 |
Раздел I. Долговечность транспортных сооружений. Общие положения, терминология
|
|
|
|
1.1. Основная терминология
Рассмотрим основные термины и определения курса “Долговечность транспортных сооружений”.
Химическая или коррозионная стойкость. Химической или коррозионной стойкостью называется способность материала противостоять агрессивному воздействию кислот, щелочей, солей или газов.
Ориентировочно ее можно оценить модулем основности материала Мо, представляющем собой отношение основных оксидов к кислотным (1)
(1)
Если в материале содержатся в большем количестве основные оксиды, то материал стоек к щелочам, но не стоек к кислотам. Если в химическом составе материала преобладают кислотные оксиды, то материал стоек к кислотам, но не стоек к щелочам.
Биостойкость – способность материалов сохранять свою прочность при контакте с живыми организмами, т.е. не являться для них питательной средой.
Долговечность. Под долговечностью материалов понимают их способность длительно выдерживать воздействие всей суммы атмосферных факторов (температуры, влажности, воздействия агрессивных веществ и др.) Она оценивается сроком службы материала без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в определенном режиме эксплуатации. Например, для железобетона нормами предусмотрены 3 степени долговечности: I – со сроком службы не менее 100 лет, II – не менее 50 лет, III – не менее 20 лет. Долговечность зависит от совокупности физических, механических и химических свойств материала. Улучшая эти свойства, можно существенно повысить долговечность строительных материалов.
Долговечность – способность изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями.
|
|
|
О долговечности судят, подвергая материал испытаниям, моделирующим воздействия в натуре. Например, о долговечности многих строительных материалов можно судить, подвергая их испытанию в “камере погоды” (везерометре), где материал подвергают воздействию дождевания, ультрафиолетового облучения, действию различных температур. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями, которые проводят в условиях, близких к эксплуатационным, например, на крыше для кровельных, гидроизоляционных и отделочных материалов, в зоне прилива и отлива для гидротехнических бетонов и т.д.
Для повышения долговечности строительных материалов, эксплуатирующихся на открытом воздухе, поверхность их покрывают гидрофобными добавками, предотвращающими проникновение воды в поры материала и ее замерзание в них.
Для повышения долговечности металлов их поверхность обрабатывают нанесением защитных покрытий.
Для повышения долговечности бетона защищают его от коррозии (в основном коррозии цементного камня). Например, придают ему повышенную плотность, используют цемент с малым содержанием алита и трехкальциевого алюмината, покрывают кислотоупорными керамическими кирпичами и плитками, кислотоупорным раствором или бетоном (на жидком стекле).
Надежность. Она представляет собой общее свойство, характеризующее проявление всех остальных свойств в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтнопригодности и сохраняемости. Безотказность – свойство сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение определенного времени без перерывов на ремонт.
Ремонтнопригодность – свойство материала, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданных технических характеристик.
|
|
|
Сохраняемость – свойство материала сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортировки, установленного технической документацией. Повышение надежности связано с улучшением всех перечисленных показателей.
Степень агрессивности среды. Степень агрессивности внешней среды по отношению к бетону и железобетону нормируется Строительными нормами и правилами СНиП II-28-73. Она определяется не только химическим составом среды, но и комплексом физических и физико-химических факторов, характеризующих условия контакта среды и сооружения, особенно процессов коррозии. Оценка степени агрессивности среды по отношению к данному материалу зависит от состава среды и условий ее взаимодействия с материалом конструкции.
1.2. Требования к материалам для цементного бетона и его свойства
Бетоном называется искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя – песка, крупного заполнителя – щебня или гравия, а в необходимых случаях – специальных добавок. К компонентам бетона предъявляются следующие требования.
Вяжущие. Для тяжелых бетонов в качестве вяжущих веществ применяют портландцемент и его разновидности, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10178, 22226, ТУ 21-26-13-90 и др. Цемент выбирают с учетом требований, предъявляемых к бетону (по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и др.). При выборе марки (или активности) цемента необходимо, чтобы она в 1,5…2 раза была выше требуемой прочности бетона. В табл. 1 приведены рекомендуемые марки цементов в зависимости от класса бетона В.
Таблица 1 - Выбор марки цемента в зависимости от класса бетона
| Марка цемента | Класс бетона по прочности при сжатии | |||||
| В 10 | В 20 | В 30 | В 35 | В 40 | В 50 | |
| Рекомендуемая | М 300 | М 300 | М 400 | М 500 | М 600 | М 600 |
| Допускаемая | М 300 | М 400 | М 500 | М 550, М 600 | М 500, М 550 | М 550 |
Твердение портландцемента
Твердение портландцемента наступает при затворении его водой вследствие протекания реакций гидратации между ней и минералами портландцемента. В результате этих реакций образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, образующие прочный цементный камень.
|
|
|
Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, вначале (в течение 1-3 часов после затворения) пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся обычно через 5 – 10 часов после затворения; в период схватывания цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность невелика. Переход цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, для которого характерно возрастание прочности.
Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции, в результате которых образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, образующие прочный цементный камень. Минералы цемента – трехкальциевый силикат (алит) 3СаО·SiO2, двухкальциевый силикат (белит) 2СаО·SiO2, трехкальциевый алюминат 3СаО·Al2O3 и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО·Al2O3·Fе2О3 твердеют с разной скоростью и различным тепловым эффектом.
1. Трехкальциевый силикат (алит) - твердеет достаточно быстро, с образованием в ранние сроки твердения прочного гидросиликата кальция. При твердении выделяется большое количество тепла.
2(3СаО·SiO2) + 6Н2О = 3СаО·2SiO2·3Н2О + 3Са(ОН)2
2. Двухкальциевый силикат (белит) - твердеет значительно медленнее алита, но в поздние сроки твердения образует прочный гидросиликат кальция. При твердении выделяется небольшое количество тепла.
2(2СаО·SiO2) + 4Н2О = 3СаО·2SiO2·3Н2О + Са(ОН)2
3. Трехкальциевый алюминат твердеет чрезвычайно быстро, но образует непрочный рыхлый гидроалюминат кальция. Тепловыделение при твердении значительное. Если этой реакции дать осуществиться, она вызовет “ложное схватывание” цемента.
3СаО·Al2O3 + 6Н2О = 3СаО·Al2O3·6Н2О
Для предотвращения образования этого продукта в состав портландцемента при помоле вводят гипс, который связывает трехкальциевый алюминат в гидросульфоалюминат кальция, дополнительно упрочняющий твердеющее цементное тесто.
|
|
|
3СаО·Al2O3 + 3СаSO4·2H2O + 25Н2О = 3СаО·Al2O3·3СаSO4·31Н2О
4. Четырехкальциевый алюмоферрит по скорости твердения и тепловыделению находится между алитом и белитом.
4СаО·Al2O3·Fе2О3 + 10Н2О + 2Са(ОН)2 = 3СаО·Al2O3·6Н2О + 3СаО·Fе2О3·6Н2О
Заполнители. Заполнители для тяжелого бетона подразделяются на две группы: мелкие и крупные.
а) Мелкий заполнитель – песок для строительных работ – должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10268, 8736. Песком называют рыхлую смесь зерен с крупностью от 0,16 до 5 мм, образовавшуюся в результате естественного разрушения горных пород (естественные пески) или при их дроблении (искусственные пески). По минеральному составу пески бывают кварцевые, полевошпатные, известняковые, доломитовые и др.
На качество бетона влияет:
- Наличие в песке примесей (глинистых, илистых, пылевидных, остатков растительных и животных организмов);
- зерновой состав песка. Для получения высококачественных бетонов песок должен содержать зерна всех фракций от 0,16 до 5мм, чтобы объем пустот в нем был минимальным. Чем меньше будет объем пустот, тем меньше потребуется цемента для получения плотного бетона.
б) Крупный заполнитель (гравий и щебень) – должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10268, 8267, 9268, 10260.
Гравием называют рыхлый материал с размером частиц от 5 до 70 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения горных пород. Для гравия характерна гладкая поверхность и достаточно окатанная форма зерен, что не слишком благоприятно сказывается на прочности сцепления его с цементным камнем.
На качество бетона влияет:
- наличие в гравии примесей, особенно глины (не более 1 % для высококачественных бетонов и не более 3% для рядовых);
- зерновой состав заполнителей. В гравии должны содержаться зерна всех фракций, чтобы объем пустот был минимальным, и бетон получался более плотным и с меньшим расходом цемента;
- предельная крупность зерен гравия. Она не должна превышать ¼ части минимального сечения конструкции, а если конструкция армированная, то быть не более наименьшего расстояния между стержнями арматуры.
Щебень. Щебнем называют материал, образующийся при дроблении горных пород и имеющий размеры от 5 до 70 мм. Щебень имеет малоокатанную остроугольную форму и шероховатую поверхность, поэтому прочность сцепления его с цементным камнем выше, чем у гравия. В остальном требования к щебню предъявляются те же, что и к гравию.
Вода. Для затворения бетона пригодна питьевая вода, а также любая другая, не содержащая вредных примесей (хлоридов, сульфатов, кислот, масел, фенолов и др.).
Пригодность воды для бетона устанавливают химическим анализом и сравнительными испытаниями прочности бетонных образцов, изготовленных на испытуемой воде и на контрольной питьевой воде. Образцы испытывают через 28 суток нормального твердения. Вода считается пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность не меньше, чем контрольные на питьевой воде.
|
|
|
Добавки. Добавки для бетонов должны удовлетворять требованиям ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия»). По виду и назначению добавки можно разделить на следующие группы (табл. 2).
Таблица 2 - Добавки, рекомендуемые для бетонов
| Класс добавки | Предста- вители | Название | Дозировка, % от массы цемента | Эффект от применения |
| Суперпласти- фикаторы | С-3 ДФ СМФ | Разжижитель С-3 Дофен Разжижитель СМФ | 0,4 - 0,8 | Снижение водопотребности бетонной смеси более 20% |
| Сильнопласти-фицирующие | ЛСТМ-2 МТС-1 | Лигносульфонат технический модифицированный Модифицированный лигносульфонат | 0,15 – 0,3 | Снижение водопотребности бетонной смеси до 20% |
| Среднепласти-фицирующие | ЛСТ УПБ ПДК | Лигносульфонат технический Мелассная упаренная последрожжевая барда Плав дикарбоновых кислот | 0,1 – 0,2 | Снижение водопотребности бетонной смеси до 10% |
| Слабопласти- фицирующие | ЩСПК НЧК ГКЖ-10 ГКЖ-11 | Щелочной сток производства капролактама Нейтрализованный черный контакт Этилсиликонат натрия Метилсиликонат натрия | 0,05 –0,1 | Снижение водопотребности бетонной смеси до 5%, обеспечение воздухововлечения 3-5%, повышение морозостойкости бетона на 50-100 циклов |
| Газовыделяющие | 136-41, 136-157 М ПАК | Полигидросилоксаны (бывшая ГКЖ-94) Пудра алюминиевая | До 0,1; До 0,25 | Повышение морозостойкости бетона на 200…300 циклов. Производство ячеистых бетонов |
| Воздухововле-кающие | СНВ КТП ОТП ГКЖ-10 ГКЖ-11 | Смола нейтрализованная воздухововлекающая Клей таловый пековый Омыленный таловый пек Этилсиликонат натрия Метилсиликонат натрия | 0,005 -0,03 | Обеспечение воздухововле-чения на 3-5%, повышение морозостойко-сти бетона на 100…200 циклов |
| Противоморозные | К2СО3 НН ХК ННК ННХК | Поташ Нитрит натрия Хлорид кальция Нитрит-нитрат кальция Нитрит-нитрат-хлорид кальция | До 10 | Твердение бетона при отрицательной температуре |
| Ингибиторы коррозии | НН ТБН БХН БХК | Нитрит натрия Тетраборат натрия Бихромат натрия Бихромат кальция | Замедляют коррозию арматуры в железобетоне | |
| Регуляторы сроков схватывания: Замедлители Ускорители | Сахарис- тые вещества НК ХК ННК ННХК СН ТНФ | Нитрат кальция Хлорид кальция Нитрит-нитрат кальция Нитрит-нитрат-хлорид кальция Сульфат натрия Тринатрийфосфат | 0,0,1…2 | Замедление схватывания до нескольких часов Ускорение схватывания и твердения в ранние сроки |
Свойства бетонной смеси
Бетонной смесью называется рационально составленная и однородно перемешанная смесь компонентов бетона до начала схватывания и твердения входящего в нее вяжущего.
По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего (цемента), вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия, основной структурообразующей составляющей является цементное тесто. При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязким жидкостям. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и жидкости.
Она обладает тиксотропностью – способностью разжижаться при механических воздействиях и самопроизвольно загустевать после их прекращения.
Одним из важных свойств бетонной смеси является удобоукладываемость. Удобоукладываемостью называют способность бетонной смеси плотно заполнять форму при выбранном способе уплотнения. Она зависит от консистенции бетонной смеси.
Консистенция определяется двумя показателями – подвижностью и жесткостью бетонной смеси. В зависимости от этих характеристик назначается марка бетонной смеси по консистенции (табл.3).
Таблица 3 - Марка бетонной смеси по консистенции
| Марка | Норма | Марка | Норма | ||
| Ж, с | ОК, см | Ж, с | ОК, см | ||
| Ж 4 | ≥ 31 | - | П 1 | 1…4 | ≤ 4 |
| Ж 3 | 21…30 | - | П 2 | - | 5…9 |
| Ж 2 | 11…20 | - | П 3 | - | 10…15 |
| Ж 1 | 5…10 | - | П 4 | - | 16…20 |
| - | - | - | П 5 | - | ≥ 21 |
Подвижность – это способность бетонной смеси растекаться под действием сил тяжести. Она характеризуется осадкой конуса ОК и выражается в см (рис 1). При определении подвижности бетонной смеси берут форму-конус, смачивают водой ее внутреннюю поверхность и устанавливают на металлический лист или кусок линолеума, также смоченный водой. Затем в форму-конус последовательно тремя слоями одинаковой высоты укладывают тщательно перемешанную бетонную смесь, и каждый из слоев уплотняют 25 раз металлическим стержнем диаметром 16 мм, длиной 650 мм, с закругленным концом. Во время штыкования смеси форму прижимают к листу. Закончив наполнение формы, срезают избыток смеси металлической линейкой вровень с краем формы.
Форму-конус осторожно снимают строго вертикально и устанавливают рядом с отформованным конусом бетонной смеси. В момент снятия формы подвижная бетонная смесь в большей или меньшей степени оседает. Величина осадки конуса при этом служит оценкой подвижности бетонной смеси.
Для измерения осадки бетонного конуса металлическую линейку укладывают ребром на верх формы и измеряют с точностью до 0,5 см расстояние от нижней грани линейки до верха бетонной смеси.
Подвижность зависит от нормальной густоты и объема цементного теста, количества воды, вида добавок, формы зерен и состояния поверхности заполнителей.
Рисунок 1 - Конус для определения подвижности бетонной смеси
Жесткость – это способность смеси сопротивляться растеканию при воздействии вибрации. Показатель жесткости определяется на техническом вискозиметре по времени вибрирования в секундах, за которое жесткая бетонная смесь становится пластичной и текучей. Для этого на виброплощадке устанавливают и жестко закрепляют цилиндрическое кольцо, в которое вставляют стандартный конус. Конус заполняют бетонной смесью и снимают. На поверхность бетона кладется диск. Затем одновременно включают виброплощадку и секундомер. Вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска (рис.2). Время виброуплотнения в секундах будет характеристикой жесткости.
а) б)
Рисунок 2– Вискозиметр для определения жесткости бетонной смеси:
а) бетонная смесь до начала вибрирования
б) бетонная смесь после вибрирования
Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при транспортировке, укладке в форму или опалубку, и при уплотнении.
Свойства тяжелого бетона
Средняя плотность. Для тяжелого бетона она равна 2200…2500кг/м3.
Водонепроницаемость. Она определяется наибольшим давлением воды, в МПа, при котором она еще не просачивается через бетонные образцы-цилиндры 180-суточного возраста. По водонепроницаемости тяжелый бетон подразделяется на марки W 0,2 – 1,2.
Прочность бетона. Бетон хорошо сопротивляется сжатию, и гораздо хуже растяжению и изгибу. Поэтому основной прочностной характеристикой бетона является прочность при сжатии.
Бетон – материал неоднородный, его прочность колеблется от замеса к замесу. Поэтому средняя прочность бетонных образцов-кубов и определяемая на ее основе марка бетона не дает гарантии получения именно этой прочности бетона (прочность может оказаться как больше, так и меньше). Поэтому было введено понятие класс бетона по прочности В – прочность бетона с обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленная классом прочность обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100.
Соотношение между марками и классами тяжелого бетона приводится в табл. 4.
Соотношение между маркой и классом бетона выражается формулой (2).
(2)
где Rб – марочная прочность бетона, МПа;
В – класс бетона.
Таблица 4 - Соотношение между марками и классами тяжелого бетона
| Класс бетона | Средняя прочность данного класса, кгс/см | Ближайшая марка бетона | Класс бетона | Средняя прочность данного класса, кгс/см | Ближайшая марка бетона |
| В 3,5 В 5 В 7,5 В 10 В 12,5 В 15 В 20 В 25 | М 50 М 75 М 100 М 150 М 150 М 200 М 250 М 350 | В 30 В 35 В 40 В 45 В 50 В 55 В 60 | М 400 М 450 М550 М 600 М 600 М 700 М 800 |
Классом бетона по прочности на сжатие В называют предел прочности на сжатие в МПа эталонных 28-суточных образцов с ребром 15 см, с обеспеченностью 0,95. СНиПом для тяжелого бетона предусмотрены следующие классы В 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60.
На прочность тяжелого бетона влияют:
1) Марка или активность цемента (прямопропорционально) и водоцементное отношение (обратнопропорционально). Эта зависимость выражается формулой (3),
, (3)
где Rб – прочность бетона;
Rц – марка или активность цемента;
А - коэффициент, зависящий от качества применяемых материалов;
Ц/В – цементно-водное отношение (величина, обратная В/Ц).
Знак (-) используют для бетонов с В/Ц ³ 0,4. Знак (+) используют для бетонов с В/Ц< 0,4.
2) Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем,
которая определяется формой зерен и характером поверхности заполнителей, а также активностью цемента.
3) Характеристики окружающей среды, в которой твердеет бетон. Для
твердения бетона необходимы положительные температуры и влажность, близкая к 100%. При отрицательных температурах твердение бетона прекращается, при недостатке влаги ее может не хватить для протекания реакций гидратации и в результате прочность бетона будет заниженной.
4) Время твердения. В зависимости от времени прочность возрастает по следующему закону (4):
(4)
где Rn – прочность бетона в возрасте n суток;
R28 – прочность бетона в возрасте 28 суток.
Эта формула справедлива при времени твердения n > 3 суток.
Морозостойкость бетона. За марку бетона по морозостойкости F принимают число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают водонасыщенные бетонные образцы-кубы с ребром 15 см без снижения прочности на сжатие более 15% и потери массы более 5%. Стандартом установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости: F 50 - 150.
Способы зимнего бетонирования. При бетонировании зимой необходимо обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде в течение срока, устанавливаемого в зависимости от заданной прочности.
Все технологические способы бетонирования в зимнее время можно подразделить на две группы: способы, основанные на сохранении собственного тепла бетона, и способы с подачей тепла бетону извне.
К первой группе способов, в основе которых лежит сохранение тепла бетона, можно отнести следующие.
Запас тепла в бетоне создается нагревом его компонентов – воды или заполнителей (песка, гравия или щебня) вместе с водой. Воду можно подогревать до 90оС, заполнители – до 40оС, цемент нельзя подогревать. Иногда используют прогрев бетонной смеси в специальных бункерах при помощи электрического тока при температуре 50…70оС. Но, чтобы избежать загустевания бетонной смеси, температура ее на выходе не должна превышать 30оС.
При твердении бетона, вследствие протекания экзотермических реакций гидратации минералов цемента, также выделяется тепло. Его количество зависит от минерального состава и тонкости помола цемента, температуры бетона и срока твердения. Теплота выделяется в основном в первую неделю твердения. Ее сохраняют в бетоне, закрывая его теплоизоляционным материалом (опилками, минеральной ватой и др.). Толщина слоя теплоизоляционного материала определяется при помощи специального теплотехнического расчета. Этот способ носит название способа термоса, т.к. бетонная смесь твердеет в условиях теплоизоляции. Им можно пользоваться, если тепло сохраняется не менее 5…7 суток.
Ко второй группе методов зимнего бетонирования можно отнести:
- контактный обогрев бетона паром с температурой 50…80оС, пропускаемым между двойной опалубкой, окружающей бетон, или по каналам, вырезанным со внутренней стороны опалубки.
- Электропрогрев бетона переменным электрическим током. Существуют несколько вариантов способа: внутренний прогрев за счет теплоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через бетон; обогрев изделия инфракрасными излучателями, прогрев в электромагнитном поле, применение контактных электронагревателей. Бетон для предотвращения испарения воды необходимо закрывать.
- Обогрев воздуха, окружающего твердеющий бетон. При использовании этого метода устраивают вокруг бетона временные сооружения из фанеры или брезента, т.н. тепляки, в котором устанавливают нагревательные приборы или временные печи, а для поддержания повышенной влажности – сосуды с водой.
Кроме вышеперечисленных методов, связанных с тепловым воздействием, иногда используют метод холодного бетонирования, при котором бетон не нагревается, но в воду затворения бетона вводят большое количество солей, т.н. противоморозных добавок – нитрита натрия NaNO2, поташа К2СО3 или комплексных добавок (ННК, ННХК ННХКМ и др.). Эти соли снижают температуру замерзания воды и обеспечивают протекание реакций гидратации цемента при отрицательных температурах, и, следовательно, твердение бетона. Количество соли, вводимое в бетон, зависит от температуры твердения (табл. 5).
Таблица 5 - Рекомендуемое содержание противоморозных добавок в бетоне
| tо твердения бетона | Количество добавки, % от воды затворения | |||||
| от | до | НН NaNO2 | П К2СО3 | ННК Ca(NO2)2 + Ca(NO3)2 | ННХК Ca(NO2)2 + Ca(NO3)2 + CaCl2 | ННХКМ Ca(NO2)2 + Ca(NO3)2 + CaCl2+ мочевина |
| -6 -11 -17 -21 | -5 -10 -16 -20 -25 | - - | 25-30 | - - - |
Отношение к действию высоких температур. Бетон является огнестойким материалом, он не горит во время пожара. Но длительное воздействие высоких температур ухудшает качество бетона, снижает его прочность. Это связано, во-первых, с дегидратацией в цементном камне гидроксида кальция, протекающей с изменением объема, и, как следствие, с растрескиванием бетона. Во-вторых, некоторые заполнители при воздействии высоких температур также способны растрескиваться или изменяться в объеме (например, кварц при tо > 600о, карбонаты при tо > 900о).
Структура цементного камня и бетона
Характеристика пористого пространства бетона достаточно полно описана в работе А.Е. Шейкина, Ю.В. Чеховского и М.И. Бруссера (1973г.). Они предложили рассматривать структуру бетона на трех уровнях:
1. Микроструктура цементного камня. Это поры геля, которые образуются продуктами гидратации минералов цементного клинкера (C3S, C2S, C3A и C4AF). Размер пор составляет 10…100 Å. Причем более мелкие поры (поры геля) образуются гидросиликатами кальция. Более крупные поры образуются сростками кристаллов гидроалюмината и гидроксида кальция. Кроме того, структуру цементного камня составляют непрогидратированные зерна цемента и поры различных размеров, заполненные водой или воздухом.
2. Мезоструктура цементно-песчаного раствора. Это конгломерат, в котором матрицей является цементный камень, а заполнителем – песок.
3. Макроструктура бетона. Также представляет собой конгломерат, где матрицей является цементно-песчаный раствор, а заполнителем – зерна щебня и гравия.
С точки зрения коррозионной стойкости бетона важна характеристика порового пространства. Она обуславливается процессами твердения вяжущего. Поры получаются в результате образования и срастания кристаллов новообразований (продуктов гидратации цемента). Объем пор между кристалликами (поры геля) в цементном камне составляет ~28% (данные Т.К. Пауэрса, 1969г), размер 10…100Å. Вода в таких порах сильно структурирована и находится в особом состоянии. В частности, температура замерзания ее намного ниже 0оС. Фильтрации воды при гидравлическом градиенте давления практически нет. Перенос веществ в таких порах возможен только за счет диффузии молекул.
Помимо пор геля в цементном камне имеются капиллярные поры, получающиеся за счет испарения воды, которая не связывается химическим путем. Размер их составляет 0,02…10 мкм. Вода замерзает в них при температуре от -2 до -6оС. Капиллярные поры в основном определяют долговечность плотного бетона.
Объем капиллярных пор может увеличиваться за счет недостаточного уплотнения бетонной смеси, а также за счет расслоения смеси, например, при транспортировке. Последнее характерно для подвижных бетонных смесей с высоким В/Ц. При оседании крупных частиц заполнителя вода вытесняется наверх, образуются сквозные каналы, увеличивается проницаемость бетона. Кроме того, образуются пустоты под зернами крупного заполнителя. Эти неплотности резко ухудшают морозостойкость бетона (данные Г.И.Горчакова, докт. диссертация, 1963г).
Повышение плотности бетонов – это основное условие повышения их коррозионной стойкости, т.к. при этом уменьшается проницаемость бетона для агрессивных жидкостей и газов.
|
|
|
