О деструкции цементных бетонов

Существует мнение, что цементные бетоны при отсутствии внешней агрессии неопределенно длительное время сохраняют и приумножают свои свойства. Ведь не зря бытуют сравнения: «упорный, как бетон», «железобетонные нервы» и т.п. О том, что эти сравнения несколько преувеличены, и бетон не есть нечто, «данное нам на века», свидетельствуют многочисленные опытные данные, указывающие на периодическое возникновение в цементном камне внутренних напряжений, ослабляющих материал, снижающих его прочность. Эта особенность, как ранее отмечалось, подтверждается неоднократными спадами пластической прочности твердеющей вяжущей системы [82], «пилообразным» набором прочности [1], «самоиспытанием» и сбросами прочности бетонов на поздних этапах [85, 86, 276].

Таким образом, цементный бетон не является стабильным и устойчивым продуктом, его с полным на то основанием можно отнести «к классу ограниченно структурно-изменяющихся систем» [400], систем, подверженных «адаптационной эволюции < …> под действием эксплуатационной среды» [401]. Образно говоря, идущие в бетоне в течение десятилетий адаптационные процессы, придают ему «некоторое формальное сходство с живым организмом» [402]. И хотя возможная причина этих процессов, связанная с гидратацией цементных минералов в условиях формирующейся или уже сложившейся структуры микробетона, неоднократно отмечалась исследователями, тем не менее, некоторые стороны вопроса требуют уточнения.

Прежде всего, целесообразно рассмотреть результаты выполненных работ по изучению влияния некоторых факторов на деструкцию бетонов. В качестве вяжущего использовали новороссийский бездобавочный портландцемент М-500. Образцы-пластины (160х40х10 мм) формовали обычным методом из цементного теста (с В/Ц=0, 23, 0, 26, и 0, 30), растворной смеси составов 1: 2 и 1: 3 (песок – кубанский с М_кр=1, 0…1, 2) с В/Ц=0, 3, 0, 4 и 0, 6; серию образцов из теста (В/Ц=0, 26) и растворных смесей (В/Ц=0, 4) изготавливали из пластифицированных составов (С-3: 0, 2, 0, 4 и 0, 6 % от массы цемента по сухому веществу). Аналогичные образцы готовили традиционным способом из растворных смесей указанных составов с В/Ц=0, 6 и естественным твердением на воздухе, в камере стандартных условий, в воде, а также с применением 4…6-кратного циклического вибрирования [285, 286]. В месячном возрасте определяли прочность образцов при изгибе и на специальном стенде (рис.4.1) при помощи пружин и динамометра нагружали 50 %-ной нагрузкой от разрушающей (обеспечивали двукратный запас прочности). Стенд с нагруженными образцами устанавливали в холодную пропарочную камеру, включали «мокрые» ТЭНы, производили нагрев воды и подъем температуры среды со скоростью 15…20 °С/ч (создавали таким образом условия воздействия активированных молекул воды на сформировавшуюся структуру материала).

Рис.4.1. Поведение нагруженных образцов до (а) и после (б)

воздействия «активной» влаги

Состав, условия твердения и результаты испытания образцов приведены в таблице 4.1. Наиболее «стойкими» оказались образцы, изготовленные из обычного (составы 1…3) и пластифицированного (10…12) цементного теста. Образцы из растворных бездобавочных (4…9) и пластифицированных (13…18) смесей разрушались с различной интенсивностью. Последние, например, разрушились в течение одного часа с момента включения электронагревателей (температура среды в камере к этому времени составляла 40…45 °С). Образцы из растворной смеси состава 1: 3 и содержанием пластифицирующей добавки 0, 8 % (18) не представилось возможным испытать, поскольку один образец разрушился («самоиспытался») в процессе твердения, оставшиеся - рассыпались от ничтожной нагрузки. Даже виброактивированные образцы (19, 20) не проявили, как ожидалось, должной стойкости. Большую роль сыграли условия твердения составов: ни твердение в стандартной камере (6, 9), ни, тем более, естественное воздушное твердение (21, 23) не привели к позитивным результатам; только водное твердение (22, 24) обеспечило гарантированную сохранность образцов.

Таблица 4.1

Состав, условия твердения и результаты испытания образцов

Следует отметить достаточно неожиданный результат. Оказалось, что для деструктивных проявлений и разрушительных последствий не обязателен непосредственный контакт бетона с влажной средой. Образцы некоторых составов (12…15, 19…21, 23) с естественной (равновесной) влажностью перед нагружением и установкой в камеру тщательно герметизировали полиэтиленовой пленкой, однако спустя несколько часов прогрева обнаружили практически все (кроме составов 12, 19) разрушенные образцы. Абсолютно стойкими были также образцы предварительно высушенные до постоянной массы при температуре 105±2 °С. Полученные результаты позволили предположить, что наблюдаемая деструкция бетона связана с тепловой активизацией находящейся в том или ином количестве в затвердевшем материале адсорбционно-связанной воды и ее взаимодействием с клинкерными минералами. Вновь появляющийся гидратный продукт, увеличиваясь в объеме, является источником внутренних напряжений и деструкции материала. Резкое ослабление межзерновых связей приводит к разрушению нагруженного микробетона и бетона в целом.

Выполненные испытания показали ряд недоработок в методическом плане: сложность и трудоемкость регистрации времени разрушения конкретного образца, неизбежное снижение температуры среды при открывании крышки пропарочной камеры для определения маркировки разрушенного образца, невозможность обеспечения различных температурных режимов воздействия на бетон, неудовлетворительные и достаточно опасные условия проведения испытаний. В связи с этим, дальнейшие работы методически были несколько видоизменены. Для теплового воздействия на образцы использовали низкотемпературную камеру SNOL 67/350, позволяющую устанавливать температуру рабочего объема камеры до 350 °С и автоматически поддерживать ее на требуемом уровне с точностью ±2 °С (рис.4.2). Габариты стенда были доведены до размеров рабочей зоны камеры и предусматривали одновременное испытание шести образцов-пластин.

Для испытаний изготавливали образцы-пластины из цементного теста с В/Ц=0, 22, 0, 24, 0, 26, 0, 28, 0, 30, 0, 32 и растворной смеси состава 1: 2 с В/Ц=0, 40, 0, 45, 0, 50, 0, 55, 0, 60, 0, 65, 0, 70 и 0, 80. Для отдельных составов использовали суперпластификатор С-3 и добавки-электролиты (СаCl₂, К₂СО₃, КCl, NaCl,). Месячное твердение образцов – естественное, стандартное и водное; отдельные растворные образцы после суточного предварительного выдерживания подвергали тепловой обработке в лабораторной пропарочной камере в течение 10 ч. Величина нагружения образцов составляла 30, 50 и 70 % от разрушающей нагрузки. Стенд с нагруженными образцами устанавливали в холодную камеру с последующим подъемом температуры рабочего объема со скоростью 22±2 °С/ч, а также помещали в предварительно нагретую до 55, 70, 85, 100, 200 и 300 °С среду. В некоторых опытах стенд с нагруженными образцами устанавливали в воду (обычную, нагретую), 5%-ный раствор хлористого кальция (рис.4.3), подвергали действию открытого пламени при помощи бензиновой горелки. Часть образцов перед нагружением высушивали до постоянной массы при температуре 150±2 °С, а также выдерживали в течение 1…2 часов в горячей (75…80 °С) и кипящей воде. Время разрушения образцов фиксировали с момента установки стенда в низкотемпературную камеру (погружения в жидкую среду, начала воздействия открытого пламени).

Рис.4.2. Последовательность проведения экспериментов по определению

влияния температурного фактора на деструкцию нагруженных образцов

Рис.4.3. Испытание образцов в жидкой среде:

1 – стенд с нагруженными образцами;

2 – емкость с водой;

3 – электрическая печь;

4 – подготовленные к испытанию образцы

Водная среда с обычной температурой не оказала деструктивных и разрушительных последствий; отдельные нагруженные образцы разрушались при погружении в горячую воду, а также в раствор электролита. Воздействие же сухой горячей среды в подавляющем большинстве случаев имело для нагруженных образцов весьма печальный итог (представленная на рис.4.2 (3) картина – типичная ситуация). Совершенно катастрофические результаты имели место при воздействии на цементный камень (бетон) более высоких (200, 300 °С) температур и открытого огня (около 600…700 °С). Отметим следующие обнаруженные закономерности:

1) определяющим деструктивным фактором является именно температурный, хотя имело место разрушение при погружении образцов в раствор электролита;

2) величина температурного воздействия в значительной мере сказывается на интенсивности деструктивного проявления; при температурах 55, 70, 85, 100, 200 и 300 °С разрушение образцов имело место через 20±5, 8±3, 6±2, 4±2, 1…2, в пределах минуты, соответственно, с момента начала воздействия горячей сухой среды; действие открытого огня приводит к, практически, мгновенному разрушению образцов (рис.4.4);

3) величина нагружения образцов (от 30 до 70% разрушающей) не играет принципиальной роли в деструктивных действиях (достаточно часто минимально нагруженные образцы разрушаются раньше образцов, нагруженных более солидной нагрузкой);

Рис.4.4. Влияние величины температурного воздействия

на время разрушения нагруженных образцов

4) взаимосвязи между прочностью при сжатии и временем разрушения образцов не обнаружено как для высокопрочных (рис.4.5, а), так и для обычных бетонов (б);

Рис.4.5. Взаимосвязь «прочность бетона – время разрушения»

5) циклическая виброактивация, водное твердение, пропаривание (рис.4.5, б), выдерживание перед испытанием в горячей и кипящей воде, а также предварительная сушка заметно повышают «стойкость» образцов при воздействии температур до 100 °С (при более высоком температурном воздействии влияние перечисленных технологических приемов не значимо);

6) применение пластифицирующих добавок (С-3, Мурапласт FK 63.3) в обычно твердеющем и пропариваемом бетонах заметно интенсифицируют деструктивные процессы, что видно, анализируя рис.4.6 и рис.4.5 (б);

Рис.4.6. Взаимосвязь «прочность – время разрушения»

пластифицированных бетонов

7) добавки-электролиты (например, поташ) в значительной мере ускоряют деструкцию и разрушительные последствия (некоторые образцы не представилось возможным испытать, ввиду их разрушения при нагружении);

8) определенную роль играет водоцементный фактор – в первую очередь разрушаются образцы из жестких и высокоподвижных составов; для некоторых интервалов В/Ц растворных смесей просматривается четкая зависимость «продолжительность стойкости – значение В/Ц» (рис.4.7).

Рис.4.7. Зависимость времени разрушения образцов от

В/Ц растворных составов и температуры среды

Бетон хорошо работает при сжатии и более чем на порядок хуже при изгибе, растяжении, кручении. Поэтому малейшие протекающие в микробетоне структурные изменения сказываются, прежде всего, на последних свойствах, что и иллюстрируется представленными экспериментальными данными. Однако негативное действие повышенных температур испытывает не только нагруженный, но и бетон в обычном (ненагруженном) состоянии. Для уточнения этого вопроса были выполнены следующие опыты. Из обычной и пластифицированной (С-3 – 0, 6 % от массы цемента) растворной смеси состава 1: 2 на основе новороссийского портландцемента стандартным методом изготавливали образцы-балочки (160х40х40 мм). Через 28 суток нормального твердения образцы устанавливали в камеру SNOL 67/350 с температурой рабочего объема 100±2 °С, периодически (через каждые 20…60 мин) извлекали и испытывали на прочность при изгибе и сжатии по три образца. Результаты испытаний представлены на рис.4.8.

Анализируя полученные зависимости, следует отметить:

1) температурный фактор заметно снижает прочность бетонов, причем, особенно наглядно его негативное действие сказывается на прочности при изгибе (снижение данного показателя для всех образцов в исследованном временном интервале составляет не менее 40…50 %). Этот момент неоднократно отмечался исследователями: «снижение прочности при растяжении оказалось более существенным, чем прочность при сжатии» [403], что связано с различным характером работы бетона в данных напряженных состояниях, соответственно, неравноценной реакцией на протекающую деструкцию;

2) снижение прочности при сжатии более ощутимо для образцов со сравнительно повышенными прочностными показателями. По всей вероятности, в низкопрочных бетонах имеющие место сбросы прочности находятся в пределах погрешности испытаний, нивелирующих конечный результат;

3) деструктивные процессы имеют затухающий во времени характер. Для бездобавочного состава с В/Ц=0, 4, например, начальное достаточно интенсивное снижение прочности сменилось стабилизацией показателей с их последующим ростом и достижением, практически, исходных значений. Данный момент указывает на вполне реальную возможность эффекта «самозалечивания» микробетоном структурных микродефектов вновь появляющимся гидратом.

Рис.4.8. Влияние длительности температурного воздействия

на прочностные свойства бетона

Природу рассматриваемой деструкции следует искать в морфологии гидратированного цементного зерна. Затвердевший цементный камень (микробетон) – материал, состоящий из склеенных гидратными продуктами не полностью гидратированных цементных зерен. Подобное строение цементного камня просматривается лишь при расколе клинкерного зерна (рис.2.6, 2.7). Химически неиспользованные объемы зерна являются, как неоднократно отмечалось [27, 81, 82, 102-104], потенциальными объектами гидратационных процессов на поздних этапах в условиях сформировавшейся структуры. Вновь появляющийся гидрат, увеличиваясь в объеме, механически раздвигает «клеевой» гидратный слой, ослабляет структурные связи системы, приводит к деструкции и даже разрушению нагруженного бетона.

Поздняя гидратация цементных минералов обусловлена как естественным развитием процесса, так и может быть вызвана внешним тепловым воздействием. Снижение, стабилизация и даже прирост прочности «при температурах 100-150 °С свидетельствует об интенсификации процессов дополнительной гидратации клинкерных минералов» [403]. Вопрос о наличии в затвердевшем бетоне жидкой фазы излишен – «остаточное В/Ц» достигает весьма впечатляющих величин (рис.3.6, 4.9).

Рис.4.9. Влияние исходного В/Ц цементных составов

на месячную влажность образцов

Казалось бы, все достаточно логично и очевидно, если бы не один нюанс. Разрушение бетона наблюдается через считанные минуты с момента воздействия сухой среды с повышенной температурой (рис.4.4). И если причиной деструкции являются гидратационные процессы, то с позиций традиционной растворительной теоретической концепции возникают определенные сложности с принципом «диффузионного контроля» сформировавшейся к моменту проведения испытаний на поверхности клинкерных частиц плотной экранирующей гидратной пленки. Действительно, даже без соответствующих энергетических расчетов понятно, что для проникновения активированных молекул воды сквозь экранную оболочку к негидратированным областям вяжущего, осуществления соответствующих преобразований, отводу продуктов реакции в поровое пространство (или без такового), медленно текущих кристаллизационных проявлений необходим несравненно больший временной интервал (во всяком случае, не исчисляемый двумя десятками минут и менее).

Данное противоречие достаточно просто решается на основе поверхностного принципа гидратационных преобразований. Стадийная гидратация цементных минералов приводит к заполнению клеевым гидратным продуктом поверхности клинкерных зерен, соединяющем последние в единое целое в результате самоорганизации системы. На поздних этапах твердения химически использованная поверхность частиц вяжущего включает локально рассредоточенные энергетические структуры «остаточные негидратированные активные центры – адсорбционный слой молекул воды», своеобразные «мины замедленного действия» (рис.2.14-2.16), играющие определяющую роль в деструкции. При изменении внешних условий (например, повышении температуры) неизбежно «срабатывание мины» – нарушение равновесия системы за счет эстафетного разрушения водородных связей адсорбционного слоя, что приводит к вышеуказанной последовательности элементов гидратационного процесса и неразрывно с ним связанным деструктивным проявлениям. Таким образом, деструктивные процессы, способные привести к разрушению нагруженного бетона и железобетона, обусловленные дополнительной гидратацией цементных минералов на поздних этапах – объективная реальность, которая непременно должна учитываться при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации конструкций и сооружений.

Полученные экспериментальные данные позволили сформулировать следующие обобщения и технологические меры для повышения стойкости и надежности железобетонных конструкций:

1. Условия твердения бетона должны предельно соответствовать не только условиям их эксплуатации, но и возможным форс-мажорным ситуациям (воздействию ионизирующих, электромагнитных излучений, повышенных температур и др.). В отдельных случаях до передачи на конструкцию проектной нагрузки целесообразно подвергнуть бетон воздействию конкретной среды, что будет способствовать адаптации структуры микробетона и повышению его эксплуатационных качеств.

2. В технологии несущих конструкций следует ограничить применение органических и синтетических пластифицирующих продуктов, способствующих формированию структуры микробетона, чрезвычайно чувствительной к внешним факторам. Для достижения повышенной подвижности бетонных смесей необходимо использовать тонкодисперсные минеральные модификаторы (гашеную известь, глиняный шлам и др.) в сочетании с разумным увеличением количества воды затворения.

3. Нецелесообразно применять в технологии ответственных в эксплуатационном отношении изделий и конструкций противоморозных добавок-электролитов, характеризующихся «положительной» (по О.Я.Самойлову) гидратацией, таких как хлориды калия и натрия, поташ и др. Воздействие на модифицированный бетон внешних разрушающих водородные связи факторов приведет к активизации в структуре сформировавшегося микробетона огромного количества молекул воды с непременным гидратационным процессом, сбросом прочности и сложно прогнозируемым результатом.

4. Необходимо обеспечивать исключительно влажностные условия твердения бетона и железобетона (оптимальный вариант – выдерживание в водной среде с предельно повышенной температурой). Неубываемое количество воды в межзерновом пространстве цементной системы способствует более полному гидратационному преобразованию поверхности клинкерных зерен, к минимуму сводящему вероятность гидратационных процессов и деструктивных явлений на поздних этапах.

5. Несмотря на «неизбежное зло» (микротрещинообразование, снижение качества контактной зоны с заполнителем, в итоге – недобор прочности), рекомендуется использование в процессе твердения бетона тепловой обработки (пропаривания, электрообогрева, горячего формования с термосным выдерживанием и др.). Активизация тепловым воздействием молекул воды приведет к более полной гидратации клинкерных зерен, снижению вероятности поздней гидратации цементных минералов, соответственно, повышенной эксплуатационной надежности железобетонных конструкций и сооружений. Данный аспект следует учесть при проведении бетонных работ в условиях монолитного строительства.

6. В пластической стадии твердения бетона (железобетона) обязательно применение циклической виброактивации с оптимальными параметрами воздействия, обеспечивающей оптимизацию структуры, физико-технических свойств микробетона и конструкций в целом. Данный технологический прием должен быть непременно предусмотрен регламентом кассетно-стендового, конвейерного, вибропркатного производств сборного железобетона и монолитного строительства.

7. При необходимости раннего распалубливания (например, при монолитном производстве) открытые поверхности бетона следует предохранять как можно длительный период времени (вплоть до отделочных работ) от обезвоживания надежными влагозащитными покрытиями. Сохранение в структуре бетона воды затворения будет способствовать полноте и завершенности гидратационных явлений, приобретению бетоном стабильной структуры и свойств.

8. В особых случаях железобетонную конструкцию (или ответственную ее часть) перед эксплуатацией рекомендуется высушить до постоянной массы с последующей обработкой влагозащитными составами. Не допускать в процессе эксплуатации резкого воздействия на несущие железобетонные конструкции повышенных влажности и температуры, растворов электролитов, ультразвуковых, электромагнитных и прочих разрушающих водородные связи факторов.