О неоднородности бетона говорят значительно реже, чем о его прочности, деформативности, морозостойкости. Однако это свойство заслуживает более внимательного отношения. Кто же не знает, что такое однородность и неоднородность?

Эти понятия используются буквально во всех областях человеческой деятельности: однородные и неоднородные функции в математике, однородная атмосфера в физике, однородная деформация в технике, однородные и неоднородные смеси в химии и технологии. А сколько затрачивается труда на то, чтобы создаваемые материалы (сплавы, бетоны, керамика) получились более однородными; для этого создают все более сложные смесители и гомогенизаторы. Но однородность оказывается недостаточной, и технологи со своим сырьем и оборудованием устремляются в космос, в невесомость, чтобы сила тяжести не ухудшала однородности создаваемого материала.

Так что же это за свойство, называемое однородностью, и что такое неоднородность? Попробуем сформулировать: однородность – это... Впрочем, давайте заглянем в Большую Советскую Энциклопедию. Ищем: «обзорность», «огнеупорность», «одаренность», «одушевленность» ...всякие свойства есть, а «однородности» нет. Посмотрим на букву «н»: «необратимость», «неодолимость», «неодушевленность». Все есть, кроме «неоднородности». Нет этих терминов и в других энциклопедиях, – в Философской, Технической, Географической и прочих – включая Большую Британскую Энциклопедию.

Термины «неоднородность», «неоднородное тело» и т. п. отсутствуют в Толковом словаре живого великорусского языка Владимира Даля. Нет их и в словаре Ожегова, нет в Политехническом словаре, не нашлось для них места и в десятитомном издании «Научно-техническая терминология», а также в словарях, выпущенных Академией Наук СССР: в Словнике толкового словаря естественнонаучных терминов и в Логическом словаре-справочнике. Бесполезно также рыться в Толковом словаре математических терминов, в Философском словаре и многих, многих других. Как же в таком случае можно дать определение такому явлению как неоднородность бетона?

Вот как оценивается однородность бетона специалистами?

А. П. Меркин, весьма глубоко исследовавший структуру ячеистых бетонов, писал, что, несмотря на очевидную важность, на сегодня нет единой трактовки понятия однородности и методов ее оценки.

Г. И. Горчаков отмечает важность однородности распределения компонентов бетона.

И. А. Рыбьев рассматривает бетон как искусственный строительный конгломерат и выделяет в нем пять масштабных уровней.

В. И. Соломатов считает бетоны материалами полиструктурными (структура в структуре).

А. Е. Шейкин отмечает физическую и химическую неоднородность продуктов гидратации цемента.

И. А. Иванов пишет, что в бетоне заложены определенные противоречия, связанные с понятием однородности – в какой степени конгломератен материал, являющийся по своей природе неоднородным, относится ли это к его структуре или только к свойствам.

П. Г. Комохов показал, что в нагружаемом конструктивном элементе неизбежно образуется зона начала разрушения, где и возникает первая магистральная трещина, приводящая к деструкции.

Невозможно перечислить всех исследователей, которые обращали внимание на неоднородность бетонов и ее влияние (чаще всего отрицательное) на эксплуатационные свойства бетонных изделий. Здесь к месту будет русская поговорка: где тонко, там и рвется. Неоднородность и создает эти тонкие места.

В журнале «Популярное бетоноведение» (№ 1, 2004 г.) анализируются известные труды Й. А. Хинта, по обработке бетонных смесей в дезинтеграторе. При этом получаемый положительный эффект всецело относят на счет тонкого измельчения и механической активации сырья. Не отрицая возможного влияния указанных причин, необходимо добавить, что определенное значение имела и повышенная однородность смесей, достигаемая за счет их обработки в быстроходном дезинтеграторе.

Такое утверждение подтверждается прямым экспериментом. Известно, что ингредиентами газобетонной смеси являются: вяжущие (цемент, известь), наполнитель (молотый песок, зола ТЭЦ), газообразователь (алюминиевая пудра) и вода. Труднее всего равномерно распределить по объему смеси газообразователь. Во-первых, его очень мало (доли процента). Во-вторых, частицы алюминиевой пудры слипаются в гранулы разных размеров. В-третьих, каждая частица покрыта слоем парафина, что делает пудру гидрофобной. Каждая из указанных особенностей пудры вносит свою долю неоднородности в газобетонную смесь.

Суть эксперимента состояла в следующем: готовили три вида газобетонной смеси с одинаковыми расходами вяжущего, наполнителя и воды. В первом случае в смесь вводили сухую (гидрофобную) алюминиевую пудру, во втором – пудру вводили в виде гидрофильной суспензии (сейчас так делают на всех заводах по производству пенобетона). В третьем случае смесь дополнительно перемешивали в быстроходном турбулентном смесителе. Из всех трех видов смеси изготовили контрольные образцы, запарили их одновременно в одном автоклаве, после чего выдержали в течение суток в помещении лаборатории и испытали на плотность и прочность.

В результате при одинаковой плотности газобетона, прочность образцов составила, соответственно, 100, 130, 190 процентов. Такова роль неоднородности.

Пристальное внимание к рассматриваемому феномену привело к появлению нового подраздела науки – теории неоднородности. При этом вскрылись интересные вещи: например, существует аддитивная характеристика неоднородности, имеющая размерность единиц работы и, в отличие от статистических методов, позволяющая суммировать разные виды неоднородности одного объекта; существует глобальная эволюционная тенденция движения от однородности к неоднородности, которая в рамках живой природы характерна и для филогенеза, и для онтогенеза. Но это отдельный разговор.

В рамках же популярного бетоноведения представляют интерес следующие частные выводы Теории неоднородности:

1. Совершенствование конструкционного материала не может осуществляться только за счет исключения из достигнутого арсенала воздействий каких-либо приемов или ингредиентов. Неизбежно и расширение арсенала, а, следовательно, наращивание неоднородности.
2. Следовательно, неоднородность бетона является единственно возможной формой его существования, а не каким-то фатальным недостатком. К коварству неоднородности следует отнести то, что она содержит в себе и позитивные возможности, нужно только их рассмотреть.
3. Неоднородность сама по себе неоднородна. Например, неравномерное распределение ингредиентов бетона в конкретном блоке приводит к снижению его прочности – это неоднородность объекта, но и при самом тщательном дозировании составляющих, и при максимально одинаковом перемешивании прочность разных блоков будет неодинаковой – это неоднородность продукции; разные виды неоднородности требуют разных приемов реагирования.

Если внимательно рассмотреть всю совокупность существующих бетонных элементов, то можно увидеть, что на определенном этапе появились автоклавные изделия, в которых содержится новый компонент – молотый песок, а цемент заменен известью. Затем возникли грунто-силикаты, содержащие вместо цемента едкую щелочь. Нет числа появляющимся добавкам-ускорителям, пластификаторам. Все это наращивает неоднородность существующей совокупности бетонных изделий, но не воспринимается как отрицательное явление.

Все бетонные элементы появляются, существуют и исчезают в поле тяготения Земли, в окружении ее атмосферы, они воспринимают различные внешние воздействия, среди которых и механические силы, и агрессивная среда, и колебания температур. Максимальным разрушающим воздействиям подвергается поверхность элемента, являющаяся границей между элементом и окружающей средой; внутренние же зоны, экранированные собственным телом элемента, подвергаются существенно меньшим воздействиям. Вследствие этого даже самый однородный элемент будет характеризоваться неоднородным напряженным состоянием.

Против этого явления найдено средство, названное вариатропией. Интересно то, что с неоднородностью напряженного состояния борются путем сознательного внесения неоднородности в структуру изделий, для чего разработаны достаточно простые и эффективные технологические приемы, создано необходимое промышленное оборудование, осуществлено внедрение разработки в производство. Но это – также отдельный разговор.

Легкое отношение к неоднородности ложится тяжелым бременем на экономику бетонов, и особенно это относится к ячеистым бетонам, у которых регламентирована не только прочность, но и теплопроводность. Дело в том, что проектировщики оперируют не фактическими, а так называемыми расчетными значениями прочности и теплопроводности бетонов, учитывающими возможные колебания характеристик, т. е. принимающими во внимание фактическую неоднородность изделий. При этом расчетное значение прочности бетона близко к минимальной величине, а теплопроводности – к максимальной, и в 95% случаев фактические показатели изделий не соответствуют расчетным, а за это надо платить.

Если с неоднородностью объекта можно бороться путем совершенствования методов перемешивания, то с неоднородностью продукции – сложнее, поскольку здесь больше влияющих факторов: температура компонентов и окружающей среды, меняющиеся от замеса к замесу, погрешность дозировки каждого из компонентов, колебания влажности воздуха и атмосферного давления и т. д.

Особенно трудно бороться с неоднородностью ячеисто-бетонной продукции, поскольку практически невозможно получить одинаковую плотность ячеистого бетона в двух разных замесах. Особенно это относится к газобетону, который вспучивается не всегда на строго одинаковую высоту, из-за чего меняется его плотность.

Неприятным следствием нестабильности вспучивания является вынужденное искусственное снижение практически всех эксплуатационных характеристик газобетона. От плотности любого поризованного материала зависят все его показатели, включая прочность, теплопроводность, стойкость, усадку и пр.; например, прочность газобетона является кубической функцией его плотности, следовательно, уменьшение последней в два раза приводит к восьмикратному падению прочности.

Возможность уменьшения колебаний плотности открывает широчайшие перспективы совершенствования технологии. Можно реализовать любой из перечисляемых ниже путей. Например, применять более экономичные составы и режимы при сохранении заданных показателей газобетона. Или принять более высокое значение расчетной прочности. Также можно снизить расчетную плотность изделий, а, следовательно, повысить их теплозащитные характеристики, уменьшить удельный расход сырьевых материалов, трудоемкость и энергоемкость их переработки. Можно сократить и расходы на транспортировку сырья и готовой продукции, затраты на монтаж зданий и расширить сырьевую базу газобетона за счет возможности применения тех материалов, которые считались неприемлемыми для технологии с большими колебаниями плотности. Следует заметить, что и здесь найден способ борьбы с неоднородностью, получивший имя автофреттаж – и это тоже предмет отдельного разговора.