Содержание к диссертации
Введение 7
Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРВДСТАВЛЖШ О МЕХАНИЗМЕ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА В СОЛЕВЫХ СРДЦАХ 17
1.1. Физико-химические процессы коррозии бетона в солевых средах 17
1.2. Влияние знакопеременных температур на разрушение бетона 24
1.3. Осмотические, капиллярные и поверхностно-адсорбционные явления, сопутствующие коррозии бетона 29
1.4. Кристаллизационное давление 32
1.5. Структура порового пространства цементного камня и бетона 42
1.6. Цель и задачи исследования 46
Глава 2. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ДШ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ И ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕШИ ВОЗНИКАЮЩИХ В БЕТОНЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СОЛЕВЫХ СРЕД И ЗНА КОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР 47
2.1. Метод оценки кристаллизационного давления при осевом нагружении растущего кристалла 47
2.2. Метод оценки кристаллизационного давления в порах бетона 52
2.3. Давление растущих кристаллов льда на стенки пор бетона 61
2.4. Метод оценки давлений, возникающих при тепловом расширении кристаллов солей и
льда в порах бетона 4 стр.
2.5. Зависимость возникающих внутрипоровых давлений от упругих свойств материалов 72
2.6. Метод определения давления, возникающего в капиллярно-поровом пространстве бетона при переходе промежуточных соединений в кристаллогидратные формы 79
2.7. Метод определения давления, возникающего в капиллярно-поровом пространстве бетона
при его замораживании 83
2.8. Влияние солей на замерзание раствора в порах бетона 87
2.9. Внутренние напряжения в бетоне, возникающие при воздействии на него агрессивных
солевых сред и знакопеременных температур 92
2.10. Метод определения средних внутренних напряжений, давлений в бетоне и их связь с
параметрами пористости 95
Глава 3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РОСТЕ И ТЕПЛОВОМ РАСШИРЕНИЙ КРИСТАЛЛОВ СОЛЕЙ И ЛЬДА ИЗ
3.1. Метод измерения кристаллизационного давления при осевом нагружении растущего кристалла ИЗ
3.2. Объекты исследований и подготовка экспериментов 127
3.3. Метод оценки давлений, возникающих при фазовых переходах воды в лед и тепловом
расширении льда 129
3.4. Разработка метода определения внутренних напряжении, возникающих в бетоне при
усадке 134
3.5. Определение внутренних напряжений в бетоне при воздействии на него солевых сред и знакопеременных температур 141
3.6. Определение внутренних напряжений в бетоне при циклическом замораживании и оттаивании образцов бетона 142
3.7. Применяемые для изготовления бетона материалы и их характеристики 142
Глава 4. ЗКСІШШМЕНТАЛШАЯ ОДЕЖА ДЕЛЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РОСТЕ КРИСТАЛЛОВ, ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ВОДЫ В ]Щ И ТЕПЛОВОМ РАСШИРЕНИИ ЛЬДА 145
4.1. Растворение кристаллов при осевом давлении 145
4.2. Рост кристаллов при одноосном сжатии 147
4.3. Экспериментальная оценка давлений, возникающих при фазовом переходе воды в лед и тепловом расширении льда 151
4.4. Результаты экспериментов по определению давлений, возникающих при фазовом переходе воды в лед, в системах разных жесткостей 153
4.5. Результаты исследований собственных напряжений от усадки цементного камня
бетона 160
4.6. Результаты экспериментов по определению морозостойкости и морозосолестойкости
бетона в зависимости от уровня внутренних напряжений 164
Глава 5. ВНЩРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕШИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ 172
5.1. Область внедрения бетонов повышенной морозостойкости в солевых средах 172
5.2. Расчет технико-экономической эффективности применения бетонов повышенной долговечности и их внедрение в производство 174
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 178
ЛИТЕРАТУРА 181
ПРИЛОЖЕНИЯ:
Акты внедрения 193
Рекомендации по приготовлению и применению тяжелых бетонов повышенной морозосолестойкости на основе комплексных химических и минеральных добавок 202
Методика ускоренного определения морозосолестойкости бетона по уровню внутренних напряжений 2
Введение к работе
Стоимость ежегодно используемых в строительстве материалов составляет около 50 млрд.р., из них на долю бетонных ж железобетонных конструкций приходится около 25 %, что почти в 2 раза превышает общую стоимость продукции деревообрабатывающей промышленности, в 8 раз - стоимость стальных конструкций, т.е.бетон и железобетон занимает в современном строительстве и будет занимать в будущем ведущее место среди важнейших конструкционных материалов. В то же время известно, что ежегодные потери от коррозии строительных материалов, в том числе бетона и железобетона, превышает 2,5 млрд.руб. Поэтому повышение коррозионной стойкости и долговечности бетона и железобетона является одной из основных проблем, решение которой теснейшим образом связано с экономией и рациональным использованием сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов, предусмотренных постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов" .
Особенно остро стоит вопрос об обеспечении требуемой долговечности бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивных солевых сред и знакопеременных температур. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений, предприятий калийной и пищевой промышленности, складов минеральных удобрений, транспортного строительства и др. подвергаются воздействию хлористых солевых сред и нередко выходят из строя ранее предусмотренного нормами времени. Так, разрушение бетонных и железобетонных конструкций на предприятиях калийной промышленности происходит примерно за 7-Ю лет, а срок службы дорожного бетона в условиях Урала составляет всего 2-4 года.
Разрушение бетона при совместном воздействии воды, химически неактивных хлористых солей и знакопеременных температур происходит под действием внутренних напряжений от разных факторов, таких как кристаллизационное давление солей и льда, давлений, возникающих при образовании кристаллогидратов или других фазовых переходах со значительным увеличением исходных объемов, осмотическое, капиллярно-адсорбционные явления, набухание, усадка и др. Однако до настоящего времени остаются невыясненными окончательно роль каждого из них в разрушении бетона, недостаточно изучены закономерности проявления отдельных факторов, нет методов расчета и экспериментального определения суммарных внутренних напряжений от совместного действия ряда факторов. Поэтому изучение закономерностей проявлений перечисленных факторов позволит определить их роль в разрушении бетона в зависимости от агрессивности среды и физико леханических свойств бетона. Это дает возможность при подборе составов бетонов наметить и реализовать эффективные технологические мероприятия по повышению стойкости бетона в солевых средах.
Изучению процессов коррозии в условиях солевых сред и знакопеременных температур, повышению стойкости и долговечности бетона в этих условиях посвящены работы И.Н.Ахвердова, В.И.Бабушкина, А.А.Барташевича, П.П.Будникова, Г.И.Горчакова, А. Е. Де сова, Г.Д.Диброва, Ф.М.Иванова, П.Г.Комохова, А.И.Минаса, В.М.Москвина, О.П.Мчедлова-Петросяна, Т.С.Пауэрса, А.Ф.Полака, В.Б.Ратинова, М.М.Сычева, А.Е.Шейнина, С.В.Шестоперова, Е.Д.Щукина и др. Основные закономерности, установленные в этих работах, были положены в основу наших исследований по определению и повышению стойкости бетона в условиях совместного воздействия хлористых солевых сред и знакомеременных температур.
Цель работы - разработка расчетных и экспериментальных методов определения внутренних напряжений, возникающих в бетоне при воздействии хлористых солевых сред и знакопеременных температур, и повышение стойкости бетона в этих условиях.
Исходя из анализа состояния вопроса и поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи.
1. Разработать расчетные и экспериментальные методы определения внутренних напряжений, возникающих в бетоне при росте и тепловом расширении кристаллов солей и льда, при образовании кристаллогидратов и других фазовых переходах со значительным увеличением исходных объемов. Получить аналитические зависимости для оценки их величин.
2. Разработать методику и датчик для определения внутренних напряжений, возникающих в бетоне при усадке и циклическом замораживании-оттаивании в воде и солевых средах и определить уровень этих напряжений.
3. Разработать рекомендации по подбору эффективных составов бетонов повышенной долговечности и методику ускоренного определения их морозосолестойкости. Внедрить результаты исследований в производство.
Научная новизна. Предложены расчетные формулы для определения давлений и внутренних напряжений, возникающих в бетоне при _фазовых переходах воды в лед и при образовании в его порах кристаллов солей, льда, кристаллогидратав, твердой эвтектики в результате воздействия химически неактивных хлористых солевых сред, знакопеременных температур.
Разработаны методики и измерительные устройства для определения давлений, возникающих при росте кристаллов солей,при фазовом переходе воды в лед и тепловом расширении льда, с помощью которых установлены закономерности проявлений этих давлений и определены их величины.
Разработана методика и новая конструкция датчика для прямых измерений внутренних напряжений в бетоне. Определены усадочные напряжения в цементном камне на разных вяжущих, в песчаном бетоне и в тяжелых бетонах разных составов, а также внутренние напряжения, возникающие в тяжелых бетонах при их циклическом замораживании и оттшшании в воде и солевых средах.
Практическая ценность работы. Разработанные расчетные и экспериментальные методы определения внутренних напряжений, возникающих в бетоне при воздействии химически неактивных хлористых солевых сред и знакопеременных температур, и составленные на их основе методические проработки позволяют подобрать эффективные составы бетонов, оценить ускоренным способом их морозостойкость и выбрать наиболее стойкие бетоны, отвечающие условиям эксплуатации и обеспечивающие необходимую долговечность строительных конструкций. Результаты исследований могут быть использованы для оценки эффективности известных и новых технологических мероприятий в повышении морозостойкости бетона, а также при создании новых материалов повышенной долговечности.
Реализация работы. На основании проведенных исследований разработаны "Рекомендации по оценке солестойкости капиллярно - II пористых строительных материалов", "Рекомендации по приготовлению и применению тяжелых бетонов повышенной морозостойкости на основе комплексных химических и минеральных добавок" и "Методика ускоренного определения морозостойкости бетона по уровню внутренних напряжений", позволяющие проектировать и выбирать бетоны повышенной морозостойкости.
Результаты. исследований использованы в тресте Доррем-строй и в Башмежколхозстройобъединении при изготовлении изделий дорожного строительства. Экономический эффект от внедрения составил более 200 тыс.руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на П координационном совещании в НИИЖБе (Мосіша, 1976 г.), на научно-технической конференции "Защита строительных конструкций на предприятиях цветной металлургии" (Свердловск, 1976 г.), .на Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование технологии твердения неорганических вяжущих материалов" (Уфа, 1978 г.), на УП Всесоюзной научно-технической конференции "Защита металлических и железобетонных строительных конструкций от коррозии" (Ростов-на-Дону, 1983 г.), на ежегодных научно-технических конференциях НЙИпромстроя (Уфа, 1973-1983 гг.), на 1-й Республиканской научно-практической конференции "Организация технологии производств бетонов повышенной прочности и долговечности" (Уфа, 1983 г.).
Автор защищает:
- разработанные расчетные и экспериментальные методы и результаты исследований по определению давлений и внутренних напряжений, возникающих в бетоне при совместном воздействии хлористых солевых сред и знакопеременных температур;
- методику и датчик новой конструкции-, разработанный автором, для определения внутренних напряжений, возникающих в бетоне при его усадке и циклическом заіуіораживании-оттаива-нии, и полученные с их помощью результаты экспериментальных исследований;
- разработанные "Рекомендации по приготовлению и применению тяжелых бетонов повышенной долговечности" и "Методику ускоренного определения морозостойкости бетона по уровню внутренних напряжений".
Публикация. По материалам диссертации опубликовано 24 статьи.
Структура и объем работы. Диссертация в объеме 236 стр. состоит из введения, 5 глав, выводов, 35 иллюстраций, 44 таблиц, списка использованной литературы из 122 наименований и приложений, включающих акты внедрения, расчет экономической эффективности, "Рекомендации по приготовлению и применению тяжелых бетонов повышенной морозостойкости на основе комплексных химических и минеральных добавок" и "Методику ускоренного определения морозостойкости бетона по уровню внутренних напряжений" .
Краткое содержание работы. В первой главе приводятся литературные данные о причинах развития процессов коррозии бетона в условиях химически неактивных хлористых солевых сред и знакопеременных температур. Проанализированы условия проявлений отдельных факторов и существующие методы их расчета. Выявлена необходимость в разработке расчетных и экспериментальных методов, измерительных средств для определения давлений, внутренних напряжений, возникающих в бетоне при воздействии солевых сред и знакопеременных температур. Даны выводы, сформулированы цель и задачи работы.
Во второй главе описываются результаты теоретических исследований по разработке методов оценки давлений, возникающих в бетоне при росте и тепловом расширении кристаллов солей и льда, при образовании кристаллогидратов из непрогидрати-ровавших в процессе формирования бетона зерен клинкера цемента или других промежуточных безводных или маловодных соединений, при фазовых переходах воды в лед в замкнутых и открытых капиллярах.
Приводятся полученные расчетные формулы и результаты расчета этих давлений, определены условия и размеры пор бетона, в которых возможно возникновение кристаллов солей, льда и эвтектики. Описываются способы уменьшения интенсивности возникающих в единице объема бетона давлений.
Дается метод определения, расчетная формула и данные вычисления средних внутренних напряжений в бетоне от разных факторов коррозии, включая напряжения осмотической и усадочной природы. Показано, что возникающие давления и внутренние напряжения определяются в значительной зависимости не только от параметров агрессивной среды, но и физикочяеханическими свойствами бетона, а также характеристиками капиллярно-пористой структуры, что позволяет сформулировать требования к бетону повышенной солестойкости, сущность которых заключается в оптимизации структуры капиллярно-порового пространства в направлении уменьшения возникающих при солевой коррозии давлений, внутренних напряжений и улучшения физико-механических, прочностных свойств. Существенное снижение интенсивности возникающих давлений и внутренних напряжений достигается макропористости, общей, открытой капиллярной пористос-тей цементного камня бетона, смещением максимума пор в сторону меньших размеров, снижением жесткости скелета цементной матрицы и др. Показано, что оптимизации структуры бетона в указанном направлении можно достичь за счет известных технологических методов с использованием комплексных химических и демпферных добавок в бетонной смеси.
В третьей главе приводятся методики и разработанные измерительные средства для определения давлений, возникающих при росте и тепловом расширении кристаллов солей, льда, а также при фазовых переходах, сопровождающихся значительным увеличением исходного объема.
Описываются предполагаемые методы, конструкция датчика для определения внутренних напряжений, возникающих в бетоне при усадке, циклическом замораживании-оттаивании образцов, насыщенных водой или солевыми растворами, что положено в основу оценки стойкости разных бетонов, .эффективности действия комплексных химических, демпферных добавок и выбора бетона повышенной солестойкости.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований по определению давлений, возникающих при росте и тепловом расширеюш кристаллов. При определенных условиях эти давления соизмеримы с пределами прочности тяжелых бетонов на разрыв.
Показано,что в закрытых системах, заполненных водой более чем на 90 %, возникает давление, обусловленное известным увеличением объема при фазовом переходе воды в лед. Это давление в замкнутых цилиндрах, полностью заполненных водой, достигает уровня сотен МПа в жестких системах. В менее жестких системах, например, в цилиндре с приведенным модулем упругости порядка 80000 Ша, давление составляет около 100 Ша, что примерно на порядок выше кристаллизационного давления льда. В этих же цилиндрах, заполненных водой на 90 % и менее, возникшее в тех же условиях давление существенно ниже и составляет около 35 Ша. Установлено, что фазовый переход воды в лед в открытых цилиндрах со смазанными и не смазанными стенками, также сопровождается возникновением давления, равного примерно 17 Ша.
Даны результаты измерения внутренних напряжений, возникающих при усадке и при попеременном замораживании-оттаивании бетонов, насыщенных водой и солевыми растворами. При прочих равных условиях возникающие напряжения находятся в значительной зависимости от упругих характеристик цементной матрицы и используемых в бетонах заполнителей, уменьшение величин которых приводит к существенному снижению уровня напряжений, что было положено в основу оценки эффективности технологических мероприятий и выбора бетона повышенной стойкости в условиях солевых сред и знакопеременных температур.
Приведены результаты изучения морозостойкости бетонов разных составов, подобранных для этих исследований, при их попеременном замораживании-оттаивании в воде и насыщенном растворе хлористого калия. Определены основные показатели (напряжения, возникающие при усадке и попеременном замораживании-оттаивании, коэффициенты морозостойкости и количество циклов, соответствующих им), характеризующие стойкость бетона в этих условиях. Показано, что введение в состав бетонной смеси комплексных химических (СДБ, СНВ, ТНФ)и демпферных (керамзитовый песок) добавок позволяет при разных сочетаниях в 2-4 раза снизить уровень возникающих напряжений и повысить стойкость бетонов при этих условиях в 1,5-4 раза, т.е. уменьшение уровня возникащих напряжений является эффективным способом повышения термоусталостной выносливости бетонов.
В пятой главе приведен расчет технико-экономической эффективности разработанных составов бетона и изложены результаты производственного внедрения.
Диссертация выполнена в лаборатории прочности строительных материалов Научно-исследовательского института промышленного строительства. Автор выражает свою признательность сотрудникам лаборатории прочности за помощь в работе. Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю профессору А.Ф.Полаку и доценту В.В.Бабкову за постоянное внимание к этой работе.
