CC BY
14DOI 10.52170/1815-9265_2021_59_118 УДК 69.059.4
В. К. Козлова, В. В. Логвиненко, Е. В. Божок, Ю. С. Саркисов,
Н. П. Горленко, С. В. Ефименко
Обеспечение долговечности транспортных сооружений с учетом воздействия переменных факторов окружающей среды
Поступила 15.09.2021
Рецензирование 28.09.2021 Принята к печати 18.10.2021
Актуальность исследования обусловлена изучением проблемы долговечности транспортных сооружений различного технического назначения, таких как автомобильные дороги, аэродромы, мосты и транспортные тоннели, в условиях воздействия переменных факторов окружающей среды и в первую очередь агрессивного и разрушающего действия углекислого газа на строительные материалы и изделия на их основе.
Целью настоящей работы является критическое обобщение исследований отечественных и зарубежных авторов, посвященных разработке мероприятий по защите мостовых и железобетонных конструкций, автомобильных и аэродромных цементобетонных покрытий, железнодорожных путей, уникальных зданий и сооружений, метрополитенов от углекислотной и сульфатной коррозии и, как следствие, повышению долговечности их службы.
В результате исследований выявлен механизм действия углекислоты на продукты гидратации цементного камня. Установлено, что продукты гидратации переходят в более плотные состояния, сопровождающиеся уменьшением объема и возникновением усадочных деформаций, приводящих к нарушению сплошности структуры материалов и даже к его разрушению.
Показано, что снизить негативные действия усадочных процессов и предотвратить карбонизационную коррозию можно путем введения в состав цемента или известково-песчаных вяжущих добавок карбонатных пород, например известняка или доломита.
Ключевые слова: транспортные сооружения; железобетонные конструкции; цементобе-тонные покрытия; углекислотная, сульфатная коррозия; усадочные деформации; карбонатные добавки; цемент; бетон; твердение; гидратация; долговечность; окружающая среда; прочность.
При проектировании и строительстве автомобильных дорог, железнодорожных путей, метрополитенов, аэродромов, мостовых транспортных тоннелей, уникальных зданий и сооружений самое серьезное внимание уделяется различным аспектам обеспечения долговечности работы указанных объектов за счет повышения требований к материалам и технологиям их возведения.
Однако при этом слабоизученными, а порой вовсе остающимися неучтенными являются вопросы влияния окружающей среды на процессы функционирования и работоспособности рассматриваемых объектов, на характер и динамику изменения строительно-технических параметров возводимых конструкций зданий и сооружений, приводящего к деградации материалов и, как следствие, к их разрушению либо возникновению опасных аварийных ситуаций [1, 2].
* Таксон - единица дорожно-климатического районирования.
Современные нормы проектирования автомобильных дорог, например СП 34.13330.2021, ОДН 218.046-01, СНиП 2.05.02-85 [3-5], частично учитывают воздействие природно-климатических факторов на линейные объекты транспортной инфраструктуры при их проектировании, строительстве и эксплуатации на основе карты дорожно-климатического районирования. Однако действующие нормативные документы предлагают карты-схемы до-рожно-климатического районирования территории Российской Федерации, отличающиеся по площади, занимаемой таксонами*. В некоторых регионах России, таких как Дальний Восток, Западная Сибирь, Республика Саха, Архангельская и Астраханская области, осуществляются работы, направленные на уточнение территориального распространения границ дорожно-климатических зон. Решение задач, связанных с районированием местностей, исследователи, как правило, реализуют
применительно к организационно-технологическому направлению деятельности предприятий отрасли - проектированию, строительству или сезонному содержанию автомобильных дорог на территориях административных образований Российской Федерации. Для отмеченных работ характерно отсутствие единого методологического подхода к выбору признаков географического комплекса для обоснования территориальной однородности и целостности единиц, выделяемых в той или иной классификационной системе. Такое положение подтверждает наличие проблемы в дорожной отрасли, связанной с учетом особенностей геокомплексов при проектировании, строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог [6-11].
К сожалению, бурное развитие экономики в самых разных областях деятельности человека значительно опережает мероприятия, связанные с защитой и охраной окружающей среды, рациональным использованием природных ресурсов как на местном, региональном уровне, так и в глобальном (общечеловеческом) отношении. Все это приводит к возникновению и накоплению серьезных экологических проблем, представляющих порой угрозу самому существованию жизни на Земле. К ним относятся не только техногенные воздействия, но и изменение климата, подъем уровня вод мирового океана, повышение вулканической деятельности, землетрясения и многое другое (например, кислотные дожди, загрязнение атмосферы, подтопления урбанизированных территорий, накопление твердых и жидких промышленных и бытовых отходов, не говоря уже о радиоактивных и токсичных химических отходах и побочных продуктах различной природы) [12].
Работа большинства промышленных предприятий энергетики и транспорта сопровождается накоплением побочных отходов, отрицательно влияющих на экологическую обстановку. Основная задача предприятий при этом состоит в нахождении путей использования побочных продуктов и сокращения объемов выбросов, не подлежащих утилизации. Среди указанных побочных продуктов, которые могут и должны быть использованы, основную часть составляют шлаки металлургических предприятий (шлаки и золы тепловых электростанций,
радиоактивные отходы атомных электростанций), а также твердые и жидкие отходы предприятий химической промышленности. К выбросам, которые в настоящее время практически не утилизируются, относятся дымовые газы металлургических предприятий, цементных заводов и тепловых электростанций, содержащие большое количество углекислого газа, а также оксиды серы и азота в газообразном состоянии. На тепловых электростанциях должна быть предусмотрена эффективная очистка дымовых газов от соединений серы и азота, но на большинстве предприятий России она практически не осуществляется. Наибольшее количество оксидов азота содержится в дымовых газах тепловых электростанций, на которых в котельных установках осуществляется высокотемпературное сжигание углей. К значительному ухудшению экологической обстановки приводят выбросы выхлопных газов работающего транспорта.
Масштаб вредного влияния на экологическую обстановку указанных газообразных выбросов многократно увеличивается за счет того, что на их образование затрачивается огромное количество свободного кислорода. С экологической точки зрения огромные затраты кислорода в технологических процессах могут быть даже значительно опаснее, чем увеличивающееся содержание углекислого газа. Из предприятий промышленности строительных материалов наибольшее количество углекислого газа выбрасывают в атмосферу цементные заводы и заводы по производству извести. Так, при обжиге 1 т портландцемент-ного клинкера выбрасывается около 0,8-0,9 т углекислого газа, в том числе продукта высокотемпературного разложения основного сырьевого компонента - карбоната кальция. Другая часть выбрасываемого углекислого газа образуется при горении топлива в печах обжига. При этом на получение 1 т клинкера расходуется 230-240 кг каменного угля или соответствующее количество природного газа. На сжигание 1 кг углерода затрачивается 2,66 кг кислорода, при этом выделяется 3,66 кг углекислого газа. Таким образом, цементные заводы России при производстве каждых 55 млн т цемента (при условии использования в качестве топлива каменного угля) выбрасывают в атмосферу 24 млн т уг-
лекислого газа только за счет разложения известняка и еще 40 млн т - за счет сгорания топлива. При этом в технологических процессах расходуется около 30 млн т кислорода. А при сжигании 1 кг азота расходуется более 3 кг кислорода. Дефицит кислорода - огромная проблема для всего живого на Земле. При сгорании 1 кг водорода с образованием воды затрачивается 8 кг кислорода. Сравнение показывает, что использование водорода в качестве топлива не может считаться экологически безопасным для окружающей среды. Утилизация твердых бытовых отходов, сжигание полимерных отходов также является источником выделения углекислого газа (3 кг при сжигании 1 кг полиэтилена и расходовании 3,5 кг кислорода).
Загрязнение атмосферы дымовыми и промышленными газами приводит к образованию так называемых кислотных дождей, содержащих агрессивные ионы СОз2- , S042", N03", С1-и др. Взаимодействие материалов и изделий на их основе с этими ионами приводит к коррозии металлических элементов, бетонов и, как следствие, к их разрушению.
Не меньшую опасность для возводимых конструкций и сооружений представляют так называемые подтопления урбанизированных территорий. Подтопление является одним из распространенных негативных инженерно-геологических процессов. Причины подтопления и факторы, способствующие его развитию, весьма многообразны и в значительной степени зависят как от геолого-геоморфологических и гидрогеологических особенностей территорий, так и от техногенного воздействия на окружающую среду. Подтопление территорий связано прежде всего с подъемом уровня грунтовых вод. Обводнение грунтов приводит к изменению их консистенции, снижению несущей способности и деформационных свойств. Разрушаются городские дороги, тротуары, деформируются строения, заболачивается территория. Грунтовые воды также могут содержать агрессивные ионы [13].
Не меньшую опасность для регионов Сибири, характеризуемых избыточным увлажнением и глубоким сезонным промерзанием грунтов земляного полотна, представляет так называемое морозное пучение [14]. Возникновение сильных внутренних напряжений в дорожных конструкциях за счет замерзания свободной
воды, а также процессов ее миграции к зоне промерзания приводит к неравномерным деформациям и образованию дефектов, вызывающих разрушение дорожных одежд. Среди дефектов, образующихся в результате неравномерного поднятия дорожного покрытия вследствие морозного пучения грунта, наибольшее распространение получили продольные и поперечные трещины, нарушающие сплошность дорожного покрытия [15, 16]. Несвоевременное устранение образовавшихся трещин приводит к последующему разрушению дорожных одежд и, как следствие, дорогостоящему ремонту.
Анализ негативного воздействия переменных факторов окружающей среды показывает, что наиболее опасными являются различные виды коррозии, особенно углекислотная и сульфатная. Коррозию следует рассматривать как один из факторов деградации материалов. Термин «деградация» (от лат. degradatю - снижение, регрессия) означает процесс ухудшения характеристик какого-либо объекта или явления с течением времени, снижение качества, разрушение материала вследствие внешнего воздействия [17]. Очевидно, что два этих явления (коррозия и деградация) неразрывно связаны между собой и должны описываться с единых позиций, в первую очередь с термодинамических.
Для любой гетерогенной системы объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики, в которое входят основные виды энергии, можно записать в следующей форме:
ДG = -SdT + VdP + оds + ЪуцДп + фdq + ..., где ДG - энергия Гиббса; S - энтропия; Т -температура; V - объем; Р - давление; о - поверхностное натяжение; s - площадь поверхности; - химический потенциал компонента 1; п - число молей /; ф - электрический потенциал; q - количество электричества.
Из данного уравнения вытекает глубокая взаимосвязь тепловых, механических, физических, химических, электрических, поверхностных и других видов энергии. Это означает, что управлять, например, тепловыми процессами можно через механические, химические, электрические и другие виды энергетических воздействий на систему. Все перечисленные воздействия в то же время могут являться источниками и причинами коррозии.
Любые структурные или физико-химические превращения в твердых телах, жидкостях, расплавах, газах и биологических тканях при воздействии активных веществ, росте или размножении клеток, ферментации, денатурации белков, изменении давления, температуры и концентрации примесной фазы, включая полимодальную концентрационную зависимость влияния химически активных веществ при обычных и сверхмалых дозах, кристаллизации из расплава или аморфного состояния, облучении или деформации любой природы, дроблении или агломерации фаз, окислении или восстановлении, адсорбции или десорбции, электрохимическом осаждении или растворении, диффузии и проводимости, освещении и электромагнитном облучении, мартенситных и структурных превращениях и т. д. определяются механизмами микропластической деформации на границах раздела фаз. Отсюда следует, что под элементарным актом коррозии и деградации материалов следует понимать разрыв старых связей, обеспечивающих целостность первоначальной структуры, причем это может происходить любым путем, под действием как внешних, так и внутренних факторов.
Исследования, выполненные в последние 30-50 лет многими научными школами [1824], показали, что причиной разрушения бетонов и сооружений на их основе при сульфатной коррозии является не только образование и скопление в цементном камне кристаллов гипса и эттрингита, но и образование минерала таумасита при совместном действии сульфатной и углекислотной агрессии. Таума-сит представляет собой сходный с эттригитом минерал. Образованию таумасита особенно способствует температура около 4 °С и достаточное поступление сульфатных и карбонатных анионов. Формула таумасита имеет вид [CaзSi(OH)6](SO4)(SOз)•12H2O, он представляет собой тройную соль CaH2SiO4•CaSO4CaCOз•14H2O. Известно, что в районах с холодным климатом с внутренней стороны стен отапливаемых зданий карбонизация протекает в 2,5 раза интенсивнее, чем на открытом воздухе. Одной из причин интенсификации процессов карбонизации является значительное увеличение растворимости углекислого газа в воде при низких температу-
рах. Вероятность образования таумасита при этом значительно возрастает при использовании в качестве замедлителя схватывания портландцемента двуводного гипса.
В последнее время с целью повышения прочности цементного камня и бетонов на его основе получило широкое распространение применение добавки микрокремнезема. Однако еще в 30-х гг. прошлого века в некоторых районах США было обнаружено, что бетон многих сооружений (цементобетонные покрытия дорог, аэродромов, опоры мостов, гидротехнические конструкции и др.) через несколько лет после их постройки начинал разрушаться при отсутствии всякого агрессивного воздействия внешней среды, кроме дождевой воды. Оказалось, что разрушение происходило во всех случаях, когда для приготовления бетона применялись горные породы, содержащие аморфный кремнезем. Добавки микрокремнезема способствуют снижению пористости, повышению прочности цементного камня, особенно в ранние сроки твердения. Продуктом первичного взаимодействия микрокремнезема с известью, выделяющейся при гидратации трехкальциевого силиката, является фаза состава CaHзSiO4(OH). При взаимодействии с гипсом, содержащимся в цементе, или сульфатными ионами из внешней среды и дальнейшей карбонизации образуется таумаситовая фаза. Таким образом было установлено, что цементный камень, образующийся при гидратации цемента с добавкой микрокремнезема, характеризуется более низкой стойкостью против углекислотной коррозии [25].
Проведенный выше анализ воздействия переменных факторов окружающей среды на взводимые объекты и сооружения показывает, что неучет их влияния на работоспособность и функционирование объектов транспортных коммуникаций не только является ошибочным, но и представляет серьезную опасность при эксплуатации.
Целью настоящей работы является критическое обобщение исследований отечественных и зарубежных авторов, посвященных разработке мероприятий по защите мостовых и железобетонных конструкций, автомобильных и аэродромных цементобетонных покрытий, железнодорожных путей, уникальных зданий и сооружений, метрополитенов от углекислотной и
сульфатной коррозии и, как следствие, повышению долговечности их службы. Рассмотрим более подробно негативное воздействие угольной кислоты на цементный камень и бетоны.
Главными факторами, влияющими на степень углекислотного воздействия на цементный камень, являются относительная влажность, температура окружающей среды, состав продуктов гидратации вяжущего в бетоне и его пористость.
При взаимодействии цемента с водой в результате протекания реакций гидратации образуется 30-35 % гидроксида кальция (порт-ландита), который вместе с эттрингитом формирует первичный кристаллический состав цементного камня. Свободное поровое пространство этого каркаса постепенно заполняется более тонкодисперсными продуктами гидратации - гидросиликатами, гидроалюминатами и гидроферритами кальция. Исследования [26-30] показывают, что все соединения цементного камня нестабильны по отношению к углекислоте. Отсюда вытекает, что все продукты гидратации цемента способны реагировать с углекислотой с образованием новых фаз. В результате образуется карбонат кальция, а при избытке ионов СО3- - водорастворимый гидрокарбонат кальция, который способен вымываться из цементного камня. При значительном количестве свободной извести возможно образование гидроксокарбо-ната кальция СаОШСаСО3пШ0 - минерала дефернита, а также гидрокарбоалюмината кальция 3СаО-АЬ03-СаС03-12Ш0.
Процесс гидратации минералов-силикатов, продолжающийся и в условиях службы бетонов, в целом может быть представлен в виде нескольких этапов, которые зависят от условий гидратации, наличия добавок в составе вяжущего и последующего влияния окружающей среды. Многие химические вещества, введенные в виде добавок, способны взаимодействовать со всеми видами кальциевых солей кремниевых кислот, образуя двойные соли. Соединения такого типа играют значительную роль при формировании фазового состава продуктов гидратации клинкерных минералов. Для определения скорости и степени карбонизации продуктов гидратации портландцементов различных предприятий, помимо естественной карбонизации, использовался метод принудительной карбонизации
гидратированных проб цементов при давлении углекислого газа 0,4 МПа. Определение выполнено для четырех проб цементного камня, полученных при твердении в нормальных условиях в течение 28 сут цементного теста, изготовленного из бездобавочных порт-ландцементов на основе клинкеров четырех цементных заводов: Ангарского, Голухин-ского, Искитимского и Топкинского. Добавка гипса во всех цементах составила 5 %. Модульные характеристики и расчетный минеральный состав клинкеров приведены в таблице. Кинетика процессов карбонизации гид-ратированных цементов показана на рисунке, на котором представлено изменение количества углекислого газа, связанного в процессе карбонизации продуктами гидратации 1 г клинкера. Степень карбонизации цементного камня определялась как отношение количества углекислого газа, связанного в процессе карбонизации, к тому количеству СО2, которое теоретически может быть связано при полном превращении в СаСО3 всего способного карбонизироваться гидроксида кальция в составе цементного камня. На начальном этапе процесс карбонизации протекает очень активно, и уже в первые 2,5 ч количество связанного СО2 составляет от 80 до 150 мг на 1 г клинкера. За 144 ч (6 сут) связывается от 200 до 550 мг СО2 / г клинкера. При этом степень карбонизации цементного камня составляет от 55 до 75 %. После карбонизации во всех пробах отсутствует свободный гидрок-сид кальция.
Анализ данных рисунка и таблицы показывает, что в большей степени подвергаются карбонизации продукты гидратации цемента 3. Объяснить это можно повышенным, по сравнению с другими цементами, суммарным содержанием минералов-алюминатов (С3А + + C4AF = 21,5 %). Наименее подвержены карбонизации продукты гидратации цемента 1, который содержит наименьшее количество минерала CзS = 48,5 % при общем содержании в нем минералов-силикатов 71,5 %, в то время как в других цементах они содержатся в пределах 75,3-75,7 %. Из этого следует, что при гидратации цементов, содержащих повышенное количество минералов-силикатов, образуется большее количество гидроксида кальция, который наиболее активно взаимодействует с СО2 с образованием более плотного карбоната
Состав клинкеров различных цементных предприятий
Проба Завод п Кн Минеральный состав,%
Р CзS C2S С3А С4АР СаОсвоб
1 Ангарский 2,24 1,39 0,87 48,5 23,0 8,0 12,0 0,46
2 Голухинский 2,21 1,25 0,90 57,4 18,0 7,0 13,0 0,50
3 Искитимский 2,05 1,20 0,91 59,3 16,0 7,3 14,2 0,15
4 Топкинский 2,25 1,33 0,92 61,2 14,5 7,4 12,3 0,52
Примечание. В таблице обозначено: п - силикатный модуль; р - глиноземистый модуль; Кн - коэффициент насыщения; CзS - (3СаО^Ю2); C2S - (2СаО^Ю2); СзА - (3СаО-АШз); C4AF -(4Са0^АЮз^е20з).
Кинетика карбонизации гидратированного в нормальных условиях в течение 28 сут цементного камня,
изготовленного из цементов заводов: 1 - Ангарского; 2 - Голухинского; 3 - Искитимского; 4 - Топкинского
кальция, что приводит к появлению дополнительного объема усадочных пор.
В работах [31-37] также показано, что карбонатные добавки кальция и магния активно участвуют в процессах гидратации цемента. Уменьшение объема твердеющей системы в значительной степени распределяется по всему цементному камню в виде пор и капилляров. Цементный камень, полученный при гидратации цемента с карбонатной добавкой (10 %), связывает меньшее количество углекислоты в процессе карбонизации и характеризуется пониженной карбонизационной усадкой. Уменьшение объема при гидратации цемента с добавкой происходит более активно на начальных стадиях твердения, когда система сохраняет определенную подвижность. Со временем скорость реакции гидратации цемента снижается, а угольная кислота активно взаимодействует с гидратными фазами. На поверхности частиц цемента протекают совмещенные процессы про-
должающейся гидратации и карбонизации возникших новообразований.
Таким образом, можно считать, что карбонизационная усадка имеет химическую природу и является разновидностью контракци-онной усадки. Так же как и контракционная, карбонизационная усадка является необратимой. Если причиной контракционной усадки является протекание периодических физико-химических процессов трансформации первичных коллоидных продуктов гидратации в более плотное состояние, то природа карбонизационной усадки заключается в химическом взаимодействии продуктов гидратации с углекислотой. При протекании реакции Са(ОЦЬ + + СО2 = СаСО3 + Н2О происходит превращение портландита Са(ОН)2 с плотностью р = 2,23-2,24 г/см3 в карбонат кальция с плотностью р = 2,71-2,82 г/см3, в результате чего плотность материала увеличивается на 21,525,9 %, что сопровождается уменьшением
объема твердой фазы и усадкой. При действии избыточного количества агрессивной углекислоты протекает реакция образования растворимого гидрокарбоната кальция СаСО3 + + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2, который принимает участие в карбонизации гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и образовании гид-росиликоалюминатов кальция 3Са0АЬ03(1-3)CaSi0з•(12-31)H20 и гидрокарбоалюмина-тов кальция 3Са0А1203 (1-3)СаС03(12-31)Н20. Определение полной величины карбонизационной усадки строительных материалов, изготавливаемых на основе минеральных вяжущих веществ, показало, что она значительно превышает влажностную усадку и приводит к возрастанию общей величины усадочных деформаций строительных материалов в процессе их службы. Для цементного камня с усадкой при высыхании, равной 0,25 мм/м, карбонизационная усадка составляет 2,3 мм/м; для автоклавного газобетона с усадкой при высыхании, равной 0,75 мм/м, -2,8 мм/м; для силикатного кирпича с усадкой при высыхании, равной 0,4 мм/м, - 3,2 мм/м. В различных условиях службы строительных объектов процесс карбонизации завершается через 12-17 лет.
На основе проведенных исследований причин контракционной и карбонизационной усадки на примере силикатного кирпича и цементного камня установлено, что основной причиной контракционной усадки является уменьшение плотности продуктов взаимодействия твердой и жидкой фаз в процессе гидратации и увеличение объема этих продуктов. Причина карбонизационной усадки состоит в превращении гидроксида в карбонат кальция в затвердевших продуктах гидратации. На примере цементного камня показано, что более достоверные и наглядные результаты можно получить при использовании объемного фазового состава исследуемых материалов. Протекание физико-химических процессов при углекислотной коррозии цементного камня и бетона сопровождается химическим взаимодействием СО2 с первичными продук-
тами гидратации (портландитом, эттринги-том, гидросиликатами и гидроалюминатами кальция), приводящим к образованию продуктов с более высокой плотностью, уменьшению объема твердой фазы и усадке. Поэтому необходимо учитывать негативное действие коррозионных процессов, протекающих под действием углекислого газа в воздушной среде, тем более что содержание его в атмосфере постоянно увеличивается. Можно утверждать, что карбонизационная усадка имеет химическую природу, являясь разновидностью контракционной усадки.
Особенность углекислотной коррозии состоит в том, что ее трудно предотвратить, поэтому необходимо создать такие условия при получении и службе материалов, при которых она в большей степени протекает в начальные периоды твердения, пока структура получаемого материала сохраняет некоторую подвижность. К мерам, способным повысить стойкость строительных материалов к углекислот-ной коррозии в процессе их службы, может быть отнесено использование комплексных модифицирующих добавок. Такие добавки, например доломит и известняк, можно применять как составную часть коррозионно-стойких композиционных портландцементов, изготавливаемых на основе клинкеров рядового минералогического состава, либо вводить в состав бетонных смесей с целью повышения коррозионной стойкости. Согласно известному принципу Ле Шателье, введение в зону реакции одноименного иона с продуктами этой реакции приводит к замедлению процесса образования продуктов реакции, что является теоретической основой полученных авторами экспериментальных данных и лежит в основе механизма происходящих процессов.
Таким образом, без учета воздействия переменных факторов окружающей среды невозможно эффективное повышение долговечности мостовых железобетонных конструкций, автомобильных и аэродромных цементо-бетонных покрытий, уникальных зданий и сооружений.
Библиографический список
1. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В. М. Москвин, Ф. М. Иванов, С. Н. Алексеев, Е. А. Гузеев. М. : Стройиздат, 1980. 536 с.
2. Проблемы долговечности цементных бетонов / П. Б. Рапопорт, Н. В. Рапопорт, А. В. Кочетков [и др.] // Строительные материалы. 2011. № 5. С. 38-41.
3. СП 34.13330.2021. Автомобильные дороги / М-во регион. развития Рос. Федерации. М., 2020. 106 с.
4. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд / Гос. служба дорож. хоз-ва М-ва транспорта Рос. Федерации. М. : Информавтодор, 2001. 145 с.
5. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги : зарег. Росстандартом в качестве СП34.1330.2010 / Госстрой СССР. М. : ЦИТП Госстроя СССР, 2004. 56 с.
6. Алексиков С. В., Волченко Ф. В. Районирование г. Волгограда по условиям зимнего содержания // Материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства». Волгоград : Изд-во Волгоград. гос. архит.-строит. ун-та, 2013. С. 46-52.
7. Боброва Т. В., Коденцева Ю. В. Районирование территорий по климатическим характеристикам для обоснования ресурсоемкости зимнего содержания сети дорог // Вестник Иркут. гос. техн. ун-та. 2006. № 1. С. 72-78.
8. Гулько О. Н. Дорожно-климатическое районирование территории Крайнего Севера европейской части России с наличием многолетнемерзлых грунтов : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11. М., 2005. 26 с.
9. Ефименко С. В. Развитие теоретических положений учета особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог : дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.11. Новосибирск, 2016. 462 с.
10. Круглое А. Г. Совершенствование системы регионального дорожно-климатического районирования с учетом влияния грунтово-почвенных составляющих (на примере Астраханской области) : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11. Волгоград, 2006. 23 с.
11. Ярмолинский А. И., Ярмолинский В. А. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока. Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2005. 197 с.
12. Козлова В. К., Логвиненко В. В., Саркисов Ю. С. Об основных техногенных факторах, влияющих на экологическую обстановку // Sciences of Europe. 2019. № 45-3. Р. 33-36.
13. Рутман М. Г. Проблемы подтопления г. Томска // Роговские чтения. Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии урбанизированных территорий : материалы Всерос. конф. с междунар. участием, посвящ. 85-летию со дня рождения проф. Г. М. Рогова. Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2015. 342 с.
14. Матвиенко О. В., Базуев В. П., Чурилин В. С. Моделирование напряжений и деформаций дорожных покрытий // Дороги и мосты. М., 2016. № 36/2. С. 139- 153.
15. Efferts of Sodium Chloride on Acidic Nanoscale Pores Between Steel and Cement / R. Olsen, K. N. Leirvik, B. Kvamme, N. Kuznetsova // Journal of Physical Chemistry. 2016. Vol. 120, Iss. 51. P. 29264-29271.
16. Вольф А. В., Божок Е. В., Козлова В. К. О необходимости повышения требований к показателям, характеризующим долговечность силикатного кирпича // Стройсиб 2016 : сб. науч. тр. Новосибирск, 2016. С. 37-41.
17. Влияние карбонатных добавок на усадочные деформации цементного камня / Ю. С. Саркисов, В. К. Козлова, Е. В. Божок [и др.] // Техника и технология силикатов. 2004. Т. 25, № 1. С. 7-11.
18. Rao N. V., Meena T. A review on carbonation cement carbon dioxide // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 263, Iss. 3. P. 032011.
19. Effekt of carbonic acid water on the degradation of Portland cement paste: Corrosion process and kinetics / S.-H. Yin, Y.-F. Yang, T.-S Zhang [et. al.] // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 91. P. 39-46.
20. Simulation of stresses in asphalt-concrete pavement with frost heaving / V. Churilin, S. Efimenko, O. Matvienko, V. Bazuev // MATEC : Web of Conferences. 2018. Vol. 216. Р. 01011. URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/ 201821601011 (дата обращения: 06.10.2021).
21. Savija B., Lukovic M. Carbonation of cement paste: Understanding, challeges, and opportunities // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 117. P. 285-301.
22. Carbonation of concrete taking into account the cracks in the protective concrete layer / T. Z. Gilmutdinov, P. A. Fedorov, V. M. Latypov [et. al.] // Journal of Engineering and Applied Scienes. 2017. Vol. 12, Iss. 15. P. 4406-4413.
23. Coupled effect of CO2 attack and tensile stress on well cement under CO2storage conditions / T. Gu, X. Guo, Z. Li [et. al.] // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 130. P. 92-102.
24. Pan H., Yang Z., Xu F. Studi on concrete structures durability considering the interaction of multi-factors // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 118. P. 256-261.
25. Федосов С. В., Базанов С. М. Сульфатная коррозия бетона. М. : Изд-во Ассоц. строит. вузов, 2003. 168 с.
26. Patel V. N., Shah N. Durability study of binary blendet high performance concrete // Indian Concrete Journal. 2016. Vol. 90, Iss. 10. P. 24-31.
27. Козлова В. К., Карпова Ю. В. О составе продуктов гидротермального синтеза и их устойчивости при действии углекислого газа // Резервы производства строительных материалов : материалы междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Барнаул : Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 1997. С. 37.
28. Aguirre-Guerrero A. M., Mejia-De-Gutierrez R., Montes-Correia M. J. R. Corrosion performance of blended concretes explosed to different aggressive environments // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 121. P. 704-716.
29. Физико-химические процессы при углекислотной коррозии строительных материалов и природа карбонизационной усадки / В. К. Козлова, В. А. Лотов, Ю. С. Саркисов [и др.] // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. Т. 21, № 3. 2019. С. 178-184.
30. Elgalhud A. A., Dhir R. K., Ghataora G. S. Carbonation resistance of concrete: Limestone addition effect // Magazine of Concrete Research. 2017. Vol. 69, Iss. 2. P. 84-106.
31. Способ повышения долговечности мостовых железобетонных конструкций за счет использования бетонов, устойчивых к карбонизации / В. К. Козлова, А. В. Вольф, В. О. Мотуз [и др.] // Дороги и мосты. 2020. № 1 (43). С. 113-127.
32. Effects of H2S and CO2 on cement/casing interface corrosion integrity for cold climate oil and gas well applicatios / Beck J., Feng R., Hall D. M. [et. al.] // ECS Transactions. 2016. Vol. 72, Iss. 17. P. 107-122.
33. Patel V. N., Shah N. Durability study of binary blendet high performance concrete // Indian Concrete Journal. 2016. Vol. 90, Iss. 10. P. 24-31.
34. Pan H., Yang Z., Xu F. Studi on concrete structures durability considering the interaction of multi-factors // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 118. P. 256-261.
35. Малова Е. Ю. Композиционные портландцементы с карбонатсодержащими добавками и бетоны на их основе: дис. ... канд. техн. наук : 05.17.11. Томск, 2015. 182 с.
36. Ефимов В. И., Воробьев А. А. Роль карбонатных микронаполнителей в цементных бетонах // Материалы научно-практического семинара «Проблемы создания композиционных материалов из отходов промышленности». Новокузнецк : Сиб. гос. индустриал. ун-т, 2001. С. 12-18.
37. Влияние карбонатсодержащих добавок на свойства композиционных цементов / В. К. Козлова, А. М. Маноха, А. А. Лихошерстов, Е. Ю. Малова // Цемент и его применение. 2012. № 3. С. 53-57.
V. K. Kozlova, V. V. Logvinenko, E. V. Bozhok, Yu. S. Sarkisov, N. P. Gorlenko, S. V. Efimenko
Ensuring Durability of Reinforced Concrete Bridge Structures, Road and Airfield Cement Concrete Pavements, Unique Buildings and Structures with the Account of Transient Environmental Factors
Abstract. Relevance of the research is ensured by studying the issue of durability of unique buildings and structures, reinforced concrete bridge structures and cement concrete pavements of roads and airfields affected by transient environmental factors, specifically aggressive and destructive impact of carbon dioxide on building materials and products.
The study is aimed at identifying the causes of building materials fracture under carbonization in air and suggesting methods to reduce these impacts.
As a result of the study the mechanism of carbon dioxide action on hardened cement paste hydration products were determined. The hydration products were found to transit to harder states with volume reduction and occurrence of shrinkage strains that lead to material structure discontinuity and even its fracture.
The study demonstrates that negative impact of shrinkage processes can be reduced and carbonization corrosion can be prevented by adding of sand-lime binders of carbonaceous rocks, such as limestone or dolomite, to the cement content.
Key words: transport communications; reinforced concrete structures; cement concrete pavements; carbon dioxide and sulphate corrosion; shrinkage strain; carbon-based admixtures; cement; concrete; hardening; hydration; durability; environment; negative factors; strength.
Козлова Валентина Кузьминична - доктор технических наук, профессор кафедры строительных материалов Алтайского государственного технического университета. E-mail: kozlova36@mail.ru
Логвиненко Владимир Васильевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теплога-зоснабжения и вентиляции Алтайского государственного технического университета. E-mail: logvinvv@mail.ru
Божок Евгения Витальевна - аспирант кафедры строительных материалов Алтайского государственного технического университета. E-mail: eeshka@mail.ru
Саркисов Юрий Сергеевич - доктор технических наук, профессор кафедры физики, химии и теоретической механики Томского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: Sarkisov@tsuab.ru
Горленко Николай Петрович - доктор технических наук, профессор кафедры физики, химии и теоретической механики Томского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: gorlen52@mail.ru
Ефименко Сергей Владимирович - доктор технических наук, декан дорожно-строительного факультета Томского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: svefimenko_80@mail.ru
