Изменение свойств бетона при переменных воздействиях температур и увлажнения

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.).

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.