Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений

Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений

Развитие теории морозостойкости бетона возможно только на основе учета и использования современных гипотез о причинах и механизме разрушения бетона при совместном действии на него воды и мороза.

Наиболее просто объяснить разрушение каменного материала в этих условиях давлением воды, замерзающей в его порах. Это объяснение, считавшееся ранее само собой разумеющимся и исчерпывающим, нашло выражение в количественной оценке морозостойкости камня по коэффициенту насыщения пор водой. Однако по средней величине коэффициента насыщения нельзя Предугадать морозостойкость капиллярно-пористого материала, каким является бетон, так как миграция воды приводит к неравномерному распределению ее в железобетонной конструкции. Роль расширения воды при замерзании учитывается и в современных гипотезах, но само по себе это физическое явление не может полностью объяснить процесс разрушения бетона.

Акция на блоки строительные, цена за штуку в Ужгороде за м3

В этой связи большое значение для развития теории морозостойкости бетона имеют работы Г. К. Дементьева и Ю. А. Нилендера. Ю. А. Нилендер дал научную классификацию пустот и трещин в бетоне, выделив пустоты, образовавшиеся при укладке бетона (каверны, воздушные поры, водные поры), и трещины, возникшие в результате силовых воздействий. Трещины от силовых воздействий подразделяются на две группы: от внешних нагрузок и от собственных напряжений. Собственные напряжения в бетоне, по классификации Ю. А. Нилендера, могут быть трех родов:

1. Макроструктурные напряжения, возникающие вследствие неравномерного распределения температуры или влаги в объеме бетона, а также при условиях, препятствующих свободной деформации от усадки, набухания и изменения температуры; это ― ориентированные напряжения, уравновешивающиеся в объемах отдельных элементов конструкций.

2. Микроструктурные напряжения, возникающие в оболочках из цементного камня и зернах заполнителя вследствие их различной деформации при изменении влажности и температуры. Микроструктурные напряжения появляются также в стенках пор цементного камня еще в период твердения вследствие теплового расширения воды затворения и воздуха при пропаривании, а также под действием капиллярных сил, осмотического давления, давления замерзающей в порах воды. Микроструктурные напряжения уравновешиваются в объемах, соизмеримых с размером ячейки «зерно заполнителя ― оболочка» или с размером пор в цементном камне. Теоретический анализ микроструктурных напряжений имеет качественный характер, так как он выполняется для ячейки «зерно заполнителя ― оболочка» или для отдельной поры, которые условно выделяются из бетона. Поэтому формулы, полученные для вычисления микроструктурных напряжений, не дают действительных величин этих напряжений в бетоне. Однако результаты теоретического анализа представляют ценность при рассмотрении механизма разрушения бетона, так как позволяют учесть факторы коррозии и выяснить направленность действия этих факторов.

3. Ультрамикроструктурные напряжения ― дезориентированные, уравновешивающиеся в объемах, соизмеримых с размером кристаллов новообразований в цементном камне. При взаимодействии кристаллической и гелевой составляющих цементного камня возникают ультрамикроструктурные напряжения, роль которых впервые была выяснена в работах А. Е. Шейкина.

Представления о роли деформаций в процессе физической коррозии бетона получили развитие в исследованиях Н. А. Попова. При чередующихся циклах воздействия среды на пористый материал наблюдается накопление остаточных деформаций, что делает это явление сходным с накоплением пластических деформаций от многократных знакопеременных механических воздействий, приводящих к усталости материала.

Развитие теории морозостойкости бетона

Н. А. Попов совместно с В. А. Невским экспериментально исследовали развитие в бетоне повреждений усталостного типа. Обобщение опытных данных привело авторов к выводу, что с увеличением деформаций усадки и набухания бетона понижается его морозостойкость. Исследования Н. А. Попова и его учеников доказали принципиальную возможность оценки сравнительной стойкости материалов по отношению к многократным циклическим воздействиям среды по характеру увеличения внешних размеров и объема образца.

В последние годы были опубликованы результаты исследования В. М. Москвина и А. М. Подвального, выявившие большое изменение морозостойкости бетона под влиянием силовых воздействий от внешних нагрузок. В этом исследовании было установлено, что существует некоторая предельная величина напряжений, ниже которой влияние изгибающих напряжений становится мало заметным и морозостойкость напряженного бетона мало отличается от морозостойкости ненагруженного бетона.

В исследованиях В. М. Москвина и А. М. Подвального предельная величина напряжений составляла 0,2 предела прочности бетона на растяжение при изгибе.

Математическое направление в области морозостойкости строительных материалов развивается О. Е. Власовым, Г. Г. Еремеевым, Т. Пауэрсом и др.

С. В. Шестопёров внес большой вклад в развитие теории морозостойкости и экспериментальных исследований долговечности бетона. Для его работ характерно комплексное рассмотрение факторов структурообразования и долговечности бетона. С. В. Шестоперов придает большое значение нормированию минералогического состава цемента: цемент для бетонов высокой морозостойкости должен быть алитовым (C3S > 55%) С. В. Шестоперов рекомендует использовать тонкомолотые цементы, а для «направленного структурообразования» применять мокрый помол клинкера при оптимальной дозировке гипса и введении сульфитно-спиртовой барды.

Долговечность бетона

Способность бетона сопротивляться многократному замораживанию и оттаиванию автор связывает с образованием воздушных «буферных» пространств в капиллярах цементного камня, являющихся результатом контракции он неоднократно возвращается к контракции, подчеркивая ее важную роль.

В нашей работе влияние контракционной пористости на морозостойкость бетона рассматривается в связи с объемом капиллярных пор и пор геля.

В работах В. В. Стольникова долговечность бетона исследована в зависимости от его строения. По его мнению, имеет значение не только абсолютная величина пористости, но и физический характер пор ― разобщенные они или сообщающиеся. В. В. Стольников различает в бетоне капилляры двух типов: капилляры цементного камня и капилляры в зоне контакта цементного камня и заполнителей. Капилляры в зоне контакта образуются в результате наружного и внутреннего водоотделения, обусловленного самоуплотнением бетонной смеси в период, предшествующий схватыванию. Размеры капиллярных ходов, образующихся в результате седиментационных процессов, достигают 5- 10~3-1 • 10~2 см и более. Они крупнее капилляров цементного камня, величина которых составляет от 1 • 10-4 до 1 • 10-3 см.

По мнению В. В. Стольникова, система капилляров в зоне контакта является основным путем проникания в бетон воды. Улучшение строения бетона достигается уменьшением седиментационного расслоения цементного теста и цементного раствора, уменьшением общей пористости и переводом открытой пористости в замкнутую. Практической мерой Для ослабления седиментационных процессов является применение малопластичных и тщательно уплотненных жестких смесей. Большое значение имеют добавки поверхностно-активных веществ.

Теория седиментационных процессов

Уменьшению седиментации цементного теста способствовало также повышение тонкости помола цемента и наличие в нем небольшого количества трехкальциевого алюмината, так как образующийся гидроалюминат кальция создает пространственную тиксотропную сетку.

Весьма эффективным мероприятием для уменьшения расслоения бетонной смеси является тщательный подбор гранулометрического состава смеси цемент-песок крупный заполнитель. Уменьшение расслоения сопровождается резким уменьшением преимущественного размера пор в цементном растворе (например, с 80- Ю-4 до 2,5- Ю-4 см).

Разработанная В. В. Стольниковым теория седиментационных процессов и мероприятия по устранению их вредного влияния на строение бетона имеют большое значение для получения водонепроницаемых и морозостойких бетонов.

В. В. Стольников использовал в качестве суммарной физической характеристики строения бетона показатель интенсивности капиллярного всасывания, определяемый по разработанной им методике. В его исследованиях наблюдалось повышение морозостойкости при уменьшении интенсивности капиллярного всасывания, которое зависит от общей пористости, а также от ее физического характера. Наиболее эффективным мероприятием по уменьшению капиллярного всасывания оказалось одновременное снижение В/Ц и сокращение расхода цемента, что достигалось введением добавки с. н. в. (смола нейтрализованная воздухововлекающая).

Теория миграции влаги разработана А. Ф. Лебедевым, Н. А. Цытовичем, М. И. Сумгиным, А. В. Лыковым и другими советскими учеными. По этой теории распределение влажности в замерзающем пористом теле является функцией всех процессов, происходящих при замерзании.

А. И. Конопленко применил теорию миграции влаги для объяснения процесса разрушения бетона при попеременном замораживании и оттаивании.

Результаты опытов А. И. Конопленко и других исследователей подтвердили, что миграция воды направлена к охлаждаемой поверхности бетона. Вследствие миграции увеличивается насыщение пор вблизи наружной поверхности, что обусловливает разрушение наружных слоев бетона.

По нашему мнению, миграция влаги в бетоне является одной из существенных причин его разрушения при действии попеременного замораживания и оттаивания, однако влияние миграции должно рассматриваться в связи с другими факторами.

Основываясь на работах академика П. А. Ребиндера о формах связи воды с твердым веществом, Н. А. Мощанский дал научную классификацию пор и неплотностей в бетоне, которую мы использовали в нашей работе.

В ряде работ развивалась гипотеза о «термической несовместимости» компонентов бетона. Различие в величине их коэффициентов температурного расширения рассматривалось как одна из основных причин разрушения бетона при циклическом изменении температуры. Обсуждение проблемы «термической несовместимости» выявило, что в вопросе о роли различной температурной деформации составляющих бетона в процессе его физической коррозии нет единого мнения. Нам представляется, что влияние различной температурной и усадочной деформации крупного заполнителя и раствора, цементирующего зерна заполнителя, должно рассматриваться в свете работ Ю. А. Нилендера о роли микроструктурных напряжений.

Коллинс рассматривает морозостойкость бетона с точки зрения роста кристаллов льда, применив к бетону гипотезу Тебера и Буюкоса о замерзании почвы. По мнению Коллинса, вследствие охлаждения, идущего снаружи, в бетонном массиве образуется лед в виде слоев, параллельных наружной охлаждаемой поверхности. Разрушение бетона происходит под действием давления растущих кристаллов льда.

Предположение о послойном образовании льда не согласуется с результатами наших опытов по изучению миграции воды в бетоне при циклическом замораживании.

В 1945 г. Пауэре опубликовал рабочую гипотезу для дальнейшего изучения морозостойкости бетона, которая известна как гипотеза гидравлического давления. Она основана на предположении, что замерзающие наружные слои бетона расширяются и оказывают давление, оттесняющее внутрь еще не замерзшую воду, в результате чего в бетоне возникает гидравлическое давление, рассматривавшееся как причина разрушения бетона.

Эта гипотеза была экспериментально проверена Валента. В опытах использовали половинки кубиков из цементного теста в возрасте от двух до шести месяцев. Образцы насыщали в вакууме и затем хранили в воде в течение нескольких дней до постоянного веса. Образцы охлаждали со стороны нижней и боковых граней. Верхнюю грань соединяли с пьезометрической трубкой, заполненной водой, а свободную поверхность грани покрывали гидроизоляцией, препятствующей высыханию. Замораживали образцы при -4 и -9° С в течение 2 ч.

В опытах наблюдалось не повышение, а понижение высоты водяного столба соответственно на 9 и 13 мм. В образцах цементного камня, насыщенных под вакуумом, не происходило оттеснения воды от охлаждаемых поверхностей к «теплой» грани. Замораживание воды в аналогичных условиях, как и следовало ожидать, сопровождалось сначала некоторым понижением водяного столба, затем при образовании первых кристаллов льда произошел резкий подъем и наблюдалось дальнейшее равномерное повышение уровня.

Валента приводит также результаты испытания образцов цементного теста на сжатие и растяжение в обычном и замороженном состоянии. Замороженный цементный камень имел более высокую прочность на сжатие (этого ожидали экспериментаторы) и значительно более высокую прочность на растяжение. В момент разрыва вокруг некоторых пор было влажное кольцо, что указывало на наличие воды в переохлажденном состоянии, несмотря на низкую температуру (-23°С).

Гипотеза гидравлического давления

Гипотеза гидравлического давления, предложенная Пауэрсом, противоречит опытным данным о повышении прочности цементного камня на изгиб в замороженном состоянии. На несоответствие этой гипотезы опытным данным о миграции влаги указывал А. И. Конопленко. Критические замечания высказывались и в более поздних работах.

В дальнейшем Пауэрс перешел к оценке давления воды, замерзающей в ячейке (поре) цементного камня. Сама постановка вопроса о теоретическом анализе давления воды, кристаллизующейся в капиллярах цементного камня, являлась шагом вперед в теории морозостойкости бетона, хотя такой анализ и дает лишь качественные, а не количественные результаты.

Гипотезы гидравлического давления имеют определенное отношение к так называемой «теории интервала между порами», .изложенной в работах Пауэрса. Согласно этой теории, роль вовлеченного воздуха состоит в том, чтобы предотвратить расширение цементного камня во время замерзания. При этом эффективность воздушных пор зависит от толщины слоев цементного камня между ними, т. е. от фактора интервала.

Заслуживают особого внимания поиски функции, которая связала бы морозостойкость бетона с его составом и строением.

Решающие факторы морозостойкости бетона

В докладе Б. Варриса на Парижском симпозиуме по долговечности бетона в качестве основных характеристик строения бетона приняты водопоглощение и содержание воздуха. Анализ приводимых автором данных подтверждает необходимость учета характеристик пористости.

Предложенные гипотезы в большинстве случаев правильно объясняют отдельные стороны процесса физической коррозии бетона (миграция влаги, давление воды в капилляре цементного камня, развитие деформаций и трещин под влиянием циклических воздействий среды и др.) и каждая из них расширяет наше представление о явлениях, сопутствующих действию на бетон попеременного замораживания и оттаивания.

Все гипотезы приводят к общему выводу, что решающими факторами морозостойкости являются характеристики строения бетона. Однако нет общепризнанных критериев для оценки строения бетона с точки зрения его морозостойкости. Средний размер пор или средняя величина промежутка между ними не являются признаками морозостойкости, так как не учитывают качественного различия между основными группами пор в бетоне. Ввиду отсутствия характеристик качества пор бетона еще не установлена количественная связь между морозостойкостью и строением твердеющего бетона, которую можно было бы использовать при подборе его состава.

Обследование состояния сооружений

Для выявления причин разрушения бетона при совместном действии воды и мороза должны учитываться условия работы бетона в сооружениях. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют сооружения промышленной гидротехники, точнее ― градирни и другие объекты, применяемые в системе оборотного водоснабжения. Для бетона градирен характерны влажные условия и частое замораживание в холодное время года. Поэтому оценка факторов, воздействующих на бетон, и увязка их с данными обследования градирен дает возможность сделать выводы, имеющие значение для повышения морозостойкости бетона.

Башенные градирни

Градирни служат для охлаждения оборотной воды и входят в состав таких технологических комплексов, как установки химической промышленности, паровые турбины, мартеновские и доменные печи, компрессоры и др.

В настоящее время наиболее широкое распространение нашли два типа железобетонных градирен ― башенные гиперболические и вентиляторные.

Основными конструктивными элементами ее являются: вытяжная башня, водосборный бассейн, расположенный под вытяжной башней; водоотводящий и водоподводящий каналы с распределительным резервуаром, размещенным в центре градирни; оросительное (водоохладительное) устройство с водораспределительной сетью желобов, расположенных над бассейном.

Вытяжная башня градирни состоит из кольцевого фундамента, опорных колонн, опорного кольца, оболочки башни и верхнего кольца жесткости.

По водоподводящему каналу вода поступает в центральный распределительный резервуар и затем на деревянное оросительное устройство комбинированного типа (пленочно-капельное). После прохождения через оросительное устройство охлажденная вода стекает в бассейн градирни и из него уходит по отводящему каналу в сеть.

В отечественной промышленности за последние годы значительное распространение получили многосекционные вентиляторные градирни из унифицированных железобетонных элементов конструкции Гипротис. Такая градирня состоит из двух частей: подземной (водосборного бассейна) и надземной (каркаса с технологическим оборудованием и вентиляторной установкой). Каркас собирают из железобетонных колонн.

В обоих направлениях колонны связаны поперечными и продольными двухветвевыми тонкостенными балками. Они стыкуются между собой сварными накладками, а узлы сопряжения колонн с балками омоноличиваются. Наружная и межсекционная обшивка градирен выполняется из асбестоцементных листов усиленного профиля. Сборные железобетонные элементы, стальные конструкции и обшивку окрашивают антикоррозийным составом, а деревянные конструкции антисептируют.

Основным достоинством градирен описанной конструкции является то, что их возведение по существу сводится к монтажу сборных элементов заводского изготовления.

Вентиляторные градирни

Вентиляторные градирни выгодно отличаются от башенных большей производительностью и компактностью. Железобетон в элементах градирен может служить длительное время ― 50 лет и более при условии высокого качества бетона. В связи с этим в настоящее время градирни все чаще строят из железобетона.

Однако были случаи быстрого разрушения железобетонных конструкций градирен.

Как показало обследование, проведенное при участии М. М. Капкина, значительное число железобетонных градирен имеет признаки разрушения бетона уже после непродолжительной эксплуатации, на некоторых сооружениях обнаружены серьезные повреждения, требующие безотлагательного ремонта.

С июля 1961 г. по март 1962 г. комплексная бригада обследовала 20 промышленных объектов, на которых действовало около 400 секций вентиляторных градирен и 12 башенных градирен. На большинстве объектов выявлены значительные разрушения железобетонных градирен в весьма короткий срок после начала эксплуатации. Быстрое разрушение железобетонных конструкций под воздействием попеременного замораживания и оттаивания объясняется в основном низким качеством железобетонных элементов и строительно-монтажных работ.

Вместе с тем при удовлетворительном качестве изготовления железобетонных элементов и тщательном их монтаже после четырехлетней эксплуатации железобетонных вентиляторных градирен в условиях сурового климата г. Уфы отмечены лишь незначительные повреждения.

Условия службы бетона градирен зависят от их конструкции и режима эксплуатации. Рассмотрим эти условия на примере вентиляторных градирен из сборного железобетона системы Гипро-тис.

Градирня, разработанная в Гипротисе, представляет собой сборный железобетонный каркас, обшитый асбестоцементными волнистыми листами. Внутри она заполнена сборными блоками оросительного устройства: щитами (пленочный ороситель) или решетником (капельный ороситель). В брызгальных градирнях оросительного устройства нет.

Каркас градирни представляет собой систему сборных железобетонных колонн, связанных между собой поперечными и продольными сборными железобетонными балками. Балки имеют две ветви, соединенные между собой распорками у опор и посередине пролета.

Вода в градирне охлаждается в результате отдачи тепла потоку воздуха. Она подается в верхнюю часть градирни по водораспределительной системе, разбрызгивается через специальные насадки и, стекая по оросительному устройству, собирается в водосборном бассейне. Благодаря искусственной тяге, создаваемой вентиляторами, в градирне возникает встречный поток воздуха (показанный на рис. 2 стрелками), засасываемого снаружи через входные окна. Температура поступающей в градирню воды 25 ― 50 и очень редко 70° С, а охлажденной 20-30° С.

Условия службы бетона в конструкциях промышленной гидротехники и результаты их обследования

Общим для всех элементов градирен является то, что Они постоянно омываются оборотной водой, которая в зависимости от ее источника и загрязнения во время рабочего цикла может обладать той или иной агрессивностью по отношению к бетону (сульфатной, общекислотной и др.). Помимо этого, в оборотной воде могут содержаться вещества, резко интенсифицирующие ржавление арматуры; присутствие таких веществ становится особенно опасным, если арматура обнажена из-за отколов бетона.

Особенностью оборотной воды является изменение ее состава и постепенное повышение концентрации растворенных веществ, что может со временем усилить ее агрессивное действие. Это обстоятельство может представить серьезную опасность для долговечности железобетонных элементов градирен.

Хотя все элементы градирен находятся в постоянном контакте с оборотной водой, условия службы бетона водосборного бассейна, верхнего строения вентиляторных градирен и каркаса из сборных железобетонных элементов резко различны.

В относительно легких условиях находится бетон водосборного бассейна, который, подвергаясь воздействию оборотной воды с маломеняющейся положительной температурой, должен наряду со стойкостью к ее действию обладать необходимой плотностью, чтобы не допустить утечки воды в грунт.

В гораздо более тяжелых условиях находится бетон каркаса градирни, который, испытывая воздействие оборотной воды, подвергается также попеременному замораживанию и оттаиванию, высушиванию и увлажнению. Частота смен замораживания и оттаивания, высушивания и увлажнения зависит от режима эксплуатации, плотности орошения, направления и скорости ветра, температуры наружного воздуха и может быть весьма велика.

Попеременное замораживание и оттаивание бетона

Попеременное замораживание и оттаивание бетона является наиболее опасным видом физической агрессии. Бетон градирен подвергается воздействию мороза в весьма неблагоприятных условиях; он насыщается водой (чему помимо постоянного контакта с водой способствует миграция воды в бетоне под влиянием разности величин упругости пара внутри и снаружи градирни) и испытывает на себе агрессивное воздействие потока оборотной воды (выщелачивание и т.д.). В этих условиях начавшееся разрушение бетона развивается чрезвычайно быстро.

В особенно неблагоприятных условиях находятся железобетонные элементы в зоне входных окон, где поступающий в градирни холодный воздух соприкасается с относительно небольшими объемами охлаждаемой воды. При обследовании вентиляторных градирен рассматриваемого типа обнаружено, что разрушение бетона происходило именно в этой зоне. Тяжелые условия работы железобетонных элементов в зоне входных окон усугубляются и тем, что при эксплуатации градирен для предотвращения обмерзания входных окон вентиляторы периодически включают на обратное вращение. Создается обратный ток теплого воздуха, под действием которого оттаивают наледи на входных окнах, колоннах и балках. Вследствие этого бетон в зоне входных окон в течение одной зимы может подвергнуться очень большому числу смен замораживания и оттаивания. В этих зонах градирен должна быть обеспечена необходимая морозостойкость железобетонных конструкций. Для остальных же элементов градирен, соприкасающихся с уже нагретым воздухом, воздействие замораживания-оттаивания является менее характерным.

Как показало обследование, быстрое разрушение железобетонных конструкций в зоне входных окон вентиляторных градирен вызвано применением шлакопортландцемента, магнезиального портландцемента, заполнителей низкого качества, изготовлением железобетонных элементов с использованием пластичных бетонных смесей, а также жестким режимом эксплуатации градирен (повышенные гидравлические нагрузки и скорости движения воздуха, частое оттаивание входных окон потоком воздуха, создаваемым при реверсивном вращении вентиляторов) .

Указанное в равной степени относится и к бетону башенных градирен.

Оболочка башни градирни во время эксплуатации находится в тяжелых условиях. По внутренней ее поверхности стекает конденсат паров, образующийся при испарении охлаждаемой циркуляционной воды. Наружная поверхность оболочки подвергается периодическому воздействию конденсата и атмосферных осадков. Стекающий конденсат легко растворяет известь, выделяющуюся при твердении бетона.

В наиболее неблагоприятных условиях находится бетон верхней части оболочки башни. Вследствие малой толщины (порядка 100 мм) он замерзает при отрицательных температурах наружного воздуха в водонасыщенном состоянии. Колебания температуры воздуха вызывают соответствующие колебания фронта замораживания внутри бетона. Водонасыщенность бетона усиливается в связи со значительными температурными градиентами, обусловливающими в холодное время года миграцию воды изнутри градирни к ее наружной поверхности.

Бетон нижней части башни и зоны входных отверстий в силу значительно большей толщины оболочки оказывается гораздо менее водонасыщенным. При этом замораживанию подвергается наименее водонасыщенный, наружный слой бетона, который естественно в меньшей степени повреждается морозом.

Этот слой предохраняет наиболее водонасыщенные внутренние слои бетона от замораживания. Небольшие скорости движения холодного воздуха в зоне входных окон и отсутствие реверсивного его движения также способствуют созданию в нижней части башенных градирен относительно более благоприятных условий службы бетона, чем в верхней.

Так, верхняя часть башенной железобетонной градирни, построенной в 1956 г. из монолитного бетона на магнезиальном портландцементе (с применением пластичной бетонной смеси, характеризующейся осадкой конуса 8-10 см), уже через три года сильно разрушилась. В 1959 г. градирню отремонтировали, причем все имевшиеся в оболочке башни «окна» заделали бетоном. При повторном обследовании градирни вновь были обнаружены серьезные повреждения.

Железобетонные градирни рассматривались проектировщиками, строителями и эксплуатационниками как обычные промышленные сооружения. В настоящее время стало совершенно очевидно, что градирни следует рассматривать не только как обычные сооружения промышленного назначения, но и как сооружения технологического назначения, работающие в сложных температурно-влажностных условиях с высокой агрессивностью среды. Поэтому при проектировании градирен следует одновременно с разработкой их конструкций излагать подробные технические условия, регламентирующие требования к качеству бетона и железобетонных элементов. Эти технические условия должны передаваться на заводы сборного железобетона, поставляющие железобетонные элементы и товарный бетон для строительства градирен.

Условия службы бетона в гидротехнических сооружениях

Для облегчения условий службы бетона целесообразно при проектировании градирен предусмотреть отвод воды от элементов, непосредственно соприкасающихся с холодным воздухом и подверженных замораживанию, а также конструктивную и тепловую защиту водонасыщенных железобетонных элементов" от замораживания (отвод воды от ограждающих конструкций с помощью козырьков, гидроизоляция из асфальтовых материалов, пропитка отдельных элементов горячим битумом под давлением,, устройство тамбуров, теплозащита бетона ограждающих конструкций путем устройства покрытия из быстротвердеющих пен типа пеноэпоксидов и т.д.).

Долговечность железобетонных градирен в значительной степени зависит от качества строительных работ. Самые лучшие конструкции, материалы и методы проектирования могут оказаться неэффективными, если строительство будет вестись недостаточно хорошо.

Требования к бетону гидротехнических сооружений устанавливают на основе принципа зональности с учетом массивности конструкции и условий эксплуатации. Классификация гидротехнического бетона по зонам дает возможность предъявлять дифференцированные требования к бетону и качеству материалов для его приготовления.

В. В. Стольников предложил классификацию гидротехнических бетонов в зависимости от характера воздействия воды:

1) бетон, подверженный постоянному воздействию воды;

2) бетон, подверженный систематическому переменному воздействию воды;

3) бетон, подверженный эпизодическому воздействию воды. По нашему мнению, эта классификация является достаточно общей.

Особенно интенсивно разрушается бетон, находящийся в зоне переменного уровня воды и подвергающийся в зимний период многократному замораживанию и оттаиванию.

Обследование одиннадцати набережных, построенных в районе Японского моря, показало, что гравитационные набережные из бутобетонных массивов после шестидесятилетней эксплуатации имеют в зоне переменного уровня воды сплошные каверны глубиной 1 -1,5 м, высотой от 1 до 2 м. Массивы в подводной зоне сохранили необходимую несущую способность.

Гравитационные набережные из бетонных массивов с монолитной бетонной надстройкой после 6-8 лет эксплуатации имели каверны глубиной 2-4 см, местами 6-8 см в зоне переменного уровня воды. Массивы, изготовленные в водопоглощающей опалубке, а также защищенные облицовкой из естественного тесаного камня, разрушений не имеют.

Цилиндрические сваи железобетонного судоподъемника были заключены в металлические обоймы толщиной 10 мм. После 22летней эксплуатации железобетон в зоне переменного уровня имел незначительные повреждения поверхностного слоя бетона. Металлические обоймы почти полностью прокорродированы, но бетон внутри обойм разрушений не имеет.

Обследования морских гидротехнических сооружений, построенных в районе Кольского залива, выявили, что причиной быстрого разрушения призматических железобетонных свай причала в зоне переменного уровня воды является применение недостаточно плотного бетона на цементе с высоким содержанием трехкальциевого алюмината.

Стены камеры сухого дока из монолитного армированного бетона на пуццолановом цементе начали разрушаться уже в первую зиму после постройки. Через восемь лет были заделаны каверны и торкретирована поверхность стен; спустя примерно такой же срок стены камеры сильно разрушились и требовался повторный ремонт.

Бетон в подводных частях обследованных сооружений сохранился без видимых разрушений. Бетон сооружений, прослуживший от 25 до 60 лет в подводной зоне, имеет в ряде случаев нарушенную структуру и пониженную прочность.

Результаты обследования гидротехнических сооружений выявили следующие причины разрушения бетона:

1) низкая плотность бетона;

2) применение пуццоланового портландцемента, а также магнезиального портландцемента и цемента с высоким содержанием трехкальциевого алюмината;

3) коррозия металлических закладных частей и арматуры;

4) раннее замораживание бетона при укладке в холодное время года;

5) недостаточная жесткость конструкции и нарушение правил ее эксплуатации.

Таким образом, основным резервом увеличения долговечности бетона является улучшение его качества путем повышения плотности. Большое значение имеют также выбор цемента, качество заполнителей, обеспечение проектной толщины защитного слоя арматуры и другие факторы.

3. Методология испытания бетона на морозостойкость

Условия лабораторного испытания морозостойкости бетона, как известно, отличаются от реальных условий службы. Сравнительно небольшой образец бетона охлаждается в морозильной камере со всех сторон, т. е. замерзает как замкнутая система, в которой почти исключаются характерные для массивных бетонных сооружений процессы тепло- и влагообмена.

Испытание образца в таких условиях не может воспроизвести влияние на морозостойкость структурных напряжений, возникающих в бетоне сооружения вследствие неравномерного распределения влаги и температуры. Не учитывается также влияние напряжений, возникающих от нагрузок.

Таким образом, обычное испытание образца характеризует морозостойкость самого материала вне зависимости от напряженного состояния, возникающего в данной части сооружения. Циклы оттаивания и замораживания (которое обычно производится при температуре от -17 до -20° С) чередуются непрерывно в течение всего периода испытания. При сравнительно коротком сроке оттаивания процесс самозатягивания трещин в бетоне не может иметь большого значения. На результаты испытания влияют производственные факторы. При изготовлении образцов бетонная смесь хорошо уплотняется в формах, сами образцы хранят до испытания в нормальных (т. е. хороших) условиях 28 суток или более продолжительное время. К сожалению, в производственных условиях период ухода за бетоном часто сокращается.

Методология испытания бетона на морозостойкость

Наиболее трудным и сложным вопросом в методологии испытания бетона на морозостойкость является переход от оценки его морозостойкости в лабораторных условиях к оценке долговечности в конструкции. Как правильно назначить (рассчитать) марку бетона по морозостойкости для данной части сооружения с учетом срока его эксплуатации, климатических и других условий?

Поведение бетона в лабораторных и естественных условиях может быть выявлено путем сопоставления результатов стандартного и натурного испытания морозостойкости, а также путем привлечения данных обследований сооружений.

В работе В. М. Медведева и В. Д. Афониной проанализированы результаты сравнительных испытаний морозостойкости бетонных образцов в лабораторных и естественных условиях, выполненных ОИСМ НИСа Гидропроекта. Использованы данные станции натурных исследований, устроенной в нижнем бьефе Широковской ГЭС (Пермская обл.), где бетонные кубы за зимний период испытывали 600--700 колебаний уровня воды.

Поведение бетона в лабораторных и естественных условиях

Коэффициент перехода К от данных лабораторных испытаний морозостойкости к результатам натурных испытаний выражался дробью

Между формулами имеется существенная разница. Формула исходит из того, что лабораторные испытания являются более суровыми и один цикл в лабораторных условиях эквивалентен 50-60 циклам в естественных условиях. Формула характеризует совсем иной подход к установлению требований по морозостойкости бетона. По-существу N = TK представляет собой число циклов замораживания и оттаивания поверхностного слоя бетона в естественных условиях. По формуле (3) морозостойкость должна оцениваться числом циклов, которые претерпевает бетон в естественных условиях, а для тонкостенных конструкций берется удвоенное число природных циклов замораживания.

Современное состояние методологии испытания морозостойкости бетона еще не дает возможности установить общих зависимостей между результатами лабораторного опыта и сроком службы бетона в сооружении. Эта зависимость устанавливается для характерных условий эксплуатации опытным путем. Сочетание лабораторного эксперимента с натурным дает возможность установить соотношение между их результатами применительно к конкретным природным условиям и делает более уверенными практические рекомендации.

В работе Б. Г. Скрамтаева, М. М. Капкина и Г. Г. Еремеева рассмотрена роль температурных напряжений при испытании материала на морозостойкость.

По мнению авторов, при испытании на морозостойкость образец материала подвергается воздействию двух видов напряжений: первого рода, или температурных, вызываемых нестационарным температурным полем, и второго рода, или микронапряжений, вызываемых ростом кристаллов льда в порах материала.

Величина температурных напряжений зависит от размеров и формы образца, скорости изменения температуры поверхности и других факторов, не связанных с будущей работой материала в сооружении. Температурные напряжения в образце при испытании на морозостойкость и в сооружении при промерзании не равны, в то время как микронапряжения в материале при испытании на морозостойкость и в промерзающем материале сооружения одинаковы при равноценных температурно-влажностных режимах.

Поэтому следует различать морозостойкость материала и морозостойкость сооружения, выполненного из этого материала. Материал может быть стойким по отношению к микронапряжениям, т. е. морозостойким, но если в сооружении из этого материала при промерзании могут развиваться растягивающие температурные напряжения, превышающие прочность материала на разрыв, то сооружение может оказаться неморозостойким.

В ГОСТах, относящихся к испытаниям на морозостойкость, не излагается четких требований к режиму проведения опыта. Скорость изменения температуры поверхности образца колеблется в широких пределах в зависимости от условий проведения опыта. Естественно, что и температурные напряжения также не остаются одинаковыми и подобными. Сложение микронапряжений и температурных напряжений вносит неопределенность в конечные результаты опыта, делает несопоставимыми даже результаты испытаний образцов разных геометрических размеров при одинаковых режимах испытаний.

Поэтому правильнее было бы определять морозостойкость как свойство материала сопротивляться разрушению от особого рода повторной нагрузки, создаваемой в нем микронапряжениями при промерзании.

Если исходить из этого определения, то методика испытаний должна исключать возможность появления в материале при проведении опыта «посторонних» напряжений. Такими «посторонними» напряжениями при испытаниях на морозостойкость являются температурные напряжения.

Однако при проведении испытаний образцов материала на морозостойкость трудно избежать появления в них температурных напряжений. Поэтому важно оценить их величину и влияние на конечный результат испытания с тем, чтобы предельно уменьшить их воздействие.

Как известно, испытания бетонов на морозостойкость проводятся на образцах, имеющих форму куба. Вместе с тем существующие методы расчета температурных полей и температурных напряжений практически не позволяют решить поставленную задачу в трех независимых координатах. Поэтому в первом приближении она решена для модели эквивалентного тела; для куба таким телом является шар.

Теоретический анализ позволил вывести ряд зависимостей, которые устанавливают связь величины температурных напряжений с физико-механическими свойствами материала, размерами образца и скоростью изменения температуры его поверхности. На этой основе разработана методика оценки величины температурных напряжений в образце и расчета параметров режима испытания (в частности, скорости замораживания), при котором температурные напряжения будут находиться в определенных заданных пределах. Возможность регулирования режима испытания морозостойкости с учетом температурных напряжений имеет большое значение для дальнейших научно-исследовательских работ в этой области. Вместе с тем на основе полученных результатов имеется возможность улучшить методику стандартных испытаний.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статьи по газобетону ( газоблоку ), газобетонных блоков, газосиликатнных блоков

Новости, статьи, слухи, факты, разное и по чу-чуть

Статьи по кирпичу ( рядовому, лицевому,облицовочному,клинкерному, шамотному, силикатному,)