Долговечность легких бетонов

Под долговечностью строительных изделий и конструкций понимается способность их сохранять в течение заданного срока требуемые для нормальной эксплуатации характеристики.

Долговечность конструкций зданий в зависимости от их классов должна быть:

Долговечность конструкций обеспечивается применением соответствующих строительных материалов.

Срок, в течение которого материал, в том числе и легкий бетон, не утрачивает в процессе эксплуатации необходимые физико-механические характеристики, определяется как его свойствами, так и физическими и химическими факторами окружающей среды. Чаще всего эти факторы действуют совместно, и разрушение бетона начинается именно в тех случаях, когда окружающая среда является не только химически агрессивной, но и физически активной. Физическая активность среды характеризуется цикличным характером воздействия: замораживание-оттаивание, насыщение-высушивание, нагревание-охлаждение.

При цикличном действии температуры и влажности в бетоне происходят физико-химические изменения, определяющие одновременное прохождение двух диаметрально противоположных процессов: уплотнения и упрочнения бетона или отдельных его зон новообразованиями (конструктивный процесс); возникновения в бетоне или отдельных его зонах ряда дефектов — микротрещин и разрывов (деструктивный процесс).

Результирующий эффект зависит от того, какой из этих процессов является превалирующим в рассматриваемый период и в рассматриваемой зоне материала (например, на наружной поверхности).

При преобладании деструктивных процессов происходит накопление необратимых деформаций. Зачастую при цикличном воздействии среды конструктивные и деструктивные этапы процесса чередуются (например, при высушивании-насыщении). Сопровождающие их деформации имеют противоположный знак и многократно переходят через нулевые значения. Относительным показателем долговечности является число циклов, при котором снижение прочности или модуля упругости легких бетонов не превышает допустимого нормами предела.

Долговечность легких бетонов оценивается показателями морозостойкости, воздухостойкости и водостойкости. Если окружающая среда является химически агрессивной, долговечность легких бетонов оценивается по их коррозионной стойкости.

Морозостойкость легких бетонов, по результатам исследований ряда специалистов, не только равноценна морозостойкости тяжелых бетонов, но в большинстве случаев даже превосходит ее. При этом морозостойкость легкого бетона зависит не столько от морозостойкости пористого заполнителя, сколько от морозостойкости цементного камня.

Так, из данных Г.П. Kyрасовой, К.М. Каца (табл. 4.9) следует, что при разной морозостойкости использованных проб заполнителя и одинаковом расходе цемента могут быть получены одинаковые по морозостойкости бетоны.

Поэтому пониженная морозостойкость отдельных гранул керамзита, как и некоторых партий заполнителя, в целом не является основанием для их браковки. По ГОСТ 9759—71 морозостойким считается керамзит, выдерживающий не менее 15 циклов замораживания, при потере в массе не более 8%.

По данным А.И. Ваганова, Г.И. Горчакова, Г.П. Kyрасовой и др., легкие бетоны плотной структуры имеют, как правило, высокую морозостойкость.

Морозостойкость обусловливается не только «плотным» строением бетона, но и повышенной морозостойкостью цементного камня вследствие отсоса заполнителем части влаги. Недостаточно морозостойкий пористый заполнитель оказывается как бы защищенным цементным камнем. Так, низкая морозостойкость лианозовского керамзита компенсируется достаточно высокой плотностью н прочностью цементного камня высокопрочных бетонов марки 300. Лишь в бетонах низких марок с неплотной структурой или в материале, достаточно прочном, но ослабленном агрессивной средой, сказываются дефекты отдельных гранул керамзита. В отличие от тяжелых бетонов контактная зона между поверхностью заполнителя с прилегающим цементным камнем в легких бетонах является переходной зоной между двумя видами пористых структур, а не границей раздела между плотной и капиллярно-пористой структурой.

Наличие подобной переходной зоны создает более однородное распределение пористости между цементным камнем и заполнителем, поэтому при замораживании и последующем оттаивании бетона на пористых заполнителях в контактной зоне не возникает значительных внутренних напряжений.

Кроме того, легкие бетоны обладают повышенной морозостойкостью благодаря небольшой разнице в величине температурных деформаций заполнителя и цементного камня. Известно, что при изменении температуры окружающей среды, например при замораживании или оттаивании, внешние деформации бетона сопровождаются возникновением внутренних напряжений за счет разной величины коэффициента линейного температурного расширения цементного камня и пористого заполнителя. Чем ближе между собой величины указанных показателей, тем менее опасны внутренние температурные напряжения.

В Московском инженерно-строительном институте для измерения температурных деформаций компонентов легкого бетона создана специальная дилатометрическая установка. По данным определений коэффициентов линейного температурного расширения основных видов пористого заполнителя и цементного камня на указанной дилатометрической установке, наибольшим коэффициентом линейногo температурного расширения в интервале от -60 до +20°С обладает шлаковая пемза, наименьшим— керамзитовый гравий (рис. 4.17). Температурные деформации шлаковой пемзы близки к соответствующим показателям цементного камня. У других заполнителей они в 2—3 раза меньше, в результате возможность возникновения внутренних температурных напряжений у них также меньше.

Температурные деформации пористых строительных материалов в водонасыщенном состоянии отличаются от приведенных на рис. 4.17. Протекающий с разной интенсивностью непрерывный процесс изменения размеров пористых материалов, вызванный изменением температуры, предложено характеризовать специальной дилатометрической кривой. На вертикальной оси откладываются не температурные деформации, отнесенные к одному градусу изменения температуры, а так называемые приведенные удлинения еt, которые вычисляются по результатам дилатометрических измерений длины образцов в сухом и насыщенном водой состоянии по формуле еt = ез—ес, где ез и ес— соответственно относительные удлинения образца во влажном и сухом состояниях. На рис. 4.18 приводится полученная Г.И. Горчаковым с сотрудниками дилатометрическая кривая керамзита в водонасыщенном состоянии.

Из приведенных на рисунках данных следует, что в интервале температур от +20 до -7° С разницы в величинах температурных деформаций сухого и насыщенного керамзита не наблюдается; на этом участке кривой et = 0. В интервале от -7 до -70° С происходит быстрое («скачкообразное») удлинение влажных образцов, вызванное замерзанием воды, находящейся в порах керамзита. Далее, по мере снижения температуры происходит сжатие заполнителя. Влажный керамзит сжимается сильнее, поскольку образующийся лед имеет по сравнению с заполнителем в 5—7 раз больший коэффициент линейного температурного расширения.

С повышением температуры размеры керамзита начинают увеличиваться (кривая 2, рис. 4.18), по с иной интенсивностью, чем они изменялись в период охлаждения. При этом различие в деформациях сухого и насыщенного заполнителя сохраняется, Абсолютная величина деформаций насыщенного пористого заполнителя, а также приведенные удлинения зависят от количества поглощенной влаги. У заполнителя с более высоким водопоглощением, например у шлаковой пемзы, наблюдается и большее удлинение.

По Г.И. Горчакову, морозостойкость бетонов, в том числе и легких, определяется объемом капиллярных пор в бетоне. Из данных, приведенных на рис. 4.19, видно, что с увеличением объема капиллярных нор возрастают величины приведенного удлинения, а морозостойкость бетона значительно понижается. Таким образом, приведенное удлинение, определенное для температуры -10°С, при которой наблюдается максимальное удлинение пористого заполнителя в водонасыщенном состоянии, может служить показателем морозостойкости бетона. Меньшая величина приведенного удлинения бетона свидетельствует о меньшем количестве капиллярных пор и более высокой морозостойкости.

По данным НИИЖБ, легкие бетоны плотной структуры могут характеризоваться ориентировочными показателями морозостойкости, приведенными в табл. 4.10.

Следует указать, что разная морозостойкость легких бетонов объясняется в первую очередь различной капиллярной пористостью бетонов вследствие различной водопотребности примененных пористых заполнителей.

Увеличение морозостойкости по мере повышения марки легкого бетона объясняется снижением величины В/Ц.

Эффективным средством повышения морозостойкости является введение в легкобетонную смесь кремний-органических поверхностно-активных добавок. По данным Л.И. Карликовой, при использовании ГКЖ-94 0,1—0,3% массы цемента морозостойкость керамзитобетона марки 300 повышается в несколько раз.

Водостойкость. Все виды бетона имеют пористо-капиллярную структуру и сравнительно легко поглощают и отдают влагу. Цементный камень с изменением влажности претерпевает значительную усадку или набухание, вызывая самопроизвольные деформации бетона. Наличие в бетоне плотного заполнителя, не претерпевающего при этом деформаций, уменьшает усадку и набухание и тем самым способствует повышению долговечности тяжелых бетонов. Так, набухание бетона на плотном заполнителе достигает величины 0,2 мм/м, усадка — 0,6 мм/м. Для керамзитобетона при использовании кварцевого песка набухание в воде составляет 0,25—0,35 мм/м, если же лесок заменяется золой ТЭС, набухание возрастает до 0,5—0,7 мм/м и соответственно увеличивается усадка — в среднем за год она для бетона на кварцевом песке доходит до 0,65 мм/м, на золе —до 1 мм/м.

В легких бетонах зерна пористого заполнителя при насыщении водой и высушивании деформируются. При этом, как было показано Н.И. Mакридиным, характер этого процесса зависит от вида пористого заполнителя (рис. 4.20). По мере возрастания числа циклов смачивание-высушивание остаточные деформации заполнителей, приводящие к изменению их объема, увеличиваются в наибольшей степени у зерен керамзита, что объясняется напряженным состоянием зерен керамзита вследствие разной скорости охлаждения их плотной оболочки и более пористого ядра. В наименьшей степени остаточные деформации увеличиваются у зерен аглопорита.

Деформация пористых заполнителей и, как правило, повышенная водопотребность легкобетонных смесей, приводят к большим деформациям легкого бетона при попеременном насыщении и высушивании. При этом существенное значение имеют структура легкого бетона и водопотребность мелкого заполнителя.

Несмотря на повышенные деформации, долговечность легких бетонов при попеременном насыщении-высушивании достаточно высокая, за исключением тех случаев, когда искусственные пористые заполнители (в частности, аглопорит) содержат недостаточно обожженное глинистое вещество или несгоревшие органические остатки. Золы ТЭС, применяемые в качестве мелкого заполнителя, содержат значительное количество несгоревших частиц топлива. Отрицательное действие их определяется интенсивностью взаимодействия с кислородом воздуха, что проверяется непосредственным испытанием бетона на водонасыщение-высушивание и на морозостойкость,

Слабо обожженное глинистое вещество, равно как и несгоревшие остатки топлива, при увлажнении набухают, а при высыхании резко уменьшаются в объеме, В результате в бетоне накапливаются дополнительные деформации, неблагоприятно влияющие на его долговечность (водостойкость, морозостойкость).

Второй источник деструкции возникает в результате химического взаимодействия некоторых заполнителей или содержащихся в них примесей с продуктами гидратации цемента или водой.

Особую опасность в этом отношении представляют опаловидный кремнезем и стеклофаза вспученного перлита. В процессе твердения бетона вокруг зерен перлита откладываются аморфизованные новообразования, имеющие повышенное водосодержание. При увлажнении и последующем высыхании перлитобетона они могут вызвать значительные усадочные деформации и явиться причиной его разрушения.

Испытания пористых заполнителей, необходимые для определения степени их долговечности, проводятся в соответствии с методикой ГОСТ 9758—68 «Заполнители пористые неорганические для легких бетонов. Методы испытаний».

Стойкость легкого бетона, в агрессивной среде достигается получением бетона такой структуры, которая обеспечивала бы надежную гарантию против проникания в него агрессивных агентов. Для этого необходимо применять легкие бетоны только плотной структуры с мелкопористым цементным камнем, диаметр пор которого в основном составляет менее 50 А.

Повышенная плотность контактной зоны и химическое взаимодействие цементного камня с гидравлически активными пористыми заполнителями, ослабляющее процесс вымывания из него свободной гидроокиси кальция, способствуют получению коррозиестойких легких бетонов.

Оценка пригодности того или иного вида легкого бетона для применения в агрессивной среде следует начинать с рассмотрения свойств исходного пористого заполнителя.

Необходимо удостовериться в том, что заполнитель не разрушается в растворах кислот или щелочей, если последние содержатся в агрессивной среде.

Из данных И.А. Якуб и М.П. Элинзона (табл. 4.11) следует, что кислотостойкость различных видов пористого заполнителя (кроме шлаковой пемзы), определенная как по ГОСТ 473—53 «Кислотостойкость керамических изделий» (при кипячении измельченного заполнителя в серной кислоте), так и при непосредственном выдерживании зерен заполнителя в растворе серной кислоты, достаточно высока.

Вспученный перлит, керамзит и аглопорит, состоящие в основном из стекловидной фазы и содержащие в небольших количествах плотные и прочные кристаллические минералы, такие, например, как кварц, характеризуются сравнительно высокой кислотостойкостью. Стойкость искусственных пористых заполнителей в кислой среде повышается с увеличением содержания в стекловидной фазе кремнезема и уменьшением содержания Al2O3, FeO, Fe2O3, а также свободных CaO и MgO.

Взаимодействие пористых заполнителей с щелочной средой отличается более высокой активностью. В соответствии с методикой ГОСТ 473—53 щелочестойкость проверяется кипячением измельченного заполнителя в растворе едкого натра и параллельно выдерживанием в течение 100 суток зерен заполнителя в растворе едкого натра 5 н, концентрации.

Стекловидная фаза заполнителя, представляющая собой кислотостойкое стекло, в щелочной среде интенсивно растворяется. Особенно низкие показатели щелочестойкости имеет вспученный перлит — 15%; керамзит — 30—40%; аглопорит — 55% и только шлаковая пемза характеризуется щелочестойкостью до 90—94%.

Для оценки долговечности легких бетонов в агрессивной среде, кроме характеристики пористых заполнителей, необходимо знать долговечность в тех же условиях и цементного камня. Из двух компонентов бетона коррозиестойкость цементного камня является решающим фактором в обеспечении долговечности легкого бетона.

Вопросы коррозиестойкости легких бетонов основаны на общих закономерностях, известных для обычных бетонов, широко освещенных в работах В.М. Москвина и его школы. Они нашли отражение в строительных нормах CM 262-67. В нормах дается соответствующая классификация агрессивных сред и приводятся рекомендации по обеспечению долговечности бетонов в указанных условиях.

За основной показатель, по которому прогнозируется долговечность легких бетонов в агрессивной среде, предложено принимать их плотность, оцениваемую по водонепроницаемости.

Применяемые в агрессивных средах легкие бетоны должны иметь плотную структуру с заполнением раствором межзерновой пустотности крупного заполнителя. Объем межзерновых пустот в уплотненной легкобетонной смеси, определяемый по ГОСТ 11051—70. «Бетон легкий на пористых заполнителях. Методы испытания бетонной смеси», не должен превышать 3%.

Для получения плотной структуры бетона следует использовать смеси с осадкой конуса не более 4 см (во избежание излишнего объема цементного камня) и жесткостью не более 40 сек (для исключения недоуплотнения).

Показатель плотности бетона не может приниматься за единственный критерий долговечности бетона в агрессивной среде. Главными и решающими факторами являются проницаемость бетона или цементного камня, а также их прочностные и деформативные характеристики, В табл. 4.12 приводятся рекомендуемые НИИЖБ показатели, по которым оценивается степень плотности легкого бетона.

Максимальное водопоглощен не легкого бетона (в % по массе), определенное в соответствии с ГОСТ 7025—54, должно составлять для особо плотного бетона не более 10%, для бетона повышенной плотности — 15%, для бетона нормальной плотности — 20%.

НИИЖБ рекомендованы в зависимости от степени агрессивности окружающей среды и вида армирования минимальные значения объемной массы и прочности легких бетонов (табл. 4.13).

Долговечность легких бетонов в агрессивной среде в значительной степени зависит от вида цемента и условий его твердения. По данным исследований Ростовского Прометройниипроекта, наиболее стойкими являются бетоны на белитовых цементах (C2S до 73—74%) и менее стойкими— на алитовых (C3S до 65—73%). Однако использовать Оолитовые цементы на практике, в большинстве случаев нельзя из-за их пониженной активности и медленной скорости твердения. Отрицательно влияет на долговечность бетонов повышенное содержание в цементе C3A.

При насыщении бетона растворами солей долговечность, согласно исследованиям И.Н. Ахвердова, определяется не только минералогическим составом, но и тонкостью помола цемента. При повышенной тонкости помола (S>3000 см2/г) в цементном камне образуется большое количество пор диаметром <0,1 мк, в которых более интенсивно проявляется расклинивающее действие солей и воды.

Пористые заполнители (аглопорит, керамзит) повышают долговечность легких бетонов. Их открытая пористость служит своеобразным резервом — буферным объемом, в котором происходит первоначальная кристаллизация солей. В отличие от этого капиллярные поры цементного камня являются в этот период своего рода проводниками солевого раствора.

При ускоренном твердении бетона должен применяться «мягкий» режим тепловлажностной обработки с обязательной выдержкой до пропаривания в течение 3—5 ч. Рекомендуется соблюдать следующие параметры режима твердения: повышение температуры до 80—35° С со скоростью 15—20 град/ч; изотермический прогрев длительностью от 6 до 10 ч; снижение температуры со скоростью 15—20 град/ч.

Легкий бетон с добавками ГКЖ-10 и ГКЖ-94 должен выдерживаться перед пропариванием не менее 8—12 к.

При соблюдении указанных технологических режимов, а также требований к исходным материалам легкие бетоны могут применяться в армированных конструкциях, предназначенных к эксплуатации в жидкой агрессивной среде. Во всех случаях рекомендуется введение в бетонную смесь гидрофобных добавок. Требования к конструкциям из керамзитобетона, работающим в слабой и средне агрессивной жидкой среде, приводятся в табл. 4.14.

Исследования И.Н. Ахвердова, А.А. Барташевича, Г.А. Бужевича, Ю.М. Сухорукова и др. показали, что бетоны на аглопорите и керамзите при воздействии на них агрессивной среды не только равноценны тяжелым бетонам, но могут и превосходить их по своей долговечности.