Одной из основных задач современного строительства является разработка и внедрение новых высокоэффективных строительных материалов, позволяющих обеспечить надежность и долговечность конструкций на их основе. Большое разнообразие строительных сооружений, различие в условиях их возведения и эксплуатации вызвали необходимость создания специальных вяжущих и бетонов на их основе.

В последние десятилетия в НИИЖБе были разработаны и применены в различных областях строительства напрягающие бетоны и бетоны с компенсированной усадкой, позволяющие обеспечивать конструкциям на их основе повышенную водонепроницаемость, морозостойкость, трещиностойкость. Такие бетоны изготовляют на основе портландцемента и расширяющих добавок. Последние могут быть получены как по обжиговой, так и по безобжиговой технологиям с использованием различных промышленных отходов. Среди разнообразия запатентованных в России добавок особый интерес представляют алюминатно-сульфатные и алюмооксидные добавки, а также их комбинации, свойства которых определяются условиями гидратации и твердения алюминатов и сульфоалюминатов кальция, а также их соединений с силикатами и сульфатами.

Изучением условий образования гидрата сульфоалюмината кальция, его модификаций, порядка их превращений и устойчивостью структуры занимаются многие исследователи. Однако единого взгляда относительно свойств гидратов сульфоалюминатов кальция не установлено. Наоборот, во многих случаях высказываются прямо противоположные мнения.

Одни считают, что при гидратации исходных материалов может образовываться только трехсульфатная форма гидросульфоалюмината кальция C₃A(CS)₃H₃₂, которая не является устойчивой фазой и может перекристаллизовываться в более стабильную (низкосульфатную) C₃A(CS)H₁₂; другие утверждают, что, наоборот, стабильной является высокосульфатная форма, которая может распадаться только в определенных, редких условиях; третьи полагают, что в среде гидроокиси кальция всегда образуется в устойчивой форме низкосульфатная форма; наконец, некоторые ученые считают возможным существование в системе затвердевшего сульфоалюминатного вяжущего двух и даже более форм гидратов сульфоалюмината кальция.

По выдвинутой проф. В.В.Михайловым теории расширения цементного камня, образование гидрата сульфоалюмината кальция и появление свободных и связанных деформаций объясняется тем, что при гидратации исходных минералов и химических соединений в среде, насыщенной гидрооктсью кальция, сначала образуется низкосульфатная форма гидрата сульфоалюмината кальция C₃A(CS)H₁₂ или ее аналоги, которые затем в водной среде перекристаллизовываются в высокосульфатную форму C₃A(CS)₃H₃₂.

В среде, насыщенной гидроокисью алюминия, или в чистой водной среде сразу быстро образуется высокосульфатная форма гидрата сульфоалюмината кальция, аналогично тому, как в среде гидроокиси кальция быстро возникает низкосульфатная форма гидрата сульфоалюмината кальция. Обычно процессы завершаются в течение первых 3...7 сут твердения.

Перекристаллизация, по мнению В.В.Михайлова, может быть замедлена или даже временно прекращена уменьшением количества воды затворения, повышением температуры среды до 90... 100°С и перенасыщением среды известью. В этих условиях в цементном камне возникает наибольшее количество низкосульфатной формы гидрата сульфоалюмината кальция.

Наоборот, ускорение перекристаллизации низкосульфатной формы в высокосульфатную форму гидрата сульфоалюмината кальция или непосредственное образование высокосульфатной формы достигается понижением содержания в среде гидроокиси кальция путем обводнения структуры или даже переводом в среду, насыщенную гидроокисью алюминия.

Чем больше в составе твердеющего напрягающего цемента образуется низкосульфатной формы гидрата сульфоалюмината кальция, готового к перекристаллизации в момент достижения раствором или бетоном достаточной прочности (порядка 80... 150 кг/см²), тем энергичнее в определенных условиях произойдет его перекристаллизация и существенно выше будет степень самонапряжения. К сожалению, использование названнных средств в практических случаях затрудняется, потому что с уменьшением количества воды затворения усложняется быстрая и плотная укладка в формы бетонной смеси, нагрев бетона до температуры 90... 100°С требует времени, а к моменту достижения бетоном прочности 80... 150 кг/см² и подачи избытка воды значительная доля гидрата сульфоалюмината кальция уже образовалась и перекристаллизовалась без возникновения ожидаемого самонапряжения. В результате для полезной работы самонапряжения может быть использована только часть исходных алюмосульфатных материалов кальция, а это указывает на то, что имеются возможности существенного улучшения состава НЦ и процесса самонапряжения.

Известно, что основные свойства структуры цементного камня (кинетика роста прочности, расширения и самонапряжения) зависят от образовавшегося при гидротермальном твердении гидросульфоа-люмината кальция. Свойства последнего обусловлены многими факторами, в том числе такими, как природа алюминатного компонента, расширяющей добавки, ее качественный и количественный состав, состав исходного портландцемента и др.

Объемные деформации твердеющей структуры зависят от степени гидратации, количества воды, необходимой для полной гидратации, степени заполнения порового пространства. Расширение цементного камня связано с увеличением объема твердой фазы, образующейся при гидратации, и вызывается той ее частью, которая не способна разместиться в поровом пространстве гидратирующейся структуры.

Для исследований* был использован среднеалюминатный портландцемент, содержащий (%): C₃S — 56,4; C₂S — 16,3; С₃А — 7,5; C₄AF — 12,2; CaSO₄ —4,9; MgO — 1,0. Из напрягающего цемента, полученного из портландцемента и расширяющей добавки, а также из исходного портландцемента изготавливали образцы, которые после 1 суг герметичного хранения помещались в воду. Через 1, 3, 7, 14 и 28 сут в образцах определяли п.п.п., общее содержание сульфатов, содержание гипса (CSH₂) и различных форм гидросульфоалюминатов кальция C₆AS₃H₃₂ и C₄ASH₁₂. В табл. 1 и 2 приведены данные по кинетике образования сульфатосодержащих фаз при гидратационном твердении вяжущих, а также эти данные, пересчитанные на эттрингит и моносульфогидросиликат кальция.

Таблица 1

Таблица 2

Как видно из полученных данных, в первые сутки твердения как у композиции ПЦ+РД, так и у ПЦ образуются обе формы гидросульфоалюминатов кальция, однако в системе ПЦ+РД его количество в 1,5 раза больше. Соответственно у ПЦ+РД кристаллизуется: C₆ASH₃₂ — 13,49% и C₄ASH₁₂ — 8,7%, в то время как у ПЦ соответственно 9,63 и 5,28%. При дальнейшей гидратации портландцемента образование эттрингита прекращается после 3 сут, а к 28 сут содержание его даже несколько снижается. Количество же моносульфогидроалюмината кальция в течение 3...28 сут практически не изменяется.

При гидратации вяжущего, полученного из композиции ПЦ+РД, эттрингит образуется непрерывно в течение 28 сут и его количество составляет 18,9%, а содержание мо-ногидросульфоалюмината кальция несколько снижается в процессе гидратации, но его количество в 1,5 раза выше, чем у ПЦ.

Известно, что деформации расширения образцов из напрягающего цемента начинаются сразу после помещения образцов в воду и к 3...7 суткам практически стабилизируются. Кинетика роста самонапряжения образцов находится в соответствии с развитием расширения и, следовательно, с кинетикой образования эттрингита в цементном камне. В нашем случае (вяжущее — напрягающий цемент, состоящий из портландцемента и расширяющей добавки) развитие свободных и связанных деформаций и прочности в мелкозернистом бетоне протекало в полном соответствии сданными, представленными в табл.1 и 2. Результаты исследований приведены в табл.3.

Таблица 3

Высокая прочность и плотность цементного камня позволили уже в 7-суточном возрасте получить водонепроницаемость бетона свыше 12 атм, а в возрасте 28 сут обеспечили марку по водонепроницаемости W20 и марку по морозостойкости свыше F500. Используя расширяющую добавку различного качественного и количественного состава, можно регулировать свойства бетона.

В настоящее время в НИИЖБе разработана и освоена целая гамма расширяющих добавок, позволяющая получать как бетоны с компенсированной усадкой, так и напрягающие, а также сухие смеси различного назначения. На все виды материалов разработаны соответствующие нормативные документы.

Расширяющие добавки вводят или в мельницу при производстве цемента, или в бетоносмеситель непосредственно при приготовлении бетонной смеси, используя в качестве вяжущего портландцемент общестроительного назначения. Изучение процесса гидратации цементов с расширяющими добавками и бетонов на их основе показало, что скорость образования продуктов гидратации, вызывающих расширение в системе и рост прочности, во многом зависит от вида, активности и количества расширяющей добавки. Однако общие закономерности изменения прочности, расширения, самонапряжения цемента и бетона на его основе характерны при использовании любого вида добавки.

Для оценки возможности получения бетонов с регулируемыми свойствами были проведены исследования, результаты которых нашли применение в различных конструкциях.

Особый интерес представляла разработка бетонов с прогнозируемыми свойствами для конструкций большой протяженности, таких как фундаментные плиты и тонкие пластины, какими являются покрытия полов. К таким конструкциям, помимо специальных требований по износостойкости, агрессивным и ударным воздействиям, предъявляются основные требования потрещинос-тойкости и водонепроницаемости.

В отличие от стандартных конструкций из портландцемента, в которых небольшая предельная растяжимость бетона вызывает необходимость устройства деформационных швов, использование расширяющих добавок в составе вяжущего позволяет в тех же конструкциях отказаться от температурных швов. При этом исключается трудоемкая недолговечная гидроизоляция. Это наиболее экономично при возведении таких конструкций, как фундаментные плиты, где обычно для ликвидации подпора грунтовых вод устраивается гидроизоляция по подготовке под плитой. Например, в конструкции фундаментной плиты Торгово-оздоровительного комплекса на площади Курского вокзала в Москве введение в состав вяжущего расширяющих добавок различного количества и качества позволило получить как бетоны с компенсированной усадкой, так и напрягающие. Учитывая повышенную плотность и соответственно повышенную водонепроницаемость бетонов с компенсированной усадкой, в фундаментной плите была отменена проектная гидроизоляция.

Фундаментная плита — конструкция большой протяженности, и ее возведение требует длительного времени, поэтому было предусмотрено устройство специальных вставок, которые выполнялись из напрягающего бетона. Характеристики бетонов на основе портландцемента и расширяющей добавки, использованных при возведении ТОКа на площади Курского вокзала, приведены в табл.4.

Таблица 4

Одним из путей улучшения качества бетона в таких покрытиях, как полы промышленных предприятий, является использование бетонов с компенсированной усадкой, полученных с использованием расширяющей добавки. Необходимо отметить, что устройство полов является трудоемким процессом, и для обеспечения высокой прочности (не ниже В30), коррозионной стойкости в условиях сильноагрессивной степени воздействия, высокой износостойкости (не выше 0,06 мг/м²) при средней степени интенсивности движения на промышленном предприятии поверхность покрытия из бетона на портландцементе обычно разделяют на части во избежание образования температурно-усадочных трещин. Это нарушает монолитность покрытия и ухудшает условия эксплуатации.

Применение бетона с компенсированной усадкой на основе портландцемента и расширяющей добавки позволяет обеспечить достаточную трещиностойкость и монолитность покрытия пола. Такие бетоны с успехом были применены для покрытий полов крупных мясоперерабатывающих предприятий Москвы.

На основе портландцемента и расширяющей добавки в различные конструкции, возводимые за последние 1,5 года в Москве, всего было уложено более 40 тыс.м³ бетона с компенсированной усадкой и 1000 м³ напрягающего бетона.

Таким образом, в результате многолетних исследований были теоретически обоснованы и разработаны добавки, которые позволяют регулировать физико-механические и эксплуатационные характеристики бетонов и получать как бетоны с компенсированной усадкой, так и напрягающие бетоны. Заранее задавая свойства бетонов, можно определить область их применения для любого вида конструкций нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами. Такие бетоны с использованием расширяющих добавок с портландцементами общестроительного назначения позволяют увеличить трещиностой-кость конструкций, их водонепроницаемость, обеспечивают водонепроницаемость без гидроизоляции, значительно ускоряют ввод сооружений в эксплуатацию и повышают надежность и долговечность конструкций и сооружений.