Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




21.06.2018


21.06.2018


21.06.2018


20.06.2018


20.06.2018


20.06.2018


20.06.2018


20.06.2018


20.06.2018


20.06.2018





Яндекс.Метрика
         » » Влияние внешних факторов на долговечность бетона

Влияние внешних факторов на долговечность бетона

31.03.2016

Способность бетона не разрушаться в процессе эксплуатации при действии различных внешних факторов — основа долговечности сооружаемых конструкций и объектов.
В более узком смысле долговечность может быть определена как способность бетона к устойчивости при воздействии переменных температур, мороза, солнца, атмосферных осадков, грунтовых и морских вод, агрессивных минеральных и органических сред, динамических и статических нагрузок.
Степень агрессивного воздействия внешней среды определяется не только химическим составом, но и комплексом физических и физико-химических факторов, характеризующих условия контакта среды и сооружения, особенности процессов коррозии и разрушения.
С учетом воздействия агрессивных факторов на бетон возникающие виды коррозии можно классифицировать как физические, химические, физико-химические, электрохимические и микробиологические.
К факторам, обусловливающим физическую коррозию бетона и других капиллярно-пористых строительных материалов, относят нагрев и охлаждение, циклическое насыщение растворами солей, попеременное насыщение водой, замораживание и оттаивание. Они приводят к появлению в бетоне и железобетоне внутренних напряжений и способствуют развитию деструктивных процессов как вследствие температурных объемных изменений компонентов, т. е. термического расширения и сжатия, так и за счет фазовых превращений воды, кристаллизации солей и связанных с этим физических и физико-химических явлений.
Температурные деформации неизбежны и присущи всем конструкциям, когда изменения температуры среды носят циклический характер. Наиболее существенно прочность камня снижается при воздействии температур выше 373 К вследствие протекающих процессов обезвоживания и перекристаллизации продуктов гидратации, приводящих к деструктивным процессам в цементном камне. При этом изменение прочности гидросиликатов кальция различно и зависит от их основности и степени закристаллизованности. При снижении основности гидросиликатов кальция их перекристаллизация в безводные минералы протекает более плавно. Как отмечено ранее, при С/S = 0,5/0,9 эта перекристаллизация происходит без серьезных нарушений структуры.
Термостойкость гидросиликатов кальция определяется видом связанной воды и для ксонотлита и α-С2S-гидрата, содержащих в своей структуре ионы OH- выше, чем для тоберморита и CSH (I), включающих в свою кристаллическую решетку (SiOH)3+ группы и молекулярно связанную воду.
По А.Е. Шейнину усадочные деформации цементного камня определяются гелевидной составляющей. Усадка зависит от минералогического состава вяжущего: наибольшей усадкой отличаются высокоалюминатные и белитовые цементы, значительно меньшей — алитовые, что объясняется образованием значительного количества крупнокристаллической фазы Ca (OH)2. Деформации набухания и усадки могут изменяться в зависимости от количества и качества заполнителей, вида и расхода цемента, водоцементного отношения.
Усадочные деформации также зависят от степени карбонизации под действием CO2. При карбонизации происходит дополнительная необратимая усадка. Вместе с тем, карбонизированные образцы претерпевают при колебаниях влажности меньшие усадочные деформации, чем некарбонизированные, что объясняется снижением удельной поверхности новообразований.
Циклическое увлажнение и высушивание при эксплуатации бетона сопровождается меняющимися процессами усадки и набухания. В результате в камне накапливаются остаточные деформации, расшатывающие структуру, снижающие прочность и долговечность.
Цементы с наименьшей максимальной усадкой при полном высушивании водонасыщенных образцов обладают большей стойкостью к попеременному увлажнению и высушиванию.
Основная причина значительного снижения предела прочности при изгибе в условиях попеременного увлажнения и высушивания связана с характером поровой, капиллярной и гелевой структур материала. Регулирование характера последних — один из путей стабилизации прочностных характеристик во времени. Изменение температуры в пределах 277—328 К существенно не влияет на коэффициент термического расширения, хотя могут возникать местные внутренние напряжения из-за различия значений этого коэффициента отдельных составляющих.
Тепловое воздействие окружающей среды на бетон приводит к появлению в нем нестационарных потоков теплоты и веществ, включая потоки газов, водяного пара и жидкости (порового электролита).
При нарушении влажностного равновесия между бетоном и средой из-за неравномерной диффузии влаги в нем могут возникать значительные градиенты влажности, что приводит к появлению усадочных деформаций (при высушивании) или деформаций набухания (при насыщении водой).
Усадочные деформации в цементном камне обусловлены особенностями кристаллического строения структурообразующих элементов, в том числе наличием в их составе воды различных форм связи. В силу этого структурные составляющие цементного камня с жестким кристаллическим сростком препятствуют развитию усадочных явлений.
Снижение усадки низкоосновных гидросиликатов кальция наблюдается при внедрении в их кристаллическую решетку некоторых ионов: при замещении групп (SiO4)4- ионами Al3+ и SO4в-2 или ионов Ca2+ ионами Na+ усадка уменьшается в 2,5 раза, при этом повышается атмосферостойкость.
He менее негативно на свойствах материала сказывается действие отрицательных температур. Морозостойкость бетона — условная характеристика, оценивающая способность сохранять прочность и другие физико-механические свойства при многократном замораживании — оттаивании.
Анализ большого числа экспериментальных данных о влиянии вещественного и минералогического состава цемента на морозостойкость бетона показывает отсутствие прямой зависимости между прочностью и морозостойкостью, в то же время следует подчеркнуть, что морозостойкость в значительной степени зависит от факторов, определяющих структуру бетона.
По данным существенное влияние на морозостойкость оказывает В/Д, причем, еще более значительным, чем указанная характеристика, является общее содержание воды в единице объема бетона. Бетоны из смесей разной удобоукладываемости, уплотненные различными методами, характеризуются прямой зависимостью между расходом воды и морозостойкостью. В то же время морозостойкость зависит и от объема цементного камня, так как деструктивные напряжения возникают именно в нем. При одинаковом качестве цементного камня и равном В/Ц более морозостоек бетон с меньшим объемом цементного камня, т. е. с меньшим количеством воды и цемента.
Зависимость морозостойкости от В/Ц обусловлена особенностями структуры цементного камня. Образование морозостойких структур прямо связано с использованием эффекта контракции, при котором воздух — необходимая составная часть цементного камня, расположенная как буфер в пространствах, образующихся при гидратации минералов цемента.
Зависимость морозостойкости бетона от содержания воздуха неоднозначна, так как наибольшей эффективностью обладает не всякий вовлеченный воздух, а определенная структура цементного камня, в которой искусственно создаваемая пористость представлена сферическими порами, заполненными воздухом, и разделенными перегородками цементного теста определенной толщины, создающими эффект условной замкнутости пор.
Степень повреждения бетона при действии отрицательных температур зависит от степени его водонасыщения. Однако это сложная зависимость, так как она определяется не только общим объемом пор, насыщаемых водой, но и их размером, формой, проницаемостью поровой структуры для воды и воздуха.
В процессе замораживания и оттаивания происходит медленное и постепенное заполнение воздушных пор водой и важно, чтобы степень критического водонасыщения не была достигнута за один зимний сезон, тогда в летний период восстанавливается первоначальное состояние по водонасыщению и бетон приобретает первоначальную прочность и морозостойкость.
Создание заданной структуры цементного камня может быть достигнуто за счет применения воздухововлекающих и газовыделяющих добавок, а также полимерных газонаполненных микросфер.
Наиболее перспективно повышать морозостойкость за счет введения в состав бетона пористых заполнителей (например, керамзитового песка). Кроме создания объема резервных пор появляется деформируемый компонент, который создает повышенную деформативность бетона и увеличивает его способность к релаксации напряжений, возникающих в процессе замораживания и оттаивания. Также представляют интерес данные о морозостойкости бетона с новыми добавками типа «микрокремнезема». Высокая активность этого вещества, уплотняющее действие на структуру цементного камня и повышение прочности способствуют повышению морозостойкости бетона.
Абсолютное количество воздуха (в % к общему по объему бетона) еще не определяет значение морозостойкости и может изменяться в широких пределах без существенного влияния на данное свойство бетона. Согласно данным для придания бетону высокой морозостойкости достаточно 1,5 % воздуха, если он имеет необходимый размер пузырьков, составляющих сотые и десятые доли миллиметра. Это подтверждается расчетами необходимого объема резервных пор для размещения приращения объема образующегося льда.
А.В. Акимовым предложен критерий морозостойкости бетона Км, учитывающий влияние на морозостойкость макро- и микроструктуры бетона:
Км = С+Р3/Р2,

где С — объемная концентрация цементного камня в бетоне; P2 — группа пор, снижающих морозостойкость (пор, насыщающихся водой при выдерживании бетонных образцов в воде); P3 — «условно-замкнутые» или «резервные» поры (вода попадает в них только при насыщении образцов под вакуумом).
Морозостойкость бетона в значительной степени зависит от солевого состава воды, насыщающей его поры. Разрушение бетона в растворах электролитов усиливается вследствие возможного проявления коррозионного действия растворенных солей. При увеличении их концентрации значительную роль играет миграция влаги в поровом пространстве бетона при отрицательной температуре под влиянием градиентов температуры, влажности и осмотического давления.
По данным А.И. Минаса в случае подсоса растворов солей при T = 291/303К и относительной влажности воздуха W = 40/45 % через 120 сут давление, возникающее при кристаллизации сульфата натрия, составляет 0,4 МПа, а при кристаллизации MgSO4 — 0,35, NaCl — 0,3 МПа. Особенно опасно, когда в порах бетона вначале кристаллизуются безводные соли, а затем, с появлением соответствующих условий, эти соли превращаются в кристаллогидраты. Такие превращения сопровождаются увеличением объема твердой фазы и возникновением значительных внутренних напряжений в теле бетона. Предельные осмотические давления, которые могут возникать в цементном камне при подсосе некоторых типов солей, приведены в табл. 1.2.
Таким образом, повышение стойкости цементного камня к действию различных физических факторов реализуется за счет регулирования фазового состава продуктов гидратации (при действии повышенных температур), изменения соотношения кристаллических и гелевидных фаз (усадочные деформации), корректировки поровой структуры (при действии пониженных температур).
Влияние внешних факторов на долговечность бетона

К химическим факторам коррозии относят воздействие кислот, щелочей, растворов солей, различных органических соединений, а также всех видов газообразных кислотных оксидов, При изучении химических факторов коррозии бетона необходимо учитывать химический и минералогический составы бетона, что, с одной стороны, определяет химизм и термодинамику процессов, а с другой — капиллярно-поровую структуру бетона, от которой во многом зависит кинетика процесса.
Современная теория коррозии капиллярно-пористых тел основывается на классификации В.М. Москвина, учитывающей характер взаимодействия цементного камня с агрессивной средой. В общем случае стойкость цементного камня к действию химических реагентов определяется содержанием и свойствами фазовых составляющих, степенью их закристаллизованности, структурой и кристаллохимическими особенностями. Образование труднорастворимых соединений способствует повышению стойкости силикатных материалов.
Сравнительное изучение стойкости гидросиликатов кальция показало, что их растворимость изменяется в следующем порядке: ксонотлит ≤ тоберморит ≤ CSH (I) ≤ гидрат C3S2 ≤ гидрат α-C2S ≤ гидрат γ-C2S. Кроме того, растворимость гидросиликатов зависит от формы кристаллов: пластинчатые и призматические кристаллы растворяются интенсивнее, чем волокнистые и нитевидные. Растворимость более высокоосновного ксонотлита меньше, чем тоберморита, так как структура ксонотлита плотная, волокнистая и в меньшей степени подвержена воздействию агрессивных сред, чем пластинчатая слоистая структура тоберморита.
Устойчивость гидросиликатов кальция к действию агрессивных сред возрастает при повышении степени конденсации силикат-анионов в соответствии с особенностями их структуры: островные ≤ кольцевые ≤ цепочные ≤ листовые ≤ каркасные.
Коррозионная стойкость фазовых составляющих цементного камня зависит от степени их закристаллизованности. По данным продукты гидратации C3S и C2S, представленные кристаллическими гидратами, способствуют повышению стойкости получаемого камня в сульфатосодержащих средах.
Органические кислоты, разрушающие бетон, в соответствии с классификацией Ф.М. Ли, разделены на две группы: к первой отнесены кислоты со сравнительно низкой молекулярной массой, растворимые в воде. По данным коррозионное воздействие на бетон таких кислот убывает в ряду: уксусная ≥ муравьиная ≥ молочно-кислая ≥ лимонная ≥ винная. Ко второй группе отнесены кислоты с высокой молекулярной массой, например, олеиновая, стеариновая, пальметиновая. Их агрессивное действие на бетон увеличивается по мере возрастания молекулярной массы в рядах стеариновой (CnH2nO2) и олеиновой (CnH2n-2O2) кислот. Они не растворяются в воде и встречаются в промышленных средах как составные части масел и жиров.
Агрессивность газообразных веществ по отношению к силикатным материалам определяется адсорбционной способностью газов, растворимостью их в воде, плотностью пленок продуктов реакции, зависит от химической природы газов и веществ, с которыми они соприкасаются и возрастает в ряду: CO3 ≤ SO2 ≤ H2S ≤ SO3 ≤ NO2 ≤ HCl ≤ HF. По данным низкоосновные гидросиликаты кальция интенсивней разрушаются под действием CO2, что объясняется их пониженной удельной поверхностью и слоистой структурой.
Гелеобразные продукты обладают повышенной реакционной способностью к молекулам газов, что обусловлено большим количеством гидроксильных групп в их структуре, способствующих возникновению водородных связей. Поэтому силикатные материалы, состоящие из гелеобразных цементных веществ, должны разрушаться быстрее, чем материалы, цементирующие вещества которых возникают в кристаллическом виде.
К воздействию газов SO2 и SO3 повышенной стойкостью обладают силикатные материалы с преобладанием в составе высокоосновных гидросиликатов кальция, что объясняется образованием на их поверхности плотных защитных слоев из продуктов коррозии — CaSO4*2Н2O и геля SiO2, затрудняющих диффузию реагирующих частиц. При воздействии указанных газов на материалы, состоящие из низкоосновных гидросиликатов кальция, возникают рыхлые продукты, не препятствующие химическому взаимодействию молекул газа с кристаллами гидросиликатов кальция. Скорость процессов коррозии в значительной степени определяется действием температурного фактора. При повышении температуры степень диссоциации кислот увеличивается, при этом возрастает их разрушающее действие. С повышением температуры увеличивается скорость обменных реакций между цементным камнем и агрессивными агентами, повышается скорость диффузии растворенного и агрессивного веществ, увеличивается и растворимость продуктов реакции.
Скорость разрушения бетона и раствора в значительной степени зависит от растворимости продуктов реакции кислот и составных частей бетона. Чем больше продуктов реакции растворяется и уносится агрессивным раствором, тем быстрее разрушаются бетон и цементный камень. Реакционная емкость агрессивной среды и скорость ее обмена у поверхности бетона ограничивается скоростью коррозии бетона под действием растворов кислот.
Анализ процессов образования и разрушения коррозионно-стойких вяжущих показал, что строительно-технологические свойства искусственного камня, в том числе его коррозионная стойкость и долговечность, в значительной степени определяются не только фазовым составом гидратных новообразований, но и характером капиллярно-поровой структуры, одна из важнейших характеристик которой — проницаемость. Последняя связана с интенсивностью переноса вещества через определенный объем материала при данных внешних условиях.
Так как коррозионные процессы наблюдаются на поверхности контакта агрессивных сред и фаз цементного камня, то проницаемость можно отнести к характеристикам, обусловливающим размер коррозионных повреждений материала.
Поданным Ф.М. Иванова проницаемость бетона определяется не общей, а «сквозной» или эффективной пористостью (равной отношению объема пор, служащих путями фильтрации, к объему образца). Многочисленными исследованиями подтверждена зависимость химической стойкости образцов от размера их открытой пористости.
При оценке влияния структуры цементного камня на коррозионную стойкость бетона большое значение имеет распределение объема пор по размерам. Преобладание пор меньших размеров способствует повышению химической стойкости, особенно сопротивлению влияния щелочных реакций на цементы, содержащие большое количество щелочей. Крупные поры в тесте влияют не только на его прочность, но и на проницаемость, которая, в свою очередь, оказывает воздействие на долговечность. Этим объясняется известный факт, что тесто из смешанных цементов, содержащих вещества, способные формировать вторичные тобермориты (доменные гранулированные шлаки, золы, пуццоланы), имеет более низкую общую пористость и менее крупные поры, пониженную проницаемость, в том числе ионную (благодаря более высокой ионной обменивающей способности), и отличается высокой конечной прочностью и долговечностью.
Следовательно, одновременное увеличение прочности и химической стойкости связано с уменьшением общего объема пор крупнее 100 нм.
Зависимость между распределением пор, проницаемостью и содержанием шлака в шлакопортландцементе изучено в работе. Согласно этим данным коэффициент проницаемости цементного теста с 70 % шлака значительно ниже, чем цементного теста с 30 %, несмотря на большую общую пористость первого. Это объясняется тем, что общая пористость первого формируется порами 4,5—15,0 нм, которые менее проницаемы для агрессивных сред, чем поры последнего.
Снижение капиллярной пористости и увеличение толщины диффузионных двойных слоев на поверхности пор с увеличением содержания шлака в цементе приводит к уменьшению коэффициента ионной диффузии Cl- и SО3в2- и росту стойкости бетона к химическому воздействию.
Таким образом, кинетика и скорость разрушающего действия различных агрессивных факторов определяется особенностями структуры бетона и поэтому их косвенно характеризуют показатели проницаемости и диффузии, которые могут рассматриваться как величины обратно пропорциональные долговечности бетона.
He менее важный фактор коррозионной стойкости бетона — его стойкость к микробиологической коррозии, при которой процессы разрушения материала связаны с жизнедеятельностью бактерий, грибов и водорослей. Микроорганизмы создают на поверхности конструкций агрессивную среду за счет накопления продуктов их жизнедеятельности в виде кислот, кислых газов, сульфидов, аммиака и других агрессивных веществ. Наиболее опасны по отношению к бетону тионовые, нитрифицирующие, углеводородокисляющие и сульфатредуцирующие бактерии, а также грибы, синтезирующие в результате своей жизнедеятельности неорганические и органические кислоты. Например, в присутствии тионовых бактерий образуется серная кислота, анаэробных азотфиксирующих бактерий — масляная кислота.
Сульфатредуцирующие и тионовые бактерии наносят существенный ущерб бетонным и железобетонным канализационным коллекторам и трубам. Разрушая сам бетон, они одновременно снижают прочность гидроизоляционных материалов (изола, бутилкаучука), что нарушает их сплошность.
Уролитические бактерии действуют в основном на мочевину, содержащуюся в сточных водах, гидролизуя ее. При этом выделяются аммиак и угольная кислота. Аммиак может взаимодействовать в присутствии извести цемента с сульфатами и образовывать легкорастворимую соль CaSO4 (NH4)2SO4*3Н2O.
Сильнее всего разрушают цементный камень и бетон динитрифицирующие бактерии, окисляющие серу. Значительно понижают прочность бетона и азотфиксирующие бактерии.
Физические, химические и микробиологические коррозионные процессы начинаются на поверхности раздела внешней среды и бетона и развиваются вглубь материала в порах и капиллярах, поэтому возможность протекания химической коррозии определяется химико-минералогическим составом искусственного камня, а интенсивность процессов разрушения материала (при действии как физических, так и химических факторов) обусловлена особенностями капиллярно-поровой структуры цементного камня, вид и характер которой определяется как фазовым составом продуктов гидратации вяжущего, так и конкретной технологией изготовления искусственного камня.
Повышение устойчивости материалов к действию различных внешних факторов возможно только при условии учета особенностей возникающих деструктивных процессов за счет корректирования химико-минералогического состава и направленного формирования заданной структуры искусственного конгломерата.
Согласно основным положениям физико-химической механики дисперсных систем одним из путей получения искусственного камня оптимальной структуры является предотвращение протекания деструктивных процессов перекристаллизации гидратных фаз, например, за счет синтеза в составе продуктов твердения малорастворимых долговечных новообразований, моделирующих по своему вещественному составу минералы земной коры. Примером такого синтеза служат древние растворы и бетоны, возраст которых исчисляется 7000 годами и более. Исследование состава и свойств последних актуально и целесообразно, так как позволяет установить истинные причины долговечности, а выявленные закономерности реализовать при разработке современных вяжущих систем.