

По мере увеличения количества свободной воды в системе уменьшается вязкость цементного теста и увеличивается подвижность бетонной смеси. Однако повышение подвижности смеси одним лишь увеличением содержания в ней воды при неизменности составляющих материалов и их соотношения может нарушить связность, вызвать отделение воды и расслоение смеси. Пределом допустимого состояния для каждой бетонной смеси является наибольшая подвижность, при которой ещё сохраняется способность смеси удерживать содержащуюся в ней воду. Этот предел, называемый водоудерживающей способностью бетонной смеси, зависит в значительной степени от водоудерживающей способности вяжущего вещества и других, мелкозернистых тестообразующих компонентов в бетоне.

С увеличением содержания воды в смеси сверх этого предела тесто быстро теряет свойства упруго-пластично-вязкой массы. Причем вязкость теста настолько уменьшается, что приготовленная смесь сразу после перемешивания начинает расслаиваться, а частицы твердых компонентов оседать со скоростью, зависящей от крупности и удельного веса, составляющих. Вода будет отделяться до тех пор, пока в смеси не установится содержание воды, соответствующее ее водоудерживающей способности. Отделившаяся вода, как наиболее легкий компонент в бетоне, поднимается вверх, размещается на открытой верхней поверхности уложенной бетонной смеси и, насыщая этот верхний слой, делает его наиболее рыхлым и слабым местом в конструкции.

Процесс видимого водоотделения и расслаивания переходит в более длительный по времени и незаметный на глаз процесс оседания частиц песка и подвижной цементноводной суспензии, происходящий в пространствах между зернами крупного заполнителя (явление седиментации), который сопровождается внутренним расслоением. Процесс седиментации длится до полного загустевания (схватывания) смеси.

Критическое содержание воды в тесте, сверх которого теряется связность смеси и отделяется избыточная вода, зависит от многих физических факторов, характеризующих данное вяжущее вещество и микронаполнители. Наиболее важным из них является – водопотребность.

Водопотребность портландцементов редко превышает 28%, чем меньше – тем лучше. Именно такое количество воды цемент способен связать в результате химических реакций и перевести в химически связанную воду.

Водопотребность портландцементов – показатель, формируемый в процессе их изготовления. Она очень сильно зависит как от минералогической базы, на которой работает тот или иной завод, и степени измельчения цемента, так и от количества активных минеральных добавок, вводимых в процессе помола.

Вся вода, введённая сверх этого количества, – вредная вода. Она сформирует в теле цементного камня поры и капилляры.

Хоть от воды, хоть от места, которое она ранее занимала, а затем испарилась – прочности, ну никакой. А вот по капиллярным ходам, оставленным лишней водой, впоследствии, уже на стадии эксплуатации, начинает мигрировать капиллярная влага. Бетон станет периодически увлажняться/высыхать или увлажняться/замерзать – начнут развиваться усадочные явления, и снизится морозостойкость. Кроме того, влага, имеющая возможность двигаться в толще цементного камня, способна выносить из него и отдельные водорастворимые соединения – развивается т.н. коррозия цементного камня. 

При нормальной густоте портландцемента, соответствующей водопотребности в 28% (В/Ц = 0.28), предельное содержание воды, при котором цементное тесто ещё сохраняет свою структурную связность или водоудерживающую способность, составляет примерно 45% от веса цемента (В/Ц=0.45), т. е. для клинкерных портландцементов водоудерживающая способность примерно в 1,45 раза выше их реальной водопотребности.

Это объясняет, почему какая либо оптимизация В/Ц, основанная на визуализации, ошибочна. Если Вы только заметили, что бетонная смесь отделяет воду, значит этой воды в ней больше нужного УЖЕ в полтора раза!

Но даже когда содержание воды в смеси ещё не вышло за пределы её водоудерживающей способности, происходит т.н. внутреннее водоотделение и седиментация. За счет естественного сближения заполнителей под воздействием силы тяжести, с одной стороны наблюдается положительный эффект – уплотнение заполнителей. Но с другой стороны, высвобождающаяся в результате вода, стремится тоже, куда то деться. Если позволяют условия, она устремляется вверх (вода легче всех остальных компонентов бетона, и в соответствии с законом Архимеда – всплывает) оставляя за собой микроканал капиллярной размерности. Под частицами заполнителя вода может задерживаться и скапливаться, образуя водные полости, переходящие в последующем в воздушные поры. Такие прослойки уменьшают площадь контакта цементного камня с заполнителем и ослабляют их взаимное сцепление. Эти же капиллярные ходы и полости, сообщаясь между собой, служат путями фильтрации воды сквозь бетон, т. е. способствуют повышению его водопроницаемости. Таким образом, из-за передвижения воды в бетонной смеси в период, предшествовавший схватыванию, происходит неравномерное распределение ее в смеси, образование значительного количества капиллярных ходов и сообщающихся каналов. В этом заключается главная отрицательная роль избыточного содержания воды в смеси и связанных с этим процессов внутреннего водоотделения. 

В бетоноведении существует множество математических моделей увязывающих марочную прочность бетонов с различными внешними факторами – марочностью цемента, характеристиками заполнителей, рецептурами бетонов и условиями их приготовления и вызревания и т.д.

Но в каждой этой модели обязательно присутствует зависимость, описывающая прочность бетона от принятого В/Ц и степени гидратации цемента.

Если абстрагироваться от изменчивости внешних факторов, все эти мат. модели, в качестве регулируемых непосредственно изготовителем бетона параметров рассматривают, по сути, тоже всего только две переменные – степень гидратации цемента и водоцементное соотношение. Причем степень гидратации всегда стоит в числителе, а В/Ц – в знаменателе. В упрощённом виде подобную зависимость отражает формула вида:

R₂₈= К * ( α / β ) где:

К – комплексная константа, описывающая количественные и физические характеристики применённых материалов (гранулометрия и количество заполнителей, марочность и дозировка цемента и т.д.);

α - комплексная переменная, описывающая степень гидратации цемента;

β – комплексная переменная, описывающая принятое В/Ц

Иными словами, меняя переменные, можно влиять на конечную прочность бетона, при неизменных константах. Чем выше степень гидратации цемента и ниже водоцементное соотношение, тем более прочный бетон можно получить на тех же исходных материалах и при неизменном их соотношении.

В результате обобщения многочисленных данных о твердении бетонов в естественных условиях, получены следующие ориентировочные коэффициенты, характеризующие прочность в разные сроки твердения по сравнению с прочностью через 28 суток:

3 сут. 0.35

7 сут. 0.65

28 сут. 1.0

90 сут. 1.25

180 сут. 1.4

1 год 1.5

3-5 лет 1.7 – 1.8

10 лет 1.9

15-25 лет 2.0 – 2.25

Такой рост прочности характеризуется зависимостью близкой к логарифмической.

Уместен вопрос – А откуда возникает прирост прочности даже через годы, после приготовления и укладки бетона? Что его обеспечивает? И нельзя ли эту прочность, через несколько лет ставшую излишней, попытаться получить уже сразу, и тем самым сэкономить цемент?

При соприкосновении с влагой в цементе начинаются определённые химические реакции – он начинает гидратировать. Продукты гидратации отделяются в раствор и являются тем клеем, который и соединяет все воедино.

Гидратация идёт направленно – от края цементного зерна к его центру. На определённом этапе каждое зерно цемента покрывается коркой этих гидратных новообразований. Эта корка достаточно плотная. Она препятствует проникновению влаги вглубь зерна цемента, и соответственно вступлению в реакцию с водой глубинных его слоёв. Получается, что часть цемента описанным выше процессом как бы выключается из формирования цементного клея. Эти не прореагировавшие зерна цемента остаются в бетоне уже не в качестве вяжущего, а в качестве микронаполнителя. Их так и назвали – “микробетон”.

В результате получается, что в каждой бетонной конструкции значительная часть цемента попросту законсервирована. По мере проникновения атмосферной влаги, всё новые и новые порции цементного клея выделяются в бетон – это и обеспечивает последующий набор прочности.

Практически всегда прочность бетона оценивается по его, так называемой, марочной прочности – через 28 суток. В соответствии с полученными показателями именно по истечении этого срока и нормируется его эксплуатационные показатели. Конечно, через время он станет намного прочнее, но воспринимать запроектированное эксплуатационное нагружение он должен уже сразу.

Весьма заманчиво тот запас потенциальной “законсервированной” прочности, который реализуется самостоятельно, но через несколько лет, попытаться получить сразу – в эти 28 суток. Насколько это удалось и характеризует показатель степени гидратации цемента.

Взаимодействие портландцемента с водой приводит к образованию новых веществ, которые и обуславливают схватывание и твердение цементного теста, растворной или бетонной смеси. Состав новообразований зависит как от химического и минералогического состава цементов, так и от ряда внешних факторов. И в первую очередь от соотношения участвующих в реакции веществ и условий протекания хим. реакции (температура, влажность, давление).

Со стороны инициатора начала хим. реакций один представитель – вода.

А вот другую сторону представляет целый комплекс химических соединений, в обобщённом виде называемый – клинкерная часть цемента. Его примерный состав следующий (%):

Алит (С₃S) 45 – 60

Белит (С₂S) 10 – 30

Трехкальциевый алюминат (С₃А) 5 - 12

Алюмоферит (С₄AF) 10 – 20

Стекловидная фаза 5 – 15

Окиси кальция и магния (СаО +MgО) 1 - 5

Свободные щелочи (Na₂O + K₂O) до 1

Даже простое перечисление самых значимых составляющих цемента не является побудительным мотивом к более глубокому проникновению в суть явлений, которые начинаются при их соединении с водой. Тем более что у меня самого, имеется стойкая убежденность, что несколько сот страниц зубодробительного описания как всё ЭТО реагирует с водой и между собой, хоть кто-то толком знает и понимает. Во всяком случае, теоретических моделей, описывающих суть происходящего несколько. Они последовательно развиваются во времени и являются предметом непрестанных дискуссий в среде академической бетоноведческой профессуры. Исходя из принципа разумной достаточности, ограничусь в описании этих процессов всего парой абзацев.

В начальный период формирования структуры цементного камня цементное тесто представляет собой концентрированную суспензию (пасту). Она состоит из цементных зёрен, окружённых водой затворения. Чем больше начальное водоцементное соотношение, тем при равных условиях толще водные прослойки, окружающие цементные зерна. Вода затворения в цементном тесте образует систему взаимосвязанных капиллярных пор, беспорядочно распределённых по всему объёму цементного камня.

В результате гидратации цемента образуются новые соединения – т.н. гидратные новообразования. Их объём примерно в 2.2 раза больше абсолютного объёма негидратировавшего цемента. Участвуя в химической реакции, вода расходуется на гидратацию цемента, а высвободившееся место заполняют образующиеся гидратные новообразования – идёт встречный процесс. Начиная с определенных соотношений ( В/Ц > 0.22 – 0.28 ), цемента уже не хватает на полное химическое связывание воды – она остаётся в толще цементного камня и формирует его микропористость.

При дальнейшем увеличении водоцементного соотношения (В/Ц > 0.65) оставшиеся микропоры и капилляры уже настолько протяжённы и разветвлены, что становятся сообщающимися между собой. Цементный камень с таким строением порового пространства характеризуется не только низкой прочностью (см. Рис. 1), но и высокой водопроницаемостью и плохой морозостойкостью.

 Использованная литература.
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. 1987 г.
2. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества, 1986 г.
3. Файнер М.Ш. Новые закономерности в бетоноведении и их практическое приложение, 2001 г.
4. Шейкин А.Е. Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня, 1974 г.
5. Шейкин А.Е, Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов, 1979 г.

При подготовке выпусков рассылки “Все о пенобетоне” используются только источники открытой печати и патентная литература бывшего СССР. Вся литература, на которую ссылается автор, имеется у него в наличии. Любые обвинения в нарушении нынешнего патентного законодательства и законов по охране авторских прав являются юридически несостоятельны.
Дата последней редакции 12.03.2004 - 21362 знака
Чертежей схем и графиков – 1 шт.
Библиография – 5 наименований
Сергей Ружинский, Харьков, Городок
E-mail:ryginski@aport.ru