Исследование механизмов деградации бетона промышленных этажерок при циклическом замораживании-оттаивании

Промышленные этажерки, представляющие собой многоярусные каркасные конструкции для размещения технологического оборудования и коммуникаций, регулярно подвергаются воздействию циклов замораживания-оттаивания. Это воздействие, особенно в условиях сурового климата России, существенно влияет на долговечность и безопасность эксплуатации данных сооружений. Понимание механизмов деградации бетона при циклическом замораживании-оттаивании приобретает ключевое значение для обеспечения надежности промышленных этажерок.

Механизм разрушения бетона при циклическом замораживании-оттаивании представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных физико-химических процессов. Основным фактором является расширение воды при замерзании, которое составляет около 9 % по объему. Это создает значительное внутреннее давление в порах бетона, достигающее 200 МПа при температуре -20°C [4, c. 59–63]. Такое давление приводит к образованию микротрещин в структуре материала, которые с каждым последующим циклом увеличиваются в размерах.

Рис. 1. Схематическое изображение механизма разрушения бетона при замораживании-оттаивании

Процесс деградации бетона усугубляется миграцией влаги внутри материала. При замерзании происходит перемещение воды из мелких пор в более крупные, где легче образуются кристаллы льда. Это явление приводит к локальному обезвоживанию некоторых участков цементного камня и нарушению его структуры. Кроме того, возникает осмотическое давление из-за разницы концентраций солей в замерзшей и незамерзшей воде, что создает дополнительные напряжения в структуре бетона.

Особую роль в процессе деградации играют термические напряжения, возникающие из-за разницы коэффициентов температурного расширения цементного камня, заполнителей и арматуры. При изменении температуры эти различия приводят к появлению внутренних напряжений, способствующих образованию новых микротрещин и развитию существующих.

Специфика воздействия циклов замораживания-оттаивания на элементы промышленных этажерок заключается в неравномерности этого воздействия. Различные элементы конструкции (колонны, ригели, плиты перекрытий) подвергаются разной интенсивности циклов в зависимости от их расположения и защищенности от атмосферных воздействий. Ситуация осложняется наличием динамических нагрузок от работающего оборудования, которые усиливают негативное влияние циклов замораживания-оттаивания, способствуя более быстрому развитию микротрещин в бетоне [2, c. 118–120].

Исследования показывают, что степень деградации бетона существенно зависит от его водонасыщения. Критической считается степень водонасыщения около 91–92 %. При меньшем содержании воды расширение льда может компенсироваться за счет свободного пространства в порах. При большем содержании воды разрушающее воздействие становится особенно интенсивным [7, c. 85–87]. Важную роль играет также скорость замораживания и оттаивания. Быстрое замораживание более опасно, поскольку вода не успевает мигрировать в крупные поры и замерзает на месте, создавая высокое локальное давление.

Таблица 1

Структура пористости бетона оказывает существенное влияние на его стойкость к циклическому замораживанию-оттаиванию. Наиболее опасными являются поры размером 0,1–10 мкм, так как в них легко проникает вода, но при замерзании она не успевает мигрировать в более крупные поры. Мелкие поры (менее 0,1 мкм) менее опасны, поскольку вода в них замерзает при очень низких температурах. Крупные поры (более 10 мкм) также менее критичны, так как они обеспечивают пространство для расширения льда.

Особое внимание следует уделить влиянию циклов замораживания-оттаивания на контактную зону между цементным камнем и заполнителями. Эта зона считается наиболее слабым местом в структуре бетона, и именно здесь часто начинается процесс разрушения. Циклическое температурное воздействие приводит к нарушению адгезии между цементным камнем и зернами заполнителя, что существенно снижает прочность и долговечность бетона [3, c. 142–143].

Процесс деградации бетона при циклическом замораживании-оттаивании часто усугубляется воздействием агрессивных сред, характерных для промышленных условий. Присутствие в воде растворенных солей не только снижает температуру замерзания, увеличивая число циклов замораживания-оттаивания, но и вызывает дополнительные химические и физические процессы, разрушающие структуру бетона.

Интересным аспектом является наблюдаемый в некоторых случаях «эффект самозалечивания» — на начальных этапах циклического воздействия может происходить даже некоторое увеличение прочности бетона. Это связано с тем, что продукты гидратации цемента заполняют образующиеся микротрещины, временно «залечивая» их. Однако этот эффект кратковременен, и при продолжении циклического воздействия процесс разрушения ускоряется [5, c. 33–36].

Для повышения стойкости бетона промышленных этажерок к циклическому замораживанию-оттаиванию применяются различные технологические решения. Одним из наиболее эффективных является использование воздухововлекающих добавок, создающих в структуре бетона систему мелких замкнутых пор. Эти поры служат резервным пространством для расширения замерзающей воды и прерывают капиллярную систему бетона, снижая миграцию влаги.

Важным направлением является также применение микронаполнителей, таких как микрокремнезем или метакаолин. Эти добавки не только уплотняют структуру цементного камня, но и вступают в пуццолановую реакцию, связывая свободный гидроксид кальция и образуя дополнительные гидросиликаты кальция. Это приводит к снижению капиллярной пористости и повышению прочности контактной зоны между цементным камнем и заполнителями [6, c. 17–21].

Исследования показывают, что бетоны на основе портландцемента с добавками доменного шлака или золы-уноса обычно демонстрируют лучшую стойкость к циклическому замораживанию-оттаиванию по сравнению с бетонами на чистом портландцементе. Это связано с более плотной структурой цементного камня и меньшим содержанием свободного гидроксида кальция, который легко выщелачивается при циклическом воздействии воды [1, c. 78–80].

Для обеспечения долговечности промышленных этажерок необходимо учитывать комплексный характер воздействия окружающей среды на конструкцию. Помимо циклов замораживания-оттаивания, следует принимать во внимание динамические нагрузки от оборудования, агрессивные производственные среды, атмосферные воздействия [8, c. 109–112]. Только такой комплексный подход позволит разработать эффективные меры защиты бетона и обеспечить надежную эксплуатацию промышленных этажерок в течение всего проектного срока службы.

Таким образом, исследование механизмов деградации бетона промышленных этажерок при циклическом замораживании-оттаивании показывает сложность и многофакторность данного процесса. Понимание этих механизмов имеет ключевое значение для разработки эффективных методов повышения долговечности конструкций и оптимизации их эксплуатационных характеристик. Это особенно важно для регионов с суровым климатом, где промышленные этажерки подвергаются частым переходам через нулевую температуру в сочетании с другими неблагоприятными воздействиями.

Литература:

1. Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. — М.: Стройиздат, 2018. — 768 с.
2. Баженов Ю. М. Технология бетона. — М.: Изд-во АСВ, 2019. — 500 с.
3. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 2017. — 312 с.
4. Горчаков Г. И., Капкин М. М., Скрамтаев Б. Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. — М.: Стройиздат, 2015. — 189 с.
5. Комохов П. Г. Структурная механика и теория надежности бетона. — СПб.: СПбГАСУ, 2016. — 227 с.
6. Москвин В. М., Иванов Ф. М., Алексеев С. Н., Гузеев Е. А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. — М.: Стройиздат, 2018. — 536 с.
7. Розенберг Т. И., Ратинов В. Б. Морозостойкость бетонов при многократном замораживании и оттаивании // Бетон и железобетон. — 2017. — № 8. — С. 3–7.
8. Powers T. C. The mechanisms of frost action in concrete // Stanton Walker Lecture Series on the Materials Sciences. — 2015. — № 3. — С. 35–61.