| 22 Июля 2010
Одной из основных задач строительства является обеспечение эксплуатационной надежности сооружений. В районах с холодным климатом одной из серьезных проблем является морозная деструкция, результатом которой является преждевременное снижение эксплуатационных характеристик конструкций, соответственно возникают дополнительные затраты на ремонт. Однако для многих районов характерна периодическая смена климатических условий от отрицательных температур зимы к положительным температурам летнего периода.
В настоящее время высокопрочные бетоны начинают все чаще использоваться при строительстве транспортных сооружений. Эти бетоны обладают высокой (55-100 МПа) прочностью, низкой проницаемостью, повышенной коррозионной стойкостью, долговечностью и позволяют снизить материалоемкость конструкций, а также уменьшить трудоемкость работ при укладке бетона в конструкцию за счет применения высокоподвижной бетонной смеси. Кроме того, здания, сооруженные с применением высокопрочного бетона, характеризуются повышенной архитектурной выразительностью.
Важной особенностью применения высокопрочных бетонов является повышение модуля упругости, что, в свою очередь, повышает жесткость конструкции. Транспортные сооружения и конструкции также подвергаются циклическому замораживанию и оттаиванию при воздействии морской воды или солей – антиобледенителей, соответственно возникает потребность в пониженной проницаемости бетона. Этим требованиям лучше отвечают высокопрочные бетоны
Известно, что в значительной степени разрушение большого числа различных сооружений в процессе их эксплуатации обусловлено недостаточной морозостойкостью бетонов, из которых они изготовлены. В то же время многие сооружения, изготовленные из бетонов, подвергающихся многократному попеременному замораживанию и оттаиванию в течение долгих лет (даже десятилетий), не имеют значительных видимых разрушений и не обнаруживают снижения прочности.
Одним из факторов, влияющих на цикл жизни сооружения, находящегося под действием морозной деструкции, является периодическое изменение отрицательной температуры на положительную, что характерно для ряда климатических зон Российской Федерации. Ряд исследователей считают, что при таких условиях эксплуатационный ресурс конструкций может быть не полностью исчерпан.
Данный вопрос очень важен с практической точки зрения: если предположить, что после замораживания и последующего воздействия на бетон положительных температур его физико-механические характеристики повышаются, то возможно прогнозирование увеличения срока службы сооружения при снижении издержек на ремонт.
По проведенным ранее исследованиям выявлено, что степень гидратации модифицированного высокопрочного бетона (α≈50%-60%), более низкая по сравнению с традиционным тяжелым бетоном (α≈80%-90%). Это означает, что оставшийся нереализованным более значительный клинкерный фонд может оказаться ресурсом для кольматации микротрещин и частичного восстановления структуры цементного камня и эксплуатационных свойств бетона. Научная задача состоит в исследовании возможности образования кристаллогидратов CSH в устьях микротрещин. Кристаллогидраты должны кольматировать микротрещины и таким образом залечивать структуру бетона при помещении материала в водные (T=20 °C, W=100%) или влажные (T=20 °C, W=95-98%) условия за счет не полностью использованного ресурса гидратации.
В данной статье рассматриваются вопросы влияния периодического воздействия знакопеременных отрицательных температур на некоторые физико-механические свойства высокопрочных бетонов из высокоподвижных смесей c органо-минеральным модификатором МБ 10-30С.
Идея эксперимента заключалась в сравнении динамики изменения некоторых физико-механических свойств бетонов одинаковых классов по прочности на сжатие, имеющих равный объем цементного камня, но разного фазового состава. Сравнения проводили по таким параметрам, как морозостойкость, прочность на сжатие, призменная прочность, модуль упругости, относительные линейные деформации, диффузионная проницаемость, объемная масса.
Исследования велись на 2 составах высокопрочных бетонов на органо-минеральном модификаторе (с газообразующей добавкой на основе полигидросилоксанов и без нее). В качестве контрольного состава был взят бетон с добавкой суперпластификатора на нафталинформальдегидной основе с водовяжущим отношением, как и у бетонов на модификаторе. Контрольный образец бетона приготовлен из смеси с ОК=20 см, бетоны с модификатором – из смеси с ОК=22 см. Все образцы тяжелого бетона имели одинаковое водовяжущее отношение [вода/(цемент+модификатор)] равное 0,25, примерно одинаковое количество вяжущего (цемент+модификатор или цемент) в диапазоне 550 ÷ 580.
Методика исследований моделировала условия эксплуатации бетонов в условиях воздействия знакопеременных температур, т. е. период циклического замораживания-оттаивания сменялся периодом выдерживания бетона в нормальных условиях и в воде.
Температурно-влажностные условия выдерживания образцов в процессе испытаний, разделенные на четыре стадии, приводятся ниже.
1) Испытания образцов на морозостойкость по ГОСТ 10060.2-95 - испытания третьим (ускоренным) методом в 5% растворе NaCl;
2) Хранение образцов-близнецов в нормальных (t=20±2 °С, W=95-98%) и водных (W=100%) условиях в течение 28 суток;
3) Повторные испытания образцов на морозостойкость по ГОСТ 10060.2-95 - испытания третьим (ускоренным) методом в 5% растворе NaCl;
4) Повторное хранение образцов-близнецов в нормальных ( t=20±2 °С, W=95-98%) и водных (W=100% ) условиях в течение 28 суток;
Заформованные образцы хранились в камере нормального твердения (t=20±2 °С, W=95-98%) до достижения ими возраста 28 суток.
По окончании каждой стадии проводились испытания на прочность на сжатие и определялись потери массы в соответствии с требованиями ГОСТ 10060.2-95.
Такая методика позволила за относительно небольшой промежуток времени, получить достоверные данные по изменению физико-механических характеристик бетона при периодическом воздействии знакопеременных температур.
Составы бетонов и их свойства приведены в таблице 1.
Для приготовления бетонов использовались следующие материалы:
- портландцемент ПЦ500 Д0, соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515;
- песок природный кварцевый (Мкр=2,8), соответствующий ГОСТ 8736;
- щебень гранитный (фракции 5-20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633;
- модификатор бетона МБ 10-30С, ТУ 5743-083-46854090-98;
- нафталинформальдегидный суперпластификатор С-3, ТУ 5870-002-58042865-03;
- газообразующая добавка на основе полигидросилоксанов КЭ 30-04 (50% концентрации), ТУ 2251-035-00209013-2004.
Прочность бетона на сжатие определялась по ГОСТ 10180-90 на образцах размером 100х100х100 мм.
Модуль упругости определялся в соответствии с ГОСТ 24452-80. Испытания производились путем постепенного (ступенями) нагружения образцов-призм размером 100х100х400 мм до уровня 30% разрушающей нагрузки с измерением в процессе нагружения образцов их деформации для определения модуля упругости. Скорость ультразвука в бетоне определялась по ГОСТ 22690-88 на образцах 100х100х400 мм при помощи прибора УК-15М.
Плотность бетонов оценивалась по коэффициенту диффузионной проницаемости Dб по ГОСТ Р 52804-2007 на образцах размером 40х40х160 мм. Данный метод позволяет дать надежную оценку проницаемости высокопрочных бетонов. Метод предназначен для использования при разработке технологии и составов бетона, обеспечивающего длительную безремонтную эксплуатацию конструкций в агрессивных средах, содержащих хлориды, и основан на аналогии между диффузионным потоком вещества и электрическим током в теле бетона.
Оценивалась кинетика абсолютных линейных деформаций высокопрочных бетонов при циклическом воздействии знакопеременных температур. Исследования проводились на образцах размером 40х40х160 мм с реперами на приборе-компараторе по ГОСТ 24544-81. Образцы находились в тех же условиях, что и образцы-кубы 100х100х100 мм.
Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Графики изменения прочности, коэффициента диффузионной проницаемости и статического модуля упругости бетонов на органо-минеральном модификаторе и нафталинформальдегидном суперпластификаторе представлены соответственно на рис. 1, рис. 2, рис. 3.
Замена части цемента на органо-минеральный модификатор при постоянном водовяжущем отношении приводит к повышению подвижности бетонной смеси, повышению объема вовлеченного воздуха и, соответственно, к снижению объемной массы смеси. Введение в бетонную смесь газообразующей добавки кремнийорганической эмульсии КЭ 30-04 приводит к дополнительному газообразованию (сравним составы 2 и 3).
Все образцы бетона обладали примерно равной прочностью на сжатие (прочность кубов в диапазоне от 82,4 МПа до 93,1 МПа и по этому показателю могут быть отнесены к одному классу В70. Однако при замене части цемента на комплексный органо-минеральный модификатор наблюдается тенденция прироста прочности на сжатие кубов и призм (по сравнению с контрольным образцом).
После 37 циклов переменного замораживания и оттаивания у составов на комплексном модификаторе и с газообразующей кремнийорганической добавкой наблюдалось снижение прочности на 20-22% по сравнению контрольным составом, у которого потери прочности составили 14%.
В то же время при хранении в водных условиях бетон на комплексном модификаторе получил прирост по прочности до 15%, при хранении в нормальных условиях до 10%.
При повторных испытаниях на морозостойкость по ГОСТ 10060.2-95 у составов на комплексном модификаторе наблюдались практически такие же, как и на первой стадии эксперимента, потери прочности. У контрольного состава бетона на фенолформальдегидном суперпластификаторе наблюдалось падение прочности на 15% большее, чем на первой стадии.
Потери массы для контрольного состава бетона составили 6-7%, а для составов бетона на органо-минеральном модификаторе не более 2%. Это объясняется за счет более плотной структуры бетонов на органоминеральном модификаторе, практически полного отсутствия портландита Ca(OH)2.
Данные, полученные по ГОСТ 10060.2-95, хорошо коррелируются с данными других испытаний образцов бетона по вышеизложенной методике.
Так, скорость прохождения ультразвуковых колебаний в бетоне Vуз снижается на 7% после 37 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцов бетона на фенолформальдегидном суперпластификаторе, и на 3÷5% у бетонов на основе комплексного модификатора. На стадии восстановления скорость ультразвука достигала практически исходных значений у бетонов на модификаторе, что свидетельствует об изменениях в структуре бетона. У контрольных образцов бетона на суперпластификаторе прирост значения скорости ультразвука составил не более 2,5÷4,0%.
Важные данные получены по результатам изучения проницаемости бетонов на органо-минеральном модификаторе. Из таблиц 2 и 4 следует, что эффективный коэффициент диффузии снижается на 50÷60% при периодическом замораживании и оттаивании у исследуемых бетонов и на 150÷160% у контрольного состава бетона. Корреляция между коэффициентом диффузии ионов хлоридов и показателями водонепроницаемости дана по докторской диссертации Н. К. Розенталя и приведена в таблице 3.
Таким образом, можно сделать вывод, что структура бетонов на органоминеральном модификаторе имеет более плотный характер и восстанавливается при помещении образцов в нормальные или влажностные условия.
Также проводились исследования таких важных расчетных характеристик бетона, используемых при проектировании конструкций, как модуль упругости и призменная прочность. Результаты испытаний по вышеизложенной методике подтвердили, что параллельно полученные данные по прочности на сжатие образцов-кубов кореллируются с данными по призменной прочности. Кроме того, по результатам исследований наличие газообразующей добавки не оказывает влияния на значение модуля упругости, что подтверждается другими исследователями
