Увлажнение и деформации центрифугированного бетона при отрицательных температурах

Как уже отмечалось, при соблюдении всех требований по составу бетона и его уплотнению по толщине стенки опор образуется несколь­ко слоев, отличающихся текстурой и плотностью бетона. Однако в ряде случаев из-за применения цементов с высоким коэффициентом нормальной густоты теста, а также в связи с большим содержанием добавок по толщине стенки при центрифугировании образуются два жестко соединенных между собой слоя. На внешней поверхности опор, как обычно, образуется слой бетона высокой плотности и нормаль­ной текстуры. На внутренней поверхности формируется слой мелко­зернистого бетона (раствора), обладающего низкой плотностью, вы­сокой пористостью и ярко выраженной, направленной перпендику­лярно к внутренней поверхности стенки капиллярной системой. При этом необходимо отметить также, что в процессе термообработки опор и вследствие высыхания бетона через внутреннюю поверхность, соз­дающего неравномерное распределение влаги и значительные усадоч­ные напряжения, во внутреннем слое образуется также значительный объем микротрещин.

Высокая пористость и насыщенность микротрещинами внутренне­го слоя бетона благоприятствуют интенсивному впитыванию и мигра­ции воды, которая при отрицательных температурах замерзает. Основ­ным источником увлажнения этого слоя является конденсирующаяся внутри опор влага. Образование этой влаги на внутренней поверхности опор обусловлено тем, что температура этой поверхности оказывается ниже температуры насыщения пара при его парциальном давлении в воздухе. Как показывают наблюдения, конденсация парообразной влаги внутри опоры может происходить в разные периоды года, но наиболее интенсивно она проявляется в осенний период, когда имеют место зна­чительные колебания суточных температур с переходом их через ноль. Особенно часто такие переходы наблюдаются в горных местностях, по которым проходит железная дорога. В этот период процессы конденса­ции преобладают над процессами испарения при повышении темпера­туры, вследствие чего создаются благоприятные условия для полного насыщения бетона влагой.

Процесс конденсации влаги наблюдается во всех опорах, но особен­но отчетливо он проявляется у тех опор, которые фундаментной частью находятся в воде, так как в этом случае объем испарившейся и соответ­ственно сконденсировавшейся влаги наибольший.

Детальное изучение конденсации влаги внутри опор выявило ряд особенностей этого процесса. Наиболее важной из этих особенностей является то, что конденсация влаги может происходить не по всей вну-

71

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

тренней поверхности, а начинать­ся на отдельном ее участке, а затем распространяться на всю оставшу­юся поверхность. Второй важной особенностью процесса конден­сации является возможная ори­ентация участков конденсации влаги внутри опор. Это вызвано тем, что опоры в подавляющем своем числе подвергаются сол­нечной радиации, под влиянием которой возникает неравномер­ное распределение температур по периметру -сильнее нагревается южная сторона опор и значитель­но слабее северная. Это приводит к тому, что при понижении тем­пературы окружающего воздуха температура насыщения пара при парциальном давлении быстрее достигается на северной стороне опор, чем на южной. В силу этого пер­вичный участок или полоса конденсации влаги внутри опоры распола­гается с ее северной стороны. Такое распределение конденсирующей­ся влаги по внутренней поверхности опор наблюдалось, в частности, в горном районе озера Байкал при электрификации участка Слюдянка — Улан-Удэ (рис. 3.12). При этом необходимо отметить, что конденсация влаги на нижнем участке опор происходит по всему их внутреннему пе­риметру. Такой же характер конденсация влаги имеет при расположении опор в затемненных местах, в районах со слабой солнечной радиацией, не оказывающей существенного влияния на температурный режим опор и достижение температуры насыщения пара.

Конденсирующаяся внутри опор влага наиболее характерна как ис­точник увлажнения для опор, не имеющих вентиляции внутренней по­лости. При наличии вентиляции внутренней полости конденсация влаги в ней носит эпизодический характер, и бетон внутренних слоев прак­тически не увлажняется. При этом может сказаться капиллярная кон­денсация в микротрещинах, возникающих при жестких режимах тер­мообработки бетона опор. Необходимо учитывать также возможность увлажнения нижней части опор капиллярной влагой, поступающей из подземной части опор. Высота поднятия влаги при отсутствии внешнего гидроизоляционного покрытия при этом составляет порядка 15 - 20 см. При наличии гидроизоляционного покрытия на наружной поверхности высота капиллярного поднятия значительно увеличивается и составля-

72

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

ет 0,8 — 1 м. Поэтому для ограничения капиллярного поднятия влаги в опорах нецелесообразно нанесение гидроизоляционных покрытий на высоту более 0,5 — 0,7 м.

Сконденсировавшаяся на внутренней поверхности опор влага впи­тывается, как упоминалось, внутренним слоем бетона. Скорость впиты­вания и степень водонасыщения бетона при высокой его пористости и внутреннем структурном разрыхлении оказываются весьма высокими. В частности, в опытах, проведенных на растворных образцах, имевших пористость, близкую к пористости бетона внутреннего слоя опор, было установлено, что при контакте этих образцов с влажной тканью раствор в течение двух часов приобретал влажность, составляющую около 98% предельного значения влажности, получаемой при водном хранении образцов. Одновременно следует отметить, что если бетон внутренних слоев имеет высокую плотность, то сконденсировавшаяся влага тонкой пленкой стекает вниз по стенке, а увлажнение бетона происходит на весьма малую глубину. Этому способствует также тонкий слой цемент­ного камня, образующегося на внутренней поверхности опор при цен­трифугировании и играющего роль гидроизоляции. Во многом этим, в частности, объясняется отсутствие значительных повреждений и су­щественного снижения прочности бетона основной массы опор.

Увлажненный конденсирован­ной и капилляр-ной влагой бетон внутреннего слоя опор при замер­зании и дальнейшем понижении темпе-ратуры испытывает дефор­мации, величина которых зави­сит от пористости и количества поглощенной воды. Установ-лено, что эти деформации нельзя опи­сать с помощью неко-торого усред­ненного коэффи-циента линейно­го температур-ного расширения. Для оценки деформаций необхо­димо использовать дилатометри­ческие кривые, построенные в ко­ординатах относительное удлине­ние — температура. На основании ряда исследований [21] показано, что для пористого увлажненного

бетона и раствора дилатомет-

рические кривые имеют ряд

общих признаков, состоящих

в том что     

73

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

эти кривые в области отрицатель­ных температур имеют обычно два максимума. При охлаждении водонасыщенных бетонных или растворных образцов до темпера­туры от —5 до —8 °С деформация сокращения исче-зает и наблюда­ется скачкообразное удлинение образцов, вызванное пере-ходом воды в лед в крупных порах. Даль­нейшее охлаж-дение примерно до - 28 °С вызывает термическое со­кращение длины образцов. При более низких темпе-ратурах сно­ва наблюдается удлинение образ­цов, вызван-ное замерзанием воды в мелких порах, заканчиваю-щеее­ся вторым максимумом в интер­вале температур от - 40 до - 50 °С. Дальнейшее глубокое охлаждение образцов сопровождается их тер­мическим укорочением (рис. 3.13). При неполном заполнении пор деформаций расширения не на­блюдается вплоть до температуры - 40 °С и только после этого могут наблюдаться небольшие деформации расширения. Но даже такие де­формации в условиях сурового климата создают дополнительные воз­действия на структуру бетона. Необходимо отметить также, что при оттаивании образцов после их глубокого охлаждения ход деформаций образцов не совпадает с кривыми хода деформаций при охлаждении. При оттаивании появляются дополнительные деформации расшире­ния, которые могут усилить воздействие отрицательных температур на бетон (рис. 3.14).