CC BY
17
УДК 666.97:69.059.25
О. М. ПШШЬКО, О. В. ГРОМОВА (ДПТ)
БЕТОНИ З П1ДВИЩЕНИМИ АДГЕЗ1ЙНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ ДЛЯ РЕМОНТУ ШТУЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ СПОРУД
У статп викладенi основи розробки та практичш дослвдження властивостей бетошв на активованш в'яжучiй речовинi для ремонту i захисту бетонiв транспортних споруд у пвдводнш зонi з метою подовження термiну !х служби. Встановлено вплив параметрiв високоштенсивно! гiдравлiчноl активацп цементно! сис-теми на технiчнi показники бетонно! сумiшi, фiзичнi та мехашчт властивостi бетону i контактно! зони.
В статье представлены основы разработки и практические исследования свойств бетонов на активированном вяжущем веществе для ремонта и защиты бетонов транспортных сооружений в подводной зоне с целью продления срока их службы. Установлено влияние параметров высокоинтенсивной гидравлической активации цементной системы на технические показатели бетонной смеси, физические и механические свойства бетона и контактной зоны.
The article presents the fundamentals of development and practical studies of the properties of concretes, based on an activated astringent, for the repair and protection of the concretes of transport structures in the underwater zone, with a view of prolonging their service term. Established is the influence of cement system highly-intensive hydraulic activation parameters on technical performances of the concrete mixture, the physical and mechanical properties of concrete and the contact area.
Довговiчнiсть бетону транспортних споруд та вщновлених елеменпв залежить вщ ряду фа-кторiв, характер яких обумовлений, з одного боку, техшчною яюстю проектних ршень та оргашзащею проведення будiвельних та ремон-тних робщ з шшого боку, умовами експлуата-ци, за яких виникае передчасне руйнування ма-сиву бетону споруди та вщновлених елеменпв, а також зниження !х несучо! здатностi. Ц руй-нацii пов'язанi з агресивним впливом навколи-шнього середовища та надмiрних динамiчних навантажень. Тому найбшьшим руйнiвним впливам пiддаються елементи споруд, яю екс-плуатуються у складних гiдрогеологiчних умо-вах, пiд водою. Пошкодження у цiй зонi пов'язаш з порушенням цiльностi бетону i вщ-новлених елементiв при агресивному впливi води складного хiмiчного складу, яка дiе у ви-значеному динамiчному режимi, i е найбшьш небезпечними i важко усуваються.
У зв'язку з цим значна частина транспортних споруд, що експлуатуються, потребуе каттально-го ремонту i захисту з метою продовження термiну iх служби. Тому усунення руйнацiй, яю прогресу-ють на стадii' виявлення, потребуе прийняття ради-кальних заходiв з вибору сумiсних до старого бетону мат^атв для ремонту i засобiв вщновлення монолiтностi споруд.
Комплексна оцшка технiчного стану транспортних споруд дозволила видшити характерш види i причини порушення цшсносп транспортних споруд i iх елеменпв та призначити ефективнi
мат^али i засоби для видалення дефекпв. При цьому основним критерiем якосп ремонтних робiт е мiцне i довговiчне зчеплення ремонтного матерь алу з бетонною основою та iх сумiснiсть.
1з проблемою зчеплення нового бетону зi старим будiвельники з^кнулися в першi ж роки зведення бетонних i залiзобетонних споруд. Серйозного наукового дослщження це питання набуло з 20-х роюв нашого сторiччя у працях вiтчизняних та закордонних вчених
A. П. Васильева, Ц. Г. Пнзбурга, С. О. Дмитрiева, Л. А. 1гонша, С. В. Лавршовича, А. Лосье,
B. М. Мшульського, I. А. Савримовича, М. Б. Урьева [1], М. С. Хуторянського, Р. Фере, Р. Г. Девюа, Н. Лев^ К. Хагера, Е. Неншга та ш. Значний вклад у розвиток напрямку технологи ремонтних робгт з питань тдвищення якосп ремонту (зчеплення i сумюност ремонтного матерiалу зi старою поверхнею) внесли науковi дослiднi пращ сучасних фахiвцiв В.О. Возне-сенського, С. Г. Годеса, В. I. Дмитревського, П. В. Кривенка, С. М. Курочюна, О. М. Пшшько [2], Н. М. Руденко [2], Р. В. Руново^ В. Л. Чернявського, Д. Р. Моргана, Е. Н., Емберсона, Г. К. Мейса, В. Вшкшсона, М. Пегiона, М. Марозеки та ш.
Аналiз фiзико-хiмiчноi природи i умов фор-мування яюсного контактного шару обумовили спещальш вимоги до ремонтного матерiалу i технологii проведення ремонтних робiт, яю за-безпечують цiлiснiсть бетону споруди i сумiсну роботу матерiалiв при складних умовах експлу-
атацп. Доведено, що цементнi бетони тради-цшно! технологи приготування для ремонту бетону у шдводнш зонi малоефективш i недов-говiчнi через комплекс експлуатацшних впли-вiв. Для виршення поставлено! задачi треба використовувати комплексний шдхщ, з ураху-ванням властивостей бетону основи - старого бетону, для оптимiзацн фiзико-механiчних i адгезшних характеристик нового бетону для !х довговiчно! сумюно! роботи.
Аналiз лiтературних джерел i попереднi експерименти показали, що для виршення проблеми найбшьш ефективним для якiсного ремонту е використання попередньо! високош-тенсивно! riдравлiчно! активацп цементно! сис-теми бетошв, яка забезпечуе полiпшення тех-нолопчних властивостей бетонних сумiшей i шдвищеш фiзико-механiчнi та експлуатацiйнi показники. Фiзико-хiмiчна еднiсть матерiалiв та висока прониклива спроможнiсть активованого цементного тiста у пори, трщини i пустоти старого бетону забезпечуе яюсне та довговiчне зчеплення при вiдноснiй дешевизнi i недефщи-тностi вихiдних матерiалiв.
Авторами проведено вибiр вихiдних мат^а-лiв. Визначено основнi фiзико-механiчнi та техно-логiчнi характеристики ремонтного матерiалу на активованому в'яжучому i без активацп. Спецiа-льно розроблена методика визначення величини зчеплення нового бетону зi старим на вщрив.
Доведено, що яюсть зчеплення визначаеться сумiснiстю роботи основного шару з ремонт-ним. Цьому питанню було придiлено особливу увагу. Для прогнозування та оптимiзацil ще! важливо! характеристики було обрано метод сюнченноелементного аналiзу, який реалiзуеть-ся за допомогою сучасного програмного забез-печення «ANSYS 5.6-5.7».
На пiдставi виконаних дослiджень розроб-ленi геометрична i скiнченноелементна моделi тришарового елементу i доведена адекватнiсть оцiнки контактно! мщност на вiдрив техноло-пчним умовам. Структура контактного шару складаеться з трьох складових: 1 - старий бетон; 2 - ремонтний бетон; 3 - контактний (про-мiжний) шар (товщиною 20.. .70 мкм).
Шляхом замiни контактного шару пружни-ми вставками i поступового !х видалення вда-лося змоделювати процес трiщиноутворення та руйнування контактно! зони. При порiвняннi дослiдних даних з розрахунковими розглядали-ся поле осьово! напруги, поле максимально! головно! напруги, поле iнтенсивностi та поле продольних деформацiй. Достовiрнiсть отри-маних даних та !х вiдхилення вщ дослiдних
знаходяться в межах 8 %. Це свщчить про до-статню адекватнiсть отриманих моделей. У результат дослiджень одержана серiя комп'ютерних рисункiв, на основi аналiзу яких встановлено, що прикладення напруги мае ло-калiзований характер (принцип Сен-Венана). При збшьшенш напруги вiд мюця прикладення стрижня вона поступово передаеться до сусщ-нiх дiлянок контактно! зони. Деформаци у кон-тактнш зонi зростають пропорцiйно приросту напруги до визначено! меж1, коли не спостер> гаеться зростання деформацiй. У залежносп вiд складу ремонтного бетону максимальна напру-га в контактнш зонi складае 4,5.6,5 МПа; щ значення напруги зафiксовано як руйшвш за реальних умов випробувань. У цьому випадку виникае гирло трiщини, яке спостертаетъся при видаленнi половини пружних зв'язкiв по контуру вщ мiсця прикладення напруги у площиш контакту (г = 1,75...2 см); за реальних умов випробувань у цей момент вiдбуваеться митте-ва руйнацiя контакту.
Контроль якосп зчеплення здiйснюеться вiд-носно мюця вщриву, з найслабк1шою ланкою у ланцюгу, тобто у випадку впливу на вiдновлену конструкцiю надмiрно! напруги та агресивного середовища руйнування вщбудеться у бетонi ос-нови чи у ремонтному шар^ а може i у зонi контакту цих двох шарiв, в залежносп в1д того, в як1й площиш знаходиться елемент з най-меншою здатнiстю витримувати прикладенi напруги. У лабораторних умовах розрiзняють чоти-ри типи характерних видiв руйнацш при випро-буваннi на вщрив: 1 - когезiйне по ремонтному матерiалу; 2 - когезiйне по старому бетону; 3 -чисто адгезшне; 4 - змшане. Першi два характе-ризують якiсть матерiалiв та технологiю ремонт-них робгт, типи 3-4 - адгезiйнi здiбностi ремонтного бетону. При отишзацп зчеплення з викори-станням у якосп ремонтних матерiалiв бетонiв на активованш в'яжучiй речовинi спостерiгаеться руйнування частково в межах трьох зон (складо-вих) - змiшане: такий тип руйнування вважаеться оптимальним для досягнення довговiчностi контакту та адгезiйно! мщносп, тобто мiцнiсть при вигинi та на вщрив контактного шару наближа-еться до мiцностi старого бетону.
Для яюсного ремонту використовувався комплексний шдхщ. Ремонтна система з трьох складових розглядалася як цшсна модель, яка е сукупшстю властивостей складових з ураху-ванням факторiв, здатних вплинути на якiсть ремонту на стадп проектування та проведення ремонтних робт Тому проведено всебiчний аналiз фiзико-хiмiчно! природи контактного
шару старого бетону споруд для розробки сум> сних за фiзико-механiчними показниками бетошв з тдвищеними адгезшними властивостями. Дослiджено фiзико-хiмiчнi основи корозшних процесiв у масивi старого бетону i контактному шарi пiдводно! i надводно! зон транспортних штучних споруд. Встановлено, що основним процесом руйнування бетону i порушення мо-нолгтносп контактного шару е вплив водного середовища пiд напором з виносом структурного компоненту бетону - вапна. Цьому ж проце-су сприяе участь продукпв метаболiзму бюло-гiчних шарiв у корозiйному процес старого бетону пiд водою. Це свщчить про необхщнють пiдвищення непроникност ремонтного шару i контактно! зони. Вважаеться, що частина вшь-ного вапна (10.15 %) у цемент тдлягае зв'язуванню кремнеземистим наповнювачем (10. 15 % у мас. ч.) у важкорозчинш компонента - низькоосновш пдроситкати кальцiю.
Дослджено хiмiчний склад продуктiв руйнацi! поверхневого шару старого бетону, який пiд водою характеризуемся пiдвищеним вмiстом карбо-натiв, бактерiй, органiчних i мшеральних кислот та продуктiв !х метаболiзму, в надводнш зонi прива-люючим е процес карбонiзацi! поверхнi. Крiм того, iнтенсивнiсть процесу руйнацi! та достатня прони-кнiсть цементного тюта у пори i порожнини старого бетону залежить вщ його пористосп. Досль дження показали, що поровий проспр лаборатор-них зразюв становить 20 мкм, водопоглинання -7,5 %. Тому запропоновано проводити оптишза-цiю дисперсностi цементного в'яжучого за крите-рiем заповнюваносп пор, який е одним з умов мь цного та довговiчного зчеплення
або
D„ > 2d,,
d
< 0,5,
D„
(1)
де Dn - середнiй дiаметр пор на noBepxHi старого бетону, мкм; d4 - розмiр цементних час-
ток ремонтного бетону, мкм.
KpiM структурних характеристик старого бетону, на зчеплення нового бетону 3i старою кладкою впливае вш та якiсть поверхнi старого бетону. Вплив вшу старого бетону на форму-вання контактно! мщносп значний до одер-жання бетоном 70.100 % проектно! мiцностi, надалi вплив цього фактора незначний.
Необхщною умовою надiйного зчеплення е повнота контакту нового бетону з поверхнею старого бетону. Тому на мщнють зчеплення впливають фактори поверхнi старого бетону: пори, порожнини, виступи, впадини, нерiвнос-ri, якi залежать вiд iнтенсивностi взаемодн старого бетону з навколишшм середовищем та рiзних видiв тдготовки поверхнi до ремонту. Чим бшьше шорсткiсть поверхнi, тим бiльше ïï активних центрiв вступае у контакт з цемент-ним тiстом ремонтного бетону i зростае адгезiя. Контроль стану поверхш здiйснюеться шляхом визначення середньоï висоти А елементiв нер> вностей бетонноï поверхнi. Оцiнка якосп пове-рхнi вiдбуваеться за еталонами шорсткостi.
Проведено аналiз рiзних засобiв пiдвищення адгезiйноï здiбностi цементного тюта нового бетону. Встановлеш пiдвищення технолопчних властивостей бетонно!' сумiшi та штенсифшащя процесiв гiдратацiï та структуроутворення при гiдравлiчному способi активацп в'яжучоï речовини. Розроблено i дослщжено фiзико-мехашчш й експлуатацiйнi властивостi бетонiв на активованш в'яжучiй речовинi i контактного шару. Встановлено ютотне пiдвищення зчеплення i когезiйноï мiцностi при гiдравлiчноï активацп цементноï системи (рис. 1, 2). Вказа-ний ефект доповнюеться введенням у процесi активацп в сумiш органо-мiнерального комплексу (ОМК), вардаванням вмiсту активованого компоненту у бетоннш сумiшi i параметрiв активацп. Сутнiсть високоiнтенсивноï гiдравлiч-ноï активацп полягае у диспергацп цементних часток вiд 20.50 до 4.10 мкм, розщепленш довголанцюгових комплекшв пластифiкатора i змiнi морфологи складу цементноï системи за 5.7 хв при зггкненш взаемозатоплюваних пд-равлiчних потокiв у спецiальному реакторь активаторi з iнтенсивнiстю акиваци 40.50 м/с, яка в 6.7 раз бшьша первинноï.
1 3 7 14 28 90 180 360 Час тверднення, öiö
♦ без активацп' --■ — v=10 м/с
-л-v=20 м/с -■-v=30 м/с
-Ж-v=40 м/с • v=50 м/с
Рис. 1. Кшетика росту когезшно1 мщносп цементного каменю р1зного ступеня активацп
(С
С
о;
1 3 7
28 90 180 365 Час, д/'б
1нтенсив-шсть акти- Гранулометричний склад цементного в'яжучого, dц мкм, %
вацп, м/с < 5 5.10 10.20 20.40 >4
Без активаци 5 10 20.25 30..35 25
20 10 15.20 20.30 20 15.20
30 15.20 25 25 20 10.15
40 20 40 30 5.10 5
50 20.25 25.35 30.35 15 10
необхщно! когезшно! i адгезшно! мiцностi, яке дорiвнюe 0,45.. .0,5 (рис. 4).
0
1
-о
0.15
с5 0.1
0.05
Рис. 2. Кшетика росту мщносп зчеплення у час в залежносп вщ В/Ц цементного пста та дисперсносп цементу (м2/г): 1 - 8=700, В/Ц=0,3; 2 - Б=500, В/Ц=0,3; 3 - Б=300, В/Ц=0,3; 4 - Б=700, В/Ц=0,4; 5 - Б=500, В/Ц=0,4; 6 - Б=300, В/Ц=0,4; 7 - Б=700, В/Ц=0,5; 8 - Б=500, В/Ц=0,5; 9 - Б=300, В/Ц=0,5
Встановлено, що проникшсть цементного тюта в пори старого бетону зростае при дисперсносп твердо! фази Sуд = 500 см2/г,
яка характеризуеться переважно розм1ром часток 4.9 мкм при штенсивносп активаци 40.50 м/с (табл. 1) i термiну активацп 6.7 хв. При збшьшенш часу активаци кiлькiсть дисперсно! фази зростае з одночасним збшьшенням нормально! густини i активностi цементу, потiм частки цементу агрегатуються у бiльш крупш, що призводить до пiдвищення в'язкосп цемен-тно! системи i зменшення зчеплення.
Таблиця 1
Змша гранулометричного складу цементу в залежносп ввд параметрiв активаци
» 1
2
10
15
20
ОК см
Рис. 3. Залежшсть вщносно! мщносп зчеплення вщ консистенци ремонтного бетону 1 пгроскошчносп поверхш старого бетону:
1 - у водц 2 - волога поверхня
св С
<0 ОС
ь
V
[ г-" 2
43
0,3
0,4
0,5
0,6
В/Ц
Недостатня кшьюсть цементного тiста в зон контакту зменшуе величину зчеплення через ни-зьку клейку дiю цементного пста бетону жорст-ко! консистенци. Тому при переходi вiд лито! бе-тонно! сумiшi (ОК = 20... 21 см) до пластично! ОК = 10.14 см ^з вщповщним ростом когезшно! мщносп ремонтного бетону) мщшсть зчеплення зменшуеться (рис. 3). Таким чином, юнуе опти-мальне водоцементне вщношення для досягнення
Рис. 4. Залежшсть когезшно! та адгезшно! мщносп ремонтного бетону вщ В/Ц:
1 - когезшна мщшсть бетону без активацп; 2 - ад-гезшна мщшсть бетону без активацп; 3 - когезшна мщшсть бетону тсля активацп; 4 - адгезшна мщшсть бетону шсля активацп
Позитивна дiя сумiсно! гiдромеханiчно! активаци цементно! системи з хiмiчною взаемод> ею ОМК для яюсного проведення ремонтних робiт пiд водою виражена також у зменшеннi в'язкосп з пiдвищенням iнтенсивностi активаци до 40.50 м/с, пiдвищенням пластичносп, текучостi 25.35 с i зв'язносп цементно! системи, яка характеризуеться водовщдшенням у межах АВ = 1,2 . 1,7 %. Коефщент зберiгання рухливост для ремонтних бетонiв на активова-ному в' яжучому знаходиться в межах К = 1,10 .1,5.
Виконано дослщження пористост ремонтного бетону i контактно! зони оптимальних ре-жимiв активацi!..
Встановлено, що структура активованого цементного каменю вiдзначаеться низькою по-ристiстю (на 6.8 % менша в порiвняннi з бетоном традицшного виготовлення) i непроник-нiстю завдяки зменшенню середнього радiуса пор при збiльшеннi об'ему продукпв гiдратацi!.
с
9
0
8
6
4
2
0
Незалежно вщ тепловологiсних умов екс-плуатаци та стану поверхнi мiцнiсть зчеплення бетону на активованому в'яжучому у порiвнян-нi зi звичайним бетоном перевищуе у вщ три доби - у 3,1.3,4 рази, а у вщ 28 дiб -у три рази (табл. 2).
Таблиця 2
Мщшсть зчеплення нового бетону з поверхнею, що ремонтуеться
Мщшсть на вщрив, МПа
бетону на акти-
Умови тверд-нення В1к зразюв, д1б бетону з поверхнею вованому в'яжучому з поверхнею
приро- очище- природ- очи-
дною ною ною щеною
3 0,42 0,64 1,20 1,45
20±2 °С 7 0,64 0,75 1,89 2,31
28 1,81 2,12 3,44 5,14
3 0,66 0,75 1,89 2,76
+25 °С 7 0,84 0,97 2,65 3,45
28 1,84 2,13 3,89 4,75
3 0,52 0,73 1,30 1,70
+5 °С 7 0,64 0,93 2,04 2,87
28 1,93 2,50 3,23 4,19
3 0,96 0,98 1,94 2,30
У вод1 7 1,45 1,58 2,84 4,23
28 2,31 2,63 4,79 5,84
Встановлено, що введення ОМК у склад це-ментно! системи дозволяе знизити величину деформацш до рiвня значень основного бетону пiдводно! зони, тому цементний камшь контактно! зони i ремонтного шару буде однаково з основним бетоном реагувати на змши умов експлуатаци.
Виконаш дослiдження фiзико-механiчних властивостей старого i ремонтного бетону до-
зволили одержати критерш сумiсно! роботи матерiалiв i прогнозувати властивостi контактно! зони при рiзних умовах експлуатацi!. Встановлено, що для довговiчно! сумюно! роботи ремонтного i основного бетошв когезiйна мщ-нiсть ремонтного бетону повинна дорiвнювати чи бути бшьше мiцностi основного бетону, модуль пружносп контактно! зони та ремонтного бетону повинен бути трохи меншим чи дорiв-нювати модулю пружносп основного бетону
Еб > Ек > Енб .
Пiдвищення стшкосп ремонтного шару на активованiй в'яжучш речовинi у рiзних середо-вищах забезпечуеться за рахунок зниження вмюту вiльного вапна у цементному камеш та зв'язування його у низькоосновш гiдросилiкати кальцiю. Коефiцiент сульфатостiйкостi для бетошв на активованому в'яжучому знаходиться у межах 0,86.0,91.
Випробуваннями на водонепроникшсть ремонтного бетону встановлено, що бетон на ак-тивованш в'яжучш речовиш вiдповiдае марщ за водонепроникнiстю Ж 8.12.
За результатами проведених дослiджень можна вщзначити, що ремонтному шару на ак-тивованiй в'яжучiй речовинi у специфiчних умовах експлуатацi! гарантована висока довго-вiчнiсть. Встановлено, що розробленi бетони можна квалiфiкувати як матерiал з шдвищени-ми експлуатацiйними та адгезшними властиво-стями для ремонту i захисту транспортних спо-руд у шдводнш зонi.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Урьев Н. Б., Михайлов Н. В. Коллоидный цементный клей и его применение в строительстве. -М.: Стройиздат, 1967. - 175 с.
2. Пшинько А. Н., Руденко Н. Н. Особенности ремонта искусственных транспортных сооружений // Зал1зничний транспорт Украни. - 2001. № 2. - С. 14-16.
Надшшла до редколегп 22.11.03.
