Вопрос обеспечения надежности работы бетонных и железобетонных строительных конструкций зданий и сооружений весьма проблематичен при их эксплуатации в районах сухого жаркого климата республики с интенсивным засолением почв, грунтов и подземных вод. При этом повышение солестойкости наиболее актуально для бетонных и железобетонных конструкций и изделий дорожных и ирригационных систем (облицовка каналов и лотки ирригационные, покрытия дорог, площадок и полов).
В бетонных и железобетонных конструкциях, частично погруженных в минерализованную воду и имеющих значительную для испарения воды поверхность наблюдается кристаллизация солей в порах и капиллярах бетона, приводящая к коррозии III вида. Разрушение бетона происходит также и в результате перехода, накопившихся в порах, солей из безводной или маловодной формы в кристаллогидраты с высоким содержанием воды. При возможном проявлении вышеописанных факторов наиболее целесообразна такая защита, которая касается всемерного повышения плотности бетона, модификации его состава.
Перспективным направлением в регулировании напряженного состояния и дефектности бетона железобетонных конструкций с большим модулем открытой поверхности, повышения стойкости конструкции в минерализированной среде является использование в составе бетона демпфирующих добавок (низкомодульных веществ, бинарных наполнителей). Механизм действия включенных в состав бетона демпфирующих добавок с целью увеличения коррозионной стойкости бетона и повышения его трещиностойкости состоит в том, что на пути растущей трещины возникает энергетический гаситель в виде микровключения, не способного отдавать полученную энергию, затраченную на его деформирование. Тем самым уменьшается энергия роста трещины и происходит релаксация напряжений в её вершине.
Из низкомодульных веществ демпфирующего действия наибольший интерес представляет битумная эмульсия. Введение органических добавок в цементные бетоны известно давно, но действие их на свойства бетона не всегда было положительным. Это было связано с тем, что битум в цементные системы вводили в виде тонкоизмельченного порошка или путем распыления (смешивания) с цементом. Производили также помол цементного клинкера с добавлением битума. В зависимости от способа введения дисперсное состояние битума было различным, поэтому улучшение одних показателей часто сопровождалось ухудшением других.
В последнее время предложен другой технологический прием регулирования дисперсного состояния битума путем приготовления эмульсии. Результатами исследований были предложены эффективные эмульгаторы и определены оптимальные составы битумных эмульсий. При этом наиболее эффективной для битумизации цементных систем оказалась эмульсия, в качестве эмульгатора которой рекомендована не вызывающая обращаемости фаз эмульсия СДБ.
При изучении влияния добавки битумной эмульсии на технологические свойства бетона при твердении его в условиях сухого жаркого климата использовали битумную эмульсию (сокращенно БЭ) на основе битума БНД; эмульгатора – 50%-ного водного раствора СДБ и воды. Битумную эмульсию приготавливали с использованием акустического диспергатора. Дозировали битумную эмульсию по объему бетонной смеси. Полученную битумную эмульсию вводили в бетонные смеси, соответствующие классу бетона В15 и В25. Изучена прочность бетона на сжатие от дозировки битумной эмульсии. Отмеченный экстремальный характер зависимости прочности при сжатии бетона объясняется тем, что добавка БЭ до 2,4% за счет снижения водопотребности и улучшения структуры повышает прочность бетона на 26-35%. Прирост прочности позволил сократить расход цемента (на 30 и 50 кг/м3 соответственно) для получения бетона классов В15 и В25 с сохранением прочности.
Битумная эмульсия положительно влияет и на деформативные свойства бетона. Повышение деформативной способности битуминированного бетона по сравнению с обычным обусловлено образованием иных структурных связей. В свежеуложенной бетонной смеси жидкой фазой является вода с битумной эмульсией, а твердой минеральные материалы. В процессе твердения бетона битумная эмульсия распадается на воду и битум. В результате химического взаимодействия воды с минералами цементного клинкера образуются новообразования, приводящие к формированию кристаллизационных жестких связей, характерных для цементных систем. Битум же, частично адсорбируясь на поверхности заполнителя и частицах цементного камня, способствует формированию связей коагуляционного типа, повышающих вязкопластические свойства бетона. В зависимости от соотношения между цементом и битумом будут преобладать связи того или иного вида. Следовательно, количеством битумной эмульсии можно регулировать деформативные свойства бетона.
Разработанные составы бетона рекомендуются для изготовления конструкций и изделий дорожных и ирригационных систем.
Выбор конструкций дорожной одежды для дорог промышленных предприятий, как известно, находится в тесной взаимосвязи с интенсивностью движения, влиянием региональных природных условий (сочетание продолжительного жаркого и засушливого лета с влажным и холодным зимне-весенним периодом; преимущественное распространение малоустойчивых и засоленных лессовых грунтов и одномерных барханных песков и др.); наличием местных дорожно-строительных материалов. В процессе поиска должны быть обеспечены: требуемая долговечность и экономичность принимаемых технических решений (обеспечение необходимой прочности системы, заданной ровности покрытий и величины их сцепления с колесами автотранспортных средств).
Конструирование дорожной одежды заключается в выборе для нее наиболее эффективных материалов, исходя из технико-экономической целесообразности их применения, с учетом максимального использования дешевых местных материалов, с минимальной дальностью их перевозки. Следует отметить, что при выборе конструкций дорожных одежд не следует предусматривать увеличение числа конструктивных слоев, так как дополнительные затраты, вызванные усложнением технологического процесса, и увеличение числа операций при устройстве дорожной одежды могут снизить экономическую эффективность, получаемую от применения местных материалов.
Основным исходным показателем, определяющим конструкцию дорожной одежды и тип покрытия, является перспективная интенсивность движения к концу срока службы конструкций перед очередным капитальным ремонтом. Интенсивность же движения определяется количеством автомобилей, проходящих в сутки по одной наиболее загруженной полосе.
Расчет дорожной одежды капитального типа производят по 3-ем критериям предельного состояния:
- упругому прогибу;
- допускаемому предельному равновесию по сдвигу в подстилающем грунте и слабосвязанных материалах конструктивных слоев;
- по допускаемому растягивающему напряжению при изгибе монолитных материалов.
Дорожные одежды с покрытиями облегченного и переходного типов рассчитываются только по упругому прогибу. Модуль упругости дорожной одежды характеризует её жесткость и должен обеспечивать нормальную работу одежды в упругой стадии.
Требуемый модуль упругости, может быть достигнут применением в покрытии цементного бетона с демпфирующими включениями, регулирующими внутренние напряжения, возникающие в бетоне при твердении его в условиях сухого жаркого климата и агрессивного солевого воздействия (наиболее вероятного агрессивного фактора на значительных засоленных территориях Узбекистана).
Целесообразность применения битумной эмульсии (БЭ) в качестве демпфирующего компонента бетона объяснима тем, что БЭ не только пластифицирует бетонную смесь, но и обеспечивает её жизнеспособность и нерасслаиваемость. Это особенно важно для конструкций с большим модулем открытой поверхности – дорог, эксплуатирующихся в условиях сухого жаркого климата. Известно, что при потере 1,5% воды затворения в начальный период твердения прочность бетона на изгиб в возрасте 7 суток снижается примерно на 30-35%, а при потере 2,5% воды снижение показателя достигает 40% от проектной прочности. При введении же в бетонную смесь 2,4% БЭ водоотдача в первые 3 ч по сравнению с эталонной снизилась на треть, а при 4% на половину.
Снижение водопотребности бетонной смеси и водоотдачи способствует значительному (на 45-50 %) уменьшению пластической усадки бетона при твердении в условиях СЖК.
Количество воды затворения определяли в зависимости от вида и содержания добавок при условии постоянной величины удобоукладываемости, равной 202 сек. Данные проведенных экспериментов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Водопотребность бетонной смеси с различным содержанием битумной эмульсии и эмульгатора СДБ
|
Вид добавки |
Водопотребность1 м3 смеси (л) при добавке |
Снижение водопотребности (%) при добавке |
|||
|
Битумная эмульсия, % по объему смеси |
СДБ, % от массы цемента |
БЭ |
СДБ |
БЭ |
СДБ |
|
Бетон класса В15 |
|||||
|
0 |
0 |
176 |
176 |
- |
- |
|
0,8 |
0,028 |
164,5 168,5 |
172,5 |
6,5 5,2 |
2,0 |
|
2,4 |
0,084 |
146 158 |
165 |
17 10 |
6,0 |
|
4,0 |
0,14 |
124 144 |
159 |
29,5 18 |
9,5 |
|
Бетон класса В25 |
|||||
|
0 |
0 |
184 |
184 |
- |
- |
|
0,8 |
0,028 |
168 171 |
178,5 |
8,5 7 |
3,0 |
|
2,4 |
0,084 |
149 162 |
172,0 |
19 12 |
6,5 |
|
4,0 |
0,14 |
128 147 |
165,5 |
30,5 20,0 |
10 |
Примечание: в числителе – показатели без учета воды, содержащиеся в эмульсии; в знаменателе – с учетом.
Анализ данных таблицы 1 показывает, что БЭ пластифицирует бетонную смесь в два раза сильнее, чем СДБ, взятая в количестве, соответствующем её содержанию в БЭ.
Таким образом, битумную эмульсию можно рассматривать как смазочный материал, который позволяет уменьшить трение между составляющими битуминизированного бетона и улучшить его удобоукладываемость за счет снижения содержания воды затворения.
Пластифицирующее действие битумной эмульсии и соответственно снижение водосодержания смеси объясняются непосредственным пластифицирующим действием самой эмульсии (битумные глобулы которой оказывают специфическое смазывающее действие на частицы бетонной смеси) и некоторым пластифицирующим действием эмульгирующей части (СДБ), а также тем, что битум, находящийся в эмульсии, входит в состав жидкой фазы, и лишь после распада эмульсии в процессе твердения цемента он становится твердым составляющим компонентом бетона.
Результаты изучения влияния БЭ на жизнеспособность и нерасслаиваемость бетонной смеси в условиях сухого жаркого климата приведены в табл. 2.
Таблица 2
Изменение подвижности бетонной смеси во времени в условиях сухого жаркого климата
|
Продолжительность выдержки бетонной смеси, мин |
Удобоукладываемость смеси, с |
|
|
Эталонная |
С добавкой 2,4 % БЭ |
|
|
15 |
20 |
20 |
|
30 |
20 |
20 |
|
45 |
10 |
20 |
|
60 |
0 |
20 |
|
75 |
- |
10 |
Как видно из таблицы 2 битуминированная смесь значительно дольше сохраняет свою жизнеспособность, что объясняется не только замедлением её структурообразования в первые часы после приготовления, но и существенным уменьшением испарения воды из смеси.
В конструкциях с большим модулем поверхности, эксплуатирующихся в условиях сухого жаркого климата уменьшение испарения воды для свежеуложенного бетона существенно важно. Известно, что при потере 1,5% воды затворения в начальный период твердения прочность бетона на изгиб в возрасте 7 сут. снижается примерно на 30-35%, а при потере 2,5% воды снижение показателя достигает 40% от проектной прочности.
Для определения скорости водоотдачи использовали следующую методику: свежеуложенные образцы-кубы размером 7х7х7 см из эталонной бетонной смеси и бетонной смеси с добавкой 2,4 и 4,0% БЭ осторожно расформовывали, взвешивали с точностью до 0,5 гр и помещали в эксикатор над концентрированной серной кислотой после чего образцы взвешивали через каждые полчаса в течении первых 4 часов, а затем через 1 сут.
Из полученных данных следует, что бетонные смеси с добавкой БЭ отдают влагу меньше, чем эталонная. Так, при введении в бетонную смесь 2,4% БЭ водоотдача в первые 3 ч. по сравнению с эталоном снизилась на треть, а при 4% на половину. Поскольку сравниваемые образцы имели одинаковую поверхность испарения, уменьшение водоотдачи можно объяснить замедлением передвижения влаги в бетоне, содержащем добавку БЭ, которая обладает гидрофобизирующими свойствами, что и обуславливает объемную гидрофобизацию бетона, предопределяет замедление испарения и снижение водоотдачи.
Снижение водопотребностибетонной смеси и водоотдачи способствуют значительному (на 45-50%) уменьшению пластической усадки бетона при твердении в условиях СЖК (табл3).
Таблица 3
Пластическая усадка бетона
|
Класс бетона |
Содержание БЭ, % |
Пластическая усадка, мм/м во времени, ч |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
В15 |
- |
2,1 |
2,5 |
3,0 |
3,3 |
3,4 |
|
2,4 |
- |
1,3 |
1,7 |
1,9 |
1,9 |
|
|
В25 |
- |
2,5 |
3,1 |
3,8 |
4,0 |
4,2 |
|
2,4 |
- |
1,4 |
1,8 |
2,0 |
2,1 |
|
Из данных видно, что с уменьшением В/Ц с 0,6 до 0,5 при одинаковой подвижности бетона пл закономерно увеличивается.
Регулирование структурных напряжений в бетоне под влиянием БЭ благоприятно влияет на его прочностные свойства (табл.4).
Таблица 4
Рост прочности бетона на сжатие во времени
|
Класс бетона |
Содержание БЭ, % |
Предел прочности бетона, МПа, в возрасте, сут |
||||
|
3 |
7 |
28 |
90 |
180 |
||
|
В15 |
- |
8,4 40 |
14,0 66 |
21,2 100 |
24,3 115 |
26,5 125 |
|
2,4 |
6,3 25 |
12,0 54 |
22,4 100 |
26,9 120 |
29,3 131 |
|
|
В25 |
- |
13,5 44 |
21,7 71 |
30,6 100 |
33,7 110 |
36,7 120 |
|
2,4 |
9,8 31 |
17,8 56 |
31,8 100 |
36,9 116 |
40,7 128 |
|
Проведенные исследования показали, что добавка битумной эмульсии выполняет демпфирующую роль, следствием чего является улучшение технологических свойств смеси, структуры, прочностных, деформативных свойств бетона, что в конечном итоге обеспечивает бетону повышенную стойкость, а разработанные на основе БЭ эффективные составы бетона могут быть рекомендованы для конструирования дорожных покрытий, эксплуатируемых в условиях солевого агрессивного воздействия.
Литература:
- Тешабаев Р.Д., Гончарова Н.И., Абобакирова З.А. Отчет. ГНТП-8.22 «Разработка, исследование и практическое использование конструкций и изделий из цементного солестойкого бетона в зданиях и сооружениях» (заключительный), Фергана, 2005г.
- Тешабаев Р.Д., Гончарова Н.И. Трещиностойкость бетона в условиях циклических температурных воздействий. Материалы Международной научно-технической конференции «Инновация 2001». Ташкент, 2001 г.
