Влияние окружающей среды на прочность бетона

Твердение бетона осуществляется:

1) в нормальных условиях, φ>95%

3) в условиях пониженной влажности

Твердение бетона под водой допускается по достижении блоком плотности 0,5 МПа – это благоприятное условие твердения, но:

А) длительное твердение блока под водой (несколько месяцев) может отрицательно повлиять на морозостойкость в следствие высокой степени насыщения бетона водой.

Б) прочность бетона после трехлетнего пребывание в воде снижается примерно на 20% сравнении с нормальными условиями и остается постоянными. Снижение прочности происходит в следствии расклинивающего действия воды (эффект Ребиндера).

Твердение бетона при пониженной влажности, φ

Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

источник

При возведении монолитных конструкций на строительной площадке бетон твердеет в условиях, которые зависят от времени года и климатических особенностей местности. На набор прочности бетоном большое влияние оказывают температурно-влажностные условия твердения. Снижение влажности воздуха вызывает испарение воды с поверхности отформованного бетонного изделия, что приводит к появлению усадочных трещин, обезвоживанию бетона, прекращению набора прочности в условиях дефицита воды (рис. 6.7) и формированию дефектной, водопроницаемой структуры. Поэтому бетон необходимо выдержать во влажном состоянии при нормальных условиях температура (20 ± 3)°С, влажность (95 ± 5)% не менее 7 суток после бетонирования, а при высоких температурах твердения до достижения 50 – 70% нормируемой прочности.

Рис. 6.7. Влияние условий хранения на нарастание прочности бетона [4]:

1 – постоянно водное хранение; 2 – постоянно воздушное хранение; воздушное хранение после начального водного хранения: 3 – 3 сут; 4 – 7 сут; 5 – 14 сут; 6 – 28 сут

Снижение температуры твердения, что имеет место при производстве бетонных работ в осенне-весенний период вследствие уменьшения химической активности воды затормаживает процесс набора прочности (рис. 6.8), что в большей степени характерно для пуццоланового портландцемента и шлакопортландцемента, содержащих большое количество минеральных добавок.

Установлено, что при понижении температуры до отрицательной
(– 5°С) твердение бетона очень замедленно продолжается за счет незамерзающей воды, которая содержится в мельчайших порах (см. рис. 6.8). Дальнейшее понижение температуры до – 10°С и ниже прекращает процесс гидратации. Последующее нарастание прочности при оттаивании бетона и набор нормируемой прочности зависят от происшедших структурных изменений в бетоне. Если замораживание наступило сразу после укладки бетона в конструкцию, то дальнейшее повышение температуры приводит к оттаиванию бетона и набору им заданной прочности. Если бетон замерз после набора той «критической» прочности, когда сформировавшаяся структура бетона уже способна к восприятию без разрушения давления замерзающей воды, то потери конечной прочности будут малы. Значительный недобор прочности (30 – 40%) может иметь место только при условии замораживания бетона на стадии формирования структуры, когда напряжения, возникающие от давления льда вследствие увеличения его объема по отношению к воде на 9% выше, чем прочность контактов между кристаллическими продуктами гидратации. Происшедшие разрушения не восстанавливаются при последующем твердении в условиях положительных температур, что и влечет за собой формирование дефектной структуры с низкой прочностью.

Рис. 6.8. Нарастание прочности бетона на портландцементе

в зависимости от температуры твердения [14]

Для набора «критической» прочности, которая составляет в зависимости от класса бетона 25 – 50%, применяют комплекс мер: использование высокоэффективных быстротвердеющих портландцементов; снижение расхода воды затворения; введение специальных противоморозных добавок, обеспечивающих гидратацию вяжущего за счет понижения температуры замерзания раствора; теплоизоляцию поверхности свежеуложенного бетона, приготовленного на подогретых заполнителях и воде или с применением противоморозных добавок (метод термоса), а также тепловую обработку с использованием энергии пара, нагретого воздуха или электрического тока. Тепловую обработку применяют и при нормальных условиях твердения, когда хотят получить заданную прочность бетона в более короткий срок. Именно этот технологический прием используют при получении сборного железобетона на заводах. Наибольшее распространение получили следующие методы: термовлажностная обработка при нормальном и повышенном давлениях, электропрогрев и гелиообработка.

Термовлажностную обработку (ТВО)при обычном давлении проводят с использованием специальных герметичных камер, режим работы которых предусматривает повышение температуры до 70 – 95°С в условиях насыщенного пара. Весь процесс можно разделить на четыре основных этапа: предварительная выдержка бетона до начала схватывания; медленный подъем температуры до максимальной заданной; выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение бетонных изделий. Первый этап может составлять от 1,5 до 3,5 часов и зависит от жесткости смеси, вида применяемого цемента и добавок. Так как его продолжительность фактически определяется сроками схватывания и структурообразования, то следовательно при использовании более активных цементов, смесей с малым водосодержанием и добавками ускорителями выдержка минимальна. Применение шлако- и пуццоланового портландцемента, пластичных смесей и добавок пластификаторов, несколько замедляющих процесс гидратации цемента в первые часы контакта вяжущего с водой, требует удлинения этого периода.

Второй этап – подъем температуры характеризуется показателями скорости, которая может составлять от 10 до 30 о С/ч. Чем раньше бетон приобретет минимальную структурную прочность, способную противостоять давлению пара и газообразных продуктов, тем больше может быть скорость подъема температуры. Следовательно, продолжительность этого периода тесно связана с предыдущим. При наличии факторов, обусловливающих сокращение времени выдержки, скорость подъема температуры может составлять 30 о С/ч. Максимальная температура зависит от активности портландцемента (рис. 6.9) и составляет для высокоактивного быстротвердеющего портландцемента 50 – 60 о С, рядового – 70 – 80 о С, шлако- и пуццоланового – 85 – 90 о С. Время изотермии определяется заданной заказчиком прочностью бетона после ТВО, которая, как правило, составляет 50 – 70% нормируемой. В отдельных случаях, когда строителями предусматривается нагружение конструкции расчетной проектной нагрузкой, отпускная прочность соответствует нормируемой – 100% R₂₈. Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает перепад температуры и влажности, вызывающий перемещение воды и пара в еще непрочном бетоне, приводящее к разрыхлению структуры. Поэтому ускорение набора прочности бетоном с использованием ТВО обусловливает формирование более дефектной структуры по сравнению с бетоном, твердевшим в нормальных температурно-влажностных условиях. Как следствие, это ведет
к снижению его водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости. Для исключения влагопотерь с поверхности бетонных изделий при ТВО необходимо использовать рулонные пароизоляционные материалы (полимерные пленки, прорезиненную ткань, рубероид и т.д.), пленкообразующие составы (латексные, водные эмульсии синтетических каучуков), наносимые распылением на поверхность свежеотформованного бетона, иди добавки депрессоры испарения (высшие жирные спирты). Их защитное использование позволяет проводить термообработку продуктами сгорания природного газа без ухудшения свойств бетона.

Рис. 6.9. Кривые нарастающей прочности бетона при пропаривании:

а – для портландцемента; б – для шлакопортландцемента [1]

Уменьшить продолжительность ТВО на 3 – 6 часов и снизить энергоемкость процесса можно путем совмещения интенсивного механического и теплового воздействия на бетон. Применение в период структурообразования механических воздействий (динамометрическая обработка) способствует ускорению набора прочности и повышению плотности бетона. Механическое давление на твердеющую смесь, составляющее 10 – 70 г/см 2 , по рекомендации НИИЖБа может создаваться специальным пригрузом, жесткой крышкой форм, пакетированием изделий или избыточным давлением пара в камере. Один из путей снижения энергозатрат при ТО – применение комплексных добавок, состоящих из ускорителей и суперпластификаторов. Основной эффект последних связан с возможностью снижения расхода воды при сохранении заданной пластичности самого теплоемкого компонента бетонной смеси на 20% и более. Применение этих добавок позволяет не только снизить температуру изотермии, но и отказаться от использования бездобавочных (клинкерных) энергоемких цементов при получении бетонов прочности 60 – 70 МПа, а также уменьшить в 3 – 5 раз продолжительность и интенсивность виброуплотнения.

Повышение температуры ТВО свыше 100°С еще в большей степени ускоряет процесс твердения бетона. Так как гидратация минерального вяжущего может протекать только в присутствии воды, то с целью предупреждения ее вскипания и испарения этот вид термообработки проводят при повышенном давлении. Запаривают бетон в специальных герметичных камерах – автоклавах. Помимо ускорения твердения запаривание приводит к дополнительному образованию кристаллических соединений, повышающих прочность бетона до 50 – 100 МПа. По автоклавной технологииполучают цементные изделия, а также силикатные кирпичи и бетоны,
в которых в качестве вяжущего используют тонкомолотую смесь, состоящую из гашеной или негашеной извести и кремнезема. Полный цикл автоклавной обработки состоит из пяти этапов: впуск пара и постепенный нагрев до 100°С; повышение температуры и давления пара до максимальных значений – соответственно 175 – 203°С и 0,8 – 1,6 МПа; затем выдерживание изделий при заданных температуре и давлении; снижение давления до нормального и температуры до 100 °С и пятый – остывание изделий до температуры окружающей среды.

В качестве источника тепла при производстве сборного железобетона и при зимнем бетонировании монолитных конструкций используют также энергию электрического тока. Электропрогрев бетона может быть осуществлен или за счет прохождения электрического тока по металлической форме и арматуре и перехода электрической энергии вследствие высокого электросопротивления стали в тепловую, или через свежеуложенный бетон между двумя электродами. В этом случае разогрев бетона обусловлен высоким электросопротивлением свежеуложенной смеси, содержащей жидкую фазу, насыщенную электролитами.

В летний период сложность получения качественного бетона с заданными свойствами связана с тем, что, во-первых, при перевозке бетона вследствие ускорения процесса гидратации наблюдается быстрое загустевание бетонной смеси, сопровождаемое потерей ее подвижности, и, во-вторых, высокая температура и низкая влажность воздуха вызывают интенсивное испарение воды с поверхности отформованных изделий. Последнее приводит к появлению усадочных трещин и формированию непрочного поверхностного слоя. Поэтому перевоз бетонной смеси осуществляют в специально оборудованных самосвалах с укрытием бетонной поверхности пленочными материалами или в бетоновозах. Для удлинения времени схватывания вводят добавки – замедлители твердения или часть воды заменяют льдом. При приготовлении и укладке бетонной смеси на месте процесс твердения ускоряют, чтобы бетон успел набрать прочность до испарения воды путем введения добавок – ускорителей твердения или применения быстротвердеющего портландцемента. Поверхность бетона после схватывания покрывают слоем мокрого песка или опилок с последующей защитой их воздухо- и влагонепроницаемым пленочным материалом до набора бетоном 50 – 70 % нормируемой прочности.

В практику строительства все шире внедряют гелиотермообработку железобетонных изделий, при которой в качестве теплоносителя используют солнечную энергию. Для этого применяют или гелиоформы, фокусирующие энергию солнца, или специальные пленочные покрытия черного цвета. Интенсифицировать этот процесс можно также за счет комплексного использования энергии солнца в сочетании с быстротвердеющим цементом и добавками – ускорителями твердения.

Дата добавления: 2016-02-09 ; просмотров: 3789 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

источник

Наши координаты:
143002, Московская область,
Одинцовский район,
г. Одинцово, ул. Южная, д. 5

e-mail: info@labbeton.ru
www.labbeton.ru

д.т.н. проф. Добшиц Л. М., к.т.н. Швецов Н.В., аспирант Николаева А. А., инженер Фэн Кэн Лэ (МИИТ)

Долговечность строительных конструкций является одним из основных факторов, обеспечивающих стабильную работу при эксплуатации железобетонных транспортных сооружений.

В настоящее время срок жизненного цикла железобетонных мостов в различных нормативных документах составляет от 80 до 100 лет. Однако, реальных срок службы таких сооружений оказывается в 2 раза ниже. Существует большое число возможных причин снижения долговечности, происходящей на всех этапах жизненного цикла сооружения. При этом одной из основных причин недостаточной долговечности является качество и свойства используемых материалов.

При эксплуатации железобетонных мостов, путепроводов и других транспортных сооружений выявился существенный недостаток, связанный с большой ползучестью бетонов пролётных строений. К тому же ситуация усугубляется тем, что при этом уменьшается строительный подъём конструкции пролётного строения, который при ремонте пытаются исправить укладкой дополнительных слоёв покрытия. Это приводит к увеличению массы конструкции и, следовательно, увеличению постоянной нагрузки на бетон. Кроме этого, для изготовления колёсоотбойного ограждения часто используются сборные конструкции, которые имеют большие размеры и, соответственно, массу. Такое суммарное воздействие на бетон приводит к повышению растягивающих напряжений в нижней части пролётных строений, превышающих предельную растяжимость бетона, и появлению в ней микротрещин. Эти трещины становятся путями проникновения влаги и агрессивных по отношению к бетону и арматуре коррозионных сред. Начинается коррозия цементного камня бетона и стальной арматуры и морозная деструкция бетона.

Проведёнными ранее исследованиями проанализировано влияние силовых факторов — нагрузки от постоянной нагрузки, движения транспортных средств, различного рода вибрации и т.п. на ползучесть бетона [1]. Также проведены обширные исследования влияния непроявившейся капиллярной усадки цементного камня бетона [2, 3]. Однако проведённые расчёты показывают, что эти факторы не могут вызвать такую большую величину ползучести бетона, которая наблюдается на практике.

По-нашему мнению, значительное влияние на ползучесть бетона пролётных строений транспортных искусственных сооружений оказывают природно-климатические факторы и особенности их работы, которые ранее не рассматривались исследователями. Такими факторами являются циклические изменения влажности и температуры окружающей среды, расположение мостов над водной поверхностью, различная теплоёмкость воды и бетона и скорость их остывания и нагрева, различие в работе нижней и верхней поверхностей пролётных строений.

Бетон является капиллярно-пористым материалом. Для приготовления бетонов железобетонных мостовых сооружений, с целью обеспечения их повышенной морозостойкости, водонепроницаемости и прочности используются высокоактивные тонкомолотые портландцементы [4]. Это предопределяет тонкокапиллярную структуру затвердевшего цементного камня. В связи с этим, при изменении температуры и влажности окружающей среды в бетоне пролётных строений мостов, находящихся над водой, активно протекают процессы перемещения влаги и растворённых в ней веществ внутри бетона.

Условия для нижней и верхней поверхностей пролётных строений отличаются. Изменение внешних условий происходит циклично, ввиду суточного и годового изменения температуры. В теплый период, в дневное время, нижняя часть мостового сооружения находится в зоне пониженной температуры, повышенного давления и повышенной влажности. В то же время верхняя часть будет в зоне повышенной температуры, пониженного давления и пониженной влажности. Это обуславливается различной теплоёмкостью воды, грунты и бетона и распределения влаги по сечению бетона. Теплоемкость воды составляет 4200 Дж/(кг· о С), бетона 1000 Дж/(кг· о С), а средняя теплоемкость почвы 2100-2500 Дж/(кг· о С). В связи с этим, в дневное время температура верхней части конструкций нагревается быстрее, а влага и растворённые в ней вещества по капиллярной системе бетона, перемещается сверху вниз. В ночное время суток ситуация меняется. Температура в нижней части конструкции становится выше, чем в верхней. Влага в таких условиях перемещается снизу вверх. Скорость перемещения и распространения влаги по капиллярной системе увеличивается под влиянием динамической нагрузки, действующей на конструкцию и создающей вибрацию. В период низких положительных температур разница температур и давлений на поверхностях меняется не так значительно, но движение воды по капиллярам всё равно происходит.

Такое циклическое перемещение влаги по капиллярной системе приводит к негативным последствиям – вымыванию Ca(OH)₂ из внутренней части бетона конструкции и перемещению его к внешней поверхности, вблизи которой происходит кристаллизация Ca(OH)₂. Поскольку влага постоянно перемещается в системе, то вымывание продуктов гидратации влечет за собой постепенную потерю прочности внутренней части бетона конструкции.

Вследствие большого количества циклов колебаний внешних условий окружающей среды, такие многократные процессы приводят к изменению в различных частях железобетонных конструкций соотношения кристаллический сросток – тобермаритовый гель в цементном камне бетона. Кристаллический сросток обеспечивает упругую работу цементного камня под нагрузкой, а тобермаритовый гель – обуславливает его пластические свойства. В связи с тем, что железобетонные пролётные строения больших мостов являются предварительно напряжёнными конструкциями, находящимися под постоянным действием нагрузки от предварительного напряжения, снижение объёма кристаллического сростка в цементном камне приведёт к увеличению упругих деформаций бетона, которые проявляются уже как пластические деформации – ползучесть.

Для проверки изложенной гипотезы на кафедре «Строительные материалы и технологии» МИИТа были выполнены исследования по определению влияния циклического изменения температуры и влажности окружающей среды на свойства обычных и предварительно напряжённых бетонов. Они показали, что циклическое изменение влажности снижает прочность бетонов, особенно при изгибе, при этом снижение начинает проявляться после 300 циклов и продолжалось до конца испытаний (800циклов). Ползучесть ненагруженных бетонов увеличилась незначительно, а ползучесть предварительно напряжённых образцов возросла на 10%.

Таким образом, полученные результаты экспериментально подтверждают изложенную гипотезу о влиянии природно-климатических факторов и особенностей расположения пролётных строений транспортных искусственных сооружений над водной поверхностью на ползучесть бетона конструкций.

Выполненные исследования являются пионерными и имеют, в основном, качественный характер. Для получения конкретных количественных значений изменения ползучести для различных составов бетонов и уровней предварительного напряжения требуется проведение дальнейших исследований. При этом можно предложить пути снижения негативного влияния исследуемого явления: нормирование химико-минералогического состава применяемых цементов, направленное регулирование поровой структуры цементного камня путём введения воздухововлекающих и пластифицирующих добавок, введение добавок – центров кристаллизации новообразований формирующейся структуры цементного камня бетонов.

Второй путь снижения ползучести – уменьшение массы пролётного строения путём замены сборных конструкций барьерных ограждений монолитными, что позволяет снизить массу конструкций на 30%.

Для этого разработана технология изготовления монолитного барьерного ограждения в скользящеё опалубке с использованием комплексной добавки суперпластификатор С-3 и поташ (С-3 + К₂СО₃) [5, 6]. Предложенная технология позволяет осуществлять изготовление конструкции высокими темпами (0,3…1,0 п/м ограждения в минуту). При этом, для обеспечения удобоукладываемости бетонной смеси и одновременно пластической прочности бетона после выхода из опалубки, необходимо строго соблюдать определённый режим виброуплотнения и количество водимого поташа. Сохранение требуемой удобоукладываемости и пластической прочности возможно получить только при точном дозировании количества вводимого поташа, которое должно составлять 0,35…0,50% массы цемента.

В то же время применение такой технологии затруднено при ведении работ в зимних условиях. Как известно, поташ может использоваться как противоморозная добавка [7]. Однако при содержании поташа в бетонной смеси в количестве 0,35…0,50% массы цемента позволяет вести бетонирование при температуре не ниже минус 2…5 0 С. С целью обеспечения бетонирования в зимних условия без обогрева, при температуре наружного воздуха до минус 20 0 С, нами предложено в комплексной добавке (С-3 + К₂СО₃) увеличить количество поташа для использования его также и как антифриза. Проведёнными в МИИТе исследованиями установлено, что одновременное обеспечение требуемой удобоукладываемости бетонной смеси, пластической прочности бетона и безобогревное бетонирование в скользящей опалубке может быть осуществлено при введении поташа в комплексной добавке в количестве 12…15%.

Таким образом, предложенные технологии и полученные подтверждающие их результаты позволяют наметить пути снижения ползучести бетонов транспортных и других бетонных конструкция и повысить долговечность бетонных и железобетонных сооружений.

Список использованных источников:

1. Александровский С.В. Расчёт бетонных и железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия. – М.: Стройиздат, 1966. -444 с.
2. Шейкин А.Е. Структура прочность и трещиностойкость цементного камня. –М.: Стройиздат, 1974. -194 с.
3. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов.- М.: Стройиздат, 1979.- 344с.
4. Добшиц Л.М. Долговечность бетона и пути её повышения/ Наука – строительному производству // Сборник научных трудов (к 60-летию института). – М.: НИИМосстрой, 2016. – С. 214…229.
5. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследования реологических свойств бетонных смесей для изготовления дорожных барьерных ограждений методом скользящей опалубки. Строительство и реконструкция. – Орел: 2010. ОрелГТУ. Вып. 2 (28). –С. 67-72.
6. Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Технология изготовления дорожных барьеров методом скользящей опалубки / Транспортное строительство. Москва: 2012. Вып. 1. – С. 18-20.
7. Добшиц Л.М.Повышение долговечности бетонов транспортных сооружений, укладываемых в зимнее время без обогрева (статья)/ Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1999 г./ Сб. научн. тр.– М.: МИИТ, вып. 922, 1999. – С. 58…62.

источник

2. Влияние среды на защитные свойства бетона

Основой защитного действия цементных бетонов на арматурную сталь является щелочной характер влаги в капиллярно-пористом теле бетона, способствующий сохранению пассивного состояния поверхности стали. Однако бетон находится в постоянном взаимодействии со средой, которая может либо способствовать его упрочнению и уплотнению, либо разрушать его структуру и понижать прочность, либо уменьшать его способность защищать арматуру.

Как показывают опыт и исследования, последнее может быть вызвано несколькими процессами, результатом которых является потеря бетоном способности поддерживать пассивное состояние стали вследствие понижения степени щелочности межфазной жидкости или проникания в нее ионов — стимуляторов коррозии.

Первое обычно является результатом действия на бетон кислых газов и жидкостей, второе — сред, содержащих хлориды. Наиболее распространенным из кислых газов является углекислый газ, среднее содержание которого в атмосфере сельской местности составляет 0,03%. В атмосфере промышленных районов и в воздухе цехов его концентрация может быть значительно более высокой.

Углекислота активно поглощается пористым телом бетона, так как между фронтом карбонизации и поверхностью бетона создается постоянная разность парциальных давлений углекислого газа, поддерживающая его

диффузию. Скорость карбонизации зависит от плотности бетона и его влажности, а также от концентрации углекислоты.

По Пауэрсу, лишь при относительной влажности воздуха выше 45% содержание воды в бетоне достаточно для карбонизации. Эти данные подтверждаются Шиделером и Фербеком. Неоднократно установлено, что при влажности воздуха, близкой к полному насыщению, карбонизация плотных бетонов практически прекращается.

Очевидно, наиболее интенсивно процесс карбонизации идет в случае, если пленка влаги на стенках пор в бетоне достаточна, лишь для растворения в ней гидроокиси кальция и углекислоты и не закрывает пор целиком, оставляя свободным доступ последней в виде газа. Капиллярная конденсация в порах геля, способствует дополнительному уплотнению бетонов плотной структуры и препятствует их карбонизации даже при оптимальной для этого процесса относительной влажности (45—70%). Для газонепроницаемости бетонов особенно важны условия твердения. В воде получаются некарбонизирующиеся структуры, а при воздушном твердении и пропаривании — легкокарбонизирующиеся.

3. Влияние окружающей среды на процесс коррозии стали в бетоне

Влажность воздуха, играющая решающую роль в сохранении защитных свойств бетона, оказывает большое влияние и на развитие процесса коррозии арматуры в бетоне, если ее поверхность по той или иной причине перестает быть пассивной. Опыт эксплуатации железобетонных конструкций показывает, что при сухой воздушной среде в карбонизированном бетоне, как правило, коррозия арматуры не развивается. Не бывает обычно коррозии арматуры и в постоянно и полностью насыщенном водой бетоне, даже если это морская вода, содержащая хлориды.

Процесс поглощения бетоном различных веществ может быть обратимым и необратимым (в зависимости от формы их связей с составляющими цементного камня). Вода, например, имеет 4 формы связи: химическую, адсорбционную (физико-химическую), капиллярную и осмотическую. Две последние являются физическими формами связи. Вода, поглощаемая капиллярно-пористым телом бетона, может иметь в нем все 4 формы связи, причем при обычных температурах (до 100°С) химическая и физико-химическая связи необратимы. Вода связывается химически в процессе гидратации минералов клинкера, которая может длиться многие годы. Химическая связь воды в бетоне разрушается при температурах значительно выше 100°С. Адсорбционные связи воды в бетоне также весьма прочны и в пределах до 100°С не разрушаются.

Практически в сформировавшейся структуре бетона в широких пределах может меняться содержание капиллярной воды, которая в зависимости от парциального давления водяных паров в окружающей среде заполняет поры и капилляры разной величины — от мельчайших пор геля при малой относительной влажности воздуха до капилляров с радиусом 1 х 10-5 см при высокой влажности. Несвязанная вода, механически заполняющая крупные поры, трещины и пустоты, также может появиться в бетоне, если он будет находиться под гидравлическим давлением либо если в теле бетона образуется точка росы и происходит конденсация паров воды. Для капилляров с радиусом более 1 х10-5 см, которые обычно называют макрокапиллярами, давление насыщенного пара над мениском воды практически равно давлению пара над плоской поверхностью. Такие капилляры заполняются водой только при непосредственном соприкосновении с ней и отдают ее в атмосферу, насыщенную водяными парами.

При полной гидратации вода, не испаряющаяся до температуры 105°С, составляет около 25% веса цемента. Это вода, находящаяся в химической и

физико-химической связи с цементным камнем, электролитически непроводящая. Поэтому она не влияет на процессы коррозии стали в бетоне. Испаряющаяся вода заполняет капиллярные поры и поры геля. В порах геля, по Пауэрсу , может содержаться до 15% воды от веса цемента. Эта вода в

отличие от воды, заполняющей капиллярные поры, испаряется при более низкой относительной влажности. Например, при среднем расчетном диаметре пор геля вода испаряется только при относительной влажности ниже 65%. Следовательно, если бетон не соприкасается с водой, капиллярная вода может полностью испариться, но при этом останется вода в порах геля. Ее количество будет зависеть от относительной влажности воздуха и величины пор геля.

Опыты в Управлении по испытанию материалов в Мюнхене показали, что бетон при относительной влажности воздуха 65% содержит испаряющуюся воду в количестве около 15% веса цемента, или, в зависимости от содержания цемента в бетоне, 1—2% веса последнего.

Для стали в бетоне, так же как и для открытого металла, должна быть некоторая критическая влажность, ниже которой пленки влаги на ее поверхности не могут служить электрическим проводником для перемещения зарядов между анодными и катодными участками поверхности и, следовательно, наступит омическое торможение коррозионного процесса.

Практика и эксперименты показывают, что такое критическое значение относительной влажности воздуха находится в пределах 50—60%. Наиболее интенсивно развивается процесс коррозии при повышенной влажности, составляющей около 80%. При этом пленки адсорбционной влаги на поверхности арматуры и в прилегающих порах бетона обладают достаточной ионной проводимостью, и электрохимические реакции коррозии начинают протекать с диффузионным контролем катодного процесса ионизации кислорода. При насыщении бетона влагой диффузия кислорода к катодным участкам сильно замедляется. Поэтому процесс коррозии арматуры практически останавливается при влажности воздуха, близкой к 100%. Последнее справедливо лишь для плотного бетона. В недостаточно плотном бетоне многочисленные крупные сквозные поры не закрываются влагой, кислород продолжает свободно поступать к поверхности арматуры, и процесс коррозии не замедляется.

источник

Наши координаты:
143002, Московская область,
Одинцовский район,
г. Одинцово, ул. Южная, д. 5

e-mail: info@labbeton.ru
www.labbeton.ru

76 научно-методическая и научно-исследовательская конференция Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) Секция ОНИЛ «ЦЕМЕНТ» «Цементные бетоны»)

Д.т.н. проф. Добшиц Л.М., аспирант Николаева А. А., бакалавры Яшина А.С., Коновалов В.К., Москва, РУТ (МИИТ)

5 февраля 2018

Приведены исследования, направленные на изучение влияния природно-климатических факторов на долговечность бетонов изделий и конструкций для дальнейшего эффективного прогнозирования сроков службы бетонных сооружений.

Для строительных материалов одной из основных характеристик, определяющих их качество, является долговечность. При проектировании долговечных сооружений необходимо применять материалы, способные выдерживать заданные нагрузки и не разрушаться под воздействием внешней среды. На сегодняшний день деградация и разрушение железобетонных сооружений раньше предполагаемого срока службы представляет серьёзную проблему.

Когда речь идёт о прогнозировании долговечности бетонных конструкций, как правило, учитываются характеристики химической стойкости, водонепроницаемости и морозостойкости. Морозостойкость является наиболее изученной характеристикой бетона, связанной с изменениями естественных природных климатических условий. Однако, как показывает практика, не только циклическое замораживание и оттаивание влияют на долговечность бетона. В работе [1] мы поставили вопрос о существующей проблеме повышенной ползучести бетонных и железобетонных пролётных строений мостов, расположенных над водной поверхностью. Мы предполагаем, что увеличение ползучести и снижение прочности бетона связано с циклическим изменением температуры и влажности в процессе эксплуатации этих конструкций.

Если говорить об иностранной практике эксплуатации бетонных сооружений, то очень яркий пример влияния окружающей среды на бетонные конструкции можно наблюдать в Саудовской Аравии. На протяжении долгого времени для их проектирования использовались иностранные нормы Еврокод (EN), британские стандарты (BS) и требования американского института бетона (ACI), которые больше подходят для умеренного климата. Результаты обследований возведенных в последние десятилетия бетонных сооружений в Саудовской Аравии [2] выявили различного рода дефекты, связанные с большими температурными колебаниями, сильными ветрами и засушливым состоянием окружающей среды. Так же исследователи [2] отмечают, что климатические условия на внутренней и прибрежной части страны сильно различаются. Это, в свою очередь, оказывает влияние и на характер разрушений в разных районах страны. В засушливой зоне наблюдается повышенное трещинообразование в бетонах, а во влажной части преобладают разрушения, вызванные коррозией арматуры, в том числе из-за использования богатых силикатами и карбонатами заполнителей. Таким образом, появилась необходимость разработки собственной зональной классификации климата и геологии на макро-, мезо- и микроуровне для использования в проектировании и предупреждения деградации сооружений.

При проектировании железобетонных конструкций учитываются различные нагрузки (постоянные, динамические, ветровые, сейсмические). Но влияние естественных климатических факторов на микросреду бетона не учитывается, хотя такие данные позволяют прогнозировать карбонизацию бетона, диффузию ионов хлорида и скорость коррозии арматурных стержней. Учёт природных факторов естественной окружающей среды может быть представлен в виде климатической нагрузки. Климатическая нагрузка представляет собой влияние на конструкцию температуры, относительной влажности, скорости ветра, солнечного света и дождя в естественной климатической среде. Изменения температуры и относительной влажности окружающей среды представляют собой основные параметры, вызывающие ответную реакцию микросреды бетона.

Естественные изменения климатической среды имеют как суточную, так и сезонную периодичность. Группа китайских исследователей изучала влияние температуры и относительной влажности для использования в прогнозировании сроков службы бетона 5 на основе метеорологических данных в районе провинции Цзянсу КНР.

Для температурного воздействия существует два процесса реагирования внутренней среды бетона на изменения. Первый – повышение температуры, если температура внешней среды выше, чем внутренней. Второй – снижение температуры, если температура в климатической среде ниже, чем в микросреде бетона (рис. 1., рис. 2). Разница температур между климатической внешней средой и микросредой бетона является основным фактором, влияющим на скорость этих изменений. Время достижения равновесия определяется как время температурного отклика.

Рис. 1. Кривые температурного отклика в бетоне [4]

Рис. 2. Колебания температуры в естественной климатической среде и микросреде бетона[3]

При испытаниях влияния относительной влажности на микросреду бетона происходит два процесса: высушивания и насыщения (рис. 3.). Первоначальная разница между климатической средой и микросредой является основным фактором, влияющим на время отклика относительной влажности. Время ответной реакции микросреды бетона на поглощение влаги составляет более 30 дней и, очевидно, что значительно превышает время отклика на температурные воздействия. Скорость изменения относительной влажности в бетоне на начальной стадии более высокая. Время достижения равновесия определяется как время отклика относительной влажности. Оно зависит от первоначальной разницы относительной влажности, а так же от пористости структуры бетона. Таким образом, процессы ответной реакции микросреды бетона на изменения температуры и относительной влажности в условиях искусственной климатической среды обладают характеристикой гистерезиса.

Рис. 3. Кривые отклика относительно влажности в бетоне [4]

Теплопроводность бетона является основным фактором, влияющим на температурный отклик. Проведенные испытания [6] показали, что теплопроводность прямо пропорциональна содержанию влаги и обратно пропорциональна В/Ц в бетоне (рис. 4.). Так же были проведены исследования [7] влияния содержания золы уноса в бетоне на температуру и относительную влажность. Согласно им, для бетона с содержанием золы более 30% более высокая пористость и размер пор ускоряли скорость диффузии влаги.

Рис. 4. График зависимости между теплопроводностью и содержанием влаги при разном В/Ц [6].

Ответная реакция микросреды бетона на изменения относительной влажности окружающей среды будет зависеть от первоначальной разницы температур, характеристики теплопроводности бетона и конвективного коэффициента теплоотдачи. При изучении влияния относительной влажности необходимо обращать внимание на ответную реакцию микросреды бетона. Так же стоит отметить, что относительная влажность не является показателем, непосредственно влияющим на факторы долговечности бетона. На настоящий момент модель, непосредственно связанная с воздействием температуры и влажности в бетоне, не найдена.

Поскольку при создании климатических спектров действия, максимально полно отражающих природные процессы, необходимо учитывать такие неотъемлемые явления окружающей среды, как солнечный свет и дождь (рис. 5). Они так же должны оказывать определенное влияние на микросреду бетона. Бетонная поверхность поглощает солнечное излучение, и температура её поверхности увеличивается. Влияние дождя способствует увеличению первоначальной разницы относительной влажности между двумя средами. Но из-за долгой ответной реакции микросреды бетона на эти изменения трудно определить их точное количественное влияние. Тем не менее, оба явления должны быть учтены при построении соответствующих спектров действия.

Рис. 5. Корректировка спектра действия температуры с учетом влияние солнечного света [3]

На основе испытаний ответных реакций микросреды бетона в естественных климатических условиях необходимо строить спектры действия показателей температуры, относительной влажности и влажности. Многие исследователи при построении спектров действия опираются только лишь на климатические изменения окружающей среды [8], не говоря уже об использовании разнообразных методов упрощения для их создания. Поэтому составление простого и эффективного способа представления изменения микросреды бетона в естественной среде для каждого уникального региона строительства имеет большое значение для прогнозирования долговечности бетонных конструкций. Существующие исследования в этом направлении только начаты, и до сих пор не разработано решений по прогнозированию и предотвращению деградации сооружений.

Принимая во внимание существующий опыт исследований и необходимость создания корректных моделей для прогнозирования долговечности бетонных и железобетонных сооружений с учетом влияния климатической нагрузки, на кафедре «Строительные материалы и технологии» Российского университета транспорта (МИИТ) начаты исследования в этом направлении. Они основываются на следующих положениях.

Бетон является капиллярно-пористым материалом. Для приготовления бетонов железобетонных мостовых сооружений, с целью обеспечения их повышенной морозостойкости, водонепроницаемости и прочности используются высокоактивные тонкомолотые портландцементы [9]. Это предопределяет тонкокапиллярную структуру затвердевшего цементного камня. В связи с этим, при изменении температуры и влажности окружающей среды в бетоне пролётных строений мостов, находящихся над водой, активно протекают процессы перемещения влаги и растворённых в ней веществ внутри бетона.

Условия для нижней и верхней поверхностей пролётных строений отличаются. Изменение внешних условий происходит циклично, ввиду суточного и годового изменения температуры. В теплый период, в дневное время, нижняя часть мостового сооружения находится в зоне пониженной температуры, повышенного давления и повышенной влажности. В то же время верхняя часть будет в зоне повышенной температуры, пониженного давления и пониженной влажности. Это обуславливается различной теплоёмкостью воды, грунты и бетона и распределения влаги по сечению бетона. Теплоемкость воды составляет 4200 Дж/(кг· о С), бетона 1000 Дж/(кг· о С), а средняя теплоемкость почвы 2100-2500 Дж/(кг· о С). В связи с этим, в дневное время верхняя часть конструкций нагревается быстрее, а влага и растворённые в ней вещества по капиллярной системе бетона, перемещается сверху вниз. В ночное время суток ситуация меняется. Температура в нижней части конструкции становится выше, чем в верхней части. Влага в таких условиях перемещается снизу вверх. Скорость перемещения влаги по капиллярной системе в бетонах мостовых конструкциях увеличивается из-за снижения её вязкости под влиянием вибрации от динамических нагрузок, действующей на конструкцию.

В период низких положительных температур разница температур и давлений на поверхностях меняется не так значительно, но движение воды по капиллярам всё
равно происходит.

Такое циклическое перемещение влаги по капиллярной системе приводит к негативным последствиям – вымыванию Ca(OH)₂ из внутренней части бетона конструкции и перемещению его к внешней поверхности, вблизи которой происходит кристаллизация Ca(OH)₂. Поскольку влага постоянно перемещается в системе, то вымывание продуктов гидратации влечет за собой постепенную потерю прочности внутренней части бетона конструкции.

Вследствие большого количества циклов колебаний внешних условий окружающей среды, такие многократные процессы приводят к изменению в различных частях железобетонных конструкций соотношения кристаллический сросток – тобермаритовый гель в цементном камне бетона. Кристаллический сросток обеспечивает упругую работу цементного камня под нагрузкой, а тобермаритовый гель – обуславливает его пластические свойства. В связи с тем, что железобетонные пролётные строения больших мостов являются предварительно напряжёнными конструкциями, находящимися под постоянным действием нагрузки от предварительного напряжения, снижение объёма кристаллического сростка в цементном камне приведёт к увеличению упругих деформаций бетона, которые проявляются уже как пластические деформации – ползучесть.

Для проверки изложенной гипотезы на кафедре «Строительные материалы и технологии» РУТ (МИИТ) были выполнены исследования по определению влияния циклического изменения температуры и влажности окружающей среды на свойства обычных и предварительно напряжённых бетонов. Они показали, что циклическое изменение влажности снижает прочность бетонов, особенно при изгибе, при этом снижение начинает проявляться после 300 циклов и продолжалось до конца испытаний (800циклов). Ползучесть ненагруженных бетонов увеличилась незначительно, а ползучесть предварительно напряжённых образцов возросла на 10%.

Таким образом, полученные результаты экспериментально подтверждают изложенную гипотезу о влиянии природно-климатических факторов и особенностей расположения пролётных строений транспортных искусственных сооружений над водной поверхностью на ползучесть бетона конструкций.

Выполненные исследования являются пионерными и имеют, в основном, качественный характер. Для получения конкретных количественных значений изменения ползучести для различных составов бетонов и уровней предварительного напряжения требуется
проведение дальнейших исследований. При этом можно предложить пути снижения негативного влияния исследуемого явления: нормирование химико-минералогического состава применяемых цементов, направленное регулирование поровой структуры цементного камня путём введения воздухововлекающих и пластифицирующих добавок, введение добавок – центров кристаллизации новообразований формирующейся структуры цементного камня бетонов.

Список используемых источников:

1. Добшиц Л.М. Влияние состава, структуры бетона и факторов окружающей среды на долговечность мостовых конструкций. [Текст] / Добшиц Л.М., Швецов Н.В., Николаева А.А., Фэн Кэн Лэ//Сборник научных трудов 75-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. МАДИ,М.: Техполиграф-центр, — 2017, с.35-39

2. Haque M.N.,Al-Khaiat H., John B. Climatic zones—A prelude to designing durable concrete structure in Arabian Gulf // Building and Environment. – 2007. – Vol. 42, Issue 6, June. – P. 2410-2416.

3. Ying-shu Yuan. Climate load model — Climate action spectrum for predicting durability //
Construction and Building Materials. – 2012. – Vol. 29, April. – P. 291-298.

4. Jian-hua Jiang, Ying-shu Yuan. Quantitative models of climate load and its effect in concrete structure // Construction and Building Materials. – 2012. – Vol. 29, April. – P. 102-107.

5. Jian-hua Jiang, Ying-shu Yuan. Action spectrum of temperature in natural climate environment and prediction of temperature response in concrete //
Procedia Earth and Planetary Science. – 2009. – Vol. 1, Issue 1, September. –
P. 444-450.

6. Ying-shu Yuan, Jian-hua Jiang. Prediction of temperature response in concrete in a natural climate environment // Construction and Building Materials. –
2011. – Vol. 25, August. – P. 3159-3167.

7. Cai-feng Lu, Wei Wang, Jian-hua Jiang, Ming Hao. Micro-environment temperature and relative humidity response of fly ash concrete under natural climatic conditions // Advances in Cement Research. – 2017. – Vol. 29. Issue 6, March. –P. 236-245.

8. Peng Liu, Zhiwu Yu, FengqiGuo, Ying Chen, Peiwei Sun. Temperature response in concrete under natural environment // Construction and Building Materials. – 2015. – Vol. 98. November. – P.713-721.

9. Добшиц Л.М. Долговечность бетона и пути её повышения/ Наука – строительному производству // Сборник научных трудов (к 60-летию института). – М.:
НИИМосстрой, 2016. – С. 214…229.

источник

Похожие записи
• 
  Коробка распаячная для скрытой проводки бетон
• 
  Как закрутить шуруповертом саморез в бетон
• 
  Как из бетона сделать декоративные камни для
• 
  Вода для бетона и хим добавки