книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

1.2.3.Современные представления

офизической природе влияния климатических условий на состояние цементобетона

Возникающие в начальный период твердения бетона в условиях воздействия климата процессы массообмена и массопереноса, капиллярные силы и контракционные явления приводят в конечном счете к деформативным изменениям бетона. Исследованиями ряда авторов [60, 61, 84] выявлено образование микро- и макродефектов структуры бетона при кратковременном воздействии климата, которые при дальнейшем твердении в нормальных условиях «не залечиваются» или «залечиваются частично».

К особым последствиям воздействия климата можно отнести значительное обезвоживание свежеуложенного бетона при отсутствии надлежащего ухода за ним. Так, американские нормы [188] и рекомендации [I37] большое внимание уделяют определению интенсивности испарения воды из бетона в различных погодно-климатических условиях. Неухоженный бетон теряет в первые сутки 50–70 % воды затворения, причем основная часть её удаляется в первые 6–7 часов твердения [98, 189].

При испарении воды как структурообразующего материала, бетон получается микро- и даже макропористым, с дефектной структурой. Процессы гидратации протекают не полностью, и бетон не успевает приобрести требуемые свойства. Прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона, а также присущие ему другие технические свойства, впоследствии, даже при наличии благоприятных температурно-влажностных условий, могут быть восстановлены лишь частично [98].

Наибольшие последствия вызывает потеря влаги в раннем возрасте, то есть в период интенсивной гидратации цемента и формирования структуры бетона, при этом вследствие необратимых деструктивных процессов потенциально возможные прочностные показатели его не восстанавливаются даже при самом тщательном влажностном уходе в последующем [47].

Преждевременная потеря подвижности бетонной смеси из-за нагрева и потери влаги вносит свою специфику в технологию изготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси.

Снижение потери влаги в раннем возрасте обеспечивается влажностным уходом или использованием пленкообразующих материалов светлых (ПМ-86, ПМ-100А, ПМ-100 AM) или темных (лак этиноль, битумные эмульсии, разжиженные битумы).

31

Однако исследованиями М.М. Селимова [144] доказаны возможные негативные последствия использования пленкообразующих материалов

ввиде снижения прочности, модуля и коэффициента упругости бетона

взрелом возрасте.

Экспериментально доказано, что качество бетона зависит от прочности бетона к началу воздействия климата, которая обеспечивается тщательным влажностным уходом. Это привело к мысли о возможности применения в условиях климата интенсификации гидратации цемента любым из практикуемых способов: прогревом бетона, использованием химических добавок и т.п. Установлено, что при начальной прочности 0,4– 0,45 МПа для бетонов с В/Ц = 0,6; 0,35–0,4 МПа для бетонов с В/Ц = 0,7 и 0,3–0,35 МПа для В/Ц = 0,8 недобор прочности при воздействии континентального климата сводится к нулю [103].

Процесс термической обработки бетона противоречив в своей основе. Бетонная отформованная смесь, составляющие которой обладают различными коэффициентами температурного расширения, нагревается, в результате чего заполнитель и цементно-песчаный раствор расширяются по-разному и контакт заполнитель–раствор уплотняется или ослабляется. При последующем охлаждении сцепление заполнителя с раствором, как правило, ослабляется. Доказательством являются опыты Пауэрса, в которых он наблюдал снижение прочности цементного камня с кварцем при нагреве от 5 до 40 °С.

Аналогичные явления наблюдал И.И. Шахов при нагреве бетонов в интервале 60–120 °С [171]. Предварительная выдержка изделий приводит к тому, что к моменту повышения температуры бетон обладает начальной прочностью, следовательно, и сопротивляемостью температурным напряжениям как следствию разницы коэффициентов линейных расширений составляющих. Пропарка приводит, как правило, к ухудшению некоторых технических свойств бетона. Так, Л.А. Малинина [90] отмечает общую тенденцию к понижению морозостойкости бетонов, подвергаемых тепловлажностной обработке, по сравнению с бетонами нормального твердения. А.И. Корнилов, А.В. Саталкин [75] отмечают снижение долговечности, газо- и водонепроницаемости. В то же время ряд исследователей доказывают, что в пропаренных бетонах степень гидратации цемента выше, чем в непропаренных. При пропарке удается получать более плотные морозостойкие бетоны, что свидетельствует о том, что тепловлажностная обработка может быть использована для повышения долговечности бетонов.

32

Несмотря на указанное противоречие, можно говорить о деструктивном процессе, имеющем место при пропарке. Результатом деструкции является увеличение интегральной пористости, числа крупных пор, ухудшение сцепления между заполнителем и цементно-песчаным раствором, появление микротрещин в цементном камне, растворе и в зоне контакта с заполнителем. Эти дефекты могут получить свое дальнейшее развитие при последующих климатических воздействиях.

Таким образом, стремление уменьшить чувствительность бетона к воздействию континентального климата посредством интенсификации реакции гидратации цемента приводит к тому, что воздействию климата подвергаются бетоны более высоких прочностей, но имеющие дефекты структур, приобретенные в процессе их изготовления.

Изменение прочностных характеристик пропаренного бетона под воздействием резко континентального климата сопровождается уменьшением степени гидратации цемента, расшатыванием структуры и соответственно увеличением пористости и уменьшением плотности, снижением модуля упругости и уровней микротрещинообразования, водо- и газонепроницаемости и морозостойкости [88, 106, 181].

Впоследнее время наблюдается активизация отечественных и зарубежных компаний на рынке материалов для производства бетонной смеси. Появилось много фирм, производящих и реализующих химические добавки для бетона, преимущественно ПАВ. Только в Москве на предприятия по производству товарной бетонной смеси и сборного железобетона поставляются добавки более 40 фирм-производителей (в Европе производство химических добавок сосредоточено в руках 10–15 крупных химических компаний). Это привело к появлению необъективной информации о составе и свойствах добавок (как отечественного, так и зарубежного производства), что отрицательно сказывается на качестве и долговечности бетона. Предлагаемые добавки зачастую не обеспечены норма- тивно-техническими документами.

Врамках данной работы рассматриваются добавки, положительный опыт использования которых в РФ имеется.

Рекомендуются поверхностно-активные вещества (ПАВ) пластифицирующие (СДБ, ВРП-1), пластифицируще-воздухововлекающие (СНВ),

атакже добавки – замедлители схватывания (сахарная патока). Ведется изучение возможности использования в условиях воздействия континентального климата гидрофобизирующих добавок типа ГКЖ-11, ГКЖ-10

33

[130], суперпластификаторов C-1, С-2, П-20 [54, 65, 66, 77]. Использование замедлителей схватывания, увеличивая продолжительность воздействия климата на бетонную смесь, способствует и большей потере влаги, что неизбежно должно сказаться на свойствах бетона. А ПАВ, меняя поверхностное натяжение воды, должны менять и интенсивность испарения влаги из бетона.

Показательны в этом отношений результаты экспериментов А.Е. Федорова [165], в которых использование СНВ, снижающего поверхностное натяжение более чем на 40 %, практически не изменило значение коэффициента трещиностойкости бетона, испытывающего воздействие среды, иммитирующей условия резко континентального климата. В опытах по использованию суперпластификаторов (C-1, С-2) контрольные образцы без добавки, твердевшие под воздействием климата за период от 3 до 28 суток, увеличили прочность в 1,96 раза, а образцы с добавками за тот же период – в 1,47 и 1,75 раза соответственно.

Использование гидрофобизирующих добавок, как показали опыты А.Е. Федорова, снижает коэффициент трещиностойкости бетонов по мере увеличения числа циклов климатического воздействия.

Добавки – ускорители твердения (ННХК, Са(NО3)3, ХК), интенсифицируя процесс гидратации цемента, обеспечивают необходимый уровень прочности бетона в раннем возрасте, но требуют тщательного изучения возможных негативных последствий их применения в виде спадов прочности в более зрелом возрасте.

Снижение прочности бетона в условиях резко континентального климата отмечалось в значительном числе работ [11, 89, 104, 130, 135, 183, 184].

С.А. Миронов объяснил причину понижения прочности бетона при его твердении в условиях повышенных температур тем, что при высокой температуре вокруг гидратируемых частиц цемента образуются плотные оболочки новообразований, препятствующих доступу воды в глубь негидратированных ядер, в связи с чем гидратация быстро затухает и прочность бетона почти не увеличивается [97].

Важную причину изменения свойств бетона при повышенных температурах приводит К.Д. Некрасов: «Известно, что цементный камень в процессе первого нагрева сокращается, что является отрицательным фактором, так как возникающие между заполнителем и цементным камнем деформации различных знаков способствуют появлению в растворах

34

и бетонах дополнительных внутренних напряжений, приводящих к нарушению структуры» [113].

Висследованиях С.А. Миронова, Л.А. Малининой отмечается, что «структура бетона не является постоянной и меняется как в результате физико-механических процессов, так и воздействия внешней среды».

По данным В.Н. Сизова, прочность понижается при температуре нагрева 40 °С на 5 %, при 50 °С на 10 %, при 60 °С на 15 %, при 80 °С до 20 % от прочности бетона того же возраста, но непрогретого [50]. А.Н. Комаровский отмечает, что при резких перепадах и более частых колебаниях температуры потеря прочности бетона увеличивается в 2–3 раза

всравнении с постоянным воздействием высоких температур [72].

Вусловиях континентального климата кроме температурного фак-

тора на бетон воздействует меняющаяся относительная влажность, что вызывает изменение гигрометрического состояния бетона по сравнению с бетоном нормального твердения. Воздействие этого фактора часто оказывает большее влияние по сравнению с температурным. Это подтверждается работой Г.А. Бужевича [25], исследовавшего вопросы испарения влаги из бетона, и Н.В. Свечина [143]. При наличии значительного обезвоживания бетона, особенно в раннем возрасте, дальнейшее твердение при увлажнении, как правило, уже не может полностью восстановить его потенциальную прочность [109]. Однако английские ученые В. Актинсон и Т. Ваттерс, исследуя влияние высыхания бетона на процесс его твердения, пришли к выводу, что выдерживание бетона во влажных условиях в раннем возрасте может быть без вреда для него прервано, а затем возобновлено в любое время. При этом авторы считают, что высохший бетон после повторного увлажнения снова продолжает наращивать прочность, как если бы он совсем не подвергался высушиванию. Ошибочность такого мнения была доказана опытами В.М. Худовердяна, Н.А. Мощанского, Г.А. Бужевича, Н.В. Свечина и др. [25, 109, 183].

Твердение бетона во взаимодействии с окружающей средой – сложный, противоречивый процесс, в котором упрочнение и разупрочнение материала протекают параллельно, накладываясь друг на друга. В условиях благоприятных преобладают процессы структурообразующие, в неблагоприятных – деструктивные. В результате действительная кривая изменения прочности бетона во времени характеризуется подъемами и спа-

дами [180].

35

Особенности структуры и изменение свойств пластифицированных бетонов при длительном воздействии континентального климата изучены недостаточно и не исключают возможности спадов прочности в зрелом возрасте, что было отмечено в виде сбросов структурных напряжений в пластифицированных бетонах при действии на них повышенных темпе-

ратур [116].

1.3. Анализ современных методов прогнозирования состояния цементобетона, эксплуатирующегося в условиях воздействия климатических факторов

Встроительном материаловедении цементный камень (раствор, бетон) принято считать долговечным материалом, и его эксплуатация в современных строительных конструкциях в ряде случаев прогнозируется на 100–150 лет и более. Прямых, практически подтверждённых данных о реальной долговечности цементного камня на основе портландцемента нет. Портландцемент, хотя и изобретён довольно давно (1828), в современном качестве применяется в строительстве с начала ХХ в., а систематические исследования его долговечности в сооружениях проводились не более 50–70 лет. Проблема долговечности бетона возникла более ста лет назад,

исо временем в связи с огромными масштабами применения этого строительного материала острота и значимость этого вопроса только возрастала. Обеспечение долговечности цементного бетона является серьезной проблемой во всех странах. Особенно интенсивно работы по изучению параметров обеспечивающих долговечность бетонов проводились во второй половине ХХ столетия.

Впоследние 30–40 лет проблема долговечности цементных бетонов стала весьма актуальной. Обеспечение долговечности бетонов, предназначенных для использования при строительстве долговременных сооружений (тоннели, мосты, различного типа подземные сооружения, метрополитены, цементо-бетонные покрытия автомобильных дорог и т.п.), стало основной проблемой при проектировании и строительстве.

Вбетонных отделках многих транспортных тоннелей, эксплуатируемых 30–40 лет, из-за снижения со временем качественных показателей

36

бетона наблюдается интенсивное дефектообразование в виде трещин, выколов, отслоений, вывалов4.

Обследование бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, воздвигнутых и эксплуатируемых в условиях воздействия континентального климата (железобетонные шпалы [187], лотки ирригационных каналов [105, 130] и т.п.) показало, что большая часть их характеризуется трещинами и подобного типа дефектами, несмотря на то, что при приеме обследованных конструкций в эксплуатацию трещины отсутствовали [52]

ибетон имел проектную прочность [148]. Большая часть трещин появилась после 28-суточного возраста (до года). Обследовались конструкции

исооружения как монолитные [52, 98, 118, 144], так и сборные [105, 148]. В числе обследованных были и конструкции, изготовленные вне воздействия резко континентального климата. Отмечается, что при разной прочности бетона к началу воздействия континентального климата (80 % проектной прочности в шпалах Сергелийского завода и 100 % в шпалах Челябинского завода) дефекты, разрушения и характер трещин обеих партий были одинаковы [148].

Следовательно, повышение начальной прочности бетона, равно как

иинтенсификация гидратации цемента в начальный период, не исключает образования дефектов при последующем воздействии параметров климата.

Отсутствие или снижение темпа роста прочности и стойкости современных бетонов в условиях воздействия любых сред, отличных от нормальных, должно учитываться при проектировании бетонов, а также конструкций и сооружений на основе этих бетонов. Проектирование в целом должно быть нацелено на обеспечение заданной долговечности сооружения или конструкции и соответственно бетонов, из которых они сооружаются.

Снижение долговечности – следствие переноса через тело бетона агрессивных агентов и их взаимодействие с компонентами бетона, в том числе с продуктами гидратации цемента. На химические реакции, медленно протекающие во времени, накладываются образование микротрещин из-за усадочных температурных или силовых воздействий, а также электрохимические процессы, связанные с коррозией арматуры. Модели-

4 Анализ срока службы современных цементных бетонов / П.Б. Рапопорт [и др.] // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. URL: http: www.science-education.ru/104-6559 (дата обращения: 02.07.2012).

37

рование указанных явлений и разработка критериев их численной оценки являются ключом к созданию методов прогнозирования долговечности бетона и соответственно к управлению этой долговечностью.

Рассмотрим место изучения долговечности в современных научных исследованиях. В табл. 1.4 представлены процентные соотношения характеристик бетона при изучении влияния добавок на него. Долговечность изучалась в 19 % всех исследований за период 1965–2005 гг.

Таблица 1.4 Соотношение характеристик бетона при исследовании влияния добавок

38

Окончание табл. 1.4

Воздействие континентального климата на бетон характеризуется циклическим приложением повышенных температур, переходами температур через ноль, периодическим высыханием и увлажнением бетона, солнечной радиацией. Закономерность изменения параметров климата довольно сложна для моделирования, поэтому исследователи пошли по пути выделения одного или нескольких климатических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на свойства бетона.

В настоящее время разработаны и практикуются способы изучения свойств бетона при воздействии континентального климата на основе циклического нагрева его до температуры порядка 100 °С и последующего охлаждения до температуры 20 °С [15]. То есть моделирование ограничено одним параметром – повышенной температурой.

Однако исследования показали, что наибольший перепад между температурой окружающей среды и температурой бетона в средней части призм сечением 20×20 см в реальной климатической среде не превышал 5 °С, а сечением 7×7 см – 2 °С в самые жаркие периода [74, 91].

По данным Г.А. Бужевича, перепад температур на участке 7,65 см от поверхности составил днем для бетона, покрытого черным составом –

39

8,2 °С, прозрачным составом – 5,6 °С, белым составом – 2,2 °С, при влажном хранении – 5,7 °С, а ночью – 1,6; 0,5; 0,8; 1,1 °С соответственно [25]. При исследовании температурных режимов бетонных покрытий автомобильных дорог установлено, что максимальные перепады температур днем достигают величины 0,7–0,8 °С/см, ночью – 0,4–0,5 °С/см [144].

Ученые, исследовавшие влияние повышенных температур на свойства бетона, пришли к выводу, что неравномерным нагревом, при котором возникают ощутимые термические напряжения в бетоне, следует считать нагрев с температурным градиентом по толщине элемента не менее 15 °С на 1 см [113]. Таким образом, термические напряжения в поверхностном слое бетона в условиях континентального климата не могут оказывать определяющего влияния на его стойкость, и поэтому рассмотрение только температурного фактора при изучении негативного воздействия климата на свойства бетона приводит к утере важной информации.

Большое внимание при исследованиях и разработке мероприятий по повышению долговечности бетонов уделяется морозостойкости, так как районы с резко континентальным климатом характеризуются переходами температуры через ноль. По мнению отечественных учёных, одним из важных показателей долговечности является морозостойкость бетона. Более полувека морозостойкость бетона оценивалась в РФ по ГОСТ 10060, предусматривающему сотни циклов длительных испытаний бетона в лабораторных морозильных камерах и затем перенесение результатов испытаний на реальные строительные конструкции.

СНиП 52-01–03 (равно как и предыдущий СНиП 2.03.01 «Железобетонные и бетонные конструкции. Основные положения») содержит семь марок по морозостойкости в циклах замораживание-оттаивание для тяжелого (в терминологии Европейских норм (EN 206-1) – обычного) бетона. EN 206-1 такой классификации по морозостойкости в циклах не приводит, имея в виду, что если бетон проектируется как морозостойкий для заданной среды эксплуатации, то число циклов не должно иметь какоголибо значения5. EN 206 содержат иное решение этой проблемы, предусматривающее перечень технологических требований, обеспечивающих морозостойкость бетона. Иными словами, в EN 206-1 указаны пути обеспечения морозостойкости и водонепроницаемости бетона через выполнение технологических требований, при соблюдении которых обеспечива-

5 Янковский Л.В. Долговечность цементных бетонов в свете перехода на европейские стандарты // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 16–18.

40