Увеличение сроков службы бетонных сооружений — их долговечности — имеет не меньшее значение, чем обеспечение прочности — способности выдерживать механические нагрузки. В настоящее время всякое здание, сооружение, в том числе бетонное, рассчитывается только на прочность.
Методик расчета сооружений на долговечность пока не создано, и она обеспечивается применением матзриалов, имеющих достаточную устойчивость в различных условиях. Разработка научных методов обоснования и расчета долговечности сооружений только начинается, а само понятие долговечности не имеет еще точного определения.
К сооружениям и его капитальности могут предъявляться различные требования к долговечности. Если для уникальных гидротехнических сооружений она должна исчисляться сотнями лет, то промышленные сооружения стареют в течение десятков лет.
Таким образом, долговечным может быть названо такое сооружение, которое выполнено из материала, устойчивого в данных конкретных условиях внешних воздействий в течение заданного срока.
При недостаточной прочности бетона для какого-либо сооружения возможно преждевременное разрушение под воздействием механической нагрузки; такое разрушение всегда связано с излишней затратой средств на ремонт и часто с катастрофическими последствиями. То же будет и при недостаточной устойчивости бетона к воздействию: воды, переменных температур, химическиактивных веществ, содержащихся в воде, и других факторов.
Вскрыть закономерности взаимодействия бетона с окружающей его средой, связать процессы, происходящие в бетоне, с влияниями, которые на них оказывает внешняя среда, выделить главные факторы, определяющие срок сохранения бетоном требуемой прочности и монолитности, — вот задачи исследований стойкости и долговечности бетонов. Получить в результате этих исследований данные для прогноза долговечности и для проектирования бетонов на заданный срок службы в конкретных условиях — вот цель, к которой должен стремиться исследователь в этой области.
Исходным положением для такого проектирования должны служить объективные количественные характеристики воздействий среды, рассматриваемые с возможного их влияния на свойства бетона.
Систематический анализ условий службы бетона в сооружениях позволил автору в период строительства канала им. Москвы предложить деление сооружений на зоны, отличающиеся по условиям службы. В основу такого деления положено изучение главных причин разрушения бетона в разных частях гидротехнических сооружений.
Наиболее интенсивное разрушение бетонных сооружений, как это следует из многочисленных и многолетних наблюдений, происходит при многократном переменном замораживании и оттаивании бетона в водонасыщенном состоянии .
Так же быстро, и в некоторых случаях катастрофически, происходит разрушение сооружений в результате химического действия солей, содержащихся в природных водах, на цементный камень в бетоне. Прежде всего это относится к действию сернокислых солей, широко распространенных в природных водах.
Для бетона подземных и подводных частей сооружений, которые будут постоянно (находиться в пресных, неагрессивных водах, рекомендуется применять пуццолановые или шлакопортландцементы. Однако при этом необходимо обеспечить влажные условия выдерживания бетона в течение не менее 28 дней.
Бетонные смеси с высоким водоцементным отношением, особенно смеси с повышенной подвижностью, склонны к водоотделению. Отделяющаяся вода накапливается под стержнями арматуры и под крупными зернами гравия-щебня, а после, ее высыхания там образуются поры или даже воздушные прослойки, повышающие водопроницаемость бетона и понижающие его морозостойкость и долговечность в агрессивных средах.
Установлено экспериментально, что для получения особенно морозостойкого бетона общее содержание воды в смеси не должно превышать 160 л/м3.
Для уменьшения количества воды, вводимой в бетонную смесь требуемой подвижности, следует применять поверхностно-активные добавки: сульфитно-спиртовую барду (ССБ), смолу нейтрализованную воздухововлекающую (СНВ), эмульсию кремнийорганической газообразующей жидкости (ГКЖ-94) или другие добавки, снижающие количество воды затворения до 10%.
Поверхностно-активные добавки улучшают также структуру цементного камня и раствора, делая ее мелкопористой, в результате чего повышается морозостойкость и коррозионная стойкость бетона (рис. 1).
Для получения высокопрочного, плотного и долговечного бетона, креме рекомендованных выше мер, следует применять высококачественные наполнители.
Допустимо применение плотных и твердых известняков, если они плотны, однородны, морозостойки и не содержат слабых прослоек, мергелей и кремнеземистых реакционноспособных включ.
Рис. 1. Вид бетонных массивов с добавкой кремнийорганической жидкости ГКЖ-94 (крайние) и без добавки (средний) после двух лет испытания в Баренцевом море в зоне прилива и отлива
Исследованиями, проведенными в последнее время, установлено, что отношение температурных коэффициентов линейного расширения цементного раствора и известняково-доломитового заполнителя в бетоне не должно быть более 3.
При большем значении этого отношения бетон будет недостаточно морозостойким, что объясняется быстрым нарушением контактов между заполнителем и раствором и последующим образованием трещин в бетоне. Водопоглощение известняков-доломитов, применяемых для изготовления щебня и изготовления водонепроницаемого и морозостойкого бетона, не должно превышать 6%.
Если подвижность смеси по каким-либо причинам необходимо повысить, то следует одновременно увеличить и расход цемента, и расход воды в строгом соответствии с установленным водоцементным соотношением.
Для особенно ответственных тонкостенных элементов, например напорных железобетонных труб, рекомендуется применять классифицированные пески (разделенные на 2—4 фракции) и мелкий щебень, разделенный на еще более мелкие фракции, чем указано выше (например, 3—7, 7—15, 15—30 мм), также дозируемые при изготовлении смеси строго по весу и по рекомендованному составу.
Для повышения долговечности бетона конструкций и сооружений, работающих в агрессивных средах, в том числе и подземных сооружений, следует ограничивать значение водоцементного отношения, принимая его для монолитного бетона не выше 0,4—0,5. Одновременно необходимо выдерживать бетон монолитных элементов во влажных условиях в течение не менее 10—15 дней, а для специальных сооружений и более, до 28 и даже 60 дней. Для сборных железобетонных элементов, предназначаемых для работы в агрессивных средах и изготовляемых в заводских условиях, водоцементное отношение следует принимать в пределах 0,3—0,4 для долговечности бетонов.
Пуццолановые портландцемента и шлакопортландцементы обладают большей водопотребностью для получения бетонной смеси одинаковой подвижности, поэтому необходимо повышать общее количество воды на 6—20% по сравнению с бетонами на чистоклинкерных цементах.
Вопрос о разрушении бетона гидротехнических сооружений от совместного действия воды и мороза. Особые повреждения наблюдаются в морских сооружениях под влиянием попеременного погружения и обнажения или под непосредственным действием воды.
В действительности эти разрушения в ряде случаев являются результатом попеременного действия воды и мороза. В постановлении, принятом конгрессом, долговечности сооружений уделяется особое место, однако также без четкого указания причин разрушений.
Ранее, когда в строительной технике применялись малопластичные бетонные смеси, укладывавшиеся трамбованием, водо-цементные отношения в ник не превышали 0,50. Известно, что цементы, которые применялись для ответственных сооружений, находившихся под воздействием суровой внешней среды, были высококремнеземистыми, с малым содержанием трехкальциевого алюмината.
При рассмотрении условий, в которых работали эти сооружения, установлено, что фактически бетон в течение одного года подвергался всего двум-трем циклам замораживания и оттаивания.
Бетонные гидротехнические сооружения в районе переменного уровня воды сильно разрушался в течение короткого срока эксплуатации. При этом , можно отметить, что случаи такого быстрого разрушения тесно связаны, например, с составом цемента, в который были введены различные минеральные тонкомолотые добавки, а также с условиями эксплуатации сооружения, когда бетон в зоне переменного уровня в течение одного года проходил многократные замораживания и оттаивания.
Для бетонов, изготовленных на стандартных портландцементах и уложенных в виде бетонной смеси малой подвижности, нельзя определить действительную морозостойкость материала в течение 25 циклов испытания.
Таким образом, когда не учитывались конкретные условия, в которых может работать бетон в различных конструкциях, и отмечалась лишь морозостойкость малопластичных бетонов на малоалюминатных цементах, формально получалось, что методика испытания путем 25 циклов замораживания и оттаивания является вполне надежным способом оценки морозостойкости бетонов для любых условий службы сооружения.
Бурное развитие технологии бетона поставило на повестку дня вопрос о применении пластичных смесей, которые дают бетоны, отличающиеся по своим техническим свойствам от бетонов из малопластичных смесей. В результате испытаний было установлено, что у многих сооружений режим работы бетона в зоне, где имеют место очередное замораживание и оттаивание, значительно более суров, чем это ранее принималось, так как даже в течение одного года в этой зоне бетон подвергается многократному замерзанию и оттаиванию.
Отсюда возникла необходимость начать исследования действительной стойкости бетонов различных составов. Эти исследования показали, что по 25 циклам испытания судить о морозостойкости материала для всех случаев стойкости бетона в сооружениях нельзя.
