Скрытые возможности бетона

Самые совершенные методы контроля при возведении любых сооружений, в том числе мостовых, к сожалению, не могут обеспечить их качества. Используя методы контроля, в лучшем случае можно лишь подтвердить достижение требуемых проектом параметров качества, но нельзя эти параметры улучшить, так как конструкции сооружения уже построены.
Система всестороннего контроля качества безусловно необходима. Но наилучший результат дает использование системы технологической обеспеченности качества возводимых сооружений. Эта система заключается в организации технологических процессов, которые в период строительства гарантируют приобретение бетоном проектных параметров качества, а в период эксплуатации сооружения - реализацию потенциальных возможностей бетона.
В российской практике производства заполнителей этап гидравлической классификации (промывки) исключен из технологического цикла практически на всех карьерах и заводах, производящих щебень, 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.
Обследование 86 предприятий ЖБК бывшего Минтрансстроя, выполненное специалистами нашей лаборатории, показало, что 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 ГОСТ 8267-93; в щебне фракций 5 - 10 и 10 - 20 мм содержание более мелких частиц превышает пределы ГОСТ в 5 раз.
В конструкциях и сооружениях для уплотнения бетонной смеси в большинстве случаев применяют вибрацию. Но вибрация не уплотняет бетонную смесь, а тиксотропно разжижает цементное тесто и 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 r = 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, что 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 (r = П/Щ), установленному при подборе состава бетона.
Заданные состав и свойства бетонной смеси могут быть гарантированно 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, гарантирующем сохранение постоянства зернового состава заполнителей, поступающих в бетоносмесители БСУ от замеса к замесу, нереально и неосуществимо в обозримом будущем.
Наиболее надежным, технически и экономически доступным способом, гарантирующим однородность и качество заполнителей, подаваемых в дозаторы, является стабилизация их зернового состава (дополнительное обогащение) непосредственно перед подачей в расходные бункера БСУ (без промежуточных складских и транспортных операций). Стабилизация зернового состава заполнителей возможна с промывкой (при оборотном водоснабжении) или без промывки - с рассевом заполнителей фактической влажности. Процесс стабилизации можно организовать, во-первых, созданием специализированных установок (узлов), включенных 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 нашей лаборатории 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 распределенного 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 бетонную смесь по поверхности опалубки распределять 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 расслоения уплотняемой бетонной смеси с вытеканием цементного раствора и "расползанием" составляющих бетонной смеси. В каждом конкретном месте виброуплотнения должна быть образована замкнутая полость (в том числе частью очередной полосы бетонной смеси, распределенной в опалубке).
Технологическим процессом сооружения мостовых конструкций должны быть предусмотрены условия, гарантирующие на этапе изготовления приобретение уложенным в опалубку бетоном заданной прочности, плотности, долговечности и других заданных проектом свойств бетона на протяжении всего последующего существования и эксплуатации конструкций, особенно в поверхностных слоях, непосредственно взаимодействующих с окружающей средой.
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.
Чтобы гарантировать приобретение уложенным бетоном заданных свойств, необходимо:
•   сохранить в бетоне воду затворения, введенную в бетонную смесь при ее приготовлении, защитив открытые поверхности от сменяющихся объемов воздуха, поглощающего влагу из бетона;
•   исключить возможность 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 \"холодным\" воздухом. Интенсивное высушивание бетона в поверхностных слоях происходит и при ранней распалубке массивных конструкций, процесс усугубляется, как правило, повышенной температурой бетона внутри массива.
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.
На различных этапах технологического процесса изготовления сборных и возведения монолитных конструкций и сооружений защита открытых поверхностей бетона от потерь воды затворения, т.е. защита от контакта с воздушной средой требует постоянного внимания, затрат труда, материалов, а в ряде случаев и наличия специальной технологической оснастки.
При изготовлении сборных бетонных и железобетонных конструкций и при 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.
Эту задачу организации и выполнения процесса производства бетонных работ наиболее полно, технологически надежно и всесторонне решает экзотермический способ выдерживания уложенного бетона в комплексной влаготеплозащитной технологической оснастке. Экзотермический способ выдерживания бетона был впервые предложен и реализован автором статьи 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 уложенного бетона, длительностью и режимом остывания бетона в технологической оснастке при безусловной защите неопалубленных поверхностей твердеющего бетона от потерь воды затворения.
Комплексная технологическая оснастка должна обеспечивать управляемость теплообмена между твердеющим бетоном конструкции и окружающей средой.
Экзотермический способ выдерживания бетона положен в основу всех разработанных и разрабатываемых нашей 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.).
На протяжении последних десятилетий ОАО ЦНИИС совместно с проектными и строительными организациями создало разнообразные комплексы технологических оснасток, конструктивных способов и приемов организации и производства опалубочных и бетонных работ, реализующих экзотермический способ выдерживания бетона при сооружении объектов транспортного строительства, технологически обеспечивающих их качество, долговечность и эксплуатационную надежность.