книги из ГПНТБ / Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции

ся многочисленные данные о ползучести бетона во време­ ни и лишь одиночные данные, для бетонов на НЦ.

Так, Ол-Яшамп [113] в Калифорнийском университе­ те испытывал 30-сл/. спирально армированные колонны с шагом напряженной спирали 25 мм. Трещины на защи­ щенном слое возникали при нормальных нагрузках ин­ тенсивностью 450 кгс/см2, а разрушение произошло при напряжении интенсивностью 833—815 кгс/см2. При дли­ тельном нагружении с интенсивностью 0,5i?"==400 кгс/см2 колонны в течение 1 года показали ползучесть в преде­ лах 2 0 0 - Ю - 5 кгс/см2. Развитие деформации практически

Время 3 сутках

Рис. 3.6. Ползучесть самонапряженпых и обыч­ ных спирально-армированных колонн в асбестоцементнон трубчатой оболочке под нагрузкой (0,5—0,7) /Vй в течение 300 суток (в логарифми­ ческом масштабе)

произошло в течение 125 суток, как это видно из графи­ ка на рис. 3.6.

Имеются исчерпывающие данные по поведению обыч­ ных железобетонных колонн при высоких нагрузках (0,8—0,9) /Vй , и совершенно отсутствуют данные по пол­ зучести напрягающего бетона при таких высоких нагруз­ ках. Для выявления величины ползучести напрягающего

лонн с £ =1300 . лш в асбестоцементной трубе с d=226 мм и толщиной стенки 18 мм. Перед бетонированием в трубу

150

Две такие колонны, испытанные кратковременной на­ грузкой, показали несущую способность 275 и 262 тс. В связи с этим для длительных испытаний была выбрана

трех колонн производились на трехъярусном прессе при указанной нагрузке в условиях влажной среды ср=50% . Полная ползучесть этих колонн должна быть равной

ЗЗО-Ю-5 — = 495-Ю-5 .

500

На рис. 3.6 показаны средние значения продольных де­ формаций ползучести этих трех колонн в продолжение года. Практически уже к 100 суткам ползучесть прояви­ лась полностью и составила 5 4 0 - Ю - 5 ; в годичном воз­ расте она достигла 570 - Ю - 5 . Табличное значение ока­ залось меньше на 13%. При разгрузке колонны наблю­ дались деформации, равные 240- Ю - 5 .

н во многих случаях не затухают, а развиваются до раз­ рушения. На кривой ползучести колонны сечением 160 еж2

кономерно и составили 3 5 0 - Ю - 5 . Затем они стали интен­ сивно увеличиваться и в возрасте 300 суток составили 6 0 0 - Ю - 5 с очень неприятной тенденцией к увеличению, вплоть до возможного разрушения. Развитие деформа­ ции самонапряженных колонн после 50-суточного нагружения ясно показывает затухание ползучести и создает уверенность, что и такую высокую нагрузку (0,7 Nn) са­ монапряженная колонна может нести бесконечное время.

Испытания до разрушения длительно выдержанных под нагрузкой колонн показали увеличение несущей спо­ собности колонн до 321—313 тс, что объясняется попе­ речным расширением колонны под длительной нагрузкой до 100 - Ю - 5 , в результате чего поперечное обжатие бето­ на колонны спиралью и асбестовой трубой увеличилось. Следовательно, в этом случае ползучесть не снижает, а увеличивает самонапряжение. Однако при высоких сте­ пенях нагружения нужно всегда проверять, в какой сте­ пени приемлемой может быть высокая степень ползучес­ ти бетона на НЦ при таких нагрузках.

151

3.8. УПРУГИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ И БЕТОНОВ

Бетоны на напрягающем цементе имеют различные упругие свойства, в зависимости от затраты вяжущего и степени стеснения деформации в период самонапряже­ ния в одном, двух и трех направлениях. Свойства эти так­ же зависят от вида заполнителей бетона и режима эксп­ луатации (во влажном или сухом режиме).

Назвать поэтому однозначную величину модуля упру­ гости напрягающего бетона можно лишь в первом при­ ближении в пределах (2—4) 105. По сравнению с бетона­ ми на портландцементе это на 10—15% ниже, хотя име­ ются условия, при которых модуль упругости бетона на НЦ выше, чем на чистом портландцементе.

Поскольку прочность бетона на НЦ имеет тенденцию сильно увеличиваться во времени и после 28 суток выдер­ живания, то соответственно изменяется и модуль упругос­ ти. На рис. 3.7 показано изменение модуля упругости бето­

На 60-е сутки модули упругости уже равны, а на 90-е сутки £ п ц = 4 , 4 кгс/см2, т.е. на 5% выше, чем Еп.

ю5

возраст S сутках

Рис. 3.7. Изменение модуля упругости бетона на М-це­ менте (США)

152

153

Влияние одноосного п трехосного ограничения дефор­ мации бетона на упругие свойства показано па рис. 3.8. Уже при 1—2% одноосного армирования достигается предел сопротивления бетона одноосному самонапряжеиню п вследствие поперечной ползучести существенно поднять прочность и самонапряжение не представляется возможным. Соответственно не меняется Епр. Наоборот, при объемном упругом ограничении деформации Ещ> уве­ личиваются одновременно и с увеличением сопротив­ ления. Это было убедительно показано в исследова­ ниях НИИЖБ [160] спирально-армированных колонн (табл. 3.7) из напрягающего и обычного бетона.

3.9. МОРОЗОСТОЙКОСТЬ РАСТВОРОВ И БЕТОНОВ

щие бетоны выдерживают попеременное замораживание и оттаивание более 200 циклов без существенной потери

После 200 циклов замораживания и оттаивания коэф­ фициент морозостойкости составил 0,78, а потеря в весе

3^ _ %Д Морозостойкость напрягающих бетонов связанного

расширения обладает еще более высокими показателя­ ми. Однако такие данные в исчерпывающем виде име­ ются в отношении бетонов на НЦ с низкой энергией са­ монапряжения (20 кгс/см2), которые могут применяться в строительстве при самых малых насыщениях арматурой (и . =0,15%) .

Японские ученые И. Кох, Т. Готов и Е. Камада [142] исследовали морозостойкость напрягающих бетонов со средней энергией расширения. Расход расширяющегося цемента в бетоне составил 300—600/сг/ж3 , расширяющий компонент содержал 10 и 13% сульфоалюминатного клинкера. Прочность бетонов изменялась соответственно расходу цемента от 200 до 300 кгс/см2. Бетоны приготав­ ливали без воздухововлечения и с воздухововлечением и изучали при свободном расширении. Исследователи при­ шли к выводу, что бетоны без воздухововлечения обла­ дают плохой морозостойкостью. И. Кох и Е. Камада, на-

154

оборот, установили, что бетоны на расширяющемся це­ менте без воздухововлечения обладают высокой моро­ зостойкостью, гораздо лучшей, чем бетоны на обычном цементе. При воздухововлечении бетоны на обоих цемен­ тах вполне морозостойки.

Морозостойкость тощих растворов (1:3) на АНЦ со­ става 75: 15: 10 [портландцементный клинкер : алунит (600°С) : гипс] исследовалась Н. Нергадзе [151, 152]. После 200 циклов замораживания п оттаивания не обна­ ружилось спада прочности, а наоборот, прочность образ­ цов увеличилась на 9,2% при сжатии и на 12% при из­ гибе.

Что касается НЦ с большой энергией самонапряже­ ния, то их свободное расширение очень велико и может быть более 5%. В этом случае структура бетона сущест­ венно ослабляется: понижается прочность, увеличивает­ ся водопоглощение и соответственно пористость. Создают­ ся все условия для уменьшения сопротивляемости замо­ раживанию и оттаиванию. В связи с этим такие бетоны должны применяться в строительстве только в железобе­ тонных конструкциях с армированием не менее ц.= 1 % , причем необходимо соблюдение технологических правил применения таких НЦ. Особое внимание надо обращать на защиту углов, кромок и торцов конструкций в период самонапряжения, чтобы не допустить их больших дефор­ маций и не ослабить эти зоны.

Представляет большой интерес морозостойкость раст­ воров и бетонов в морской воде, в которой они могли бы быть широко использованы.

При исследовании этого вопроса в НИИЖБ [173] было установлено, что разрушение бетона при замора­ живании и оттаивании в синтезированной морской воде соленостью 34 г\л происходит в 5,5 раза быстрее, а в 5 % - ном растворе сульфата натрия в 2,5 раза быстрее, чем при испытании по ГОСТ 4800—49 на гидротехнический бетон. Химический состав синтезированной морской во­ ды был принят следующий (в г/л): хлористый натрий — 27,38, хлористый магний — 3,21, сернокислый магний — 2,27, сернокислый кальций — 1,14. Подготовленные к ис­ пытанию образцы в течение 2 суток насыщались агрес­ сивными растворами с указанной соленостью или водо­ проводной водой, после чего подвергались периодичес­ кому замораживанию и оттаиванию. Каждый цикл испы­ тания образцов продолжался 24 ч: воздействие мороза

155

в течение 16—17 ч при температуре в холодильной каме­

с образцами из камеры обогрева в холодную камеру и обратно перемещали специальными контейнерами.

Степень стойкости образцов в процессе испытания оценивали по потере веса и изменению динамического модуля упругости бетона, который вычислялся по ре­ зультатам измерения собственной частоты поперечных колебаний образцов на приборе И-ЧМК-2. За критерий морозостойкости принимали количество циклов замора­ живания и оттаивания, вызвавшее снижение динамичес­ кого модуля упругости образцов на 25% либо их веса на 5% по сравнению с первоначальными значениями, уста­ новленными непосредственно после двухсуточного насы­ щения их солевым раствором. В образцы, изготовленные в виде призм размером 7 X 7 X 2 2 см, закладывали ар­ матурные каркасы, ограничивающие свободное расшире­ ние призм в продольном направлении. Кроме этих об­ разцов, изготовленных как из НЦ, так и из исходного портландцемента из самонапряженной напорной трубе, полученной торкретированием, выпиливали образцыпризмы размером 3 X 5 X 2 0 см.

Значения морозостойкости исследованных образцов приведены в табл. 3.8. Полученные данные свидетельст­ вуют о том, что при испытании в морской воде морозо-

156

стойкость образцов на НЦ, изготовленных вибрировани­

на портландцементе. Еще более высокой оказалась моро­ зостойкость образцов, выпиленных пз самонапряженной трубы. В этом случае и при оценке морозостойкости по изменению динамического модуля упругости выбранный критерий не был достигнут после 190 циклов испытаний, в то время как для вибрированных образцов на НЦ он был достигнут после 50 циклов испытаний, а для образ­ цов на портландцементе — через 29 циклов.

При испытании в водопроводной воде морозостой­ кость всех исследованных образцов оказалась на одном уровне: различия, по-видимому, могут проявиться в ис­ пытаниях с большим количеством циклов.

Высокая морозостойкость образцов на НЦ может быть объяснена большой плотностью структуры этого бетона, расширяющегося в условиях ограничения дефор­ маций свободного расширения, которые наблюдаются в самонапряженном железобетоне. Высокосульфатная форма гидросульфоалюмината кальция, образующаяся в среде твердеющего НЦ, существенно уплотняет струк­ туру цементного камня и создает надежные контакты с инертным заполнителем.

Это дает естественное объяснение наибольшей моро­ зостойкости образцов на НЦ, выпиленных из самонапря­ женной трубы: плотность бетона здесь была наибольшей при минимальном водоцементном отношении. Эти образ­ цы после 200 циклов периодического замораживания и оттаивания потеряли в весе в морской воде лишь 1 %, а в

i^JAO. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ

В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

у/^Напрягающий цемент по своему минералогическо­ му составу является вяжущим, подвергающимся внут^ ренней сульфатной агрессии с момента его затворения, так как большое количество содержащегося в нем гипса непосредственно после затворения вступает во взаимо-

157

действие с алюминатными веществами, содержащимися в расширяющем компоненте цемента и в портландцементном клинкере. Именно в результате взаимодействия этих веществ и возникает самонапряжение, причем тем большее,, чем больше гипса и выше энергия расширения цемента. •

"ЕсшГ"между работой, которую необходимо затратить

то структура бетона в результате самонапряжения всег­ да приобретает высокую прочность.

f Б связи с этим требования сульфатостойкости для напрягающих бетонов получают особый смысл, имеющий мало общего с требованиями сульфатостойкости для обычных портландцементов. И действительно, установле­ но, что ослабление бетона вследствие сульфатной агрес­ сии возникает от присутствия в цементном камне боль­ шого количеству СзА^ который взаимодействует с гип­ сом грунтовой воды, образует С 3 А ( C S ) 3 H 3 | и вследствие направленного роста кристаллов приводит структуру к разрушению. Представляется очевидным, что если гипс введен в напрягающий цемент в таком количестве, что он связывает в гидросульфоалюминат (причем быстро) все количество С3 А, имеющееся в напрягающем цементе, то для последующей сульфатной коррозии бетона уже нет возможностей,,: Необходимым условием для сохранения прочности структуры при агрессии является связывание деформаций структуры соответствующим армированием самонапряжениой конструкции в трех или, в крайнем слу­ чае, в двух направлениях. Любая железобетонная конст­ рукция, кроме основного ее тела, имеет открытые поверх­ ностные зоны защитного слоя, углы, торцы и ребра, ко­ торые хотя и связаны с телом бетона, но влияние ограни­ чений деформации бетона арматурой на них косвенно и неполноценно. В связи с этим в условиях агрессии при

158

кой обработке напрягающего бетона в период самона­ пряжения конструкций принимаются меры защиты этилзон либо механическим упругим (сопротивление форм), либо специальным режимом ТВО (100°С, 2 ч), либо корректировкой состава расширяющего компонента.

Советский напрягающий цемент подбирается из та­ ких исходных материалов и в таких соотношениях, чтобы в процессе небольшого периода времени (во всяком слу­

сульфоалюмината кальция полностью завершалось. Для нормального напрягающего цемента его состав назначают из расчета, что минералы, предназначенные для образо­ вания гидросульфоалюмината кальция, содержатся в нужном соотношении в расширяющем компоненте и гид­ ратация в короткие сроки завершается образованием СзА(СЭ) з Н з 1 . Алюминаты кальция, поставляемые гидратирующимся портландцементным клинкером, и известь создают нормальную среду для твердеющего силикатно­ го цементного камня, как и при твердении портландце­ мента. Естественно, что при сульфатной агрессии извне материалы этой среды будут взаимодействовать с гипсом, образовывать гидросульфоалюминат кальция и вызы­ вать дополнительное расширение структуры, которое мо­ жет быть совершенно не опасным при наличии достаточ­ ного объемного армирования конструкции, но является не­ желательными для зон бетона, не входящих в область действия ограничений деформаций.

Ввиду того что минералогические составы и содержа­ ние современных расширяющихся и напрягающих це­ ментов существенно различны, рассмотрим, в какие условия попадает бетон на напрягающем цементе при вне­ шней сульфатной агрессии. Во всех случаях будем пред­ полагать применение низкоалюминатных портландцементов, а соотношение окислов в расширяющем компо­ ненте C : A : C S = 1 , 6 5 : 1 : 4 .

В табл. 3.9 даны составы наиболее известных напря­ гающих цементов, полученных в различным странах.

По-видимому, все бетоны на напрягающем цементе при неограниченном, т.е. свободном расширении, будут либо несульфатостойки, либо ограниченно сульфатостойки. Ограничения, вероятно, будут касаться слабой энергии расширения цемента и обязательно сопровож-

159