Методы определения прочности бетона

Метод стандартных образцов.При этом методе определение прочности основано на изготавливлении образцов кубической формы, иногда - цилиндрической. Образцы для испытаний изготавливают из проб бетонной смеси, применяемой при изготовлении контролируемого изделия. Эти образцы испытывают через 28 суток после изготовления. Образцы устанавливают в пресс и нагружают его непрерывно и равномерно до разрушения образца. Разрушающая нагрузка фиксируется и по ней рассчитывают прочность бетона.Методы неразрушающего контроля. Основным отличием этого метода от предыдущего состоит в том, что при использовании этого метода измеряемой величиной является не прочность, а какой-либо физический показатель, связанный с измеряемой величиной корреляционной зависимостью. Корреляционной называется зависимость, в которой каждому значению измеряемой величины может соответствовать несколько значений искомой величины. Другими словами, на показания прибора оказывают влияние несколько свойств материала, не все из которых поддаются четкой и однозначной математической, а, следовательно, и приборной интерпретации.На точность измерения прочности при измерении неразрушающими методами могут оказывать влияние такие факторы как: тип цемента, состав цемента, тип заполнителя, условия твердения, возраст бетона, влажность и температура поверхности, тип поверхности, карбонизация поверхностного слоя бетона и еще ряд других менее значимых факторов.Основных методов неразрушающего контроля несколько:1. Метод пластической деформации основан на измерении размеров отпечатка, который остался на поверхности бетона после соударения с ней стального шарика.2. Метод упругого отскока заключается в измерении величины обратного отскока ударника при соударении с поверхностью бетона.3. Метод ударного импульса заключается в регистрации энергии удара, возникающей в момент соударения бойка с поверхностью бетона.4. Метод отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции заключается в регистрации усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции, либо местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства.5. Метод отрыва стальных дисков заключается в регистрации напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве от него металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска.6. Ультразвуковой метод заключается в регистрации скорости прохождения УЗ волн.

ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

Деформации бетона можно разделить на собственные деформации - усадку и расширение, возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия нагрузки, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузки и от длительного действия - ползучесть бетона; температурные деформации бетона. В процессе приготовления, твердения, эксплуатации в бетоне происходят объемные изменения, возникают деформации материала. Величина их зависит от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и ряда других факторов. Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкций; они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений. Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды: собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона (усадка и расширение), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия механических нагрузок

После укладки бетонной смеси может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее уплотнение. Этот процесс проявляется в пластичных и литых смесях. При этом на поверхности смеси может выделяться вода, изменяться объем смеси При значительной высоте изделия осадку мо» но наблюдать невооруженным глазом, тгг- как деформации бетона весьма значительны и превосходят величину обычной усадки затвердевшего бетона в десятки раз.

Характер развития первоначальной усадки. Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30.. 90 мин Если применяются литые смеси, то в первоначальный период на поверхности бетона выделяется слой воды. Водоотделение достигает максимума через 10. 20 мин, а затем начинается постепенное всасывание воды. В глубь бетона вследствие интенсивного процесса цементного теста.

Величина первоначальной усадки зависит от состава бетонной смеси и свойств использованных материалов Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси. Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодсржания бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду (трепел, диатомит и др), при высоком содержании крупного заполнителя, обеспечивающем создание жесткого скелета в бетонной смеси.

На величину первоначальной усадки могут оказать влияние форма, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки,

Создание жесткого скелета в бетонной смеси с большим расходом воды, уменьшая внешнюю первоначальную усадку, не может препятствовать протеканию седиментационных процессов между зернами крупного заполнителя. Поэтому в бетоне увеличится доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качества бетонной смеси.

При воздействии на бетонную смесь давления, которое часто применяется при формовании железобетонных изделий, проявляется упругое последействие бетонной смеси. Это приводит к тому, что после снятия нагрузки материал несколько расширяется. Сжимаемость бетонной смеси зависит от ее состава и применяемых материалов. Особо большое влияние на величину сжимаемости оказывает вовлеченный воздух- чем больше воздуха, тем сильнее сжимаемость. Если при применении давления воздух и вода могут удаляться из смеси, то упругое последействие будет слабым. Если же воздух сохраняется в бетонной смеси, то величина деформаций упругого последействия будет весьма значительной. Деформации первоначальной усадки и упругого последействия необходимо учитывать при формовании бетонных и железобетонных изделий, так как они влияют на окончательные размеры изделия и качество его открытых поверхностей.

ДЕФОРМАЦИИ БЕТОНА ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ НАГРУЖЕНИИ

Деформации бетона возникают при твердении, эксплуатации и испытании бетона. Величина деформаций и характер их развития обусловливают объемно-напряженное состояние бетона и зависят от особенностей нагружения бетона в конструкциях и сооружениях, его структуры и состава, свойств отдельных компонентов, воздействия окружающей среды.
Деформации бетона могут быть разделены на две группы:
1) возникающие при действии внешней нагрузки (силовые);
2) обусловленные способностью бетона изменять объем под влиянием изменения температуры, влажности окружающей среды, различных физико-химических процессов (собственные).
Деформации первого типа возможны при однократном действии кратковременной нагрузки и при многократном и длительном нагружении.
Поведение бетона в конструкциях в значительной мере определяется его упруго-пластическими деформациями.
При однократном загружении бетона кратковременной нагрузкой возникают первичные (начальные) деформации бетона, которые состоят обычно из упругой и пластической составляющих.
Бетон является гетерогенным КОМПОЗИЦИОННЫМ материалом, матрицей которого служит цементный камень. В свою очередь цементный камень можно рассматривать как кристаллический сросток, образованный сросшимися кристаллогидратами Са(ОН)2, гидроалюминами и гидроферритами кальция, а также эттринги-том, наполненный тоберморитовым гелем и порами. В свете современных данных гель также состоит из кристаллических частичек, но имеющих значительно более высокую дисперсность. Преобладающими в цементном геле являются частицы (5-20)109м.
Структуру цементного камня, как показали исследования П.А. Ребиндера и его научной школы, можно отнести к кристаллиза-ционно-коагуляционным. Коагуляционные контакты между частицами характерны для тоберморитового геля. Субмикрокристаллы гидросиликатов кальция под действием внешнего усилия ограниченно перемещаются друг относительно друга, что обусловливает возможность «вязкого течения» и пластических деформации-Мгновенный модуль упругости цементного камня определяется суммой модулей упругости кристаллического сростка и геля. По мере твердения увеличивается число кристаллизационных контактов срастания между кристаллогидратами гидросиликатов кальция и мгновенный модуль упругости цементного камня возрастает.
Несмотря на высокий уровень корреляции, имеется ряд особенностей влияния факторов структуры и состава бетона на его модуль упругости по сравнению с прочностью. Экспериментально установлено, что снижение сцепления цементного камня с заполнителями не приводит к существенному снижению модуля упругости бетона, в отличие от прочности.
При колебаниях модуля упругости заполнителей и различном содержании цементного камня при постоянной прочности бетона его модуль упругости, гак следует из уравнения (5.10), может находиться в определенной области и изменяться в 1,5 раза и более. Нормирование величины модуля упругости бетона лишь в зависимости от прочности является ориентировочным и может давать существенную погрешность.
С повышением температуры до 200°С соотношение между модулем упругости и прочностью бетона остается практически неизменным.
Экспериментально деформативные характеристики бетона при сжатии определяют на образцах-призмах (обычно 15x15x60 или 10x10x40 см), к боковым поверхностям которых крепятся индикаторы-тензометры, тензорезисторы или другие приборы для измерения деформаций.

ДЕФОРМАЦИИ БЕТОНА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ. ПОЛЗУЧЕСТЬ

Зависимость между напряжениями и деформациями изменяется от времени приложения нагрузки. Способность бетона деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью. Существует ряд гипотез, рассматривающих механизм деформаций ползучести под действием внешней нагрузки. Одна из первых гипотез физического механизма ползучести предложена выдающимся французским инженером Е. Фрейсине. Основываясь на представлениях о бетоне как капиллярно-пористом упругом теле, он считал, что ползучесть обусловлена, главным образом, усадкой под действием капиллярных сил. Вода, заполняя мелкие капилляры, воспринимает, по Фрейсине, часть приложенной нагрузки и медленно перемещается. Под действием приложенной нагрузки изменяются размеры пор в бетоне, нарушается гигрометрическое равновесие бетона с окружающей средой, что приводит к капиллярной усадке и развитию деформаций ползучести. Ряд опытных данных противоречит гипотезе Фрейсине. Известно, в частности, что деформации ползучести наблюдаются и при загружении образцов в воде, когда невозможно развитие усадочных деформаций. Гипотеза, объясняющая ползучесть бетона механическим выдавливанием влаги из цементного камня (Р. Лермит и др.), также предполагает, что ползучесть и усадка бетона имеют одну и ту же физическую природу. В ряде экспериментальных исследований установлено, что нагруженные образцы интенсивнее отдают влагу, включая и адсорбционно-связанную, которая в ненагруженном состоянии обычно остается в бетоне. В результате водопоглощение и набухание образцов, длительное время находящихся под нагрузкой, могут быть значительно большими, чем у ненагруженных разцов. В то же время имеются экспериментальные данные, показывающие, что существенное различие в потерях массы нагруженых и ненагруженных образцов в процессе их высыхания не наблюдается. В настоящее время принято считать, что механическое выдавливание влаги из цементного камня является не причиной, а следствием ползучести. Ряд исследователей (А.Е. Шейкин, У. Гансен, З.Н. Цилосани) считает основной причиной ползучести пераспределение внутренних усилий в цементном камне. Ими дифференцируются в цементном камне основные структурные составляющие - ультрадисперсный «цементный гель», представленный тоберморитоподобными гидросиликатами, и кристаллический сросток, состоящий из кристаллогидратов, объединенных химическими связями. Компоненты цементного камня отличаются характером контактов срастания (для «геля» коагуляционные, кристаллического сростка - кристаллизационные). По А.Е. Шейкину, благодаря способности «геля» к вязкому течению кристаллический сросток принимает на себя дополнительные усилия, что приводит к развитию деформаций ползучести цементного камня и бетона. У. Гансен считал, что ползучесть обусловлена вязким течением на границах цементных зерен и в точках их контакта. О.Я. Берг, анализируя изменение времени прохождения ультразвукового импульса через бетон при длительном действии нагрузки, пришел к выводу, что при начальных напряжениях вследствие возникновения и развития микротрещин возникают дополнительные деформации, которые складываются с деформациями ползучести, обусловленными перераспределением внутренних усилий между структурными составляющими цементного камня. Значительная роль микротрещин и накопления локальных микроразрушений в бетоне под действием постоянной статической нагрузки в развитии деформаций ползучести подтверждена исследованиями А.В. Саталкина, X. Рюша, З.Н. Цилосани и других исследователей. Анализ различных типов деформаций при нагружении бетона может моделироваться реологическими моделями. Такие модели, включающие идеальные пружины, амортизаторы, клапаны и другие элементы, не раскрывая физический механизм ползучести, предлагают ее феноменологическое описание. Одним из основных факторов, влияющих на ползучесть бетона, является относительная влажность окружающей среды. Высушивание образцов приводит к увеличению ползучести бетона в раннем возрасте. При установлении гигроскопического равновесия между средой и бетоном до загружения образцов влияние относительной влажности воздуха сказывается в значительно меньшей степени. Попеременное увлажнение и высушивание бетона увеличивает величину деформации ползучести. Влияние возраста бетона в момент приложения нагрузки на величину ползучести сказывается сильнее, чем влияние возраста на прочность бетона. На рис. 5.17 приведена, по данным А.М. Невилля, зависимость между величиной ползучести и его «зрелостью», характеризуемой в градусочасах. При раннем загружении бетона с повышением температуры окружающей среды удельные деформации ползучести бетона уменьшаются, что объясняется ускорением процесса гидратации цемента и возрастанием жесткости кристаллического сростка цементного камня. Противоположный эффект наблюдается при загружении бетона в «зрелом» возрасте, когда гидратация цемента в основном завершена. Деформации ползучести бетона существенно интенсифицируются при вибрационном нагружении. Виброползучесть бетона тем выше, чем больше амплитуда динамических напряжений и частота колебаний. Деформации виброползучести могут в 2-4 раза превышать обычные деформации ползучести. Как и последние, они затухают во времени. Деформации ползучести бетона оказывают различное влияние на работу конструкций, их долговечность. Для неармирован-ного бетона при высоких уровнях нагрузки ползучесть ускоряет достижение предельной деформации и разрушение материала. В массивных бетонных элементах ползучесть уменьшает сжимающие напряжения при быстром подъеме температуры. При дальнейшем охлаждении в бетоне развиваются растягивающие усилия и по мере уменьшения ползучести с возрастом бетона в нем могут образовываться трещины. В то же время во всех конструкциях ползучесть бетона уменьшает внутренние напряжения, обусловленные неоднородностью усадки, что приводит к повышению трещиностойкости. За счет ползучести бетона увеличиваются прогибы железобетонных балок под действием постоянных нагрузок, в железобетонных колоннах она приводит к постепенному перераспределению нагрузки с бетона на арматуру. В предварительно напряженных железобетонных элементах в результате ползучести бетона возможна потеря напряжения арматуры, что надо учитывать при выборе арматурной стали.

СОБСТВЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ. УСАДКА БЕТОНА

Собственные деформации бетона обусловлены влажностны-ми, температурными и иными воздействиями на бетон при отсутствии внешней нагрузки. Изменение влажности бетона может вызывать как уменьшение, так и увеличение его объема и, соответственно, линейные деформации усадки или расширения (набухания). Деформации расширения цементный камень и бетон проявляют при твердении в результате образования в определенный период развития кристаллизационной структуры расширяющегося компонента обычно в виде высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция-эттрингита. Наряду с применением специальных расширяющихся цементов расширяющиеся растворы и бетоны можно получать и на обычном портландцементе, вводя специальные добавки, например, алюминиевый порошок и др. Увеличение объема - набухание - имеет место при длительном нахождении образцов бетона в воде в результате развития осмотического давления в гелевидных массах. Набуханию бетона способствует также адсорбция воды цементным камнем, оказывающая некоторое расклинивающее действие и уменьшающая поверхностное натяжение материала. Набухание бетона колеблется обычно через 6-12 месяцев хранения образцов в воде в пределах от 1 до 2x104. Дальнейшее выдерживание в воде не приводит к увеличению размера образцов. Твердение бетона сопровождается контракционной и влажностной усадкой. Контракция (стяжение) является следствием реакций химического взаимодействия минералов цемента с водой, в результате которых образуются гидраты, абсолютные объемы которых меньше чем суммарные объемы безводных минералов и воды, необходимой для гидратации. Контракция объясняется уплотнением химически связанной воды, а также воды в тонких адсорбционных слоях. Контракция зависит от минералогического состава цемента, степени гидратации цемента. Контракция ведет к Увеличению пористости и незначительно отражается на объеме бетона. Контракционная усадка бетона в 5-10 раз меньше влаж-ностной, связанной с его высыханием. Усадка бетона при изменении его влажности происходит в две стадии: 1) когда бетонная смесь находится в пластичном состоянии (пластическая усадка); 2) по мере твердения и высыхания бетона. Пластическая, или первичная, усадка бетона происходит при выделении воды из бетонной смеси в результате се-диментационного осаждения твердых частиц, поглощения влаги опалубкой, в дорожных покрытиях - основанием и испарения. Деформации интенсивно развиваются сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и затухают уже через 30-90 мин. Величина пластической усадки зависит от состава бетонной смеси и уменьшается при снижении водосодержания бетонной смеси, расхода цементного теста, применении тонкомолотых водоудерживающих добавок, создании жесткого «скелета» крупного заполнителя. В условиях сухого жаркого климата водо-потребность увеличивается с повышением температуры бетонной смеси. При ненадлежащем влажностном уходе и повышенной скорости испарения воды создаются условия для пластического тре-щинообразования. Пластическая усадка превышает в 5-10 раз усадку, развиваемую после схватывания цемента. Она усиливается с увеличением модуля поверхности конструкций, уменьшением степени армирования. В наибольшей мере сказывается на поведении бетона в конструкциях влажностная, или гидравлическая, усадка, характерная по мере высыхания бетона. Уменьшение объема бетона в процессе его высыхания обусловлено прежде всего действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров и удалении межкристаллической воды, а также адсорбционно-связанной воды из тоберморитового геля. Механизм объемных изменений цементного камня зависит от влажности среды. При низкой влажности среды капиллярные силы становятся незначительными и усадка вызывается испарением межкристаллической воды, а при дальнейшей сушке и адсорбционно связанной воды геля. Наряду с действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров с радиусом менее 107м, усадке способствует удаление адсорбционно-связан-ной воды на поверхностях кристаллов гидросиликатов кальция; последняя вызывает сближение субмикрокристаллов, проявление между ними ван-дер-ваальсовых сил и возникновение водородных связей. Усадочные деформации вызывают в бетоне внутренние напряжения, особенно значительные при неравномерном высыхании конструкций и работе их в стесненных условиях. Они могут быть причиной разрывов в контактной зоне и растворной части бетонов и вызывать, особенно в сочетании с температурными напряжениями, появление трещин. Усадочные напряжения неблагоприятно влияют на морозостойкость, непроницаемость, усталостную прочность, вызывают потери предварительного напряжения при натяжении арматуры. Общая усадка цементного камня обычно составляет от 3 до 5 мм/м, в бетоне она колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м. На усадке цементного камня и бетона сказываются многочисленные факторы: длительность твердения, химико-минералогический состав, удельная поверхность и расход цемента, содержание заполнителя, гипса и щелочей, водоцементное отношение и др. При прочих равных условиях конечная усадка цементного камня увеличивается с увеличением содержания С2S, при гидратации которого образуется примерно на 25% больше тоберморитового геля, чем из С3S. Повышается также усадка цементного камня с ростом содержания С3А, удельной поверхности цемента, содержания щелочей. Как считает М. Венюа, от вида цемента усадка цементного камня может изменяться в 2-3 раза. Однако учитывая, что химико-минералогический состав и дисперсность современных заводских пор-тландцементов изменяются в сравнительно узкой области и решающее влияние имеет отношение цементного камня заполнителем, влияние особенностей портландцементов на величину усадки бетона оказывается малосущественным. Лишь при использовании бели-товых высокоалюминатных цементов, которые промышленностью изготавливаются в особых случаях, влияние минералогической характеристики цемента на усадку бетона может стать достаточно весомым. На величине усадки бетона сказываются упругие свойства заполнителей. Зерна заполнителей, покрытые оболочкой цементного камня, препятствуют усадке тем больше, чем выше их модуль деформации. По данным А.М. Невилля к годичному возрасту бетоны с использованием в качестве заполнителя песчаника имели примерно в 2 раза больше усадку, чем на известняке. Увеличивают усадку бетона примеси глинистых частиц в заполнителе. Известные эмпирические формулы, предложенные для прогнозирования усадки тяжелого бетона в атмосферных условиях при неизменных размерах сечения элементов, отличаются особенностями учета расхода воды и цемента в бетоне, а также их соотношения. Решающим фактором, определяющим усадку бетона, является расход воды. Наряду с усадкой, обусловленной высыханием, бетон подвергается усадке в результате карбонизации за счет углекислого газа, имеющегося в атмосфере. Углекислый газ взаимодействует в присутствии влаги с продуктами гидратации цемента, что сопровождается увеличением общей усадки бетона. В большей степени усадка за счет карбонизации сказывается на общей усадке после высыхания бетона и при попеременном увлажнении и высушивании. Термическая усадка вызывается понижением температуры бетона. Высокие перепады температур в летний и зимний периоды могут приводить к колебаниям длины бетонных изделий до 0,5 мм/м. Термическая усадка может быть причиной трещинообразования массивных конструкций. Возникающие трещины увеличиваются со временем под воздействием усадки в связи с изменением влажности бетона и карбонизации. Для ограничения термической усадки снижают экзотермию цемента, температуру смеси при укладке в опалубку, выбирают заполнитель с высоким модулем деформации.

СТОЙКОСТЬ БЕТОНА К ТЕМПЕРАТУРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации, что положительно влияет на рост прочности бетона. Резкое ускорение процессов твердения бетонов наступает при температурах 70-95С, и особенно при 170-20С. Однако при недостатке воды в бетоне воздействие повышенных температур замедляет процесс гидратации, снижает прочность бетонов. При полном испарении воды процесс твердения прекращается. Положительное влияние повышенных температур на скорость твердения бетонов послужило основой разработки и широкого применения в технологии железобетонных конструкций тепловлажностной обработки. Бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и др. При температурах более 100С тепловлажностную обработку ведут в автоклавах и специальных герметичных формах. Для получения долговечного бетона важно свести к минимуму его деформации при температурном воздействии. Остаточные деформации имеют место при недостаточном предварительном выдерживании бетона до тепловой обработки, повышенной скорости подъема температуры и ее снижения после отключения подачи пара. Опасность возникновения трещин при развитии температурных напряжений повышается при обработке изделий большой толщины сплошного сечения или из ячеистых бетонов с повышенным водосодержанием. Возникновение термических напряжений в бетоне возможно не только при его нагреве от внешних источников тепла, но и в результате саморазогрева за счет экзотермии при твердении. Трещинообразование в массивном бетоне носит обычно термический характер. Тепловыделение, или экзотермия, бетона является следствием гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Анализ тепловыделения (калориметрический анализ бетона) является одним из наиболее объективных высокоинформативных методов исследования, широко используемый при исследовании кинетики процессов твердения цемента, оценке влияния его химико-минералогических и структурных особенностей, эффекта химических добавок, параметров порообразования, льдообразования и др. Обстоятельные исследования применения калориметрического анализа (в различных направлениях) выполнены О.П. Мчедло-вым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком. Имеется положительный опыт использования калориметрических данных в компьютерных системах и информационных технологиях бетона. Экспериментальное определение тепловыделения бетонов производится в калориметрах термосного, адиабатического или изотермического типов. Наиболее широкое распространение получили простые по устройству термосные калориметры, недостатком которых является переменный и по существу случайный температурный режим твердения образцов бетона. Для пересчета получаемых данных на изотермический режим твердения разработана расчетная методика установления т.н. эквивалентных сроков, т.е. таких сроков, в которые бетон при постоянной температуре твердения 20°С будет показывать те же величины тепловыделения, какие наблюдаются при проведении опыта в термосном калориметре. Установленная таким путем зависимость изотермического тепловыделения от времени твердения является основной характеристикой бетона для расчета температурных полей в массивных бетонных конструкциях. В адиабатических калориметрах повышение температуры адекватно температуре в средней части крупных бетонных массивов, однако они сложны по устройству и редко используются на практике. Наиболее предпочтительными являются калориметры изотермического типа, позволяющие поддерживать температуру бетона в процессе измерения тепловыделения на постоянном уровне. Для приближенной расчетной оценки тепловыделения бетона предложены зависимости, учитывающие удельное тепловыделение цемента, параметры состава бетона, температуру и длительность твердения. Наиболее удобна для расчетного определения тепловыделения бетона зависимость, учитывающая удельное тепловыделение цемента. Интенсивные деструктивные процессы при нагревании бетона идут при температуре более 200°С. Нагрев в интервале 200-400°С приводит к постепенному снижению прочности цементного камня и бетона из-за дегидратации в основном гидроалюминатов, а также распада и перекристаллизации гидросульфоалюминатов кальция. При нагревании свыше 300°С нарушается структура цементного камня и бетона в результате различия деформаций гид-ратных продуктов цементного камня и непрогидратированых зерен цемента. При 500-600°С идёт разложение гидратных новообразований и дегидратация Са(ОН)2 - продукта гидролиза клинкерных минералов, преимущественно трехкальциевого силиката, что способствует дальнейшему снижению прочности цементного камня. В интервале 600-700°С возможно модификационное превращение р - 2СаО*SiO2 в у - 2СаО*SiO2, сопровождаемое некоторым увеличением объёма. Портландцементные образцы, прогретые до температуры 600-800°С, полностью разрушаются после выдерживания их в воздушно-сухих условиях в основном в результате вторичной гидратации оксида кальция. При непрерывном нагревании ДО 1200°С прочность цементного камня составляет 35-40% прочности контрольных образцов. При этом развивается значительная усадка - до 1 % и более. Установление основной причины разрушения цементного камня - гидратации, образующегося при нагреве оксида кальция -позволило разработать основной способ придания ему жароупорных свойств. Этот способ заключается во введении в цемент или бетонные смеси тонкомолотых минеральных добавок, которые химически связывают СаО, не образуют с минералами цемента легкоплавких веществ, являются устойчивыми к воздействию высоких температур и уменьшают усадку цементного камня при нагревании. Портландцемент по жаростойкости значительно уступает шлакопортландцементу, образующему при гидратации значительно меньшее количество Са(ОН)2. При достаточной величине остаточной прочности на сжатие бетона после нагревания до 800°С и использовании шлакопортландцемента отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок. Специфическим видом разрушения бетона при тепловом воздействии является разрушение под воздействием огня в условиях пожара. Под влиянием высокотемпературного пламени снижается несущая способность бетонных и железобетонных конструкций, а через определённое время под действием огня возможно их разрушение. Снижение прочности бетона в условиях пожара происходит в результате развития внутренних напряжений вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения цементного камня и заполнителей. При температуре выше 500°С снижение прочности бетона под воздействием огня усиливается разложением гидроксида кальция и полиморфным превращением b-кварца в а-кварц. Огнестойкость бетона, также, как и огнестойкость других строи-тельныхматериалов, характеризуется пределом огнестойкости - продолжительностью сопротивления воздействию огня до потери им прочности. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время, в течение которого они сохраняют несущие и ограждающие функции в условиях пожара. Потеря конструкцией несущей способности сопровождается ее внезапным либо очень быстрым обрушением. Ограждающая способность конструкций теряется, когда температура необогреваемой поверхности в среднем возрастает на 160°С и в смежных помещениях возможно самовоспламенение материалов. При этом в конструкциях образуются сквозные трещины, через которые проникают продукты горения и пламя. Предел огнестойкости определяется испытанием образцов в специальной камере, где тепловой режим поддерживают по стандартной кривой температура-время. Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций составляет 2-5 ч. Его повышают, увеличивая толщину бетонного слоя и подбирая соответствующий состав бетона. Способность бетона противостоять, не разрушаясь, совместному действию напряжений от механической эксплуатационной нагрузки и термических напряжений при определенном числе циклов нагрева и охлаждения либо при температурном градиенте называют термостойкостью. Требования к термостойкости бетона и железобетонных конструкций зависят от их назначения, конкретных условий эксплуатации. Так, термостойкие агрегаты должны сохранять проектную прочность в течение всего нормативного срока эксплуатации, железобетонные колонны в зданиях 1-ой степени огнестойкости при пожаре не должны разрушаться ранее 2,5 ч, покрытие пола горячих цехов должно выдерживать попеременный нагрев и остывание при действии ударных нагрузок. Существенное значение имеет вид заполнителя. Одним из важнейших факторов, влияющих на термическое расширение и термостойкость бетона, является его влажность. Равновесная влажность тяжелого бетона зависит от проницаемости бетона, степени гидратации и вида вяжущего, относительной влажности и температуры окружающей среды. Например, для тяжелого бетона на портландцементе с В/Ц=0,5 при 1=20°С равновесная влажность колеблется от 0,5 до 6,8% при изменении относительной влажности от 0,15 до 0,95. При интенсивном тепловом воздействии разрушению в большей степени подвергаются поверхностные слои бетона в изделиях и конструкциях с наибольшим градиентом влажности. Давление пара в бетоне в значительной степени зависит от скорости нагрева, проницаемости и начальной влажности. Наибольшее давление пара от теплового воздействия наблюдается при заполнении водой 70-80% порового пространства. Термостойкость бетона увеличивается с уменьшением размера крупного заполнителя, при тщательном приготовлении бетонной смеси и уходе за бетоном при его твердении с целью получения структуры с наименьшим количеством и минимальными по длине трещинами. Величина коэффициента расширения и термостойкость уменьшаются с возрастом бетона. Большей термостойкостью будет обладать бетон с меньшими значениями модуля упругости, большей теплопроводностью. Важное значение имеет также различие температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Термостойкость бетона можно увеличить дисперсным армированием температуростойкими волокнами из асбеста, базальта или стальных фибр, конструктивным армированием, применением заполнителей из андезита, базальта, диабаза и других материалов, обеспечивающих минимальное различие температурных деформаций отдельных компонентов.

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ

Степень агрессивного воздействия внешней среды определяется ее химическим составом и комплексом факторов, характеризующих условия контакта среды и бетона. Основная составляющая бетона - цементный камень - состоит из химических соединений, имеющих щелочной характер, поэтому наиболее интенсивная коррозия бетона характерна при воздействии на него среды, содержащей водные растворы кислот. Агрессивными по отношению к бетону могут быть также соли и другие вещества как неорганического, так и органического происхождения. По типу химического взаимодействия реакции коррозии можно сгруппировать в обменные процессы и реакции, связанные с образованием малорастворимых хорошо кристаллизующихся солей. Из физических факторов, воздействующих на бетон, можно выделить температурные воздействия. На тепловой обмен между средой и бетоном в сильной мере влияют процессы массообмена, а также фазовые превращения, происходящие в бетоне. При нарушении термовлажностного равновесия между средой и бетоном в зависимости от величины перепада температур и влажности в нем возникают внутренние напряжения. Из физико-химических факторов, вызывающих коррозию, наиболее существенными являются выщелачивание, а также осмотические и контракционные явления. Агрессивные для бетона газовыделения характерны для предприятий металлургической, нефтехимической, коксохимической и других отраслей промышленности. Агрессивные газы являются, как правило, кислыми или кислотообразующими. Образование из них кислот происходит при наличии на поверхности конструкций или в воздухе капельно-жидкой влаги. При влажности до 60% кислые газы практически не разрушают бетон, а в ряде случаев даже уплотняют его. Такое действие оказывают, например, газы, содержащие углекислый газ (карбонизация), четырехфтористый кремний. Твердые среды в виде порошков, аэрозолей пылей могут оказывать заметное, а иногда значительное агрессивное действие на бетон при высокой растворимости (более 2 г/л) и гигроскопичности. Пыль различных материалов, оседая на конструкции, адсорбирует пары и влагу, которые придают ей агрессивные свойства. В зависимости от состава пыли во влажной среде образуется кислый или щелочной раствор, который может являться более агрессивным, чем раствор, полученный при конденсации во влажной среде агрессивных паров и газов. Жидкими агрессивными средами для бетона могут быть природные поверхностные и грунтовые воды, промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды и другие жидкие продукты. Для характеристики наиболее характерных жидких сред, кроме концентрации агрессивных веществ учитываются температура, напор или скорость движения у поверхности конструкций. Степень агрессивного воздействия жидких сред (табл. 6.14) зависит от концентрации водородных ионов (рН), содержания свободной углекислоты, магнезиальных солей, едких щелочей, сульфатов. К жидким агрессивным средам, кроме водных растворов солей, кислот и щелочей, относятся масла, нефтепродукты, растворители. Нормативные показатели, характеризующие степень агрессивного воздействия жидкой среды на бетонные сооружения, различаются в зависимости от фильтруемости грунтов. При сильно- и среднефильтрующих грунтах (коэффициент фильтрации свыше 0,1 м/сут) они значительно меньше, чем при слабофильтрующих. Например, для безнапорных сооружений из бетона нормальной плотности вода-среда оказывает сильное агрессивное действие при рН до 5, если грунт имеет Кф>0,1 м/сут и до 3 если Кф<0,1 м/сут. Для напорных сооружений независимо от К грунта в этом случае рН воды-среды должен быть до 5,5. Наличие испаряющей поверхности обусловливает проявление коррозии при значительно меньшей концентрации агрессивных веществ, чем при ее отсутствии. Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, жесткости, а также кислотности или щелочности. Обычно воды рек и озер имеют слабо щелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах, как правило, не превышает 0,3-0,5 г/л. Грунтовые и подземные естественные воды содержат минеральные соли и другие примеси. Их агрессивность по отношению к цементным бетонам оценивается нормами агрессивности воды-среды. Совершенно чистая, неминерализованная вода может быть также агрессивной в отношении бетона, вызывая выщелачивание извести. Бетон обладает определенной адаптируемостью к воздействиям внешней среды, т.е. способностью (по В.Л. Чернявскому) к совокупности внутренних реакций и процессов, направленных на сохранение его структурных характеристик в пределах, обеспечивающих заданное функциональное состояние. Способность к адаптации бетона обусловлена, в основном, наличием в составе вяжущего непрогидратированных или т.н. реликтовых зерен, потенциально активных наполнителей, которые в условиях тепловых и химических воздействий способны образовывать гидраты, часто модифицированные компонентами внешней среды. Продукты коррозии на первых этапах могут приводить также к некоторому увеличению плотности и прочности поверхностного слоя конструкций. Коррозионная стойкость бетона непосредственно связана с его плотностью, а последняя с водонепроницаемостью. Виды коррозии бетона классифицируют по названию агрессивных веществ (В.В. Кинд) и механизму агрессивного влияния среды (В.М. Москвин). Во втором случае классификация является более общей. По классификации В.М. Москвина к коррозии I вида относятся процессы, связанные с выщелачиванием извести (точнее, Са(ОН)2) из бетона, вследствие ее большей растворимости в воде по сравнению с другими гидратами. В настоящее время к коррозии I вида относят все процессы, связанные с растворением в воде веществ, входящих в бетон. Основными путями фильтрации воды через бетон являются трещины и строительные швы. При определенных условиях возможна кольматация пор бетона гидроксидом кальция, который при достаточной концентрации СО2 подвергается карбонизации. Для предотвращения или уменьшения интенсивности коррозии I вида особенно большое значение имеет плотность бетона. Вторым важнейшим направлением повышения коррозионной стойкости бетона является связывание Са(ОН)2 активными минеральными добавками, введенными в цемент или непосредственно в бетонные смеси. Коррозия II вида обусловлена протеканием обменных реакций между продуктами гидратации цемента и кислотами или солями, воздействующими на бетон. Наиболее характерными разновидностями коррозии II вида являются углекислая, кислотная и магнезиальная коррозия. В результате воздействия кислот образуются соли кальция, обычно хорошо растворимые в воде. Кислоты взаимодействуют прежде всего с гидроксидом кальция, а затем с гидросиликатами кальция. Наряду с хорошо растворимыми солями, вымываемыми из бетона, при коррозии этого вида возможно образование малопрочных рыхлых масс SiO2*пН2О, Аl(ОН)3 и др. В первую очередь разрушаются поверхностные слои бетона и скорость разрушения будет определяться растворимостью продуктов реакции, скоростью обмена агрессивной среды у поверхности бетона и скоростью диффузии ионов через слой продуктов реакции. Особенность углекислой коррозии заключается в том, что она осуществляется в два этапа. Сначала СО2, содержащийся в воде, образует СаСО3, уплотняющий бетон. Условия для растворения карбонатной пленки создаются при увеличении количества СО2 сверх равновесного и образовании гидрокарбоната. Избыточное по отношению к равновесному количество СО2 носит название агрессивной углекислоты. Бетон нормальной плотности начинает разрушаться при рН<6,5, особо плотный при рН < 4,9 - 4. Различие скорости коррозии под влиянием НСl и Н25О4 при одинаковом рН объясняется неодинаковой растворимостью продуктов коррозии - СаСl2 и Са5О4. По мере повышения концентрации кислот разница в стойкости различных видов цемента уменьшается. Коррозию II вида вызывают соли магния, часто присутствующие в грунтовых водах и в значительном количестве содержащиеся в морской воде (15,5-18% от всего количества солей). Наряду с растворимыми и вымываемыми из бетона солями при магнезиальной коррозии образуется рыхлая аморфная масса Мg(ОН)2, уменьшающая прочность бетона. В морской воде магнезиальная коррозия усиливается вследствие повышения растворимости гид-роксида кальция и магния в присутствии NaСl. До 2/3 магнезиальных солей в морской воде приходится на долю МgСl2, 1/3 - МgSО4. Наиболее опасной является магнезиаль-но-сульфатная коррозия, поскольку в результате реакций МgSО4 с Са(ОН)2 а также с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция образуется не только аморфный Мg(ОН)2, но и кристаллизуется гипс, объем которого больше суммарного объема исходных веществ, что вызывает значительные напряжения в цементном камне. Магнезиально-сульфатную коррозию можно считать смешанной (коррозией II и III вида). Коррозия III вида развивается в бетоне от внутренних напряжений при накоплении в порах и капиллярах малорастворимых солей. Это может быть как результатом кристаллизации продуктов химических реакций, так и процесса кристаллизации при поглощении солей из агрессивных растворов. Наиболее распространенной коррозией этого вида является сульфатная коррозия, которая происходит в цементном камне под влиянием анионов SO2-4, связанных с катионами Na+, Са2+ и Мg2+. В грунтовых водах обычно содержание SO2-4 не превышает 60 мг/л, в морской оно может достигать 2500-2880 мг/л. Для бетона нормальной плотности на портландцементе сульфаты, содержащиеся в воде-среде, оказывают слабое агрессивное воздействие при концентрации ионов SO2-4 уже свыше 300 мг/л, а сильное - свыше 500 мг/л. Разновидностями сульфатной коррозии являются сульфоалюминатная и гипсовая коррозия. Кристаллизация СаSО4*2Н2О имеет место только при концентрации SO2-4 более 300 мг/л. В присутствии ионов кальция кристаллизация СаSО4*2Н2О начинается при более низких концентрациях СаSО4 в растворе. Коррозия бетона III вида может происходить не только при взаимодействии бетона с внешней средой, но и в результате разрушительных процессов, происходящих при химическом взаимодействии компонентов бетонной смеси. Характерным примером таких процессов является взаимодействие щелочей, содержащихся в цементе, с кремнеземом заполнителей. В портландцементе содержание растворимых соединений достигает 1-1,5% (в пересчете на Na2О). Источниками их являются глинистые компоненты шихты для получения клинкера и зола топлива. Значительная часть щелочей поступает в шихту с пылью печей, возвращаемой на обжиг. Щелочи могут накапливаться в бетоне также вследствие обменных реакций составляющих цементного камня с солями натрия, растворенными в природных водах. Реакционноспособны-ми в среде щелочей являются некоторые модификации кремнезема (тридимит, кристобалит, кремнеземистое стекло, опал, опока, трепел, халцедон и др.), встречающиеся в заполнителях. Продукты реакции между щелочами цемента и активным кремнеземом расширяются в объеме и создают разрушающее давление. Заполнитель с содержанием растворимого кремнезема более 50 ммоль/л считается потенциально способным к взаимодействию со щелочами цемента. Наиболее действенным способом предупреждения рассматриваемой коррозии является ограничение содержания щелочей в цементе до 0,6%. Замедляются процессы щелочной коррозии при введении в цемент активных минеральных и некоторых других добавок (углекислый литий, альбумин и др.). Строительные конструкции промышленных предприятий могут подвергаться агрессивному воздействию растворов щелочей-ка-устической и кальцинированной соды и др. Щелочестойкость бетона является относительно высокой в растворах низкой концентрации, однако в концентрированных растворах (>5000 мг/л) возможно значительное снижение прочности и разрушение бетона. Механизм щелочной коррозии заключается в повышении растворимости компонентов цементного камня, содержащих SiO2 и Аl2О3, и образовании щелочно-земельных силикатов и алюминатов. Растворимость Са(ОН)2 в цементном камне при контактировании с растворами щелочей вследствие присутствия ионов ОН" значительно понижается. Наибольшую активность по отношению к щелочам проявляет С3А, несколько меньшую - С4АР, минимальную С35. При увеличении содержания трехкальциевого алюмината в клинкере в 2 раза щелочестойкость цементного камня снижается в 1,5-5 раз. Бетоны на портландцементе показывают большую стойкость в растворах щелочей, чем бетоны на пуццолановых и шлакопортлан-дцементах, имеющих обычно большее содержание растворимых щелочью соединений. Коррозия бетона при воздействии щелочных растворов может быть отнесена к коррозии II вида, переходящей в последующем в коррозию I вида. Наряду с цементным камнем при воздействии щелочей возможно разрушение заполнителей. Наиболее активно взаимодействуют с едкими щелочами заполнители из кислых горных пород. С едким натром возможно также взаимодействие карбонатных пород: СаСО3 + 2Ка(ОН) <=> Са(ОН)2 + Na2СО3 Реакция сдвигается вправо при высоких концентрациях NаОН, когда резко уменьшается растворимость Са(ОН)2. Разрушение карбонатных пород в щелочных растворах в 7-8 раз менее интенсивно чем кислых горных пород. Щелочная коррозия бетона возможна также при взаимодей ствии щелочей, содержащихся в цементе, с кремнеземом заполнителей. Органогенная коррозия бетона развивается под влиянием органической агрессивной среды. На многих предприятиях пищевой, деревообрабатывающей, легкой и других отраслей промышленности образуются или используются продукты, содержащие органические кислоты. Агрессивное действие органических кислот растет с увеличением их молекулярной массы. Из органогенных сред пищевой промышленности наиболее коррозионно активными по отношению к цементному бетону являются жиры и растительные масла. Растительные и животные жиры, взаимодействуя с Са(ОН)2, омыляются, образуя кальциевые соли жирных кислот и многоатомные спирты. Животные жиры при взаимодействии с водой подвергаются гидролизу, в результате чего образуются глицерин и жирные кислоты. Оба эти продукта разрушают бетон. Глицерин, обладающий кислотными свойствами, взаимодействует с Са(ОН)2: Са(ОН)2 + 2С3Н8О3 = Са(С3Н7О3)2 + 2Н2О Разрушение цементного камня и бетона в этом случае идет по механизму коррозии III вида. Значительной агрессивностью обладает продукция винодельческих предприятий и пивоваренного производства, содержащая спирты, сахара, органические кислоты. Так, например, этиловый спирт химически взаимодействует с известью цементного камня, образуя алкоголят кальция-соль, распадающуюся в присутствии воды. В данном случае разрушение бетона относится к III виду коррозии. Сахарные растворы (предприятия кондитерской промышленности, плодоконсервные и др.) способствуют интенсивному развитию микрофлоры, выделению различных продуктов брожения, содержащих кислоты: масляную, молочную, уксусную. Органогенные среды, характерные для болотных и торфяных почв, также способствуют коррозии II вида вследствие превращения органических веществ в гуминовые и другие кислоты. Разрушения материалов под воздействием растительных и животных организмов называют биоповреждениями. С биологически активной средой контактируют гидротехнические сооружения, строительные конструкции сооружении на различных предприятиях пищевой промышленности и микробиологических производств. Например, мидии, поселяющиеся на поверхности подводных морских сооружений (до 40 кг на 1 м2) способны выделять до 12,2 см3 СО2 за 1 ч на 1 кг своей массы. Ряд других живых организмов, поселяющихся на поверхности сооружений, особенно в период биоценоза (цветения воды), наоборот, поглощают из бетона углекислоту и свободный СаО. В обоих случаях развивается органогенная коррозия бетона.

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА

Морозостойкость бетона - это его способность сохранять прочность и работоспособность при действии попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.Разрушение бетона в водонасыщенном состоянии при циклическом действии положительных и отрицательных температур, а также переменных отрицательных температур обусловлено комплексом физических коррозионных процессов, вызывающих деформации и механические повреждения изделий и конструкций. К настоящему времени отсутствует единая теория, объясняющая механизм морозного разрушения бетона, хотя очевидно, что, в конечном счете, снижение прочности влажного бетона при попеременном замораживании и оттаивании обусловлено, в основном, образованием льда в порах бетона. В результате того, что объем, занимаемый льдом, на 9% больше объема воды, возникают значительные растягивающие напряжения, воздействующие на стенки пор и постепенно расшатывающие его структуру. Существует несколько основных гипотез, объясняющих способы передачи напряжений на элементы структуры бетона, возникающих в результате образования льда. 1. Гипотеза непосредственного воздействие кристаллизующегося льда на стенки пор. 2. Гипотеза гидростатического давления воды - в отличие от первой утверждает, что на стенки пор давит не сам лед, а вода, на которую передается давление льда. В пользу большей корректности второй гипотезы говорит тот факт, что вода, заполняющая капиллярные поры, не может, как правило, полностью превратиться в лед из-за отсутствия необходимого места и поэтому передает давление льда на стенки пор. Но гипотеза также не может объяснить ряд явлений, наблюдаемых при действии отрицательных температур на бетон. Так, при увеличении скорости замораживания разрушение ускоряется, тогда как давление льда при этом не возрастает. Более того, морозом разрушаются бетоны, поры которых заполнены водой менее чем на 90%. 3. Гипотеза гидравлического давления Т. Пауэрса, объясняющая отмеченные явления. В соответствии с ней главной причиной разрушения бетона при попеременном замораживании и оттаивании является гидравлическое давление, создаваемое в порах и капиллярах бетона под влиянием замерзающей воды в результате сопротивления гелевой составляющей цементного камня. Убедительным аргументом в пользу этой гипотезы является то, что она объясняет механизм защитного действия воздушных пор. При их достаточном количестве «избыточная» вода оттесняется в эти поры без нарушений структуры бетона. Разрушение бетона происходит тогда, когда объем условно замкнутых пор постепенно заполняется водой и они не могут выполнять функции резервных (демпферных). В соответствии с гипотезой гидравлического давления напряжения, возникающие в бетоне, будут пропорциональны скорости замораживания, количеству оттесняемой жидкой фазы и ее вязкости и обратно пропорциональны проницаемости цементного камня. Модель, предложенная Т. Пауэрсом, представляет циллиндрический капилляр, заполненный водой и окруженный цементным камнем. Поддействием гидравлического давления в циллиндрической оболочке капилляра возникают растягивающие напряжения о. Разрушение происходит, если напряжения а достигли предела прочности цементного камня при растяжении Вр. К недостаткам этой модели следует отнести то, что в ней не учитывается соотношение размеров капилляра и оболочки. В действительности в цементном камне толщина оболочки капилляра может быть в 5-20 раз больше его радиуса. В объем капилляров включался весь объем пор цементного камня без разделения его на объем пор геля и капилляров, хотя замораживание воды происходит практически лишь в капиллярных порах. Расчет напряжений в бетоне по модели Пауэрса проводят для статического состояния без учета перемещения фронта льдообразования. А.М. Подвальный предложил модель, в которой капилляр и оболочка рассматриваются как толстостенная труба с переменным отношением радиусов оболочки и капилляра. При рассмотрении единичного капилляра действие соседних заменяется равномерно распределенной нагрузкой на внешней поверхности оболочки. В соответствии с современными представлениями гидравлическое давление не является единственной причиной разрушения. Разрушению способствуют также осмотические явления. Они возникают в результате повышения концентрации растворенных веществ (Са(ОН)2, щелочей и др.) в жидкой фазе бетона на границе со льдом. Диффузия воды к области замерзания создает дополнительное давление. 4. гипотеза термической несовместимости компонентов бетона. Заполнители и Цементный камень имеют различные коэффициенты термического расширения. При отрицательных температурах термическая несовместимость компонентов резко усиливается, так как коэффициент термического расширения льда в 3-7 раз больше чем бетона. Возможно одновременное действие различных механизмов деструкции бетона при его циклическом замораживании, и вклад каждого будет зависеть от многих факторов: влажности материала, В/Ц, возраста бетона и т.д.Факторы, влияющие на морозостойкость бетона. Влияние циклического изменения температуры усиливается дополнительным воздействием растворов солей. Получила, например, широкое распространение практика применения солей (NаСl, СаСl2) для удаления льда с дорожных покрытий. В результате таяния льда при посыпке соли на поверхность бетона поглощается большое количество теплоты (334 Дж/г) и температура резко понижается. На поверхности бетона фиксируется понижение температуры до 9°С в течение 1 мин («температурный шок»), что вызывает возникновение растягивающих напряжений. Диффузия соли в бетон приводит к возникновению градиента ее концентрации, что также вызывает повышенные напряжения, шелушение и отслаивание поверхностного слоя. В присутствии солей увеличиваются осмотические явления в замораживаемом бетоне, повышается вязкость жидкой фазы. В результате возрастает величина гидравлического давления и ускоряется разрушение бетона. При попеременном замораживании и оттаивании насыщенных водой железобетонных конструкций нарушается соответствие температурных деформаций стали и бетона, в результате возникают значительные внутренние напряжения и уменьшается прочность сцепления стали с бетоном. Растягивающие напряжения в арматуре при замораживании насыщенных водой железобетонных конструкций могут достигать 120-150 МПа. На долговечность бетона, работающего на растяжение и изгиб в условиях замораживания и оттаивания, влияет степень нагружения. При напряжениях, составляющих 0,45 призменной прочности, уже заметно ускоряются деструктивные процессы в замораживаемом бетоне, а при напряжениях, равных 0,6-0,8 призменной прочности, отмечены случаи разрушения бетона через несколько циклов замораживания. При замораживании влажного железобетона ускоряется трещинообразование в растянутой зоне и увеличиваются размеры трещин. При этом наиболее интенсивно повышение влажности бетона наблюдается в растянутой зоне конструкций. Это объясняется переносом влаги из менее разрушенной сжатой в активно разрушающуюся растянутую зону в результате различия давления пара переохлажденной адсорбированной воды в мелких порах и кристаллического льда в крупных порах и трещинах. ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА БЕТОНА Морозостойкость бетона обусловлена прежде всего строением его порового пространства. В цементном камне образуются, как указано ранее, три вида пор: · поры цементного геля, размер которых лежит в пределах (15-40)-1010м, · капиллярные поры 0,01-1 мкм, · условно замкнутые поры 10-500 мкм. Поры геля характеризуются минимальной проницаемостью для жидкостей и газов(коэффициент проницаемости для пор геля менее 1010 м/с). Перенос жидкой фазы в порах геля возможен только по механизму молекулярной диффузии. Вода в порах геля при эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций не замерзает, что объясняется их размером, содержанием в поровой жидкости добавок-электролитов. Капиллярные порыможно представить как часть объема воды цементного теста, которая не заполнена продуктами гидратации цемента. Микрокапилляры имеют размер меньше 10-1 мкм. Они обладают способностью к капиллярной конденсации влаги, обусловливающей гигроскопичность материалов. Макрокапилляры с радиусом больше 0,1 мкм (обычно до 10 мкм) заполняются водой только при непосредственном контакте с ней. Капиллярные поры являются основным дефектом структуры цементного камня. В свежеприготовленном тесте можно считать порами все пространство, заполненное водой. При твердении часть его заполняется гелем. Чем больше степень гидратации цемента (а), тем больше образуется геля и тем меньший объем остается на капиллярные поры. Данные по водопроницаемости цементного камня и бетона показывают, что переход от непрерывной системы пор к условно изолированной происходит при капиллярной пористости цементного камня Пк < 0,33. Температура замерзания воды в капиллярно-пористом теле зависит от размеров капилляров. Например, в капиллярах диаметром 1,57 мм вода замерзает при -6,4°С; 0,15 мм при -14,6°С; 0,06 мм - -18°С. В порах диаметром менее 0,001 мм вода практически не замерзает, она приобретает свойства псевдотвердого тела. В порах, обусловленных контракцией, создается вакуум, и они заполняются в зависимости от условий твердения воздухом или водой. Контракционный объем рассматривают в наше время не как самостоятельный вид пор, а как часть капиллярной пористости. К условно замкнутым порам относят пузырьки воздуха в цементном камне и бетоне. Суммарным объемом пор, их размером, количеством и удельной поверхностью можно управлять введением воздухововлекающих или газообразующих добавок. Воздушные поры, получаемые путем введения в бетонную смесь воздухововлекающих добавок, существенно изменяют структуру цементного камня. Число воздушных пор в 1 см3 цементного камня может достигать одного миллиона, а поверхность этих пор - 200-250 см2. Через эту поверхность поступает в воздушные поры избыточная вода, вытесняемая из капилляров при замораживании бетона. Защитным действием обладают лишь достаточно мелкие воздушные поры размером менее 0,5-0,3 мм. В качестве критерия для оценки эффективности защитного действия воздушных пор распространение получил т.н. «фактор расстояния», предложенный Т. Пауэрсом. Для его расчета принимается, что в цементном камне имеется некая идеализированная система одинаковых воздушных пор, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Наиболее удаленными в этом случае от воздушной поры являются точки цементного камня, лежащие в углах куба. К важнейшим эксплуатационным факторам, кроме числа циклов замораживания и оттаивания, относятся степень водонасыщения и температура замораживания бетона. Снижение прочности бетона после замораживания и оттаивания наблюдается лишь при его водонасыщении выше определенной величины, которая, в свою очередь, связана со значением отрицательной температуры. Величина критического водонасы-щения может быть достигнута не только при водонасыщении бетона перед замораживанием, но и в результате перераспределения поровой воды в замерзающем бетоне в виде пара. Водонасыще-ние бетона возрастает в присутствии солей. Вода в большинстве капиллярных пор замерзает при температуре до -15°С. При дальнейшем понижении температуры происходит замерзание воды в более тонких порах (рис. 6.7) и при температуре -70... -80°С практически вся поровая вода находится в замерзшем состоянии, исключая воду, заполняющую мельчайшие гелевые поры и адсорбированную на стенках капиллярных пор.Сравнительное определение морозостойкости бетона замораживанием при -17 и -50°С показало, что разрушение бетона во втором случае ускоряется в 6-10 раз. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА · С увеличением В/Ц возрастает как общий объем открытых пор, так и средний их размер, что также негативно влияет на морозостойкость. При этом повышаются проницаемость и водопоглощение и в таких бетонах невозможно образование существенного объема резервных пор. При проектировании морозостойких бетонов принято ограничивать В/Ц в зависимости от условий службы бетона в сооружениях. Снижение В/Ц возможно как за счет уменьшения расхода воды при применении пластифицирующих добавок, более жестких смесей, так и за счет увеличения расхода цемента. Второй способ снижения В/Ц технико-экономически неэффективен. · степень гидратации цемента (зависит от активности цемента, интенсивности роста ее во времени, длительности и условий твердения бетона). Степень гидратации портландцементов к 28-суточному возрасту по усредненным данным равна 0,6, 90 сут - 0,66 и 180 сут - 0,7. Повышению степени гидратации цемента способствуют различные способы его активизации и надлежащий уход за бетоном. · расход воды затворения и, соответственно, расхода цемента. По данным П. И. Горчакова, каждый процент снижения капиллярной пористости достигается уменьшением количества воды затворения на 10 л/м3 либо увеличением расхода цемента на 20-35 кг/м3. Увеличение расхода цемента с одной стороны уменьшает В/Ц, с другой, приводит к увеличению объема цементного теста, что повышает объем капиллярных пор бетона. · Оптимальный расход песка из условия морозостойкости выше, чем из условия прочности, что связано с условиями воздухововлечения. По данным О.В. Кунцевича, повышение доли песка в смеси заполнителей с г=0,33, оптимальной по прочности, до г = 0,5 привело к росту расхода цемента на 40 кг/м3, но повысило морозостойкость с 120 до 400 циклов. · Из минералов цемента отрицательное влияние на морозостойкость оказывает С3А. По рекомендациям С.В. Шестоперова, при марке бетона по морозостойкости, выраженной числом активных циклов замораживания и оттаивания за проектный срок эксплуатации сооружения, до Р500, С3А в цементе должно быть менее 10, Р1000 - менее 6 и Р6000 - менее 4%. Рекомендуется также повышенное содержание С35 - 55 - 60%. Под «активными циклами» С.В. Шестоперов подразумевал циклы, «вносящие в структуру материалов, составляющих бетон, изменения, связанные с нарушением монолитности». Это определение, однако, не является достаточно четким. · В морозостойких бетонах нежелательны активные минеральные добавки, особенно с повышенной водопотребностью. В то же время, экспериментально показано, что бетоны с умеренным содержанием доменных шлаков или каменноугольной золы-уноса могут иметь удовлетворительную морозостойкость, особенно при введении в бетон эмульгированного воздуха. · Низкую морозостойкость имеют пуццолановые цементы. Шлакопортландцементы по морозостойкости занимают промежуточное положение между портланд- и пуццолановым цементом. · К снижению морозостойкости бетона приводит повышение удельной поверхности цемента свыше 400 м2/кг. Такие сверхтонкие цементы характеризуются повышенной усадкой, ведущей к появлению микротрещин. · Жесткие требования предъявляются к ограничению величины потери при прокаливании, обусловленной лежалостью цемента. Хранение (лежалость) цемента значительно больше влияет на его морозостойкость, чем на активность. По мнению С.В. Шестоперова, наличие оболочки из новообразований гидратированных минералов на зернах цемента является одной из основных причин снижения долговечности бетона. · Обычно применяемые для получения тяжелого бетона кварцевый песок и щебень из плотных изверженных или метаморфических пород, отвечающие требованиям стандартов, позволяют получать высокоморозостойкий бетон. На морозостойкость бетона существенное влияние оказывают морозостойкость самих заполнителей и их водопотребность. По данным С.В. Кунцевича, морозостойкость заполнителей неоднозначно связана с их прочностью. Неморозостойкие зерна могут быть достаточно прочными и плотными с водопоглощением 0,7-2%. Важными с позиций морозостойкости являются свойства заполнителей, определяющие их сцепление с цементным камнем, и модуль упругости. · Пластифицирующие добавки повышают морозостойкость бетона как в результате уменьшения водопотребности и соответственно капиллярной пористости, так и вследствие определенного воздухововлечения

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

16 17 18 19 20 21 22

Подборка статей по вашей теме: