д.т.н. проф. Добшиц Л. М., к.т.н. Швецов Н.В., аспирант Николаева А. А., инженер Фэн Кэн Лэ (МИИТ)
Долговечность строительных конструкций является одним из основных факторов, обеспечивающих стабильную работу при эксплуатации железобетонных транспортных сооружений.
В настоящее время срок жизненного цикла железобетонных мостов в различных нормативных документах составляет от 80 до 100 лет. Однако, реальных срок службы таких сооружений оказывается в 2 раза ниже. Существует большое число возможных причин снижения долговечности, происходящей на всех этапах жизненного цикла сооружения. При этом одной из основных причин недостаточной долговечности является качество и свойства используемых материалов.
При эксплуатации железобетонных мостов, путепроводов и других транспортных сооружений выявился существенный недостаток, связанный с большой ползучестью бетонов пролётных строений. К тому же ситуация усугубляется тем, что при этом уменьшается строительный подъём конструкции пролётного строения, который при ремонте пытаются исправить укладкой дополнительных слоёв покрытия. Это приводит к увеличению массы конструкции и, следовательно, увеличению постоянной нагрузки на бетон. Кроме этого, для изготовления колёсоотбойного ограждения часто используются сборные конструкции, которые имеют большие размеры и, соответственно, массу. Такое суммарное воздействие на бетон приводит к повышению растягивающих напряжений в нижней части пролётных строений, превышающих предельную растяжимость бетона, и появлению в ней микротрещин. Эти трещины становятся путями проникновения влаги и агрессивных по отношению к бетону и арматуре коррозионных сред. Начинается коррозия цементного камня бетона и стальной арматуры и морозная деструкция бетона.
Проведёнными ранее исследованиями проанализировано влияние силовых факторов - нагрузки от постоянной нагрузки, движения транспортных средств, различного рода вибрации и т.п. на ползучесть бетона [1]. Также проведены обширные исследования влияния непроявившейся капиллярной усадки цементного камня бетона [2, 3]. Однако проведённые расчёты показывают, что эти факторы не могут вызвать такую большую величину ползучести бетона, которая наблюдается на практике.
По-нашему мнению, значительное влияние на ползучесть бетона пролётных строений транспортных искусственных сооружений оказывают природно-климатические факторы и особенности их работы, которые ранее не рассматривались исследователями. Такими факторами являются циклические изменения влажности и температуры окружающей среды, расположение мостов над водной поверхностью, различная теплоёмкость воды и бетона и скорость их остывания и нагрева, различие в работе нижней и верхней поверхностей пролётных строений.
Бетон является капиллярно-пористым материалом. Для приготовления бетонов железобетонных мостовых сооружений, с целью обеспечения их повышенной морозостойкости, водонепроницаемости и прочности используются высокоактивные тонкомолотые портландцементы [4]. 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 температура верхней части 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. Влага в таких условиях перемещается снизу вверх. Скорость перемещения и распространения влаги по капиллярной системе увеличивается под влиянием динамической нагрузки, действующей на конструкцию и создающей вибрацию. 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» МИИТа 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.
Второй путь снижения ползучести – уменьшение массы пролётного строения путём замены сборных конструкций барьерных ограждений монолитными, что позволяет снизить массу конструкций на 30%.
Для этого разработана технология изготовления монолитного барьерного ограждения в скользящеё опалубке с использованием комплексной добавки суперпластификатор С-3 и поташ (С-3 + К2СО3) [5, 6]. Предложенная технология позволяет осуществлять изготовление конструкции высокими темпами (0,3…1,0 п/м ограждения в минуту). При этом, для обеспечения удобоукладываемости бетонной смеси и одновременно пластической прочности бетона после выхода из опалубки, необходимо строго соблюдать определённый режим виброуплотнения и количество водимого поташа. Сохранение требуемой удобоукладываемости и пластической прочности возможно получить только при точном дозировании количества вводимого поташа, которое должно составлять 0,35…0,50% массы цемента.
В то же время применение такой технологии затруднено при ведении работ в зимних условиях. Как известно, поташ может использоваться как противоморозная добавка [7]. Однако при содержании поташа в бетонной смеси в количестве 0,35…0,50% массы цемента позволяет вести бетонирование при температуре не ниже минус 2…50С. С целью обеспечения бетонирования в зимних условия без обогрева, при температуре наружного воздуха до минус 200С, нами предложено в комплексной добавке (С-3 + К2СО3) увеличить количество поташа для использования его также и как антифриза. Проведёнными в МИИТе исследованиями установлено, что одновременное обеспечение требуемой удобоукладываемости бетонной смеси, пластической прочности бетона и безобогревное бетонирование в скользящей опалубке может быть осуществлено при введении поташа в комплексной добавке в количестве 12…15%.
Таким образом, предложенные технологии и полученные подтверждающие их результаты позволяют наметить пути снижения ползучести бетонов транспортных и других бетонных конструкция и повысить долговечность бетонных и железобетонных сооружений.
Список использованных источников:
- Александровский С.В. Расчёт бетонных и железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия. – М.: Стройиздат, 1966. -444 с.
- Шейкин А.Е. Структура прочность и трещиностойкость цементного камня. –М.: Стройиздат, 1974. -194 с.
- Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов.- М.: Стройиздат, 1979.- 344с.
- 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.
- Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Исследования реологических свойств бетонных смесей для изготовления дорожных барьерных ограждений методом скользящей опалубки. Строительство и реконструкция. – Орел: 2010. ОрелГТУ. Вып. 2 (28). –С. 67-72.
- Добшиц Л.М., Швецов Н.В. Технология изготовления дорожных барьеров методом скользящей опалубки / Транспортное строительство. Москва: 2012. Вып. 1. – С. 18-20.
- Добшиц Л.М.Повышение долговечности бетонов транспортных сооружений, укладываемых в зимнее время без обогрева (статья)/ Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1999 г./ Сб. научн. тр.– М.: МИИТ, вып. 922, 1999. – С. 58…62.
