В книге обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований ряда закономерностей, лежащих в основе становления структуры, механических и деформационных свойств бетонной смеси и бетона на плотных и пористых заполнителях. Показано, что для раскрытия физической сущности явлений и процессов, обусловливающих формирование структуры и свойств бетона, могут быть привлечены теоретические положения фундаментальных и прикладных материаловедческих наук. Приведены аналитические зависимости, позволяющие расчетным путем качественно и количественно оценить физико-механические и деформационные характеристики бетона, учитывающие его структурные и технологические особенности при различных напряженных состояниях. Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Введение

Глава 1. Формирование структуры цементного геля

Структура и силы связи в кристаллах 
Микроструктура портландцементного клинкера
Структура воды
Явление адсорбции. Структура и свойства тонких пленок воды
Возникновение двойного электрического слоя
Водоудерживающая (адсорбционная) способность цемента
Контракция (стяжение) объема системы цемент – вода

Глава 2. Механические свойства цементного геля

Реологическая модель цементного геля
Реологические параметры цементного геля
Псевдоразжижение (тиксотропия) цементного геля
Статическая и динамическая взвешивающая способность цементного геля

Глава 3. Динамика процесса уплотнения цементного геля

Характеристики пористости и плотности цементного геля
Сжимаемость цементного геля
Зависимость между напряженным состоянием и характеристиками сжимаемости цементного геля
Кинетика фильтрации жидкости из цементного геля под давлением
Формуемость и уплотняемость цементного геля

Глава 4. Механизм коагуляционного упрочнения цементного геля

Общие представления о возникновении новой фазы
Ионная электрическая проводимость цементного геля
Кинетика микростуктурных изменений при образовании новых фаз в цементном геле
Контракционное уплотнение цементного геля в процессе схватывания

Глава 5. Формирование кристаллогидратной структуры цементного камня

Математическое описание физико-химических превращения при взаимодействии цемента с водой
Влияние дисперсности цемента на фазовые превращения 
Кинетика упрочнения кристаллогидратной структуры цементного камня
Твердение цементного геля, замороженного на стадии формирования коагуляционной структуры

Глава 6. Физические свойства песка и щебня (гравия)

Гранулометрические характеристики песка и щебня (гравия)
Плотность упаковки шарообразных частиц в единице занимаемого объема
Строение (сложение) песка и щебня (гравия)
Плотность упаковки и пустотность смеси песка и щебня (гравия)
Взаимодействие зерен щебня (гравия) и песка с водой

Глава 7. Технологические параметры бетонной смеси

Строение зерен заполнителя в водопотребность бетонной смеси
Зависимость пластической подвижности бетонной смеси от строения заполнителей и структуры цементного геля
Формуемость и уплотняемость бетонной смеси

Глава 8. Формование и уплотнение бетонной смеси вибрированием

Физическая сущность виброуплотнения бетонной смеси
Объемные деформации бетонной смеси при вибрационном воздействии
Влияние вибрирования на гидратацию цемента

Глава 9. Способы интенсификации процесса твердения бетона

Высокочастотное и повторное вибрирование
Обработка цементного геля в ультразвуковом и акустическом полях
Виброобработка разогретой бетонной смеси
Улучшение структуры бетона полимерами и комплексными химическими добавками
Технологические особенности способов уплотнения бетонной смеси с отжатием воды
Влияние величины, времени приложения и продолжительности действия прессующего давления на прочность цементного камня

Глава 10. Технологические особенности вибропрессования бетонной смеси

Уплотнение бетонной смеси центрифугированием
Виброцентрифугирование бетонной смеси
Вакуумирование бетонной смеси

Глава 11. Физико-механические свойства бетона

Некоторые положения физической теории прочности цементного камня
Зависимость предела прочности бетона при сжатии от активности портландцемента 
Трещиностойкость бетона
Прочность бетона
Зависимость модуля упругости от его состава и упругих свойств заполнителя
Усадка и ползучесть бетона

Список литературы

Введение

В решении программных задач, определенных XXVI съездом КПСС, значительная роль во всех ведущих отраслях народного хозяйства страны отведена науке, призванной усилить внимание к техническому совершенствованию производства и, в частности, к созданию прогрессивных технологий в строительной индустрии при оптимальных расходах материальных и энергетических средств.

Ускорение технического прогресса в указанной отрасли может быть достигнуто в результате практической реализации глубоких теоретических разработок, доведенных до инженерных решений. Это же относится к технологии бетона в связи с необходимостью значительного улучшения его физико-механических свойств и снижения материалоемкости железобетонных конструкций.

Преимущества бетона перед другими материалами способствовали быстрому и широкому его применению в мировой строительной практике еще до того, как важнейшие технологические особенности и технические качества бетона были надлежащим образом изучены.

Сложность процессов, обусловливающих формирование структуры бетона и его физико-механических свойств, предопределили в основном эмпирический характер развития науки о бетоне. На определенном этапе этот метод познания был единственно возможным и позволил накопить обширные экспериментальные данные для инженерной практики. Главный недостаток эмпирического метода заключается в его оторванности от фундаментальных наук, а это приводит к тому, что исследования в каждой конкретной области проводятся без учета физических свойств твердого тела. Существует даже представление о том, что исследования по бетону должны быть отнесены к обособленной от других наук области. Исследования по бетону могут претерпеть коренные качественные изменения при глубоком изучении природы внутренних сил взаимодействия, механизма их проявления при различных напряженных состояниях и условиях тепло- и массопереноса. При решении научных вопросов в таком плане необходимо руководствоваться гносеологическими концепциями современной физики, сформулированными в принципах соответствия и дополнительности.

Современной основой материаловедения является физика твердого тела, которая обязана своими успехами развитию квантовой механики, т. е. атомной теории, позволившей раскрыть природу сил связей в кристаллических решетках различных материалов, объяснить механизм их деформирования и разрушения, а также другие явления и свойства.

В методологическом отношении физика твердого тела разработана для однородных (идеальных и структурно-совершенных) материалов, как то: чистые металлы, полупроводники и т. п., поэтому на такой структурно-неоднородный материал, каким является бетон, теоретические положения физики твердого тела не могут быть полностью распространены. Учитывая, однако, что независимо от вида материалов всем им присущи общие свойства, привлечение отдельных теоретических положений физики твердого тела может оказаться весьма плодотворным в основном при обобщении результатов исследований, касающихся структурообразования и деформирования бетона под влиянием внутренних и внешних силовых полей.

Пока еще наука о бетоне представлена его технологией, разработаны также отдельные аспекты теории деформации и прочности бетона. Работы в этом направлении были начаты давно, однако они еще должным образом не обобщены и научно не обоснованы.

Настало время сформулировать задачи каждого из этих двух взаимосвязанных направлений. Все, что относится к процессам структурообразования материала, оценке его свойств, изучается физикой бетона, поскольку она отвечает на вопрос: какие явления происходят в бетоне при становлении и разрушении его внутренних связей. В свою очередь технология бетона отвечает на вопросы: как подобрать состав бетона и отформовать из него изделие, чтобы оно соответствовало заданным техническим целям.

Очевидно, что технология бетона является в некотором отношении производной от физики бетона, так как в задачу последней входят раскрытие и описание процессов и явлений, ведущих к формированию именно тех свойств материала, на основе которых создается технология.

Провести вполне четкую грань между ними строго говоря нельзя, так как в определенных точках они соприкасаются. Однако в методологическом отношении освещение вопросов физики бетона должно предшествовать его технологии. Такая именно взаимосвязь и показана в настоящей работе.

По аналогии с физикой металла физика бетона (бетоноведение) может рассматриваться как составная часть науки о материалах, базирующаяся на общих представлениях теории твердого тела, теории упругости и пластичности, коллоидной и физической химии, реологии вязкопластичных систем, а также других прикладных наук. Отсюда следует, что в физике бетона должны быть рассмотрены преимущественно теоретические положения, поскольку область применения их гораздо шире, чем факты, на основании которых они возникли и для объяснения которых созданы. Практическое значение физики бетона состоит в том, чтобы предрешать дальнейшее развитие технологии на более высоком научно-техническом уровне.

Первые попытки подвести под технологию бетона фундаментальную научную основу были в разное время предприняты в Советском Союзе — В.В. Михайловым, Б.Г. Скрамтаевым, П.А. Ребиндером, А.Е. Десовым, Н.А. Мощанским, С.В. Шестоперовым, И.Н. Ахвердовым; во Франции — Р. Фере, Е. Фрейсине и Р. Лермитом; в США — Т. Пауэрсом; в Великобритании — А. Невиллем; в ЧССР — С. Бехине и Ю. Сторком.

Работы указанных исследователей способствовали выбору общего научного направления и формированию теоретических представлений о структуре и свойствах бетона, получивших свое развитие в данном труде.

Значительное влияние на определение круга вопросов, рассмотренных в книге, и методологию их решения оказали также многочисленные работы советских и зарубежных исследователей, перечислить которые крайне трудно. Из числа таких работ отечественных ученых в первую очередь следует назвать монографии и статьи И.П. Александрина, С.В. Александровского, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, А.В. Волженского, А.А. Гвоздева, О.А. Гершберга, Г.И. Горчакова, К.С. Завриева, И.А. Иванова, Ф.М. Иванова, Г.З. Лохвицкого, В.М. Москвина, Н.А. Мощанского, Е.Э. Михельсона, О.Д. Мчедлова-Петросяна, Н.А. Попова, А.Е. Саталкина, М.З. Симонова, В.В. Стольникова, И.М. Френкеля, Г.Д. Цискрели, А.Е. Шейнина, Ю.Я. Штаермана, В.Н. Юнга.

Значительное место отведено в книге процессам, ведущим к зарождению и становлению структуры цементного геля [* В соответствии с общепринятой терминологией, концентрированные структурированные системы с присущими им обратимыми тиксотропными и прочими свойствами называются гелями, а не «тестом», как это принято в настоящее время в технологии бетона.] как на стадии вязкопластического состояния, так и при превращении в твердое тело. Здесь показано, что вода наравне с цементом является таким же химически активным компонентом, свойства которого существенно изменяются под влиянием поверхностно-активных сил и двойного электрического слоя на границе раздела твердой и жидкой фаз. Возникающие при этом силы между частицами цемента обусловливают формирование коагуляционной структуры цементного геля, наделенного явно выраженными реологическими свойствами, способностью претерпевать обратимые тиксотропные превращения и уплотняться под влиянием механических воздействий, а также самопроизвольно упрочняться по мере возникновения ионных связей в период образования центров кристаллизации.

Определено, что наиболее активными областями образования новых фаз являются сольватные оболочки, и в основе формирования кристаллогидратной структуры цементного камня лежат электронно-ионные обменные процессы между продуктами диссоциации минералов цемента и диполями молекулы воды. В свете этих представлений рассмотрены вопросы, относящиеся к кинетике упрочнения кристаллогидратной структуры цементного камня в нормально-влажностных условиях и при замораживании в период формирования коагуляционной структуры цементного геля.

При изложении указанных вопросов использованы современные представления о кристаллических структурах и типах связей в них, дипольной структуре воды и адсорбционных процессах, без которых не может быть построена теория структурообразования цементного камня.

Реологические и прочие свойства бетонной смеси, прочность и деформации бетона зависят в значительной степени от вида, крупности и формы песка и щебня (гравия), плотности упаковки их в единице объема, водопотребности и т. п. В связи с этим в книге приведены физические свойства заполнителей, влияющие на технологические параметры бетонной смеси. Кроме этого, рассмотрены различные способы воздействия на бетонную смесь, в том числе влияние модификаторов (полимеров и химических добавок), способствующих не только интенсификации ионообменного процесса, но и усилению реакционной способности цемента и воды на стадии формирования структуры цементного геля. В результате при указанных проявлениях затраченная энергия трансформируется в энергию связи между кристаллогидратными образованиями, обеспечивая высокую плотность и прочность бетона.

Последняя глава, посвященная физико-механическим свойствам бетона, основана на теоретических представлениях и экспериментальных данных, позволивших получить физически обоснованные формулы для оценки прочности, модуля упругости, трещиностойкости, деформаций усадки и ползучести бетона.

В книге приводится не только качественный анализ рассмотренных вопросов; в ней даются аналитические зависимости, позволяющие рассчитать количественные характеристики технологических параметров бетонной смеси и свойств бетона.

Далеко не все вопросы, относящиеся к физике бетона, нашли свое отражение в работе, и имеющиеся пробелы в ней могут быть восполнены по мере развития исследований в указанном научном направлении. Автор далек от мысли, что его труд лишен недостатков: напротив, отдельные научные концепции могут быть дискуссионными, требующими дополнительных экспериментальных подтверждений. Однако представляется, что и при этом книга может быть полезной, стимулируя зарождение новых научных идей и постановку соответствующих исследований.

Автор выражает свою искреннюю благодарность рецензенту книги профессору, доктору технических наук Ф. М. Иванову за ценные советы и рекомендации, учтенные при окончательной подготовке рукописи к изданию.