Следует отметить, что еще 15–20 лет назад при изучении проблемы твердения вяжущих веществ главное влияние уделялось химическим и физико-химическим процессам и, в частности механизмам взаимодействия с водой. При этом недостаточно учитывалось их влияние на микроструктуру гидратных новообразований и всей системы в целом, которая, в свою очередь, предопределяет физико-механические свойства (прочность, деформативность и др.), а также долговечность последней. Недооценивался и ряд явлений чистофизического характера, важных для синтеза прочности и регулирования деформативности структур.

Можно полагать, что постепенно будет разработана общая теория твердения вяжущих веществ, комплексно учитывающая влияние протекающих при этом физических и физико-химических процессов на все основные свойства затвердевших систем и обеспечивающая прогнозирование их в оптимальных показателях на основе учета свойств исходных материалов и направленного регулирования процессов твердения.

Существующие в настоящее время теории твердения вяжущих веществ (А. Ле Шателье, В. Михаэлеса, А. Байкова и др.) развивают преимущественно физико-химические представления о механизме образования гидратных соединений и твердения смесей вяжущих веществ с водой при их взаимодействии друг с другом.

А. Ле Шателье предложил кристаллизационную теория твердения (1887 год), по которой вяжущее вещество, смешанное с водой, вначале растворяется и далее взаимодействует с ней, образуя гидратное соединение. Будучи менее растворимыми в воде, чем исходное вещество, они образуют пересыщенный раствор, из которого и выпадают виде тонкодисперсных частичек – кристаллов. Последнее срастаясь и переплетаясь друг с другом вызывают схватывание и твердение всей системы. Известно, что А. Ле Шателье разработал свою теорию с учетом преимущественно тех процессов, которые наблюдаются при твердении полуводного гипса.

По коллоидной теории твердения портландцемента, предложенной В. Михаелэсом в 1893 году; при смешивании цемента с водой вначале образуются пересыщенные растворы гидроксида кальция и гидроаллюминатов кальция. Они выделяются из раствора виде осадков кристаллической структуры В. Михаэлес считал, что эти осадки активного участия в гидравлическом твердении не принимают. За его основу он принимал гелевидную массу, возникающую во время образования гидросиликатов кальция непосредственно на поверхности частичек исходного цемента. Из этой массы, по мнению В. Михаэлеса, более глубоко расположенные слои цементных зерен отсасывают воду, причем масса уплотняется и обеспечивает твердение системы.

Развитию коллоидной теории твердения в большой мере способствовал Г. Кюль. Как уже отмечалось А.А. Байков в 1923 году выдвинул теорию твердения вяжущих веществ, в большей мере обобщающую взгляды А. Ле Шателье и В. Михаэлеса. Напомним, что, по А.А. Байкову, вяжущее в первый период растворяется в воде до образования насыщенного раствора. Второй период характеризуется прямым присоединением воды к твердой фазе вяжущего и возникновением гидратных соединений высокой коллоидной дисперсности без промежуточного растворения исходного материала. Одновременно происходит схватывание массы. В третий период идут процессы перекристаллизации частичек новообразований коллоидных размеров в более крупные, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности.

По современным данным, взаимодействие воды с частичками портландцемента начинается с абсорбции ее молекул на поверхности клинкерных фаз, сопровождаемой в последующим хемосорбционными процессами, обусловливающими возникновение первичных гидратных новообразований различного состава как на поверхности зерен, так и в пространство между ними.

С учетом современных данных автор следующим образом классифицирует основные факторы, обусловливающие прочностные и деформативные свойства, а также долговечность затвердевших смесей вяжущих веществ с водой.

1. Свойства и содержание (концентрация) по массе и абсолютному объему вяжущего вещества в единице объема исходной слитной смеси его с водой, обуславливающие начальную пористость системы.

2. Содержание (концентрация) по массе и абсолютному объему негидратированной части вяжущего и гидратных новообразований в объеме твердеющей системы, зависящее от степени гидратации вяжущего и обусловливающее характер и объем его пор.

3. Свойства частичек гидратных новообразований, предопределяющие микроструктуру затвердевшей системы (степень конденсации кремний-кислородных анионов, дисперсность и конфигурация, отражаемые удельной поверхностью, адгезионные и когезионные свойства, прочность частичек и др.).

4. Удельная теплота, скорость гидратации и тепловыделение вяжущих веществ.

5. Температура твердеющей смеси вяжущего с водой и заполнителями.

6. Характер среды (водной или парогазовой), в которой протекает твердение (в частности, наличие в ней агрессивных веществ).

7. Наличие в твердеющей смеси различных добавок (регуляторов скорости твердения, пластифицирующих, гидрофобизирующих и др.).

Тепловлажностная обработка портландцемента при повышенных температурах (80–200оС) вызывает не только ускорение процессов его твердения, но и большие изменения в химическом составе и структуре новообразований. При повышенных температурах клинкерные минералы образуют гидратные соединения с пониженным количеством молекул воды, например возникающие при обычной температуре гидросиликаты кальция с 2,5–4 молекулами воды, переходят в соединение с 1–0,5 молекулами, гидроаллюминаты кальция, содержание 19 и 12 молекул воды, переходят в соединение с 6 молекулами и меньше.

Уменьшение содержания воды в гидратах сопровождается одновременно увеличением их истинной плотности. Тепловлажностная обработка способствует увеличению размеров частичек новообразований и тем в большей степени, чем выше температура и длительнее ее воздействие на твердеющий цемент. Все это снижает прочностные характеристики и повышает пористость цементного камня при одинаковой степени гидратации исходного вяжущего.

На результате проведенных опытов подтверждается, что прочность, пористость и ряд других свойств цементного камня определяется не только степенью гидратации и, следовательно, количеством новообразований, но и их качественными характеристиками, в частности, степенью дисперсности частичек гидратных соединений.

Тепловлажностная обработка цемента при твердении тем слабее отражается на прочности, пористости и некоторых других свойствах, чем раньше она проведена после затворения вяжущего водой при прочих разных условиях.

Таким образом, тепловлажностная обработка цементных бетонов, способствуя ускорению твердения, может приводить к некоторому недоиспользованию потенциальных возможностей цементов, полнее проявляющихся при обычном твердении. Лишь автоклавная обработка, при которой в реакции твердения вовлекаются и тонкодисперсные, «инертные» заполнители или специально вводимые, в частности кремнеземистые добавки, способна компенсировать отрицательное влияние огрубления структуры новообразований и обеспечить получение бетонов высокой прочности.