Новости

Известно что разрушение бетона – сложный процесс, довольно протяженный во времени. Согласно теории О. Я. Берга, при статическом, динамическом, многократно повторяющемся и длительном нагружении начинаются микроразрушения, которые при дальнейшем росте нагрузок переходят в макроразрушения. Эти явления характеризуются обобщенными параметрами, определяющими нижнюю границу начала микроразрушений и верхнюю условную границу микротрещин.

В целях расширения перспективного направления в области безобогревного зимнего бетонирования нами предприняты: поиск новых комплексных добавок, в том числе противоморозных; разработка способов получения известных веществ, входящих в состав притивоморозных добавок, но более экономичных и недефицитных из отходов химической, нефтехимической и других отраслей промышленности; создание новых составов добавок на основе противоморозных веществ и пластификаторов.

Объемы производства и сферы использования армированных волокнами полимерных композитов во всем мире непрерывно растут. Это обусловлено не только их высокой удельной прочностью, но и такими эксплуатационными свойствами, как коррозионная стойкость, морозостойкость, низкая теплопроводность и др. В Японии, Германии, США, Нидерландах значительное внимание уделяется исследованиям с целью использования полимерных композитов при изготовлении бетонных армированных конструкций.

В нашей стране основные и весьма многочисленные работы в этом направлении относятся к первой половине 60-х годов прошлого столетия, и тот факт, что к настоящему времени использование полимерных композитов не стало массовым явлением, объясняется целым рядом объективных причин. Одной из них является высокая стоимость композитов в сравнении с металлической арматурой и ограниченный ассортимент необходимого сырья.

Отмечается возможность использования стеклопластиковых композитов в конструкциях из бетона пониженной щелочности, в сухих бетонах, а также в конструкциях электротехнического назначения.

Все это связано с тем, что традиционное алюмоборосиликатное стекловолокно не обладает щелочестойкостью из-за разрушения (растворения) в щелочах кремнеземного каркаса, и даже лучшие полимерные связующие не способны надежно защитить его от воздействия щелочи. Поэтому в последние годы предпринимаются попытки найти современные щелочестойкие полимерные композиты. Накопленные к настоящему времени литературные данные о стойкости композитных материалов в щелочных средах весьма ограничены и трудно сопоставимы, а порой противоречивы.

Целью наших исследований, начатых в 1998 г., было определение коррозионной стойкости однонаправленных армированных полимерных композитов различного состава в щелочной среде бетона. При постановке исследований мы исходили из того, что коррозионная стойкость композитов определяется следующими факторами, приведенными в порядке увеличения их значимости:

химической стойкостью связующего
наличием трещин и пор
химической стойкостью армирующих волокон.
В качестве менее стойкой в ряду связующих была выбрана ненасыщенная полиэфирная смола ПН-1; в качестве наиболее стойкой специально созданная по результатам предварительных экспериментов эпоксидная композиция. Промежуток между ними заняли химстойкая ненасыщенная полиэфирная смола Polykon K 412 («Нитрокемия», Венгрия) на основе бисфенола аналог отечественной смолы ПН-15, которая в настоящее время не производится, а также винилэфирные смолы — Deraken 411-45 фирмы «Dow Chemical Co.» и отечественная ЭВС.

Щелочестойкость ненасыщенных полиэфиров очень мала. Их «слабое звено» — сложноэфирная группа, по которой проходит щелочной гидролиз с разрывом связи «ацил-кислород». Винилэфирные смолы по щелочестойкости считаются сопоставимыми с эпоксидными, а устойчивость в щелочной среде ненасыщенных полиэфиров на основе бисфенола несколько ниже. Эпоксидные композиции считаются практически устойчивыми в щелочной среде, хотя, как показал наш опыт, отдельные представители этого класса заметно отличаются один от другого по щелочестойкости.

Армирующие волокна в нашей работе представлены ровингами алюмоборосиликатного волокна РБР 13-2640 (44)-9 с прямым замасливателем под полиэфирные и винилэфирные смолы и РБН 10-1260(4Э) под эпоксидную смолу, ровингом щелочестойкого цирконийсодержащего стекловолокна РЦР15-190-2520-9 (специально для фибробетонов) с прямым замасливателем под полиэфирную смолу, а также щелочестойкими базальтовыми ровингами БР13-600(4С) с прямым замасливателем под эпоксидные смолы и БР10-840 с парафиновым замасливателе. Физико-механические показатели полимерных композитов различного состава в исходном состоянии приведены в табл. 1.

Условное обозначение композитаРовингСмолаРазрушающее напряжение при изгибе, МПаМодуль упругости при изгибе, МПа
Баз + ЭД БР13-600(4С) Эпоксидная 1327 35504
Б/щ + ЭД РБН10-1260(4Э) - 1467 37457
Баз + D411 БР10-840 D411-45 1170 38872
Цк + D411 РЦР15-190-2520-9 - 923 30019
Б/щ + D411 РБР13-2640(44)-9 - 1408 39123
Б/щ + ЭВС - ЭВС 1256 38969
Б/щ + К412 - Polykon K412 1187 36858
Б/щ + ПН - ПН-1 814 30340

Образцы композитов различного состава для испытаний изготовляли по единой схеме. Соответствующий ровинг пропускали через пропиточную ванну с нужным связующим, подогретым до 35–40°С, и затем уже пропитанный ровинг последовательно, виток за витком, наматывали в несколько слоев до толщины примерно 2,2 мм на плоскую металлическую пластину. Поверхность последней предварительно укрывали разделительной поливинилхлоридной пленкой, по краям которой также предварительно закрепляли ограничительные кольца из проволоки диаметром 2 мм. Затем поверх полученного сэндвича укладывали еще один слой разделительной пленки и помещали его между плитами пресса, опрессовывали пакет до соприкосновения плит пресса с ограничительными кольцами (~10 кгс/см2), разогревали до нужной температуры, выдерживали заданное время, охлаждали примерно до 60–80°С, сбрасывали давление, размыкали пресс и извлекали полученную заготовку.

Все композиты на основе полиэфирных и винилэфирных смол отверждали 30 мин при 140°С, а на основе эпоксидных смол — 2 ч при 150°С. Затем, освободив заготовку от верхней пленки, её разрезали по нижнему и верхнему торцам, получая таким образом две пластины нужного композита размером в плане 200х250 мм. Каждую из пластин, в свою очередь, разрезали вдоль по направлению волокон на три контрольных образца размером 200х80 мм.

После герметизации торцов контрольных образцов эпоксидным компаундом и последующего отверждения компаунда образцы помещали в среды: 1N раствор NaOH при 55°С; раствор, моделирующий вытяжку из цемента при 20°С; сухой или влажный бетон при 20°С.

При экспозиции любого композита в горячей щелочи он подвергается значительно более активному воздействию, чем в реальных условиях, поэтому испытания в 1N растворе NaOH следует рассматривать как ускоренные, а их результаты как сравнительные.

Были изготовлены гибкие связи базальтоэпоксипластиков двух диаметров (8,5 и 9,8 мм), представляющие собой стержни, отформованные из пропитанных щелочестойкой эпоксидной композицией базальтовых ровингов, которые были собраны в пучок путем опрессовки за счет обмотки полипропиленовой нитью. Условия и результаты коррозионных испытаний гибких связей представлены в табл. 2.

Условия испытанийРазрушающая нагрузка, кгс, для связей диаметром, мм
8,59,8
До коррозионных испытаний 350 440
30 сут в 1N растворе NaOH при +55°С 250 313
То же, при напряжение 0,3 от разрушающего - 270
30 сут в водной вытяжке из цемента при +20°С - 370
То же, при +20°С при напряжение 0,3 от разрушающего - 345
5 циклов замораживания при -50°С и оттаивания в водной вытяжке из цемента - 430
Тепловлажностная обработка бетона при +80°С 350 -
15 мес в бетоне при +20°С и относительной влажности 90% 300 -
50 циклов замораживания при -20°С и оттаивания в бетоне 390 -

Экспериментальные данные свидетельствуют, что коррозия полимерных композитов различного состава развивается с наибольшей скоростью в растворе горячей щелочи и с меньшей скоростью в растворах, моделирующих жидкую фазу бетона. В среде бетона коррозионные повреждения композитов замедляются еще в большей степени. Причем в сухом бетоне прочность полимерных композитов практически не снижается во времени. Заметного различия в степени устойчивости композитов в зависимости от условий твердения бетона не обнаружено (табл. 3).

Волокно + смолаУсловия твердения бетонаУсловия испытанияСтепень сохранения прочности (над чертой) и модуля упругости (под чертой) при продолжительности экспозиции, сутки
28180360
Баз + ЭД ТВО
КНХ
Сухие
Сухие
102/108
107/101
103/100
-
102/115
-
Б/щ + ЭД ТВО
ТВО
Сухие
Влажные
92/97
86/90
91/94
77/91
85/82
61/91
Цк + D411 ТВО
ТВО
КНХ
Сухие
Влажные
Влажные
-
-
-
-
62/125
-
102/108
52/106
47/109
Баз + D411 ТВО
КНХ
Сухие
Сухие
89/98
94/101
81/83
-
88/96
-

Насыщение образца на 50% щелочью в центральной части вызвало небольшое уменьшение прочности, т. е. само по себе насыщение щелочью не снижает существенно прочности. Механизм разрушения материала в щелочной среде можно представить следующим образом. Через полимерную матрицу в материал проникает щелочной раствор, щелочь химически взаимодействует с волокном и растворяет его, зона химического взаимоействия постепенно продвигается в глубь материала, что сопровождается снижением его прочности.

Концентрация CS установлена экспериментально с учетом того, что при практически полном насыщении (180 сут экспозиции пластин толщиной 1,6 мм в цементной вытяжке) масса образцов за счет проникания раствора увеличилась на 0,001 г/см2.

Это количество раствора, отнесенное к ½ толщины пластины, составило 0,001:(0,16х0,5) = 0,0125 г/см3. Согласно расчетам, концентрация щелочи в вытяжке равнялась 3,26%. Тогда количество щелочи, проникшей в материал, составило 0,0125х0,0326 = 4,07х10-4 г/см3.

Величина CS принята равной 4,07х10-4 г/см3. Время t приравнено 50 годам, или 50х365х24х3600 = 1,577х109 с. Коэффициент диффузии D, согласно полученным в эксперименте данным, равен 8,23х10-10 см2/с. Значение N — количество щелочи, проникшей в материал, составило N = 5,233x10-4 г/см2.

Количество прореагировавшего со щелочью (NaOH) кремнезема (SiO2) пропорционально молекулярным массам участвующих в реакции веществ и равно 5,233х10-4х60:40= 7,849х10-4 г/см2, где во и 40 молекулярные массы SiO2 и NaOH.

Количество прореагировавшего базальтового волокна с учетом содержания в нем SiO2 в количестве 49,7% равно 7,849х10-4 :0,497 =15,792х10-4 г/см3.

Содержание волокна в композите равно 70% по массе, а объемная масса композита — 2,1 г/см3. Объем прореагировавшего слоя композита равен 15,792х10-4:0,7:2,1= 10,74х10-4 см3.

Отсюда толщина прореагировавшего слоя композита равна 11 мкм, а площадь сечения образца с исходным диаметром 8 мм уменьшится на 0,27%, т. е. сокращение сечения за счет химического взаимодействия щелочной среды бетона с базальтовым волокном за 50 лет будет незначительным.

Бетоны на пористых заполнителях по своим свойствам относятся к одним из наиболее перспективных строительных материалов. Применение конструкций из них позволяет значительно снизить материалоемкость, сократить общую массу зданий и сооружений. Уменьшить трудозатраты на их возведение и вместе с тем обеспечить капитальность и долговечность зданий.

Химическое взаимодействие реакционноспособных заполнителей со щелочами цементов и продуктами их гидратации влияет на структуру и свойства бетона. Иногда это сопровождается развитием чрезмерно больших деформаций расширения бетона, нарушением его структуры и, как следствие, снижением прочности, упругости и долговечности бетона.

Многочисленные натурные обследования НИИЖБа, ЦНИИпромзданий, Харьковского ПромсгройНИИпроекта и др. организаций показали, что при переменных температурно-влажностных воздействиях традиционные виды вторичной защиты бетона недолговечны‚ а их возобновление в условиях действующего производства часто затруднительно. Поэтому во многих случаях конструкции промышленных объектов эксплуатируются «на износ» и преждевременно выходят из строя. Но при реконструкции предприятий, изменении технологии, нагрузок и других воздействий многие конструкции требуют замены, усиления, другого вида защиты и т. д.

Проектировать железобетонные конструкции следует на заданный срок эксплуатации, при котором допускалось бы развитие внутри деструктивных процессов при условии, что до конца эксплуатации конструкция удовлетворяла бы требованиям СНиП. В этом случае можно варьировать параметры самой конструкции, в том числе первичной защиты, видов и параметров вторичной защиты с целью оптимизации по заданным критериям качества, например по приведенной стоимости с учетом эксплуатационных расходов.

Для практического использования указанного метода необходимо знать кинетику изменения свойств под влиянием деструктивных процессов во времени и по глубине в зависимости от параметров эксплуатационных воздействий и начальных характеристик бетона.

Ниже приводятся результаты исследований бетона при переменных (циклических) воздействиях нагрева до 180°С и увлажнении. Подобные воздействия широко распространены на объектах черной металлургии.

Исследования проводили в натурных и лабораторных условиях. На действующих предприятиях оценивали режимы нагрева и увлажнения и состояние конструкций, определяли глубину проникновения влаги и прочность поверхностных слоев бетона, отбирали образцы для физико-химических исследований. Установлено, что, где железобетонные элементы испытывают только нагрев или только увлажнение, срок службы конструкций до капитального ремонта снижается в 2…15 раз. Скорость разрушения зависит, главным образом, от максимальной температуры и длительности нагрева, циклов увлажнения, водонепроницаемости бетона.

На основе натурных обследований выбирали параметры температурно-влажностных воздействий при испытаниях в лабораторных условиях.

Прежде всего исследовали кинетику изменения влагос0держания при одномерном влагопотоке и нагреве до 90, 120, 180°С. Испытали образцы размером 70х70х70 мм, 70х70х35 мм и 70х70х30 мы со свободными от гидроизоляции одной или двумя торцевыми гранями 70х70 мм. Цикл «нагрев-увлажнение» варьировался от 1 сут. (при высушивании в течение 7 ч, что имитирует условия гидросмыва пыли на ряде горячих участков металлургических предприятий) до периода, обеспечивающего стабилизацию массы при увлажнении и при высушивании. Использовалась не агрессивная по отношению к бетону на обычном портландцементе вода.

При суточном цикле «нагрев-увлажнение» уменьшение вдвое амплитуды влажности в образцах из бетона W6 наблюдалось на глубине 20…25 мм, а на глубине 40…50 мм колебания влажности не ощущались. В бетоне с W2 аналогичная картина наблюдалась соответственно на глубинах 80 и 100 мм от увлажняемой поверхности. При увлажнении и высушивании до относительной стабилизации массы уменьшение амплитуды изменения влажности в 2 раза наблюдалось для бетона W6 на глубине 50 мм, а для бетона с W2 этот показатель уменьшался незначительно.

Но во всех случаях при 90…120°С интенсивность сушки меньше интенсивности увлажнения, а при 180°С больше. Аналогичные данные получены в натурных условиях (агломерационные фабрики, коксовые цехи, коксохимическое производство, холодильники прокатных и трубопрокатных цехов и т. д.).

Изменения прочностных, деформативных свойств бетона изучали при замачивании и высушивании. В опытах варьировали водонепроницаемость бетона (W2…W8), прочность на сжатие (B15…B55), вид крупного заполнителя (гранит – эталон и материалы, характеризующиеся сравнительно низким коэффициентом температурного расширения и модулем упругости: керамзит, базальт. Литой доменный шлак, габбро), минералогический состав цемента. В нескольких сериях образцов использовали добавку бентонитовой глины для придания бетону демпфирующих свойств. Бетон с водонепроницаемостью W8 содержал комплексную добавку (ССБ — 0,15 и СНВ — 0,02% массы цемента). Длительность испытаний соответствовала продолжительности ведонасыщения и высушивания призм до постоянной массы.

Общее число циклов испытаний образцов каждой серии — 200. В начале после каждого цикла, а затем через каждые 10 циклов образцы взвешивали во влажном и сухом состоянии. Перед началом испытаний и с интервалом 50 циклов увлажнения и высушивания определяли кубиковую и призменную прочность бетона, прочность при растяжении (раскалыванием кубов в положении на ребро), модуль упругости (на основе ультразвуковых и прессовых испытаний), причем помимо скорости ультразвуковых волн фиксировали также характер их затухания.

Изучение ползучести бетона проводили с помощью специальных установок, позволяющих автоматически поддерживать усилие сжатия на постоянном уровне и регулировать температуру нагрева. Призмы устанавливали в стаканы, заполняемые водой. Деформации измеряли с помощью индикаторов, вынесенных за пределы стаканов. Возраст бетона к началу испытаний составлял 4…5 мес, температура нагрева 90°С.

Режим поэтапных испытаний: постоянная сжимающая нагрузка (1 этап); нагрузка плюс стационарный нагрев (2 этап); нагрузка плюс циклический нагрев в интервале 90…20…90°С (3 этап); нагрузка плюс циклическое увлажнение-высушивание (4 этап). Продолжительность увлажнения и высушивания в каждом цикле для бетонов соответствующей водонепроницаемости выбиралась из условия обеспечения максимальной глубины замачивания причем длительность замачивания — 120 ч, высушивания — 150 ч.

Продолжительность каждого этапа испытаний определялась временем относительной стабилизации экстремальных значений деформаций.

Всего было испытано более 2 тыс. 06разнов, анализ результатов позволяет отметить следующее. Характеристики бетона, наиболее чувствительные к циклическим температурно-влажностным воздействиям, — это модуль упругости бетона, мера ползучести, прочность при растяжении. Призменная и особенно кубиковая прочность оказались менее чувствительными (см. табл.).

ид крупного заполнителяКласс бетона по прочности на сжатиеСнжение просности бетона, %, при высушивании, °С
90120
после циклов увлажнения
5010020050100200
На сжатие
Гранит B15 16-17 18-25 16-28 15-21 25-36 30-44
B30 12-14 12-17 12-18 20-24 22-27 25-31
B55 9-15 11-15 13-16 21-24 21-23 18-25
Шлаковое литьё и керамзит B15 1-4 3-5 3-8 6-10 8-16 10-15
B30 - - - 1-3 5-9 4-8
B55 - 2-3 2-6 - - 4-11
На растяжение
Гранит B15 11-18 22-33 21-36 23-26 50-78 66-81
B30 8-15 13-20 18-30 21-27 21-30 24-32
B55 9-19 11-18 18-21 13-25 16-21 20-29

В образцах с повышением класса бетона по прочности на сжатие и водонепроницаемости наблюдается меньшее снижение прочности бетона при сжатии и растяжении после 200 циклов увлажнений и высушиваний при 90 и 120°С. Однако прочность на растяжение при этом уменьшалась в большей степени, чем на сжатие.

Относительная стабилизация свойств после монотонного спада отмечалась у бетонов на гранитном щебне при 90…120°С.

Мера ползучести при одинаковой. Величине сжимающих напряжений увеличивалась за счет попеременного увлажнения и высушивания более чем в 5 раз по сравнению с нормальным температурно-влажностным режимом. Все исследуемые бетоны при температуре высушивания 90°С проявили устойчивую тенденцию к стабилизации деформаций.

Последовательное ужесточение режима вызывает у всех бетонов увеличение деформаций.

Удельные деформации ползучести бетонов на гранитном щебне при циклическом воздействии температуры 90°С увеличились в 1,4…1,6 раза, а при циклическом воздействии влажности и температуры 90°С — в 2,3…2,5 раза по сравнению с постоянным нагревом до 90°С.

Для бетонов на шлаковом щебне и керамзите эти увеличения соответственно возросли 1,6…1,7 и в 2,2…2,4 раза.

На первом этапе испытаний деформации бетонов на шлаковом и керамзитовом щебне превышали деформации бетонов на гранитном щебне более чем в 2 раза.

Испытания показали, что разброс экспериментальных значений модуля упругости, определенных ультразвуковым методом на Одних образцах в высушенном состоянии с увеличением числа циклов увлажнения и высушивания имеет тенденцию к увеличению. По-видимому, аналогичная картина должна наблюдаться и при оценке изменения других характеристик.

Поэтому коэффициенты условий работы, учитывающие особенности эксплуатационных воздействий, необходимо выбирать на основе соответствующих соотношений, принимаемых с заданной обеспеченностью. Например, для нормальных распределений прочности бетона на сжатие при обеспеченности 0,95.

Изменения pH поровой жидкости по глубине происходило непрерывно. Для бетона марки по водонепроницаемости W4 при высушивании 90°С после 200 циклов испытаний средняя величина pH равнялась: в наружном слое толщиной 10 мм — 9,9 (исходное pH 12,5); на глубине 10…20 мм — 10,8; на глубине 20…30 мм — 11,4 ( pH использованной в экспериментах воды равно 8).

Таким образом, в период испытаний бетон с водонепроницаемостью W4 потерял свои защитные свойства по отношению к арматуре. В натурных условиях у бетонов аналогичной марки по водонепроницаемости и соответствующих условий эксплуатации такая картина наблюдалась после 15…20 лет эксплуатации. Таким образом, потеря бетоном защитных свойств по отношению к арматуре по глубине защитного слоя осуществляется в среднем со скоростью 1,5…2 мм/год.

Оценка соответствия числа циклов испытаний в лабораторных условиях срокам службы конструкций эксплуатирующихся объектов производилась путем сопоставления результатов комплекса физико-химических исследований бетона образцов, отобранных из существующих элементов и лабораторных с использованием метода распознавания.

При реконструкции объектов в процессе проведения натурных обследований, как правило, имеется возможность отобрать необходимое количество образцов бетона конкретных элементов для установления их физико-механических, физико-химических характеристик и их изменения по глубине. В этом случае достоверность вводимых в расчет параметров при оценке остаточного ресурса конструкции существенно повышается.

В наших опытах мы руководствовались результатами исследования по подбору ГШЦПВ. Высокопрочный гипс применяли в смешанных вяжущих оптимальных составов.

Марку смешанных вяжущих определяли двумя способами по МРТУ 21-8-65 (на гипсоцементнопуццолановое вяжущее) и по ГОСТ 2767-44* (на ангидритовое вяжущее).

Известно, что максимальная марка ГЦПВ М100-М150.

Она зависит от качества и количества использованных материалов, и прежде всего от качества (активности) и количества гипса.

Вопрос о повышении марки смешанного, вяжущего представляет большой практический интерес. Это побудило работников кафедры вяжущих веществ и бетонов МИСИ им. В. В. Куйбышева провести соответствующие исследования.

Для производства бетонных и железобетонных изделий может быть применен способ, при котором предварительно уплотненную вибрированием сухую смесь цемента и заполнителей насыщают под давлением водой, а затем повторно виброуплотняют. В результате достигается высокая плотность и прочность бетона.

Исследованиями установлено, что алунитовый напрягающий цемент (АНЦ) можно применять для заделки стыков, ниш и швов, в сооружениях гражданского надземного строительства и работающих во влажных и водных условиях, для изготовления напорных труб и др.

Все алунитовые цементы, в том числе напрягающие (АНЦ), обладают короткими (5–30 мин) сроками схватывания. С помощью добавок борной кислоты можно добиться замедления схватывания цемента, и получить бетоны с высокими физико-механическими показателями.