Строительство и ремонт

 Высокопрочный бетон

Быт. Хозяйство. Техника

Самым нестойким компонентом бетона является цементный камень, как наиболее химически активный и вследствие этого подверженный опасности разрушения в результате химического действия агрессивной окружающей среды.

При соединении цемента с водой происходят процессы гидролиза и гидратации минералов цементного клинкера, в результате чего образуются сложные гидратированные соединения.

Согласно взглядам П. А. Ребиндера, процесс твердения цементного камня описывается следующей схемой. В первый момент происходит смачивание частиц и растворение в воде наиболее растворимых соединений клинкера, таких как щелочные металлы натрия и калия, гидрат окиси кальция (известь) и гипс. По мере их растворения образуются перенасыщенные растворы. Далее происходит кристаллизация новообразований и формирование кристаллов различных размеров. Попутно часть новообразований выделяется в виде каллоидных частиц, обладающих свойствами геля. По мере кристаллизации образуются пленки, препятствующие контакту воды с минералами цемента, в результате чего процесс гидратации начинает тормозиться.

Из работ [38, 107] следует, что и процессы гидратации, и, следовательно, образование структуры цементного камня зависят не только от химического и минералогического составов цемента, скорости химических реакций, но также и от физических условий протекания этих процессов. Чем больше поверхность цемента, (например, быстротвердеющих), тем больше компонентов переходит в раствор в единицу времени, т. е. тем быстрее идет схватывание и твердение цемента.  В свою очередь, чем больше поверхность цемента, тем больше должно быть воды, удерживаемой молекулярными силами на поверхности частиц цемента и новообразований и далее не участвующей в растворении вещества в процессе гидратации. Из-за слишком тонкого измельчения цемента быстро загустевает бетонная смесь, что ведет к потере эффекта увеличения прочности бетона по времени. Оптимальная тонкость помола применяемого цемента должна характеризоваться удельной его поверхностью около 3000—3200 смъ1г.

При более грубом помоле процесс твердения замедляется, а при более тонком помоле долговечность бетона снижается, так как в течение длительной эксплуатации сооружения не будет происходить «самозалечивание» микротрещин, возникающих в бетоне при появлении внутренних растягивающих напряжений.

Процессы твердения в бетоне сопровождаются коррозией цементного камня. Эти процессы С. В. Шестоперов [107] описал в виде «кривой долговечности». Н. Плум, Ж. Джессинг и П. Бредсдорф рассматривали обобщенную кривую изменения прочности бетона конструкции во времени. Данные их исследований представлены на рис. 71, где кривая 1 характеризует бетоны, не подвергавшиеся воздействию агрессивной среды и хранящиеся во влажных условиях. Кривая 2 характеризует тот же бетон, но хранившийся в воздушно-сухих условиях. Как видно из рис. 71, у бетона в месячном возрасте прочность нарастает незначительно, но в то же время нет факторов, которые могли бы снизить ее. Кривые «3, 4 и 5 свидетельствуют об уменьшении прочности во времени в результате коррозионных процессов. Причем прочность снижается с различной интенсивностью в зависимости от степени агрессивности среды.

Не останавливаясь подробно на влиянии каждого вида коррозионной среды на бетон, которое достаточно подробно описано в работах В. М. Москвина, Н. А. Мощанского, М. Г. Булгакова, Ф. М. Иванова и др., рассмотрим лишь характер их воздействия на бетон.

В период эксплуатации сооружений возможна так называемая коррозия выщелачивания. Степень опасности процессов выщелачивания определяется прежде всего условиями взаимодействия бетона и воды. Наиболее опасна фильтрация воды через тело бетона под напором. При этом известь и гипс выщелачиваются из бетона, а затем растворяются с разложением на гидросиликаты и гидроалюминаты  кальция.

В ряде случаев конструкции и сооружения находятся под воздействием природных1 или промышленных вод с   повышенной   кислотностью.

Степень кислотности воды характеризуется водородным показателем рН. Считается, что кислотность раствора тем больше, чем больше кислоты диссоциирует на ионы. Кислотность раствора повышается и с увеличением концентрации   кислоты.

Показатель концентрации ионов водорода рН в воде, равный + 7, как это принято считать, указывает на то, что вода нейтральна. При слабой кислотности этот показатель равен -f- (4ч-6). В более концентрированных растворах сильных  кислот значение рН  равно + (1—2).

Общекислотную агрессивность воды (среды для железобетонных конструкций) при различной плотности бетона определяют по данным, приведенным в табл. 19 [38].

Для щелочных растворов рН > 7. Так, например, в щелочной   среде  при   рН > 12 железо   пассивируется в результате образования защитной пленки   окислов и не подвергается коррозии во влажной среде.

Избыточное количество в воде свободной углекислоты и углекислых солей делает ее агрессивной по отношению к бетону. Принято считать, что вода нормальной плотности слабоагрессивна для бетонов, если она содержит не более 40 мг/л углекислоты. С повышением содержания СО2 вода становится агрессивной. Опыты показывают, что вода, содержащая агрессивную углекислоту, для бетонов высокой плотности безопасна.

Интенсивную коррозию в бетонных и железобетонных конструкциях может вызывать вода, содержащая сернокислые соли. К наиболее распространенным в природных водах сернокислым солям, которые называются сульфатами, относятся сернокислый кальций (гипс), сернокислый натрий  и  сернокислый магний.

При обычной температуре водные растворы этих солей имеют различную растворимость, поэтому они по-разному взаимодействуют с компонентами цементного камня в бетоне. Продукты реакции каждой из этих солей получаются также различные.

Главным реагирующим компонентом рассматриваемой агрессивной сульфатной среды является общий для них анион SOi'. Установлено, что скорость химического связывания гипса зависит от количества алюминатов, содержащихся в цементном клинкере. Количество гипса, которое может быть химически связано с минералами цемента за определенное время, зависит от тонкости помола цемента. Одновременное увеличение тонкости помола и количества гипса значительно повышает стойкость цементного камня к действию растворов сульфатов, при этом обязательным является совместный тонкий помол цемента и гипса.

В плотной структуре бетона при наличии в его цементном камне сульфатов увеличение твердой фазы и вследствие этого стремление бетона к расширению может наблюдаться только в поверхностных слоях элемента конструкции. В пористых структурах расширение бетона и образование трещин отмечаются уже во всем объеме элемента.

Таким образом, в случае действия сульфатов бетон разрушается тем интенсивнее, чем больше его пористость и проницаемость.

При наличии в воде солей магния возможна так называемая магнезиальная коррозия. В первое время при действии на бетон такого сульфата уже в поверхностном слое химически связывается поступающий магний-ион. Происходит временное уплотнение бетона и замедляется проникание в него агрессивного вещества. Однако осадок гидрата окиси магния не является непроницаемым. Постепенно раствор проникает в толщу бетону. Так как реакции между минералами, составляющими цементный камень,и солями магния в первую очередь происходят в зоне контактов с заполнителями (эти зоны являются также зонами наибольших напряжений), то прочность бетона здесь снижается особенно интенсивно.

Разрушение бетона возможно из-за накопления в его порах солей, кристаллизации их и дальнейшего перехода этих солей из безводной или маловодной формы в кристаллогидраты с высоким содержанием воды. Наиболее часто такие явления наблюдаются в морских сооружениях, которые частично погружены в воду и имеют открытую для испарения поверхность. В таких сооружениях, если не принять необходимые меры, возможно накопление раствора солей за счет капиллярного подсоса и последующего испарения воды из наружных частей конструкции.

Образование кристаллогидратов сопровождается изменением объема солей. В процессе превращения таких солей, как, например, хлористого натрия или сернокислого" натрия из безводной формы в кристаллогидраты, их объем увеличивается соответственно в 2,3 и 4,1 раза. Следовательно, при достаточно высоком содержании в бетоне указанных солей изменение их объема может приводить к разрушению бетона.

Вода считается агрессивной, если содержание растворимых солей в ней превышает для бетона нормальной плотности 10 г/л, повышенной плотности — 20 г/л, особо плотного — 50 г/л.

Причиной разрушения бетона могут быть процессы, которые проходят в зоне контакта поверхности кремнезема заполнителя некоторых пород и щелочей, содержащихся в цементе или вводимых в состав бетона при его затворении. В этом случае разрушение сопровождается увеличением объема бетона, появлением сетки трещин на нем, а также белых налетов у этих трещин. Процесс разрушения бетона от такого вида коррозии протекает только в воздушно-влажных условиях переменной влажности.

Жесткие режимы термовлажностной обработки бетона также отрицательно сказываются на структурообразо-вании и, следовательно, на его коррозионной стойкости. Повышает опасность коррозионного разрушения и напряженное состояние бетона в растянутых зонах, а также при высоких напряжениях в сжатой зоне конструкций за счет образования в них микро- и макротрещин.

Арматура железобетонных конструкций, если она недостаточно защищена бетоном, поддается коррозии при действии влаги и кислорода воздуха. В бетоне на обычном портландцементе водный раствор, заполняющий поры цементного камня, насыщен гидратом окиси кальция Са(ОН)2. Для арматуры создается благоприятная щелочная реакция. В такой среде величина рН = 12-^-13 и сталь находится в пассивном состоянии. При рН <С 5 возникают условия, при которых арматура подвергается значительной коррозии.

При недостаточной толщине защитного слоя и наличии в нем трещин в арматуре может возникать атмосферная коррозия, скорость которой в значительной степени зависит от климатических условий, а также от характера агрессивной среды. Существенную роль при этом играет повышенная влажность, в которой находится конструкция.

Коррозия арматуры может возникнуть в результате карбонизации извести в бетоне защитного слоя. Это происходит в результате воздействия углекислоты, содержащейся в воздухе, которая нейтрализует известь цементного камня и приводит к потере щелочности. Процесс карбонизации ускоряется при наличии в защитном слое трещин и недостаточной плотности бетона.

При наличии в бетоне хлористого натрия и кальция в весьма короткие сроки в железобетонных конструкциях может интенсивно развиваться коррозия арматуры. Ионы хлора, являясь деполяризаторами кислорода на аноде, создают условия для развития электрохимических процессов коррозии стали в щелочной среде  [38].

В сооружениях из железобетона, работающих при наличии блуждающих токов или токов утечки, может развиваться электрокоррозия. В таком случае арматура становится анодом и происходит процесс ее окисления.

Таким образом, долговечность бетонных и железобетонных конструкций определяется условиями внешней среды, т. е. климатом местности, составом воздуха, воды и грунта, а также особенностями контакта между внешней средой и наружными поверхностями конструкции. Характеристика основных видов коррозии, которым могут подвергаться конструкции . из высокопрочных бетонов, приведена в  табл.   20   [38].

Один из основных путей повышения долговечности бетонных конструкций при воздействии различных агрессивных сред — создание плотного бетона. Высокопрочные бетоны, имеющие, как правило, достаточно однородную структуру и повышенную плотность, более устойчивы при работе в таких условиях.

При этом очень важно обеспечить получение эффективного защитного слоя (в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивных условиях, толщина защитного слоя должна быть не менее 20 мм) и повышение трещино-стойкости железобетонных конструкций. По данным НИИЖБ, ЦНИИПромзданий и Промстройпроекта, тре-щиностойкость конструкций, находящихся в сильноагрессивной среде, в ряде случаев должна быть повышена за счет некоторого дополнительного расхода напрягаемой арматуры до 10—20%, а также за счет повышения марки бетона. При применении высокопрочных бетонов, изготовляемых, как правило, с низкими В/Ц, возможно понижение скорости карбонизации цементного раствора.

Одним из радикальных средстз защиты конструкций от воздействия агрессивных сред является применение различного вида покрытий [68]. Покрытия, нанесенные после распалубки на поверхность конструкции, способствуют нормальному процессу твердения бетона и в значительной степени предупреждают появление и развитие усадочных трещин.

В последнее время в бетонную смесь вводят воздухо-вовлекающие или газообразующие добавки, способствующие повышению стойкости бетона к внешним воздействиям.

При условии, если конструкции эксплуатируются в среде с повышенной агрессивностью, применяют специальные способы защиты [38].