Многочисленными исследованиями и наблюдениями за разрушающимся бетоном под действием морской воды и других агрессивных жидкостей, а также при совместном действии воды и мороза со всей очевидностью доказано, что структура и плотность затвердевшего бетона играют весьма большую роль в деструктивных процессах, протекающих в бетоне под влиянием внешней среды.
К сожалению, на практике мероприятиям по повышению плотности бетона не уделяется должного внимания. Единственное средство предотвратить разрушение раствора состоит в том, чтобы помешать проникновению воды в раствор. Физические свойства цемента и бетона скорее, чем их точный химический состав, определяют сопротивляемость, бетона разрушению в морской воде.
По вопросу о влиянии пористости, обусловленной гранулометрией мелкого заполнителя, и водоцементного отношения на долговечность бетона в морской воде, подчеркивалось, что в основном структура раствора определяет его долговечность в смысле сопротивляемости действию солей морской воды [1].
Многочисленными исследованиями доказано, что плотность бетона действительно имеет весьма большое значение для долговечности сооружений в морской воде, но при этом установлено также, что нельзя не считаться и с таким фактором, как минералогический состав цемента.
Малая плотность или соответственно большая пористость бетона уменьшает его долговечность потому, что реагирующая поверхность, а также количество и глубина проникновения воды резко возрастают при наличии пор в толще бетона.
Возьмем в качестве примера кубик, выполненный из бетона, с размером сторон 10 см и объемом V =1 000 см 3 . Внешняя поверхность такого кубика будет равна 600 см 2 .
Если в данном примере пористость бетона (р), вызванная наличием капилляров, равна 6,0 %, а средний диаметр капилляров равен 0,01 мм, то число капилляров ( п ) при длине их 1 см будет равно,
а суммарная поверхность их будет равнаn·π·d·l или, подставляя значение для п , — соответственно:
То есть, при наличии мелкой пористости поверхность соприкасания выросла в 24000/600 = 400 раз для данного примера.
Столь большое увеличение поверхности бетона и агрессивной среды увеличит скорость коррозии.
Рассмотрим в качестве примера влияние диаметров капилляров и скорости движения воды на развитие коррозии I вида (связанной гидролизом и выщелачиванием составных частей цементного камня из бетона) при фильтрации воды сквозь толщу бетона.
Так как фильтрация обычно идет с малыми скоростями, то из бетона раствор является насыщенным по отношению к гидрату окиси кальция (ведем расчет на СаО). В этом случае скорость разрушения, которую принимаем пропорциональной скорости растворения и уноса гидрата окиси кальция (выражен единицу времени), будет равна:
Где СаО — количество СаО в мг, унесенное фильтрующейся водой из бетона;
t– время фильтрации;
Q — расход фильтрующейся воды в единицу времени с единицы площади;
F– площадь поперечного сечения фильтрующего бетона;
C — концентрация насыщенного раствора гидрата окиси кальция (в пересчете на СаО).
Подставляем в приведенную формулу скорость расхода воды в единицу времени с единицы площади (Q) из уравнения Дарси:
Q = k
Где k — коэффициент фильтрации;
Р — напор воды;
1 — толщина фильтрующего слоя.
Отношение р/1 является градиентом напора. Тогда выражение для скорости разрушения получает следующий вид:
Применяя закон о движении воды в капиллярах при ламинарном её течении, скорость расхода в единицу времени с единицы площади можно выразить следующим образом:
Q =
Где r — радиус капилляров;
η — вязкость жидкости;
αl — действительная длина капилляров (α > 1);
l — толщина фильтрующего слоя.
И, соответственно, скорость разрушения будет равна:
Ряд исследователей, изучивший вопрос о поведении бетона при фильтрации сквозь него воды, пришел к заключению, что потеря окиси кальция бетоном ведет к разрушению последнего.
Одни исследователи принимают, что потеря 40 % окиси кальция (т. е. снижение общего количества СаО до 60 % от первоначального) снижает одновременно прочность до 50 %.
Другие исследователи получили при выщелачивании 50 % окиси кальция почти полную потерю прочности.
Проведенные лабораторные исследования на кафедре АГТУ представленные в таблице.
Таблица 1
Влияние выщелачивания на механическую прочность образцов
|
Цемент |
Дистиллированная вода |
Раствор Na 2 SO 4 , 0,15 % |
Раствор Na 2 SO 4 , 0,03 % |
|||
|
% удаленного СаО |
% снижения прочности |
% удаленного СаО |
% снижения прочности |
% удаленного СаО |
% снижения прочности |
|
|
Портландцемент в возрасте 30 сут. |
27,0 |
43,0 |
32,9 |
- |
33,7 |
60,7 |
|
Пуццолановый портландцемент в возрасте 90 сут. |
15,4 |
43,6 |
18,9 |
- |
- |
- |
|
Песчанистый портландцемент в возрасте 30 сут. |
30,6 |
54,2 |
36,5 |
56,7 |
- |
- |
|
Песчано-пуццолановый портландцемент в возрасте 30 сут. |
9,2 |
23,0 |
12,9 |
27,8 |
9,5 |
18,6 |
|
Глиноземистый портландцемент в возрасте 30 сут. |
39,0 |
36,6 |
22,6 |
33,4 |
- |
- |
Пользуясь приведенными ориентировочными данными о снижении прочности бетона в результате выщелачивания и формулами расчета скорости выщелачивания, можно было бы провести обратный расчет о величине допустимого коэффициента фильтрации при каком-то заданном времени фильтрация. Но ввиду малой точности принимаемых параметров и допущений (например, равномерное движение воды по всей толще бетона, допущение, что течение воды ламинарное и т. д.) подобные расчеты могут делаться весьма осмотрительно и преимущественно лишь для выяснения характера зависимостей, не переоценивая получаемых при расчете отдельных цифр.
Литература:
- Ицкович С. М., Л. Д. Чумаков, Ю. М. Баженов Технология заполнителей бетона. -М.: Высш. шк., 1991 г.
