CC BY
94
АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 666.972
МОРОЗО- И СОЛЕСТОЙКОСТЬ БЕТОНА, ПОДВЕРЖЕННОГО МЕХАНИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ
Докт. техн. наук, проф. БАТЯНОВСКИЙ Э. И., инж. БОНДАРОВИЧА. И.
Белорусский национальный технический университет
В процессе эксплуатации на территории Беларуси бетон дорожных и аэродромных покрытий, тротуаров и других зон благоустройства городов и поселений за зимний период года подвергается переходам через нулевую отметку около 100 и более раз, т. е. воспринимает порядка 50 циклов попеременного замораживания-оттаивания. Применение в качестве проти-воморозных реагентов солей хлора формирует эксплуатационную среду, характеризующуюся комплексным агрессивным воздействием на бетон. Последнее «накладывается» на сложный механизм разрушительного действия знакопеременных температур и усиливает его деструктивный эффект.
Развитие теории морозостойкости бетона характеризуется множеством гипотез о причинах и механизме разрушения бетона при совместном действии на него воды и мороза [1-12], начиная с классического физического воздействия давления воды, замерзающей в его порах. Роль расширения воды при замерзании учитывается и в современных гипотезах, но само по себе это физическое явление не может полностью объяснить процесс разрушения бетона. В этой связи большое значение для развития теории морозостойкости бетона имеют выполненные в 30-60-е гг. ХХ в. работы, по существу сформировавшие современные представления о причинах и механизме морозной деструкции бетона и технологических мероприятиях для повышения его долговечности.
Обобщая разнообразные гипотезы [1-5, 8-12] и включая основы теории миграции влаги в пористых телах [6, 7], констатируем, что механизм нарушения структуры бетона, подвергаемого попеременному замораживанию и от-
таиванию в насыщенном водой состоянии, чрезвычайно сложен. Он представляет собой сочетание деструктивных факторов, включая: давление льда при кристаллизации свободной воды; гидродинамику ее перемещения (миграции) под влиянием градиента теплоты и влаго-содержания (термовлагопроводности); гидростатическое давление защемленной в тупиковых порах и дефектах структуры жидкости; напряжения, возникающие от разницы температурных деформаций составляющих бетона и цементного камня (на макро- и микроуровне в контактных зонах); усталостные (постепенно увеличивающиеся) дефекты структуры от многократно повторяющихся знакопеременных деформаций; понижение со временем концентрации растворенных в «поровой» жидкости продуктов гидролиза цемента [13] как за счет образования нерастворимых гидрокристаллов (отражение продолжающейся реакции цемента с водой), так и из-за «подсоса» жидкости развивающимися дефектами структуры в период оттаивания образцов, что увеличивает содержание свободной воды в объеме бетона, и др.
В случае использования хлористых солей-антиобледенителей или испытательных солевых растворов действие означенных факторов на бетон дополняется [14-20] следующим. Во-первых, кристаллизационным давлением накопившейся соли, образовавшейся после пересыщения ее раствора в малых по объемам дефектах структуры цементного камня, в зоне контакта составляющих бетона и микротрещинах зерен заполнителя. При этом механизм образования и увеличения дефектов структуры может проявиться за счет как роста кристаллов соли,
так и «обжатия» их, например прослойкой (оболочкой) цементного камня при «отрицательных» деформациях в период охлаждения бетона. Возникающие при этом растягивающие усилия в цементном камне вызывают появление в нем трещин. Во-вторых, усилением процесса миграции воды и ростом влагоемкости бетона, в объеме пор которого накапливается соль. Соответственно возрастает, в сравнении с водой, эффект расклинивающего действия в устье трещин (дефектов) тонких пленок жидкости-раствора. В-третьих, возникает напряженное состояние на уровне микроструктуры цементного камня из-за локальных микроэффектов градиента температур (эндокринный эффект), сопровождающих процесс «очагового» растворения - кристаллизации соли. Кроме отмеченного, понижение эвтектической точки раствора соли способствует глубокому проникновению жидкой фазы в дефекты структуры все меньшего сечения, углубляет развитие процесса массопереноса соли и усиливает эффект деструкции бетона в целом.
Следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации покрытий и элементов благоустройства отрицательное (разрушающее) воздействие солей-антиобледенителей не прекращается и при положительной температуре окружающей среды. Попеременное увлажнение-высушивание, изменение температуры (даже в пределах суток) вызывают соответствующие многократно повторяющиеся деформации бетона, побуждают проявление процессов растворения - кристаллизации попавшей в его поры соли с образованием кристаллогидратов, увеличивающихся в объеме, а также эндокринного эффекта, т. е. сопровождается постоянным деструктивным воздействием на бетон.
Стандартные (базовый и ускоренный) методы определения морозостойкости (ГОСТ 10060. 0...3-95) бетона в целом отражают взаимосвязь его долговечности с параметром морозостойкости. Но это только общая взаимозависимость означенных характеристик бетона, ее тенденция. В процессе эксплуатации бетона дорожных покрытий, элементов мощения и благоустройства они подвергаются интенсивному механическому воздействию: истирающим, сжимающим, изгибающим, ударным нагрузкам различной интенсивности и значений, которые
многократно повторяются во времени. Этот аспект деструктивного воздействия на бетон стандартные методы не учитывают как по причине непредсказуемости вероятных условий эксплуатации строительных изделий и конструкций, изготовленных из проверяемого бетона, так и из-за неопределенности критериев оценки их воздействия на последний. Несмотря на то, что еще в 30-е гг. ХХ в. Ю. А. Нилендер выявил непосредственное влияние напряженного состояния бетона от внешних (и «внутренних») воздействий на его морозостойкость и долговечность и в 50-60-е гг. ХХ в. под руководством В. М. Москвина [21] это направление исследований получило развитие, накопленной информации недостаточно для того, чтобы попытаться количественно оценить влияние механических нагрузок на морозо-, солестойкость бетона, особенно с учетом того факта, что они оказывают существенное влияние на проницаемость и прочность бетона [22]. Такая оценка необходима как для разработки методики контроля и прогнозирования эксплуатационной надежности и ожидаемой долговечности разнообразных бетонных покрытий транспортных коммуникаций и зон благоустройства, так и для определения уровня требований к физико-техническим характеристикам бетона при проектировании таких объектов различного назначения. С этой целью были выполнены экспериментальные исследования, результаты которых частично представлены в настоящей статье.
Материалы для бетона. Вяжущее - портландцемент марки ПЦ 500-Д0 ПРУП «Кричев-цементошифер» (активность Лц ~ 44 МПа, прочность на растяжение при изгибе ~6,2 МПа); коэффициент нормальной густоты Кнг ~ 0,26; плотность рц ~ 3100 кг/м3; удельная поверхность 5уд.ц ~ 2980 см2/г).
Мелкий заполнитель - природный песок за-славльского месторождения, мытый (средняя плотность в рыхлонасыпном состоянии р^ ~ ~ 1580 кг/м3; в виброуплотненном рЦ ~ 1800 кг/м3; плотность зерен р^ ~ 2650 кг/м3; крупнозернистый Мк ~ 2,7; удельная поверхность ^уд.п ~ 6410 м2/т; удельное водопоглощение поверхности Вуд ~ 25,8 л/кг; пустотность в
виброуплотненном состоянии ПЦ ~ 32 %).
Крупный заполнитель - щебень гранитный микашевичского месторождения (марка по дробимости «1400»; средняя плотность в рых-лонасыпном состоянии р0 ~ 1310 кг/м3; в виб-
роуплотненном - рщ
1480 кг/м3; плотность
<
зерен рщ ~ 2700 кг/м3; зерновой состав: фр. < 5 - 5 %; фр. 5-10 - 90 %; фр. 10-20 - 5 %; пу-стотность в виброуплотненном состоянии Пщ - 0,454).
Для затворения бетона использовали воду водопроводную, удовлетворяющую требованиям СТБ 1114-98.
Общая методика исследований. В настоящих исследованиях использовали цементно-песчаный бетон (цемента - 500 кг; песка - 1600 кг) и бетон со щебнем гранитным (цемента -450 кг; щебня - 600 кг; песка - 1150 кг) при во-доцементном отношении В/Ц - 0,33-0,36 и 0,36-0,40 соответственно при показателе жесткости Ж - 15-25 с. Образцы бетона уплотняли на виброплощадке со стандартными параметрами (А = 0,5 мм; /« 50 Гц) в течение времени и под пригрузом, обеспечивающим получение расчетного качества (степени) уплотнения све-жеотформованного бетона, которое оценивали по средней плотности, принятой не ниже 2250 кг/м3 для цементно-песчаного бетона и для бетона со щебнем > 2350 кг/м3 [23].
Данные по определенным в исследованиях характеристикам бетона получены как средние значения с соблюдением правил обработки результатов испытаний, установленных в соответствующих стандартах; прочность на сжатие приведена к образцам 150x150x150 мм. Во всех случаях образцы испытывали по достижении проектного возраста (28 сут.) после изготовления.
Учитывая существенное влияние на эксплуатационные свойства бетона условий его твердения и практикуемые варианты твердения изделий, серии образцов хранили: в условиях гидроизоляции (под полиэтиленовой пленкой); на воздухе (со средней температурой «18-23 °С и относительной влажностью 60-70 %) и пропаривали (по режиму: предварительная выдержка - 2 ч; подъем температуры в ямной камере до 50 °С - 2 ч; изотермическая выдержка -
6,5 ч; остывание - 6-10 ч) с последующим «дозреванием» в помещении лаборатории.
Цель экспериментов заключалась в выявлении закономерностей изменения свойств бетона под комплексным воздействием циклического замораживания-оттаивания (насыщения в растворе №С1 - высушивания) и механических нагрузок (статических и динамических). С учетом того, что продолжительное воздействие этих агрессивных по отношению к бетону факторов должно в какой-то момент привести к нарушениям его структуры, отслеживали изменение скорости прохождения ультразвукового импульса (далее - скорость ультразвука) во взаимосвязи с изменяющимися свойствами бетона: прочностью, изменениями массы, проницаемостью.
Исследования осуществили на трех партиях образцов. Для первой партии циклическое замораживание-оттаивание вели по третьему методу ГОСТ 10060-95 как для дорожного бетона с охлаждением образцов (70x70x70 мм) до -(50-55) °С и оттаиванием при 18 ± 2 °С в жидкости, но вместо 5%-го водного раствора №С1 в емкостях использовали водопроводную воду. На этом этапе исследований исключили влияние солевого воздействия на бетон.
Вторую партию образцов циклически насыщали в 5%-м растворе №С1 (температура -15-18 °С) в течение 16 ч с последующим высушиванием в сушильном шкафу при температуре -60 °С в течение 7-8 ч. Условия эксперимента были ужесточены тем, что разогретые при высушивании образцы бетона помещали в раствор соли без предварительного охлаждения на воздухе.
Третью партию образцов бетона подвергали стандартным испытаниям замораживанием-оттаиванием по третьему методу ГОСТ 10060-95 при температуре -(50-55) °С в 5%-м растворе №С1.
Статическую механическую нагрузку на образцы бетона имитировали загружением их после оттаивания (через каждые пять циклов замораживания-оттаивания) под прессом с усилием примерно до 20; 30; 50 и 70 % от прочности бетона в проектном возрасте (28 сут.), а при испытаниях на солестойкость - с такой же периодичностью и усилиями, но после насыщения в растворе соли.
Динамическую (ударную, сосредоточенную) механическую нагрузку на оттаявшие (насыщенные в растворе соли) образцы бетона имитировали десятью ударами копра - плотномера динамического (СТБ 1242-2000; масса груза ~2,5 кг; высота падения - 300 мм; точка касания - острие конуса с углом при вершине 60 град.) по одной из их поверхностей через каждые пять циклов замораживания-оттаивания (насыщения-высушивания).
Периодичность испытаний бетона по различным показателям - изменению массы, прочности, скорости ультразвука, истираемости - приведена в тексте, как и особенности методик отдельных экспериментов.
Для получения сравнительных характеристик в каждой партии образцов бетона имелись контрольные, которые подвергали циклическому замораживанию-оттаиванию (насыщению-высушиванию) без дополнительного воздействия механических нагрузок.
Основные результаты испытаний в «среде-воде». Изменение массы бетона. В табл. 1 приведены данные об изменениях массы образцов мелкозернистого бетона, твердевшего в условиях гидроизоляции (под пленкой). Очевидно, что положительный прирост массы (+) отражает увеличение водосодержания бетона в
Изменения массы основных образцов м
процессе циклического замораживания и оттаивания на начальном этапе испытаний, а (-) ее последующее снижение, т. е. начало и развитие деструктивных процессов с поверхности образцов. Увеличение потерь массы сопровождалось появлением признаков морозной деструкции в виде округления ребер (медленно развивающегося, так как бетон достаточно плотен). Поглощение порами бетона (как цементно-песчаного, так и со щебнем) «дополнительного» (к водонасыщению в течение 96 ч) количества воды связано с двумя причинами: проникновением жидкости в дефекты структуры, не заполненные ею в процессе водонасы-щения и образующиеся в процессе испытаний, а также со своеобразным «ускоряющим» воздействием переменного замораживания с оттаиванием бетона в водных условиях на развитие реакций гидратации цемента и связывания им воды. Этот эффект подробнее рассмотрен далее.
Из данных, частично представленных в табл. 1, следует, что статическая механическая нагрузка в пределах до 30-40 % от прочности бетона проектного возраста (для цементно-песчаного - до 15 МПа; с крупным заполнителем - до 20 МПа) не вызывает существенных изменений в кинетике снижения массы бетона в процессе испытаний.
Таблица 1
рнистого бетона в процессе испытаний
Значение нагрузки, МПа ^ес^ г ^нас^ г Впогл, г Изменения массы образцов, г, после количества циклов замораживания-оттаивания, циклы
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0 790,7 801,2 9,5 1,7 0,8 -0,1 -0,5* -0,6 -1,6* -1,8 -1,9* -2,4 -2,9* -3,0 -3,6*
10 790,0 799,7 9,7 1,6 0,9 -0,3 -0,6* -0,8 -1,2* -1,7 -2,1* -2,3 -3,0* -3,3 -3,8*
20 784,4 793,2 8,8 1,2 -0,8 -1,8 -2,1* - - - - - - - -
775,0 784,5 9,5 1,6 -0,7 -1,6 -2,5 -1,6 -1,7* - - - - - -
793,0 802,7 9,7 0,8 -1,0 -1,0 -1,8 -1,9 -2,4 -2,9 -3,5* - - - -
800,5 809,5 9,0 1,4 -0,9 -1,5 -2,0 -2,2 -3,1 -3,8 -4,6 -5,0 -5,6* - -
793,3 802,8 9,5 1,7 -0,7 -1,3 -1,8 -2,1 -2,9 -3,7 -4,5 -4,8 -5,1 -6,8 -8,0*
25 791,0 801,2 10,2 1,7 -0,8 -2,6 -3,8* - - - - - - - -
785,0 793,9 8,9 1,5 -1,0 -2,9 -3,5 -3,3 -3,9* - - - - - -
794,4 803,4 9,4 1,4 -1,6 -2,5 -3,0 -3,9 -4,6 -5,5 -6,8* - - - -
788,2 797,8 9,6 1,7 -1,1 -2,8 -3,7 -3,9 -4,1 -5,5 -7,8 Эксперимент прекращен Аш > 3 %
794,4 803,6 9,2 1,6 -1,9 -3,0 -3,8 -5,9 -3,8 -4,0 -7,1
30 786,6 796,4 9,4 1,5 -2,8 -3,9 -4,5* - - - - - - - -
794,3 803,2 8,9 1,4 -2,5 -3,6 -5,6 -5,4 -6,0* - - - - - -
790,0 799,9 9,9 1,6 -3,1 -4,5 -5,1 -6,2 -6,5 -7,8 -7,9* Эксперимент прекращен Аш > 3 %
793,0 802,6 9,6 1,3 -2,4 -4,5 -4,3 -4,8 -6,2 -6,1 -8,8
779,6 788,4 8,8 1,5 -2,6 -3,8 -5,1 -5,9 -6,0 -5,3 -8,5
Окончание табл. 1
Значение тест, г тнас, г Впогл, г Изменения массы образцов, г, после количества циклов
нагрузки, замораживания-оттаивания, циклы
МПа 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
812,9 823,0 10,1 0,5 -1,9 -1,7 -2,5* - - - - - - - -
Динамическая 788,3 796,9 8,6 1,2 -1,1 -1,9 -2,8 -2,9 -3,1* - - - - - -
(ударная) 803,0 811,8 8,8 1,2 -2,0 -0,9 -1,5 -2,4 -3,6 -3,8 -3,5* - - - -
нагрузка 792,1 801,6 9,5 0,7 -0,9 -1,8 -2,9 -3,8 -3,0 -4,1 -4,6 -5,9 -6,5* Эксперимент
780,5 790,1 9,6 0,8 -1,5 -1,4 -1,9 -2,5 -2,8 -4,4 -3,1 -5,0 -5,1 прекращен
*После означенного количества циклов серия образцов испытана на сжатие.
С увеличением нагрузки примерно до 50 % от прочности проектного возраста, т. е. до 20 МПа (мелкозернистый бетон) и до 25 МПа (бетон со щебнем), потери массы в процессе испытаний начинают нарастать.
С повышением нагрузки сверх 25 МПа для мелкозернистого бетона и 30 МПа для бетона со щебнем, т. е. на уровне ~60 % от прочности проектного возраста и более, деструктивные процессы интенсифицируются, что отражается в росте потерь массы образцами.
Если сравнивать отрицательный эффект от динамических нагрузок (результаты частично представлены в табл. 1) с таковым от воздействия на бетон сжимающей статической нагрузки, то (для условий выполненных экспериментов) динамическая нагрузка по воздействию на бетон примерно соответствует уровню статической нагрузки в 60%-й и более от прочности бетона в проектном возрасте.
Изменение прочности бетона. В соответствии с принятой общей методикой исследований оттаявшие образцы основных серий через каждые пять циклов однократно подвергали сжатию под прессом, передавая усилие на бетон, соответствовавшие 10; 20; 25 и 30 МПа для образцов мелкозернистого бетона и 15; 25; 30 и 35 МПа - для бетона со щебнем.
Из данных табл. 2 следует отметить непосредственную взаимосвязь изменений прочности бетона как контрольных, так и основных образцов с условиями их твердения и состояния структуры (пористости) материала: наименьшей прочностью характеризуется бетон, твердевший в воздушно-сухих условиях. Но даже в этом случае после первых 10-30 циклов замораживания-оттаивания прочность образцов бетона (до уровня статической нагрузки
в 10-20 МПа для мелкозернистого бетона и в 15-25 МПа для бетона со щебнем) несколько возрастает. Этот эффект значительнее для образцов, твердевших «под пленкой» и пропаренных после изготовления.
Явление роста прочности бетона под знакопеременным температурным воздействием есть отражение специфического влияния последнего на процесс гидратации цемента. При циклическом замораживании бетона (достигшего проектной прочности и характеризующегося степенью гидратации цемента в 60-70 % при водопоглощении по массе ~3-5 %, как в нашем случае) происходит следующее. Жидкость, находящаяся в объеме пор цементного камня, содержит гидратированные ионы клинкерных минералов как результат медленно текущей (к более чем 28 сут. твердения) реакции гидратации цемента. При охлаждении до глубокой отрицательной температуры в первую очередь замерзает растворитель, т. е. вода. Растворенные в ней ионы «отжимаются» к поверхности твердой фазы, создавая в этих объемах их повышенную концентрацию вплоть до пересыщения раствора и тем самым обеспечивая условия для возникновения и формирования твердофазных кристаллогидратных новообразований. Поскольку последняя реакция необратима, при оттаивании сформировавшиеся кристаллогидраты дополняют ранее сложившуюся структуру «реакционных каемок» вокруг непрогидратировавших цементных «ядер» и постепенно уплотняют ее. А многократное повторение этой ситуации способствует росту прочности цементного камня и бетона в целом.
Одновременно с этим явлением знакопеременные температурные воздействия вызывают деструктивные процессы, рассмотренные во
введении. В результате на начальном этапе испытаний превалирует эффект побуждения реакций гидратации вяжущего, выражающийся в росте прочности бетона. С течением времени начинают преобладать деструктивные явления, которые в наших экспериментах усилены за счет воздействия периодически прикладывае-
Изменения прочности контр
мой к образцам нагрузки. Возникающие в объеме цементного камня напряжения (особенно в зонах контакта его с заполнителями) приводят к микротрещинообразованию. Известно, что этот отрицательный эффект проявляется уже на уровне нагрузки >30 % от «призменной» прочности бетона [24].
Таблица 2
и основных образцов бетона
Условия твердения бетона Значение нагрузки, МПа Значения прочности бетона на сжатие, МПа, после количества циклов замораживания-оттаивания, циклы
0 10 20 30 40 50 60
Естественные 0 43 45 46 46 44 41 38
(под пленкой) 10 43 45 44 43 42 39 35
20 43 44 43 41 39 36 31
25 43 44 42 39 34 - -
30 43 43 41 35 30 - -
Ударная нагрузка 43 44 43 41 38 35 -
1 е Воздушно-сухие 0 36 38 38 38 35 30 24
о 10 36 37 38 36 31 29 -
Л и эт 20 36 37 36 32 28 - -
о 25 36 35 34 29 23 - -
30 36 34 32 25 - - -
Ударная нагрузка 36 37 34 31 27 - -
Пропаривание 0 40 41 43 42 40 37 33
с дозреванием 10 40 41 42 41 38 35 30
20 40 40 41 38 34 - -
25 40 40 39 35 30 - -
30 40 39 37 32 26 - -
Ударная нагрузка 40 41 39 35 32 - -
Естественные 0 50 52 54 54 52 50 46
(под пленкой) 15 50 52 54 52 50 48 44
25 50 51 50 49 46 41 -
30 50 51 50 47 44 38 -
35 50 51 49 45 38 - -
Ударная нагрузка 50 52 50 48 45 41 38
а Воздушно-сухие 0 42 43 44 44 42 40 37
ю и ^ 15 42 43 44 42 39 36 33
о о 25 42 43 43 42 37 - -
К Р 30 42 42 41 39 34 - -
и М 35 42 42 40 35 - - -
Ударная нагрузка 42 43 42 40 37 34 -
Пропаривание 0 48 49 51 50 48 46 42
с дозреванием 15 48 49 51 49 47 44 41
25 48 49 50 47 43 38 -
30 48 48 49 46 41 34 -
35 48 48 48 44 36 - -
Ударная нагрузка 48 49 49 45 42 38 -
В наших экспериментах микротрещинооб-разование усиливается как за счет повторения в приложении нагрузки через каждые пять циклов, так и под воздействием знакопеременной температуры и вызываемых ею деструктивных явлений. В результате увеличение нагрузки сверх 30-40 % от прочности бетона проектного возраста (т. е. превышение нижней границы его трещинообразования) сопровождается снижением последней под воздействием циклического замораживания-оттаивания. С увеличением статической нагрузки до 60 % и более (т. е. до уровня верхней границы трещинообразования) процесс морозной деструкции бетона и снижение его прочности прогрессируют. Установлено, что отрицательное воздействие динамической ударной нагрузки примерно соответствует (по фактическим данным снижения прочности бетона) уровню статической нагрузки в 60 % и более. На наш взгляд, это связано с тем, что и в одном, и во втором вариантах воздействия на бетон механическими нагрузками появляются микротрещины в структуре бетона, развитие которых усугубляется действием знакопеременной температуры при замораживании-оттаивании бетона. Под действием сосредото-
ченной ударной нагрузки в бетоне возникают локальные очаги достаточно высоких напряжений, которые в хрупком материале приводят к трещинообразованию в зоне удара. Многократное повторение такого воздействия приводит к зарождению микротрещин в цементном камне и последующему их развитию. Этот процесс ускоряется под влиянием факторов, сопровождающих действие знакопеременной температуры, особенно при глубоком замораживании. Следует отметить, что возникающие нарушения структуры будут ухудшать и другие эксплуатационные характеристики бетона.
Изменение скорости ультразвука. Параллельно с испытаниями образцов на прочность при циклическом замораживании-оттаивании снимали показания скорости ультразвука с целью накопления данных об их взаимосвязи со структурными изменениями в бетоне (рис. 1).
При этом выявлено, что изменения структуры в виде микротрещин и их развитие в процессе испытаний образцов бетона отражаются в снижении скорости ультразвука раньше (и резче), чем это сказывается на прочности бетона.
/о, МПа 40
30
20
Уу„ м/с
4500
4000
3500
3000
60
50
40
30
р = 35 ! МПа Х / ч 30 Г
4500
4000
3500
3000
1 \ с.
- р = 3 5 МПа
0 15 -, 25 •ч 30
10
20
30
40
50 ¥, циклы
10
20
30
40
50 ¥, циклы
Рис. 1. Тенденция изменения прочности и скорости ультразвука контрольных (Р = 0) и основных образцов под воздействием циклического замораживания-оттаивания в «среде-воде» при t = -(50-55) °С и статической механической нагрузки: а - мелкозернистого бетона; б - бетона со щебнем
а
а
20
б
б
0
25
0
0
Например, для контрольных образцов (Р = 0) мелкозернистого бетона скорость ультразвука стабилизируется к 20 циклам, а затем начинает медленно снижаться. Прочность же бетона в этом примере возрастает до 30 циклов, а затем начинает снижаться. То есть показания скорости распространения ультразвукового импульса на более ранней стадии реагируют на начало превалирования деструктивных явлений в бетоне над его упрочнением и предвещают появление необратимых нарушений в структуре цементного камня и бетона. В этой связи использование ультразвука может быть положено в основу методики неразрушающего контроля и прогнозирования изменений свойств и долговечности бетона.
Истираемость бетона. Истираемость образцов бетона (70x70x70 мм) определяли во всех случаях в водонасыщенном состоянии по методике ГОСТ 13087 «Методы определения истираемости» на круге истирания ЛКИ-3 (по два образца одновременно). Контрольные образцы вместе с основными подвергали циклическому замораживанию-оттаиванию и испытывали на истираемость через 10 циклов после оттаивания в воде. Установлено, что статическая (сжатие-отпуск) нагрузка до значений <60 % от проектной прочности бетона не оказывает влияния на его истираемость, несколько повышая ее при нагрузке в 70-80 % от проектной прочности. Ударная динамическая нагрузка на бетон (10 ударов копра по «грани истирания» через каждые пять циклов) однозначно сопровождается ростом его истираемости на каждом из отрезков или периодов испытаний, а значит, и в процессе эксплуатации дорожных покрытий и элементов благоустройства. Под ее воздействием основные образцы снижают «износоустойчивость» примерно к 25 циклам (контрольные - через 35-40 циклов), затем процесс деструкции усиливается и ускоряется. Образцы со щебнем характеризуются большей износоустойчивостью, и темп ее снижения под действием циклического замораживания-оттаивания и динамической нагрузки значительно ниже, чем у мелкозернистого бетона.
Влияние условий твердения бетона на его истираемость однозначно - воздушно-сухие условия твердения приводят к ускоренному снижению этого показателя, в сравнении с бо-
лее благоприятными - твердением в условиях гидроизоляции и пропариванием с дозреванием на воздухе.
Испытание солестойкости бетона. Результаты экспериментов подтверждают общность тенденций «поведения» образцов бетона (как цементно-песчаного, так и со щебнем) при циклических испытаниях на морозо- и соле-стойкость (насыщение в растворе соли - высушивание) в изменениях массы образцов, прочности бетона, скорости ультразвука и истираемости.
Разница между ними проявилась в том, что при испытаниях на морозостойкость (в водной среде) снижение массы образцов «наметилось» как результат начала деструктивных явлений и постепенно закономерно прогрессировало. В случае же с насыщением в солевом растворе и высушиванием деструктивный процесс развивается сложнее и сопровождается неоднозначными изменениями массы образцов бетона как в насыщенном состоянии, так и определенными для высушенных образцов. Так, в первые 5-10 циклов насыщения-высушивания масса насыщенных в растворе соли образцов существенно возрастает (до —1,5-3 % для цементно-песчаного и до —1,5 % для бетона со щебнем), а затем начинает снижаться. Через 15-20 циклов наступают необратимые изменения в структуре бетона и процесс его разрушения прогрессирует, что отражается снижением массы и прочности (табл. 3) образцов.
Рост прочности бетона (табл. 3) на начальной стадии эксперимента в основном обеспечивается за счет кольматации пор кристаллами соли, благодаря чему уменьшается количество зон с нарушениями сплошности структуры материала, которые под нагрузкой создают в нем напряженное состояние, являются концентраторами напряжений и вызывают зарождение трещин под действием как внешних нагрузок, так и резких перепадов температуры. В дальнейшем проявляется агрессивное воздействие солевой коррозии. Оно усиливается за счет периодически прикладываемой к образцам нагрузки, при этом процесс деструкции бетона прогрессирует с ее увеличением сверх 50-60 % от проектной как при насыщении образцов раствором соли, так и при насыщении их водой.
Таблица 3
Изменения прочности контрольных и основных образцов мелкозернистого бетона
Условия твердения бетона Значение нагрузки, МПа Значения прочности бетона на сжатие, МПа, после количества циклов насыщения-высушивания, циклы
0 10 20 25 30 35
Естественные (под пленкой) 0 40 44 43 40 38 35
10 40 45 42,5 41 37 34
20 40 44 40 38 35,5 31
25 40 42,5 38,5 35 32* -
30 40 40,5 36,5 30,5 - -
Ударная нагрузка 40 40,5 36,5 32,5 28 -
Воздушно-сухие 0 36 40,5 39 36 34,5 30,5
10 36 40 39,5 35 33 30
20 36 38,5 37 33,5 30 -
25 36 38 36,5 31 27 -
30 36 37,5 32 28,5 - -
Ударная нагрузка 36 35 32 25 - -
Пропаривание с дозреванием 0 39 44 43 39 36,5 33,5
10 39 43 41,5 39,5 35 31,5
20 39 42,5 41 37,5 34 30
25 39 40 37 31 - -
30 39 39 35,5 30 - -
Ударная нагрузка 39 39 36 29 - -
То же при насыщении образцов водой 0 39 40,5 39 38 36,5 35,5
10 39 40 38,5 37,5 37 36
20 39 39,5 38 37 36,5 34,5
25 39 38,5 36,5 35 33,5 31,5
30 39 38 35,5 33 31,5 30
* Эксперимент прекращен (снижение прочности >20 %).
В последнем случае его темп ниже, так как отсутствует агрессивное воздействие соли. Полученные данные свидетельствуют о том, что при нагрузке >70 % от проектной уровень тре-щинообразования в бетоне таков, что последующее циклическое воздействие как при насыщении в солевом растворе, так и в воде приводит к резкому снижению прочности бетона. В этом случае практически отсутствует (при нагрузке 30 МПа для мелкозернистого и 35 МПа для бетона со щебнем) прирост прочности бетона на начальном этапе испытаний. Выявлено, что отрицательное воздействие динамической ударной нагрузки примерно соответствует (по фактическим данным снижения прочности бетона) уровню статической нагрузки в 60 % и более. Изменения скорости ультразвука во взаимосвязи с изменениями массы и прочности образцов бетона коррелируют с ранее получен-
ными данными, что подтверждает выявленную при испытаниях бетона на морозостойкость закономерность: скорость ультразвука снижается раньше, чем это сказывается на прочности бетона. По влиянию на истираемость бетона солевые испытания оказались наиболее жесткими, характеризующимися ее резким ростом уже после 15-20 циклов, что связано, на наш взгляд, с нарушениями микроструктуры цементного камня под влиянием солевой коррозии с соответствующим снижением его твердости и прочности.
Морозостойкость бетона в солевом растворе. Изменения массы образцов. Сопоставление данных об изменении массы образцов бетона (мелкозернистого и со щебнем) на морозостойкость (в воде или растворе соли) и со-лестойкость свидетельствует, что наиболее агрессивным воздействием на бетон обладали
последние. Очевидно, это связано с дополнительным влиянием на структуру бетона «термического удара», возникающего при резком (жидкостном) охлаждении образцов, помещаемых после сушки ~ 60 °С) в растворе соли (/ ~ 10-15 °С). При этом в наружных слоях бетона возникали касательные растягивающие напряжения (от «термического» сжатия их), приводящие к образованию в них микротрещин. Такое воздействие, приложенное многократно в циклических испытаниях, дополняет и интенсифицирует разрушающее действие соли, что и подтверждено в экспериментах.
При испытаниях на морозостойкость термическое воздействие на образцы естественно имеет место. Однако в этом случае при оттаивании их в слое замерзшей жидкости наружные слои бетона постепенно нагреваются в процессе ее таяния и механизм температурных деформаций иной, так как эти слои расширяются. Растягивающие напряжения наружные слои бетона испытывают при замерзании образцов, но и в этом случае резкого «термического удара» не наблюдается. В целом данные исследований свидетельствуют о том, что испытания на морозостойкость (даже в растворе соли) оказывают менее разрушающее влияние на бетон, чем испытания на солестойкость, выполненные
по использованной методике. Одновременно эти данные подтверждают опасность агрессивного воздействия на бетон солей-хлоридов, примененных в качестве антиобледенителей, и в летний период эксплуатации покрытий.
Сравнение данных об изменении массы образцов бетона при испытаниях на морозостойкость в растворе соли и воде (рис. 2) позволяет сделать вывод о том, что солевая среда резко интенсифицирует процесс деструкции бетона в сравнении с замораживанием-оттаиванием в воде. Интенсивность снижения массы (-3-4 г за пять циклов) контрольных образцов бетона к 30-35 циклам испытаний в солевой среде соответствует таковой к 60 и более циклам испытаний в «воде-среде», т. е. росту примерно в два раза. Если бетон подвержен одновременно воздействию статической механической нагрузки (но не превышающей уровень -50%-й проектной прочности бетона) и «солевому» размораживанию, то процесс деструкции начинает ускоряться, а с ростом периодически прикладываемой нагрузки до 60 % и более от проектной он повышается в 3-4 раза в сравнении с испытаниями в «воде-среде». Отмеченные закономерности характерны и для изменений других характеристик бетона, включая его прочность.
Ат, г -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 5
-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40
--Д-}
О
\ N Ч V К
N > Ч ч N3 к
\ \ \ \
А ч V
р = 30 МПа4' < ч ¡4
\ \
1
1 1. 1 |
\ N Ч! Ч
> \ N ч х] V -
N с \ \
\ ч
Р = 35 мПа \ 5 < \
10 5
Ат, г' -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35
|
1,
N
ч, -7
\ < N ,3' N
2- \ N Г N. \ 'Ч
\ 2-
\ \
' 1
10 5 0 -5 -10 -15 -20 1
6Ф—1
Чг' 1
\ V
2'- ( > ч>] N
2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 циклы
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 циклы
Рис. 2. Тенденция изменения массы основных образцов под воздействием циклического замораживания-оттаивания в «среде-воде» при / = -(50-55) °С в зависимости от статической механической нагрузки и условий твердения (графики 1, 2 и 3 для образцов, твердевших соответственно «под пленкой», в воздушно-сухих условиях, пропаренных с дозреванием и испытанных в «среде-воде»; со штрихом - испытанных в растворе соли): а - мелкозернистого бетона; б - бетона со щебнем
а
а
0
10
б
б
Прочность бетона. Анализ данных испытаний бетона на морозостойкость в «среде-воде» и растворе соли (рис. 3) свидетельствует о том, что для контрольных образцов (отсутствует механическая нагрузка) сохраняется общая закономерность некоторого роста прочности бетона на начальном этапе испытаний до 30-35 циклов в воде и до 10-20 циклов в растворе соли. Затем прочность бетона закономерно снижается при более высоком темпе для испытаний в солевом растворе. Если оценить эти изменения по количеству циклов, то получается, что влияние солевого раствора проявляется, примерно, в 2-3-кратном ускорении процесса деструкции (по началу снижения прочности) бетона.
Сопоставление данных воздействия на бетон эффектов «размораживания» и солевой коррозии в сочетании с механическими нагрузками показывает следующее.
Если статически приложенная нагрузка не превышает 40 % от проектной прочности бетона (уровень нижней границы трещинообразо-вания), то при циклических испытаниях на морозостойкость (как в «среде-воде», так и в растворе соли) изменения в прочности бетона практически одинаковы для контрольных и нагружаемых образцов.
С ростом нагрузки до 50-60 % от проектной (в экспериментах до 20-25 МПа для мелкозернистого и до 25-30 МПа для бетона со щебнем) процесс его деструкции при циклических
Л, МПа
испытаниях на морозостойкость активизируется.
В случае, когда механические нагрузки достигают уровня 65-75 % от проектной прочности бетона, т. е. соответствующего или превышающего верхнюю границу его трещинообра-зования (в экспериментах равнялась -30 МПа для мелкозернистого и -35 МПа для бетона со щебнем), процесс деструкции и снижения прочности бетона прогрессирует уже после 10-20 циклов замораживания-оттаивания (при ускоренном развитии процесса в растворе соли). Это связано с тем, что означенный уровень нагрузки приводит к образованию в объеме бетона «необратимо» раскрытых трещин, не исчезающих после снятия нагрузки. Они проницаемы для воды и растворенной в ней соли, что (в сочетании с разрушающими факторами циклического замораживания-оттаивания) приводит к ускоренной деструкции бетона и резкому снижению его прочности.
Отметим, что этот процесс отражается и соответствующими закономерными изменениями скорости ультразвука (рис. 1 и 3). В результате, установив факт снижения скорости ультразвука в бетоне периодически контролируемых участков покрытия, можно прогнозировать вероятность снижения качества бетона и определять (прогнозировать) возможность дальнейшей эксплуатации (необходимость ремонта) покрытия.
Ууз, м/с
4500
а
б
4000 3500
60
50
40
30
1 - 0 Г 1
р = 35 МПа
4 30
4500
4000
3500
0
10
20 25 30 35 40
50 Е, циклы
20 25 30 35 40
Е, циклы
Рис. 3. Тенденция изменения прочности и скорости ультразвука контрольных (Р = 0) и основных образцов под воздействием циклического замораживания-оттаивания в растворе соли при ^ = -(50-55) °С и статической механической нагрузки:
а - мелкозернистого бетона; б - бетона со щебнем
При испытаниях в солевом растворе подтверждено, что отрицательный эффект от ударных сосредоточенных динамических нагрузок соответствует уровню воздействия на бетон статических нагрузок, превышающих его верхнюю границу трещинообразования, включая снижение в 2-3 раза износоустойчивости образцов бетона.
В Ы В О Д
Выявленные по результатам исследований закономерности позволяют понять причины ускоренной деструкции бетона, подверженного в процессе эксплуатации комплексному воздействию среды, усиленному механическими нагрузками. Обобщение полученных данных дает основание для назначения предельных уровней нагрузок на бетон разнообразных покрытий, а также для установления требований к прочности бетона при их проектировании с учетом условий эксплуатации. Взаимосвязь изменений скорости ультразвука, отражающих изменения структуры бетона в процессе эксплуатации, создает необходимые предпосылки для разработки методики оперативного контроля (оценки) состояния и прогнозирования долговечности бетона покрытий.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Горчаков, Г. И. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений / Г. И. Горчаков, М. М. Капкин, Б. Г. Скрам-таев. - М.: Стройиздат, 1965. - 195 с.
2. Дементьев, Г. К. Условие долговечности бетона и железобетона / Г. К. Дементьев. - Куйбышев, 1955. -120 с.
3. Попов, Н. Д. К вопросу об усталости бетона при многократных циклах чередующихся воздействий окружающей среды. Тр. МИСИ им. В. В. Куйбышева: сб. № 15 / Н. Д. Попов, В. А. Невский. - М., 1957. - С. 73-90.
4. Цементный бетон в дорожном строительстве / С. В. Шестоперов [и др.]. - М.: Дориздат, 1950. - 132 с.
5. Стольников, В. В. Исследования по гидротехническому бетону / В. В. Стольников. - М.; Л.: Госэнергоиз-дат, 1953. - 330 с.
6. Цытович, Н. А. Основания механики мерзлых грунтов / Н. А. Цытович, М. И. Сумгин. - М.: Изд-во АН СССР, 1937. - 432 с.
7. Лыков, А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки / А. В. Лыков. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 464 с.
8. Конопленко, А. И. К вопросу теории морозостойкости бетона / А. И. Конопленко // Сб. тр. Ростовского
инженерно-строительного института. - Ростов н/Д., 1958. -Вып. XII.
9. Мощанский, Н. А. Повышение стойкости строительных материалов и конструкций, работающих в условиях агрессивных сред / Н. А. Мощанский. - М.: Госстандарт, 1962. - 235 с.
10. Collins, A. The destruction of concrete by frost / A. Collins // Institute of Civil Engineers, 1944. - Р. 5412.
11. Powers, T. A. working hypotesis for further studies of frost resistance of concrete / T. A. Powers // J. Am. Coner. Inst. - 1945. - № 4. - V. 16.
12. Powers, T. Theory of volume changes in hardened portland - cemnt paste during freezing / T. Powers, R. Hel-muth // Proceedings Hig way Research Board. - 1953. -V. 32.
13. Батяновский, Э. И. Особо плотный бетон сухого формования / Э. И. Батяновский. - Минск: НП ООО «Стринко», 2002. - С. 103-108.
14. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В. М. Москвин [и др.]. - М.: Стройиздат, 1980. -536 с.
15. Ахвердов, И. Н. Механизм разрушения пористых материалов при насыщении их солями / И. Н. Ахвердов, И. В. Станишевская // ДАН БССР. - Минск, 1967. - Т. 11, № 4. - С. 320-323.
16. Алексеев, С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. - М.: Стройиздат, 1976. - 205 с.
17. Иванов, Ф. М. Защита железобетонных транспортных сооружений от коррозии / Ф. М. Иванов. - М.: Транспорт, 1968. - 175 с.
18. Путан, А. А. Оценка кристаллизационных давлений в пористых средах методом фотоупругости / А. А. Путан, А. А. Барташевич // Методы исследований стойкости строительных материалов и конструкций. - Минск: Вышэйш. шк., 1969. - С. 60-69.
19. Гузеев, Е. А. Расчет железобетонных конструкций с учетом кинетики коррозии бетона третьего вида: сб. науч. тр. НИИЖБа / Е. А. Гузеев, Н. В. Савицкий; под общ. ред. С. Н. Алексеева. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1988. - С. 16-20.
20. Шалимо, М. А. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии / М. А. Шалимо. - Минск: Вышэйш. шк., 1986. - 200 с.
21. Москвин, В. М. Морозостойкость бетона в напряженном состоянии / В. М. Москвин, А. М. Подвальный // Бетон и железобетон. - 1960. - № 2. - С. 58-64.
22. Батяновский, Э. И. Влияние многократных механических нагрузок на свойства тяжелого бетона / Э. И. Ба-тяновский, А. И. Бондарович, П. В. Рябчиков // Строительная наука и техника. - 2007. - № 1 (10). - С. 12-22.
23. Батяновский, Э. И. Влияние технологических факторов на проницаемость вибропрессованного бетона / Э. И. Батяновский, А. И. Бондарович, П. В. Рябчиков // Строительная наука и техника. - 2006. - № 3 (6). - С. 18-25.
24. Берг, О. Я. Высокопрочный бетон / О. Я. Берг, Е. Н. Щербаков, Г. Н. Писанко. - М.: Стройиздат, 1971. -208 с.
Поступила 21.11.2007
