Мимовільне гальмування тріщин

Мимовільне гальмування тріщин

Відомо, що тріщини в цементному камені в певних умовах мимовільно затягуються. А. Р. Шуляченко вказував на велике значення цього явища для відновлення структури бетону, який піддається агресивним впливам середовища. Відомі досліди Р. До - Дементьєва по зрощенню розірваних вісімок з цементного тесту, проведені ним ще в 1928 р. Лоер і Слейт досліджували мимовільне гальмування при випробуванні зразків цементного тіста на розтяг. Вивчалося відновлення міцності зразків через 7; 28 і 90 діб перебування в сухих або вологих умовах, а також визначався склад сполучного матеріалу шляхом хімічного і петрографічного аналізів.

Пропонуємо купити піноблоки в Закарпатті за кращими цінами

Було встановлено, що тріщини в цементному камені затягуються тільки в присутності води. При зберіганні у воді половинки розірваних зразків зросталися, причому міцність зчеплення становила залежно від терміну витримки від 6 до 25% міцності зразків у відповідному віці. Успішніше затягувалися тріщини, що утворилися в початкові терміни тверднення. Поперемінне зволоження і висушування впливає негативно, знижуючи міцність зчеплення.

Автори прийшли до висновку, що сполучний матеріал повністю складається з кристалів карбонату кальцію і гідрату окису кальцію. Не було виявлено аморфних продуктів гідратації цементу. Мимовільне затягування пояснюється міграцією гідрату окису кальцію, що виходить при гідролізі трьохкальцієвого силікату, з внутрішніх частин цементного каменю до поверхні зламу. Міграції та накопичення гідрату окису кальцію в тріщині сприяє, на думку авторів, карбонізація гідроокису, що знижує її концентрацію на поверхні зламу. Введення в портландцемент 15% золи, що зв'язує вапно, негативно позначилося на міцності зчеплення при зберіганні зразків у воді.

Мимовільне гальмування тріщин сприяє відновленню монолітність структури бетону і зменшення його проникності. Теоретичне та експериментальне дослідження усадки і розтріскування цементуючого матеріалу, що знаходиться в зчепленні з природним каменем, дозволило зробити висновок про те, що зменшення вологісних деформацій усадки та набухання сприяє підвищенню морозостійкості бетону.

Вологісні і температурні деформації оболонки

При оптимальних дозах гіпсу (2-3% в перерахунку на S03) цементно-піщаний розчин мав найбільшу морозостійкість і в той же час найменшу сумарну влажностную деформацію, рівну сумі деформацій усадки та набухання. Добавка гіпсу є регулятором морозостійкості і вологісних деформацій.

Таким чином, мікроструктурні напруги в бетоні обумовлені різним деформацією складових бетону при зміні його вологості і температури, а також при кристалізації води в порах.

Вологісні і температурні деформації оболонки і зерна змінюються при замерзанні бетону. Заморожування цементного каменю, повністю насиченого водою, викликає його розширення. Розширення оболонки при замерзанні впливає так само, як і набухання при зволоженні. Однак заморожування набагато небезпечніше, так як викликає значно більші деформації оболонки.

Для збереження конструктивних якостей залізобетону особливо важливе значення має забезпечення контакту між сталевою арматурою і бетоном.

Суцільність контакту між бетоном і сталлю має особливо важливе значення для довговічності залізобетонних конструкцій. Поява тріщин в бетоні зменшує його стійкість в агресивних умовах і погіршує його захисні властивості по відношенню до арматури. Тріщини, що утворилися в бетоні, також знижують несучу здатність і жорсткість залізобетонних конструкцій.

Умови спільної роботи сталевої арматури та бетону при теплових впливах вивчені ще недостатньо.

Умови спільної роботи сталевої арматури та бетону

Загальновизнано, що коефіцієнти температурного розширення бетону і сталі мало різняться між собою і наявність арматури не може помітно вплинути на величину температурних напружень у залізобетонних конструкціях. Вважається, що залізобетон і при негативних температурах і в умовах нестаціонарного теплового режиму веде себе як гомогенний матеріал.

Дослідження, проведені під керівництвом В. М. Москвіна в Центральній лабораторії корозії НИИЖБа, показали, що існуючі уявлення потребують деякого уточнення.

Вода, що міститься в порах цементного каменю, при замерзанні збільшується в об'ємі, викликаючи розширення бетону. Розширення спостерігається у деякому температурному інтервалі, залежній від попередніх температурно-вологісних впливів на бетон певного складу і віку. Температура, при якій відбувається розширення бетону під час заморожування, і величина такого розширення в кінцевому рахунку визначаються ступенем заповнення водою пор і тріщин.

При дії негативних температур на насичену водою залізобетонну конструкцію різко порушується відповідність між температурними деформаціями бетону і сталі. При замерзанні водонасичений бетон розширюється, в той час як сталева арматура стискається. В результаті в залізобетонній конструкції виникають значні власні напруги. Невідповідність за знаком деформацій бетону і арматури при повторюваних знакозмінних навантаженнях призводить до порушення суцільності структури залізобетону ― появи мікротріщин в самому бетоні і в зоні контакту його з арматурою.

Невідповідність деформацій бетону і сталевої арматури при температурних впливах на залізобетон може викликатися також різким розходженням їх коефіцієнтів температуропровідності. Коли тепловий потік направлений паралельно арматурі, відмінність коефіцієнтів температуропровідності сталі і бетону може викликати поява небезпечних для бетону місцевих температурних напружень. Чисельна оцінка цих напруг вимагає у кожному випадку спеціального розрахунку.

Тиск води, що замерзає в порах цементного каменю

Міграція води в бетоні сприяє її утворенню у відкритих порах, розташованих поблизу охолоджуваної поверхні. Тому руйнування бетону починається з поверхні. Характерно, що воно спочатку носить локальний характер. Спочатку з'являється місцеве руйнування у вигляді плям лущення і поверхневих тріщин. Лущення поширюється по поверхні бетону і вона руйнується. У неоднорідному матеріалі, яким є бетон, обводнення пір поверхневого шару відбувається нерівномірно, тому відрив поверхневого шару бетону (у вигляді лущення) або його розрив (утворення поверхневих тріщин) спостерігається спочатку в небагатьох точках.

Необхідно розглянути умови, що створюються поблизу капіляра цементного каменю при замерзанні заповнює його води.

Аналіз напружень, що виникають в цементному камені при заморожуванні, є поки тільки якісним, оскільки капіляри не мають правильної геометричної форми, матеріал відрізняється неоднорідністю будови, а фізико-механічні властивості льоду змінюються в широких межах залежно від температури та інших умов. Тим не менш залежності, отримані при аналізі, становлять певний інтерес, оскільки допомагають виявити спрямованість явищ та причини розтріскування бетону при заморожуванні.

Валента обчислив величину напружень у стінках циліндричного капіляра з непроникними стінками, заповненого водою, допускаючи, що при замерзанні води виникає тільки розтягнення стінок капіляра вздовж осі. З прийнятим у цьому розрахунку допущенням не можна погодитись, оскільки воно повністю ігнорує радіальний тиск замерзлої води.

У даній роботі для обчислення тиску замерзлої води і величини напружень у стінках капіляра використано класичне рішення задачі про розподіл напружень у стінках циліндричної труби, відчуває дію рівномірно розподіленого внутрішнього тиску (задача Ламе).

Розглянуто ділянку циліндричного капіляра, розмір якого уздовж осі капіляра дорівнює одиниці.

Для визначення величини внутрішнього тиску, що виникає при замерзанні води в макрокапилляре, застосований метод обчислення тиску на поверхні стикання складених циліндричних трубок.

Для аналізу прийняті наступні передумови. Внутрішній стрижень із замерзлої води при вільному розширенні мав би радіус, проте зовнішній циліндр із цементного каменю обжимає внутрішній стрижень, зменшуючи вказаний радіус таким чином, збільшення внутрішнього радіуса капіляра цементного каменю.

Цей вираз дає можливість припустити, яка повинна бути гранична товщина стінок капілярів даного радіуса в цементному камені з певними властивостями при даній швидкості кристалізації води. Ця ідея ілюструється графічною інтерпретацією умови.

Деформації цементного каменю і розчину при заморожуванні та відтаванні

Гранична величина інтервалу залежить від ряду факторів: розміру пір, фізико-механічних властивостей цементного каменю і швидкості заморожування.

Отримані залежності дозволяють зробити висновок, що головними чинниками, що визначають величину напружень у стінках капілярів цементного каменю при замерзанні води, є ступінь заповнення капілярів водою, проникність стінок по відношенню до води, швидкість заморожування і параметри, що характеризують внутрішні розміри капілярів і товщину їх стінок. Підвищення морозостійкості цементного каменю сприяє зменшення капілярної пористості і наявність дрібних, рівномірно розподілених повітряних контракционных пір, недоступних для води при нормальному тиску. Як показують результати проведеного аналізу, швидкість заморожування при випробуванні зразків цементних матеріалів на морозостійкість повинна бути стандартизована.

Виходячи з загального поняття міцності матеріалів як здатності деформуватися без руйнування під дією зовнішніх сил, Н. А. Попов визначив загальне поняття стійкості матеріалу як «здатність його витримувати без руйнування деформації (як загальні, так і локальні), які виникають внаслідок фізико-хімічної взаємодії матеріалу з навколишнім середовищем».

Використовуючи це загальне поняття стійкості матеріалу, можна визначити морозостійкість як властивість насиченого водою бетону переносити без руйнування деформації (як загальні, так і локальні), що виникають при дії поперемінного заморожування і відтавання.

Коефіцієнт термічного розширення цементного каменю, розчину та бетону

Між тим розвиток деформацій цементного каменю, розчину бетону при заморожуванні, а також впливають на них фактори вивчені недостатньо. Відомо лише кілька зарубіжних робіт, де розглядаються деформації бетону при заморожуванні, але температура заморожування в більшості випадків не була нижче -30°С.

В. М. Москвін і М. М. Капкин вивчали деформації цементного каменю при більш низьких негативних температурах, до -70°С. Величину деформацій цементного каменю визначали в лабораторній термокамері з автоматичним регулюванням температури.

Зразки з встановленими (в процесі виготовлення в торцях упорами-фіксаторами обгортали поліетиленовою плівкою і герметично запаювали, щоб захистити бетон від випаровування води та усадки, і встановлювали спеціальні штативи з індикаторами.

Для стабільної роботи індикаторів труться їх обертових механізмів змащували антифризным маслом. Зразки в штативах з індикаторами поміщали в шафу термокамери при кімнатній температурі. Шафа герметично закривали і в ньому автоматично встановлювалася температура 20°С, при якій зразки витримували до припинення деформацій, що фіксувалося індикаторами. Температуру знижували ступенями з інтервалом у 5 або 10°. Зразки розміром 7х7х22 см протягом кожного ізотермічного періоду витримували в камері 2-2,5 ч.

Для прийнятої схеми виміру лінійних деформацій цементного каменю показання індикаторів залежать від деформації випробовуваного зразка та від зміни довжини сталевого штатива.

Коефіцієнт термічного розширення стали штативів визначали експериментально, для чого в один з штативів замість випробовуваного зразка вставили кварцову трубку ― еталон довжиною, рівній довжині зразка, і записали свідчення індикатора.

Експериментальні точки суворо лягли на пряму, нахил якої характеризує коефіцієнт лінійного розширення сталі. Цей експеримент одночасно підтвердив правильність і стабільність показань індикаторів при роботі в умовах низьких температур.

Досліджували цементний камінь, приготований з сульфа-тостойкого портландцементу марки 500. Для випробувань брали зразки, твердевшие протягом місяця в нормальних умовах і насыщавшиеся водою дві доби.

Вплив низьких негативних температур на деформацію на арматури в залізобетоні

Такі деформації можна умовно розділити на три види відповідно з температурними інтервалами.

Деформації першого виду в залежності від В/Ц цементного каменю укладаються в температурний інтервал від +20 до -15°С;

деформації другого виду ― від -10 до -40°С;

деформації третього виду ― від -35 до -65°С.

В основу цього поділу покладено умову впливу деформацій на арматури в залізобетоні. Наприклад, деформації першого і третього виду можуть створювати в арматурі напруги розтягування, а деформації другого виду ― стискаючі напруги.

Під час випробувань вивчався також вплив низьких негативних температур на розвиток залишкових деформацій. Для цього зразки з цементного каменю відчували за раніше описаною методикою з тією лише різницею, що при зворотному ході кривий витримування при цій температурі (під час підвищення температури) було в 2-3 рази довшим, ніж при прямому ході кривої. Це робилося тому, що однакова температура по всьому перерізу зразка при зворотному ході кривої (при відтаванні) встановлюється значно повільніше.

Результати цих досліджень наведено на рис. 34. З малюнка видно, що при відтаванні цементного каменю спостерігаються значні залишкові деформації, які зростають із збільшенням В/Ц.

У роботі Н. А. Попова, Р. В. Горчакова і В. І. Ліфанова температурні деформації цементно-піщаного розчину вивчалися з допомогою дилатометра, розробленого і побудованого в науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірювань П. Р. Стрілецьким і В. І. Ліфановим. У цій роботі застосовувались зразки з сформованою структурою.

Розмір пор гелю

У капілярах радіусом порядку 0,022 мр не спостерігалося аномалії в розширенні води, у зв'язку з чим Н. Н. Федякин зробив висновок, що структура рідини в цих капілярах залишається постійною.

Розмір пор гелю приблизно на один порядок менше діаметра цих капілярів (рівного 0,04 рк), а розмір контракционных пір приблизно такого ж порядку. На підставі даних, отриманих Н. Н. Федякиным, можна припускати, що вода гелю і вода в контракционных порах цементного каменю не збільшується в обсязі при охолодженні бетону. Отже, подовження вологих зразків цементних розчинів при заморожуванні викликано розширенням води переважно в капілярних порах, є макрокапиллярами. Таким чином, для підвищення морозостійкості необхідно зменшення обсягу макрокапилляров, що мають радіус більше 0,1 мк (більше 1000 А).

За класифікацією А. В. Ликова розрізняють мікро - і макрокапилляры в залежності від довжини вільного пробігу молекул газу, складовою при нормальному барометричному тиску приблизно Ю-5 див. В микрокапиллярах з радіусом менше 10~5 см (0,1 мк) перенесення газоподібного речовини відбувається у вигляді ефузії (молекулярного течії);в макрокапиллярах, що мають радіус більше Ю-5 см, це перенесення здійснюється дифузійним шляхом. Пори гелю і контракционные пори є микрокапиллярами.

Дослідження Т. Ф. Боровик-Романової, М. І. Сумгина виявили залежність температури замерзання води від розміру капілярів. М. В. Сумгин отримував тонкі плівки води расплющиванием водопровідної води між відшліфованими скляними пластинками. Досліди показали, що температура переходу води в лід при інших рівних умовах тим нижче, чим тонше шар води. Цей висновок узгоджується з дослідами Т. Ф. Боровик-Романової. Разом з тим було виявлено, що замерзання води в тонких шарах залежить як від температури, так і від тривалості заморожування.

Дилатометрическая крива

Результати дослідів М. І. Сумгина, проведених зі скляними пластинками, не можна безпосередньо перенести на цементний камінь. На нашу думку, вони можуть бути використані лише для судження про якісну зв'язку дилатометрической кривої, яка аналогічна кривій / на рис. 35, з розміром пір в цементному розчині. Стрибкоподібне подовження зразків в інтервалі температур від -5 до -8°С було викликано переходом в лід води, яка перебувала у великих капілярних порах (діаметром близько 8-10 мкм і більше). При температурі -20, -25°С вода переходить у лід у більш дрібних порах (близько 5-1,5 мк), що викликає поступове збільшення деформацій подовження зразка до другого максимуму. Другий максимум на кривою «температура - деформації» (в інтервалі від -40 до -50°С), мабуть, пов'язаний зі збільшенням обсягу води в тонких капілярних порах (розміром близько 0,2-1 мкм). Зменшення деформацій цементного розчину при замерзанні досягається зниженням В/Ц і забезпеченням вологих умов твердіння, сприяють більш повної гідратації цементу. Ці заходи сприяють зменшенню об'єму капілярних пор (макропор) і майже повного усунення деформацій в температурному інтервалі від -5 до -10°С.

Таким чином, дилатометрическая крива «температура ― деформація» є характеристикою будови і морозостійкості цементного розчину, що відбиває наявність у розчині різних за розміром і якістю пір. З допомогою дилатометрической кривої можна виявити наявність найбільш небезпечних великих капілярних пор, які викликають руйнування цементного розчину (та бетону) у випадку частої зміни температур навіть при невеликих морозах (близько -10°С).

Дослідження несучої здатності залізобетонних конструкцій

В даний час експериментальні дослідження несучої здатності залізобетонних конструкцій провадяться при нормальних (близьких до кімнатних) температурах, тому результати цих досліджень цілком можуть бути поширені на конструкції, які працюють при температурі не нижче -5° С. При більш низькій температурі в залізобетоні виникають додаткові напруження, що не враховуються до останнього часу при розрахунках залізобетонних конструкцій.

Дослідження показали, що при температурі нижче -30° С виникають значні внутрішні напруги, викликані різницею в термічних деформацій сталі і бетону. Тому для точного розрахунку залізобетонних конструкцій, призначених для роботи при негативних температурах, необхідно проводити випробування в експлуатаційних умовах.

Ігнорування цих умов може призвести до значних деструктивних процесів як в бетоні, так і в залізобетоні в цілому, а також до зміни напружень в арматурі при застосуванні попередньо напружених конструкцій.

Міграція води в бетоні

Міграція (переміщення) вологи в розчинах і бетонах вивчалася у таких умовах, коли один кінець призматичного зразка перебував у теплій воді, а інший піддавався поперемінному заморожуванню. Міграція вологи у постійних умовах вивчалася в інших роботах.

Теорія міграції розроблена радянськими вченими А. Ф. Лебедєвим, П. І. Андриановым, Н. А. Цитовичем і М. І. Сумгиным, А. В. Ликовим та ін.

У замерзаючий бетоні волога знаходиться і мігрує у вигляді пари, рідини і льоду. По А. Ф. Лебедєву, міграція вологи у вигляді пари є найбільш загальною формою її руху в природі. Згідно Н. А. Цытовичу і М. І. Сумгину основною причиною міграції пара є різниця упругостей пара, що створюється внаслідок різниці температур, а також внаслідок різної кривизни менісків в порах.

У замерзаючий бетоні міграція води у вигляді пари може відбуватися в специфічних формах. В процесі заморожування можливе пересування водяної пари при постійних температурах від переохолодженої води до льоду з переходом перегоняемого пара відразу в лід. Причинами переміщення рідкої води в бетоні є сила тяжіння і капілярний тиск, а в напірних конструкціях також одностороннє гідростатичний тиск. Разом з тим вода в замерзаючий бетоні може пересуватися під впливом напружень, які виникають внаслідок розширення частини її обсягу, що переходить у лід.

Ця форма міграції води досліджена М. І. Сумгиным в його теорії здимання грунтів. Фізична сторона явища полягає в тому, що внаслідок збільшення обсягу кристаллизующейся води не замерзла ще вода може переміщатися в певному напрямку, тобто «може бути гидростатически нагнітаючи з поряд лежачих місць». Якщо система замкнута, то розвивається гідростатичний тиск призводить до пученію ґрунту, як це буває в районах вічної мерзлоти або в тих випадках, коли роль вічної мерзлоти грає водонепроникний підстильний шар.

Н. А. Цытович і М. І. Сумгин передбачали можливість переміщення вологи в грунтах під впливом сил кристалізації. Зростаючий кристал льоду як би притягує молекули води зі своєї гідратної оболонки, цілісність якої зберігається за рахунок «притягання» у гидратный шар молекул вільної води.

Міграція льоду можлива під дією зовнішніх сил і напружень, які виникають в матеріалі при його замерзанні і можуть бути, по Б. П. Вейнбергу, причиною плавлення частини льоду, який перебуває у місцях, що характеризуються підвищеним тиском і зниженою температурою.

Частина висновків і закономірностей, отриманих у суміжних галузях науки, можуть бути застосовані до бетонів та розчинів, які мають капілярні пори, доступні для води.

Градієнт вологості і градієнт температури

А. В. Ликов обґрунтував основні співвідношення тепло - і вологообміну. Якщо всередині вологого матеріалу існує градієнт вологості і градієнт температури, то волога буде переміщатися як в силу градієнта вологості (влагопроводность), так і завдяки градієнту температури (термовлагопроводность). Обидва процесу переміщення вологи (під впливом градієнтів вологості і температури) при заморожуванні проходять одночасно.

У числі експериментальних робіт, присвячених вивченню міграції води в природних і штучних кам'яних матеріалах, можна вказати роботи Б. В. Залеського, Н. Е. Брилинга, А. В. Конопленко та ін.

Дані, отримані різними дослідниками в лабораторних умовах, показують, що міграція води посилюється при збільшенні градієнта температур, а також під впливом змінного багаторазового заморожування і відтавання і збільшення довжини зразка.

Ми прагнули наблизити досліди до реальних умов служби бетону в зоні змінного рівня води.

Зразками служили розчинні і бетонні призми 5x5x32 див. Для виготовлення бетонних призм застосовували дрібнозернистий щебінь з найбільшим розміром зерен 10 мм. До випробування зразки витримували на повітрі з відносною вологістю 90-100%. Перед випробуванням бічні поверхні призм покривали розплавленим парафіном. Підготовлені зразки поміщали в ящик, причому нижній кінець призми весь час випробування перебував у ванні з водою кімнатної температури (17 і 19°С).

Після установки зразків проміжки між ними заповнювали сухими тирсою. Верхній кінець зразка заморожували твердої двоокисом вуглецю, яка містилася у ванну, яка розміщена під кришкою ящика.

Виміри температури повітря біля верхнього кінця зразків показували, що через 1/2-2 год температура знижується до мінус 25-30° С. При цій мінімальній температурі зразки витримували 4 ч. Потім кришку і ванну з охолоджуючим агентом прибирали, і верхні кінці зразків відтавали на повітрі при 17 і 19°С. Тільки в одному випадку (при випробуванні зразків з цементу До-Ю) замість твердої двоокису вуглецю застосували охолоджуючу суміш з криги та кухонної солі (склад 1:2 по вазі). При цьому температура біля верхнього кінця зразків була мінус 12-14°С.

Після того як верхні частини зразків проходили задане число циклів заморожування і відтавання, визначали ваговим способом розподіл вологи по висоті призми. По закінченні останнього заморожування зразки виймали з ящика і ретельно очищали від парафіну і розбивали на шість шматків приблизно однакової довжини. Кожен шматок відразу зважували (позначимо цей вага GM). Потім визначали вага шматка Gp після витримування його у камері вологого зберігання на повітрі з відносною вологістю 90-100% до досягнення рівноважної вологості. Нарешті, визначали вага шматка G0 після його висушування при температурі 105-110°С до постійної ваги.

Зразки на цементі Р-10 пройшли 20 циклів заморожування; бетонні призми мали найбільшу вологість в нижньому і верхньому ділянках. Знизу зразки насичувалися шляхом капілярного всмоктування. Верхня частина зразків, що знаходилися в умовах поперемінного заморожування і відтавання, мала підвищену вологість внаслідок міграції вологи до охолоджуваного кінця. Дані досліду вказують на незворотний характер міграції вологи при поперемінному заморожуванні і відтаванні, що зумовило її накопичення в порах холодної частини призми.

У зразках з розчину 1:2,28, який відповідав розчинної частини бетону, характер розподілу вологи по висоті після випробування зберігається таким же, що і у бетонних зразків.

При випробуванні зразків із розчину 1:6 міграція вологи до охолоджуваного кінця була особливо ясно виражена. Після 15 циклів поперемінного заморожування і відтавання на верхній грані виступила волога, замерзла у вигляді лінзи.

При витримуванні в камері зберігання вологого рівноважна вологість бетонних зразків була в середньому близько 3,1%, зразків розчину 1 : 2,28 ― близько 6,3%, а з розчину 1:6 ― близько 3%. Тут, мабуть, позначилася різниця в розмірах і характері пір у «жирних» і «худих» будівельних розчинів.

При випробуванні зразків за вказаною вище методикою приріст вологості (порівняно з рівноважною вологістю) на окремих ділянках бетонних зразків та зразків з розчину 1:2,28 був одного порядку ― в межах 0,7 ― 2%. В тих же самих умовах випробування приріст вологості зразків з розчину 1:6 був значно більшим і становив 5,4-7,6%.

Серія зразків з портландцементу пройшла 30 циклів. Температура повітря при охолодженні верхнього кінця була мінус 12 і 14°З, т. е. умови заморожування були більш м'якими, ніж у попередньому досвіді.

Однак, як показують досвідчені дані, перерозподіл вологи відбувалося і в даному випадку. Максимальну вологість у кінці випробування мали верхні ділянки зразків, піддавалися поперемінному заморожуванню і відтаванню. Після 24 циклів на верхній грані зразків з розчину 1:6 було помітно виділення води. Зразки даної серії мали більшу величину рівноважної вологості при витримуванні у вологій кімнаті, ніж зразки з портландцементу М-10. Різниця в здатності утримувати гігроскопічну вологу, мабуть, пояснюється будовою капілярних пір цементного каменю, на який чинить вплив хіміко-мінералогічний склад цементу.

Характер руйнування бетону при дії поперемінного заморожування і відтавання

Різноманіття явищ, супутніх дії середовища на бетон, проявляється в різних формах руйнування, які розглянуті нижче. Це дає можливість виділити в складному процесі впливу середовища на бетон головну причину його руйнування.

1. Поверхневе руйнування, що починався у вигляді лущення поверхні бетону і розвивалося в подальшому у вигляді відшаровування. Спостерігалося у природних умовах служби бетону і при лабораторних випробуваннях морозостійкості бетонних зразків. Цей поширений вид руйнування пов'язаний з міграцією вологи в бетоні, спрямованої до охолоджуваної поверхні.

2. Поступове розпушення бетону, що супроводжувалося збільшенням його обсягу, підвищенням водопоглинання, зниженням міцності та модуля пружності. У початковій стадії не завжди з'являлися зовнішні ознаки руйнування. Такий вид руйнування спостерігався у пластичних бетонів на портландцементах з підвищеною кількістю трьохкальцієвого алюмінату (10 - 14%), а також на пуцоланових портландцементах та шлако-портландцементах, що містили добавку кислого гранульованого доменного шлаку. Розпушення обумовлено великою капілярної пористість бетону.

3. Раптове («вибуховий») розпушення бетону, який спочатку добре протистояв поперемінному заморожуванню і відтаванню. У ряді випробувань бетону на тонкомолотых портландцементах після 100-120 циклів заморожування спостерігалося різке зниження міцності і модуля пружності, що вказує на погіршення структури бетону. В подальшому руйнування бетону відбувалося досить швидко. Такий характер руйнування пов'язаний, швидше за все, з великою усадкою тонкомолотых цементів.

4. Місцевий («часткове») руйнування бетону, викликане розшаруванням бетонної суміші, наявністю неморозостойких зерен і грудок глини в заповнювачі та іншими причинами. Спостерігалося в натурних і лабораторних випробуваннях бетонів, а також при систематичних обстежень цементно-бетонного покриття дороги.

5. Розтріскування бетону, що супроводжувалося його розпадом на окремі шматки. До цього виду можна віднести руйнування пропареного пластичного бетону з B/Z/ = 0,55, поміщеного в зону змінного рівня морської води. Розтріскування обумовлено, мабуть, дефектами, що виникли в бетоні під час пропарювання.

При випробуванні на морозостійкість зразків-призм з цементного каменю, виготовленого з В/Ц = 0,44...0,49, спостерігалася специфічна форма руйнування. Призми руйнувалися швидко ― через 30-60 циклів заморожування і відтавання. Поверхневого лущення або відшаровування на цих зразках не було, проте вже після 20 циклів були виявлені відколи ребер і кутів у вигляді лінз. Надалі кількість відколів збільшувалася і вже до 30 циклів на деяких зразках утворилася своєрідна «шийка», приблизно на середині довжини, і призми розпалися на дві половинки. Характер руйнування цих зразків пояснюється великою пористістю і значним водопоглинанням цементного каменю. При переході поглиненої води в лід розвивається великий внутрішній тиск, що викликає відколюванню тих частин зразка, які промерзають в першу чергу (кути, ребра).

Для отримання морозостійкого бетону недостатньо нормувати величину загальної пористості (або коефіцієнта щільності), так як не є досить закономірного зв'язку між морозостійкістю і загальною пористістю. Рівним чином величина В/Ц, взята поза зв'язком з витратою матеріалів і процесом гідратації, не є критерієм густини і морозостійкості бетону.

Морозостійкість бетону плотноуложенного

Для судження про будову плотноуложенного бетону необхідно розкласти загальну (сумарну) пористість на складові, виділяючи окремо капілярні пори, контракцнонные і пори гелю, так як різні пори по-різному впливають на морозостійкість бетону.

Експериментальні дослідження встановили негативний вплив капілярної пористості на морозостійкість бетону і позитивний вплив збільшення відношення контракционной пористості до капілярної.

Морозостійкість плотноуложенного бетону підвищується при зменшенні об'єму капілярних пор (макропор) та при збільшенні відношення обсягу контракционных пор до об'єму капілярних пір.

Щільний бетон можна визначити як бетон з мінімальним об'ємом капілярних пор, в ідеальному випадку дорівнює нулю. У такому бетоні переважають контракционные пори і пори гелю.

Для обчислення характеристик пористості застосовані формули, засновані на даних про фізичну будову цементного каменю і форми зв'язку води в ньому. Формули дають можливість не тільки обчислити відносний об'єм пор різного виду, але і простежити його зміна в процесі гідратації цементу.

Поряд з витратами води і цементу формули входить показник ступеня гідратації цементу, який враховує вплив хіміко-мінералогічного складу й тонкості помелу цементу, а також «виробничих» факторів (приготування, умов і термінів тужавіння бетону) на характеристики пористості бетону.

Експериментальні дані використано для виявлення таких характеристик пористості, які дозволяють отримувати бетон заданої морозостійкості.

Натурні випробування цементів і бетонів

Залежність міцності бетону від характеристик пористості є закономірною. Дослідження показали, що зменшення капілярної пористості завжди супроводжувалося зменшенням деформацій і міграції вологи при замерзанні бетону, а також сприяло зменшенню усадочних явищ, що в свою чергу підвищувало тріщиностійкість.

Розрахунок характеристик пористості за умови дотримання технології виготовлення бетону і догляду за ним забезпечує отримання бетону необхідної морозостійкості.

Виявлення зв'язку між морозостійкістю і характером пористості бетону дало можливість використовувати теоретичні положення для проектування складу морозостійкого бетону.

I. Мета і умови випробувань

Натурні випробування проводилися з метою вибору цементів і бетонів, стійких в суворих умовах служби. Разом з тим результати проведених досліджень використані для перевірки залежності морозостійкості бетону від характеристик пористості і враховані в рекомендаціях по проектуванню складу морозостійких бетонів.

Натурні випробування проводилися в затоці одного з північних морів. Стенд для натурних випробувань був розташований в зоні змінного рівня морської води. Перебували на стенді бетонні зразки в період одного циклу припливу-відпливу протягом 5,5-б год повністю затоплювалися морською водою і протягом 6-7 год перебували на повітрі. Таким чином, умови служби бетону є досить суворими. Бетон, розташований в зоні змінного рівня води, в холодну пору року піддається циклічному впливу холодного повітря (з температурою від -5 до -30° С) і відносно теплої морської води (від +2 до +6° С), причому число таких циклів близько 300 на рік.

Нижче як приклад наведено число відслонень зразків під час відливу при різних температурах повітря протягом однієї зими:

З цих даних видно, що протягом зими відбувається приблизно 360 відслонень зразків, з них близько 300 припадає на дні з негативною температурою повітря.

Таким чином, основним фактором, що характеризує суворість умов служби бетону в зоні змінного рівня води, є велике число циклів впливу на поверхневий шар бетону холодного повітря і відносно теплої морської води. У літній час бетон цієї зони багаторазово насичується морською водою і висихає. Дія цих факторів поєднується з агресивним впливом морської води.

II. Порівняльне дослідження цементів і бетонів

Вперше широке дослідження стійкості бетонів в подібних умовах було виконано С. В. Шестоперовым. Програма наших натурних випробувань враховувала результати цих експериментальних робіт, зокрема знижену морозостійкість бетонів на высокоалюминатных портландцементах. Тому ми застосували цементи з помірним вмістом трьохкальцієвого алюмінату (до 5%), але з різною кількістю трьох-кальцієвого силікату. Особливу увагу було приділено випробуванню сульфатостійких цементів і цементів з органічними добавками.

В натурних умовах вивчали вплив хіміко-мінералогічного складу цементу, добавок (активних мінеральних і органічних поверхнево-активних), водоцементного відносини, умов і терміну попереднього твердіння бетонів, а також їх капілярної пористості. Застосовувалися цементи, отримані з заводів, і цементи, приготовані помелом клінкерів в двосекційній лабораторної кульової млині.

Терміновий відновлювальний ремонт паль

При випробуванні бетонів в натурних умовах найбільш суттєві деструктивні процеси в бетонах з низькими водоцементными відносинами відбуваються в перший рік випробування, в наступні 5-7 років ці процеси згасають і навіть припиняються.

Крім випробувань бетонних зразків в природних умовах були обстежені залізобетонні споруди, що експлуатуються в аналогічних умовах ― причал і сухий док. Так, обстеження причалу, побудованого в 1938-1939 рр.., показали, що в зоні змінного рівня бетон паль почав швидко руйнуватися і через 2-4 роки в деяких палях зовсім зруйнувався. Потрібен терміновий відновлювальний ремонт паль в зоні припливу і відливу.

За наявними даними при спорудженні причалу застосовувався портландцемент, який можна характеризувати як среднеалитовый (з коливаннями в зміст трьохкальцієвого силікату 40-47%) з підвищеним вмістом трьохкальцієвого алюмінату 8-12%. Застосування такого цементу можна пояснити тим, що в 30-х роках ще недостатньо була з'ясована роль клінкерних мінералів, зокрема трьохкальцієвого алюмінату, в процесах хімічної і фізичної корозії бетону. Негативний вплив, безсумнівно, справила також більша капілярна пористість бетону, виготовленого з В/Ц = 0,65 : 0,7, становило, ймовірно, близько 8-9%.

Для сухого доку, побудованого в 1939-1941 рр., застосовувався бетон марки 140 на пуццолановом портландцементі (для стін камер і днища) з витратою цементу 250 кг/м3. У лютому 1942 р., тобто через рік, виявилося руйнування бетону внутрішньої поверхні стін. Причиною такого швидкого руйнування було застосування пористого бетону на пуццолановом цементі, який був неморозостойким. Руйнування відбувалося інтенсивно в місцях робочих швів.

Це пояснюється тим, що бетонування блоків стін відбувалося восени і поверхня блоків підмерзла. З 1949 р. стіни періодично ремонтують шляхом торкретування. Однак, як показали спостереження, шар торкрета, нанесений на поганий бетон, через 2-3 роки починав відшаровуватися, в торкрете з'являлися усадочні тріщини. Глухий звук при простукуванні свідчив про те, що в цьому місці порушився контакт торкрета з основою; торкрет легко відокремлювався і під ним був разрушившийся шар основного бетону. Тонкий шар торкрета не може захистити неморозостійкий бетон від дії поперемінного заморожування і відтавання.

Досвід експлуатації вказував на необхідність ретельного вибору матеріалів та методів виробництва робіт при реконструкції дока.

Згодом одну з камер цієї споруди подовжили. Внутрішню поверхню стін подовженою частини облицювали залізобетонними плитами-оболонками товщиною 8 см, які в період будівництва служили опалубкою для масивного бетону стін. Бетон плит-оболонок виготовляли на сульфатостойком портландцементі Брянського цементного заводу.

Помірна экзотермия гідрофобного портландцементу

Помірна экзотермия гідрофобного портландцементу сприяла його застосування в масивному бетоні. Куби 20x20x20 см, виготовлені з виробничих проб масивного бетону, витримали 100 циклів заморожування і відтавання.

Подовжена частина камери і вся споруда були обстежені в 1959 і 1962 рр. протягом 8 років експлуатації бетон плитоболочек піддавався дії чинників фізичної і хімічної корозії. Після спорожнення камери в холодну пору року плити-оболонки з поверхні промерзають. При заповненні камери морською водою, яка взимку має температуру від +2° до +6° С, відбувається відтавання поверхневого шару бетону і насичення його водою. За восьмирічний період бетон плит-оболонок зазнав близько 200 циклів заморожування і відтавання і приблизно 80 циклів насичення морською водою і висушування. Дія факторів фізичної корозії посилювалося агресивним впливом морської води.

Після восьмирічної експлуатації більшість плит-оболонок перебувало в хорошому стані. На поверхні, що добре збереглися плит-оболонок немає лущення, захисний шар арматури не має тріщин і відшарувань. Поверхнева міцність бетону, певна кульковим молотком, склала 220-280 кГ/см2. Проведений в петрографічною лабораторії НИИЦемента мікроскопічний аналіз проб бетону плит-оболонок виявив високу щільність бетону і хороша якість контакту цементного каменю з заповнювачем.

Таким чином, восьмирічний досвід експлуатації споруди показав, що пропарені плити-оболонки, виготовлені з щільного бетону з В/Ц не більше 0,5 (з капілярної пористістю не більше 5-6%), володіють високою стійкістю.

Деякі плити-оболонки мали пошкодження, які можна розділити в основному на дві категорії: до першої належать руйнування поверхневого шару на глибину близько 0,5-2 см без оголення арматури; до другої ― більш глибоке руйнування з оголенням арматури.

Площа пошкодженої поверхні стін становила 4,85% по відношенню до поверхні стін, затоплювані їжею при заповненні камери; при цьому пошкодження першої категорії склали 2,62%, другої категорії ― 2,23%.

Руйнування бетону плит-оболонок відбувалося навколо тріщин. Деякі плити перед установкою в споруду мали пористу структуру, так як перед пропарюванням були подморожены. При простукуванні цих плит молотком був глухий звук. Причиною руйнування бетону стало також недотримання заданої товщини захисного шару арматури.

Цементи та бетони для гідротехнічних споруд

Результати натурних випробувань, що проводилися протягом 9 років, були використані для обґрунтування вибору цементів і бетонів для залізобетонних конструкцій, що піддаються багаторазового заморожування та відтавання при одночасній дії морської води. При цьому можуть бути рекомендовані два типи портландцементу.

1. Портландцемент з інтенсивним наростанням міцності, з клінкеру, що містить 44-61% трьохкальцієвого силікату і 4,4-5% трьохкальцієвого алюмінату. Тонкість помелу цементу повинна характеризуватися залишком на ситі № 008 (4900 отв/см2) близько 6-10% або питомою поверхнею (визначається за допомогою приладів Т-3 або ПСХ-2) приблизно 3000 - 3500 см2/р. Клінкер розмелюється в охолодженому стані з добавкою гіпсу, оптимальне дозування якого встановлюється на заводі-виготівнику і становить близько 1,5% в перерахунку на сірчаний ангідрид. Можна вводити в портландцемент активну мінеральну добавку (не більше 5-8%)

Для підвищення стійкості проти вилуговування. Портландцемент, що задовольняє цим вимогам, був успішно застосований при виготовленні плит-оболонок сухого доку.

2. Портландцемент з помірною екзотермії з клінкеру, що містить 38-41% трьохкальцієвого силікату, 4-6% трьохкальцієвого алюмінату і близько 80% мінералів-силікатів. Питома поверхня портландцементу близько 3000 см2/г при дозуванні двоводяного гіпсу близько 1 % в перерахунку на сірчаний ангідрид. Не рекомендується вводити в цемент активні мінеральні добавки.

Белитовый цемент також відрізняється повільним твердінням, що ускладнює його застосування в північних районах.

Виробництво бетонних робіт

Для забезпечення монолітності і щільності бетону поряд із здійсненням конструктивних заходів (дотримання проектної товщини захисного шару для арматури, правильне розташування температурно-усадочних швів тощо) велике значення має ретельне виробництво бетонних робіт. В технології бетону, призначеного для суворих умов служби, виключно важливий виробничий контроль за щільністю укладки бетонної суміші і дотриманням технічних умов по догляду за бетоном.

Для зовнішніх частин гідротехнічних споруд, що піддаються багаторазового заморожування та відтавання, слід використовувати збірні конструкції, зокрема залізобетонні плити-оболонки і блоки. При виготовленні збірних конструкцій необхідно забезпечити інтенсивне ущільнення бетонних сумішей, що дасть можливість застосовувати бетони з водоцементным відношенням порядку 0,30-0,40. Для отримання бетону необхідної щільності при нормальному твердінні водоцементне відношення не має перевищувати 0,50.

Поряд з обмеженням В/Ц слід прагнути до того, щоб витрата води становив не більше 160 л/м3. У разі застосування пропарювання В/Ц слід зменшити до 0,45, а витрата води ― до 140-150 л/м3.

Для зменшення кількості води замішування в пластичних бетонах і підвищення їх стійкості слід застосовувати гідрофобно-пластифікуючі добавки.

Підвищення морозостійкості бетонів, підданих пропарюванню

Для сучасної технології збірних залізобетонних конструкцій характерне комплексне застосування методів прискорення твердіння бетону: пропарювання, використання швидкотверднучих цементів, малопластичных бетонних сумішей та ін Деякі з цих способів (наприклад, пропарювання, застосування тонкомолотых цементів) негативно впливають на морозостійкість. У зв'язку з цим необхідно визначити умови, при яких пом'якшується або повністю усувається шкідливий вплив інтенсифікації твердіння бетону на його морозостійкість.

Фізико-хімічні процеси, що протікають в цементному тесті-камені при пропарюванні

Вплив пропарювання на властивості бетону, в тому числі на морозостійкість, може бути з'ясовано тільки на основі дослідження процесів гідратації в'яжучого і формування структури цементного тіста-каменю в умовах тепловлажностной обробки.

Було проведено комплексне дослідження твердіння та структуроутворення цементного тіста-каменю в процесі пропарювання при нормальному тиску. Під час теплової обробки здійснювалася безперервний запис кривих контракції, вимірювалася температура цементного тіста і визначалося граничне напруження зсуву на приладі конусного типу.

Крім контракції визначали кількість хімічно зв'язаної води, гідрату окису кальцію і непрореагіровавшіх зерен цементного клінкеру в микрошлифах.

Питома поверхня цементу становила 2580-2900 див.

Для більш детального вивчення процесу твердіння цементного тіста-каменю було проведено комплексне дослідження (визначення вільної вапна, кількості зв'язаної води і величини контракції) в процесі пропарювання.

Зміна кількості хімічно зв'язаної води показує, що реакції гідратації протікають в основному в перші 8 год пропарювання цементного тіста-каменю. В період ізотермічного прогріву (від 8 до 18 год) цемент пов'язав всього лише 5% води.

Граничне напруження зсуву

Граничне напруження зсуву за цей період різко збільшується ― з 15 до 100 г/см2. Це явище супроводжується значним екзотермічним ефектом, що відповідає гідролізу трьохкальцієвого силікату. Протягом 6-18 год з моменту замішування залежно від виду цементу поступово збільшується контракція і змінюються властивості цементного тіста.

Таким чином, характер процесів, що протікають при схоплюванні і початковому твердінні, сильно розрізняється при пропарюванні і нормальному твердінні.

Аналіз контракционных кривих тверднучого цементного тіста-каменю, визначення кількості химическисвязанной води і вільної вапна, а також петрографічні дослідження показують, що при пропарюванні інтенсивна гідратація цементних зерен відбувається в період підйому температури; при ізотермічному прогріві спостерігалася кристалізація гелеоб-різної маси і лише незначне збільшення глибини гідратації цементних зерен.

Зазначені явища можна пояснити тим, що при підвищенні температури різко зростає швидкість гідратації цементних зерен і на їх поверхні відбувається накопичення аморфних новоутворень у вигляді оболонок. Швидкість розчинення і перенесення в зону вільної води новоутворень, складових оболонки, відстає від швидкості гідратації цементних зерен. Це сприяє збільшенню товщини оболонок та їх ущільненню. Проникнення води через ущільнені оболонки новоутворень поступово зменшується.

По закінченні інтенсивної гідратації цементних зерен в період ізотермічного прогріву триває розчинення і перенесення новоутворень в зону вільної води. Паралельно відбувається кристалізація новоутворень, що зумовлює зростання міцності цементного каменю в цей період.

Нами було звернуто увагу на негативну роль об'ємного розширення вільної води (мається на увазі коефіцієнт об'ємного розширення при підвищенні температури) при пропарюванні і запарюванні бетонів. Разом з тим це явище може істотно впливати на щільність, міцність і інші властивості пропарених і особливо запаренных бетонів. Велике значення у формуванні фізико-механічних властивостей бетону-при пропарюванні має також збільшення об'єму втягнутого повітря.

Ми скористалися літературними даними про бетонах з В/Ц від 0,3 до 0,85 і розрахували на відсоток збільшення об'єму води при підвищенні температури від 10 до 85° С. З даних видно, що при підвищенні температури до 85°С збільшення об'єму води становить в залежності від водоце-ментного відносини від 1,53 до 2,28% загального обсягу цементного тесту, а при підвищенні температури до 180°С (при автоклавної обробці) ― від 6,1 до 9,05%. Внаслідок цього при спуску температури в бетоні утворюється додатковий об'єм пор і капілярів.

Залучений повітря при підвищенні температури збільшується в обсязі на 273 на кожен Р і тим самим підвищує пористість пропареного бетону. Принагідно слід зазначити, що кількість залученого повітря в бетоні досягає 3-4% його обсягу або близько 9-12% обсягу цементного каменю.

Природно, що збільшення об'єму води та повітря при пропарюванні і запарюванні не завжди приводить до такого ж додаткового збільшення об'єму пор і капілярів в бетоні, оскільки частина води та повітря при пропарюванні мігрує до відкритої поверхні.

Деякі дослідники вважають, що при пропарюванні негативний вплив робить в основному міграція вологи під дією температурно-вологісного градієнта. Таке явище, природно, має місце при пропарюванні, але воно не може повністю пояснити негативний вплив пропарювання на властивості бетону. На нашу думку, збільшення обсягу: вільної води і залученого повітря в більшій мірі впливає на фізико-механічні властивості пропарених бетонів, особливо з високим/Ц.

Необхідно зазначити, що негативний вплив вільної води і залученого повітря посилюється зі збільшенням швидкості підйому температури. Це, ймовірно, можна пояснити тим, що при швидкому підйомі температури підвищується швидкість гідратації цементу, а продукти гідратації ущільнюють систему. Таке ущільнення перешкоджає швидкої міграції води, що утворюється при підвищенні температури, в результаті чого виходять великі розтягуючі напруги, що призводять до порушення структури цементного каменю.

Статті pp-budpostach.com.ua Все про лазні

Статті по пїноблоку,пінобетону,пінобетонним блокам

Статті pp-budpostach.com.ua Статті по бетону

Статті Все про парканах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)