книги из ГПНТБ / Бетон для строительства в суровых климатических условиях

зостойкость), с другой — воздействием нестационарного тем­ пературного поля (термостойкость). Какой фактор будет пре­ валировать при испытании, зависит от влажности бетона. Наи­ более интенсивному разрушению подвергается бетон, насы­ щенный водой.

Изменение прочности у бетонов с меньшей влажностью значительно меньше. Так, прочность на сжатие бетона с есте­ ственной влажностью после 10 циклов замораживания и от­ таивания снизилась на 13%, а бетона, насыщенного водой.— на 18%. После 15 циклов падение прочности составило 21 и 32%.

Следует учесть, что при испытании неизолированных об­ разцов бетона в жидком азоте с последующим отогреванием на воздухе идут два противоположных процесса: охлаждение

риала создает, с одной стороны, условия для протекания до­ полнительной гидратации, а с другой — способствует более углубленному разрушению образца при замерзании влаги.

На начальном этапе развития процесса физической кор­ розии от замораживания и оттаивания происходит уплотне­ ние материала, которое не только компенсирует деструктив­ ный процесс, но обычно и преобладает над ним, вследствие чего материал уплотняется. Так, бетоны некоторых составов исследуемой группы (см. табл. 24) показали увеличение прочности после 1—4 циклов замораживания и оттаивания. Лишь при большем, количестве циклов в материале возни­ кают значительные внутренние напряжения, приводящие к снижению прочности и последующему его разрушению. Для гидроизолированных образцов бетона падение прочности не­ значительное (около 5%).

Следует отметить, что прочность бетона на растяжение при изгибе более чувствительна как к понижению температуры (увеличивается в большей степени, чем все остальные прочно­

ряда факторов, главным из которых является сама структура материала. Действительно, полученные в работе диаграммы— характеристики пористости испытываемых бетонов, опреде­

Для бетонов естественной влажности наименьшее измене­ ние пористости наблюдается у бетонов с добавкой сульфитно-

148

иоттаивания у бетона

циальная пористость: процент пор с большим диаметром уве­ личивается, а процент пор с меньшим диаметром уменьшается, т. е. циклическое замораживание и оттаивание при —196°С ведет к расшатыванию структуры. Введение добавки ССБ в бетон повышает его морозостойкость и в условиях цикличе­ ского глубокого охлаждения (до —196°С).

*

**

Анализ результатов проведенных на данном этапе исследо­ ваний позволяет утверждать, что свойства правильно подоб­ ранного состава бетона не ухудшаются, когда он подвергается многократному действию даже глубокого охлаждения (до

—196°С). Это дает основания рекомендовать бетон для бетон­ ных и железобетонных конструкций зданий и инженерных со­ оружений, подвергающихся глубокому охлаждению.

Из приведенных в табл. 24 составов бетона, кроме послед­ него, могут быть изготовлены, например, емкости для хране­ ния сжиженных газов (температура кипения до — 196°С), ограждающие конструкции блоков разделения воздуха и от­ ветственные инженерные сооружения для районов Крайнего Севера и Восточной Сибири. Использование на практике бе­ тонных смесей указанных составов позволит заменить дорого­ стоящие металлические конструкции на бетонные и железо­ бетонные при обеспеченной долговечности. С экономической точки зрения при проектировании сооружений, постоянно на­ ходящихся в условиях воздействия температур до —196° С, следует учитывать отмеченное выше увеличение прочности бе­ тона в замороженном состоянии.

Г л а в а VI

М Е Р О П Р И Я Т И Я П О О Б Е С П Е Ч Е Н И Ю Д О Л Г О В Е Ч Н О С Т И Б Е Т О Н А И Ж Е Л Е З О Б Е Т О Н А С О О Р У Ж Е Н И Й В С У Р О В Ы Х К Л И М А Т И Ч Е С К И Х У С Л О В И Я Х

Основной проблемой современного строительства зданий и инженерных сооружений в районах Крайнего Севера и Се­ веро-Востока СССР является обеспечение долговечности бе­ тонных и железобетонных конструкций в этих климатических условиях. Аналогичная проблема имеет место и при строи­ тельстве сооружений, работающих в условиях технологиче­ ских (искусственно созданных) отрицательных температур.

Результаты исследований, проведенных авторами этой книги, изложенные в гл. I I I — V , а также обобщение и анализ имеющихся в технической литературе экспериментальных данных по указанному вопросу, результаты обследований бе­ тонных и железобетонных конструкций ряда инженерных со­ оружений, эксплуатирующихся в суровых климатических условиях, позволили сформулировать комплекс основных ме­ роприятий, направленных на разрешение указанной проблемы. Этот комплекс мероприятий можно разделить на два прин­ ципиально различных и в то же время взаимосвязанных этапа работы.

П е р в ы й э т а п — этап мероприятий технологического характера. Он включает в себя исследования и разработку составов бетонной смеси, отвечающих необходимым требова­ ниям морозостойкости и водонепроницаемости, с использова­ нием поверхностно-активных добавок различного вида. Реко­ мендации этого характера должны основываться на резуль­ татах изучения влияния на морозостойкость бетона прежде всего его структуры, величины и характера пористости, кото­ рые определяются величиной водоцементного отношения, ми­ нералогическим и вещественным составом цемента, тон­ костью его помола, а также видом вводимых добавок. Кроме того, эти рекомендации должны основываться на результатах исследований по влиянию на формирование структуры бетона и на его морозостойкость вида и крупности заполнителей.

150

условий приготовления бетонной смеси и твердения бетона. Особым разделом на данном этапе мероприятий следует вы­ делить изучение влияния на морозостойкость бетона факто­ ров внешней среды: температуры и скорости замораживания бетона, режима водонасыщения и степени водонасыщения бе­ тона. Все перечисленные выше исследования желательно проводить в сочетании с физико-химическими исследова­ ниями.

Результаты лабораторных и натурных исследований, от­ носящихся к первому этапу комплекса мероприятий, позво­ ляют в настоящее время наметить основные практические пути повышения стойкости бетона к воздействию низких от­ рицательных температур:

1) повышение плотности цементного камня в бетоне и плотности самого бетона посредством снижения до опреде­ ленного предела величины водоцементного отношения;

2) применение высокомарочных специальных цементов (сульфатостойкого портландцемента, портландцемента с уме­ ренным содержанием трехкальциевого алюмината типа порт­ ландцемента с умеренной экзотермией, тампонажного порт­ ландцемента) с нормальной густотой цементного теста не более 26%;

3)рациональное приготовление бетонной смеси с макси­ мальным ее уплотнением и обеспечением благоприятных условий твердения;

4)применение поверхностно-активных органических доба­

вок, позволяющих уменьшить водопотребность бетонной смеси и расход цемента при той же удобоукладываемости, а также способствующих формированию более однородной структуры бетона. К ним следует отнести:

а) пластифицирующие (гидрофилизующие) добавки, к ко­ торым относятся концентраты сульфитно-дрожжевой бражки; б) воздухововлекающие (гидрофобизующие) добавки, к которым относятся различные мыла, абиетаты (винсоловое мыло СНВ), омыленный древесный пек, нафтенаты (мыло­

нафт по ГОСТ 13302—67) и хлопковое мыло; г) газовыделяющие пластифицирующие добавки, к кото­

рым относятся гидрофобизующая жидкость ГКЖ-94 по ГОСТ 10834—64.

Воздухововлекающие и газообразующие добавки рекомен­ дуется также вводить в сочетании с пластифицирующими.

Химические добавки, используемые в качестве ускорите­ лей твердения бетона (в виде солей-электролитов), предна­ значенного для изготовления сборных и монолитных кон­ струкций с последующей их работой в условиях переменного замораживания и оттаивания в водонасыщенном состоянии, рекомендуется вводить в количестве не более 2%. Примене­ ние добавок сверх указанного количества допускается лишь

151

жна отвечать требованиям ГОСТ 4797—64 «Бетон гидротех­ нический. Материалы для его приготовления. Технические требования».

Установленные авторами книги закономерности изменения прочностных и деформативных характеристик бетона в раз­ личных областях его напряженного состояния позволили сде­ лать вывод, что основными факторами, определяющими стой­ кость бетона к воздействию низких отрицательных темпера­ тур (до —196°С), являются прежде всего его влажность, или точнее, степень водонасыщения пор и капилляров, а также величина температуры в цикле замораживания бетона.

Так, оказалось, что степень влияния на морозостойкость бетона величины водоцементного отношения, а также фак­ тора введения кремнийорганической добавки ГКЖ-94 опре­ деляется влажностью бетона, или степенью заполнения водой его пор и капилляров. Например, положительное влияние введения добавки ГКЖ-94, а также уменьшения величины водоцементного отношения имеет место только в определен­ ном диапазоне влажности. При выходе из данного диапазона эффект влияния этих факторов значительно уменьшается. Практика исследований показывает, что влажность, а также минимальная температура цикла замораживания являются основными факторами, характеризующими степень суровости режима службы материала в конструкциях.

В табл. 25 приведены необходимые требования к бетонам по морозостойкости и водонепроницаемости в зависимости от характеристик режимов работы и от класса зданий и соору­ жений.

Для получения требуемой марки бетона по морозостойко­ сти, указанной в табл. 25, материалы для его приготовления должны отвечать требованиям ГОСТ 4797—64 «Бетон гидро­ технический. Материалы для его приготовления. Технические требования», а таже следующим дополнительным требова­ ниям:

для бетона Мрз 100 и ниже допускается применение портландцементов, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 10178— 62 «Портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент и их разновидности»;

* Введение поверхностно-активных добавок рекомендуется выполнять в соответствии с СН 406—70 «Указаниями по применению бетона с добав­ кой концентратов сульфитно-дрожжевой бражки» и «Рекомендациями по применению бетонов и растворов с добавками полимеров». Стройиздат, 1968.

152

Таблица 25

Проектные марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости бетонных и железобетонных конструкций сооружений, предназначенных для эксплуатации в районах с климатической температурой наиболее холодной (зимней) пятидневки —36° С и ниже (в соответствии с указаниями СНиП Н-А. 6—62 «Строительная климатология и геофизика. Основные положения проектирования»)

портландцемента с пониженным содержанием трехкальциевого алюмината типа портландцемента с умеренной экзотермией, а также пластифицированного и гидрофобного портландцементов.

При выборе вида цемента для бетонов конструкций сле­ дует учитывать наряду с требованиями, изложенными выше, агрессивность среды в соответствии с «Указаниями по проек­ тированию антикоррозионной защиты строительных кон­ струкций» (СН 262—67).

Мелкий заполнитель (песок кварцевый) для бетона марки по морозостойкости Мрз 200 и выше должен иметь модуль крупности не ниже 2,5, а количество содержащихся в нем пылевидных, илистых и глинистых частиц, определяемых отмучиванием, допускается не более 1%. При соответствующем технико-экономическом обосновании может быть допущено применение мелкого заполнителя с модулем крупности не ниже 1,7.

Крупный заполнитель (щебень, гравий) в зависимости от наибольшего размера зерен должен состоять из 2—3 фракций и, кроме того, отвечать требованиям, приведенным в табл. 26.

154

Соотношение фракций крупного заполнителя в бетоне при различной наибольшей крупности зерен устанавливается под­ бором. Рекомендуемые соотношения фракций приведены в табл. 27.

Для бетона, применяемого при замоноличивании стыков сборных элементов конструкций, должен применяться круп­ ный заполнитель, с наибольшим размером зерен 10 мм.

Обеспечение требуемой марки бетона по морозостойкости зависит также от технологии приготовления бетонной смеси, изготовления элементов конструкций и технологии производ­ ства работ. Поэтому при приготовлении, транспортировании, укладке бетонной смеси и назначении режима твердения бе­ тона для монолитных железобетонных конструкций должны соблюдаться требования соответствующих действующих нор­ мативных документов.

Элементы сборных конструкций в целях обеспечения вы­ сокой плотности бетона должны формоваться на вибропло­ щадках. При недостаточном виброуплотнении следует приме­ нять гравитационный или пневматический пригруз при дав­ лении не менее 40 г/см2.

Для элементов конструкций повышенной морозостойкости (Мрз200 и выше) и плотности рекомендуется предусматри­ вать твердение бетона в естественных условиях при положи­ тельной температуре с одновременным обильным увлажнением после однодневного твердения в условиях, не допускающих высыхания поверхностей изделий. Режим пропаривания эле­ ментов сборных конструкций повышенной морозостойкости и водонепроницаемости может быть рекомендован следую­ щий:

1) отформованные изделия до тепловлажностной обра­ ботки следует выдерживать не менее 5 ч в отапливаемом по­ мещении при положительной температуре (не ниже + 5 ° С ) ; при введении в состав бетона газообразующих, воздухововлекающих или пластифицирующих добавок, а также при при­ менении пластифицированных и гидрофобных цементов время

155

пластичной бетонной смеси. При температуре +50° С изделия надлежит выдерживать 2—3 ч, затем плавно повышать тем­ пературу в пропарочной камере (10—15° С в час) до темпера­ туры изотермического прогрева, т. е. до +70° С;

3) продолжительность изотермического прогрева изделий в зависимости от вида цемента и подвижности бетонной смеси рекомендуется устанавливать опытным путем из расчета до­ стижения бетоном к концу пропаривания не менее 70% про­ ектной марки по прочности на сжатие;

4)пропаривание следует производить в безнапорных ка­ мерах в среде насыщенного влагой воздуха при относитель­ ной влажности 100%; сухой пар с давлением более 0,5 ати должен пропускаться через воду при высоте слоя воды не менее 20 см;

5)скорость снижения температуры после окончания изо­ термического прогрева до температуры, при которой произ­

водится разгрузка камеры, не должна превышать 10—12° С в час; разгрузку камеры следует производить при перепаде температур воздуха в камере и цехе не более 20° С;

их складывают и выдерживают не менее 10 суток летом в естественных условиях, а зимой — в помещении при темпера­ туре воздуха не ниже +10° С; при этом необходимо постоянно поддерживать изделия во влажном состоянии.

Распалубка элементов сборных конструкций должна про­ изводиться только после их тепловлажностной обработки, а

Прочность бетона отпускаемых заводом-изготовителем из­ делий, предназначенных для работы по I и I I режимам экс­ плуатации, должна быть не менее 100% проектной прочности на сжатие.

Переходим ко второму этапу комплекса мероприятий, на­ правленных на повышение долговечности бетонных и железо­ бетонных конструкций сооружений, эксплуатирующихся в су­ ровых климатических условиях, а также в условиях воздей­ ствия технологических отрицательных температур.

В т о р о й э т а п — этап мероприятий конструктивного ха­ рактера. Он должен включать в себя, в первую очередь, совер­

156

влажностные условия их эксплуатации, изучение расчетных характеристик бетона в этих условиях и внесение соответ­ ствующих коррективов в существующие методы расчета кон­ струкций. Необходимость проведения мероприятий этого ха­

дит и анализ результатов исследований по изучению влияния отрицательных температур на изменение расчетных прочност­ ных и деформативных характеристик бетона в различных областях его напряженного состояния. Эти результаты изло­ жены в гл. I I I — V книги. Основные области использования исследованных характеристик бетона в практике проектиро­ вания бетонных и железобетонных конструкций определены в гл. I .

Всесторонний анализ результатов указанных исследова­ ний, проведенных на бетонах различного состава и влажно­ сти, изменяющейся в широком диапазоне, позволил:

1) оценить особенности деформирования и разрушения под сжимающей нагрузкой бетона в замороженном до раз­ личных температур состоянии, а также в оттаявшем состоя­ нии после определенного количества циклов попеременного замораживания и оттаивания; установить изменение основ­ ных областей напряженно-деформированного состояния бе­ тона при температурно-влажностных воздействиях;

2) подтвердить существование величины предельной, или пороговой, влажности бетона, превышение которой приводит при его замораживании к относительно прогрессирующему развитию деструктивных процессов; дать соответствующие уточнения по определению этой важной характеристики бето­ на, в значительной степени определяющей долговечность бе­ тонных и железобетонных конструкций в условиях воздействия низких отрицательных температур.

Принципиальное значение имеет установленное в работе граничное условие развития деструктивных процессов в бе­ тоне, подверженном знакопеременным температурным воз­ действиям. Это условие определяется сокращением зоны упругой работы бетона (вплоть до полного ее исчезновения) и образованием в предельном случае только двух областей напряженно-деформированного состояния бетона (вместо обычных трех). Очевидно, это граничное условие определяет предел возможности нормальной работы бетонных и железо­ бетонных конструкций.

Сокращение зоны упругой работы бетона сопровождается прогрессирующим увеличением его сжимаемости (до не­ скольких раз), что следует учитывать при проектировании предварительно напряженных железобетонных конструкций; потери предварительного напряжения в бетоне в этих слу­ чаях могут соответственно значительно увеличиваться, в

167