«Понимаем ли мы бетон?» — так называлась статья, опубликованная в «Строительной газете» №37 от 21 сентября 2018 года. Ее автор, доцент Кубанского государственного технологического университета Геннадий Пшеничный утверждал, что существующие представления о процессах твердения портландцемента устарели и сдерживают внедрение новых эффективных технологических приемов.

По мнению эксперта, традиционная трехстадийная кристаллизационная модель твердения не объясняет природы индукционного периода, скачкообразности, поверхностности, пилообразности процесса и многие другие нерешенные проблемы. В результате теоретическая основа бетоноведения заменена, по выражению автора, кубико-прочностным подходом и ограничивается получением как можно более высокой прочности. Прочность же, хотя и важный показатель несущего бетона, но далеко не определяющий, поскольку несравненно более значимой является его эксплуатационная надежность. Теоретической основой ее достижения может стать стадийно-поверхностный механизм твердения цемента. Раскрывая сущность этого механизма, Геннадий Пшеничный ссылается на американских ученых, которые установили, что при соприкосновении цемента с водой на клинкерной поверхности образуются рассредоточенные сгустки диполей (свободных носителей заряда), представляющих собой шестиопорные шатровые конфигурации. Непрерывная адсорбция диполей к контактным зонам «шатров» повышает поверхностный положительный заряд цементных зерен до критического уровня (индукционный период), приводящего к распаду комплексов (появлению активных частиц). Быстротечное потребление порций диполей для формирования очередного комплекса определяет развитие в межзерновых пустотах вакуума, организующего систему. Процесс протекает стадийно, сопровождается стяжением цементных зерен, появлением и упрочнением их контактных участков посредством накапливающегося поверхностного аморфного гидросиликата кальция. При этом на гидратированной поверхности цементных зерен остаются поверхностно-активные зоны, играющие сложно предсказуемую роль в эксплуатационной стадии. Отсюда автор статьи делает вывод, что прочность бетона должна быть достаточной и не более того, а основное внимание следует уделять надежности цементного композита, которая обеспечивается предельно возможной степенью гидратации цемента в технологический период. Статья Пшеничного вызвала весьма неоднозначную реакцию его коллег по научному цеху, поэтому «СГ» решила продолжить дискуссию и дать слово как критикам, так и единомышленникам краснодарского ученого.

Ответы на поверхности?

Среди специалистов, к которым «СГ» обратилась за комментариями, есть такие, которые решительно не согласны с автором статьи «Понимаем ли мы бетон?». В наиболее развернутой форме точку зрения критиков изложил заведующий кафедрой технологии строительного производства Донского государственного технического университета (Ростов-на-Дону), профессор Григорий Несветаев. Он считает, что претензии его коллеги к российскому бетоноведению не обоснованы. Прежде всего, он опровергает утверждение о том, что представления российских ученых о твердении портландцемента устарели. По его словам, знания российских специалистов постоянно пополняются на международных конгрессах по химии и технологии цемента.

«В ЕС тоже испытывают образцы-кубы, — заявляет Несветаев. — На каком основании автор говорит о «теоретической ущербности» представлений отечественных ученых о бетоне? Наши нормативные документы основаны на результатах научных исследований, соответствуют уровню норм стран, на которые обычно указывают как на «развитые». Отдельные вопросы в нормах, например, EN, проработаны более глубоко, другая группа вопросов более детально отражена в отечественных нормах. Это нормальная ситуация».

Григорий Несветаев убежден, что прочность является одним из основных показателей качества, по которому, в первую очередь, классифицируются конструкционные бетоны. Поскольку прочность бетона определяется его пористостью, от которой зависят и свойства, определяющие стойкость бетона в агрессивных средах (морозостойкость, водонепроницаемость и др.), существует связь между прочностью и показателями стойкости, которые, в частности, определяют долговечность конструкции. Эксперт категорически не согласен с утверждением о том, что, поскольку прочность цементных бетонов является динамичным, постоянно меняющимся свойством, ее нельзя считать определяющим свойством несущего бетона. По его мнению, для любого конструкционного материала прочность является одним из основных свойств, при этом речь идет не о прочности «вообще», а о некотором уровне, ниже которого в известных условиях эксплуатации предел прочности материала невозможен с очень высокой степенью вероятности.

«Скачкообразность», по мнению Несветаева, тоже не является загадкой, поскольку при формировании структуры цементного камня в ранний период происходят физические, физико-химические и химические процессы, сопровождающиеся, в том числе, изменениями в поверхности смачивания и количестве свободной воды, что приводит к изменению пластических свойств цементного теста. При этом на протяжении определенных периодов, например, индукционного, видимых изменений практически не наблюдается. Понятна Григорию Несветаеву и природа «пилообразности»: «Некоторые «сбросы» прочности при твердении цементного камня (бетона) вызваны внутриструктурными напряжениями, обусловленными собственными деформациями и градиентом температуры вследствие тепловыделения. Указанные напряжения могут вызвать трещинообразование и «сброс» прочности. Процесс гидратации обеспечивает частичное или полное «залечивание» трещин, что сопровождается ростом прочности. Отсюда «пилообразность». Не разделяет Григорий Несветаев и мнение о том, что отсутствует ясность в понимании формирования ослабленной контактной зоны бетона. По его мнению, одной из причин ослабленной контактной зоны «цементный камень — заполнитель» является контракционная усадка (autogenous shrinkage).

По мнению ученого из Ростова, наука не нуждается в предложенном Геннадием Пшеничным механизме твердения портландцемента. Теорию своего оппонента он не отвергает полностью, но отзывается о ней так: «Дискуссионно. Один из возможных механизмов. В приведенной редакции выглядит как гипотеза в самых общих чертах». Что же касается предлагаемого Пшеничным повторного и циклического вибрирования, этот процесс, по словам Несветаева, хорошо известен. Он оказывает благоприятное влияние, в первую очередь, на водонепроницаемость бетона, поскольку разрушает направленную капиллярную пористость и дефекты контактной зоны, а также на морозостойкость. Понятно, что прочность бетона при этом тоже улучшается.

Каверзные вопросы

Сотрудники лаборатории тонкостенных и пространственных конструкций НИИЖБ им. А. А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» Светлана Подмазова, Марина Глушкова и Даниил Литвак отмечают, что в статье не представлено ни одного примера реальной альтернативы для «кубико-прочностного» подхода в бетоноведении, который можно было бы повсеместно применять на строительных площадках и производствах. Что предлагает автор использовать в качестве критерия оценки достижения бетоном той стадии, на которой возможно дальнейшее нагружение конструкции? Как и в каких единицах можно определить, зафиксировать и выразить для технологов динамику и характер прочности, а также «структурно стабильный период» бетона, для определения оптимального момента нагружения? Эти вопросы остаются открытыми. Что же касается метода повторного вибрирования, то в некоторых диссертациях упоминается опыт применения данного метода на производстве, в частности, при производстве изделий на вибропрокатном стане. Результаты данных исследований показали лишь некоторое повышение прочности бетона, из которого состоят изделия, причем в очень небольшом диапазоне. Представители НИИЖБ считают, что, действительно, следует подумать о возможности внедрения на производстве метода повторного вибрирования, и этой тематикой уже занимались многие технологи. Но при этом они обращают внимание на серьезные изменения качественных характеристик цементов, которые с середины 2000-х годов стали домалываться до 45 мкм, поэтому необходимо сравнить результаты испытаний по виброактивации, полученные прежде и сейчас.

Впрочем, есть ученые, которые согласны с тем, что традиционные представления о зависимости прочности бетона от его гранулометрического и химического состава действительно устарели и нуждаются в обсуждении. Их аргументы «СГ» изложит во второй части статьи.

Цитата в тему

Заведующий кафедрой технологии строительного производства ДГТУ, профессор Григорий Несветаев:
«Поскольку в отечественной практике в промышленных масштабах еще с прошлого тысячелетия применяются и высокопрочные бетоны, и бетоны высоких марок по морозостойкости и водонепроницаемости, и бетоны с компенсированной усадкой, и быстротвердеющие бетоны, то, видимо, представление о «сущности явления» у специалистов соответствует требованиям нашего дня»