76 научно-методическая и научно-исследовательская конференция Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) Секция ОНИЛ "ЦЕМЕНТ" "Цементные бетоны")
Д.т.н. проф. Добшиц Л.М., аспирант Николаева А. А., бакалавры Яшина А.С., Коновалов В.К., Москва, РУТ (МИИТ)
5 февраля 2018
Приведены исследования, направленные на изучение влияния природно-климатических факторов на долговечность бетонов изделий и конструкций для дальнейшего эффективного прогнозирования сроков службы бетонных сооружений.
Для строительных материалов одной из основных характеристик, определяющих их качество, является долговечность. При проектировании долговечных сооружений необходимо применять материалы, способные выдерживать заданные нагрузки и не разрушаться под воздействием внешней среды. На сегодняшний день деградация и разрушение железобетонных сооружений раньше предполагаемого срока службы представляет серьёзную проблему.
Когда речь идёт о прогнозировании долговечности бетонных конструкций, как правило, учитываются характеристики химической стойкости, водонепроницаемости и морозостойкости. Морозостойкость является наиболее изученной характеристикой бетона, связанной с изменениями естественных природных климатических условий. Однако, как показывает практика, не только циклическое замораживание и оттаивание влияют на долговечность бетона. В работе [1] мы поставили вопрос о существующей проблеме повышенной ползучести бетонных и железобетонных пролётных строений мостов, расположенных над водной поверхностью. Мы предполагаем, что увеличение ползучести и снижение прочности бетона связано с циклическим изменением температуры и влажности в процессе эксплуатации этих конструкций.
Если говорить об иностранной практике эксплуатации бетонных сооружений, то очень яркий пример влияния окружающей среды на бетонные конструкции можно наблюдать в Саудовской Аравии. На протяжении долгого времени для их проектирования использовались иностранные нормы Еврокод (EN), британские стандарты (BS) и требования американского института бетона (ACI), которые больше подходят для умеренного климата. Результаты обследований возведенных в последние десятилетия бетонных сооружений в Саудовской Аравии [2] выявили различного рода дефекты, связанные с большими температурными колебаниями, сильными ветрами и засушливым состоянием окружающей среды. Так же исследователи [2] отмечают, что климатические условия на внутренней и прибрежной части страны сильно различаются. Это, в свою очередь, оказывает влияние и на характер разрушений в разных районах страны. В засушливой зоне наблюдается повышенное трещинообразование в бетонах, а во влажной части преобладают разрушения, вызванные коррозией арматуры, в том числе из-за использования богатых силикатами и карбонатами заполнителей. Таким образом, появилась необходимость разработки собственной зональной классификации климата и геологии на макро-, мезо- и микроуровне для использования в проектировании и предупреждения деградации сооружений.
При проектировании железобетонных конструкций учитываются различные нагрузки (постоянные, динамические, ветровые, сейсмические). Но влияние естественных климатических факторов на микросреду бетона не учитывается, хотя такие данные позволяют прогнозировать карбонизацию бетона, диффузию ионов хлорида и скорость коррозии арматурных стержней. Учёт природных факторов естественной окружающей среды может быть представлен в виде климатической нагрузки. Климатическая нагрузка представляет собой влияние на конструкцию температуры, относительной влажности, скорости ветра, солнечного света и дождя в естественной климатической среде. Изменения температуры и относительной влажности окружающей среды представляют собой основные параметры, вызывающие ответную реакцию микросреды бетона.
Естественные изменения климатической среды имеют как суточную, так и сезонную периодичность. Группа китайских исследователей изучала влияние температуры и относительной влажности для использования в прогнозировании сроков службы бетона [3-5] на основе метеорологических данных в районе провинции Цзянсу КНР.
Для температурного воздействия существует два процесса реагирования внутренней среды бетона на изменения. Первый – повышение температуры, если температура внешней среды выше, чем внутренней. Второй – снижение температуры, если температура в климатической среде ниже, чем в микросреде бетона (рис. 1., рис. 2). Разница температур между климатической внешней средой и микросредой бетона является основным фактором, влияющим на скорость этих изменений. Время достижения равновесия определяется как время температурного отклика.
Рис. 1. Кривые температурного отклика в бетоне [4]
Рис. 2. Колебания температуры в естественной климатической среде и микросреде бетона[3]
При испытаниях влияния относительной влажности на микросреду бетона происходит два процесса: высушивания и насыщения (рис. 3.). Первоначальная разница между климатической средой и микросредой является основным фактором, влияющим на время отклика относительной влажности. Время ответной реакции микросреды бетона на поглощение влаги составляет более 30 дней и, очевидно, что значительно превышает время отклика на температурные воздействия. Скорость изменения относительной влажности в бетоне на начальной стадии более высокая. Время достижения равновесия определяется как время отклика относительной влажности. Оно зависит от первоначальной разницы относительной влажности, а так же от пористости структуры бетона. Таким образом, процессы ответной реакции микросреды бетона на изменения температуры и относительной влажности в условиях искусственной климатической среды обладают характеристикой гистерезиса.
Рис. 3. Кривые отклика относительно влажности в бетоне [4]
Теплопроводность бетона является основным фактором, влияющим на температурный отклик. Проведенные испытания [6] показали, что теплопроводность прямо пропорциональна содержанию влаги и обратно пропорциональна В/Ц в бетоне (рис. 4.). Так же были проведены исследования [7] влияния содержания золы уноса в бетоне на температуру и относительную влажность. Согласно им, для бетона с содержанием золы более 30% более высокая пористость и размер пор ускоряли скорость диффузии влаги.
Рис. 4. График зависимости между теплопроводностью и содержанием влаги при разном В/Ц [6].
Ответная реакция микросреды бетона на изменения относительной влажности окружающей среды будет зависеть от первоначальной разницы температур, характеристики теплопроводности бетона и конвективного коэффициента теплоотдачи. При изучении влияния относительной влажности необходимо обращать внимание на ответную реакцию микросреды бетона. Так же стоит отметить, что относительная влажность не является показателем, непосредственно влияющим на факторы долговечности бетона. На настоящий момент модель, непосредственно связанная с воздействием температуры и влажности в бетоне, не найдена.
Поскольку при создании климатических спектров действия, максимально полно отражающих природные процессы, необходимо учитывать такие неотъемлемые явления окружающей среды, как солнечный свет и дождь (рис. 5). Они так же должны оказывать определенное влияние на микросреду бетона. Бетонная поверхность поглощает солнечное излучение, и температура её поверхности увеличивается. Влияние дождя способствует увеличению первоначальной разницы относительной влажности между двумя средами. Но из-за долгой ответной реакции микросреды бетона на эти изменения трудно определить их точное количественное влияние. Тем не менее, оба явления должны быть учтены при построении соответствующих спектров действия.
Рис. 5. Корректировка спектра действия температуры с учетом влияние солнечного света [3]
На основе испытаний ответных реакций микросреды бетона в естественных климатических условиях необходимо строить спектры действия показателей температуры, относительной влажности и влажности. Многие исследователи при построении спектров действия опираются только лишь на климатические изменения окружающей среды [8], не говоря уже об использовании разнообразных методов упрощения для их создания. Поэтому составление простого и эффективного способа представления изменения микросреды бетона в естественной среде для каждого уникального региона строительства имеет большое значение для прогнозирования долговечности бетонных конструкций. Существующие исследования в этом направлении только начаты, и до сих пор не разработано решений по прогнозированию и предотвращению деградации сооружений.
Принимая во внимание существующий опыт исследований и необходимость создания корректных моделей для прогнозирования долговечности бетонных и железобетонных сооружений с учетом влияния климатической нагрузки, на кафедре «Строительные материалы и технологии» Российского университета транспорта (МИИТ) начаты исследования в этом направлении. Они основываются на следующих положениях.
Бетон является капиллярно-пористым материалом. Для приготовления бетонов железобетонных мостовых сооружений, с целью обеспечения их повышенной морозостойкости, водонепроницаемости и прочности используются высокоактивные тонкомолотые портландцементы [9]. Это предопределяет тонкокапиллярную структуру затвердевшего цементного камня. В связи с этим, при изменении температуры и влажности окружающей среды в бетоне пролётных строений мостов, находящихся над водой, активно протекают процессы перемещения влаги и растворённых в ней веществ внутри бетона.
Условия для нижней и верхней поверхностей пролётных строений отличаются. Изменение внешних условий происходит циклично, ввиду суточного и годового изменения температуры. В теплый период, в дневное время, нижняя часть мостового сооружения находится в зоне пониженной температуры, повышенного давления и повышенной влажности. В то же время верхняя часть будет в зоне повышенной температуры, пониженного давления и пониженной влажности. Это обуславливается различной теплоёмкостью воды, грунты и бетона и распределения влаги по сечению бетона. Теплоемкость воды составляет 4200 Дж/(кг·оС), бетона 1000 Дж/(кг·оС), а средняя теплоемкость почвы 2100-2500 Дж/(кг·оС). В связи с этим, в дневное время верхняя часть конструкций нагревается быстрее, а влага и растворённые в ней вещества по капиллярной системе бетона, перемещается сверху вниз. В ночное время суток ситуация меняется. Температура в нижней части конструкции становится выше, чем в верхней части. Влага в таких условиях перемещается снизу вверх. Скорость перемещения влаги по капиллярной системе в бетонах мостовых конструкциях увеличивается из-за снижения её вязкости под влиянием вибрации от динамических нагрузок, действующей на конструкцию.
В период низких положительных температур разница температур и давлений на поверхностях меняется не так значительно, но движение воды по капиллярам всё
равно происходит.
Такое циклическое перемещение влаги по капиллярной системе приводит к негативным последствиям – вымыванию Ca(OH)2 из внутренней части бетона конструкции и перемещению его к внешней поверхности, вблизи которой происходит кристаллизация Ca(OH)2. Поскольку влага постоянно перемещается в системе, то вымывание продуктов гидратации влечет за собой постепенную потерю прочности внутренней части бетона конструкции.
Вследствие большого количества циклов колебаний внешних условий окружающей среды, такие многократные процессы приводят к изменению в различных частях железобетонных конструкций соотношения кристаллический сросток – тобермаритовый гель в цементном камне бетона. Кристаллический сросток обеспечивает упругую работу цементного камня под нагрузкой, а тобермаритовый гель – обуславливает его пластические свойства. В связи с тем, что железобетонные пролётные строения больших мостов являются предварительно напряжёнными конструкциями, находящимися под постоянным действием нагрузки от предварительного напряжения, снижение объёма кристаллического сростка в цементном камне приведёт к увеличению упругих деформаций бетона, которые проявляются уже как пластические деформации – ползучесть.
Для проверки изложенной гипотезы на кафедре «Строительные материалы и технологии» РУТ (МИИТ) были выполнены исследования по определению влияния циклического изменения температуры и влажности окружающей среды на свойства обычных и предварительно напряжённых бетонов. Они показали, что циклическое изменение влажности снижает прочность бетонов, особенно при изгибе, при этом снижение начинает проявляться после 300 циклов и продолжалось до конца испытаний (800циклов). Ползучесть ненагруженных бетонов увеличилась незначительно, а ползучесть предварительно напряжённых образцов возросла на 10%.
Таким образом, полученные результаты экспериментально подтверждают изложенную гипотезу о влиянии природно-климатических факторов и особенностей расположения пролётных строений транспортных искусственных сооружений над водной поверхностью на ползучесть бетона конструкций.
Выполненные исследования являются пионерными и имеют, в основном, качественный характер. Для получения конкретных количественных значений изменения ползучести для различных составов бетонов и уровней предварительного напряжения требуется
проведение дальнейших исследований. При этом можно предложить пути снижения негативного влияния исследуемого явления: нормирование химико-минералогического состава применяемых цементов, направленное регулирование поровой структуры цементного камня путём введения воздухововлекающих и пластифицирующих добавок, введение добавок – центров кристаллизации новообразований формирующейся структуры цементного камня бетонов.
Список используемых источников:
1. Добшиц Л.М. Влияние состава, структуры бетона и факторов окружающей среды на долговечность мостовых конструкций. [Текст] / Добшиц Л.М., Швецов Н.В., Николаева А.А., Фэн Кэн Лэ//Сборник научных трудов 75-й научно-методической и научно-исследовательской конференции. МАДИ,М.: Техполиграф-центр, - 2017, с.35-39
2. Haque M.N.,Al-Khaiat H., John B. Climatic zones—A prelude to designing durable concrete structure in Arabian Gulf // Building and Environment. – 2007. – Vol. 42, Issue 6, June. – P. 2410-2416.
3. Ying-shu Yuan. Climate load model — Climate action spectrum for predicting durability //
Construction and Building Materials. – 2012. – Vol. 29, April. – P. 291-298.
4. Jian-hua Jiang, Ying-shu Yuan. Quantitative models of climate load and its effect in concrete structure // Construction and Building Materials. – 2012. – Vol. 29, April. – P. 102-107.
5. Jian-hua Jiang, Ying-shu Yuan. Action spectrum of temperature in natural climate environment and prediction of temperature response in concrete //
Procedia Earth and Planetary Science. – 2009. – Vol. 1, Issue 1, September. –
P. 444-450.
6. Ying-shu Yuan, Jian-hua Jiang. Prediction of temperature response in concrete in a natural climate environment // Construction and Building Materials. –
2011. – Vol. 25, August. – P. 3159-3167.
7. Cai-feng Lu, Wei Wang, Jian-hua Jiang, Ming Hao. Micro-environment temperature and relative humidity response of fly ash concrete under natural climatic conditions // Advances in Cement Research. – 2017. – Vol. 29. Issue 6, March. –P. 236-245.
8. Peng Liu, Zhiwu Yu, FengqiGuo, Ying Chen, Peiwei Sun. Temperature response in concrete under natural environment // Construction and Building Materials. – 2015. – Vol. 98. November. – P.713-721.
9. Добшиц Л.М. Долговечность бетона и пути её повышения/ Наука – строительному производству // Сборник научных трудов (к 60-летию института). – М.:
НИИМосстрой, 2016. – С. 214…229.
