Повышение долговечности модифицированных бетонов тонкостенных железобетонных конструкций, эксплуатируемых в воде

В современном гидротехническомстроительстве достаточно широко применяются тонкостенные железобетонныеконструкции. Например, стенки каналов и водопропускных сооруженийизготавливались толщиной 8–12 см, а корпуса плавучего железобетонногосооружения для снижения веса имеют толщину от 8 до 16 см при большом процентенасыщения стальной арматурой. Бетон тонкостенных сооружений, эксплуатируемых вводе, в том числе морской, испытывают действие всех трех видов коррозии, атакже морозные, динамические и биологические воздействия.

Проведенные обследования бетонастенок каналов, конструкций водопропускных сооружений и плавучих доковпоказали, что наибольшая глубина повреждений бетона наблюдается в зонепопеременного увлажнения и высушивания. В случае применения сульфатостойкихпортландцементов и обеспечения достаточной водонепроницаемости для обводненныхконструкций наилучшее состояние показывали эксплуатируемые в воде бетоны,которые имели прирост прочности до 50–60 % по сравнению с проектной.Эксплуатируемые на воздухе части конструкций имели прирост прочности до 20 %, ав зоне переменного увлажнения и высушивания — до 10 %. Однако в случаеприменения недостаточно долговечных составов наблюдались разрушение конструкцийи потеря прочности до 50 % от проектной [1].

По данным исследованийэксплуатируемых в водной и воздушно-сухой среде бетонов тонкостенных сооруженийбыла построена общая зависимость изменения прочности бетона во времени взависимости от среды эксплуатации и водонепроницаемости: рис. 1.

Рис. 1. Изменениепрочности бетона в зависимости от среды эксплуатации и водонепроницаемости

То есть в процессе эксплуатацииструктура бетона в сооружении подвержена непрерывным изменениям, которые должныбыть учтены при проектировании состава бетона. Таким образом, для обеспечениядолговечности бетона Будет правильным использовать схему: состав — структура —изменение структуры — свойства.

Целью исследований являетсяразработка основ получения модифицированных бетонов тонкостенных гидротехническихсооружений (ГСТ) с высокими эксплуатационными характеристиками и прогнозируемойповышенной долговечностью.

Исследования проводились внесколько связанных этапов:

— на первом этапе по результатамнатурных исследований состояния бетонов тонкостенных конструкцийпроанализированы причины их разрушения и сформулированы требования для бетоновтонкостенных ГТС, а также обоснован выбор модификаторов и дисперсногоармирования;

— на втором этапе исследовалосьвлияние на свойства мелкозернистого бетона ГТС дозирования цемента,суперпластификатора и кольматирующей добавки, а также зернового состава песка;

— на третьем этапе исследовалисьсвойства бетона дисперсно-армированного полимерными фибрами разных видов, атакже модифицированного тонкодисперсным наполнителем и разработанной на второмэтапе комплексной добавкой (суперпластификатор С-3 + «Пенетрон А»).

Максимальную эффективность вуплотнении структуры и повышении водонепроницаемости и морозостойкости бетонапоказывают современные модификаторы, самыми распространенными из которых вУкраине являются «Пенетрон», «Ксайпекс» и «Виатрон», а такжесуперпластификаторы. Многие системы имеют в своем ассортименте как покрытия длябетонов, так и добавки. Однако в ряде случаев применение первичных мер защитыпредпочтительнее вторичной защиты (покрытий). Это объясняется тем, что вотличие от конструкций, на которых применяется только вторичная защита, примеханическом повреждении поверхности не возникает фильтрация. Сравнение системмодификаторов показало, что добавки незначительно влияют на прочность бетона,однако более эффективны «Пенетрон Admix» и «Ксайпекс Admix». В нашихисследованиях был выбран Пенетрон ввиду его большей технологичности.

На втором этапе исследований былоустановлено, что за счет введения в состав бетона новой комплексной добавки «ПенетронА» + С-3 [3] его водонепроницаемость повышается в 1,5–2 раза, достигая длянаиболее качественных составов уровня W18. При этом подвижность смесейвыдерживалась равной. Морозостойкость материала повышается на 100–150 циклов,достигая для модифицированных мелкозернистых бетонов 550 циклов в морской воде.Прочность композитов, как на сжатие, так и на растяжение при изгибе, за счетмодифицирования несущественно увеличивалась. Для большинства показателейкачества композита эффективным оказалось введение суперпластификатора С-3 вколичестве 0,8 % от массы цемента.

Учитывая реальные условиясырьевой базы юга Украины исследовалось влияние зернового состава песка насвойства бетона с комплексной добавкой «Пенетрон А» + С-3. Варьировались двафактора состава мелкозернистого бетона:

— вид песка: мелкий песок (модулькрупности 0,98), смесь песков или крупный песок (модуль крупности 2,8);

— дозирование добавки «Пенетрон А»от 0 до 3 % от массы цемента.

Мелкозернистые бетоны имелидозировку сульфатостойкого портландцемента 700 кг/м3 и были модифицированысуперпластификатором С-3 в количестве 0,8 %. Было установлено, что введениекомплексной добавки повышает водонепроницаемость мелкозернистого бетона в 1,5–2раза: с 4–5 до 9–10•105 Па для композитов из мелкого песка и с 9–10до 15–16•105 МПа для композитов из крупного песка или из смесипесков с преобладанием крупного. Для составов с максимальным дозированием «Пенетрона»в меньшей мере ощущается влияние вида песка — уровень W изменяется взависимости от заполнителя не более чем в 1,5 раза (от W10 до W14–15).Максимальную водонепроницаемость имеют составы бетонов из смеси песков ссоотношением мелкого и крупного около 1:6, что позволяет рекомендовать такиесоставы для работающих при постоянном давлении воды тонкостенных бетонныхконструкций гидротехнических сооружений.

Для ответственных тонкостенныхконструкций всё чаще применяется дисперсное армирование. Фибра позволяетсущественно повысить трещино- и ударостойкость бетона, подвергаемогодинамическим воздействиям. Однако, ввиду влажной среды эксплуатации и сложностирегулирования защитного слоя, в тонкостенных сооружениях следует применятьполимерную фибру, которая не подвержена коррозии.

На третьем этапе исследованийизучалось влияния на свойства бетона для тонкостенных гидротехнических конструкцийследующих факторов:

— количество сульфатостойкогоцемента, от 500 до 700 кг/м3;

— соотношение между крупным имелким заполнителем (Щ/П) от 1,6 до 2,2. Данный фактор влияет на «защемление»волокон фибры, и, соответственно, на качество совместной работы бетоннойматрицы и фибры;

— количество наполнителя(молотого песка), от 0 до 8 % от массы цемента. Применение молотого песка вработе направлено на управление водонепроницаемостью и морозостойкостью бетона,а также качеством сцепления матрицы с фиброй;

— дозировка полипропиленовойфибры двух видов, в одной серии — Fibermesh от 0 до 5 кг/м3 и в другой— Baucon от 0 до 1,2 кг/м3. Волокно Fibermesh имеет диаметр 200 мкми длину 13 мм,а Baucon — диаметр 18,7 мкм и длину 12 мм.

Во все составы вводиласькомплексная добавка «Пенетрон А» + С-3. Все смеси имели равную подвижность от16 до 18 см.Введение полимерной фибры увеличивало водопотребность и, соответственно,снижало В/Ц смеси, что влияло на все свойства материала.

Анализ изменения показателейкачества модифицированного бетона за счет варьирования факторов показал, чтовведение наполнителя (молотого песка) положительно сказывается на прочностныххарактеристиках. За счет введения 8 % молотого песка величина прочности присжатии увеличивается на 6–12 МПа, а растяжения при изгибе — на 1–1,5 МПа, какдля бетонов с фиброй Fibermesh, так и для бетонов с фиброй Baucon. Наполнительувеличивает сплошность среды, уменьшая межзерновое расстояние в бетоне; крометого, частицы наполнителя могут выполнять роль центров кристаллизации [4].

Введение до 1,2 кг волокон фибры (какFibermesh, так и Baucon) на 1 м3бетона несколько повышает прочность бетона на растяжение при изгибе и мало влияетна прочность при сжатии.

Влияние отношения Щ/П, а такжеколичества наполнителя и фибры на водонепроницаемость как один из основных показателей,определяющих долговечность бетона в водной среде, показано на рис. 2.Благодаря введению комплексной добавки уровень W всех составов весьма высок (отW10–12 до W20). Наибольшую водонепроницаемость показали составы с максимальнымколичеством наполнителя и Щ/П около 2,2.

Рис. 2. Влияние отношения Щ/П,количества молотого песка и фибры на водонепроницаемость бетона: а— составы с фиброй Fibermesh, б — составы с фиброй Baucon)

За счет введения наполнителяводонепроницаемость бетона возрастает, что объясняется улучшениемкапиллярно-поровой структуры композита. Фибра снижает уровень W, чтообъясняется формированием направленных капилляров вдоль ее волокон. Однакоследует отметить, что при применении до 1,2 кг/м3 фибрыводонепроницаемость снижается не более чем на одну марку, что позволяетиспользовать ее в тонкостенных ГТС, повергаемых динамическим воздействиям.

Изучение структуры модифицированногобетона проводилось, в частности, рентгеноструктурным и дериватографическиманализом. Установлено, что составляющие «Пенетрона A» взаимодействуют сминералами цемента: часть негашеной извести и растворимые силикаты, аморфныйкремнезем алюмината и ферриты вместе с водой проникают в поры композита. Впорах бетона проходит реакция взаимодействия соединений «Пенетрона» между собойи с соединениями цемента, в частности с ионными комплексами кальция и алюминия,различными оксидами и солями металлов. Образовываются нерастворимые силикаты,алюминаты и ферриты кальция, которые кольматируют поры, формируякристаллические образования в виде игловидных, хаотично расположенныхкристаллов. Если бетон без модификатора является среднепористым, то применениеС-3 делает его мелкопористым, а применение комплексного модификатора —микропористым [2].

Результаты исследований прошли промышленнуюпроверку. Разработанные составы модифицированных бетонов использовались припроизводстве и восстановлении тонкостенных конструкций гидротехническихсооружений мелиорации и плавучих доков. Разработаны и утверждены «Регламент потехнологии изготовления и применения бетонов с добавками системы "Пенетрон"и С-3 для изготовления и восстановления гидромелиоративных железобетонных сооружений»и «Регламент по технологии приготовления и применения модифицированного бетонадля гидротехнических сооружений мелиорации, водопропускных сооружений иавтодорог с применением полимерной фибры». Разработаны рекомендации потехнологии приготовления и применения тяжелого судостроительного бетона припостройке морских плавучих железобетонных и композитных сооружений.

В целом можно сделать следующиевыводы:

1. Проанализированы действиямодификаторов на структуру бетонов. Показано, что основные изменения качественныхпоказателей и долговечности бетона обуславливаются возможностью регулированияего капиллярно-пористой структуры и проницаемости. Применение комплексныхмодификаторов и наполнителя позволяет снизить открытую пористость и уменьшитьразмеры пор.

2. Получены и внедрены бетоныповышенной водонепроницаемости и морозостойкости для тонкостенныхгидротехнических сооружений с новой комплексной добавкой «Пенетрон А» + С-3,которая повышает водонепроницаемость в 1,5–2 раза, а морозостойкость — на 100–150циклов.

3. Доказана эффективностьприменения тонкодисперсного наполнителя для повышения долговечности бетона.Показано положительное влияние наполнителя на структуру композита и егомеханические свойства.

4. Разработана технологияизготовления и применения дисперсно-армированного модифицированного бетона длятонкостенных элементов гидротехнических сооружений с гарантированнойдолговечностью.

Литература:

1. Мишутин А. В., Мишутин Н. В.Повышение долговечности бетонов тонкостенных плавучих и портовых гидротехническихсооружений. — Одесса: Одесский центр научно-технической и экономическойинформации, 2003.

2. Мишутин А. В., Мишутин Н. В.Структура — основа долговечности бетона // Вісник Одеської державної академіїбудівництва та архітектури. — Одеса: Вд-во ЗРС, 2005. — Вип. 17. — С. 279–286.

3. Пат. 19814 Украина. Бетоннаясмесь с добавками «Пенетрон А» + С-3.

4. Цементные бетоны сминеральными наполнителями / под. ред. Л. И. Дворкина. — К.: Будивэльнык, 1991.