CC BY
52
УДК 666.972.5
Д. В. РУДЕНКО (ДПТ)
В1ДНОВЛЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ КОНСТРУКЦ1Й ТРАНСПОРТНИХ СПОРУД
У статп визначенi основш групи факторiв, що чинять негативний вплив на стшшсть структури бетону транспортних споруд й знижують !х довговiчнiсть. Сюди вiдносяться деструкцiя основних конструкцшних матерiалiв, екстремальнi навантаження та впливи на конструкци споруди, а також експлуатацiйнi порушен-ня. У реальних умовах щ фактори перебувають у складнiй взаемоди, що характеризуеться випадковiстю й невизначенiстю. При цьому взаемодiя одних факторiв може призвести до рiзкого загострення впливу шших факторiв. Розроблена технологiя бетону, призначеного для ремонтно-ввдновлювальних робiт на транспортних спорудах, дозволяе швелювати вплив визначених груп факторiв на експлуатацшш властивостi констру-кцiй.
В статье определены основные группы факторов, оказывающих отрицательное влияние на стойкость структуры бетона транспортных сооружений и снижающих их долговечность. Сюда относятся деструкция основных конструкционных материалов, экстремальные нагрузки и влияние на конструкции сооружения, а также эксплуатационные нарушения. В реальных условиях эти факторы находятся в сложном взаимодействии, которое носит случайный и неопределенный характер. При этом взаимодействие одних факторов может привести к существенному усилению влияния других факторов. Разработанная технология бетона, предназначенного для ремонтно-восстановительных работ на транспортных сооружениях, позволяет нивелировать влияние определенных групп факторов на эксплуатационные свойства конструкций.
The basic groups of factors affecting negatively the of concrete structure in transport structures and decreasing their longevity are determined in the article. They are the destruction of basic construction materials, the extreme loadings and influence on constructions of the structures, as well as operational violations. In real conditions these factors are in interaction, which is casual and indefinite in character. In this context the interaction of some factors can result in substantial strengthening of influence of other factors. The developed technology of concrete aimed at repair-restoration works on transport structures allows leveling the influence of certain groups of factors on operational properties of constructions.
Розширення вимог, що висуваються до ма-терiалiв для вщновлення експлуатацшних характеристик транспортних споруд з урахуванням зростаючих динамiчних навантажень на конструкций призводить до того, що, незважаючи на рiзноманiття композицш, яю застосовуються для ремонтних робщ ускладнюеться вибiр таких матерiалiв, що повшстю задовольнятимуть необхщному комплексу властивостей. З ще! причини виникае необхщшсть створення бетошв iз заданими технолопчними, конструкцш-ними й шшими властивостями. Таю завдання не можуть бути виршеш в повному обсязi за рахунок синтезу нових видiв модифiкаторiв, тому що це пов'язано зi значними витратами. У зв'язку з цим виникае необхщшсть пошуку економiчних шляхiв оптимiзацi! властивостей бетошв.
Одним з таких шляхiв е розробка бетошв з заданими експлуатацшними властивостями з використанням наявних загальнодоступних сполук, модифiкаторiв, наповнювачiв за рахунок оптимiзацi! !х складiв.
Актуальшсть проведених дослщжень поля-гае у розробщ технологи бетону, призначеного для ремонтно-вщновлювальних робгг для маси-вних та таких, що експлуатуватимуться в умо-вах ди агресивного середовища, споруд.
Щцвищення експлуатацiйних характеристик бетону забезпечуеться застосуванням фiзико-хiмiчно! активаци в'яжучо! речовини, що дозволяе ютотно заощаджувати енергоресурси i найдорожчий компонент бетону - цемент - за рахунок збшьшення його в'яжучого потенщалу з наступною оптимiзацiею з комплексу заданих критерпв: економiчностi, мiнiмальних термшв перекриття руху по спорудi, що ремонтуеться, забезпеченню заданого рiвня несучо! здатностi споруди для пропуску великовантажного рухо-мого складу.
При вщновленш й ремонтi транспортних споруд основна увага придшяеться способу на-несення бетонно! сумiшi або цементного роз-чину, який виключае iстотну змшу !хнього складу i забезпечуе комплекс заданих властивостей ремонтного шару. Реатзащя цього принципу значною мiрою досягаеться належ-
ним проектуванням складу бетону i розчину з урахуванням специфiчних вимог, яю висува-ються до таких сумшей: пiдвищена мiцнiсть, висока водонепроникнiсть, однорщшсть, стш-кiсть в агресивних середовищах, надiйне зчеп-лення нового бетону зi старим, висока зв'язнiсть бетонно! сумiшi при пiдвищенiй рух-ливост (пластичностi), нерозшаровуванiсть, повiльне тужавiння, але швидке тверднення. Основною вимогою до технологи ремонту та вщновлення несучо! здатностi елементiв транспортних споруд е органiзацiя безперервного провадження робгг зi скороченням 1хньо1 три-валост1
Забезпечення стiйкостi опор мостiв, оброб-лення тунелiв i iнших транспортних споруд е найважлившою умовою ефективно! й безпеч-но! експлуатаци. Причини утворення деформа-цiй у конструкщях можуть полягати в наявнос-т поверхонь ослаблення, що викликаеться ф> льтрацiйною нестiйкiстю матерiалу конструк-цш [1]. Виникаючi деформаци звичайно пов'язаш з обводненими дiлянками, тому усу-нення обводненостi створюе передумови для шдвищення стiйкостi штучних транспортних споруд. Однак протифшьтрацшне змiцнення rрунтiв, у яких розташовуються елементи транспортних споруд, не знайшло поширення через високу вартють робiт, складнiсть визначення зон ослаблення й недосконалу технолопю. Не-досконалiсть технологи полягае також у немо-жливостi використання для таких робгг звичай-них цементних розчишв, оскiльки останнi не мають високого ступеня протифiльтрацiйного захисту. Тому улаштування водонепроникних екранiв розглядаеться як одна зi складових час-тин комплексу робгг зi збiльшення термiну служби транспортних i гiдротехнiчних споруд, заглиблених у водонасичеш грунти.
У цьому зв'язку очевидно, що слщ розгля-дати споруди, якi тдлягають вiдновленню, як едину систему, що мютить взаемозалежнi конс-труктивнi елементи. При цьому виявлення при-чинно-наслщкових зв'язкiв мiж впливами екс-плуатацшного середовища й видами руйнувань, а також виршення наведених вище завдань ро-зглядаються на трьох рiвнях: перший - окремий елемент; другий - окрема конструкщя, тобто сукупшсть окремих елементiв, здатних до единого сприйняття функцiонального навантажен-ня, наприклад, опора мосту, оброблення туне-лю; третiй - функцiональний об'ект, сукупшсть конструктивних елементiв, об'еднаних в едину структуру, що визначае форму й функщональне призначення вие1 споруди [2].
Просторовi вiдносини елементiв видшених рiвнiв системи визначають структуру об'екта. Довговiчнiсть споруди спецiального призначення багато в чому визначаеться цшснютю 11 структури, що зберiгаеться й функщонуе до певного рiвня впливу рiзних факторiв зовнiш-нього середовища, що не перевищуе деякого критичного значення. При перевищеннi такого рiвня вщбуваеться адаптацiя структури споруди до умов зовшшнього середовища, що змшили-ся. При цьому первюна цiлiсна структура за рахунок перерозподшу виникаючих напружень в елементах споруди переходить за правилом слабко! ланки у нову дискретну структуру. Для споруд, основними структурними елементами яких е бетонш й залiзобетоннi конструкций процес тако1 трансформаци пов'язаний з пору-шенням суцiльностi (монолiтностi) бетону. У вшх випадках трансформацiя структури споруди е першопричиною або наслiдком змш, що вiдбуваються на рiзних И рiвнях [3].
У результатi аналiзу причинно-наслiдкових зв'язкiв змiн структури споруд встановлена можливють видiлення трьох основних груп фа-кторiв, що чинять негативний вплив на стш-юсть структури споруди й знижують И довгов> чнiсть. Сюди вiдносяться деструкщя основних конструкцiйних матерiалiв, екстремальнi нава-нтаження й впливи на конструкци споруди, а також експлуатацiйнi порушення. У реальних умовах цi фактори перебувають у складнш вза-емоди, що характеризуеться випадковiстю й невизначешстю. При цьому взаемодiя одних факторiв може привести до рiзкого загострення впливу iнших факторiв.
При ди факторiв першо1 групи процес трансформаци структури споруди й втрати и праце-здатностi походить вiд першого рiвня структури до третього. При цьому первюш змши структури споруди пов'язанi зi змiною фiзичних властивостей бетону й обумовлеш корозiйними процесами, що вщбуваються в матерiалi при рiзних видах фiзичних, хiмiчних i бiологiчних впливiв [4].
Змiни, що вiдбуваються на першому рiвнi й пов'язанi з деструкщею конструкцiйного мате-рiалу, приводять до виникнення неприпусти-мих напружень у конструкщях споруди (другий рiвень), а по^м до порушення цшсносп структури вие1 споруди (третш рiвень) за рахунок появи трщин i руйнування окремих елементiв або втрати системоутворюючих зв'язкiв мiж окремими елементами й конструкщями з ви-ключенням !х iз загально1 структури споруди. Такий процес пошкодження бетону й залiзобе-
тону носить, як правило, тривалий характер i може бути зупинений проведенням заходiв що-до консервацп матерiалу вiд руйнуючих факто-рiв.
1нший вид трансформаци цшсно! структури споруди в дискретну визначаеться другою гру-пою факторiв - екстремальними впливами й навантаженнями на конструкци споруди. Цей процес характеризуеться раптовою змiною умов середовища й може бути викликаний ф> зичними явищами - осщанням грунту, виходом грунтових вод на поверхню, механiчними ударами. У цьому випадку пошкодження й дефор-маци з'являються на другому рiвнi структури споруди - у конструкщях i елементах жорстко-стi - i одночасно призводять до втрати суцшь-ност бетону (перший рiвень) i цшсносп структури вше! споруди (третш рiвень). Такi змiни структури споруди сприяють доступу агресив-ного середовища усередину структури матерiа-лу, що визначае подальшi змiни в структурi споруди за першим видом трансформаци.
Третя група факторiв, що негативно впли-вають на довговiчнiсть конструкцшного мате-рiалу й провокують пошкодження структури споруди вiдразу за двома видами трансформаций пов'язана з порушеннями режимiв експлуа-таци. При цьому вщбуваеться руйнування ос-новних несучих елементiв споруди й знижуеть-ся стiйкiсть !х до рiзного роду силових впливiв
[5].
У результат систематизаци й статистичного аналiзу визначенi п'ять основних видiв пору-шення суцiльностi бетону штучних транспортних споруд: одиночш трiщини; розвинеш тр> щини, що перетинаються; численш розвиненi сiтчастi трiщини; зминання, руйнування й ви-крашування бетону; оголення арматури з руй-нуванням бетону.
Як випкае з проведеного аналiзу, довговiч-нiсть транспортних споруд залежить вiд ряду факторiв, характер яких обумовлений звичай-ним або передчасним зношуванням, а також зниженням несучо! здатност елементiв спору-ди, пов' язаним з порушеннями умов експлуата-ци й проявами екстремальних силових впливiв. У результатi ди й взаемного впливу цих факто-рiв вщбуваеться адаптащя споруди до нових умов за рахунок трансформаци цшсно! твердо! структури у дискретну, менш жорстку. Така трансформащя може вiдбуватися за рахунок руйнування загальних системоутворюючих зв'язюв i елементiв або ж внаслщок порушення суцiльностi основних конструкцшних матерiа-лiв.
Деформацi!' елеменпв споруд, що призводять до порушення !хньо! стiйкостi, виклика-ються наступними причинами [6]: гщростатич-ним тиском води, що створюеться внаслщок низького коефщента фшьтраци грунтiв; пщ-вищеною кiлькiстю атмосферних опадiв i вито-ками побутових i техшчних стокiв, що викли-кають пщйом рiвня пiдземних вод; незадовiль-ним станом дренажно! системи; незначним зче-пленням по контактах мiж шарами грунту, що взаемозалежно з виносом шщаних i пилуватих часток (суфозiею); тривалим застоем води, зда-тно! шфшьтруватись; збiльшенням динамiчних навантажень при проходженш транспортних засобiв i роботi механiзмiв; наявнiстю ослабле-них дiлянок у масивi споруди.
Найчастiше експлуатацiя транспортних споруд здшснюеться в умовах корозшного впливу навколишнього середовища, тому проведено дослiдження корозiйно! стшкосп шару нового бетону на активованш в'яжучiй речовинi. Ви-значався вплив рiзних агресивних середовищ на бетон. Зразки-балочки розмiрами 4х4х16 см витримувались у днiпровськiй водi, а також у розчиш з концентрацiею сульфа^в 10 г/л. Зраз-ки формувались в один шар.
Встановлено, що цементна матриця нанесе-ного ремонтного шару бетону на активованш в'яжучш речовиш як повнiстю зануреного у воду, так i при змшному рiвнi води, представлений наступними гщратними новоутворення-ми: С8И(Б) з дифракцшними максимумами 3,02; 2,80; 1,81-10-10 м; тоберморитоподiбними з дифракцшними максимумами 3,52; 3,33; 3,02; 2,83; 2,50; 2,412; 2,27; 2,25; 2,14; 2,07; 2,00; 1,84; 1,67; 1,62-10-10 м; ксонотлггом з дифракцшними максимумами 7,02; 4,30; 3,62; 3,25; 2,83; 2,70; 2,50; 2,36; 2,25; 2,04; 1,95; 1,84;1,70-10_1° м; С28И(С) з дифракцшними максимумами 5,42; 3,80; 3,02; 2,79; 2,70; 2,56; 2,50; 1,91; 1,81-10-10 м; C2SH(В) з дифракцшними максимумами 4,87; 4,09; 3,55; 3,02; 2,83; 2,79; 2,40; 2,27; 2,07; 1,97; 1,87; 1,81; 1,77-10-10 м; гщро-гранатами з дифракцшними максимумами 5,20; 4,50; 3,36; 2,29; 2,04; 1,73; 1,71; 1,67; 1,59-10-10 м.
Дифрактограми зразюв бетону на активованш в'яжучш речовиш в рiзному вщ^ повшстю занурених у дншровську воду, у вщ 28 дiб i бшьше демонструють iстотне зменшення диф-ракцiйних максимумiв вихiдних клiнкерних мшератв. Вiдзначено iнтенсифiкацiю лiнiй ни-зькоосновних гiдросилiкатiв кальцiю.
На термограмах зразюв бетону на активова-нiй в'яжучш речовиш ендоефект при темпера-
турах 137 i 538 оС свщчить про наявнiсть C2SH2. Ендоефект при TeMnepaTypi 250 оС вщ-повщае дисощаци тобepмоpитоподiбних ново-утворень, а при тeмпepaтypi 481оС - розкладан-ню гiдpогpaнaтiв. При тeмпepaтypi 538 оС спо-стepiгaeться дeгiдpaтaцiя C2SH(B), а при темпе-paтypi 543оС - C2SH(C) i C2SH2. Ендоефект i3 максимумом 820 оС вщповщае дисощаци ксо-нотлiтy. Екзоефекти CSH(B) нeзнaчнi й пере-криваються ендоефектами iнших гiдpосилiкaтiв кaльцiю.
В активованш цeмeнтнiй мaтpицi бeтонy i3 часом зростае кiлькiсть низькоосновних пдро-силшатних фаз, спостepiгaeться перекристал> зaцiя пдрогранапв y низькоосновнi гщросил> кати кальщю. У новоyтвоpeннях цементно! матриц бeтонy на aктивовaнiй в'яжyчiй речовиш вмiст вiльного гiдpоксидy кaльцiю не переви-щуе 3...4 %, що е нeобхiдною умовою для оде-ржання коpозiйностiйкого мaтepiaлy.
Проведено дослщження стiйкостi бетонних зpaзкiв при витримуванш в сульфатному сере-довищi з концентращею SO42- 10 г/л. Визнача-лися змiнa мiцностi при стиску зразюв piзно! тpивaлостi витримування в агресивному сере-довищi, а також вмют у них сyльфaтiв. При цьому визначався фазовий склад продукпв пд-ратацп.
При витpимyвaннi зразюв звичайного бетону в сульфатному сepeдовищi спостepiгaеться зниження мiцностi при стиску на 12...23 % за-лежно вiд тpивaлостi витримування й марки використовуваного портландцементу. Почина-ючи з 38 дiб для зpaзкiв на поpтлaндцeмeнтi М 400, а з 52 дiб - на портландцемент М 500 на поверхш спостepiгaлося тpiщиноyтвоpeння, змшювався колip зpaзкiв у зонi сильно! сульфа-тизаци. При пpовeдeннi хiмiчного aнaлiзy в зра-зках звичайного бетону вщзначений високий вмiст сульфаив, що вказуе на iнтeнсивнe прот> кання сульфатно! коpозi!. Вмiст сульфа^в у бeтонi на aктивовaнiй в'яжучш peчовинi в 1,4...2,3 рази нижчий. Це обумовлюе пiдвищeнy стiйкiсть бетону на активованш в'яжучш речовиш в умовах сульфатное' агреси.
Випробування зpaзкiв бетону, що збершали-ся в концентрованому розчиш сульфату натрда, показали нaстyпнi результати. У початковий перюд (90...180 дiб) у зразках звичайного бето-
ну спостер^алося штенсивне пiдвищeння модуля пpyжностi. Пюля 180 дiб зaзнaчeнi характеристики стали змшюватися, тобто почався перюд деструктивних явищ у бeтонi за рахунок кpистaлiзaцi! гiдpосyльфоaлюмiнaтy кaльцiю. Деструктивш явища в цей пepiод в бетош на aктивовaнiй в'яжyчiй речовиш не спостершали-ся.
Висновки
1. Встановлено, що при вщновленш конс-тpyкцiй бетоном на aктивовaнiй в'яжучш речовиш у зош контакту ремонтного шару бетону спостершаеться зменшення кiлькостi пдрокси-ду кaльцiю, що обумовлено зв'язуванням його iонaми SiO^, якi перебувають у piдкiй фaзi активовано! цементно! системи, що шдтверди-лося при пpовeдeннi мiкpоскопiчного aнaлiзy, при якому встановлена нaявнiсть гелевидно! гiдpосилiкaтно! маси.
2. Коeфiцiент сульфатостшкосп розробле-ного бетону Кс = 0,91...0,93. Стaбiлiзaцiя мщно-стi бетону на активованш в'яжучш речовиш в чаш свщчить про перевагу конструктивних процешв над деструктивними.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Батраков, В. Г. Комплексные модификаторы свойств бетона [Текст] / В. Г. Батраков // Бетон и железобетон. - 1997. - № 7. - С. 5-7.
2. Ахвердов, И. Н. Основы физики бетона [Текст] / И. Н. Ахвердов. - М.: Стройиздат, 1981. - 464 с.
3. Воробьев, В. А. Применение физико-математических методов исследования свойств бетона [Текст] / В. А. Воробьев, В. К. Кивран, В. П. Корякин. - М.: Высш. шк., 1987. - 212 с.
4. Масатэру, Т. Сверхпрочный бетон [Текст] / Т. Масатэру // Сементо Конкурито. - 1976. -№ 355. - С. 53-59 / Перевод ЦНИИС № 28737. -М., 1979.
5. Bernsted, J. Further Aspect of Setting of Portland Cement [Текст] / J. Bernsted // Silicat ind. -1983. - V. 48, №. 9. - P. 167-170.
6. Миронов, С. А. Теория и методы зимнего бетонирования [Текст] / С. А. Миронов. - М.: Стройиздат, 1975. - 700 с.
Надшшла до редколеги 25.03.2009.
