Особенности адаптации бетона в сложных эксплуатационных условиях

Чернявский В. Особенности адаптации бетона в сложных эксплуатационных условиях // Бетон и железобетон. 2004 . №2. C. 6-8

Склонность бетона к коррозионному разрушению постоянно подавляла возможность обнаружить его адаптационные свойства, непосредственно связанные с гидратацией реликтов вяжущего, что происходит в сформировавшейся структуре бетона строительных конструкций. Как было показано нами ранее [1], цементный бетон относится к классу ограниченно структурно изменяющихся систем. Практически полезной иллюстрацией процессов формирования, сохранения и исчерпания этим популярным материалом своих адаптационных свойств является его поведение как главного компонента строительных конструкций зданий и сооружений объектов черной металлургии [2], для которых характерны сложные нестационарные, как правило, слабо контролируемые эксплуатационные воздействия, включающие нагрев и увлажнение сульфат-, карбонат- (бикарбонат-) и хлорсодержащими водными растворами природного или технического происхождения. Источниками нагрева является конвективное или лучистое тепло, выделяемое металлургическими печами, конвертерами, спекательными машинами, горячим коксом, агломератом, чугуном, сталью, прокатом, шлаком. Основными причинами увлажнения конструкций в помещениях с повышенными тепловыделениями являются мокрая уборка пыли, а также грунтовые и иные подземные воды, действующие на заглубленную часть фундаментов под тепловые агрегаты, технические или оборотные воды, используемые для охлаждения шлака, металла в установках грануляции, разливочных машин, станов горячей прокатки и т.п. При обследовании значительного числа зданий и сооружений рудоподготовительного, коксохимического и металлургического производств России и Украины [2,3] были отобраны и исследованы образцы бетона примерно из двух тысяч конструкций, срок службы которых в конкретной эксплуатационной среде составлял от 2 до 35 лет, и обеспечивался в основном за счет первичной защиты без каких-либо дополнительных противокоррозионных покрытий, которые при строительстве не были выполнены, часто в нарушение требований нормативных документов, действующих на время проектирования и строительства.

Известны два, существенно отличающихся подхода к оценке вида и степени агрессивности эксплуатационной среды по отношению к бетону строительных конструкций. Первый, кажущийся вполне естественным, основан на непосредственном проведении замеров ее параметров. Однако, в этом случае заинтересованные лица сразу сталкиваются с серьезными проблемами при назначении источников формирования выборки, соблюдении требований к ее представительности и иными методическими затруднениями, связанными с сезонными или технологическими колебаниями наблюдаемых параметров внешней среды. Опыт обследования производственных зданий и сооружений свидетельствует о том, что систематический контроль за средой регулярно не производится, а непредвиденные причины изменения агрессивных воздействий, связанные с несоблюдением проектного технологического режима и нарушением предписанных правил эксплуатации оборудования и инженерных сетей на предприятии, фиксируются далеко не всегда. С учетом сказанного, нами [3] был предложен другой, принципиально отличающийся от предыдущего, подход, который заключается в отборе образцов бетона из защитного слоя конструкций на конкретном участке строительного объекта с последующим исследованием особенностей его коррозионного состояния, в том числе бетона, исчерпавшего свои свойства в качестве первичной защиты железобетонного элемента. При этом бетон следует рассматривать в качестве своеобразного ?индикатора? вида и степени агрессивности эксплуатационной среды. В подобных случаях все многообразие внешних воздействий (с учетом вида напряженного состояния бетона в конструкции) может быть сведено к нескольким существенным признакам коррозионного процесса, которые являются инструментально наблюдаемыми. Известный в технической диагностике метод распознавания образов является достаточно корректным способом формализации процесса принятия решения при группировке объектов по нескольким признакам и состоит из трех этапов: выбора признаков, существенно характеризующих объект и формирующих в дальнейшем ?обобщенный образ? его технического, например, коррозионного состояния; определения количества групп, на которые должна делиться исходная совокупность объектов; разработки правила для принятия решения о принадлежности объекта к конкретной группе. При этом первичная группировка является ?обучающей? для новых образцов с тем же перечнем характеристик, формирующих ?обобщенный образ? коррозионного состояния бетона*.

В качестве признаков, существенно характеризующих коррозионные процессы в цементном бетоне, который, по мнению В.М. Москвина, в реальных условиях далеко не всегда разрушается строго по одному из трех описанных им механизмов [4], нами выбраны те признаки, которые имеют достаточно надежное инструментальное обеспечение. Это, прежде всего, относительное содержание цементных реликтов и т.н. ?дефектных участков? (поры, капилляры, трещины и иные пустоты) в вяжущей составляющей бетона, а также степень заполнения пустот в бетоне продуктами коррозии. Все указанные признаки определяются планиметрическим методом оптико-микроскопического анализа. Кроме того, в перечень признаков, формирующих ?обобщенный образ?, входят оценки содержания главных клинкерных минералов, гидроксида кальция, гидросульфоалюминатов кальция, двуводного гипса и карбонатов кальция в виде кальцита, ватерита и арагонита. Для их идентификации, в основном, использован количественный метод фазового рентгеновского анализа, результаты которого оформлены в виде ?вербальных признаков?. Несмотря на разнообразие внешних, как правило, периодических воздействий, существенно связанных с параметрами технологических процессов и природных условий, характер коррозионных изменений подавляющего большинства исследованных образцов, вошедших в каждую из описанных далее групп, оказался весьма похожим. При этом обнаружено, что наличие химически активных сред в сочетании с термическими воздействиями стимулирует протекание в бетоне сложных процессов, основными из которых являются поздняя гидратация цементных реликтов, сульфатизация, карбонизация и вымывание составляющих цементного камня, что происходит на фоне общей реакции структуры бетона на массообменные процессы. Роль последних, носящих в основном физико-химический характер, с повышением температуры становится преобладающей.

Группу I образовали образцы бетона, для которых относительное количество цементных реликтов (х1) составило около 20%, степень заполнения пустот (х2) - около 80%, гидроксид кальция (х3) практически отсутствовал, гидросульфоалюминаты кальция (х4) находились в незначительном количестве, а двуводный гипс (х5) и карбонаты кальция (х6) - в значительном количестве. Для образцов, попавших в группу II, характерна следующая ситуация: x1~20%, x2~50% оценке вида и степени агрессивности эксплуатационной среды по отношению к бетону строительных конструкцийоценке вида и степени агрессивности эксплуатационной среды по отношению к бетону строительных конструкций х3 и х4- незначительное количество, х5 и х6 - значительное количество. Для образцов, сформировавших группу III, оказалось соответственно: x1~30%; х3 и х6 - значительное количество, х4 - практически отсутствует, а х5 находится в незначительном количестве. Проведенная группировка строительных объектов по коррозионному состоянию бетона в защитном слое конструкций представляется полезной и позволяет избежать индивидуальной схемы выбора мероприятий по обеспечению долговечности железобетонных конструкций основных цехов предприятий черной металлургии (и близких к ним по описанной группе свойств объектов) при их возведении и ремонте [3].

В процессе исследования образцов бетона, отобранных из конструкций объектов, сформировавших указанные группы, с помощью фазового рентгеновского анализа удалось получить сведения об относительном содержании силикатных фаз цементного клинкера по суммарному эффектуи гидроксида кальция по индивидуальному эффектуВидно (рис. 1), что на стадии потери бетоном защитных свойств по отношению к стальной арматуре в его цементном камне присутствует некоторое количество силикатных реликтов вяжущего, однако кристаллический гидроксид кальция практически не наблюдается. Кроме того, при довольно высокой интенсивности разрушения бетона конструкций, отнесенных к группе III, количество силикатных реликтов вяжущего в цементном камне примерно в полтора раза больше, чем в образцах бетона, отобранных из объектов, принадлежащих к группам I и II и находящимися в той же стадии исчерпания бетоном защитных свойств по отношению к стальной арматуре. Описанные результаты подтверждают высказанные нами ранее [5] положение о том, что свойство адаптивности может реализоваться только при соблюдении двух обязательных условий: во-первых, наличия ресурса адаптации, главным образом, в виде клинкерных реликтов вяжущего и, во-вторых, осуществимости механизма использования этого ресурса, т.е. протекания собственно адаптационного процесса. При этом заметим, что даже в полностью разрушенном бетоне присутствует примерно 10... 15% от первоначального количества цементных реликтов, т.е. первое обязательное условие адаптивности соблюдается практически всегда. Для обследованных конструкций такое состояние оказывается характерным приблизительно через тридцать (группа I), двадцать (группа II) и пятнадцать (группа III) лет эксплуатации (см. рис.1). Однако за указанное время коррозионную активность стальной арматуры можно признать однозначной. Таким образом, при соблюдении первого условия адаптивности, второе обязательное условие не всегда соблюдается, т.е. бетон за указанное время практически исчерпал свои адаптационные возможности и, естественно, перестал функционировать как защитный слой железобетонных конструкций.




Определенного внимания заслуживают результаты экспериментальных исследований процесса заполнения продуктами вторичного минералообразования капиллярно-порового пространства бетона, что поименовано нами как процесс ?естественной кольматации? [3]. Для бетона конструкций, отнесенных к трем перечисленным выше группам, характерна различная степень проявления кольматирующего эффекта, связанная со степенью заполнения пор, трещин и капилляров цементного камня в бетоне. Рис.2 суммирует результаты статистической обработки данных петрографического анализа естественной кольматациицементного камня в бетоне, характерной для эксплуатационных сред различных технологических участков предприятий черной металлургии. Заметим при этом, что нацело заполненные поры встречаются крайне редко. Описанные результаты находятся в удовлетворительном согласии с данными, представленными на рис.1. Процесс естественной кольматации может рассматриваться как главная причина, объясняющая самопроизвольную консервацию бетона в эксплуатационной обстановке. Продолжительность периода сохранения или временного улучшения бетоном защитных свойств, сформировавшихся в результате естественной кольматации, определяется видом и степенью агрессивности среды, первоначальной проницаемостью и толщиной закольматированного слоя бетона. При обследовании конструкций зданий и сооружений предприятий черной металлургии, возведенных 8... 13 лет назад, мы наблюдали бетон, характеризующийся величиной капиллярного водопоглощения около 2% и менее, что свидетельствует о значительном, по сравнению с первоначальным (4.. .6%), снижением его проницаемости за счет взаимодействия со средой слабой и средней степени агрессивности. Что касается кольматации бетона под действием сильно агрессивной среды аналогичного вида, то продолжительность периода консервации бетона оказывается весьма незначительной и не может быть предметом практического интереса.




Таким образом, взаимодействие цементного камня бетона с агрессивной средой, как правило, включает не только разрушительные (коррозионные), но и созидательные (адаптационные) процессы [5], и в зависимости от их соотношения может быть условно разделено на два временных интервала. В первом из них преобладает созидательная составляющая, что приводит к сохранению или даже улучшению функциональных сво