Комплексная разработка проблемы долговечности бетона
Влияние среды на скорость накопления повреждений вероятно может быть отражено через параметры, связывающие ее с уровнем действующих напряжений и значением прочности. Однако при рассмотрении длительных процессов помимо факторов, снижающих прочность, надо было бы во многих случаях учитывать продолжающееся структурообразование, которое одни среды (особенно водная) могут интенсифицировать, другие — тормозить.
Для того чтобы научиться учитывать изменение свойств конструкций составляющих их материалов, а также сцепления между ними под влиянием силовых воздействий и среды, теория железобетона должна пройти длинный и трудный путь. Но результаты предстоящей работы могут использоваться для практических целей по мере их получения, поэтому представляется своевременным привлечь внимание исследователей к проблемам, затронутым в настоящей статье.
Целью комплексной разработки проблемы долговечности является получение бетонов с гарантией долговечности конструкции на заданные сроки эксплуатации. Практическое решение указанной задачи возможно при учете климатических, физико-механических и химических факторов.
Разработка проблемы долговечности ведется прежде всего в направлении изучения причин, вызывающих разрушение при действии замораживания. Исследовательская работа многих организаций пока что сосредоточена на получении прямых данных о морозостойкости отдельных составов бетона. При достаточно полных исходных данных о материалах, составах бетона, условиях его твердения, несомненно, можно собрать дополнительную информацию о долговечности бетона. Как и ранее, в приемах обеспечения долговечности бетонов надо выделять роль обязательного введения в них комплексных гидрофильно-гидрофобных добавок, подчеркивая значение кремнийорганических соединений.
Особое место в проблеме получения долговечных конструкций занимает сборный железобетон, объем производства которого к концу десятой пятилетки должен составить примерно 45% общего объема бетона и железобетона. Его долговечность в значительной степени зависит от условий и особенностей ускоренного твердения на различных цементах.
Для морозостойких бетонов должны выбираться такие цементы, при использовании которых не будет деструкции цементного камня в бетоне. По разработкам МАДИ, на первом месте по этому показателю стоит тонкомолотый шлакопортландцемент с высоким: (примерно 70%) содержанием основного гранулированного шлака. Такой цемент при пропаривании образует через 6 и 24 ч в 1,5 раза больший контракционный объем по сравнению с контракциоиным объемом исходного портландцемента.
Воздух, мигрирующий в структуру цементного камня, создает микроамортизаторы в виде условно-замкнуты-х воздушных пор, что имеет решающее значение для получения бетонов с высокой долговечностью. В указанном шлакопортландцементе активную роль играет известь, выделяющаяся при гидролизе минерала C3S. Ее роль сводится не только к активации шлака, но и образованию дополнительного количества низкоосновиых силикатов, сопровождающемуся эффектом контракции На повышение морозостойкости шлако-портландцемеитов влияет также сведение к минимуму содержания в цементе? медленно гидратирующегося минерала — белита и трехкальциевого алюмината с неморозостойкой структурой н другие факторы.
По данным МАДИ, желательно применять также цемент с зерновым состаЯ вом, представленным более узкой кривой распределения частиц по размера зерен, что в свою очередь, связано : распределением воды в цементном тесте. Опыты показали, что значение водсм цементного фактора (по водоудерживающей характеристике цемента) для крупных зерен с размером больше 30— 40 мкм составляет 0,22—0,25; В/Ц цементного теста с зернами цемента менее 30—40 мкм при тех же условиях оценка: находится в пределах 0,9—1,2. Следовательно, приближение значений В/Ц в цементном тесте к заданному значению В/Ц при приготовлении бетонной смеса тем совершеннее, чем меньше диапазон в размерах зерен цемента.
Теория долговечности рассматривает бетон как единое целое, со структурой и свойствами, обусловленными качестввом, соотношением и взаимодействием цементирующего материала и заполнителя, который является важнейшим струг турообразующим фактором. В период формирования структуры вода распределяется между цементирующим материалом и заполнителем, причем объем вод; заполнителя примерно равен объем! контактного слоя между заполнителем и цементным камнем, что указывает на ее участие в процессе сращивания цементного теста и камневидного заполнителя. Контактный слой более слабый чем соединяемые им компоненты структуры, оказывает противоречивое влияние на стойкость бетона, что подтверждается исследованиями МИСИ. Зависимость показателя стойкости (циклы морозостойкости или теплостойкости) от объемной концентрации цементного камня (при сохранении постоянства его истинного водоцементного отношения) имеет экстремальный характер с максимумом стойкости при концентрациях 0,45—0,55. Коипонентный состав бетона, который можно количественно оценить объемной концентрацией цементного камня в конце периода формирования структуры, наряду с В/Ц также необходимо использовать для прогноза долговечности бетона. Структурный подход к оценке свойств и долговечности касается не только обычных и легких бетонов на пористых заполнителях, но и ячеистых, он успешно реализуется на кафедре строительных материалов МИСИ при разработке составов, технологии и изучении свойств бетонов.
Повышение качества и эффективности строительства неотделимо от разработки научных основ прогноза и повышения долговечности материалов и конструкций. Прогноз долговечности бетона затрудняется множественностью факторов, обусловленных качеством материалов, и технологией. Это затруднение можно преодолеть, если зафиксировать определенный уровень требований к исходным материалам и технологии, выделив в качестве варьируемых величин факторы, определяющие структуру бетона: концентрацию и В/Ц цементного камня, а также степень гидратации цемента как величину, контролирующую технологию и пористость бетона. Имеются согласующиеся рекомендации и нормированные требования к исходным материалам (вяжущему, заполнителям), в частности для бетонов различных марок по морозостойкости.
Обычно дифференциальную пористость цементного камня характеризуют кривой распределения пор по размерам. Но с точки зрения морозостойкости эта характеристика является недостаточной. Она существенно дополняется дилатометрической кривой в координатах «относительная деформация — температура» водонасыщенного бетона, замораживание которого можно проводить вплоть до минимальной температуры эксплуатации (например, для центральной Якутии до —65°С). При этом дилатометрическая кривая выявляет поры, заполняемые замерзающей водой, и дает относительное приведенное удлинение в качестве признака морозостойкости бетона. Еще более полную информацию о морозостойкости дает новый прибор дилатометр — калориметр, который позволяет при каждой данной температуре определить количество воды, перешедшей в лед в порах бетона, и измерить его деформацию в процессе замораживания и оттаивания. В указанном смысле дилатометрическую кривую можно рассматривать как характеристику морозостойкости структуры бетона.
В результате обширных дилатометрических исследований, проведенных МИСИ и ВНИИФТРИ, получены справочные данные о температурных деформациях сухих и водонасыщенных заполнителей, цементного камня и бетона. Изучены дилатометрические свойства всех основных видов плотных и пористых заполнителей в широком интервале температур. Доказано, что эти свойства формируются по закону аддитивности и, следовательно, подбирая компоненты структуры с учетом температурного.расширения, можно избежать внутреннего растрескивания при колебаниях температуры.
Большим резервом повышения долговечности бетона является применение химических добавок. Представляют интерес результаты испытаний образцов бетона с добавками после 12—15-летней эксплуатации. Характерны результаты испытания бетонов на гидрофобном цементе после 15-летней эксплуатации в дорожных покрытиях на магистралях Москвы. В натурных условиях они претерпели 1500-кратное замораживание- оттаивание. На них действовали хлористые соли, применявшиеся для очистки дорог ото льда, а также пульсирующие нагрузки от проходящего транспорта. По сравнению с обычными бетонами, находившимися в одинаковых эксплуатационных условиях, гидрофобизированные имели меньшую естественную влажность, большую прочность и показали пониженное капиллярное всасывание и водопоглощение.
В соответствии с разработками кафедры строительных материалов МИСИ и Росгипрооргсельстроя широкое развитие получили в животноводческих помещениях теплые полы из керамзитобетона с добавкой битумной эмульсии. Рязаньоблсельстрой, Г орьковоблсель-
строй, Кировсельстрой и другие тресты Минсельстроя РСФСР отмечают, что полы находятся в хорошем состоянии, хотя эксплуатируются в тяжелых условиях.
Коррозия в агрессивных средах является одним из основных факторов возникновения и развития деструктивных процессов в бетоне и на поверхности стальной арматуры железобетонных конструкций. Поскольку размер ущерба от коррозии весьма велик, естественно, вопросом борьбы с ней уделяется все большее внимание.
В настоящее время вопросами коррозии железобетона занимаются свыше 50 организаций, общая координация возложена на Центральную лабораторию коррозии НИИЖБ. На нее же возложены функции координирующей организации по аналогичной тематике работ, выполняемых в странах СЭВ. На основании выполненных в СССР работ после VII конференции по бетону и железобетону (1972 г.) по теории коррозии и по практике борьбы с нею разработаны основополагающие нормативные документы, в их числе СНиП 11-28-73, ряд ГОСТов, руководств, инструкций, где изложены правила выбора и осуществления противокоррозионных работ.
Следует отметить выполненные в ЦЛК НИИЖБ совместно с другими исследовательскими организациями работы по развитию теории коррозии бетона и арматуры. В результате исследований сущности и скорости коррозии цементного камня и бетона была выявлена роль структуры и толщины слоя продуктов коррозии и диффузионного переноса в этом слое на скорость развития коррозии. Установлено, что изменение структуры слоя может на несколько порядков изменить скорость коррозии даже в сильноагрессивной кислой среде. На основании этих данных была разработана классификация степени агрессивности растворов различных кислот и даны рекомендации по мерам повышения стойкости бетона.
В частности, разработаны рекомендации по обеспечению коррозионной стойкости железобетонных конструкций в болотных водах, при засоленности грунтовых вод со значительным количеством сульфатов, в условиях промышленных агрессивных сред и в сложном сочетании напряженного состояния конструкций, действия мороза и агрессивных сред. Коррозионная стойкость бетона в значительной степени повышается при введении в состав бетона добавок комплексного действия.
За рассматриваемый пятилетний период были также проведены работы по изучению условий возникновения коррозии арматуры в различных бетонах и различной парогазовой среде. Основным направлением работ явился поиск количественной характеристики защитных свойств бетона, и в первую очередь на портландцементе. Установлено, что такой характеристикой может являться эффективный коэффициент диффузии нейтрализующего газа (например, углекислого газа). В настоящее время утвержден соответствующий стандарт, регламентирующий использование этого метода.
Одним из актуальных является вопрос об условиях хрупкого разрушения высокопрочной стальной арматуры.