24 Окт 12 Проблема долговечности бетона

Усиленное внимание к проблеме долговечности бетона и железобето­на, обусловленное ведущей ролью этих материалов в современном строи­тельстве, закономерно. Накопление построенных железобетонных соору­жений, их преждевременное повреждение и разрушение не только увели­чивают расходы на ремонт, содержание и восстановление, но и ставят не­простые экологические проблемы. Миф о "вечности" железобетона постепенно развивается, и необходимость считаться с ограниченными сроками его службы становится очевидной.

Чтобы наряду с руинами средневековых замков не возникли руины современных промышленных предприятий в виде гор железобетона, надо строить разумно — рассчитывая сроки службы конструкций и уже сейчас заботясь об утилизации отходов — отслуживших свой срок старых конструкций.

Строительство на заданные сроки службы возможно только при зна - ■ кии процессов взаимодействия материала конструкций с окружающей средой. Как показано в книге, эти процессы не просты и многообразны. Если до последнего времени придание бетону эксплуатационной пригод­ности и способности сохранять эту пригодность в течение необходимых сроков осуществлялось за счет контроля свойств — испытанием образ­цов в лабораторных условиях и использования данных практически, обобщенных в нормативных документах, — то в настоящее время, как показано в книге, появилось достаточно данных о процессах коррозии и их кинетике, которые позволяют поставить на очередь разработку ме­тодов расчета сроков службы бетона или железобетонных конструкций в конкретных условиях эксплуатации. Предстоит еще большая работа для создания методологии таких расчетов с тем чтобы их результаты были достаточно надежны. Для сегодняшней практики могут быть ре­комендованы упрощенные инженерные расчеты наиболее распространен­ных и простых случаев. Условия взаимодеиствия среды и конструкций и составы действующей на конструкции внешней среды слишком много­образны, чтобы в настоящее время дать универсальный метод проекти­рования конструкций на заданный срок службы. Авторы понимают условность и приближенность предлагаемых методов, однако надеются, что приведенный в книге детальный анализ влияющих факторов помо­жет лучше попять "жизнь" бетона и арматуры в различных конструкциях и сооружениях в многообразных природных и промышленных средах. Сопоставление реальных условий, на соответствие которым проектирует­ся сооружение, с данными исследований позволяет подойти обоснованно к назначению требований к составам и свойствам бетона для долговеч­ных сооружений.

Если при расчете сооружений (конструкций) на силовые воздействия строительная механика и сопротивление материалов поднялись уже на уровень, позволяющий в большинстве случаев надежно проектировать конструкции, то для процессов изменения свойств материалов во време­ни под действием внешней среды это значительно труднее; во времени изменяются не только свойства материалов, но необходим и прогноз изменения параметров внешней среды. Такой прогноз должен учщывать противоположные тенденции — усиления агрессивности сред вследствие увеличения объемов антропогенного воздействия на природную среду (воздух и воду) и ослабления агрессивности среды вследствие усиления работ по уменьшению вредных выделений промышленности в окружаю­щую среду.

Анализ тенденций в области причин повреждения железобеюнных конструкций показывает, что преимущественное значение приобретают процессы коррозии стальной арматуры. В этом свете весьма показатель­ны принятые за последние годы в некоторых странах решения об увели­чении толщины и защитного слоя бетона v арматуры (ФРГ. ГДР). Хотя зто и ведет к утяжелению конструкций и заметному уьслпчениш [метода бетона, снижение в дальнейшем эксплуатационных расходов - повыше­ние эксплуатационной надежности сооружений — оказывается экономи­чески оправданным. В нашей стране, к сожалению, пока не придается должного значения комплексу мер, направленных на создание долговеч­ных сооружений, понимая под этим сооружения, сохраняющие в течение заданного срока эксплуатационные характеристики без существенных расходов на ремонты и содержание. Стремление построить как можно больше и быстрее приводит к игнорированию вопросов качества, являю­щегося основой долговечности конструкций.

Бетон — материал, свойства которого формируются в результате тех­нологического процесса, который требует соблюдения вполне определен­ных темпераіурно-влажностньїх условий в течение определенного времени и эти параметры имеют решающее значение для свойств бетона, определяющих его стойкость во времени. За последние годы стремле­ние максимально интенсифицировать производство привели к пренебре­жению вопросами длительной стойкости получаемых конструкций. Интенсификация технологического процесса за счет увеличения тонкости помола цемента, повышения температуры тепловлажностной обработки, стремление снизить отпускную прочность бетона так же, как и введение в состав вяжущего повышенных количеств минеральных добавок, в том числе, не активных, с целью экономии цемента — все это не способствует повышению качества, а снижает сопротивляемость бетона воздействиям внешней среды. В этих условиях всем аспектам долговечности конструк­ций должно уделяться особое внимание.

Дальнейший прогресс в технологии бетона в части изготовления дли­тельно стойких конструкций можно видеть в создании на предприятиях, изготавливающих бетон, условий для выпуска специальных и обычных бетонов, приспособленных для эксплуатации в самых различных услови­ях, и возможность изготовления из таких бетонов конструкций по раз личным технологиям. Можно надеяться, что в будущем бетоны и конст­рукции из них, стойкие в большинстве природных сред, будут получать­ся за счет применения специальных цементов, резкого повышения плот­ности — непроницаемости бетона, введения специальных добавок, сни­жающих количество воды в составе бетона и условий твердения, гаран­тирующих получение оптимальной структуры цементного камня.

В промышленных средах, не говоря о бетонах для технологического оборудования, условия работы должны быть, наконец, приведены в сос­тояние, соответствующее современному уровню технической культуры производства. Устранение технологических проливов агрессивных жид­костей, газовых выбросов, превышения ПДК по содержанию агрессив­ных газов в воздушной среде и содержания агрессивных веществ в сточ­ных водах должны быть основным условием длительной стойкости же­лезобетонных конструкций. Там, где это необходимо, следует учитывать, что наиболее чувствительным и ответственным элементом железобетон­ной конструкции является арматура и, следовательно, должны быть при­няты меры по ее защите как за счет повышения защитных свойств бето­на, так и в результате специальных мер. Вторичная защита бетона лако­красочными покрытиями или другими способами должна быть, как пра­вило, исключена Содержание данной книги и направлено на достижение этой цели.

[1] Содержание сульфатов не должно превышать пределов, указанных в табл 2.2 И 2.3.

[2] Оценка агрессивного воздействия среды по водородному показателю pi. не распространяется на растворы органических кислот - высоких концентраций и углекислоту.

[3] 88,3 1,7 2,3 3,5 1,3 1,3 Гель Si(OH)4, незначи-

2,5 2,0 18

3,5 6,0 18

1,5 6,0 18

1,5 0,66 33

2,5 0,66 51

3,5 1,0 58

В [7.34] получены данные о скорости развития хлоридной коррозии стали в бетоне при разном количестве добавки СаСІ2 и относительной влажности воздуха.

Образцы 4x4x16 см мелкозернистого бетона (цемент:песок — 1:3, В/Ц = 0,55) на портландцементе марки 400 с центрально расположенным стержнем арматуры класса В-І длиной 130 и диаметром 5 мм. Добавка хлоридного кальция 2, 5 и 8% по массе цемента в расчете на хлорид-ион. После пропарки при 80°С и 2,5 мес выдержки при t = 20°С и >р = 10% Образцы поместили в гигростаты при той же температуре и относитель­ной влажности, %>: 40, 50,70 и 90.

Равновесное влагосодержание бетона после 18 мес (рис. 7.20) нахо­дится в прямой зависимости от величины добавки хлорида.

Степень поражения арматуры возрастала с увеличением влажности и содержания хлоридов в бетоне (рис. 7.21 и 7.22). При этом намечается 2 порога при относительной влажности 50% и менее первоначальное пора­жение почти не возрастает (исключая бетон с 8%-й добавкой хлорида); при содержании хлорида 2% и менее нет резкого роста поражения до относительной влажности 70%.

В обоих случаях, очевидно, преобладает омический контроль процесса коррозии, если сравнить точки на кривых 2 и 4 (рис. 7.20) с точками на кривых 2 и J (рис. 7.21).

Изложенное позволяет заключить, что для прогнозирования скорости развития коррозии стали в бетоне после потери его пассивности необхо­димо учитывать ряд факторов: ионный состав жидкой фазы и его изме­нения во времени, влажностное состояние бетона в связи с влажностью среды и характером влагопереноса, проницаемость бетона в защитном слое для кислорода в связи с особенностями его структуры и влаж­ностью, омическое сопротивление бетона.

Показано, что существенно меньшей скоростью (до 1 порядка величи­ны) отличается процесс коррозии стали конструкций в воздушной среде вследствие карбонизации бетона сравнительно с коррозией в бетоне, со­держащем хлориды при концентрации выше критической.

Омическое ограничение коррозии стали в воздушно-сухом бетоне имеет решающее значение для карбонизированного бетона без хлоридов. В наибольшей степени способствует развитию коррозии арматуры в та­ком бетоне периодическое изменение влажности в зоне расположения

[5] «

[6] Диффузия и j порошка полиминеральной руды.

Несмотря па то, что при относительной шіажіюсти воздуха 60 и 75% хлористый натрий не поглощает влагу (его інгроскопическая точка соот­ветствует влажности 78%), диффузия хлорид-ионов осуществляется, ви­димо, в пленках жидкой фазы бетона. Заметное увеличение скорости поглощения хлоридов бетоном при влажности 95л связано, очевидно, с наложением на процесс диффузии капиллярного всасывания солевого раствора, который образует порошок хлористого натрия при высокой влажности воздуха.

С понижением В/Ц цементно-несчаного раствора с 0,6 до 0,4 диффу­зионная проницаемость его уменьшается 0,15...2,5 раза.

Значительное уменьшение проницаемости с течением времени, особен­но за первые 3 мес, связано с уплотнением структуры за счет продол­жающейся гидратации цемента, о чем свидетельствуют данные о сквоз­ной пористости (табл. 7.24).

Как слсдуеі из табл. 7.29, диффузия хлорид-иипов из ныли иолимине - ральной среды замедлена но сравнению с диффу шей из порошка хлорис­того натрия, очевидно, в святи с тем, что пыль руды насыщает солевой раствор также ионами магния н сульфат-ионами, которые связываются в относительно тонком внешнем слое бетона (рис. 7 45) и уплотняют его структуру, уменьшают ее проницаемость.

Нами совместно с Ф. Курбановым были выполнены исследования про­цессов диффузии хлоридов из засоленного влажної о песчаного грунта в

[7] flo данным Н И. Бабушкина [7.6], поротное значение ріі сисіашіяет 11,8 ед.

[8] Имеются экспериментальные данные, согласно которым зерпа пористого за­полнителя при известных требованиях к составу бетона не увеличивают заменю проницаемость бе юна для углекислого і аза.

[9] На основании специальных исследований и опыта эксплуатации оі раждающи конструкции и j легких бсіоиов на пористых заполнителях и зданиях с су мім >| нормальным режимом в СССР нормами проектирования не нредусма Iрнваотч специальной защиты иеиапрягасмой арматуры. Наблюдающаяся за счет повышен ной технологической влажности бетона коррозия арматуры перестает развиваться через 2...3 года эксплуатации здания, когда устанавливается низкая влажность бет на и развитие коррозии арматуры эффективно тормози ген омическим ени^огнвле ниєм Оеюіи.

И! і II

[10] Подробнее см. гл. 10.

Рис. 8.1S. Распределе­ние срока службы по проекту 1 и 2

[11] В течение 510 сут.

[12] Дефекты (трещины) защитного слоя бетона.

В состоянии пониженной склонности к коррозионному растрескива­нию у оцинкованных и неоцинкованных образцов стали ЗОХГСА и про­волоки класса В-ІІ за 510 сут. — растрескивания не наблюдалось.

Изложенные результаты показывают, что цинковое покрытие может использоваться для высокопрочной арматуры без опасения ее водород­ного охрупчивания.

[13] Над чертой - для плоских плит, стеновых Пінелей, полок ребристых нлнг; под чертой - для балок, колонн, ребер плит.

[14] В записи мости от агрессивности среды без учета диаметра н вида арматуры, крупности заполнители.

Кроме минимального значения почти все нормы предусматривают прямую зависимость толщины защитного слоя от диаметра стержня. /Для пучковой арматуры используется понятие эквивалентного диаметра ®ед ~ D V^? где п — число стержней в пучке. В некоторых странах имеют­ся рекомендации по толщине защитного слоя в зависимости от макси­мальной крупности заполнителя.

Для обеспечения надежного уплотнения бетона ограничивается мини­мальный просвет между стрежнями в зависимости от их диаметра и максимальной крупности заполнителя. Просвет по горизонтали варьи­руется в пределах 20...25 мм, 1 ...2 диаметра стержня, 1 ...4/3 наибольшего размера зерна заполнителя, либо эта величина плюс 10 мм. Просвет по вертикали допускается меньшим, чем по горизонтали.

Обычно нормы ограничивают ширину раскрытия трещин тем больше, чем выше степень агрессивности, однако последняя, как правило, опре­деляется качественно и по-разному в разных странах.

По данным П. Шиссля [2.27], при хорошем качестве защитного слоя