Бетоны. Бетоноведение

Технология бетона

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Долговечностью или стойкостью бетона называется его способность не снижать набранную прочность в течение длительного периода эксплуатации конструкций, находящихся под воздействием внешней среды.

Нахождение бетона в постоянных нормальных воздушно-злажностных условиях способствует постепенному нарастанию его прочности, однако резкие колебания температуры, частые увлажнения и высушивания, воздействие химически активных воздушных и водных сред могут явиться факторами, разрушающими бетон.

Наиболее часты случаи разрушения бетонных конструкций при замораживании и оттаивании в увлажненном или насыщенном  водой  состоянии. Способность бетона  противостоять таким воздействиям характеризуется его морозо-сгойкостью.

Способность бетона противостоять проникновению через его толщу воды, находящейся под гидростатическим давлением, называется водонепроницаемостью бетона.

Устойчивость бетона при действии высоких температур характеризует его жаростойкость.

Некоторые авторы морозостойкость, жаростойкость, стойкость к попеременному увлажнению и высушиванию определяют как стойкость бетона к физической коррозии. Способность 'бетона противостоять действию сред, вызывающих его химическую коррозию, определяется »химической коррозионной стойкостью бетона. Чаще всего разрушаются бетоннйе конструкции, находящиеся под действием проточных вод, кислых вод, вод, имеющих сульфатное засоление, и из-за щелочности цементного камня, при заполнителях, содержащих активный кремнезем.

Морозостойкость бетона

Разрушение материалов при их замораживании — процесс сложный и многогранный.    

Согласно современным воззрениям разрушение бегона лри замораживании может происходить вследствие: а) гидравлического давления в парах и калиллярах, возникающего как результат отжатия воды льдом; б) различия в коэффициентах температурного расширения льда и составляющих бетон материалов; в) осмотического давления гелевой воды при замерзании воды в порах и повышении концентрации солей з поровом растворе.

В зависимости от состава, структуры бетона и условий замерзания может преобладать 'влияние того или другого фактора, однако первопричиной разрушения бетона является льдообразование. При применении плотных прочных и морЬзостойких заполнителей морозостойкость бетона определяется характером пор в цементном камне.

Поскольку вода в гелевых порах практически не замерзает, они неоласны для замерзающего бетона. Контракцион-ные поры при обычных температурно-влажностных условия твердения бетона представляют собой замкнутые пространства, заполненные воздухом. При замерзании бетона контрак-ционные поры играют роль запасных резервуаров, в которые может отжиматься часть воды из капиллярных пор, что уменьшает давление на стенки капилляров и способствует повышению морозостойкостичбетонов.

Опасны открытые межпоровые капилляры, седиментаци-онные полости и лустоты, возникающие вследствие недоуп-лотнения бетонной смеси. Вопрос о влиянии на морозостойкость крупных пор, образованных защемленным воздухом при уплотнении бетона, еще неясен, но их присутствие нежелательно, так как они располагаются случайно и увеличивают неоднородность структуры бетона.

Для морозостойких бетонов рекомендуется применять алитовые низкоалюминатные цементы с содержанием минералов силикатов около 80% и трехкальциевого алюмината не более 6%.

При проектировании морозостойких бетонов необходимо получать наиболее плотный скелет заполнителей, уменьшающий возможность расслоений и «еедиментационных явлений в микрообъемах и способствующий уменьшению количества цементного теста-камня в бетоне.

Хотя силикатный гель морозостоек, он не защищает от разрушения неморозостойкие плотные заполнители, минеральные добавки и неморозостойкие алюминатные минералы цемента, что необходимо учитывать при оценке морозостойкости бетона.

При хорошем уплотнении можно избежать технологических дефектов в Структуре бетона; объем защемленного воздуха при этом не превысит 1—2% объема бетона. Количество седиментационных пор можно уменьшить, подобрав плотный скелет, вводя добавки ПАВ и применяя бетоны с малым водоцементным отношением. При этом основным дефектом структуры бетона, влияющим на снижение его морозостойкости, будет капиллярная 'пористость, уменьшить которую можно за счет более полной гидратации цемента и заполнения капилляров цементным гелем. Капиллярная пористость

Повышение расхода цемента ведет к удорожанию бетона и ухудшению его свойств, в частности, вследствие возрастания усадочных явлений. Таким образом, для повышения морозостойкости бето-на необходимо снижать количество воды до 150—160 л/мг, что возможно при применении пластифицирующих добавок и интенсивном уплотнении смеси.

Степень гидратации цемента может быть повышена проведением различных мероприятий по его активации, рассмотренных в главе V. Она зависит также от времени твердения бетона

При надлежащем уходе за бетоном, обеспечивающем" нормальное протекание процессов твердения, морозостойкость бетона повышается со временем.

Как видно из таблицы, хорошая морозостойкость бетона (Мрз = 240) достигается при значениях капиллярной пористости менее 6%. По данным других исследований, уменьшение -капиллярной пористости бетона до 8% сопровождается относительно небольшим повышением морозостойкости, дальнейшее уменьшение капиллярной пористости приводит к значительному повышению морозостойкости. Наибольшая морозостойкость наблюдалась у бетонов с капиллярной пористостью от 0 до 3%.

Важнейшим технологическим мероприятием для повышения морозостойкости бетона уже с определенными характеристиками .пористости является введение воздухововлекающих добавок СНВ, ЦНИПС-1, ГКЖ и др. в количестве 0,05—0,2% от веса цемента.

Добавки вовлекают в бетонную смесь микропузырьки воздуха размером 0,025—0,25 мм, которые создают в бетоне равномерно распределенные закрытые поры. Эти поры прерывают капилляры, ограничивая последующее их .насыщение водой. Часть капиллярных пор может закрываться вследствие испарения воды непосредственно в пузырьке воздуха, часть воздушных пор, .располагаясь вблизи капилляров, служит буферными емкостями для воды, фильтрующейся под давлением через стенки капилляров.

По данным отечественных и зарубежных исследований, введение воздухововлекающих добавок может ловысить морозостойкость бетона на 300—700%.

Обычно для повышения морозостойкости бетона вовлекают с помощью добавок 3—8% воздуха.

Воздухововлечение снижает прочность бетона, но при малом количестве вовлеченного воздуха (до 5%) прочность может даже повышаться за счет пластифицирующего действия добавок на бетонную смесь. Объем вовлеченного воздуха и структура воздушных пор зависят от количества добавки, характеристик заполнителей и состава бетонной смеси. Подбор количества воздухововлекающей добавки в каждом отдельном случае производят опытным путем.

Все приведенные рекомендации приемлемы и для повышения морозостойкости пропаренного бетона. Однако получить достаточно морозостойкий бетон после пропарки можно только предельно уменьшив влиянию термических деструкции, т. е. применяя предварительное выдерживание изделий ч медленный подъем температуры. При пропаривании количество видов цемента для получения морозостойких изделий может быть увеличено за счет использования шлакопартландцементов.

Количество воды для получения бетонной смеси требуемой удобоукладываемости ориентировочно определяют по графикам и таблицам, приведенным в вйаве III.

Значение степени гидратации а для лортландцементов можно принимать следующим:

сроки твердения бетона в сутках    28        90        180

степень гидратации портландцемента а   0,58     0,66     0,68

Если удобоукладываемость недостаточна и ее нельзя Повысить, не увеличивая количества воды, то увеличивают количество воды, ламятуя, что для соблюдения требуемой морозостойкости на каждые лишние 10 л воды нужно увеличивать количество цемента на 20/а кг,

В заключение раздела необходимо указать на крайнюю условность определения морозостойкости бетона при испытании по ГОСТ 10060-62. Морозостойкость бетонных конструкций назначается по результатам испытания водонасыщенных образцов бетона на попеременное замораживание при t oт —17 до —20° и оттаивание, что не может моделировать действительного воздействия мороза на конструкцию.

Число лабораторных циклов замораживания и оттаивания грубо ориентировочно связано с числом натурных циклов в том или ином районе. В .коэффициент запаса берется полное насыщение водой лабораторных образцов, чего многие сооружения могут не испытывать. В испытаниях совершенно не учитывают: 1) действующие в данном районе минимальные температуры, которые при соответствующих их значениях могут вызвать замерзание воды в мельчайших капиллярах и быстрое разрушение бетона; 2) скорость изменения температур и их колебания без перехода через ноль, что также можег вызвать разрушение из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов замерзшего 'бетона; 3) подверженность конструкций различным силовым воздействиям, которые вызывают напряженное состояние в бетоне до замораживания.

Если ранее, когда основные объемы строительства выполнялись в умеренных климатических условиях, можно было ориентировочно судить о морозостойкости по числу циклов замораживания и оттаивания согласно методике ГОСТ 10060-62, то сейчас в связи с интенсивным развертыванием строительства в северных районах вопрос испытания морозостойкости бетона требует пересмотра.

Водонепроницаемость бетона

Некоторые конструкции по условиям работы должны быть водонепроницаемыми, в других водонепроницаемость препятствует коррозионным процессам, развивающимся при фильтрации воды через толщу бетона.

За показатель водонепроницаемости принимают величину давления воды в атмосферах, при которой образец стандартных размеров (цилиндр диаметром и высотой 15 см) из бетона исследуемого состава в условиях проведения опыта согласно ГОСТ 4800-59 еще видимым образом не пропускает воду.

Водонепроницаемость бетона зависит от количества открытых макропор, вызванных испарением избыточной воды из межзерновых пространств цементного камня, седиментациоп-ных полостей, технологических и усадочных трещин в местах контакта цементного камня с заполнителем. Поры геля из-за их малого размера практически водонепроницаемы. Мелкие закрытые поры до определенного их количества в бетоне (3— 12%) не оказывают существенного влияния на водонепроницаемость бетона. Таким образом водонепроницаемость зависит от тех же факторов, что и морозостойкость1.

Снижение В/Ц в бетонной смеси, обеспечение более полной гидратации цемента, применение фракционированных заполнителей и соответствующих эффективных уплотняющих средств позволяет получить бетоны высокой водонепроницаемости.

Увеличить водонепроницаемость бетона можно применяя заполнитель предельной наибольшей крупности, так как при этом уменьшается объем растворной части в бетоне и снижается водопотребность бетонной смеси. Пески желательны речные окатанные. Не следует опасаться .повышенного, до 30-40%, содержания в песке фракции 0,15—0,3, которая, наоборот, полезна, так как служит уплотняющей добавкой в скелете заполнителей. По данным некоторых исследований, водонепроницаемый бетон должен содержать больше песка в смеси заполнителей, нежели обычные бетоны, подбираемые по принципу наибольшей прочности. В свяи с этим при подборе составов бетона значения коэффициентов раздвижки зерен имеют повышенные значения (а=1,4—2,0).

О том, что целесообразнее применять для ловышения водонепроницаемости — гравий или щебень, нет еще единого мнения, так как щебень обеспечивает повышение прочности контактной зоны с цементным камнем, а гравий позволяет получать хорошоуплотняемые смеси при меньших расходах воды и более низких значениях В/Ц. Бетоны высокой водонепроницаемости получают при применении карбонатного щебня вследствие отсоса седиментационной воды его микропорами и хемосорбционных явлений на границе щебня с цементным камнем.

Применение гидрофильных пластифицирующих добавок увеличивает подвижность бетонных смесей и, следовательно, снижает их водопотребность, что повышает водонепроницаемость бетона.

По данным ряда исследователей, введение в смесь гидрофобных и воздухововлекающих добавок весьма эффективно при малых напорах. Гидрофобизация капилляров при высоконапорном движении воды почти не препятствует ее прохождению через толщу бетона; положительно влияет на водонепроницаемость только пластифицирующее действие этих добавок. Недостаточно эффективны для увеличения водонепроницаемости бетонов и добавки кремнийорганических жидкостей.

Специфичным технологическим мероприятием для повышения водонепроницаемости бетонов является применение различных уплотняющих добавок — микронаполнителей и химических веществ.

В качестве микронаполнителей могут применяться каменная мука, молотые шлаки, золы, пылевидные отходы промышленности, обычный мелкозернистый песок, а также активные минеральные добавки и известь. (Введение таких добавок создает в межзерновых полостях бетона как бы микроскелеты, препятствующие возникновению седиментационных и усадочных явлений, развитию фильтрующих по.р и каналов. Однако нельзя забывать, что многие микронаполнители снижают морозостойкость бетона.

Применение добавок особенно эффективно для бетонов с пониженным содержанием цемента; при расходах цемента в бетоне свыше 500 кг/м3 вводить эти добавки уже нецелесообразно.

Водонепроницаемость бетонов можно значительно повысить, применяя специальные расширяющиеся и безусадочные цементы. При использовании обычных цементов водонепроницаемость повышается с повышением их активности, связанным с увеличением количества гидросиликатного геля, заполняющего капилляры в цементном камне. При умеренной фильтрации воды через бетон его водонепроницаемость может повышаться со временем вследствие кольматации (заиливания) пор.

Химическая коррозионная стойкость бетона

Коррозия портландцементных бетонов под действием вод происходит в основном в результате растворения гидрата окиси кальция и выноса его из толщи 'бетона при фильтрации воды (коррозия выщелачивания), взаимодействия составных частей цементного камня с содержащимися в воде кислотами с образованием легкорастворимых соединений либо бессвязных аморфных масс (кислотная коррозия), обменных реакций между гидратом окиси кальция и солями, находящимися в воде. Иногда обменные реакции дают новые вещества, кристаллизующиеся в цементном камне с увеличением объема и разрушающие его. Наиболее часто встречается коррозия под действием вод, имеющих растворимые сульфаты (сульфатная коррозия).

Эффективным средством для борьбы с химической коррозией является повышение водонепроницаемости бетонов и в некоторых случаях их гидроизоляция. Эти мероприятия пока единственные для защиты бетона от кислотной коррозии. Другие виды коррозии могут быть ликвидированы или уменьшены и в результате специальных мероприятий.

При коррозии выщелачивания извести происходит ослабление структурных связей цементного камня и снижение его прочности', что может быть приближенно охарактеризовано кривой ( 61), показывающей, что вымывание из цементного раствора 25—30% извести снижает его прочность на 40-60%.

Как известно, гидросиликаты и гидроалюминаты кальция устойчиво существуют в цементном камне только .при определенной равновесной концентрации СаО в водном растворе. После выщелачивания всей извести начинается гидролиз силикатов и алюминатов кальция с понижением их основности. Интенсивность выщелачивания извести зависит от того, является бетонное сооружение напорным или безнапорным. При простом омывании сооружения водой вымывание извести незначительно. При фильтрации воды через бетон скорость выщелачивания увеличивается; первое время она примерно пропорциональна величине напора, постепенно затухает по мере понижения концентрации растворенной извести и практически прекращается при достижении концентрации СаО 0,08 г/л, когда могут устойчиво существовать только гидросиликаты типа CSH(B) с соотношением C/S=0,8 и гидроалюминаты типа С2АН7.

Действенным средством против коррозии выщелачивания является пудцоланизация портландцементов. В пуццолановых партландцементах активная минеральная добавка связывает свободную известь с образованием CSIH(IB) и переводит гидросиликаты C2SH2 в CSH(iB), а гидроалюминаты С4АН13 и С3АН6 переходят в С2АН7, в результате чего выщелачивания не происходит.

Кроме того, пуццолановые портландцемента за счет набухания гидравлической добавки и большего, чем в портландцементе, выхода цементного теста увеличивают водонепроницаемость бетона и, следовательно, уменьшают возможность фильтрации воды через его толщу.

Пуццоланизация портландцемента положительно влияет и на его стойкость ;в сульфатных водах. Основная причина сульфатной коррозии — образование высокосульфатного гид-росульфоалюмината кальция (эттрингита) из твердого высокоосновного гидроалюмината и растворенного гипса 3CaOAl2Or6H,0+3CaS04+25H20 = =3CaOAl2Or3CaS04-31H20.

Объем образовавшегося эттрингита примерно в 4,6 раза больше объема твердой фазы С3АНб, существовавшей до реакции, что приводит к разрушению затвердевшего цементного камня. Гипс в водных растворах образуется при взаимодействии сульфатов с известью.

При применении пуццолановых портландцементов уменьшается вероятность образования в цементном камне гипса, присутствие гипса в водном растворе в «результате его взаимодействия с С2АН7 приводит к образованию низкосульфатных форм гидросульфоалюмината 3CaOAl203CaS04i2H20, «e разрушающих бетон. Сульфатостойкость пуццолановых портландцементов зависит от минералогического состава цемента и активности минеральной добавки.

В силу аналогичных физико-химических явлений повышается сульфатостойкость и в бетонах, подвергнутых авто клавной обработке.

Как известно, значительного повышения сульф а тоетой кости бетонов обычно добиваются применяя сульфатостойкие портландцемента, т. е. цементы с минимальным содержанием трехкальциевого алюмината. Но, как показал С. В. Шестоперов. можно получать сульфатостойкие цементы и на алю-минатных цементах при производстве мокрого домола их с добавкой ССБ и введением повышенных количеств гипса. При этом технологическом мероприятии удается вскрыть весь действующий алюминат и перевести его в эттрингит в тесте, где его образование для бетона неопасно.

В. В. Стольников указывает на повышение сульфатостой-кости бетонов при введении воздухововлекающих добавок, связывая это явление с гидрофобизацией пор в камне, а также с наличием пустот для образования эттрингита.

Похмимо указанных видов химической коррозии, связанной с действием на конструкцию внешней среды, бетон может разрушаться вследствие развития внутри его процессов коррозии и взаимодействия щелочей цемента с заполнителями, содержащими реакционноспособный кремнезем.

Этот вид разрушения бетона, называемый щелочной коррозией, изучен не полностью. Сущность щелочной коррозии заключается в том, что заполнители, содержащие заметные количества опала, халцедона, т.ридимита, кристобалита или стекловидной фазы, химически взаимодействуют со щелочами цемента, образуя в местах контакта заполнителя с цементным камнем водорастворимые силикаты натрия. Со стороны цементного камня эти новообразования оказываются ограниченными полупроницаемой пленкой из гидросиликатов кальция. Пленки гидросиликатов проницаемы для воды и ионов натрия, но непроницаемы для агрегатированных групп молекул силиката натрия. В результате в ячейках, заполненных силикатом натрия, развивается сильное осмотическое давление, разрушающее бетон. Коррозия внешне проявляется расширением и растрескиванием бетона и вытеканием из него силиката натрия.

Если в заполнителях есть активный кремнезем в количестве более 3%, некоторые технические условия не рекомендуют применять для приготовления бетонов цементы, имеющие щелочность более 0,6% (в расчете на ЫагО). Не рекомендуется также применение добавок солей, содержащих щелочные металлы.

Как показано В. М. -Москвиным и Г. С. Рояком, наибольшее развитие щелочной коррозии наблюдается при неблагоприятных соотношениях щелочей цемента и реакционноспо-собного кремнезема заполнителей, так что вышеприведенные рекомендации не гарантируют полной стойкости бетона.

Решать вопрос о возможности применения в бетонах заполнителей, содержащих реакционноспособный кремнезем, с цементами, содержащими более 0,3% щелочей, следует только после соответствующих испытаний. При этих испытаниях деформации расширения бетона не должны превышать 0,05% через пять месяцев и 0,1% через двенадцать месяцев твердения бетона.

Наиболее эффективным мероприятием для предотвращения щелочной коррозии служит введение в состав цементов 10—20% тонкомолотых активных минеральных добавок, которые обеспечивают связывание извести и интенсивное протекание реакции со щелочами на поверхности частиц добавки во всем объеме материала, при этом устраняются причины развития осмотических давлений в микрообъемах на зернах заполнителей.

Положительно действует на прекращение щелочной коррозии и автоклавная обработка бетонов, при которой связывается гидрат окиси кальция и на зернах заполнителя создаются защитные пленки гидросиликатов кальция.

Многочисленные попытки предотвратить щелочную коррозию бетона введением малых доз химических добавок, переводящих силикаты щелочей в нерастворимые соединения, пока эффективных результатов не дали. Удовлетворительные результаты для 'бетонов без арматуры на цементах с малым содержанием S03 получены лишь при введении добавки хлористого бария совместно с хлористым кальцием.

Стойкость бетона к воздействию высоких температур

Бетон — огнестойкий материал. Из-за относительно малой его теплопроводности кратковременное воздействие высоких температур не успевает вызвать значительное нагревание всего объема бетона и арматуры в нем.

Обычный бетон на портландцементе пригоден для службы в условиях длительного воздействия температур до 200°. При повышении эксплуатационной температуры до 300° прочность бетона снижается вследствие удаления цеолитной и кристаллизационной-воды, значительной усадки и нарушения струк туры. При температурах выше 500° происходит разложение гндратных новообразований цемента с выделением свободной. СаО. При дальнейшем нахождении бетона в воздушновлаж-ной среде происходит   вторичная   гидратация   окиси кальция с увеличением объема, что вызывает разрушение конструкций. При температурах 800—900° растрескиваются заполнители вследствие перехода кристаллического кварца в другую модификацию — тридимит.

Чтобы уменьшить вредное влияние свободной окиси кальция, в цемент вводят различные тонкомолотые добавки: шамот, трепел, туф, золу-унос, молотый доменный шлак и др. Эти добавки при температурах 600—1000° реагируют с окисью кальция, связывая ее в силикаты, алюминаты и другие соединения, которые .практически не реагируют с водой. В качестве заполнителей применяют пароды и материалы, не претерпевающие при нагревании объемных изменений: базальт, андезит, шамот, кирпичный бой, отвальный доменный шлак.

Соответствующим подбором добавок микронаполнителей к цементу и заполнителей для бетона удается добиться снижения усадочных деформащий и температурных деформаций цементного камня, одинаковых с деформацией заполнителя.

В нашей стране работами К. Д. Некрасова и др. созданы жароупорные бетоны на основе по;ртландцемента, стойкие при температурах до 1200°.