УДК 666.972.53.
Добшиц Л.М.
Московский государственный университет путей сообщений (МИИТ)
Надёжная и безотказная работа конструкций и сооружений определяется сохранением свойств материалов, из которых они изготовлены. В настоящее время большинство промышленных, гражданских и транспортных сооружений полностью или в значительной своей части изготавливаются из бетона или железобетона. Долговечность этих материалов во многом определяется морозостойкостью бетона.
Морозостойкость бетонов, определяющая их долговечность, сама является функцией многих параметров. При этом функциональная зависимость морозостойкости бетонов от многих факторов имеет не линейный или обратный, а экстремальный характер, что значительно усложняет её изучение и прогнозирование.
Как показывают анализ факторов, определяющих морозостойкость бетонов, а также производственный опыт, морозостойкие бетоны можно получить, только решая задачу в комплексе и последовательно в направлении: состав – структура – свойства.
Во-первых, необходимо обосновано назначить проектную нормативную марку бетона морозостойкости будущей конструкции или сооружения (или их отдельных частей).
Затем, на стадии проектирования состава бетона, необходимо оценить возможно ли на данных составляющих бетонной смеси и имеющемся технологическом оборудовании получить требуемую морозостойкость, и, в случае необходимости, внести требуемые коррективы. Далее необходимо подобрать состав бетона с учётом требований по морозостойкости.
При приготовлении бетонов, особенно высоких марок по морозостойкости, необходимо вводить в состав бетонных смесей специальные добавки или приготавливать бетон на специальных вяжущих, а также строго контролировать расход составляющих бетона и особенно его водоцементное отношение.
После укладки и качественного уплотнения бетонной смеси подобранного состава, должен быть осуществлён надлежащий уход за твердеющей бетонной смесью, обеспечивающий высокую степень гидратации цемента, и, как следствие, формирование морозостойкой структуры с необходимым объёмом условно замкнутой пористости.
После набора бетоном проектной прочности, необходимо оперативно определить морозостойкость затвердевшего бетона и также, в случае необходимости, внести коррективы в его состав.
Затем, в процессе эксплуатации сооружений, необходимо регулярно оценивать морозостойкость бетона, а также осуществлять уход за ним, в частности, применять периодическое вакуумирование открытых поверхностей бетонных и железобетонных конструкций. Это позволит повысить фактическую морозостойкость уложенного бетона.
Все эти этапы являются сами по себе отдельными факторами, определяющими, в конечном счёте, морозостойкость бетона. Их можно разделить на объективные и субъективные. Такое деление является не формальным, а отражает реальную картину технологического процесса строительства и позволяет находить пути повышения морозостойкости бетонов.
Так на субъективные факторы, к которым относятся: используемые составляющие и применяемое оборудование для приготовления, укладки и уплотнения бетонных смесей; имеющиеся добавки; технология ведения работ; культура производства и другие, в процессе сооружения объектов можно и даже необходимо оказывать влияние и изменять их в нужном направлении.
В то же время на объективные факторы, к которым можно отнести: строительные нормы, рекомендующие назначение проектной марки по морозостойкости; стандарты, определяющие способы и методики определения и контроля морозостойкости и т.п., в процессе строительства практически невозможно оказать какое-либо воздействие. Изменение этих факторов является длительным, кропотливым и многоэтапным процессом, требующим всесторонних длительных исследований, накопления большого опытного и фактического материала, проверенного и испытанного на практике.
Рассмотрим эти факторы. Как сказано выше, к объективным факторам, на которые проектировщики и строители не могут оказывать влияние, относятся нормативные документы, определяющие назначение проектной марки и контроль морозостойкости затвердевшего бетона.
Анализ исполнительной документации показывает, что бетоны многих конструкций, разрушившихся задолго до расчётного срока эксплуатации, фактически имели проектную (часто довольно высокую) морозостойкость. Следовательно, проектная морозостойкость этих бетонов была назначена необоснованно низкой по сравнению с тем числом циклов замораживания, которое пришлось выдержать бетону за годы эксплуатации.
Как показывает анализ нормативных документов, действующих в нашей стране в настоящее время, назначение проектной марки по морозостойкости регламентируется более чем пятнадцатью различными СНиП и ГОСТ. Однако, они во многом противоречат друг другу, а самое главное – не учитывают важные факторы, оказывающие влияние на морозную деструкцию бетонов (число теплосмен в год, наличие или отсутствие солнечной радиации, самозалечивание бетона и др.). При этом в настоящее время в нормах отсутствует научно обоснованная и проверенная на практике методика назначения проектной марки бетонов по морозостойкости.
Для правильного назначения реально обоснованной марки по морозостойкости нами предложена следующая формула
Fн= Г•Н•Д•З,
где Г – нормативный срок службы сооружения, годы; Н – нормативное (расчётное) число циклов замораживания в год; Д – коэффициент суровости климатических условий; З – коэффициент условий эксплуатации бетона сооружений.
Предлагаемая формула проста, имеет ясный физический смысл и легко применима на практике. В ней расчётное число циклов в год принимается в зависимости от наличия солнечной радиации, числа переходов температуры через 0 ˚С за год и расположения конструкции. Коэффициент Д зависит от минимальной отрицательной температуры замораживания бетона в районе строительства и изменяется от 1,0 до 8,0 (соответственно для минимальной и максимальной отрицательных температур). Коэффициент З учитывает изменение прочности бетона и его самозалечивание в процессе эксплуатации и находится в пределах 0,5…1,0. Величины коэффициентов З, Д и Н принимаются на основании имеющихся статистических данных метеорологических наблюдений в районе сооружения объекта. Например, для условий средней полосы европейской части России нормативная морозостойкость, рассчитанная по предлагаемой формуле, для бетона облицовки опор должна быть не ниже Fн = 800 (Г = 50; Н = 40; Д = 0,8; З = 0,5), а для тела опор Fн = 50 (Г = 50; Н = 2; Д = 0,8; З = 0,6).
Как видно, приводимая формула учитывает влияние всех основных факторов на число циклов замораживания и оттаивания, испытываемых бетоном сооружений, и изменение его физико-механических свойств в процессе эксплуатации. Назначение реально обоснованной нормативной морозостойкости позволит повысить срок службы бетонов до проектного срока эксплуатации сооружений и избежать преждевременного разрушения бетона этих сооружений от морозной деструкции.
Определение нормативной морозостойкости по предлагаемой методике показало, что для некоторых элементов и частей бетонных конструкций марка по морозостойкости может быть снижена. Однако для большинства сооружений или их частей она должна быть существенно повышена, по сравнению с той, которая устанавливается по существующим нормам. Мы понимаем, что это вызовет некоторое удорожание единицы объёма бетона, но эти затраты несравнимо меньше, чем затраты на текущий и капитальный ремонт и потери от недостаточной долговечности возводимых сооружений.
К объективным факторам относится также определение и контроль морозостойкости затвердевшего бетона. Действующий в настоящее время ГОСТ 10060 – 95 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» включает два базовых и три ускоренных метода контроля морозостойкости.
Однако этот ГОСТ имеет серьезные недостатки, которые затрудняют получение бетонов с требуемой морозостойкостью при его использовании.
По этому ГОСТу фактически только контролируется, а не определяется фактическая морозостойкость бетона. Это очень существенно, т.к. в случае недостаточной морозостойкости ГОСТ не выявляет, на сколько она должна быть повышена. Он также не показывает, на сколько завышена фактическая морозостойкость в случае высоких значений прочности бетона после прохождения им требуемых испытаний. Кроме этого ГОСТ 10060-95 не позволяет строителям оперативно контролировать морозостойкость приготавливаемого бетона и, в случае необходимости, вносить соответствующие коррективы в его состав для избежания получения брака.
Для оперативного контроля за морозостойкостью и исключения появления некачественного бетона в ГОСТ по определению морозостойкости должен быть включен физически обоснованный ускоренный метод определения морозостойкости. В качестве такого метода может быть использован ускоренный способ определения морозостойкости /1/ по критерию Кмрз = Пуз/0,09Пи (здесь Пуз и Пи, соответственно, условно замкнутая и открытая пористости бетона). С помощью этого критерия по параметрам строения порового пространства бетона можно оперативно определить морозостойкость затвердевшего бетона. Кроме этого метода, нами разработан количественный метод определения напряжений, возникающих в различных сечениях бетонных конструкций при прохождении циклов попеременного замораживания и оттаивания /2/.
На первую группу факторов – субъективные, в процессе проектирования технологии ведения строительных работ и в процессе сооружения конструкций можно оказывать необходимое воздействие.
Для получения морозостойких бетонов необходимо создание такой их поровой структуры, в которой содержится необходимый объём условно замкнутых пор при минимальном объёме открытых пор. Такую структуру можно получить путём, во-первых, правильного подбора состава бетона /3/ и, во-вторых, введением в состав бетона специальных комплексных добавок, обладающих полифункциональным действием. Нами разработаны составы таких комплексных добавок /4,…,7/ и вяжущего /8/, позволяющие не только получать высоко морозостойкие бетоны, но и обеспечить их твердение при отрицательной температуре без обогрева. Это является весьма существенным, т.к. бетоны, подвергающиеся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, часто укладываются в зимнее время при температуре ниже 0˚С.
Кроме этого, для создания морозостойкой структуры бетона необходимо обеспечить высокую степень гидратации цемента α при одновременно низких значениях величины водоцементного отношения В/Ц. Необходимое соотношение между α и В/Ц при нормативной марке по морозостойкости Fн можно определить по зависимости
Fн = (0,456α/(В/Ц – 0,271α) /9/.
Определив величину В/Ц, полученную при подборе состава бетона, подбирают такие технологическое оборудование и способ ведения работ, которые обеспечат необходимую величину степени гидратации.
При этом технология ведения работ должна обеспечивать максимальное уплотнение бетонной смеси для получения необходимой структуры затвердевшего бетона с запроектированными величинами условно замкнутой и открытой пористости.
Осуществляя все перечисленные этапы цепочки: состав – структура – свойства, можно получать бетоны заданной высокой морозостойкости, что подтверждают результаты успешного использования описанной технологии при строительстве и реконструкции большого числа различных сооружений.
Опыт применения такого комплексного подхода для получения долговечных бетонов показывает, что бетоны, выполненные по вышеописанной технологии, эксплуатируются без видимых следов морозной деструкции в течение 24 лет, а их прочность превышает проектную.
Библиографический список
- Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости.- Л.: Стройиздат, 1989. –128с.
- Добшиц Л.М., Портнов И.Г., Соломатов В.И. Физико-математическое моделирование разрушения бетона при его циклическом замораживании-оттаивании // Долговечность и защита конструкций от коррозии // Материалы международной конференции. — МКЗДК –99. – М., 1999. — С. 113…118.
- Добшиц Л.М. Ресурсосберегающий способ подбора состава цементных бетонов //Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. Тезисы докладов научно-практической конференции. М.: МИИТ, 1998. — С. 1…5.
- А.С. № 551284. Опубл. Б.И. — 1977. — №11.
- А.С. № 563383. Опубл.Б.И. — 1977. — №24.
- А.С. № 1172902. Опубл. Б.И. — 1985. — №30.
- А.С. № 1174406. Опубл. Б.И. — 1985. — №31.
- А.С. № 1214624. Опубл.Б.И. — 1986. — №8.
- Добшиц Л.М. Повышение долговечности и надёжности бетонов транспортных сооружений, укладываемых в зимнее время без обогрева // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта. Тезисы докладов 2-ой Международной научно-технической конференции. Том 2. – М.: МИИТ, 1996, с.27…28.
