Методы определения прочности бетона

 ДЕФОРМАЦИИ БЕТОНА ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ НАГРУЖЕНИИ

ДЕФОРМАЦИИ БЕТОНА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ НАГРУЖЕНИИ. ПОЛЗУЧЕСТЬ

Зависимость между напряжениями и деформациями изменяется от времени приложения нагрузки. Способность бетона деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью. Существует ряд гипотез, рассматривающих механизм деформаций ползучести под действием внешней нагрузки.  Одна из первых гипотез физического механизма ползучести предложена выдающимся французским инженером Е. Фрейсине. Основываясь на представлениях о бетоне как капиллярно-пористом упругом теле, он считал, что ползучесть обусловлена, главным образом, усадкой под действием капиллярных сил. Вода, заполняя мелкие капилляры, воспринимает, по Фрейсине, часть приложенной нагрузки и медленно перемещается. Под действием приложенной нагрузки изменяются размеры пор в бетоне, нарушается гигрометрическое равновесие бетона с окружающей средой, что приводит к капиллярной усадке и развитию деформаций ползучести. Ряд опытных данных противоречит гипотезе Фрейсине. Известно, в частности, что деформации ползучести наблюдаются и при загружении образцов в воде, когда невозможно развитие усадочных деформаций.  Гипотеза, объясняющая ползучесть бетона механическим выдавливанием влаги из цементного камня (Р. Лермит и др.), также предполагает, что ползучесть и усадка бетона имеют одну и ту же физическую природу. В ряде экспериментальных исследований установлено, что нагруженные образцы интенсивнее отдают влагу, включая и адсорбционно-связанную, которая в ненагруженном состоянии обычно остается в бетоне. В результате водопоглощение и набухание образцов, длительное время находящихся под нагрузкой, могут быть значительно большими, чем у ненагруженных разцов. В то же время имеются экспериментальные данные, показывающие, что существенное различие в потерях массы нагруженых и ненагруженных образцов в процессе их высыхания не наблюдается. В настоящее время принято считать, что механическое выдавливание влаги из цементного камня является не причиной, а следствием ползучести.  Ряд исследователей (А.Е. Шейкин, У. Гансен, З.Н. Цилосани) считает основной причиной ползучести пераспределение внутренних усилий в цементном камне. Ими дифференцируются в цементном камне основные структурные составляющие - ультрадисперсный «цементный гель», представленный тоберморитоподобными гидросиликатами, и кристаллический сросток, состоящий из кристаллогидратов, объединенных химическими связями. Компоненты цементного камня отличаются характером контактов срастания (для «геля» коагуляционные, кристаллического сростка - кристаллизационные). По А.Е. Шейкину, благодаря способности «геля» к вязкому течению кристаллический сросток принимает на себя дополнительные усилия, что приводит к развитию деформаций ползучести цементного камня и бетона. У. Гансен считал, что ползучесть обусловлена вязким течением на границах цементных зерен и в точках их контакта.  О.Я. Берг, анализируя изменение времени прохождения ультразвукового импульса через бетон при длительном действии нагрузки, пришел к выводу, что при начальных напряжениях вследствие возникновения и развития микротрещин возникают дополнительные деформации, которые складываются с деформациями ползучести, обусловленными перераспределением внутренних усилий между структурными составляющими цементного камня. Значительная роль микротрещин и накопления локальных микроразрушений в бетоне под действием постоянной статической нагрузки в развитии деформаций ползучести подтверждена исследованиями А.В. Саталкина, X. Рюша, З.Н. Цилосани и других исследователей.  Анализ различных типов деформаций при нагружении бетона может моделироваться реологическими моделями. Такие модели, включающие идеальные пружины, амортизаторы, клапаны и другие элементы, не раскрывая физический механизм ползучести, предлагают ее феноменологическое описание.  Одним из основных факторов, влияющих на ползучесть бетона, является относительная влажность окружающей среды. Высушивание образцов приводит к увеличению ползучести бетона в раннем возрасте. При установлении гигроскопического равновесия между средой и бетоном до загружения образцов влияние относительной влажности воздуха сказывается в значительно меньшей степени. Попеременное увлажнение и высушивание бетона увеличивает величину деформации ползучести.  Влияние возраста бетона в момент приложения нагрузки на величину ползучести сказывается сильнее, чем влияние возраста на прочность бетона. На рис. 5.17 приведена, по данным А.М. Невилля, зависимость между величиной ползучести и его «зрелостью», характеризуемой в градусочасах.  При раннем загружении бетона с повышением температуры окружающей среды удельные деформации ползучести бетона уменьшаются, что объясняется ускорением процесса гидратации цемента и возрастанием жесткости кристаллического сростка цементного камня. Противоположный эффект наблюдается при загружении бетона в «зрелом» возрасте, когда гидратация цемента в основном завершена.  Деформации ползучести бетона существенно интенсифицируются при вибрационном нагружении. Виброползучесть бетона тем выше, чем больше амплитуда динамических напряжений и частота колебаний. Деформации виброползучести могут в 2-4 раза превышать обычные деформации ползучести. Как и последние, они затухают во времени.  Деформации ползучести бетона оказывают различное влияние на работу конструкций, их долговечность. Для неармирован-ного бетона при высоких уровнях нагрузки ползучесть ускоряет достижение предельной деформации и разрушение материала. В массивных бетонных элементах ползучесть уменьшает сжимающие напряжения при быстром подъеме температуры. При дальнейшем охлаждении в бетоне развиваются растягивающие усилия и по мере уменьшения ползучести с возрастом бетона в нем могут образовываться трещины. В то же время во всех конструкциях ползучесть бетона уменьшает внутренние напряжения, обусловленные неоднородностью усадки, что приводит к повышению трещиностойкости.  За счет ползучести бетона увеличиваются прогибы железобетонных балок под действием постоянных нагрузок, в железобетонных колоннах она приводит к постепенному перераспределению нагрузки с бетона на арматуру. В предварительно напряженных железобетонных элементах в результате ползучести бетона возможна потеря напряжения арматуры, что надо учитывать при выборе арматурной стали. 

СОБСТВЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ. УСАДКА БЕТОНА

Собственные деформации бетона обусловлены влажностны-ми, температурными и иными воздействиями на бетон при отсутствии внешней нагрузки. Изменение влажности бетона может вызывать как уменьшение, так и увеличение его объема и, соответственно, линейные деформации усадки или расширения (набухания). Деформации расширения цементный камень и бетон проявляют при твердении в результате образования в определенный период развития кристаллизационной структуры расширяющегося компонента обычно в виде высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция-эттрингита. Наряду с применением специальных расширяющихся цементов расширяющиеся растворы и бетоны можно получать и на обычном портландцементе, вводя специальные добавки, например, алюминиевый порошок и др. Увеличение объема - набухание - имеет место при длительном нахождении образцов бетона в воде в результате развития осмотического давления в гелевидных массах. Набуханию бетона способствует также адсорбция воды цементным камнем, оказывающая некоторое расклинивающее действие и уменьшающая поверхностное натяжение материала.  Набухание бетона колеблется обычно через 6-12 месяцев хранения образцов в воде в пределах от 1 до 2x104. Дальнейшее выдерживание в воде не приводит к увеличению размера образцов.  Твердение бетона сопровождается контракционной и влажностной усадкой.  Контракция (стяжение) является следствием реакций химического взаимодействия минералов цемента с водой, в результате которых образуются гидраты, абсолютные объемы которых меньше чем суммарные объемы безводных минералов и воды, необходимой для гидратации. Контракция объясняется уплотнением химически связанной воды, а также воды в тонких адсорбционных слоях. Контракция зависит от минералогического состава цемента, степени гидратации цемента. Контракция ведет к Увеличению пористости и незначительно отражается на объеме бетона.  Контракционная усадка бетона в 5-10 раз меньше влаж-ностной, связанной с его высыханием.  Усадка бетона при изменении его влажности происходит в две стадии:  1) когда бетонная смесь находится в пластичном состоянии (пластическая усадка);  2) по мере твердения и высыхания бетона.  Пластическая, или первичная, усадка бетона происходит при выделении воды из бетонной смеси в результате се-диментационного осаждения твердых частиц, поглощения влаги опалубкой, в дорожных покрытиях - основанием и испарения.  Деформации интенсивно развиваются сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и затухают уже через 30-90 мин. Величина пластической усадки зависит от состава бетонной смеси и уменьшается при снижении водосодержания бетонной смеси, расхода цементного теста, применении тонкомолотых водоудерживающих добавок, создании жесткого «скелета» крупного заполнителя. В условиях сухого жаркого климата водо-потребность увеличивается с повышением температуры бетонной смеси. При ненадлежащем влажностном уходе и повышенной скорости испарения воды создаются условия для пластического тре-щинообразования. Пластическая усадка превышает в 5-10 раз усадку, развиваемую после схватывания цемента. Она усиливается с увеличением модуля поверхности конструкций, уменьшением степени армирования.  В наибольшей мере сказывается на поведении бетона в конструкциях влажностная, или гидравлическая, усадка, характерная по мере высыхания бетона. Уменьшение объема бетона в процессе его высыхания обусловлено прежде всего действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров и удалении межкристаллической воды, а также адсорбционно-связанной воды из тоберморитового геля. Механизм объемных изменений цементного камня зависит от влажности среды. При низкой влажности среды капиллярные силы становятся незначительными и усадка вызывается испарением межкристаллической воды, а при дальнейшей сушке и адсорбционно связанной воды геля.  Наряду с действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров с радиусом менее 107м, усадке способствует удаление адсорбционно-связан-ной воды на поверхностях кристаллов гидросиликатов кальция; последняя вызывает сближение субмикрокристаллов, проявление между ними ван-дер-ваальсовых сил и возникновение водородных связей.  Усадочные деформации вызывают в бетоне внутренние напряжения, особенно значительные при неравномерном высыхании конструкций и работе их в стесненных условиях. Они могут быть причиной разрывов в контактной зоне и растворной части бетонов и вызывать, особенно в сочетании с температурными напряжениями, появление трещин. Усадочные напряжения неблагоприятно влияют на морозостойкость, непроницаемость, усталостную прочность, вызывают потери предварительного напряжения при натяжении арматуры.  Общая усадка цементного камня обычно составляет от 3 до 5 мм/м, в бетоне она колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м.  На усадке цементного камня и бетона сказываются многочисленные факторы: длительность твердения, химико-минералогический состав, удельная поверхность и расход цемента, содержание заполнителя, гипса и щелочей, водоцементное отношение и др.  При прочих равных условиях конечная усадка цементного камня увеличивается с увеличением содержания С2S, при гидратации которого образуется примерно на 25% больше тоберморитового геля, чем из С3S. Повышается также усадка цементного камня с ростом содержания С3А, удельной поверхности цемента, содержания щелочей. Как считает М. Венюа, от вида цемента усадка цементного камня может изменяться в 2-3 раза. Однако учитывая, что химико-минералогический состав и дисперсность современных заводских пор-тландцементов изменяются в сравнительно узкой области и решающее влияние имеет отношение цементного камня заполнителем, влияние особенностей портландцементов на величину усадки бетона оказывается малосущественным. Лишь при использовании бели-товых высокоалюминатных цементов, которые промышленностью изготавливаются в особых случаях, влияние минералогической характеристики цемента на усадку бетона может стать достаточно весомым.  На величине усадки бетона сказываются упругие свойства заполнителей. Зерна заполнителей, покрытые оболочкой цементного камня, препятствуют усадке тем больше, чем выше их модуль деформации. По данным А.М. Невилля к годичному возрасту бетоны с использованием в качестве заполнителя песчаника имели примерно в 2 раза больше усадку, чем на известняке. Увеличивают усадку бетона примеси глинистых частиц в заполнителе.  Известные эмпирические формулы, предложенные для прогнозирования усадки тяжелого бетона в атмосферных условиях при неизменных размерах сечения элементов, отличаются особенностями учета расхода воды и цемента в бетоне, а также их соотношения. Решающим фактором, определяющим усадку бетона, является расход воды.  Наряду с усадкой, обусловленной высыханием, бетон подвергается усадке в результате карбонизации за счет углекислого газа, имеющегося в атмосфере. Углекислый газ взаимодействует в присутствии влаги с продуктами гидратации цемента, что сопровождается увеличением общей усадки бетона. В большей степени усадка за счет карбонизации сказывается на общей усадке после высыхания бетона и при попеременном увлажнении и высушивании.  Термическая усадка вызывается понижением температуры бетона. Высокие перепады температур в летний и зимний периоды могут приводить к колебаниям длины бетонных изделий до 0,5 мм/м.  Термическая усадка может быть причиной трещинообразования массивных конструкций. Возникающие трещины увеличиваются со временем под воздействием усадки в связи с изменением влажности бетона и карбонизации. Для ограничения термической усадки снижают экзотермию цемента, температуру смеси при укладке в опалубку, выбирают заполнитель с высоким модулем деформации. 

СТОЙКОСТЬ БЕТОНА К ТЕМПЕРАТУРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации, что положительно влияет на рост прочности бетона. Резкое ускорение процессов твердения бетонов наступает при температурах 70-95С, и особенно при 170-20С. Однако при недостатке воды в бетоне воздействие повышенных температур замедляет процесс гидратации, снижает прочность бетонов. При полном испарении воды процесс твердения прекращается. Положительное влияние повышенных температур на скорость твердения бетонов послужило основой разработки и широкого применения в технологии железобетонных конструкций тепловлажностной обработки. Бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и др. При температурах более 100С тепловлажностную обработку ведут в автоклавах и специальных герметичных формах.  Для получения долговечного бетона важно свести к минимуму его деформации при температурном воздействии.  Остаточные деформации имеют место при недостаточном предварительном выдерживании бетона до тепловой обработки, повышенной скорости подъема температуры и ее снижения после отключения подачи пара.  Опасность возникновения трещин при развитии температурных напряжений повышается при обработке изделий большой толщины сплошного сечения или из ячеистых бетонов с повышенным водосодержанием.  Возникновение термических напряжений в бетоне возможно не только при его нагреве от внешних источников тепла, но и в результате саморазогрева за счет экзотермии при твердении. Трещинообразование в массивном бетоне носит обычно термический характер.  Тепловыделение, или экзотермия, бетона является следствием гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Анализ тепловыделения (калориметрический анализ бетона) является одним из наиболее объективных высокоинформативных методов исследования, широко используемый при исследовании кинетики процессов твердения цемента, оценке влияния его химико-минералогических и структурных особенностей, эффекта химических добавок, параметров порообразования, льдообразования и др. Обстоятельные исследования применения калориметрического анализа (в различных направлениях) выполнены О.П. Мчедло-вым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком.  Имеется положительный опыт использования калориметрических данных в компьютерных системах и информационных технологиях бетона.  Экспериментальное определение тепловыделения бетонов производится в калориметрах термосного, адиабатического или изотермического типов. Наиболее широкое распространение получили простые по устройству термосные калориметры, недостатком которых является переменный и по существу случайный температурный режим твердения образцов бетона. Для пересчета получаемых данных на изотермический режим твердения разработана расчетная методика установления т.н. эквивалентных сроков, т.е. таких сроков, в которые бетон при постоянной температуре твердения 20°С будет показывать те же величины тепловыделения, какие наблюдаются при проведении опыта в термосном калориметре. Установленная таким путем зависимость изотермического тепловыделения от времени твердения является основной характеристикой бетона для расчета температурных полей в массивных бетонных конструкциях.  В адиабатических калориметрах повышение температуры адекватно температуре в средней части крупных бетонных массивов, однако они сложны по устройству и редко используются на практике. Наиболее предпочтительными являются калориметры изотермического типа, позволяющие поддерживать температуру бетона в процессе измерения тепловыделения на постоянном уровне.  Для приближенной расчетной оценки тепловыделения бетона предложены зависимости, учитывающие удельное тепловыделение цемента, параметры состава бетона, температуру и длительность твердения.  Наиболее удобна для расчетного определения тепловыделения бетона зависимость, учитывающая удельное тепловыделение цемента.  Интенсивные деструктивные процессы при нагревании бетона идут при температуре более 200°С .  Нагрев в интервале 200-400°С приводит к постепенному снижению прочности цементного камня и бетона из-за дегидратации в основном гидроалюминатов, а также распада и перекристаллизации гидросульфоалюминатов кальция. При нагревании свыше 300°С нарушается структура цементного камня и бетона в результате различия деформаций гид-ратных продуктов цементного камня и непрогидратированых зерен цемента.  При 500-600°С идёт разложение гидратных новообразований и дегидратация Са(ОН)2 - продукта гидролиза клинкерных минералов, преимущественно трехкальциевого силиката, что способствует дальнейшему снижению прочности цементного камня.  В интервале 600-700°С возможно модификационное превращение р - 2СаО*SiO2 в у - 2СаО*SiO2, сопровождаемое некоторым увеличением объёма. Портландцементные образцы, прогретые до температуры 600-800°С, полностью разрушаются после выдерживания их в воздушно-сухих условиях в основном в результате вторичной гидратации оксида кальция. При непрерывном нагревании ДО 1200°С прочность цементного камня составляет 35-40% прочности контрольных образцов. При этом развивается значительная усадка - до 1 % и более.  Установление основной причины разрушения цементного камня - гидратации, образующегося при нагреве оксида кальция -позволило разработать основной способ придания ему жароупорных свойств. Этот способ заключается во введении в цемент или бетонные смеси тонкомолотых минеральных добавок, которые химически связывают СаО, не образуют с минералами цемента легкоплавких веществ, являются устойчивыми к воздействию высоких температур и уменьшают усадку цементного камня при нагревании.  Портландцемент по жаростойкости значительно уступает шлакопортландцементу, образующему при гидратации значительно меньшее количество Са(ОН)2. При достаточной величине остаточной прочности на сжатие бетона после нагревания до 800°С и использовании шлакопортландцемента отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок.  Специфическим видом разрушения бетона при тепловом воздействии является разрушение под воздействием огня в условиях пожара. Под влиянием высокотемпературного пламени снижается несущая способность бетонных и железобетонных конструкций, а через определённое время под действием огня возможно их разрушение. Снижение прочности бетона в условиях пожара происходит в результате развития внутренних напряжений вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения цементного камня и заполнителей. При температуре выше 500°С снижение прочности бетона под воздействием огня усиливается разложением гидроксида кальция и полиморфным превращением b-кварца в а-кварц.  Огнестойкость бетона, также, как и огнестойкость других строи-тельныхматериалов, характеризуется пределом огнестойкости - продолжительностью сопротивления воздействию огня до потери им прочности. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время, в течение которого они сохраняют несущие и ограждающие функции в условиях пожара. Потеря конструкцией несущей способности сопровождается ее внезапным либо очень быстрым обрушением. Ограждающая способность конструкций теряется, когда температура необогреваемой поверхности в среднем возрастает на 160°С и в смежных помещениях возможно самовоспламенение материалов. При этом в конструкциях образуются сквозные трещины, через которые проникают продукты горения и пламя.  Предел огнестойкости определяется испытанием образцов в специальной камере, где тепловой режим поддерживают по стандартной кривой температура-время.  Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций составляет 2-5 ч. Его повышают, увеличивая толщину бетонного слоя и подбирая соответствующий состав бетона.  Способность бетона противостоять, не разрушаясь, совместному действию напряжений от механической эксплуатационной нагрузки и термических напряжений при определенном числе циклов нагрева и охлаждения либо при температурном градиенте называют термостойкостью. Требования к термостойкости бетона и железобетонных конструкций зависят от их назначения, конкретных условий эксплуатации. Так, термостойкие агрегаты должны сохранять проектную прочность в течение всего нормативного срока эксплуатации, железобетонные колонны в зданиях 1-ой степени огнестойкости при пожаре не должны разрушаться ранее 2,5 ч, покрытие пола горячих цехов должно выдерживать попеременный нагрев и остывание при действии ударных нагрузок.  Существенное значение имеет вид заполнителя. Одним из важнейших факторов, влияющих на термическое расширение и термостойкость бетона, является его влажность. Равновесная влажность тяжелого бетона зависит от проницаемости бетона, степени гидратации и вида вяжущего, относительной влажности и температуры окружающей среды. Например, для тяжелого бетона на портландцементе с В/Ц=0,5 при 1=20°С равновесная влажность колеблется от 0,5 до 6,8% при изменении относительной влажности от 0,15 до 0,95. При интенсивном тепловом воздействии разрушению в большей степени подвергаются поверхностные слои бетона в изделиях и конструкциях с наибольшим градиентом влажности. Давление пара в бетоне в значительной степени зависит от скорости нагрева, проницаемости и начальной влажности. Наибольшее давление пара от теплового воздействия наблюдается при заполнении водой 70-80% порового пространства. Термостойкость бетона увеличивается с уменьшением размера крупного заполнителя, при тщательном приготовлении бетонной смеси и уходе за бетоном при его твердении с целью получения структуры с наименьшим количеством и минимальными по длине трещинами.  Величина коэффициента расширения и термостойкость уменьшаются с возрастом бетона. Большей термостойкостью будет обладать бетон с меньшими значениями модуля упругости, большей теплопроводностью. Важное значение имеет также различие температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Термостойкость бетона можно увеличить дисперсным армированием температуростойкими волокнами из асбеста, базальта или стальных фибр, конструктивным армированием, применением заполнителей из андезита, базальта, диабаза и других материалов, обеспечивающих минимальное различие температурных деформаций отдельных компонентов. 

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ

Степень агрессивного воздействия внешней среды определяется ее химическим составом и комплексом факторов, характеризующих условия контакта среды и бетона.  Основная составляющая бетона - цементный камень - состоит из химических соединений, имеющих щелочной характер, поэтому наиболее интенсивная коррозия бетона характерна при воздействии на него среды, содержащей водные растворы кислот. Агрессивными по отношению к бетону могут быть также соли и другие вещества как неорганического, так и органического происхождения.  По типу химического взаимодействия реакции коррозии можно сгруппировать в обменные процессы и реакции, связанные с образованием малорастворимых хорошо кристаллизующихся солей. Из физических факторов, воздействующих на бетон, можно выделить температурные воздействия. На тепловой обмен между средой и бетоном в сильной мере влияют процессы массообмена, а также фазовые превращения, происходящие в бетоне. При нарушении термовлажностного равновесия между средой и бетоном в зависимости от величины перепада температур и влажности в нем возникают внутренние напряжения. Из физико-химических факторов, вызывающих коррозию, наиболее существенными являются выщелачивание, а также осмотические и контракционные явления.  Агрессивные для бетона газовыделения характерны для предприятий металлургической, нефтехимической, коксохимической и других отраслей промышленности. Агрессивные газы являются, как правило, кислыми или кислотообразующими. Образование из них кислот происходит при наличии на поверхности конструкций или в воздухе капельно-жидкой влаги. При влажности до 60% кислые газы практически не разрушают бетон, а в ряде случаев даже уплотняют его. Такое действие оказывают, например, газы, содержащие углекислый газ (карбонизация), четырехфтористый кремний.  Твердые среды в виде порошков, аэрозолей пылей могут оказывать заметное, а иногда значительное агрессивное действие на бетон при высокой растворимости (более 2 г/л) и гигроскопичности.  Пыль различных материалов, оседая на конструкции, адсорбирует пары и влагу, которые придают ей агрессивные свойства. В зависимости от состава пыли во влажной среде образуется кислый или щелочной раствор, который может являться более агрессивным, чем раствор, полученный при конденсации во влажной среде агрессивных паров и газов.  Жидкими агрессивными средами для бетона могут быть природные поверхностные и грунтовые воды, промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды и другие жидкие продукты.  Для характеристики наиболее характерных жидких сред, кроме концентрации агрессивных веществ учитываются температура, напор или скорость движения у поверхности конструкций. Степень агрессивного воздействия жидких сред (табл. 6.14) зависит от концентрации водородных ионов (рН), содержания свободной углекислоты, магнезиальных солей, едких щелочей, сульфатов. К жидким агрессивным средам, кроме водных растворов солей, кислот и щелочей, относятся масла, нефтепродукты, растворители. Нормативные показатели, характеризующие степень агрессивного воздействия жидкой среды на бетонные сооружения, различаются в зависимости от фильтруемости грунтов. При сильно- и среднефильтрующих грунтах (коэффициент фильтрации свыше 0,1 м/сут) они значительно меньше, чем при слабофильтрующих. Например, для безнапорных сооружений из бетона нормальной плотности вода-среда оказывает сильное агрессивное действие при рН до 5, если грунт имеет Кф>0,1 м/сут и до 3 если Кф<0,1 м/сут. Для напорных сооружений независимо от К грунта в этом случае рН воды-среды должен быть до 5,5. Наличие испаряющей поверхности обусловливает проявление коррозии при значительно меньшей концентрации агрессивных веществ, чем при ее отсутствии.  Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, жесткости, а также кислотности или щелочности. Обычно воды рек и озер имеют слабо щелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах, как правило, не превышает 0,3-0,5 г/л. Грунтовые и подземные естественные воды содержат минеральные соли и другие примеси. Их агрессивность по отношению к цементным бетонам оценивается нормами агрессивности воды-среды. Совершенно чистая, неминерализованная вода может быть также агрессивной в отношении бетона, вызывая выщелачивание извести.  Бетон обладает определенной адаптируемостью к воздействиям внешней среды, т.е. способностью (по В.Л. Чернявскому) к совокупности внутренних реакций и процессов, направленных на сохранение его структурных характеристик в пределах, обеспечивающих заданное функциональное состояние. Способность к адаптации бетона обусловлена, в основном, наличием в составе вяжущего непрогидратированных или т.н. реликтовых зерен, потенциально активных наполнителей, которые в условиях тепловых и химических воздействий способны образовывать гидраты, часто модифицированные компонентами внешней среды. Продукты коррозии на первых этапах могут приводить также к некоторому увеличению плотности и прочности поверхностного слоя конструкций.  Коррозионная стойкость бетона непосредственно связана с его плотностью, а последняя с водонепроницаемостью.  Виды коррозии бетона классифицируют по названию агрессивных веществ (В.В. Кинд) и механизму агрессивного влияния среды (В.М. Москвин). Во втором случае классификация является более общей.  По классификации В.М. Москвина к коррозии I вида относятся процессы, связанные с выщелачиванием извести (точнее, Са(ОН)2) из бетона, вследствие ее большей растворимости в воде по сравнению с другими гидратами. В настоящее время к коррозии I вида относят все процессы, связанные с растворением в воде веществ, входящих в бетон.  Основными путями фильтрации воды через бетон являются трещины и строительные швы. При определенных условиях возможна кольматация пор бетона гидроксидом кальция, который при достаточной концентрации СО2 подвергается карбонизации.  Для предотвращения или уменьшения интенсивности коррозии I вида особенно большое значение имеет плотность бетона. Вторым важнейшим направлением повышения коррозионной стойкости бетона является связывание Са(ОН)2 активными минеральными добавками, введенными в цемент или непосредственно в бетонные смеси.  Коррозия II вида обусловлена протеканием обменных реакций между продуктами гидратации цемента и кислотами или солями, воздействующими на бетон. Наиболее характерными разновидностями коррозии II вида являются углекислая, кислотная и магнезиальная коррозия. В результате воздействия кислот образуются соли кальция, обычно хорошо растворимые в воде. Кислоты взаимодействуют прежде всего с гидроксидом кальция, а затем с гидросиликатами кальция. Наряду с хорошо растворимыми солями, вымываемыми из бетона, при коррозии этого вида возможно образование малопрочных рыхлых масс SiO2*пН2О, Аl(ОН)3 и др. В первую очередь разрушаются поверхностные слои бетона и скорость разрушения будет определяться растворимостью продуктов реакции, скоростью обмена агрессивной среды у поверхности бетона и скоростью диффузии ионов через слой продуктов реакции.  Особенность углекислой коррозии заключается в том, что она осуществляется в два этапа. Сначала СО2, содержащийся в воде, образует СаСО3, уплотняющий бетон. Условия для растворения карбонатной пленки создаются при увеличении количества СО2 сверх равновесного и образовании гидрокарбоната. Избыточное по отношению к равновесному количество СО2 носит название агрессивной углекислоты.  Бетон нормальной плотности начинает разрушаться при рН<6,5, особо плотный при рН < 4,9 - 4.  Различие скорости коррозии под влиянием НСl и Н25О4 при одинаковом рН объясняется неодинаковой растворимостью продуктов коррозии - СаСl2 и Са5О4. По мере повышения концентрации кислот разница в стойкости различных видов цемента уменьшается.  Коррозию II вида вызывают соли магния, часто присутствующие в грунтовых водах и в значительном количестве содержащиеся в морской воде (15,5-18% от всего количества солей). Наряду с растворимыми и вымываемыми из бетона солями при магнезиальной коррозии образуется рыхлая аморфная масса Мg(ОН)2, уменьшающая прочность бетона. В морской воде магнезиальная коррозия усиливается вследствие повышения растворимости гид-роксида кальция и магния в присутствии NaСl. До 2/3 магнезиальных солей в морской воде приходится на долю МgСl2, 1/3 - МgSО4. Наиболее опасной является магнезиаль-но-сульфатная коррозия, поскольку в результате реакций МgSО4 с Са(ОН)2 а также с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция образуется не только аморфный Мg(ОН)2, но и кристаллизуется гипс, объем которого больше суммарного объема исходных веществ, что вызывает значительные напряжения в цементном камне. Магнезиально-сульфатную коррозию можно считать смешанной (коррозией II и III вида).  Коррозия III вида развивается в бетоне от внутренних напряжений при накоплении в порах и капиллярах малорастворимых солей. Это может быть как результатом кристаллизации продуктов химических реакций, так и процесса кристаллизации при поглощении солей из агрессивных растворов.  Наиболее распространенной коррозией этого вида является сульфатная коррозия, которая происходит в цементном камне под влиянием анионов SO2-4, связанных с катионами Na+, Са2+ и Мg2+. В грунтовых водах обычно содержание SO2-4 не превышает 60 мг/л, в морской оно может достигать 2500-2880 мг/л. Для бетона нормальной плотности на портландцементе сульфаты, содержащиеся в воде-среде, оказывают слабое агрессивное воздействие при концентрации ионов SO2-4 уже свыше 300 мг/л, а сильное - свыше 500 мг/л. Разновидностями сульфатной коррозии являются сульфоалюминатная и гипсовая коррозия. Кристаллизация СаSО4*2Н2О имеет место только при концентрации SO2-4 более 300 мг/л. В присутствии ионов кальция кристаллизация СаSО4*2Н2О начинается при более низких концентрациях СаSО4 в растворе.  Коррозия бетона III вида может происходить не только при взаимодействии бетона с внешней средой, но и в результате разрушительных процессов, происходящих при химическом взаимодействии компонентов бетонной смеси. Характерным примером таких процессов является взаимодействие щелочей, содержащихся в цементе, с кремнеземом заполнителей. В портландцементе содержание растворимых соединений достигает 1-1,5% (в пересчете на Na2О). Источниками их являются глинистые компоненты шихты для получения клинкера и зола топлива. Значительная часть щелочей поступает в шихту с пылью печей, возвращаемой на обжиг. Щелочи могут накапливаться в бетоне также вследствие обменных реакций составляющих цементного камня с солями натрия, растворенными в природных водах. Реакционноспособны-ми в среде щелочей являются некоторые модификации кремнезема (тридимит, кристобалит, кремнеземистое стекло, опал, опока, трепел, халцедон и др.), встречающиеся в заполнителях. Продукты реакции между щелочами цемента и активным кремнеземом расширяются в объеме и создают разрушающее давление. Заполнитель с содержанием растворимого кремнезема более 50 ммоль/л считается потенциально способным к взаимодействию со щелочами цемента.  Наиболее действенным способом предупреждения рассматриваемой коррозии является ограничение содержания щелочей в цементе до 0,6%. Замедляются процессы щелочной коррозии при введении в цемент активных минеральных и некоторых других добавок (углекислый литий, альбумин и др.).  Строительные конструкции промышленных предприятий могут подвергаться агрессивному воздействию растворов щелочей-ка-устической и кальцинированной соды и др. Щелочестойкость бетона является относительно высокой в растворах низкой концентрации, однако в концентрированных растворах (>5000 мг/л) возможно значительное снижение прочности и разрушение бетона. Механизм щелочной коррозии заключается в повышении растворимости компонентов цементного камня, содержащих SiO2 и Аl2О3, и образовании щелочно-земельных силикатов и алюминатов.  Растворимость Са(ОН)2 в цементном камне при контактировании с растворами щелочей вследствие присутствия ионов ОН" значительно понижается. Наибольшую активность по отношению к щелочам проявляет С3А, несколько меньшую - С4АР, минимальную С35. При увеличении содержания трехкальциевого алюмината в клинкере в 2 раза щелочестойкость цементного камня снижается в 1,5-5 раз.  Бетоны на портландцементе показывают большую стойкость в растворах щелочей, чем бетоны на пуццолановых и шлакопортлан-дцементах, имеющих обычно большее содержание растворимых щелочью соединений. Коррозия бетона при воздействии щелочных растворов может быть отнесена к коррозии II вида, переходящей в последующем в коррозию I вида.  Наряду с цементным камнем при воздействии щелочей возможно разрушение заполнителей. Наиболее активно взаимодействуют с едкими щелочами заполнители из кислых горных пород. С едким натром возможно также взаимодействие карбонатных пород:  СаСО3 + 2Ка(ОН) <=> Са(ОН)2 + Na2СО3  Реакция сдвигается вправо при высоких концентрациях NаОН, когда резко уменьшается растворимость Са(ОН)2. Разрушение карбонатных пород в щелочных растворах в 7-8 раз менее интенсивно чем кислых горных пород.  Щелочная коррозия бетона возможна также при взаимодей ствии щелочей, содержащихся в цементе, с кремнеземом заполнителей.  Органогенная коррозия бетона развивается под влиянием органической агрессивной среды. На многих предприятиях пищевой, деревообрабатывающей, легкой и других отраслей промышленности образуются или используются продукты, содержащие органические кислоты.  Агрессивное действие органических кислот растет с увеличением их молекулярной массы. Из органогенных сред пищевой промышленности наиболее коррозионно активными по отношению к цементному бетону являются жиры и растительные масла. Растительные и животные жиры, взаимодействуя с Са(ОН)2, омыляются, образуя кальциевые соли жирных кислот и многоатомные спирты. Животные жиры при взаимодействии с водой подвергаются гидролизу, в результате чего образуются глицерин и жирные кислоты. Оба эти продукта разрушают бетон.  Глицерин, обладающий кислотными свойствами, взаимодействует с Са(ОН)2:  Са(ОН)2 + 2С3Н8О3 = Са(С3Н7О3 )2 + 2Н2О  Разрушение цементного камня и бетона в этом случае идет по механизму коррозии III вида.  Значительной агрессивностью обладает продукция винодельческих предприятий и пивоваренного производства, содержащая спирты, сахара, органические кислоты. Так, например, этиловый спирт химически взаимодействует с известью цементного камня, образуя алкоголят кальция-соль, распадающуюся в присутствии воды. В данном случае разрушение бетона относится к III виду коррозии.  Сахарные растворы (предприятия кондитерской промышленности, плодоконсервные и др.) способствуют интенсивному развитию микрофлоры, выделению различных продуктов брожения, содержащих кислоты: масляную, молочную, уксусную.  Органогенные среды, характерные для болотных и торфяных почв, также способствуют коррозии II вида вследствие превращения органических веществ в гуминовые и другие кислоты.  Разрушения материалов под воздействием растительных и животных организмов называют биоповреждениями. С биологически активной средой контактируют гидротехнические сооружения, строительные конструкции сооружении на различных предприятиях пищевой промышленности и микробиологических производств. Например, мидии, поселяющиеся на поверхности подводных морских сооружений (до 40 кг на 1 м2) способны выделять до 12,2 см3 СО2 за 1 ч на 1 кг своей массы.  Ряд других живых организмов, поселяющихся на поверхности сооружений, особенно в период биоценоза (цветения воды), наоборот, поглощают из бетона углекислоту и свободный СаО. В обоих случаях развивается органогенная коррозия бетона. 

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА

Морозостойкость бетона - это его способность сохранять прочность и работоспособность при действии попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.Разрушение бетона в водонасыщенном состоянии при циклическом действии положительных и отрицательных температур, а также переменных отрицательных температур обусловлено комплексом физических коррозионных процессов, вызывающих деформации и механические повреждения изделий и конструкций.  К настоящему времени отсутствует единая теория, объясняющая механизм морозного разрушения бетона, хотя очевидно, что, в конечном счете, снижение прочности влажного бетона при попеременном замораживании и оттаивании обусловлено, в основном, образованием льда в порах бетона. В результате того, что объем, занимаемый льдом, на 9% больше объема воды, возникают значительные растягивающие напряжения, воздействующие на стенки пор и постепенно расшатывающие его структуру.  Существует несколько основных гипотез, объясняющих способы передачи напряжений на элементы структуры бетона, возникающих в результате образования льда. 

1. Гипотеза непосредственного воздействие кристаллизующегося льда на стенки пор. 

2. Гипотеза гидростатического давления воды - в отличие от первой утверждает, что на стенки пор давит не сам лед, а вода, на которую передается давление льда. В пользу большей корректности второй гипотезы говорит тот факт, что вода, заполняющая капиллярные поры, не может, как правило, полностью превратиться в лед из-за отсутствия необходимого места и поэтому передает давление льда на стенки пор. Но гипотеза также не может объяснить ряд явлений, наблюдаемых при действии отрицательных температур на бетон. Так, при увеличении скорости замораживания разрушение ускоряется, тогда как давление льда при этом не возрастает. Более того, морозом разрушаются бетоны, поры которых заполнены водой менее чем на 90%.

3. Гипотеза гидравлического давления Т. Пауэрса, объясняющая отмеченные явления. В соответствии с ней главной причиной разрушения бетона при попеременном замораживании и оттаивании является гидравлическое давление, создаваемое в порах и капиллярах бетона под влиянием замерзающей воды в результате сопротивления гелевой составляющей цементного камня. Убедительным аргументом в пользу этой гипотезы является то, что она объясняет механизм защитного действия воздушных пор. При их достаточном количестве «избыточная» вода оттесняется в эти поры без нарушений структуры бетона. Разрушение бетона происходит тогда, когда объем условно замкнутых пор постепенно заполняется водой и они не могут выполнять функции резервных (демпферных). В соответствии с гипотезой гидравлического давления напряжения, возникающие в бетоне, будут пропорциональны скорости замораживания, количеству оттесняемой жидкой фазы и ее вязкости и обратно пропорциональны проницаемости цементного камня.  Модель, предложенная Т. Пауэрсом, представляет циллиндрический капилляр, заполненный водой и окруженный цементным камнем. Поддействием гидравлического давления в циллиндрической оболочке капилляра возникают растягивающие напряжения о . Разрушение происходит, если напряжения а достигли предела прочности цементного камня при растяжении Вр. К недостаткам этой модели следует отнести то, что в ней не учитывается соотношение размеров капилляра и оболочки. В действительности в цементном камне толщина оболочки капилляра может быть в 5-20 раз больше его радиуса. В объем капилляров включался весь объем пор цементного камня без разделения его на объем пор геля и капилляров, хотя замораживание воды происходит практически лишь в капиллярных порах. Расчет напряжений в бетоне по модели Пауэрса проводят для статического состояния без учета перемещения фронта льдообразования.  А.М. Подвальный предложил модель, в которой капилляр и оболочка рассматриваются как толстостенная труба с переменным отношением радиусов оболочки и капилляра. При рассмотрении единичного капилляра действие соседних заменяется равномерно распределенной нагрузкой на внешней поверхности оболочки.  В соответствии с современными представлениями гидравлическое давление не является единственной причиной разрушения. Разрушению способствуют также осмотические явления. Они возникают в результате повышения концентрации растворенных веществ (Са(ОН)2, щелочей и др.) в жидкой фазе бетона на границе со льдом. Диффузия воды к области замерзания создает дополнительное давление. 

4. гипотеза термической несовместимости компонентов бетона. Заполнители и Цементный камень имеют различные коэффициенты термического расширения. При отрицательных температурах термическая несовместимость компонентов резко усиливается, так как коэффициент термического расширения льда в 3-7 раз больше чем бетона. 

Возможно одновременное действие различных механизмов деструкции бетона при его циклическом замораживании, и вклад каждого будет зависеть от многих факторов: влажности материала, В/Ц, возраста бетона и т.д.Факторы, влияющие на морозостойкость бетона. Влияние циклического изменения температуры усиливается дополнительным воздействием растворов солей. Получила, например, широкое распространение практика применения солей (NаСl, СаСl2) для удаления льда с дорожных покрытий. В результате таяния льда при посыпке соли на поверхность бетона поглощается большое количество теплоты (334 Дж/г) и температура резко понижается.  На поверхности бетона фиксируется понижение температуры до 9°С в течение 1 мин («температурный шок»), что вызывает возникновение растягивающих напряжений. Диффузия соли в бетон приводит к возникновению градиента ее концентрации, что также вызывает повышенные напряжения, шелушение и отслаивание поверхностного слоя.  В присутствии солей увеличиваются осмотические явления в замораживаемом бетоне, повышается вязкость жидкой фазы. В результате возрастает величина гидравлического давления и ускоряется разрушение бетона. При попеременном замораживании и оттаивании насыщенных водой железобетонных конструкций нарушается соответствие температурных деформаций стали и бетона, в результате возникают значительные внутренние напряжения и уменьшается прочность сцепления стали с бетоном. Растягивающие напряжения в арматуре при замораживании насыщенных водой железобетонных конструкций могут достигать  120-150 МПа.  На долговечность бетона, работающего на растяжение и изгиб в условиях замораживания и оттаивания, влияет степень нагружения. При напряжениях, составляющих 0,45 призменной прочности, уже заметно ускоряются деструктивные процессы в замораживаемом бетоне, а при напряжениях, равных 0,6-0,8 призменной прочности, отмечены случаи разрушения бетона через несколько циклов замораживания.  При замораживании влажного железобетона ускоряется трещинообразование в растянутой зоне и увеличиваются размеры трещин. При этом наиболее интенсивно повышение влажности бетона наблюдается в растянутой зоне конструкций. Это объясняется переносом влаги из менее разрушенной сжатой в активно разрушающуюся растянутую зону в результате различия давления пара переохлажденной адсорбированной воды в мелких порах и кристаллического льда в крупных порах и трещинах. 

ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА БЕТОНА

Морозостойкость бетона обусловлена прежде всего строением его порового пространства. В цементном камне образуются, как указано ранее, три вида пор: 

• поры цементного геля, размер которых лежит в пределах (15-40)-1010м, 

• капиллярные поры 0,01-1 мкм,

• условно замкнутые поры 10-500 мкм.

Поры геля характеризуются минимальной проницаемостью для жидкостей и газов(коэффициент проницаемости для пор геля менее 1010 м/с). Перенос жидкой фазы в порах геля возможен только по механизму молекулярной диффузии. Вода в порах геля при эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций не замерзает, что объясняется их размером, содержанием в поровой жидкости добавок-электролитов.  Капиллярные порыможно представить как часть объема воды цементного теста, которая не заполнена продуктами гидратации цемента. Микрокапилляры имеют размер меньше 10-1 мкм. Они обладают способностью к капиллярной конденсации влаги, обусловливающей гигроскопичность материалов. Макрокапилляры с радиусом больше 0,1 мкм (обычно до 10 мкм) заполняются водой только при непосредственном контакте с ней.  Капиллярные поры являются основным дефектом структуры цементного камня. В свежеприготовленном тесте можно считать порами все пространство, заполненное водой. При твердении часть его заполняется гелем. Чем больше степень гидратации цемента (а), тем больше образуется геля и тем меньший объем остается на капиллярные поры. Данные по водопроницаемости цементного камня и бетона показывают, что переход от непрерывной системы пор к условно изолированной происходит при капиллярной пористости цементного камня Пк < 0,33. Температура замерзания воды в капиллярно-пористом теле зависит от размеров капилляров. Например, в капиллярах диаметром 1,57 мм вода замерзает при -6,4°С; 0,15 мм при -14,6°С; 0,06 мм - -18°С. В порах диаметром менее 0,001 мм вода практически не замерзает, она приобретает свойства псевдотвердого тела.  В порах, обусловленных контракцией, создается вакуум, и они заполняются в зависимости от условий твердения воздухом или водой. Контракционный объем рассматривают в наше время не как самостоятельный вид пор, а как часть капиллярной пористости.  К условно замкнутым порам относят пузырьки воздуха в цементном камне и бетоне. Суммарным объемом пор, их размером, количеством и удельной поверхностью можно управлять введением воздухововлекающих или газообразующих добавок. Воздушные поры, получаемые путем введения в бетонную смесь воздухововлекающих добавок, существенно изменяют структуру цементного камня. Число воздушных пор в 1 см3 цементного камня может достигать одного миллиона, а поверхность этих пор - 200-250 см2. Через эту поверхность поступает в воздушные поры избыточная вода, вытесняемая из капилляров при замораживании бетона. Защитным действием обладают лишь достаточно мелкие воздушные поры размером менее 0,5-0,3 мм.  В качестве критерия для оценки эффективности защитного действия воздушных пор распространение получил т.н. «фактор расстояния», предложенный Т. Пауэрсом. Для его расчета принимается, что в цементном камне имеется некая идеализированная система одинаковых воздушных пор, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Наиболее удаленными в этом случае от воздушной поры являются точки цементного камня, лежащие в углах куба.  К важнейшим эксплуатационным факторам, кроме числа циклов замораживания и оттаивания, относятся степень водонасыщения и температура замораживания бетона.  Снижение прочности бетона после замораживания и оттаивания наблюдается лишь при его водонасыщении выше определенной величины, которая, в свою очередь, связана со значением отрицательной температуры. Величина критического водонасы-щения может быть достигнута не только при водонасыщении бетона перед замораживанием, но и в результате перераспределения поровой воды в замерзающем бетоне в виде пара. Водонасыще-ние бетона возрастает в присутствии солей.  Вода в большинстве капиллярных пор замерзает при температуре до -15°С. При дальнейшем понижении температуры происходит замерзание воды в более тонких порах (рис. 6.7) и при температуре -70 ... -80°С практически вся поровая вода находится в замерзшем состоянии, исключая воду, заполняющую мельчайшие гелевые поры и адсорбированную на стенках капиллярных пор.Сравнительное определение морозостойкости бетона замораживанием при -17 и -50°С показало, что разрушение бетона во втором случае ускоряется в 6-10 раз.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА

• С увеличением В/Ц возрастает как общий объем открытых пор, так и средний их размер, что также негативно влияет на морозостойкость. При этом повышаются проницаемость и водопоглощение и в таких бетонах невозможно образование существенного объема резервных пор. При проектировании морозостойких бетонов принято ограничивать В/Ц в зависимости от условий службы бетона в сооружениях. Снижение В/Ц возможно как за счет уменьшения расхода воды при применении пластифицирующих добавок, более жестких смесей, так и за счет увеличения расхода цемента. Второй способ снижения В/Ц технико-экономически неэффективен.

• степень гидратации цемента (зависит от активности цемента, интенсивности роста ее во времени, длительности и условий твердения бетона). Степень гидратации портландцементов к 28-суточному возрасту по усредненным данным равна 0,6, 90 сут - 0,66 и 180 сут - 0,7. Повышению степени гидратации цемента способствуют различные способы его активизации и надлежащий уход за бетоном. 

• расход воды затворения и, соответственно, расхода цемента. По данным П. И. Горчакова, каждый процент снижения капиллярной пористости достигается уменьшением количества воды затворения на 10 л/м3 либо увеличением расхода цемента на 20-35 кг/м3. Увеличение расхода цемента с одной стороны уменьшает В/Ц, с другой, приводит к увеличению объема цементного теста, что повышает объем капиллярных пор бетона. 

• Оптимальный расход песка из условия морозостойкости выше, чем из условия прочности, что связано с условиями воздухововлечения. По данным О.В. Кунцевича, повышение доли песка в смеси заполнителей с г=0,33, оптимальной по прочности, до г = 0,5 привело к росту расхода цемента на 40 кг/м3, но повысило морозостойкость с 120 до 400 циклов. 

• Из минералов цемента отрицательное влияние на морозостойкость оказывает С3А. По рекомендациям С.В. Шестоперова, при марке бетона по морозостойкости, выраженной числом активных циклов замораживания и оттаивания за проектный срок эксплуатации сооружения, до Р500, С3А в цементе должно быть менее 10, Р1000 - менее 6 и Р6000 - менее 4%. Рекомендуется также повышенное содержание С35 - 55 - 60%. Под «активными циклами» С.В. Шестоперов подразумевал циклы, «вносящие в структуру материалов, составляющих бетон, изменения, связанные с нарушением монолитности». Это определение, однако, не является достаточно четким. 

• В морозостойких бетонах нежелательны активные минеральные добавки, особенно с повышенной водопотребностью. В то же время, экспериментально показано, что бетоны с умеренным содержанием доменных шлаков или каменноугольной золы-уноса могут иметь удовлетворительную морозостойкость, особенно при введении в бетон эмульгированного воздуха. 

• Низкую морозостойкость имеют пуццолановые цементы. Шлакопортландцементы по морозостойкости занимают промежуточное положение между портланд- и пуццолановым цементом. 

• К снижению морозостойкости бетона приводит повышение удельной поверхности цемента свыше 400 м2/кг. Такие сверхтонкие цементы характеризуются повышенной усадкой, ведущей к появлению микротрещин. 

• Жесткие требования предъявляются к ограничению величины потери при прокаливании, обусловленной лежалостью цемента. Хранение (лежалость) цемента значительно больше влияет на его морозостойкость, чем на активность. По мнению С.В. Шестоперова, наличие оболочки из новообразований гидратированных минералов на зернах цемента является одной из основных причин снижения долговечности бетона. 

• Обычно применяемые для получения тяжелого бетона кварцевый песок и щебень из плотных изверженных или метаморфических пород, отвечающие требованиям стандартов, позволяют получать высокоморозостойкий бетон. На морозостойкость бетона существенное влияние оказывают морозостойкость самих заполнителей и их водопотребность. По данным С.В. Кунцевича, морозостойкость заполнителей неоднозначно связана с их прочностью. Неморозостойкие зерна могут быть достаточно прочными и плотными с водопоглощением 0,7-2%. Важными с позиций морозостойкости являются свойства заполнителей, определяющие их сцепление с цементным камнем, и модуль упругости. 

• Пластифицирующие добавки повышают морозостойкость бетона как в результате уменьшения водопотребности и соответственно капиллярной пористости, так и вследствие определенного воздухововлечения. Добавки-пластификаторы типа ЛСТ снижают водопотребность бетонных смесей на 9-12%, при этом больший эффект пластификации достигается в «жирных» смесях на низкоалюминатных цементах. Добавки этого типа способствуют воздухововлечению и образованию в затвердевшем камне замкнутых пор. С.В. Шестоперов наблюдал значительное (в 2-3 раза) повышение морозостойкости с добавкой СДБ (старое название ЛСТ) даже без снижения В/Ц для бетонов, твердевших в течение 1 года. Добавки - суперпластификаторы позволяют снизить водопотребность смесей на 20-30%, однако они, как правило, вовлекают недостаточное количество воздуха, и улучшение долговечности бетона определяется, главным образом, снижением В/Ц. При использовании суперпластификаторов для повышения подвижности смесей без уменьшения В/Ц увеличение морозостойкости бетона достигается дополнительным введением воздухововлекающих добавок. 

• Гидрофобизирующие добавки, адсорбируясь на стенках пор бетона, снижают их водопоглощение и капиллярный подсос. Повышению морозостойкости способствует пластифицирующее действие гидрофобизирующих добавок, особенно заметное в «тощих» смесях (8-10%).Основные воздухововлекающие добавки относятся к гидрофобизирующим ПАВ, обладающим значительной поверхностной активностью на границе раствор - воздух. Эти добавки при их введении с водой затворения вызывают образование в системе довольно высокодисперсной эмульсии воздуха, устойчиво диспергированного в бетонной смеси. Воздухововлекающие добавки, или т.н. пенообразователи, изготавливаются в виде концентрированных растворов, густых паст или в виде сухого, легко растворимого порошка. Для приготовления добавок используются древесные смолы, продукты переработки нефти, растительные жиры и другое сырье. Наиболее часто в качестве воздухововлекающих применяют добавки на основе древесной смолы (смола нейтрализованная воздухововлекающая - СНВ, синтетическая поверхностно-активная добавка - СПД, омыленный древесный пек - ЦНИПС-1 и др.). Их вводят в бетонные смеси обычно в количестве 0,01-0,02% от массы цемента. При этом объем вовлеченного воздуха составляет 30-60 л/м3 или, как правило, 3-6% от массы цемента. Такой объем вовлеченного воздуха обычно существенно превышает объем воды, оттесняемой при замораживании. При этом значения «фактора расстояния» между воздушными порами оказывается значительно меньше критического, которое обычно принимают 0,25 мм. Морозостойкость бетона с воздухововлекающими добавками возрастает в несколько раз.  Кроме вида и содержания добавок, на воздухововлечение влияют и другие факторы: удобоукладываемость бетонных смесей, тонкость помола цемента, зерновой состав заполнителей, время перемешивания, температура.  Наряду с воздухововлекающими для образования системы условно-замкнутых пор в бетоне применяют газообразующие добавки, например ГКЖ-94. Имеются данные, что система условно-замкнутых пор с добавкой ГКЖ-94 более стабильна, чем в бетонах с воздухововлекающими добавками. 

• Кроме особенностей исходных материалов и состава бетонной смеси, на морозостойкость бетона определенное влияние оказывают условия его твердения. Оптимальные условия твердения должны способствовать получению бетона с минимально возможными значениями капиллярной пористости и степени оводнения условно замкнутых пор. Наиболее полно протекают процессы гидратации, уменьшаются объем и размеры капиллярных пор при водном твердении. При водном твердении, однако, повышается степень водонасыщения бетона, контракционный объем заполняется водой. При твердении бетона в воде возможно обводнение мельчайших искусственно вовлеченных воздушных пор, что снижает морозостойкость.  Для заполнения контракционного объема воздухом иногда рекомендуется твердение бетона на воздухе при его 100%-ной относительной влажности. Однако при таком твердении, хотя и увеличивается резервная пористость, возрастает по сравнению с водным твердением объем капиллярных пор.  О.В. Кунцевич рекомендует комбинированное твердение бетона. По его данным бетон с вовлеченным воздухом, твердевший 14 сут. в воде и затем 14 сут. на влажном воздухе, имел большую морозостойкость, чем при твердении 21 сут в воде и 7 сут на воздухе.  Отмечено, что после подсушивания повторно насыщенные водой образцы имеют меньшую влажность, чем образцы, постоянно находящиеся в воде. Такой эффект объясняется защемлением в капиллярах при высушивании некоторого количества воздуха. Предполагается также, что сушка приводит к резкому увеличению проницаемости бетона, в результате уменьшается гидравлическое давление, возникающее при замораживании.  При тепловлажностной обработке получение морозостойкого бетона обеспечивается при минимизации деструктивных процессов, вызванных температурным расширением воды и воздуха. Снижение интенсивности деструктивных процессов достигается при мягких режимах пропаривания: удлиненной (не менее 3-5 ч) предварительной выдержке, замедленной скорости подъема температуры и охлаждения (не более 15-20 град/час), пониженной температуре изотермического прогрева (60-80°С). 

ИЗМЕРЕНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ

Стандартизированный метод оценки морозостойкости бетона характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания образцов при нормированных условиях испытания без существенного снижения прочности. Этот метод предложен в 1886 г. Н.А. Белелюбским и позволяет оценить стойкость бетона при некотором условном экстремальном режиме его работы: полном водонасыщении и непрерывном циклическом замораживании при общей длительности одного цикла 4,5-6,5 ч. При основном стандартном способе испытаний замораживание производится при -15 - -20°С на воздухе, а оттаивание при +20°С в воде. Для ускорения испытаний температуру замораживания снижают до -40 - -60°С, насыщают образцы водным солевым раствором, уменьшают их размеры и сокращают длительность циклов.  Часто при испытании морозостойкости для определения фактического изменения прочности через заданное число циклов используют коэффициент морозостойкости Кмрз =Rмрз / Rк , где Rмрз - прочность бетона после принятого числа циклов испытаний; Rк - прочность контрольных образцов. Марка бетона по морозостойкости считается обеспеченной через требуемое число циклов, если Кмрз > 0,95.  Наряду с определением морозостойкости путем прямого испытания прочности бетона через определенное число циклов замораживания и оттаивания применяют неразрушающие методы: 

• определение скорости ультразвуковых волн; 

• измерение динамического модуля упругости, 

• измерение остаточных деформаций (относительного удлинения образцов после испытания).

Ультразвуковые испытания продолжаются до характерного перелома на кривой времени прохождения ультразвука от числа циклов (в логарифмическом масштабе). Этот перелом обусловлен образованием и развитием микротрещин в бетоне при его циклическом замораживании.  Динамический модуль упругости измеряют прозвучиванием образцов продольными (реже поперечными) ультразвуковыми волнами. Снижение динамического модуля упругости на 40-45% свидетельствует об интенсивном морозном разрушении бетона.  Дополнительным показателем стойкости бетона при морозном разрушении служат потери массы. Этот показатель более приемлем, когда деструкция бетона носит характер поверхностного шелушения, например, для дорожных бетонов. Потери массы при определении морозостойкости бетона ограничивают не более 5%.  С. В. Шестоперов для экспрессной оценки степени повреждения материалов при попеременном замораживании и оттаивании предложил 5-балльную шкалу для растворов и 10-бальную для бетонов. Качество бетона на 1ой подготовительной стадии разрушения оценивается от 10 баллов, когда образцы не имеют никаких изменений, до 7 баллов, когда начинается шелушение граней и ребер и образуются лунки при наличии неморозостойких зерен заполнителей. На второй завершающей стадии разрушения состояние образцов по мере разрушения может быть охарактеризовано последовательно в убывающем порядке от 6 до 1 балла. Предложено также балльную оценку состояния образцов производить по нескольким критериям в зависимости от степени их влияния на развитие деструктивных процессов.  В ряде случаев глубокое разрушение бетона нельзя оценить визуально и эффективна совместная оценка состояния образцов по внешнему виду и, например, результатам прозвучивания.  В зависимости от числа циклов замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов бетона до 5%-ного снижения прочности устанавливают т.н. марку бетона по морозостойкости (Р). Последняя при проектировании конструкций назначается в основном в зависимости от числа переходов через 0°С в регионе эксплуатации конструкций и сооружений с поправкой на среднюю температуру холодного периода года.  В соответствии со стандартом предлагается 11 марок бетона по морозостойкости с градацией 25- 100 циклов от Р50 до Р1000. На практике при лабораторных подборах составов бетона задача сводится обычно к обеспечению морозостойкости не в пределах заданной марки, а не менее ее нормированного значения.  Высокая степень условности марок бетона по морозостойкости и несовершенство методики их назначения часто приводит к неэффективности трудоемких усилий технологов по обеспечению проектных значений Р. Например, марка бетона по морозостойкости в бетонных облицовках каналов Украины в соответствии с принятой методикой назначалась Р50 - Р100. Однако опыт эксплуатации показал, что во многих случаях облицовка разрушалась уже через 2-7 лет.  До настоящего времени не разработана научно обоснованная методика для установления численного критерия морозостойкости и назначения его при проектировании бетона. Существующая практика назначения числа циклов замораживания и оттаивания,  которое должен выдержать бетон в конструкциях и сооружениях, основана, главным образом, на опыте проектантов, проанализировавших долговечность бетона различного состава в определенных климатических условиях. Рекомендации, имеющиеся в нормативной литературе, весьма неполны. Например, рекомендуется назначать число циклов, основываясь только на количестве переходов через 0°С и наиболее низкой температуре холодного периода года. При этом не учитываются такие существенные факторы, влияющие на морозостойкость, как степень водонасыщения, изменчивость отрицательных температур, характер напряженного состояния бетона и ряд других. Нельзя считать достаточно надежными и методики назначения числа циклов замораживания и оттаивания с помощью предложенных эмпирических формул. Однако при проектировании состава бетона необходимое число циклов замораживания и оттаивания остается удобным численным критерием морозостойкости бетона. В ряде стран, например в США и Канаде, при проектировании составов бетонов принято указывать не конкретное число циклов замораживания и оттаивания, а режим работы бетона. Для каждого режима работы рекомендуется определенная область допустимых В/Ц.  Известен ряд методик назначения марки бетона по морозостойкости с учетом как климатических, так и эксплуатационных факторов, влияющих на развитие деструктивных процессов.  Известный исследователь морозостойкости С.В. Шестоперов предложил оценивать морозостойкость некоторой условной маркой (М), равной произведению проектного срока эксплуатации сооружения, среднегодового числа циклов замораживания и оттаивания и коэффициента запаса прочности. Для обоснования 8 условных марок (от М-25 до М-6000) им даны рекомендации по 25 параметрам, учитывающим качество исходных материалов, составы бетона и технологию работ. Однако современные представления теории морозостойкости и практический опыт не позволяют согласиться в достаточной мере как с критерием М, так и рядом рекомендаций по его обеспечению. Попытки имитационного моделирования для расчета длительности безремонтной эксплуатации бетона в зависимости от марки по морозостойкости даже с учетом многих дополнительных факторов пока нельзя считать успешными.  Рациональной является предложенная авторами система нормирования морозостойкости, в соответствии с которой указывается не заданное число циклов замораживания и оттаивания лабораторных образцов, а класс бетона по морозостойкости, например: 

• 1-ый класс -умеренной (Р = 50- 150),

• 2-ой - повышенной (Р =150 - 300),

• 3-ий - высокой (Р = 300 -500),

• 4-ый - особо высокой морозостойкости (Р > 500).

При такой системе существенно уменьшается число нормируемых ступеней морозостойкости бетона, становятся излишними при соответствующих ограничениях составов (В/Ц, содержание вовлеченного воздуха) длительные и трудоемкие лабораторные подборы составов бетонов с необходимой маркой по морозостойкости, которые часто носят запоздалый характер.  Различные методы прогнозирования морозостойкости основаны на зависимостях ее от параметров, характеризующих структуру бетона, степень деструктивных изменений при циклическом замораживании, а также регрессионных уравнениях, связывающих морозостойкость с другими свойствами и составом бетонной смеси.  Все методы прогнозирования морозостойкости бетона можно разделить на экспериментально-расчетные и расчетные. Экспериментально-расчетные методы предполагают определение соответствующих экспериментальных параметров, а затем с помощью уравнений связи или графически нахождение ожидаемого критического числа циклов. Наряду с прочностью, модулем упругости и остаточными деформациями бетона, испытанного в солевом растворе, при повышенной скорости замораживания и оттаивания, а также сверхнизких температурах экспериментальными параметрами для ускоренного прогнозирования могут служить время прохождения ультразвука относительный предел выносливости, водопоглощение и др. Существуют корреляционные зависимости между морозостойкостью и льдистостью бетона.  Для определения содержания льда в бетоне предлагаются различные экспериментальные методы. Наибольшей известностью пользуется калориметрический метод, в основе которого лежит зависимость между изменением температуры при переходе воды в лед и массой образовавшегося льда. Применяют также метод сверхвысоких частот, ультразвуковой и сорбционный методы.  Расчетные методы позволяют ориентировочно прогнозировать морозостойкость бетона «а priori», т.е. без проведения предварительных опытов. Такие методы представляют особенный интерес при проектировании составов морозостойких бетонов. Вместе с тем, расчетные составы при нормировании морозостойкости, также, как и прочности, необходимо проверять экспериментально.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Проницаемость бетона характеризует его способность пропускать газы и жидкости (флюиды) при определенном перепаде давления. Количественно проницаемость бетона определяется коэффициентом проницаемости - количеством флюида, проникающим через единицу сечения образца в единицу времени при градиенте напора равном единице.  Механизм переноса газов и жидкостей через бетон зависит от размера пор.  В бетоне имеются поры различного размера, поэтому одновременно могут действовать различные механизмы переноса.  Структура порового пространства бетона зависит от процессов, происходящих во время формования и твердения бетона. При твердении и эксплуатации бетона в конструкциях структура порового пространства, его проницаемость непрерывно изменяются. Особенно существенное влияние на проницаемость имеет образование сквозных путей фильтрации в результате седиментационных процессов и развития микротрещин.  Показатели водонепроницаемости. Водонепроницаемость бетона назначают, исходя из допустимых фильтрационных потерь через бетон и стойкости его к коррозии. Фильтрационные потери имеют особенно существенное значение в гидротехнических сооружениях, например для высотных напорных плотин, облицовок каналов и т.д.  Возможно использование двух нормативных характеристик водонепроницаемости.  1. Наибольшего давления воды (МПа), которое могут выдержать стандартные образцы с высотой и диаметром 150 мм  без появления на их открытой стороне признаков просачивания воды.  2. Коэффициента фильтрации бетона, характеризующего количество воды, проникающее через единицу сечения за единицу времени, при градиенте (отношении напора в м. водяного столба к толщине конструкции в м), равном 1.  Расчетное прогнозирование водонепроницаемости бетона. Для определения коэффициента фильтрации в монолитных бетонных сооружениях рекомендуется использовать его корреляционную связь с удельным водопоглощением рв. Переходной коэффициент с = КфД1в, колеблется в пределах 0,001.  К настоящему времени из-за сложного механизма переноса воды в бетоне и большого числа влияющих факторов не разработана количественная теория, связывающая проницаемость бетона и параметры его структуры. Вместе с тем, большое число выполненных исследований позволяет считать, что вязкостный поток характерен при пористости не меньше 8%, при пористости 3-8% имеет место капиллярный поток, 1-3% - молекулярная диффузия.  Для цементного камня, раствора или бетона характерен смешанный механизм переноса, который определяется преобладающим размером пор. Для большинства составов бетона движение воды идет по капиллярам с радиусом 10-3 см и менее, что обусловливает определенную корреляцию между капиллярной пористостью, В/Ц цементного камня и коэффициентом фильтрации. Высота поднятия жидкости в капиллярах обратно пропорциональна их радиусу.  Можно считать экспериментально доказанным, что водонепроницаемость бетона определяется не общей, а сквозной, или эффективной, пористостью. Под последней понимают отношение объема пор, служащих путями фильтрации, к объему образца. В отличие от общей и капиллярной эффективная пористость изменяется в больших пределах в зависимости от продолжительности взаимодействия образцов с водой. В табл. 6.9 приведены экспериментальные данные Г.П. Вербецкого по общей и эффективной пористости образцов цементного камня и раствора после хранения в воде.  На величину эффективной пористости влияют многие процессы: набухание гидратированных зерен цемента, кольматация пор отлагающимися продуктами выщелачивания и мельчайшими взвешенными в воде минеральными частицами и др. На формирование эффективной пористости оказывают также влияние седи-ментационные процессы в бетонной смеси.  Эффективным способом понижения проницаемости бетона является введение как органических, так и неорганических добавок в бетонную смесь.  Из органических добавок применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ) и полимерные добавки. При снижении общей проницаемости бетона и повышении водонепроницаемости условно-замкнутой капиллярно-пористой структуры и понижению проницаемости.  Положительно сказывается на повышении водонепроницаемости гидрофобизация капилляров, достигаемая при применении гидрофобизующих ПАВ.  Полимерные добавки могут вводиться в бетонную смесь в виде отдельных смол, мономеров или сополимеров с катализаторами, эмульсий и латексов. Они кольматируют капиллярные поры бетона, образуя в бетоне в зависимости от вида добавки термореактивные и термопластичные полимеры, эластомеры.  Неорганические добавки для понижения проницаемости представлены различными солями, бентонитовыми и другими глинами, активными минеральными добавками. Эти добавки активно влияют на развитие удельной поверхности твердой фазы цементного камня и размеры кристаллов новообразований, структуру порово-го пространства, их кольматацию в процессе твердения. Повышенный эффект достигается при введении различных комбинированных добавок, включающих наряду с неорганическими веществами добавки ПАВ, полимеров и др.  После изготовления изделий и конструкций из бетона понижение его проницаемости может достигаться обработкой поверхности бетона гидрофобизаторами и веществами, химически реагирующими с минералами цементного камня с образованием нерастворимых соединений; кольматацией порового пространства; покрытием поверхности бетона защитными материалами.

ВЫБОР ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДОБАВОК

Задача выбора исходных материалов является технико-экономической задачей, определяющей эффективность принятых составов бетона и достижение ими требуемых свойств.  Основными техническими показателями при выборе вида цемента служат его химико-минералогический и вещественный состав; активность и марка; прочность, набираемая через определенное время твердения, в т.ч. при необходимости и в условиях тепловлажностной обработки; нормальная густота и тонкость помола; ряд других показателей, определяемых проектными требованиями к бетону, условиями его работы в конструкциях и сооружениях.  Низкоалюминатные цементы характеризуются замедленным нарастанием прочности при коротких режимах тепловлажностной обработки с общим циклом до 8 ч. и достаточно интенсивным приростом прочности при удлинении ее продолжительности и последующем твердении. Прочность бетонов на этих цементах в 28-суточном возрасте, как правило, равна или на 5-10 % превышает прочность бетона нормального твердения. Низкоалюминатные цементы наиболее целесообразно применять при режимах тепловлажностной обработки с общим циклом более 13-15 ч.  Среднеалюминатные цементы интенсивно набирают прочность в начальный период тепловлажностной обработки, однако замедляют темп твердения по мере увеличения ее продолжительности. Прочность бетонов на этих цементах в 28-суточном возрасте, как правило, равна прочности бетона нормального твердения. Среднеалюминатные цементы, как показывает производственный опыт, наиболее эффективны при режимах с общим циклом до 13 ч.  Портландцементы из высокоалюминатных клинкеров характеризуются особенно высоким темпом роста прочности в начальный период тепловлажностной обработки, однако затем резко замедляют твердение. Марочная прочность бетонов на этих цементах после тепловой обработки обычно ниже прочности бетонов нормального твердения. Для предотвращения перерасхода вяжущего применение высокоалюминатных цементов при тепловлажностной обработке нежелательно.  При коротких режимах тепловой обработки наиболее применимы быстротвердеющие цементы (БТЦ), для которых характерны высокий темп роста прочности бетона и ее высокое абсолютное значение.  Требования к цементу для железобетонных изделий с применением электроразогрева бетонной смеси практически такие же, как и при пропаривании.  Важным качественным показателем цементов является степень дисперсности, характеризуемая по остаткам на сите с размером ячеек 0,08 мм. В среднем тонкость помола портландцемента и его разновидностей составляет по проходу через сито № 008 около 90% и колеблется в зависимости от активности цемента. Более точной является характеристика тонкости помола по удельной поверхности, которую определяют обычно методом фильтрации воздуха через слой спрессованного порошка. Современные рядовые цементы характеризуются удельной поверхностью около 280-300 м2/кг (2800-3000 см2/г) при остатке на сите № 008 5-8%. Быстротвердеющие цементы имеют более высокую удельную поверхность 350-400 м2/кг (3500-4000 см2/г).  С увеличением удельной поверхности цемента прочность и скорость твердения возрастают сначала интенсивно, затем медленнее. С увеличением удельной поверхности некоторых цементов, в частности с высоким содержанием С3А сверх определенного оптимума, бетон уже к 28 суткам твердения характеризуется существенными сбросами прочности. При чрезмерно высокой тонкости помола цемента растет его водопотребность и снижается прочность бетона, ухудшается ряд других его свойств.  Важным фактором, определяющим экономичность составов бетона, является выбор рациональной марки цемента. Прочность бетона может быть ниже или выше марки цемента. В последнем случае следует иметь в виду, что при достаточно высоких механических характеристиках заполнителей и их адгезионных свойствах прочность бетона определяется прочностью цементного камня, которая значительно выше прочности цементно-песчаного раствора, характеризующего марку цемента. Желательно, чтобы активность и, соответственно, марка цемента обеспечивали такой его расход в бетоне, при котором не нарушается правило постоянства водопотребности, т.е. цементно-водное отношение не превышает критическое Ц/В, примерно равное 2,5. В противном случае резко возрастает водопотребность бетонной смеси, что затрудняет получение требуемой прочности бетона. С этой целью при получении бетонов, марка которых выше или равна марке исходного цемента, применяют жесткие смеси и ряд других технологических приемов, из которых особенно эффективно применение суперпластификаторов. Введение суперпластифицирующих добавок в бетонную смесь позволяет сдвинуть в область больших расходов цемента действие правила «постоянства водопотребности», обеспечить уплотнение бетонов с высокими значениями Ц/В и получение бетонов высокой прочности.  При обычной технологии производства для бетона классов В20-В30 необходимо применять цемент марки не ниже 400, для бетона классов В40 и выше - цемент марки не ниже 550. Для бетонов классов В15 и ниже требуются цементы марок М300 и М400.  Важнейшим техническим свойством цемента, определяющим его водопотребность и расход в бетоне, является нормальная густота. Нормальная густота портландцемента колеблется обычно в пределах 24-28 %, а пуццоланового - до 40 %. На нормальную густоту цемента влияют тонкость помола, минералогический состав клинкера, вид активной минеральной добавки и другие факторы. Из клинкерных минералов наибольшей водопотребностью обладает трехкальциевый алюминат, наименьшей - двухкальциевый силикат (белит). Поэтому высокоалюминатные цементы имеют повышенную водопотребность по сравнению с низкоалюминатными. Повышению нормальной густоты цемента способствует введение активных минеральных добавок, в особенности осадочного происхождения. В отличие от них добавки шлака практически не изменяют водопотребность цементов при их примерно одинаковой удельной поверхности.  Для обеспечения необходимого качества продукции в нормативных документах на производство отдельных видов изделий вводится ограничение к нормальной густоте цемента. Например, для производства железобетонных напорных виброгидропрессованных труб требуется цемент с нормальной густотой не более 26%. В таких случаях появляются трудности, обусловленные нерегламентируемостью нормальной густоты при производстве цемента. В частности, для обеспечения надлежащего качества виброгидропрессованных труб возникла необходимость выпуска цемента по специальным техническим условиям.  Для оценки эффективности использования цемента предложены относительные показатели, характеризующие расход цемента или его стоимость на единицу прочности, а также отношение прочности бетона к расходу цемента, т.е. показатель «съема» прочности бетона на 1м3 израсходованного цемента. Однако с помощью этих показателей удобно сравнивать эффективность различных Цементов лишь для бетонов с одинаковыми значениями прочности в заданные сроки и при определенных условиях твердения бетона.  При изготовлении конструкций из высокопрочного бетона, несмотря на увеличение расхода цемента на 1 м3 бетона в результате уменьшения сечения и объема изделий, эффективность использования цемента оказывается более высокой.  С использованием цемента связаны и общие энергозатраты в производстве сборного железобетона. С позиций народнохозяйственной эффективности критерии энергетических затрат должны отражать затраты энергии не только на получение бетонной смеси, изделий и конструкций, но и на получение исходных компонентов, в первую очередь цемента и металла. Энергозатраты, связанные с получением цемента, расходуемого на 1 м3 бетона классов В15-В40, составляют (для портландцемента и портландцемента с минеральными добавками) 60-177 кг усл. топлива, в то время как расход тепловой энергии непосредственно в производстве сборного железобетона в среднем не превышает 80, а на передовых заводах 43 кг усл. топлива на 1 м3. До 70% энергозатрат в производстве сборного железобетона расходуется на тепловую обработку изделий. Не рассматривая энергозатраты, связанные с использованием в производстве сборного железобетона металла, можно утверждать, что эффективность использования тепловой энергии при получении изделий обусловлена в основном оптимальностью технологических параметров, определяющих расход цемента в бетоне и расход топлива при тепловой обработке изделий.  Активные минеральные добавки (активные минеральные наполнители), вводимые непосредственно в бетонные смеси, широко применяются для экономии цемента и наиболее энергоемкого их компонента - цементного клинкера.  Характерной особенностью современной строительной технологии является широкое применение химических добавок для достижения необходимых свойств бетона, снижения расхода материальных и энергетических ресурсов при изготовлении этого материала и при применении его для производства конструкций, возведения зданий и сооружений. В настоящее время предприятия по изготовлению бетона, изделий и конструкций на его основе наряду со сравнительно дешевыми добавками, получаемыми часто из промышленных отходов, все шире применяют специально синтезируемые добавки на основе дорогого химического сырья. Такие добавки-модификаторы позволяют обеспечить высокое качество бетона и в широком диапазоне регулировать его свойства, однако при оценке целесообразности их введения, замены ими традиционных дешевых добавок приходится достигаемый технический эффект соизмерять с необходимыми дополнительными затратами.  Эффективность любых технических решений, в том числе и введения химических добавок в бетон, должна определяться экономическим эффектом (Э) и коэффициентом эффективности затрат (К). Последний представляет собой отношение экономического эффекта к затратам необходимым, для его получения. 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ЗАДАЧИ

Проектирование составов бетона - ключевая технологическая задача, решение которой определяет уровень эксплуатационной надежности конструкций и сооружений и степень рационального использования ресурсов, затраченных на их изготовление и возведение.  Основоположником практической методологии проектирования составов бетона является Д. Абраме. Он, обобщив результаты обширных экспериментальных исследований в Чикагской лаборатории, сформулировал основные задачи проектирования составов бетона и методы их решения. По Абрамсу проектирование составов бетона заключается в «выборе водоцементного фактора, соответствующего заданной прочности и условиям работы сооружений, и нахождении такой комбинации заполнителей, которая могла бы дать бетон требуемого качества и пригодной консгистенции». При этом должна быть обеспечена наименьшая затрата средств на изготовление бетона и его укладку.  Сформулированные на заре развития технологии бетона задачи проектирования составов остаются актуальными и в настоящее время.  В современной технологии под проектированием составов бетона понимают обоснование, выбор вида исходных материалов и их соотношений, обеспечивающих при заданном критерии оптимальности нормируемые проектные требования к бетонной смеси и бетону. При использовании методологии системного подхода проектирование составов бетона может включать ряд дополнительных задач, связанных с оптимизацией технологических параметров производства и проектных требований.  Д. Абраме впервые предложил два метода проектирования составов бетона: т.н. «пробный метод» или экспериментальный подбор, и метод предварительных вычислений. Как показала практика, оба метода имеют право на существование и развитие.  Развитие бетоноведения, компьютеризация технологических и технико-экономических расчетов представили новые возможности для развития расчетного метода проектирования составов бетонов. Расчетные составы бетонных смесей требуют экспериментального уточнения до их производственного использования, тем не менее применение расчетного метода оказывается целесообразным, особенно при необходимости оперативного обоснования потребности ресурсов и эффективности исходных материалов, снижения трудоемкости лабораторных работ. Два указанных метода проектирования составов, как считал Д. Абраме, должны быть основаны на (законе) правиле водоцементно-го отношения. Многие последующие исследования показали, что утверждение Абрамса о том, что «прочность бетона при данных материалах и условиях их обработки определяется единственно отношением объема употребляемой для смеси воды к объему цемента» является некоторым преувеличением и слово «единственно» лучше заменить на слова «в основном». В ряде работ, в частности, показано существенное влияние на прочность тяжелого бетона при данных исходных материалах наряду с В/Ц, характеризующим качество цементного клея, его объемной концентрации и других факторов.  В настоящее время в технологической практике проектирование составов бетона осуществляется на базе достаточно большого количества методов, основанных на различных теоретических и технологических предпосылках. Все эти методы могут успешно применяться на практике, если они решают поставленные задачи. Как показало время, стремление универсализировать методологию проектирования составов и дискуссия о предпочтительности одних подходов над другими оказались неконструктивными.  Актуальными направлениями развития методологии проектирования составов бетона являются:  • увеличение "разрешающей способности" расчетных методик,  т.е. возможности более полного учета технологических факторов и проектных требований к бетону; • повышение эффективности алгоритмов расчетных методик, их  точности и быстродействия.  Развитие этих направлений возможно за счет реализации современных представлений бетоноведения о формировании строительно-технических свойств бетона в сочетании с системным анализом.  Наиболее общий подход к проектированию составов бетона основан на количественном учете взаимосвязей типа свойство -структура-состав бетона путем анализа и совместного решения уравнений, связывающих показатели свойств бетона с параметрами его структуры.  Основными предпосылками такого подхода можно считать  следующие положения бетоноведения:  1 Большинство свойств бетона являются функциями его структуры. В зависимости от характера тех или иных свойств их могут формировать преимущественно макро- или микроструктурные особенности бетона. Влияние на свойства бетона его структуры предопределяет взаимозависимость различных свойств.  2. Каждое из свойств бетона однозначно связано с соответствующими параметрами или критериями структуры, которые учитывают качественные и количественные особенности его твердой фазы и порового пространства. Как для типичного композиционного материала структурные параметры бетона учитывают особенности его матрицы (цементного камня) и заполнителей, их взаимодействие.  3. Направления изменения различных свойств бетона при изменении параметров структуры и факторов состава могут как совпадать, так и быть различными. Проектирование состава бетона с заданными свойствами требует учета их направленности и во многих случаях является задачей компромиссной.  Оптимальная структура бетона - это структура, которая обеспечивает комплекс требуемых свойств при выполнении заданных  условий оптимальности (минимальный расход цемента, мини  мальная стоимость бетонной смеси и др.). В соответствии с этим  условием составы бетона могут существенно отличаться при раз  личных условиях оптимальности.  В строительно-технологической практике наибольшее распространение получили методы проектирования составов бетона с требуемой прочностью при сжатии. Это обусловлено, во-первых, тем, что при конструктивных расчетах прочность бетона является основным его параметром, и, во-вторых, предположением, что с прочностью однозначно связаны и другие необходимые свойства бетона. Последнее предположение, однако, не является достаточно общим. Действительно, с прочностью бетона при сжатии однозначно связаны многие его свойства: прочность при изгибе, растяжении, износостойкость, кавитационная стойкость и др. Однако не является однозначной зависимость прочности и морозостойкости, прочности и ползучести и т.д., и их расчетное определение должно быть основано на использовании комплекса специальных количественных зависимостей.  Проектирование составов бетона может рассматриваться как изолированная система (первый тип задач) и как подсистема более общих технологических систем, например проектирования бетонных и железобетонных конструкций и технологии их производства (второй тип задач). В первом случае задача заключается лишь в оптимальном рецептурном обеспечении заданных параметров, а во втором - решается дополнительно и задача оптимизации самих задаваемых параметров (удобоукладываемости смеси, прочности бетона и др.).  Существующая практика предполагает, в основном, решение задач первого типа, что не всегда может оказаться достаточным. Например, стремление технологов добиться максимальной экономии цемента при проектировании бетона заданной прочности не является продуктивным, если сам показатель прочности не оптимален с позиций стоимости конструкций. В частности, применение бетона повышенной прочности может позволить уменьшить сечение конструкций и, таким образом, с позиций расхода цемента на единицу изделий (конструкций), а не на кубометр бетона, может оказаться более выгодным. Аналогично, не всегда технико-эконо-мически обоснованными являются показатели удобоукладываемости бетонных смесей, от которых существенно зависят составы. Например, если критерием оптимизации составов является стоимость конструкции, применение жесткой бетонной смеси может оказаться менее выгодным, учитывая трудозатраты на укладку бетона, чем применение литой смеси, хотя последняя содержит большее количество цемента. В связи с этим представляется рациональным, там где это возможно, объединять усилия конструкторов, технологов и экономистов для комплексного решения задач конструктивного и технологического проектирования бетона.  При проектировании составов бетона в задачах второго типа предполагается их многовариантность. Выбор того или иного состава определяют в конкретных условиях, исходя из принятого критерия оптимальности. Такими критериями наиболее часто могут быть минимальный расход цемента, минимальная средняя плотность бетона, минимальная стоимость бетона. Может быть выбран более сложный критерий, например, стоимость конструкций или даже всего сооружения в целом с учетом не только стоимости бетона но и трудоемкости, стоимости изготовления, перевозки и монтажа конструкций.  В задачах второго типа в качестве оптимизируемых факторов состава бетонной смеси рассматриваются не только рецептурные (соотношение заполнителей, расход добавки), но технологические и конструктивные параметры.  Одним из подходов, связывающих состав бетонной смеси с технологическим процессом, является теоретический подход, разработанный Ю. Сторком. Он предложил рассматривать энергию уплотнения бетонной смеси при вибрации как один из основных параметров состава смеси, обеспечивающий в комплексе с другими факторами, необходимую прочность бетона. Исходя из этой предпосылки, Ю. Сторк вывел ряд уравнений, устанавливающих зависимость между режимом вибрации, составом и физико-механическими свойствами бетонных смесей и бетонов.  В ряде работ получены уравнения, связывающие состав бетона с режимом тепловой обработки, и рассмотрены их решения при различных критериях оптимальности.  Задачи первого типа можно разделить на группы: однопара-метрические, двух- и многопараметрические. В основу такой классификации положено общее количество нормируемых параметров для бетонной смеси и затвердевшего бетона.  Для однопараметрических задач не нормируется обычно в строго определенных количественных границах показатель удобоукладываемости смеси. Указывается лишь его качественная характеристика (смесь полусухая, жесткая, подвижная, литая). Качественно могут характеризоваться и отдельные показатели затвердевшего бетона (бетон морозостойкий, водонепроницаемый, сульфатостойкий и др.). В ряде случаев указывается способ изготовления изделий или выполнения бетонных работ. Могут указываться также условия эксплуатации конструкций. В тех случаях, когда это представляется возможным, технолог вводит в условие задачи проектирования составов количественные показатели, адекватные качественным оценкам, и однопараметрическая задача проектирования состава трансформируется в двух- или многопараметрическую. В остальных случаях приходится, проектируя состав, обеспечивающий нормируемые свойства, вводить необходимые ограничения по расходу воды, В/Ц, крупности и виду заполнителей, содержанию добавки.  Наиболее разработанными и реализуемыми на практике являются двухпараметрические задачи, когда нормируемым свойством бетона является его прочность при сжатии (Псж), а бетонной смеси - показатель удобоукладываемости (подвижность ОК или жесткость Ж). Для решения задач этого типа широко применяются расчетно-экспериментальные методы, использующие ряд известных технологических зависимостей: прочности бетона от цемен-тно-водного отношения, правило постоянства водопотребности бетонных смесей, правило оптимального содержания песка и др.  При решении таких задач для тяжелых бетонов последовательно определяют значения цементно-водного отношения, расход воды с учетом требуемой подвижности или жесткости бетонной смеси и расход заполнителей, используя допущение о том, что бетонная смесь складывается из абсолютных объемов всех ее составляющих. В простейшем случае для четырехкомпонентной смеси необходимо знание трех параметров: цементно-водного отношения (Ц/В), расхода воды (В) и фактора, характеризующего соотношение заполнителей (доли песка в смеси заполнителей (г) или коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором (а)). Последний фактор можно рассматривать как оптимизирующий, т.к. лишь при некотором оптимальном его значении, в условиях Ц/В=сопзт, возможно достижение минимального расхода цемента (рис. 7.1). Чаще всего под оптимальным принимают соотношение заполнителей, обеспечивающее их наилучшую удобоукладываемость или минимальную водопотребность. Для бетонной смеси с большим количеством компонентов строгий аналитический поиск оптимального соотношения заполнителей становится достаточно сложной задачей, требующей применения методов нелинейного программирования и ДР - В некоторых случаях задача может быть упрощена при использовании эмпирических зависимостей.  Оптимизирующим фактором может служить также расход добавки. В частности добавки-пластификаторы позволяют достичь минимального расхода цемента при оптимальном их расходе, который зависит от необходимой подвижности смеси, прочности бетона.  В тех случаях когда, кроме прочности при сжатии, возникает необходимость нормирования ряда других его строительно-технических свойств, задача проектирования состава существенно усложняется.  При проектировании составов различных и, в особенности, специальных видов бетона (гидротехнического, дорожного, кор-розионностойкого и т.д.) возникают многопараметрические задачи. Их можно разделить на три подгруппы:  с нормируемыми параметрами, однозначно связанными с прочностью бетона при сжатии;  с нормируемыми параметрами, неоднозначно связанными с  прочностью при сжатии;  с нормируемыми параметрами, не связанными с прочностью  при сжатии.  В первую подгруппу входят, например, задачи с различными нормируемыми показателями прочности бетона. При расчете составов таких бетонов сначала находится определяющий параметр из нормируемых свойств бетона, соответствующая ему прочность при сжатии и устанавливается минимально возможное Ц/ В, обеспечивающее весь набор свойств. Под "определяющим параметром" понимается такой нормируемый параметр, достижение которого предполагает одновременно достижение и всех других параметров, указанных в условии задачи.  Разработка достаточно общего и доступного расчетно-экспериментального метода проектирования составов бетонных смесей с заданной удобоукладываемостью и прочностью бетона стала возможной благодаря использованию ряда допущений, сделанных на основе физических закономерностей, обусловленных влиянием структуры бетона на его свойства. Такими закономерностями являются закон (правило) водоцементного отношения, правило постоянства водопотребности бетонных смесей, правило оптимального содержания песка и др. Данные закономерности могут быть использованы и при многопараметрическом проектировании составов бетона. При этом общая схема метода следующая:  1 С учетом проектных требований к бетону, технологических условий и технико-экономического анализа выбираются исходные компоненты бетонной смеси и ее удобоукладываемость.  2 В тех случаях, когда нормируются свойства бетона, однозначно связанные с прочностью бетона при сжатии Рсж (прочность при растяжении, изгибе, модуль упругости, условная растяжимость и др.), определяется значение последней, обеспечивающее заданные свойства.  3. С учетом активности цемента, качественных особенностей за  полнителей, условий твердения и других факторов определяется Ц/В, обеспечивающее заданные свойства.  4. Для достижения требуемого показателя удобоукладываемости и при необходимости других свойств бетонной смеси и бетона (например, усадки) при использовании данных исходных  материалов и добавок определяется расход воды (В). При этом в случае выхода за пределы правила постоянства водопотребности расход воды корректируется с учетом Ц/В.  5. При нормировании морозостойкости бетона рассчитывается требуемый объем эмульгированного воздуха и уточняется необходимое Ц/В.  6. При найденных значениях В и Ц/В проверяется возможность достижения нормируемых свойств, которые определяются этими двумя технологическими параметрами. В случае недостижения нормируемых параметров производится дополнительное корректирование В и Ц/В с использованием при необходимости специальных технологических приемов (введение добавок и др.).  7. Рассчитывается с учетом окончательно найденных Ц/В и В расход цемента и проверяется выполнение ограничений, связанных с расходом цемента (тепловыделение, стойкость к коррозии и др.).  8. Рассчитывается состав мелкого и крупного заполнителя при введении нескольких фракций, а затем их расходы. При выборе соотношения заполнителей наряду с достижением наилучшей удобоукладываемости и прочности принимаются во внимание и другие условия (повышенная водонепроницаемость, толщина конструкции, степень армирования и др.).  9. Рассматривается возможность использования различных технологических решений, направленных на экономию цемента, снижение энергозатрат, уменьшение стоимости бетонной смеси.