Ахвердов - Основы физики бетона (1981)

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 [123].

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.

Значительное место отведено в книге процессам, ведущим к зарождению и становлению структуры цементного геля, 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 [141].

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.