Состояние вопроса и задачи исследований

Особенности работы гидромелиоративного бетона

Развитие строительного производства и технологии производства бетона уже в первые десятилетия показало, что, наконец, найден материал, который будет долговечным, и срок его службы будет измеряться столетиями.

Фактические сроки службы бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых примерно в одинаковых условиях, различаются в 3−7 и даже более раз. С течением времени на этот вид материала оказывают влияние сложные и комплексные нагрузки, включающие силовые, температурные, влажностные, коррозионные, экологические, радиационные воздействия.

В структуре бетона протекают длительные процессы усадки и ползучести, образования и развития различного рода структурных дефектов. В то же время под влиянием окружающей среды «худшие» факторы деструктурируют свойства материала менее интенсивно, чем исходно «лучшие».

Механизм приспособления бетона к условиям внешней среды связан, прежде всего, с «включением» его внутренних резервов для поддержания очередного уровня технического состояния.

Конец прошлого столетия показал, что функциональное приспособление структуры и свойств цементного бетона далеко не однозначно по качеству и долговечности.

Бетон — материал универсальный по своим свойствам, простой и мало энергоемкий в технологии производства, но сложный по своей капиллярно-пористой гетерогенной структуре. В действительности долговечность и надежность бетона в конструкциях и сооружениях, работающих в экстремальных условиях окружающей среды, во многих случаях можно оценить только на «удовлетворительно».

Согласно статистическому анализу, адаптационная изменчивость таких свойств бетона как трещиностойкость и коррозионная стойкость, связанная с приспособлением структуры и ее функций к условиям внешней среды, отвечает только эпохе классического бетона периода XIX и первой половины XX столетий.

Современные представления о технологических и технических свойствах бетона как композиционного материала разрабатываются с учетом строения и химии поверхности его составляющих компонентов, физико-химии их межфазного взаимодействия. Железобетонные конструкции гидромелиоративных сооружений также отличаются от железобетонных конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений некоторыми специфическими особенностями возведения и эксплуатации.

Основными отличиями являются: работа в условиях водной среды; часто — массивность и тонкостенной конструкций при относительно малом содержании арматуры; большое влияние температурных воздействий водной и воздушной сред эксплуатации и агрессивность указанных сред.

Эти особенности учитываются при проектировании, расчете и строительстве гидротехнических систем и сооружений.

Прочность и долговечность железобетонных конструкций напрямую зависят не только от качества применяемых материалов, способа уплотнения бетонной смеси и условий выдерживания бетона, но и, главным образом, от рационального подбора состава бетонной смеси, ее подвижности (жесткости) и дозировки материалов.

Выполняя подбор состава гидромелиоративного бетона очень важно учитывать все параметры и компоненты бетона, таких как: состав бетона, правильный расчет состава бетона, баланс и правильные нормы содержания воды в бетонной смеси, оптимальное содержание песка в бетоне, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя в бетоне, водоцементное отношение и структура бетона; температурные влажностные условия твердения в зависимостях прочности бетона от В/Ц, расчетно-экспериментальное прогнозирование морозостойкости при проектировании составов бетона, морозостойкость, водонепроницаемость, адаптация расчетных составов бетона к производственным условиям, цементы с минеральными добавками и портландцемент, не содержащими минеральных добавок, активные минеральные добавки в бетонах, химические добавки, заполнители бетона. От этих данных в основном зависит качество бетона, поэтому при производстве бетона необходимо учитывать все расчеты. Подбор состава бетона — дело и, можно сказать, искусство профессиональных строителей. Реализация сложных строительных проектов требует тщательного подбора строительных материалов. В этих условиях подбор состава бетона становится отдельной задачей, решение которой зависит от профессионализма строителей. Свойства бетона, достаточно хорошо изученные, зависят от многих факторов. В их числе, водоцементное отношение, вид вяжущего, качество наполнителей, виброуплотнение и выдерживание готовой смеси.

В современном строительстве все больший интерес проявляется к композитной (FRP) арматуре (базальто-, стеклопластиковой и др.), обладающей рядом существенных преимуществ перед стальной арматурой — низкой плотностью, малой теплопроводностью, высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Сегодня остро стоит вопрос о долговечности и календарном сроке службы неметаллической арматуры, поэтому актуальным является создание методов оценки и прогнозирования сроков службы данного материала. Известно, что на протяжении всего периода эксплуатации арматура находится под воздействием щелочной среды бетона (рН = 12−13), что является одним из основных факторов, ответственных за старение и разрушение данного материала. Изучено влияние высокощелочной жидкой агрессивной среды на физико-механические свойства неметаллической арматуры. В качестве среды, моделирующей воздействие щелочной среды бетона, был выбран насыщенный раствор Ca (OH)2, при этом pH регулировалось в пределах 12,0−12,8. Получены экспериментальные температурно-временные зависимости изменения физико-механических характеристик арматурных стержней после экспозиции в Ca (OH)2.

Бетон является одним из самых распространенных строительных материалов, бетон, который при приготовлении армирован дисперсными волокнами (фибрами) именуется — фибробетоном.

Фибробетон обладает более высокой ударной прочностью, прочностью на срез и при растяжении, водонепроницаемостью, морозостойкостью, пожаростойкостью и сопротивлением кавитации.

Перечисленные достоинства в совокупности обеспечивают высокую эффективность применения данного материала, поэтому изделия из фибробетона, такие как фибробетонные блоки, панели и плиты используют в строительных конструкциях.

Технология производства фибробетона является обычной смесью песка, цемента, воды и определенного количества дисперсных волокон (фибры). Фибра, в свою очередь, производится из различных материалов.

Таблица 1.1. Характеристики видов волокон, которые используют для изготовления фибробетона.

С точки зрения экономической эффективности стальная арматура является оптимальным материалом для повышения прочности бетона. Свойства фибробетона как композиционного материала определяются свойствами составляющих его компонентов.

Для производства фибробетона с наилучшими характеристиками необходимо выполнение следующих условий: добиться технологической совместимости бетона-матрицы и фибры, выбрать наилучшее сочетание вида фибры и бетона матрицы для того, чтобы получить необходимый по эксплуатационным характеристикам материал, для наиболее эффективного использования свойств прочности фибры необходимо максимальное заанкерирование фибры в бетоне. И необходимо учитывать, что при добавлении в бетон фибра должна быть очень тщательно перемешана, так как категорически не допускается попадание фибры комками.

Отмечается повышенная прочность на растяжение, изгиб, высокая трещиностойкость, водонепроницаемость, сопротивляемость ударным и циклическим нагрузкам, более высоким сопротивлением истиранию. Использование фибробетона в изгибаемых элементах повышает в значительных пределах трешиностойкость и вязкость по сравнению с чистым бетоном. При объемном содержании фибр 1−2,3% трешиностойкость бетона повышается в 2−3,3 раза, вязкость — 15−33 раза. При этом значительно снижаются трудозатраты.

Установлена экономическая целесообразность сталестеклофибробетонов. Приводится сравнительных расход на изготовление колец обделки тоннелей с применением традиционного бетона и сталестеклофибробетона Композитная арматура: достойная альтернатива металлическим изделиям.

Рассмотрены ряд направлений в строительной области, в которых применение композитной арматуры предпочтительнее металлического аналога. Прежде всего, к подобным сферам относятся гибкие связи при возведении многослойных ограждающих, облицовочных и других конструкций. Композитная арматура может быть использована для укрепления дорожного полотна, а также при возведении фундаментов и иных строительных работ. Данный материал нашел применение в восстановительных и реставрационных работах, ремонте. Современная технология производства арматуры позволила значительно снизить эксплуатационные и трудовые затраты на изготовление данного материала. В работе обоснована экономическая целесообразность применения композиционной арматуры место традиционной стальной.

В настоящее время промышленность сборного и монолитного бетона все чаще начинает использовать комплексные добавки для одновременного повышения ряда свойств. Недостаточно изученным является вопрос о влиянии каждого компонента в составе комплексной добавки и о порядке введения данных добавок в бетонную смесь.

Математическим планированием эксперимента проведена оптимизация новой комплексной добавки и выявлена роль каждого компонента в составе комплексной на физико-механические свойства бетона. Получены математические зависимости, позволяющие определить влияние каждого компонента комплексной добавки на прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона. Исследовано влияние комплексной добавки и ее компонентов усадку и кинетику набухания в сульфатных средах.

Грамотный подбор состава бетона позволяет получить водонепроницаемый бетон, морозостойкий бетон. Для достижения повышенных прочностных характеристик тяжелых бетонов в настоящее время разработаны довольно эффективные методы, а именно снижение водопотребности бетонной смеси за счет использования суперпластификаторов, применение чистых высокопрочных фракционированных заполнителей, высокоактивных вяжущих веществ, микронаполнителей и т. д. в сочетании со строгим контролем на всех стадиях технологического процесса.

Однако необходимо обратить внимание на возникающую в связи с этим проблему: с повышением прочности бетона растет и его хрупкость, снижаются пластично-деформационные свойства, что влечет за собой практически мгновенное разрушение материала при достижении им предельного состояния. Поэтому сейчас назревают предложения по введению повышенных коэффициентов безопасности и надежности при проектировании конструкций из высокопрочного бетона.

Таким образом, возникает необходимость повышения вязкости разрушения (трещиностойкости) высокопрочного бетона. Наиболее эффективное решение настоящей проблемы лежит в плоскости применения дисперсного армирования, способного обеспечить коренное улучшение механических характеристик бетона (прочности, трещиностойкости, ударопрочности и т. д.).

Повышение эксплуатационной надежности конструкций, в том числе в условиях действия агрессивных сред, возможность сокращения рабочих сечений конструкций, уменьшение расхода стержневой арматуры за счет увеличения несущей способности материала.

Рассматривается вопросы сцепления фибры цементной матрицей, так как создать композит, в котором прочность сцепления на границе раздела фаз «стальная фибра — матрица» преобладала бы над временным сопротивлением на разрыв самого волокна, весьма проблематично, причем в этом нет никакой необходимости для получения вязкого разрушения, то рассматривается случай: l.

Разрушение происходит за счет нарушения границ раздела между волокном и матрицей и вытягивания волокон из матрицы, что в большей степени способствует вязкому разрушению. Таким образом, большее значение имеют касательные напряжения (), а не напряжения в самом волокне (у), и вязкость разрушения, основной вклад в которую вносит энергия, затраченная на вытягивание волокон, зависит от:

• — объемной доли волокон Vв;
• — величины касательных напряжений на границе раздела фаз «фибра — матрица»;
• — геометрических характеристик волокон (l/d).

При этом важно, что зависимость энергии по вытягиванию от длины волокна является более тесной, так как в выражении (9) имеется показатель степени, поэтому для увеличения энергии по вытягиванию необходимо стремиться к увеличению длины волокна, а в связи с этим — к увеличению отношения (l/d). Исходя из этого установлено, что отношение длины волокна к его диаметру (l/d) в большей степени влияет на трещиностойкость, чем на прочность сталефибробетона.

Таким образом, критериями управления вязкостью разрушения фибробетонах следует считать:

• — геометрические характеристики (типоразмер) волокон;
• — объемную долю волокон в матрице;
• — характеристику сцепления волокон с матрицей.

В данном случае дисперсная арматура, располагаясь в бетонной матрице, создает пространственный каркас, который препятствует образованию, росту и распространению трещин, при этом повышается не только прочность, но и, главное, вязкость разрушения бетона.

Соответствующий подбор состава бетона также требуется, чтобы качественно осуществить ремонт бетона. Как известно, для гидротехнических сооружений срок твердения (возраст) бетона, отвечающий его классам по прочности на сжатие, на осевое растяжение и марке по водонепроницаемости, принимается, как правило, для конструкций ирригационных канальных и речных гидротехнических сооружений 180 суток, для сборных и монолитных конструкций морских и речных портовых сооружений -28 суток. Срок твердения (возраст) бетона, отвечающий его проектной марке по морозостойкости, принимается 28 суток, для массивных конструкций, возводимых в теплой опалубке, 60 суток. Если известны сроки фактического нагружения конструкций, способы их возведения, условия твердения бетона, вид и качество применяемого цемента, то допускается устанавливать класс бетона в ином возрасте. Для сборных, в том числе предварительно напряженных конструкций, отпускную прочность бетона на сжатие следует принимать в соответствии с ГОСТ 13 015.0−83, но не менее 70% прочности принятого класса бетона.

Проектирование состава бетона сводится к трем взаимосвязанным задачам:

• 1. Назначение требований к техническим свойствам бетона и технологическим свойствам бетонной смеси.
• 2. Выбор материалов для бетона.
• 3. Собственно проектирование состава бетона, т. е. установление:
  • — величины водоцементного отношения В/Ц,
  • — оптимального зернового состава смеси заполнителей,
  • — минимально необходимого расхода цемента Ц, кг/м 3.

Эта система параметров удобна тем, что такие важные свойства бетона, как прочность, морозостойкость и водонепроницаемость, выражаются сравнительно простыми функциями от параметров состава бетона. Комплекс требований, предъявляемых к бетону, должен обеспечить три основных качества: прочность, долговечность и экономичность бетона. Эти требования назначаются в проекте сооружения. Прочность бетона задается классами по прочности при сжатии и растяжении, с учетом напряженного состояния конструкции.

Долговечность бетона зависит от многих факторов и определяется рядом свойств, таких как морозостойкость, водонепроницаемость, водостойкость и др. Для массивных сооружений большое значение имеет термическая трещиностойкость бетона, которая обеспечивается пониженным тепловыделением, высокой предельной растяжимостью, малым коэффициентом температурного расширения. Параметры бетонной смеси должны обеспечить высокую технологичность ее транспортирования, укладки и уплотнения с учетом применяемых механизмов и методов бетонирования. Эти требования задаются в проекте производства работ в виде: осадки конуса (ОК), либо показателя жесткости (Ж), характеризующих удобоукладываемость; жизнеспособность и т. п.

Экономичность песчаного бетона определяется в основном расходом цемента, как наиболее дорогим компонентом в бетоне (если не принимать во внимание добавок). Здесь следует пояснить, что добавка не является обязательной составляющей в бетоне, а присутствие цемента — обязательно, но количество его для обеспечения требуемых свойств может быть и больше необходимого, что неоправданно увеличивает стоимость бетона. Поэтому общим экономическим принципом проектирования состава бетона является отыскание минимально необходимого расхода цемента.

• 2. Выбор материалов для бетона:
• 1. Выбор цемента.

При выборе вида цемента учитывают следующие моменты:

• — Агрессивность воды-среды. Если вода-среда характеризуется сульфатной агрессивностью, то следует применять сульфатостойкий портландцемент, пуццолановый портландцемент или сульфатостойкий шлакопортландцемент;
• — Положение песчаного бетона в сооружении. В зоне переменного уровня воды нельзя применять пуццолановый и шлаковый портландцементы из-за их низкой морозостойкости;
• — Класс бетона по прочности. Высокоактивные цементы нецелесообразно применять для бетона, к которому не предъявляется высоких требований по прочности. Если для бетона низкой прочности использовать высокоактивный цемент, то расход цемента на 1 м 3 бетонной смеси окажется по расчету недопустимо низким, и это вызовет ухудшение технологических свойств бетонной смеси и некоторых технических свойств бетона (повышенное водоотделение и пониженная связность бетонной смеси, снижение объемной массы и водонепроницаемости бетона). Активность цемента не должна превышать класс бетона по прочности более чем в 3 раза, если проектный возраст бетона 28 дней, или в 2 раза, если проектный возраст 180 дней.
• 2. Выбор заполнителей.

Выбор заполнителей проводится на основании результатов испытаний отобранных проб, а также после технико-экономических сравнений различных вариантов заполнителей.

3. Выбор добавок.

Для приготовления бетона чаще всего применяют поверхностно-активные добавки. Они могут вводиться в бетонную смесь при ее затворении в бетономешалке. Иногда эти добавки уже содержатся в самом цементе.