CC BY
19УДК 69.059.4:625.84
С.Н. ТОЛМАЧЕВ, И.Г. КОНДРАТЬЕВА, кандидаты техн. наук, А.В. МАТЯШ, инженер, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет (Украина)
Особенности морозно-солевого воздействия на свойства аэродромного бетона
Долговечность для дорожных и аэродромных бетонов является одной из основных характеристик. Основным показателем долговечности, который определяет срок службы бетонного изделия или конструкции, является морозостойкость. У некоторых исследователей и большинства производственников сложилось мнение, что морозостойкость бетона, в том числе дорожного, гарантированно обеспечивается повышением их прочности или введением воздухововлекающих добавок. Следует сказать, что для дорожных бетонов оно явно ошибочно.
В результате многолетних исследований установлено, что состав бетона нужно рассчитывать с учетом не только механических сил (нагрузок), но и влияния окружающей среды. Существует несколько распространенных основных теорий морозного разрушения дорожного бетона.
По одной из гипотез, предложенной Р. Коллинзом, разрушение происходит в результате непосредственного давления кристаллизующегося льда на стенки пор. Критикуя эту гипотезу, Г.И. Горчаков [1], В.М. Москвин [2] и другие ученые показали, что кристаллизационное давление в общем случае не является основной причиной разрушения бетона, а возможно как частный случай. Согласно гипотезе Н.А. Житкевича [3] морозное разрушение происходит из-за того, что на стенки пор давит не сам лед, а вода, на которую передается давление образующегося льда. В пользу большей корректности этой гипотезы можно отнести тот факт, что вода, заполняющая капиллярные поры, не может, как правило, полностью превратиться в лед из-за отсутствия необходимого объема, а также ввиду невозможности ее превращения в лед в капиллярах с радиусом менее 10 м при температуре испытания.
Интересна гипотеза разрушения бетона из-за разницы коэффициентов линейного термического расширения его компонентов. Поскольку заполнители и цементный камень имеют различные коэффициенты термического расширения, гипотеза рассматривает возникающие напряжения как один из важнейших факторов возникновения и развития деструкции в бетоне. При отрицательной температуре термическая несовместимость компонентов резко усиливается ввиду того, что коэффициент термического расширения льда в 3—7 раз больше, чем бетона. Эта гипотеза получила развитие в работах В.М. Москвина, М.М. Капкина, Б.М. Мазура, А.М. Подвального и др. Однако температурные напряжения играют главенствующую роль в разрушении бетона, не насыщенного влагой, что не характерно для дорожного бетона, особенно в зимний период. В этом случае речь может идти скорее о термостойкости, а не о морозостойкости бетона [4].
В то же время рассмотренные выше гипотезы не могут объяснить ряд явлений, наблюдаемых при действии отрицательной температуры на бетон. Например, при увеличении скорости замораживания разрушение бетона ускоряется, в то время как давление льда при этом не возрастает. Более того, морозное разрушение бетона наблюдается в том случае, когда поры заполнены водой менее чем на 90%.
Отмеченные явления объясняет гипотеза гидравлического давления Т. Пауэрса [5]. В соответствии с ней главной причиной разрушения бетона при попеременном замораживании и оттаивании является гидравлическое давление, создаваемое в порах и капиллярах бетона под влиянием замерзающей воды в результате сопротивления гелевой составляющей цементного камня. Убедительным аргументом этой гипотезы считается то, что она объясняет механизм защитного действия воз-
Рис. 1. Зависимость прочности насыщенного 5% раствором N8^ бетона от количества циклов замораживания и оттаивания: 1 - состав 1; 2 - состав 2; 3 - состав 3; 4 - состав 4
Рис. 2. Зависимость прочности бетона, насыщенного антигололедным реагентом Взлет-1, от количества циклов замораживания и оттаивания: 1 - состав 1; 2 - состав 2; 3 - состав 3; 4 - состав 4
г: JbHU:
научно-технический и производственный журнал
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
54,56
- 2 49,48
- 48,926
44,5 4 3 У
/ 41,799/_ 41,871
39,74 / 40,2 40,765 40,65
38,76,,--
38,7 ______38,1 38,827 \_1_
3548—"-"" 1
100
Количество циклов
200
300
Рис. 3. Зависимость прочности бетона, насыщенного антигололедной жидкостью АРКТИКА-ДГ тип 1, от количества циклов замораживания и оттаивания: 1 - состав 1; 2 - состав 2; 3 - состав 3; 4 - состав 4
Компоненты составов Амвросиевский цемент Балаклейский цемент
1 2 3 4
Цемент, кг/м3 380 380 380 380
Песок, кг/м3 600 600 600 600
Щебень фр. 5-10, кг/м3 760 760 760 760
Щебень фр.10-20, кг/м3 500 500 500 500
Добавки, % массы цемента FM-21 0,7 0,7 0,7 0,7
Lp-75 0,12 - 0,12 -
Вода, л/м3 141,3 141,3 141,3 141,3
Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа 38,7 44,5 35,48 39,74
душных пор: при их достаточном количестве в бетоне избыточная вода оттесняется в эти поры без нарушений структуры бетона. Разрушение бетона происходит тогда, когда объем условно замкнутых пор заполнен водой и они не могут выполнять функции резервных. В соответствии с гипотезой гидравлического давления напряжения, возникающие в бетоне, будут пропорциональны скорости замораживания, количеству вытесняемой жидкой фазы и ее вязкости и обратно пропорциональны проницаемости цементного камня.
Эти теории морозостойкости базируются только на основе современных гипотез о причинах и механизме разрушения бетона при совместном действии на него воды и мороза, но не учитывают влияния антигололедных реагентов и солей.
Покрытия взлетно-посадочных полос, рулежных дорожек, стоянок и перронов устраивают из цементобетона, поэтому актуальным вопросом является повышение долговечности таких покрытий. Они должны быть устойчивы к одновременному воздействию отрицательной температуры и агрессивных солевых растворов и реагентов, которые применяются для поверхностной обработки самолетов и взлетно-посадочной полосы. Сотрудниками кафедры ТДСМ ХНАДУ проводится научное сопровождение устройства верхних слоев бетонных аэродромных покрытий международного аэропорта Харькова.
Например, при эксплуатации аэродромных покрытий для удаления льда и предупреждения гололеда применяют жидкий антигололедный реагент Взлет-1. Для удаления снежно-ледяных отложений на поверхности самолетов, для кратковременного предотвращения обледенения применяют жидкость АРКТИКА-ДГ тип 1. В состав этих реагентов входят агрессивные для бетона ионы SО42-, С1-, РО43-.
Для проведения исследований морозостойкости бетона экспериментальные работы проводили по оригинальной методике испытаний в водных растворах вышеуказанных реагентов с учетом основной методики испытания на морозостойкость бетонов. А для испытания морозостойкости по ДСТУ Б В.2.7-47—96 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» применяли 5% раствор хлорида натрия.
В исследованиях использовали материалы: гранитный щебень фракций 5—10 и 10—20 мм Новгородского карьера, вознесенский песок (Мкр = 2,4), цементы ПЦ1—500 Амвросиевского и Балаклейского заводов. Для данных материалов были подобраны составы по принципу обеспечения наибольшей плотности (см. таблицу). В составы бетонных смесей вводили суперпла-
стификатор FM-21 и воздухововлекающую добавку Lp-75 производства Германии. Количество введения воздухововлекающей добавки в бетонную смесь базируется на выполненных ранее исследованиях [6, 7].
Проведенные исследования показали, что введение в составы бетонных смесей 1 и 3 воздухововлекающей добавки Lp-75 приводит к уменьшению средней плотности на 5%. Прочность бетона в возрасте 28 сут с воздухововлекающей добавкой меньше, чем у бетонов без нее: в составе 1 — на 13% по сравнению с составом 2, в составе 3 — на 11% по сравнению с составом 4 (см. таблицу). Введение воздухововлекающей добавки также привело к увеличению водопоглощения, которое выросло на 17% у образцов состава 1 по сравнению с образцами состава 2 без воздухововлекающей добавки и на 16% у образцов состава 3 по сравнению с образцами состава 4 без воздухововлекающей добавки.
Сравнение составов на разных цементах показало, что с воздухововлекающей добавкой у состава 1 (амвро-сиевский цемент) прочность бетона на 8% больше, чем у состава 3 (на цементе Балаклейского завода). В бетонах без воздухововлекающей добавки прочность бетона на 28 сут твердения у состава 2 (цемент Амвросиевского завода) на 11% больше, чем у состава 4 (на цементе Балаклейского завода).
Исследование морозостойкости бетонов по методике ДСТУ Б В.2.7-47—96 показало, что у образцов составов 1 и 3 с воздухововлекающей добавкой на протяжении всего эксперимента наблюдался прирост прочности, хотя к 300 циклам замораживания и оттаивания на образцах было ярко выражено поверхностное шелушение и потеря массы образцов к концу проведения эксперимента составляла «4,5% (рис. 1). После 300 циклов испытания на морозостойкость у состава 1 прочность бетона была на 26% больше, чем до испытания, а у состава 3 прочность возросла на 48%. У состава 2 (без воздухововлекающей добавки) до конца эксперимента наблюдался незначительный прирост прочности бетона, но образцы после 300 циклов замораживания и оттаивания были без видимых разрушений и потери массы. На образцах состава 4 после 200 циклов замораживания и оттаивания начало появляться поверхностное шелушение и резко падать прочность, а к 300 циклам образцы полностью разрушились.
Исследования показали, что испытание морозостойкости образцов состава 2 (без воздухововлекающей добавки) в реагенте Взлет-1 приводит к падению прочности бетона на 19% без внешних видимых разрушений. Аналогичный же состав 4 (цемент Балаклейского завода) уже до 200 циклов испытания потерял до 23% проч-
0
108
научно-технический и производственный журнал
март 2011
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
наука
ности, и разрушения были ярко выражены. В составах 1 и 3 (с воздухововлекающей добавкой) до 200 циклов замораживания и оттаивания изменения в прочности были незначительны, а затем наблюдалось резкое снижение прочности у состава 3 (на 26%) и прирост прочности в составе 1 (на 15%), но при этом у образцов наблюдались видимые разрушения и поверхностное шелушение.
Также проводили исследования морозостойкости составов 1—4 в антигололедной жидкости АРКТИКА-ДГ тип 1 (рис. 3). После 300 циклов замораживания и оттаивания оказалось, что у образцов не наблюдалось внешних разрушений и на протяжении всего эксперимента продолжался прирост прочности бетона: состав 1 — 8,2%; состав 2 — 22,6%; состав 3 — 14,6%; состав 4 — 23,1.
Таким образом, в ходе эксперимента было выявлено, что различные агрессивные среды по-разному влияют на морозосолестойкость бетона.
Исследование морозостойкости бетона по методике ДСТУ Б В.2.7-47—96 показало, что у бетона с воздухо-вовлекающей добавкой к 300 циклам испытания наблюдался прирост прочности, но при этом было явно выражено поверхностное шелушение и потеря массы образцов составляла 4,5%. У состава бетона на амвросиев-ском цементе без воздухововлекающей добавки к 300 циклам прирост прочности незначительный и внешний вид без изменений. Поэтому более стойкий к воздействию №С1 является состав 2 (бетон без воздухо-вовлекающей добавки).
Насыщение образцов бетона реагентом Взлет-1 и действие отрицательной температуры приводит к падению прочности, и только у состава 1 на амвросиевском цементе с воздухововлекающей добавкой к 300 циклам испытания нет падения прочности и нет видимых разрушений.
У образцов бетонов, насыщенных антигололедной жидкостью АРКТИКА-ДГ тип 1, к 300 циклам замораживания и оттаивания наблюдался прирост прочности. У составов без воздухововлекающей добавки прирост прочности составил 23%, а с воздухововлекающей — до 10%.
Ключевые слова: цементобетон, реагенты, агрессивные среды, воздухововлекающая добавка, водопоглощение, прочность, морозостойкость, морозосолестойкость.
Список литературы
1. ГорчаковГ.И., Капкин М.М., СкрамтаевБ.Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. М.: Изд-во лит. по строительству, 1965. 196 с.
2. Москвин В.М. Коррозия бетона. М.: Стройиздат, 1952. 341 с.
3. Житкевич Н.А. Бетон и бетонные работы. СПб., 1912. 524 с.
4. Капкин М.М., Мазур Б.М. Морозостойкость бетонов при низких отрицательных температурах // Бетон и железобетон. 1964. № 4. С. 7-10.
5. Пауэрс Т.К. Физическая структура портландцемент-ного теста: В кн. «Химия цемента» / Под ред. Х.Ф.У. Тейлора. М.: Стройиздат, 1969. С. 300-319.
6. Толмачов С.Н., Кондратьева 1.Г., Бeлiченко О.А., Матяш Г.В. Морозостши дорожш бетони з оптимь зованим повггряутягненням: В сб. «Сучасш технологи бетону» Ки!в: НД1БК, 2009. С. 553-560.
7. Матяш А.В., Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г., Вялых А.Ю. Взаимосвязь воздухосодержания бетонной смеси и морозостойкости бетона: В сб. «Науковий вюник будiвництва». Хартв: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2010. С. 195-202.
ТЕПЛОТЕХНИКА
ШЕШШШШДЯ ЩйЕРАййРА
Книга «Теплотехника»
С.П. Рудобашта
М.: КолосС, 2010 г. 600 с.
Книга имеет гриф учебника Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и предназначена для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия». В ней изложены все четыре раздела дисциплины «Теплотехника»: техническая термодинамика, основы теории тепломассообмена, теплоэнергетические установки и применение теплоты в отрасли, в данном случае в сельском хозяйстве.
Несмотря на то что книга ориентирована на студентов агроинженерного профиля, она вполне может быть использована и при обучении студентов других специальностей. Это объясняется тем, что в системе высшего образования имеется специальность «Энергообеспечение предприятий», в рамках которой предусмотрена специализация «Энергообеспечение предприятий АПК», подготовка, по которой ведется в настоящее время во многих сельскохозяйственных вузах. Поэтому учебник написан с таким расчетом, чтобы быть использованным и при обучении студентов по этой специальности, входящей в направление «Теплоэнергетика». В этой связи в нем расширена как теоретическая часть теплотехники, так и прикладная, касающаяся источников и систем теплоснабжения, тепловых двигателей и нагнетателей, тепломассообменного оборудования и теплотехнических систем предприятий, энергосбережения в теплоэнергетике и теплотехнологиях, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В учебнике имеются главы, посвященные вентиляции и кондиционированию воздуха в помещениях зданий и сооружений, а также отоплению зданий и помещений, что имеет прикладное значение непосредственно для специальностей строительного профиля.
Другой спецификой учебника является углубленное рассмотрение основ теории массообмена. Следует отметить, что вопросы мас-сообмена в учебниках по теплотехнике традиционно освещаются слабо. В прикладной части учебника, касающейся вопросов применения теплоты, автором учтены изменения последних лет в нормативных документах (СНИП, СП и др.), даны сведения о новых материалах и устройствах, характеризующихся повышенными теплотехническими показателями, отражающими современные достижения в этой области. В разделе, рассматривающем теплоэнергетические установки, описаны их современные конструкции и тепловые схемы, позволяющие повысить энергетическую эффективность. Большое внимание в учебнике уделено вопросам энергосбережения и энергоэффективности, применению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, что представляется весьма важным с точки зрения современной технической политики.
С.В. Федосов,
ректор Ивановского государственного архитектурно-строительного университета,
д-р техн. наук, академик РААСН
г: JbHU:
научно-технический и производственный журнал
