книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

Климатические условия характеризуются параметрами, существенно отличающимися от нормальных для твердения бетонов условий, изменяющимися в суточном и сезонном диапазонах температур, влажности и солнечной активности. На состояние бетонов, как показывают результаты исследований, существенное влияние оказывают не абсолютные значения температур, а интервалы и скорость изменения температуры во времени. Например, в Новосибирской области зафиксировано изменение температуры воздуха с 20 °С до –8 °С за 11 часов и максимальная разница температур в течении года от 38 °С летом до –52 °С зимой, что не учитывается существующей классификацией. Помимо этого, температура поверхности сооружений из цементных бетонов существенно отличается от температуры воздуха. Например, известны результаты измерений температур поверхности 52 °С при температуре воздуха 42 °С и –6 °С при температуре воздуха 8 °С.

Температурный фактор, являясь важной составляющей климата, претерпевает в последние десятилетия ярко выраженные изменения, что делает несколько условной вышеприведенную классификацию климата. Исследуя погоду минувших эпох, ученые утверждают, что мы живем

впериод всепланетного (глобального) потепления. Сейчас климат теплеет, но вполне возможно, что снова придет похолодание. Предыдущий период потепления длился 50 000 лет, нынешний начался лишь 10 000 лет назад. Однако шведский климатолог Сванте Бьёрка из Лундского университета в своем исследовании настаивает, что за последние 20 тысяч лет никаких глобальных потеплений не наблюдалось и сегодняшняя ситуация носит исключительный характер.

По данным NASA, поверхность Земли за последние 100 лет согрелась более чем на 0,8 °С, из них за последние 30 лет – на 0,6 °С, т.е. согревание поверхности Земли идет с ускорением [208].

По прогнозам на XXI в., температура поверхности Земли в связи

с накоплением СО2 в атмосфере увеличится на 1,1–6,4 °С. Считается, что избыток СО2 приводит к «парниковому эффекту» и потеплению, а потепление – к избытку СО2. Поскольку углекислый газ долго сохраняется

ватмосфере, дальнейшее потепление в течение какого-то времени неиз-

бежно [201].

ВРоссии за последние 100 лет наиболее выраженный прирост среднегодовой температуры (на 3,5 °С) произошел в Восточной Сибири, Приамурье и Приморском крае. К середине ХХI в. ожидается значитель-

21

ное повышение среднегодовой температуры воздуха на 3–4 °С в Западной Сибири, на 2–3 °С – на северо-востоке европейской части России,

вЯкутии и вдоль всего арктического побережья [63]. Климат Москвы

впоследние годы стал характеризоваться большой изменчивостью атмосферной циркуляции, более частым вторжением теплых атмосферных фронтов и участившимся влиянием циклональных процессов, что обусловило положительный тренд температуры воздуха на 1,7 °С. В Центральном районе Сочи среднегодовой прирост температуры воздуха с 2004 г. по первое полугодие 2008 г. составил 0,7 °С при влажности воздуха

80–90 %.

Совместные исследования российских и японских ученых показали, что температура слоя вечной мерзлоты на территории России неуклонно растет. Так, в период с 2004 по 2006 г. температура слоя криолитозоны на трехметровой глубине изменилась от –2,8 до –1,5 °С (потепление составило 1,3 °С!). Прогнозируется, что оттаивание вечной мерзлоты приведет к высвобождению гигантских объемов метана, который в двадцать раз превосходит углекислый газ по способности создания парникового эффекта. Если учесть, что площадь вечной мерзлоты в России составляет около 65 % её территории, то последствия потепления могут быть катастрофическими [161].

1.2.2. Влияние минералогического состава цемента на его поведение при дальнейшем твердении

всоставе цементобетона

Висследования взаимодействия цементного камня и бетона в условиях регионов с резко континентальным климатом внесли значительный вклад такие советские и российские ученые, как Р.С. Абрамова, Я.Л. Арадовский, Ю.М. Баженов, Г.А. Бужевич, Р.П. Бурба, А.В. Волженский, Г.И. Горчаков, А.С., Дмитриев Л.Н. Дубинин, И.Б. Заседателев, И.С. Канцепольский, И. Касимов, С.Н. Коротков, Б.А. Крылов, Л.А. Малинина, Е.Н. Малинский, А.И. Минас, С.А. Миронов, А.Н. Невакшонов, В.А. Невский, К.Д. Некрасов, Л.П. Орентлихер, А.Д. Осипов, Н.И. Подгорнов, A.M. Приев, В.Н. Пунагин, Н.В. Свечин, Г.И. Ступаков, E.G. Тёмкин, А.Е. Федоров, В.М. Худовердян, А.Г. Шлаен, В.А. Шмидт и ряд других,

атакже зарубежные ученые: Дж. Ван Дейк, М. Венюа, Л. Виронно, Д. Глюклич, К. Дзкегерман, Р. Дютрон, Р. Лермит, В. Лерча, Р. Милис, А. Невииль, Д. Орра, Д. Равин, А. Тимза, Р. Шалон и др.

22

Цементный бетон представляет собой неоднородный многокомпонентный материал сложной структуры. Неоднородность бетона проявляется на всех уровнях – от микродо макроструктурного, усиливаясь под воздействием климатических условий.

Свойства бетона определяются целым комплексом разнообразных факторов, большинство из которых взаимозависимы и взаимосвязаны. Степень влияния и характер взаимодействия факторов также различны, что обусловлено, не в последнюю очередь, полиминеральным характером цементного вяжущего, многообразием и сложностью химических и физи- ко-химических процессов, протекающих в бетонах при их твердении в условиях воздействия климата.

Продукты твердения цемента, образующиеся в результате химических реакций, во многих случаях не являются продуктами фазовых химических равновесий. В реальных условиях фазовые равновесия при гидратации не достигаются, и образование равновесных фаз отодвигается на неопределённое время. Последствия достижения фазовых равновесий относительно будущих свойств камня, по мнению учёных, непредсказуемы и совсем не обязательно должны привести к их улучшению. В ряде случаев эксплуатационные свойства камня определяются формированием именно промежуточных неравновесных фаз, а достижение фазовых равновесий может привести и часто приводит к разупрочнению камня. Этим же объясняется незавершённость некоторых химических реакций, которые протекают в твердеющем цементном тесте: в условиях практически осуществляемой технологии эти реакции могут произойти лишь частично, с неполным выходом продуктов реакции, либо вообще не произойти

всилу кинетических ограничений или изменения условий фазообразования (температуры, влажности и т.д.).

Если в будущем, уже при эксплуатации искусственного камня, условия для этих реакций окажутся более благоприятными, они осуществятся

вкамне и могут привести к его разрушению. Внутреннее перераспределение стехиометрии и фазового состава продуктов гидратации при соответствующих условиях оказывает негативное влияние на долговечность цементного камня. Прогнозирование долговечности цементного камня базируется на его «классическом» составе – определённом соотношении четырёх клинкерных минералов (C3S, C2S, C3A и C4AF), тогда как особенности сырьевой базы конкретного завода могут привести к появлению

вклинкере нетипичных фаз, например сульфо- и фосфорсиликатных, фто-

23

ралюминатных и др. Состав портландцемента может отличаться от «классического» также из-за использования при помоле клинкера нетрадиционных добавок, например добавок на основе алюминатов, сульфоалюминатов и сульфоферритов кальция и др. Сведения о долговечности таких нетипичных цементов ограниченны.

Недолговечность цементного камня может определяться особенностями его химического и фазово-минералогического состава даже в условиях частичной или полной изоляции от окружающей среды. Конкретный анализ причин недолговечности цементного камня достаточно сложен и производился только для ограниченного числа факторов.

Установлено, что после 6 месяцев твердения в нормальных условиях в портландцементном камне содержится до 40 % негидратированных зерен клинкера [97]. Прочность бетона при этом, по данным Пробса, составляет 1,30–1,35 R28, а за 5 лет прочность бетона нормального твердения должна увеличиваться вдвое. С.А. Миронов и Л.А. Малинина в результате обобщения многочисленных данных о росте прочности бетонов на обычных портландцементах при твердении в нормальных условиях пришли к выводу, что в возрасте 6 месяцев прирост прочности должен составлять 40 %, в возрасте 1 года – 50 %, 3–5 лет – 70–80 %, к 10 годам –

90 % от R28.

При твердении бетона под воздействием параметров климата эта закономерность нарушается. Так, В.М. Худовердян [183] считает, что прочность «летнего» бетона может снижаться до 50 % по сравнению с прочностью бетонов нормального твердения. Снижение прочности бетона под воздействием климатической среды отмечается также в работах

[6, 12, 15, 17].

Количество негидратированных зерен клинкера в цементном камне, твердевшем в условиях воздействия климатической среды, больше, а количество связанной воды меньше. Так, Г.Н. Сиверцев экспериментально доказал, что количество связанной воды зависит от температуры твердения. В опытных данных Павлиша и Уинда количество химически связанной воды при повышении температуры от 30 до 100 °С снижается вдвое.

Изменение относительной прочности бетона в зависимости от минералогического состава цемента и температуры твердения наблюдалось Паулем Клигером [199]. По его данным, разница между прочностями бетонов на цементе с большим содержанием С2S (I тип), твердевшем при постоянных температурах от 3,9 до 48,3 °С, в возрасте 28 суток составила

24

29 %, а для бетона с большим содержанием С3S (III типа) – пример-

но 10 %.

Минералогический состав цемента предопределяет его поведение при дальнейшем твердении в составе бетона. В работах Юнга, Бутта, Андерегга, Губеля, Богга, Лерча, Кинда, К.Д. Некрасова, С.А. Окорокова и других учёных [27, 112] доказано, что процесс гидратации минералов цементного клинкера во времени протекает неравномерно. К 28 суткам степень гидратации C3S составляет 69–87 %, C3A – 84–100 %, C4AF – 81– 95 %, а C2S всего 11–28 %. Поэтому можно предполагать, что последующий рост прочности бетона связан с продолжающейся гидратацией C2S, а прочность в возрасте 28 суток предопределяется в основном гидратацией C3S. Следовательно, соотношение прочностей в возрасте 28 суток и в более поздние сроки будет предопределяться соотношением между двумя этими минералами.

В настоящее время известно несколько причин собственной недолговечности цементного камня, связанных чаще всего с появлением в уже затвердевшем и прочном цементном камне фаз, которые образуются со значительным увеличением объёма (например, гидроксиды кальция и магния как результат гидратации несвязанных оксидов кальция и магния, присутствующих во многих цементных клинкерах). Появление в клинкере несвязанного оксида кальция СаОсв связано с технологической недоработкой высокотемпературного синтеза клинкера. Практическое соотношение СаО и кислотных оксидов (SiO2, Al2O3, Fe2O3) в обжигаемой шихте составляется таким образом, что появление СаОсв теоретически исключено. Однако в реальной технологии из-за незавершённости протекающих реакций (вследствие грубого размола шихты, плохой гомогенизации, присутствия низкореакционных компонентов и др.) СаОсв обнаруживается практически во всех клинкерах. Технологические регламенты заводов обычно ограничивают содержание СаОсв в клинкере 1–1,5 %.

Присутствие в клинкере MgO практически не зависит от технологии обжига, поскольку только небольшая его часть (10–15 % от суммарного содержания) входит в виде твёрдых растворов в структуру клинкерных минералов и клинкерного стекла. Основная часть MgO при высокотемпературном спекании шихты химических соединений в клинкере не образует и кристаллизуется в виде периклаза, и в клинкере содержание MgO ограничивается исходя из мирового опыта 4,5–5 %. Цемент может содержать существенно больше MgO, однако оксид магния присутствует в виде

25

силикатов магния, не кристаллизуется в свободном состоянии и не представляет опасности для цементного камня.

Снижение долговечности цементного камня связано с поздней гидратацией как СаОсв, так и MgO, который находится в клинкере преимущественно в свободном состоянии. Реакции гидратации этих оксидов в затвердевшем камне (CaO + Н2О = Ca(OН)2, MgO + Н2О = Mg(OН)2) вызывают внутренние напряжения и могут быть причиной разрушения камня вследствие увеличения молекулярного объёма при гидратации для MgO на 117 %, а для СаО – на 90 %. Зафиксировано существенно большее расширение цементного камня, содержащего СаОсв, по сравнению с эквивалентным количеством MgO, что не находит надёжного объяснения [31]. Высокая температура клинкерообразования (1450–1500 °C) вызывает термическую пассивацию этих фаз, следствием которой является их поздняя (иногда через несколько лет) гидратация, и в ряде случаев непредсказуемое расширение цементного камня в ходе службе.

В числе основных факторов, определяющих процесс расширения камня в присутствии свободных СаО и MgO, наряду с концентрацией, следует считать также размер их частиц (крупные частицы >50 мкм вызывают большее расширение), а также их равномерное распределение по объёму образца. Тонкий размол сырьевой шихты и клинкера частично снижает опасный порог концентрации СаОсв и MgO [160].

Причиной ослабления структуры и даже разрушения цементного камня, обусловленного внутренним фазовым перераспределением в камне (без поступления сульфат-иона извне), является образование эттрингита С3А3СН32 (3СаОAl2O33CaSO432H2O). Современные представления об образовании и последующих преобразованиях этой фазы [31, 145, 160] базируются на разделении трёх процессов: первичного образования, запоздалого образования и повторного образования эттрингита. Образующийся на начальной стадии гидратации цемента первичный эттрингит кристаллизуется в пластичной матрице гидратирующегося цемента в виде очень мелких кристаллов или сростков, равномерно распределённых

вобразце. Образование первичного эттрингита на начальных этапах схватывания и твердения является составной частью нормального формирования структуры цементного камня и не вызывает его расширения. Принято считать, что при этом весь потенциал сульфат-ионов, введённый

всистему в виде гипса или ангидрита, должен быть исчерпан не позже чем через 24 ч, т.е. вскоре после конца схватывания, однако до достиже-

26

ния камнем существенной прочности. Запоздалое образование эттрингита может происходить, если компоненты для этой реакции (SO42–, Al(OH)3) сохранились в сорбированном виде в C-S-H-геле или в поровом растворе, в том числе за счёт «клинкерного сульфата».

Рассматривается также повторное образование эттрингита при изменении условий службы камня, когда могут создаваться условия, при которых первичный эттрингит становится нестабильным и разлагается с образованием моносульфата (например, вследствие дефицита сульфата в цементе, повышения температуры, уровня едких щелочей, повышения pH > 13,5). Превращение моносульфата в эттрингит также происходит со значительным увеличением объёма твердой фазы. Поскольку образование расширяющихся фаз связано с необходимостью наличия свободного пространства для такого расширения (свободного порового пространства), эттрингитовое расширение наиболее опасно для «плотных» (низкопористых) бетонов. Однако это условие противоречит условию долговечности бетона под действием внешних факторов, так как главным условием долговечности считается плотность (непроницаемость)

камня [31, 160].

Некоторые из современных российских учёных считают эффективным использование цементов с повышенным содержанием белита, который рекомендуется к применению в массивных конструкциях или при воздействии резко континентального климата.

Выявлено, что в присутствии повышенного содержания щелочей и несбалансированного содержания гипса, характерного для некоторых из отечественных цементов, они могут способствовать уменьшению времени начала схватывания – появляются так называемые «быстряки». Чем больше белита в цементе, тем важнее точный выбор содержания SО3 и тем более узок диапазон его возможных колебаний. Работы отечественных и зарубежных ученых показывают целесообразность ограничения щелочей (до 0,6 %) в цементах, используемых для морозостойких бетонов. Однако современные производственные схемы цементных заводов часто не предусматривают ограничение содержания щелочей.

По данным исследований НИИЖБ, 23 % изученных цементов, производимых в РФ, имеют недообжиг клинкера. Недобор прочности компенсируется высокой степенью помола. Это приводит к ограничению потенциала цемента, снижению долговечности бетона.

27

В связи с этим представляет интерес изменение минералогического состава и тонкости помола цемента за период 1900–1982 гг. в различных странах [28, 29, 167] (табл. 1.1 и 1.2).

Таблица 1.1

Изменение состава цемента

Примечание. В России в 1962 году содержание в цементах C3S составило

60–65 %, C2S – 11–26 %, C3A – 9–12 % и C4AF – 9–15 %, а в 2008 году составило C3S – 60–64 %, C2S – 11–14 %, C3A – 7,5–9 % и C4AF – 9–12 %.

Тонкость помола относится к такой характеристике цемента, которая оказывает влияние на срок схватывания твердения и, главное, прочность бетона. Существует принцип, согласно которому чем выше тонкость помола клинкера, тем выше прочность цементного камня. Однако чрезмерно тонкий помол вместо улучшения характеристик приводит к излишнему водопотреблению, что приводит к понижению прочности бетона, в том числе и длительной.

28

Анализ данных, представленных в табл. 1.1 и 1.2, показывает, что за рассматриваемый период на фоне резкого увеличения тонкости помола изменился минералогический состав в сторону существенного увеличения содержания в цементах C3S за счёт уменьшения C2S. Возможно, что это явилось одной из причин снижения долговременной прочности или темпов роста прочности бетона во времени.

Анализ результатов статистической обработки опытов Вудса, Стейнора и Старке, В.А. Кинда, С.Д. Окорокова и С.Л. Вольфсон, Бербека и Фостера, выполненный С.Д. Окороковым [156], показывает, что «доля участия в тепловыделении отдельных минералов различна и меняется во времени», что позволяет сделать вывод об изменении степени влияния минералов на темпы роста прочности во времени (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Изменение доли участия в тепловыделении отдельных минералов бетона в возрасте трех суток

В то же время изменение температуры твердения различным образом влияет на гидратацию клинкерных минералов. Так, в [24] приводятся данные о том, что повышение температуры от 20 до 70 °С привело к увеличению степени гидратации С2S за 72 часа с 51 до 82 %, т.е. в 1,6 раза, a C3S при изменении температуры от 20 до 50 °С за 28 суток степени гидратации изменилась в 4,2 раза, а при нагреве до 90 °С за тот же период в 5,2 раза. При нагреве до 90 °С гидратация С4АF практически завершилась и достигла 91 % за 24 часа, что характерно и для C3S (89 % за тот же период), а степень гидратации С3А при той же температуре за 28 суток

29

достигла только 78 %. Следовательно, при твердении цементов под воздействием повышенных температур климатической среды степень влияния и доля участия различных минералов в процессе упрочнения будет меняться во времени, а отдельные минералы C3S, C4AF могут в основном завершить процесс гидратации примерно за 72 часа и в дальнейшем упрочнении участия не принимать.

Возможно, этим и объясняется выявленное рядом ученых [82, 94, 97, 100, 101, 112] отсутствие прироста прочности во времени бетонов, твердевших в условиях воздействия климата в течение 1 и 2 лет; в отдельных случаях [103] даже снижение прочности. Выявлено также, что повышение температуры окружающей среды ускоряет гидратацию и изменяет состав и кинетику кристаллизации сульфатосодержащих фаз [1]. Причем отмечается также и отрицательная роль С3А в обеспечении прочности бетона, поставленного в суровые условия эксплуатации, так как продукты гидратации этого минерала имеют крайне нестабильную структуру, особенно чувствительную ко всяким температурно-влажностным переменным воздействиям, характерным для реального климата.

Деструктивные процессы, протекающие в цементном камне под воздействием повышенных температур, связаны с процессами, вызванными распадом первичного эттрингита и особенностями кристаллизации вторичного гидросульфоаллюмипата кальция, образующегося при взаимодействии ионов – продуктов растворения С3А, C4AF, C3S, с гипсом, оставшимся несвязанным после образования начальной структуры твердения – первичного кристаллического каркаса цементного камня [135]. Раннее образование кристаллического сростка при воздействии повышенных температур приводит к увеличению собственных напряжений

вцементном камне, сопровождающихся появлением и развитием микротрещин [94] .

С.А. Миронов и его ученики считают, что фазовый состав новообразований и степень гидратации в «портландцементах», твердеющих при температурах до 100 °С, практически не изменяются, следовательно, влияние на прочность бетона физических процессов более значительно, чем физико-химических [94].

Ограниченное число исследований, выявляющих роль отдельных минералов клинкера в условиях воздействия климата, не позволяет достаточно надежно судить об изменениях кинетики, реакции гидратации, их

всвязи с формированием конечных свойств бетона.

30