ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В ВАКУУМИРОВАННОМ БЕТОНЕ

УДК 666.941

Яковлев Г.И.
Ижевский государственный технический университет

Введение

При устройстве в промышленном здании износостойкого непылящего покрытия пола толщиной 150 мм в процессе его твердения образовалось значительное количество трещин. Наблюдалась взаимосвязь характера расположения трещин с вертикальными деформациями пола.  Эксплуатация полов была приостановлена до установления причин образования трещин.

Конструкция пола была выполнена покрытием монолитным бетоном, с последующим вибрированием и вакуумированием поверхностного слоя бетона. Для повышения физико-механических характеристик поверхности бетона производилось нанесение за два раза упрочняющего  цементно-минерального состава с последующим заглаживанием поверхности механическим способом.

Нижний слой бетонного покрытия был армирован плоской сеткой из стержневой арматуры периодического профиля диаметром 10 мм с шагом стержней 200х200 мм.

Для организации деформационных швов в бетонном покрытии выполнялись пропилы алмазными дисками на глубину до 2 см, расположенные через 6000 мм.

Приборы и методы исследований

Определение механических характеристик бетона производилось испытанием кернов, выбуренных из бетонного покрытия пола на гидравлическом прессе П-250. Параллельно прочность бетона контролировалась неразрушающим методом при помощи склерометра Шмидта.

Размер трещин определялся микроскопом-лупой МПБ-2 с ценой деления 0,1 мм. При этом бетон в области трещины очищался и трещины протирались ацетоном с целью их лучшей визуализации.

Деформации бетонного покрытия пола определялись с использованием лазерного нивелира «Лимка-Зенит» методом геометрического нивелирования.

Фазовый состав цементного камня в составе бетона определялся с использованием рентгеновского дифрактометра общего назначения ДРОН-3. Идентификация минералов в составе цементного камня производилась с использованием данных в  [1, 2, 3].

Дифференциально-термический анализ был произведен на термографе фирмы «MOM».

Обсуждение результатов исследований

При осмотре полов в процессе их устройства в октябре 1999 года на выполненных картах полы не имели трещин. К моменту начала обследования пола в феврале 2000 года бетонное покрытие имело многочисленные трещины, проходящие через 1,5 — 2,5 м и имеющие глубину распространения до 135 мм и величину раскрытия до 1,2 мм (рис. 1).

Характер развития трещины в бетонном покрытии

Прочность бетона по результатам неразрушающего контроля составила 20,7 МПа, что не соответствовало проектной марке бетона B30.

При выемке керна между основанием пола и бетонным покрытием был обнаружен воздушный зазор размером до 4 мм (рис. 2). Под бетонным покрытием имеется гидроизолирующий материал в виде полиэтиленовой пленки, который исключил возможность сцепления укладываемого бетона с плитами перекрытия и усилил возможность их раздельной работы.

При выемке керна между основанием пола и бетонным покрытием был обнаружен воздушный зазор

Как видно из профиля поверхности бетонного покрытия в области трещины (рис. 3), имеется прямая корреляция между положением трещины и ее высотной отметкой. Трещины, как правило, располагаются в вершине профиля, при выбуривании керна через трещину обнаруживается воздушный зазор между основанием и бетонным покрытием.

профиль поверхности бетонного покрытия в области трещины

Расслоение бетонной смеси при ее укладке привело к увеличению объема цементного камня в верхней части бетона. Рентгенофазовый анализ состава цементного камня показал также наличие в нем значительного объема аморфной компоненты, которая является основной причиной усадки бетона. Таким образом, усадка бетона в верхней части покрытия и практическое отсутствие усадочных явлений в нижней, армированной части бетонного покрытия привело к созданию неравномерных напряжений по толщине покрытия. Все это говорит о том, что трещины образуются за счет выгиба поверхности бетона вследствие неравномерных усадочных явлений в твердеющем бетоне.

На рис. 4 для сравнительного анализа показаны профили поверхности бетонного покрытия по линии, перпендикулярной трещине, полученные при нивелировании без нагрузки и при нагружении технологическим транспортом массой 1,2 тонны. При движении технологического транспорта над трещиной лазерный нивелир показал отклонение луча от первоначального направления, что говорит о явных деформациях пола при наличии дополнительной нагрузки.

При движении технологического транспорта над трещиной лазерный нивелир показал отклонение луча от первоначального направления

Деформация пола становится возможной вследствие наличия под бетонным покрытием воздушного зазора, отмеченного на фотографии (рис. 2). Отмеченные деформации пола обратимы, что подтверждает напряженное состояние бетонного покрытия в связи с наличием арматурной сетки в нижнем (сжатом) слое.

Следовательно, в процессе эксплуатации бетонного покрытия неизбежен процесс закрытия и раскрытия трещин, который будет сопровождаться их дальнейшим развитием.

Рентгенофазовый анализ (рис. 5) показал наряду с гидроксидом кальция, тоберморитовым гелем и кварцем наличие негидратированного алита. Последнее обстоятельство говорит о том, что вследствие высыхания бетона для гидратации цемента явно недостаточно воды, что приводит к недобору прочности бетона. Имеются также отражения, соответствующие карбонату кальция. Характерно наличие значительного объема аморфной фазы в составе бетон («горбушка» в области 2θ = 26 — 38о), которая, согласно [4], усиливает усадочные явления в твердеющем бетоне.

Рентгенофазовый анализ показал наряду с гидроксидом кальция, тоберморитовым гелем и кварцем наличие негидратированного алита

Хорошо фиксируются отражения, соответствующие гидросульфоаллюминату кальция (эттрингит), который образуется в поверхностном слое бетона за счет введения уплотняющего слоя. Уплотняющий состав имеет в своем составе двуводный гипс (в избыточном количестве для нормального твердения  цемента), который способствует образованию эттрингита. Возможно, что при установленной, достаточно низкой прочности бетона эттрингит является инициатором образования трещин в начальный период твердения бетона.

Дифференциально-термический анализ растворной части бетонной смеси (рис. 6) показал три ярко выраженных эндотермических эффекта, имеющих прямую связь с дифференциальной термогравиметрической кривой. При этом общая потеря массы образца не превышает 12,1 %. Учитывая наличие свободной воды (3,1 %), общее количество связанной воды оказывается равным 8 %, что дополнительно подтверждает неполную гидратацию цемента в составе бетона.

Дифференциально-термический анализ растворной части бетонной смеси

По технологии производства бетонного покрытия пола предполагается, что деформационные швы образуются в процессе усадочных явлений по инициирующим пропилам. В реальности, на обследуемом объекте это исключено в связи с малой глубиной пропила и наличия сплошного армирования в нижнем слое бетонного покрытия.

Глубина пропила равна 2 см вместо положенной одной трети общей толщины бетонного покрытия, равной 5 см (рис. 7).

По технологии производства бетонного покрытия пола предполагается, что деформационные швы образуются в процессе усадочных явлений по инициирующим пропилам

Исследованный процесс трещинообразования может быть приостановлен и стабилизирован, если будет обеспечена разрезка бетонного покрытия для создания деформационных швов на отдельные карты на всю глубину, включая армирующую сетку. Это позволит снять напряжения в бетоне и исключить трещинообразование.

Таким образом, исходя из приведенных выше данных, основной причиной трещинообразования бетонного покрытия пола являются неравномерные усадочные явления в бетонном покрытии пола, которые не способны релаксировать из-за отсутствия деформационных швов.

Заключение

Вакуумированный бетон, имеющий дополнительное  минеральное покрытие упрочняющим слоем, требует длительной защиты от высыхания с поверхности для исключения интенсивной потери воды.  Вследствие недостатка воды в твердеющем бетоне приостанавливается его твердение бетона с последующим недобором прочности. Преобладание в составе бетона цементного камня усиливает усадочные явления в твердеющем бетоне в связи со значительным объемом аморфной фазы при избытке цементного теста и приводит к росту трещин.

С целью исключения развития трещин бетонные в конструкции бетонных полов должны быть предусмотрены деформационные швы на всю толщину бетонного покрытия. При этом арматурные стержни должны допускать горизонтальные перемещения бетонного покрытия в пределах карты, ограниченной деформационными швами.

Одной из возможных причин инициирования образования трещин может являться образование напряжений при твердении упрочняющего верхнего слоя из-за образования гидросульфоалюмината кальция (эттрингита).

 Библиографический список

  1. Горшков В.С., Сфиульев В.Г., Абакумов А.В. Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы: Структура и свойства: Справ. пособие. — М.: Стройиздат, 1994.  576 с.
  2. Шелехов Е.В. Пакет программ для рентгеновского анализа поликристаллов.//Сб. докладов Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Дубна, 25-29 мая 1997 г., Т. Ш, Дубна, 1997, с. 316-320.
  3. ASTM Card File (Diffraction Data Cards), Philadelphia, Ed. ASTM, 1989. Х. Тейлор. Химия цемента. Пер. с англ. — М.: Мир, 1996.-560 с.