Высокая морозостойкость цементного камня и бетонов – важнейшее свойство, в большой мере определяющее долговечность различных сооружений.

Особенно гидротехнических, дорожных. Задача повышения свойств морозостойкости цементобетонов транспортного назначения остается актуальной.

Изначально сформировалось суждение, что обеспечить высокую морозостойкость конструкций можно только с помощью введения структурирующих воздухововлекающих добавок. Но это не гарантирует, что даже правильно приготовленная бетонная смесь с необходимым воздухосодержанием обеспечит высокую морозостойкость конструкций и стабильность качества. Этот фактор зависит от условий перевозки смеси, укладки, уплотнения и т. д.

 Вовлеченный воздух в бетоне является особой «платой» за обеспечение его морозостойкости, ведь пузырьки воздуха ослабляют сечение бетона в конструкции и снижают его прочность.

 Исследованиями подтверждено, что увеличение объема вовлеченного воздуха на 1% приводит к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе на 2,5%, при сжатии – до 6%.

 Таким образом, для обеспечения нормированного ГОСТ 26633 воздухововлечения 5% в бетонной смеси для дорожных покрытий, прочность бетона при сжатии уменьшится на 30%, что необходимо учитывать при подборе состава дорожного бетона.

 Морозостойкость бетона зависит от плотности цементного камня, т. е. от его дифференциальной пористости и фазового состава. В развитии технологии бетона решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов добавками-модификаторами цементных систем. Полное представление о теории и практике модифицирования бетонов дает вышедшая в России монография В. Г. Батракова. Известный ученый С. С. Гордон в своих трудах также подчеркивает: «Анализ данных показывает, что для повышения морозостойкости бетона совершенно не обязательно использовать рекомендуемые научной литературой и нормативными документами только воздухововлекаюшие добавки». Заданные показатели могут быть обеспечены другими методами.

 На этом предположении основано другое важное достижение науки о бетоне, которое можно сформулировать как разработку научных основ первичной защиты бетона и железобетона от коррозии и повышения его морозостойкости. Плотность фазовых контактов и, соответственно, структуры, по Тэйлору, во многом зависит от условий формирования кристаллогидратов при гидратации основного минерала цемента.

Преобладание в структуре цементного камня более дисперсных и устойчивых гидросиликатов является фактором повышения прочности и плотности фаз кристаллизационной структуры и предопределяет связь морозостойкости с другими фазовыми и поровыми параметрами структуры цементного камня.

 Чем меньше общая пористость, тем выше морозостойкость цементного камня. Закономерно стремление специалистов-бетоноведов понизить общую пористость и добиться условий, во время которых капиллярные поры заполняются гидратными новообразованиями.

 Усложнение теоретических и практических задач бетоноведения приводит к формированию нового подхода в изготовлении бетона, предполагающего как преемственность, так и обновление имеющихся знаний, интеграцию различных направлений модификаций и объединение нового из других областей фундаментальных наук.

Аналитические исследования на стыке фундаментальных наук позволили специалистам холдинга «Инси» сформулировать основные требования к будущему типу дисперсно-армирующих волокон, обладающих качествами химических идентификаторов твердения, для комплексного воздействия на свойства цементных композитов. Исходя из данных предпосылок, строительный холдинг «Инси» и входящая в его состав научно-производственная компания «Си-Айрлайд» (г. Челябинск) предложили метод модификации цементных систем полифункциональным волокном «ВСМ-Си-Айрлайд», которое обладает синергетическим действием: регулирует твердение клинкерного цемента и обеспечивает армирование цементной матрицы.

 Результатом научно-исследовательской работы стало создание волокна коаксиальной структуры – «ВСМ» состоящего из прочного и жесткого ядра и активизированной оболочки, участвующей в физико-химическом взаимодействии с продуктами гидратации.

 Специалистами «Си-Айрлайд» решена задача направленного изменения свойств поверхности оболочки. Эта наиболее существенная составляющая волокна, она определяет функциональное действие для направленной кристаллизации цементного камня.

 Реализован технологический порядок получения наиболее плотной наполняемости поверхности и концентрации молекулярных кластеров в привитом слое оболочки волокна. Прививаемые органические соединения содержат активные одну или несколько полярных групп типа гидро-, гисульфо-, амино- и карбоксигрупп (-ОН, -СООН, -NH2 -S03H, -OSO3H, -COOН и т. д.), способных реагировать с цементными минералами и продуктами их гидратации.

 Подтверждено взаимодействие активных центров Льюиса и Бренстеда с продуктами гидратации за счет адсорбционных центров на поверхности волокна. Располагаясь на поверхности волокна в инициативном состоянии, концевые функциональные группы и неорганические модификаторы направленно воздействуют на процесс гидратации, формируя кристаллизированные сростки кристаллогидратов вдоль протяжения волокна.

 Эти межфазные системы составляют основу образующихся плотных контактных зон и всей матричной части бетона. Повышенная концентрация кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно-цементный камень) обеспечивает прочное сцепление волокна в цементных системах.

 Интегральная прочность цементного композита в присутствии «ВСМ» определяется рядом факторов, где существенное значение приобретает величина взаимодействия матрицы и поверхности волокна и величина когезии межфазового слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон, а также при соответствующей толщине и минералогическом составе этого слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик.

 Теория межфазовых явлений в этой системе может рассматриваться как совокупность трех основных частей – адсорбции продуктов гидратации на поверхностях волокна, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств полимеризованного межфазного слоя на границе раздела цементная матрица – волокно «ВСМ».

 Так как волокна, являющиеся носителями активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме бетона равномерно – при оптимальной дозировке, обеспечивают многоуровневую компоновку структуры, запуская механизм самоармирования.

 Это явление оказывает непосредственное влияние на прочность цементного камня, от которой зависят такие характеристики бетона, как прочность, модуль упругости и повышенное содержание гелевых при сокращении объема капиллярных пор. Исследования этого процесса и управление им являются важным звеном в формировании свойств цементного композиционного материала.

 В лаборатории ООО «Лаборатория по контролю качества строительных материалов и конструкций в мостостроении» совместно с ООО «Си Айрлайд» проведены подборы составов бетонов с применением «ВСМ». Оценивалось действие волокна на изменение свойств морозостойкости. Бетонные смеси, изготовленные с подвижностью от П1 до П4, испытывались в лабораторных и производственных условиях без применения воздухововлекающих добавок. Однако показатели качеств бетонов с волокном по трещиностойкости, морозостойкости и водонепроницаемости превысили заданные проектом.

 Достоинством модифицирующей добавки «ВСМ» с функцией армирования цементного камня является представленное в ней комплексное решение прикладных задач, связанных с созданием стро-ительных композитов с высокими эксплуатационными свойствами.

 Приглашем всех специалистов высказать свои замечания, сомнения и предложения, что, несомненно, послужит поводом для развития инновационных технологий в бетоноведении.

А.А. Савельев, директор департамента исследований и разработок ООО «Си-Айрлайд»,

А.Ю. Тарасова, к.т.н., ген. директор ООО «Лаборатория ККМ» ООО «Си-Айрлайд»