книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

ется долговечность бетона конструкций [3]. В стандарте имеется 10 приложений, среди которых рекомендации по первичным подборам составов, обеспечению долговечности бетона на стадии приготовления в зависимости от среды эксплуатации и др.

Заметим, что исчерпание морозостойкости бетона в результате циклического замораживания-оттаивания, как достижение материалом некоего предельного состояния, является подходом сугубо условным, поскольку эти циклы для реальных сооружений никто не считал, взаимосвязь между циклами лабораторных испытаний и реальной морозостойкостью бетона в конструкциях не устанавливал. Не случайно в СНиП 2.01.07 «Нагрузки и воздействия», в разделе 8 «Температурные климатические воздействия» циклы не упоминаются.

Исследования, проведенные А.С. Дмитриевым, показали целесообразность учета комплексного воздействия климатических условий при оценке стойкости бетонов. После многократного ежесуточного циклического нагревания и охлаждения образцы подвергали стандартным испытаниям на морозостойкость [52]. Экспериментально доказав, что после 60 циклов циклического нагрева прочность бетона стабилизируется С.А. Миронов, Е.Н. Малинский, М.М. Вахитов предложили стандартным испытаниям на морозостойкость образцы подвергать после 60 циклов попеременного нагрева-охлаждения [101]. Исследования свойств бетона проводятся также и посредством включения замораживания в цикл на- грев–охлаждение–водонасыщение–замораживание [163].

Известно, что в случае равномерного распределения воздушной фазы в порах бетона он не должен разрушаться в процессе замораживания при насыщении водой менее 91 % от общего количества объема пор. Практически принято считать, что критическая степень водонасыщения бетона составляет 85–90 %. В то же время установлено, что эта величина после полугодового хранения бетона на воздухе с относительной влажностью 95–98 % колеблется в пределах 35–60 %, не достигая критического значения [148]. Следовательно, морозостойкость является возможной, но не достаточной характеристикой, определяющей долговечность бетона при эксплуатации его в природно-климатических условиях районов с резко континентальным климатом [126].

Высказывалось предположение, что одной из наиболее вероятных причин образования поверхностных трещин и разрушения бетона в условиях континентального климата являются напряжения от непроявившейся

41

капиллярной усадки, развивающейся при циклическом увлажнении и высыхании бетона [173].

Анализ способов моделирования воздействия климатических факторов выявил отсутствие единства мнений и свидетельствует о несопоставимости результатов исследований изменения свойств бетона под воздействием имитационных сред (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Способы моделирования воздействия условий континентального климата на свойства бетона

42

Окончание табл. 1.5

В большинстве случаев модельному воздействию подвергаются бетоны с установившейся структурой после 28 суток твердения в нормальных условиях. И ни один из рассмотренных способов не решает вопросов, связанных с сопоставлением результатов модельных и реальных климатических воздействий, а значит, и выявлением однозначных зависимостей между количеством циклов и временем эксплуатации под воздействием реальной климатической среды.

Анализируемые способы моделирования не учитывают снижение прочности цементного камня при температуре 50 °С [24], а действие повышенных температур на бетон, когда в нем остается «мало воды» не оказывает ощутимого действия на прочность бетона.

Недостаточно надежна также и оценка изменений, происходящих в бетоне под воздействием имитационной среды преимущественно по прочностным характеристикам. Все это уменьшает надежность результатов и доверие к ним.

Изучая причину существующих разногласий, Международная комиссия РИЛЛЕМ пришла к выводу, что одной из основных причин этих противоречий является то обстоятельство, что только незначительное количество исследовании проводятся в естественных условиях резко континентального климата, последовательно, учитывают влажность окружающей среды, скорость ветра и факторы солнечной радиации, которые оказывают «комбинированное воздействие» на технологию изготовления бетона, его структуру и свойства.

43

Критерием пригодности способа моделирования воздействия на бетоны может служить сопоставление с результатами воздействия на бетон реальной климатической среды. Однако научно обоснованный метод такого сопоставления отсутствует.

1.4. Методы оценки долговечности цементобетонных конструкций

Технически возможный срок службы конструкций, изготовленных из железобетона и бетона и эксплуатирующихся в условиях континентального климата, зависит от способности бетона сохранять свои потребительские свойства в тех же условиях. Например, в соответствии со стандартом EN 206-1, требования к бетону должны назначаться для обеспечения срока надежной эксплуатации конструкции или сооружения в течение не менее 50 лет. При этом предполагается, что бетон тщательно уложен и уплотнен, обеспечены необходимые условия для набора прочности материала с учетом погодных условий и сооружение эксплуатируется

втой же окружающей среде, для которой были подобраны характеристики бетона.

Существующие в настоящее время методы оценки долговечности бетонов основаны на установлении зависимости между долговечностью образцов, испытываемых в лабораторных условиях, и значениями какихлибо физико-химических или физико-механических характеристик материала. Подобные методы хорошо зарекомендовали себя в тех случаях, когда имеется возможность четко выделить среди причин разрушения одну, превалирующую над остальными. Оценка эксплуатационной пригодности бетона по одной его характеристике, например прочности [84] в случае воздействия континентального климата, является неполной, так как сложный процесс образования и развития дефектов бетона при нестационарном воздействии реальной среды требует оценки по нескольким свойствам отражающим различные стороны этого процесса.

С.А. Миронов, например, считает, что «... в южных районах <...> требования к бетону по морозостойкости должны являться определяющими

вбольшей степени, чем по прочности» [96].

А.И. Атаев и В.Н. Пунагин [12] экспериментально доказали, что «более высокая прочность на растяжение еще не есть показатель его высокой трещиностойкости», что согласуется с выводами о том, что абсолютная прочность не может однозначно характеризовать долговечность бетона,

44

ирезультатами получения в условиях континентального климата более плотных бетонов высоких прочностей, но пронизанных трещинами [60, 100]. С.А. Миронов, Е.Н. Малинский пришли к выводу, что оценка долговечности бетона только по таким критериям, как прочность и морозостойкость, недостаточна, так как различные по структуре и составу, но одинаковой прочности и морозостойкости бетоны по-разному сопротивляются сильному циклическому нагреву днем и охлаждению ночью [98].

Задача получения более полной информации об изменениях, происходящих в бетоне под воздействием климатической среды, решается посредством увеличения числа изучаемых характеристик свойств бетона

иперехода к изучению характеристик структуры (табл. 1.6).

Таблица 1.6 Способы повышения информативности характеристик свойств бетона

45

Изучение прочностных характеристик, таких как кубиковая прочность R, призменная прочность Rb, сопровождается изучением прочностей на растяжение Rbt [50, 51, 143], на растяжение при изгибе [144, 180], нижнего и верхнего уровней микротрещинообразования, деформативных свойств в виде модуля упругости Eb [143, 144, 130, 180], модуля сдвига G, коэффициентов упругости, пластичности и Пуассона [130], усадки и ползучести бетона, пластической усадки [98, 165]. Исследования дополняются изучением изменений под воздействием климата степени гидратации цемента [24, 97, 100, 144], количества негидратированных зерен клинкера [76, 83], количества и вида микротрещин [83, 144], удельной поверхности продуктов гидратации минералов [24], а также испытаниями бетонов, претерпевших негативное воздействие климата, на морозостойкость [100, 144], водопроницаемость [97, 100] и объемное водопоглощение, объемную массу, наличие трещин на поверхности и т.п.

Необходимо отметить, что увеличение количества изучаемых характеристик свойств и структуры бетонов, твердевших или испытывающих воздействие континентального климата, увеличивает объем знаний об изменениях бетона под воздействием климата, но создает затруднения при сопоставлении экспериментальных данных различных исследователей и практически не решает вопросов, связанных с оценкой сравнительной информативности этих характеристик.

Анализ критериев оценки стойкости бетонов в условиях воздействия климата (табл. 1.7) показывает тенденцию к поиску наиболее информативного отклика системы (бетона) на возмущающий сигнал (воздействие климата). Это прочностные характеристики в виде кубиковой прочности [65, 15, 126], прочности на изгиб [165, 173] в сопоставлении с аналогичными характеристиками бетонов нормального твердения [15, 126] или водонасыщенных [65, 165, 173], морозостойкость [101], размеры и объем образца, приведенное удлинение [34], водонасыщение и распределение влаги в порах [23], водопоглощение и т.д.

Т.Ю. Курбанов для прогнозирования поведения бетона в условиях воздействия континентального климата использовал комплекс структурных характеристик: количество цементного камня в бетоне и его водоцементного отношения в конце периода формирования структуры. При этом он считает, что стойкость бетона находится в прямой зависимости от тем- пературно-влажностных деформаций в разном возрасте [84].

46

Таблица 1.7

Критерии стойкости бетонов в условиях воздействия континентального климата

Необходимо отметить, что анализируемые критерии стойкости (см. табл. 1.7) определяются посредством модельного испытания бетона [15, 101, 126] или воздействия реальной климатической среды, в частности в летний период [65, 165, 173], что исключает возможность сопоставления их друг с другом. При этом ни один из рассматриваемых критериев не учи-

47

тывает возможность смены неблагоприятных для твердения бетона условий на благоприятные, что отличает климатическую среду, которая может привести к изменению структур изучаемых бетонов.

Недостаточно изучена также зависимость значений критериев стойкости от числа циклов лабораторного или продолжительности климатического воздействия. Так, необъяснённое автором увеличение значения критерия стойкости после 100 циклов модельного воздействия [126] не исключает наличие такой зависимости.

Определенный интерес представляет связь долговечности с коэффициентом гидрофильности [69], который меняется во времени и является носителем информации о специфике воздействия на бетон.

Изучение солевой формы физической коррозии, возникающей в районах с резко континентальным климатом, выявило связь долговечности и стойкости бетона с его открытой и закрытой пористостью [107]. Причем формула, предложенная А.И. Минасом, связывает показатель сопротивляемости материала физической коррозии (ПСФК) с прочностью, модулем деформации и характеристиками структуры в виде относительного объема открытых, полузакрытых и закрытых пор. Необходимо отметить также и количественную оценку стойкости бетона по значению ПСФК. Однако изменение характеристик бетона во времени при действии климата формула не учитывает.

Влияние температуры на интенсивность нарастания прочности бетона предложено учитывать [172] в виде относительной прочности, рассчитываемой по выражению

где Kt3 – средневзвешенный температурный коэффициент изменения интенсивности нарастания прочности бетона в возрасте до 3 суток; Kt 28 – то

же, за 28 суток; N – возраст бетона; А3, А28 – соответствующие интенсивности нарастания прочности бетона.

Экспериментально доказано, что циклически меняющаяся температура в большей степени влияет на прочность бетона, чем стационарная, даже в случае равенства средних значений. Поэтому замена циклически меняющейся температуры реальной климатической среды её средневзвешенным значением, по-видимому, неправомерна. Помимо этого, анализи-

48

руемое выражение учитывает только температуру, поэтому для прогноза в условиях воздействия реальной климатической среда оно не пригодно.

Одновременный учет температуры и влажности осуществляется в формуле Пунагина В.Н. [130]

где N – зрелость бетона по Селу А., дополненная коэффициентом учета колебаний температуры 0,35, N = (t + 10)τ градусо-дни; ∆W – величина водопотерь.

В формуле не учитывается цикличное изменение влажности. Повидимому, коэффициент учета колебания температур должен зависеть от сезонного изменения температур. Все это делает формулу непригодной для определения прочности бетона в более зрелом возрасте, что совпадает с мнением автора.

Заслуживают внимания рекомендации НИИЖБ и Харьковского ПромстройНИИПроекта, в которых фактическое состояние железобетонных элементов устанавливается на основе данных об изменениях физикомеханических и структурных характеристик материалов по времени под влиянием определенных эксплуатационных воздействий и их сочета-

ний [59].

В принципе подобного типа методический подход должен быть пригоден и для описания состояния бетона, испытывающего воздействие реальной климатической среды. Значительный опыт накоплен учеными, работающими в области коррозионной стойкости бетонов. Недостаточная долговечность бетона, по их мнению, связана с физико-химическим взаимодействием цементного камня с окружающей средой, в том числе с так называемой коррозией цементного камня в воде и воздушной атмосфере. Взаимодействие цементного камня с окружающей средой активно из-за высокого значения pH твердеющей системы, значительной пористости, особенно в области капиллярных пор, и высокой реакционной поверхности.

Высокая щёлочность твердеющей системы устанавливается практически сразу после затворения цемента водой [31, 109, 160] как результат гидролиза силикатных фаз клинкера по известным схемам:

2Ca3SiO5 + 6H2O = Ca3Si2O73H2O + 3Ca(OH)2

2Ca2SiO4 + 4H2O = Ca3Si2O73H2O + Ca(OH)2

49

Установившаяся концентрация гидроксильных ионов сохраняется на всех стадиях твердения цемента. Усреднённое значение pH цементного камня соответствует значению pH = 13,5, что делает его уязвимым к действию любых реагентов кислой природы по схеме кислотно-основного взаимодействия (кислые оксиды, содержащиеся в воздухе: углекислый газ СО2, сернистый газ SO2, нитрозные газы общей формулы NOx, коррози- онно-активные водные растворы, имеющие pH < 8).

Присутствие в цементном камне свободного гидроксида кальция (портландита) приводит к многочисленным обменным реакциям при контакте цементного камня с минерализованными водными растворами. Щелочная природа и способность к реакциям нейтрализации характерна для портландцементного камня и может быть преодолена только временно системой специальных защитных мероприятий; в противном случае цементный камень в кислой среде обречён на разрушение.

Таким образом, химическая (кислотно-основная) характеристика цементного камня неблагоприятна для сохранения его долговечности в силу вероятности протекания многих химических реакций цементного камня с окружающей средой. Однако скорость протекания этих реакций зависит от доступной реакционной поверхности, определяемой в том числе капиллярной пористостью цементного камня. При нулевой пористости реакция кислотно-основного взаимодействия возможна только с поверхности, и камень становится устойчивым даже в среде высокой химической активности, поскольку кинетика реакции быстро переходит в диффузионную область из-за накопления в переходной зоне гелевидного кремнезёма.

В сформировавшемся цементном камне сохраняется определённый объём капиллярных пор (10–7–10–4 м), заполненных не продуктами гидратации, а избыточной по отношению к необходимой для гидратации водой. Эта избыточная вода испаряется при контакте камня с атмосферой, в результате чего в цементном камне формируется капиллярное поровое пространство, доступное для проникновения воды, водных растворов и газов и определяющее коррозионную нестабильность цементного камня. Величина этой капиллярной пористости в цементном камне в зависимости от степени гидратации цемента и значения В/Ц может составлять по объёму от 5–10 % до 50–70 %.

Основным приёмом повышения коррозионной стойкости цементного камня учёные считают снижение его капиллярной пористости. Именно эта характеристика включена в современные нормы для бетона (ENV-206)

50