Разрушение бетона при переменном воздействии воды и отрицательных температур
Наряду с изучением механических свойств бетона и железобетона—прочности при разных случаях напряженного состояния от действия статических и динамических нагрузок, ползучести, усадки — громадное значение приобрело систематически развивающееся исследование условий стойкой работы этих материалов. В основу изучения морозостойкости, как и других свойств, определение которых связано с изучением деформаций бетона (раствора), положен принцип его испытания до стадии разрушения. Неправильно морозостойкость оценивать по лимитированному числу циклов, нормируя величину потери прочности бетона (раствора) и массы образцов. Это приводит к случайностям в оценке качества и не позволяет судить о морозостойкости конкретного бетона по существу.
Однако неверно изучать морозостойкость только путем изменения способа оценки этого свойства без привлечения ряда положений, в первую очередь, принципа получения бетона любой длительной сопротивляемости воздействию внешней среды.
Проектирование морозостойких бетонов — создание бетонов с такими структурными компонентами (цементным камнем, каменными заполнителями, контактной зоной между ними), в которых не будут протекать процессы замерзания воды или часть ее будет многократно превращаться в лед и вновь переходить в жидкое состояние без деструкции материала. Так как по выдвигаемому нами положению коэффициент k всегда больше 1, бетон не только не снизит прочность, но в процессе длительного твердения будет систематически упрочняться.
Следует еще раз напомнить, что цемент является полиминеральным и полидисперсным материалом, агрегированным в комочки из слипшихся зерен. В технической литературе можно встретить утверждение о том, что при существующих методах испытания упрочнение бетона —показатель его высокой долговечности. Это не так, потому что в любом бетоне, в том числе и не относящемся к кате категории долговечных, имеются процессы упрочнения и деструкции. С определенного числа циклов замораживания и оттаивания процессы деструкции будут превалировать над процессами твердения, и материал разрушится. Сложность изучения морозостойкости бетона пока не позволяет отказываться от экспериментального пути.
Эксперименты по обширному циклу исследований морозостойкости бетона и железобетона, условий выполнения работ и твердения бетона при одновременном воздействии агрессивных сред, особенно в лабораторных условиях, весьма сложны, трудоемки и дороги. Естественным является организация экспериментов в натуральных условиях. Для этого в СССР созданы климатические станции, где бетон замораживается и оттаивает от двух до нескольких раз в течении каждых суток.
Опыты на таких станциях позволили сделать ряд выводов для теории бетона и практики строительства. Последующие исследования должны, в частности, выяснить виды связей между испытаниями на климатических станциях и в лабораторной камере холода.
Важно решить вопрос о степени разрушения бетонов при понижении температуры замораживания ниже стандартного показателя; уточнить границы зон бетона в сооружениях. Испытания в длительные сроки эксплуатации различных бетонов позволяют утверждать, что бетоны высокой морозостойкости обладают и другими важными техническими свойствами. Отсюда (с известной условностью) нами составлены проекты связи свойств через марку морозостойкости.
Для установления такой универсальной зависимости свойств бетона между собой их определение должно осуществляться в комплексном плане с применением наиболее современных методов. Это определение структуры цементного камня (рентгенографический, электронно-микроскопический, микроскопический, деривато-графический анализы цемента); минералогического состава; водо-отделения цемента и количества вовлеченного воздуха; систематический контроль изменений в структурах компонентов бетона, в его текстуре при помощи ультразвуковой дефектоскопии; испытание деформативных свойств бетона, в том числе на ползучесть, вибро-ползучесть, усадку и др.
Нельзя рассматривать каменные заполнители вне Их генезиса, а цементный камень — вне технологии производства работ. Например, не морозостойкость структуры каменных материалов вызывает разрушение бетона даже при наличии в данных агрессивных условиях цементного камня с долговечной структурой. Кроме того, повышение морозостойкости цементного камня усиливает и ускоряет процесс такого разрушения бетона.
В технической зарубежной литературе до начала систематического изучения морозостойкости бетона можно было встретить значительное количество неверных формализованных положений. О. Граф считал, что устойчивость бетона зависит от его механической прочности; Мак-Миллан устойчивость бетона связывал с назначением в нем минимального расхода цемента; Дэвис устойчивость бетона ставил в зависимость от механической прочности и химического состава цемента; Лайз долговечность бетона считал мало зависящей от прочности и химического состава цемента и т. д. Интересное и правильное положение об определении морозостойкости строительных материалов высказал в 1915 г. К. Я. Ильке-вич в оригинальной работе «Строительные вяжущие вещества, бетонные огнестойкие постройки и их санитарная оценка». Он считал, что проба на мороз в различных климатах должна производиться различно, а именно — в соответствии с температурными условиями каждой данной местности. Морозоупорность материалов для каждой местности должна быть, так сказать, своя. К сожалению, это верное мнение до сих пор в полной мере не находит применения не только во многих исследованиях, но и не отражено в нормативных документах.
По рассчитанному числу циклов замораживания назначают материалы, состав бетона, условия его приготовления. Заметим, что данные для этой таблицы были рассчитаны для температур воздуха не ниже (—25) —(—30)° С. Следовательно, при более низких температурах, учитывая, что бетон, не имеющий высокую морозостойкость, разрушается в несколько раз быстрее, надо применять крайние составы бетона (не разрушающиеся при нескольких тысячах циклов испытания). Однако получение бетона особо высокой долговечности не требует больших затрат или удлинения сроков строительства. Не трудно показать, что долговечность сооружений, их стоимость, равная стоимости бетонов небольшой долговечности, зависит от высокой культуры строительных работ.
Это не означает, что любой цемент и каменный заполнитель можно применять там, где они не пригодны, что видно из таблицы назначения этих материалов для бетонов рассчитанной морозостойкости на различное число циклов испытания. Таким образом, высокую морозостойкость можно обеспечить на реально существующих материалах при точном соблюдении условий. Неверно считать какой-либо из ее пунктов второстепенным или полагать, что, выполняя только часть их, .можно достичь высокой морозостойкости бетона.
Для разработки аналитических методов расчета морозостойкости бетона (раствора) необходимы значения перечисленных выше условий, которые, в свою очередь, связаны и определяются сложными физико-химическими процессами твердения цемента. Только многофакторная зависимость позволит приблизиться к точному решению практической задачи по назначению долговечных бетонов. Предполагаем, что долговечны только те материалы, в которых при любом числе циклов не возникнет деструкция. Многолетние исследования приводят к заключению, что, прежде чем отказаться от оценки морозостойкости по циклам испытания, необходимо с полной убедительностью установить механизм разрушения бетона (раствора) при данной агрессии и, не испытывая этот материал, научиться с должной надежностью определять те физические константы, числовые значения которых дают надлежащие сведения о стойкости бетона (раствора) и морозостойкости иными методами.
Многочисленные испытания морозостойкости бетонов (растворов) различных составов по методике, указанной выше, позволили прийти к утверждению о роли многофакторной зависимости, наметить перечень факторов и их числовые значения. Полученные результаты длительного замораживания и оттаивания указывают на важность оценки морозостойкости с помощью ультразвуковой дефектоскопии. Некоторые исследователи считают, что после значительного числа циклов испытания (до 2 тыс.) бетоны (растворы) не могут разрушаться при дальнейшем увеличении срока испытаний.
Длительная сопротивляемость материала замораживанию и оттаиванию свидетельствует об относительно меньшем числе дефектных 1мест, с которых в дальнейшем и начнется процесс деструкции. Начавшееся разрушение при дальнейшем испытании приобретает лавинный характер. Надо отметить положительное влияние добавки с. с. б. Следовательно, длительность испытания должна быть разделена как бы на два периода: 1) подготовительный, когда в зависимости от числа, характера и мест расположения дефектов возникает напряжение, вызывающее деструкцию материала; 2) период лавинных изменений в монолитности структуры цементного камня, когда разрушаются морозостойкие связи вследствие изменения их конструкции, до этого разрушения морозостойкой.
При выборе конкретной видомарки с учетом условий работы бетона следует руководствоваться дополнительными условиями, нормируемыми в соответствующих СНиПах и ГОСТах. Дефектными местами, вызывающими деструкцию в стадии подготовительного периода в бетоне и железобетоне, могут быть: 1) капилляры различных диаметров и качества с наличием в них воздуха и без него; 2) воздушные поры и полости разных размеров; 3) контактный слой с минералом C2S и крупными зернами минерала C3S, образования из выделившейся извести; 4) контактный слой с минералами зерен шлака и различных минеральных добавок, не вступающих в химическую связь с новообразованиями цемента (с гидратированными силикатами кальция); 5) новообразования из ряда минералов цемента С3А, C4AF и аналогичные им структуры; 6) места, в которых несвоевременно появляются новообразования из гидросульфоалюмината.
Влияние указанных дефектных мест на морозостойкость нельзя рассматривать вне значений В/Ц и условий производства работ. Наличие в цементе преимущественно силикатов кальция при невысоком содержании воды в условиях длительных сроков твердения при оптимальных режимах обеспечивает частичное закрытие ряда дефектов, снижение их влияния. Следовательно, чем в более ранние сроки твердения бетон подвергается замораживанию и оттаиванию, тем больше вероятности его разрушения при прочих равных условиях.
Чтобы упростить представление о структуре капилляров, формирующихся при гидролизе и гидратации цемента, когда значительная часть воды затворения остается вне химического процесса, нее капилляры следует разделить на активные и пассивные, исходя из механизма их действия на структуру цементного камня. Активные те капилляры, в которых вода переходит в лед — твердую фазу с возникновением напряжений, вызывающих деструктивный процесс в области их расположения; пассивные те, в которых независимо от того, переходит ли в них вода в лед или нет, не возникают напряжения, связанные с деструкцией цементного камня. Переход воды в лед зависит от ее температуры и размера капилляров, поэтому в капиллярах одного и того же диаметра процесс будет эпизодическим, следовательно, название капилляров активными или пассивными будет не стабильным.
Возможен и такой случай формирования капилляров, когда в них защемлен воздух, попадающий в итоге контракции системы цемент — вода при их химическом взаимодействии.
В этих капиллярах воздух будет служить амортизатором критических напряжений при образовании льда, поэтому они не возникнут до начала лавинного процесса разрушения бетона (раствора) в стадии подготовительного периода. В настоящее время наличие или отсутствие воздушных буферов экспериментально показать не представляется возможным. Однако указанная гипотеза о роли воздушных буферов хорошо подтверждается изменением состояния бетона.
Свежеприготовленные образцы из бетона (раствора) в формах устанавливают в сосуд с водой, из которого можно удалять воздух. Затем их испытывают на морозостойкость параллельно с эталонными образцами. Результаты показывают, что прочность обеих серий образцов, твердевших в нормальных условиях, одинакова, но морозостойкость образцов, подвергавшихся насыщению, «резко отличается от морозостойкости ненасыщенных. При этом оба периода разрушения как бы сливаются в одну стадию. Образцы разрушаются сразу по всему объему, что легко проверить, растирая его руками на мелкие частицы. Известно, что образцы, изготовленные па морозостойком каменном материале, постепенно разрушаются, начиная с поверхности, систематически углубляясь в толщу или с участков бетона (раствора), не содержащих воздух. В этом же опыте удается отделить каждое зерно песка, так как цементный камень полностью разрушен и потерял монолитность.
Перечисленные дефектные места в цементном камне можно рассматривать именно с позиций этого эксперимента, т. е. по причине производства работ, в технологии которых этот факт не учтен. Только направляя процесс структурообразования в нужное русло для создания долговечного материала, можно получить и надлежащий эффект. Следовательно, необходимо применять бетонные (растворные) смеси с минимальным содержанием воды; уплотнять смеси до заданной плотности, не допуская расслоения; обеспечивать длительность твердения, заданную в проекте; использовать только такие материалы, которые рассчитаны по морозостойкости.
Сказанное о роли пассивных и активных капилляров в бетоне (растворе) нужно использовать при анализе различных исследований морозостойкости. Неучет температурного фактора приводит к серьезным ошибкам, так как один и тот же состав бетона, если он не проектируется как долговечный, при одних температурах замораживания морозостоек, а в условиях эксплуатации сооружения не морозостоек из-за более низкой температуры воздуха. Для оценки бетона после визуального осмотра предложена десятибалльная такала. То же следует сделать и для других конструкций при изучении их стойкости с параллельной оценкой состояния материала с помощью ультразвукового дефектоскопа.