Влияние рецептурно- технологических факторов на водонепроницаемость бетона

Основными путями фильтрации воды через бетон являются:

1) капиллярные поры (особенно сквозные);

2) дефекты (нарушение сплошности контактной зоны между цементным камнем и заполнителем);

3) трещины технологического усадочного или эксплуатационного происхождения.

В связи с этим, основные принципы регулирования состава и технологии получения водонепроницаемого бетона сводятся к следующему:

1. уменьшение величины водоцементного отношения с целью уменьшения капиллярной пористости:

B-2nαЦ В/Ц-2nα

П _к = = Ц, где

10 10

n- количество химически связанной воды (n≈0,25);

α- степень гидратации (α≈0,6 в проектном возрасте)

Между водонепроницаемостью и капиллярной пористостью существует зависимость, представленная ниже:

W

Пк

 

Практически капиллярная пористость реализуется подбором «идеальной» гранулометрией и применения суперпластификаторов в сочетании с длительным благоприятным влажным режимом твердения.

1. Использовать чистые фракционированные заполнители с минимальным содержанием пылевидно- глинистых частиц (ПГ). Например, 0,5% ПГ стоит 2 атмосферы по водонепроницаемости.
2. Режим твердения должен исключать образование трещин, т.е. «мягкие» режимы тепло- влажностной обработки (ТВО) или длительное влажностное твердение;
3. Непроницаемый бетон еще не гарантирует непроницаемости конструкции, если в ней из-за перегрузок, деформаций или усадки образовались трещины. Увеличение ширины раскрытия трещины на 0,1 мм увеличивает фильтрацию на порядок, т.е. понижает марку на 2-3 ступени.

Марка бетона по водонепроницаемости связана с коэффициентом фильтрации, который используется в расчетах долговечности железобетонных конструкций. Коэффициент фильтрации численно равен количеству воды, проходящей через образец единичной толщины, единичной площади в единицу времени при перепаде давлений, равном единице, и имеет размерность см/с. Численные значения коэффициента фильтрации зависят от плотности и влажности бетона и изменяются в пределах от 2*10^-8 до 5*10^-12 см/с и менее.

Фильтрация воды через бетон не является постоянной, в ней различается 5 периодов: индукционный (до начала фильтрации), возрастающей фильтрации, максимальной фильтрации, нестабильной снижающейся фильтрации, стационарной фильтрации. Время от начала испытаний до стационарной фильтрации характеризует период установления стационарного потока и может достигать полутора месяцев. Коэффициент фильтрации при постоянном потоке составляет 20-25% от максимального ее значения.

 

 

Основные положения по расчету состава водонепроницаемого бетона

Для расчета водонепроницаемого бетона необходимо знать, что водонепроницаемость бетона зависит от цементно- водного отношения (формула) и имеет связь с прочностью и морозостойкостью бетона (график):

В/Ц

W F R

W = aR_ц*(Ц/В- В)

 

Таким образом, можно сделать вывод, что пористость – это функция отношения воды к цементу. А прочность R, морозостойкость F, водонепроницаемость W – это функция от пористости.

Для обеспечения низкой проницаемости необходимо ограничивать В/Ц бетонной смеси не более 0,5, создать длительные благоприятные условия твердения, применить уплотняющие добавки и специальные цементы.

Влияние напряженно- деформированного состояния (НДС) на водонепроницаемость бетона

σt/Rt

Wσ/W0

σ/R

W0

~1,3W0

0,25-0,35

0,4- 0,5

 

 

где

σ_t / R_t – уровень растягивающих напряжений;

σ/R – уровень сжимающих напряжений;

σ_t – растягивающее напряжение;

W_σ – реальная водонепроницаемость;

W₀ – водонепроницаемость испытываемых образцов;

R – прочность при сжатии

Согласно данному графику, можно сделать соответствующие выводы о том, какая из представленных на графике величин воздействует на состояние бетона.

 

Коррозия бетона

Под коррозией подразумевается гидратация (разрушение) бетона во времени, обусловленное физическими, физико- химическими и химическими процессами, происходящими в структуре бетона, в результате его взаимодействия с окружающей средой без учета влияния механических напряжений от нагрузок.

Существует классификация коррозии по Москвину:

1. Коррозия 1 типа: есть результат разрушения бетона в результате воздействия на него «мягких» вод при омывании или фильтрации. Механизм коррозии сводится к следующему: в результате гидратации алита одним из продуктов является Ca(OH)₂ – портландит, имеющий растворимость в воде до 1,2 г/л.

R

Существует зависимость между прочностью бетона и содержанием портландитом:

%, Ca(OH)2

 

 

 

Удаление примерно 30%Ca(OH)₂ из цементного камня влечет за собой потерю всей прочности цементного камня.

Условно безопасная граница удаления Ca(OH)₂ из цементного камня ≈ 10%.

Способ защиты против коррозии 1типа: плотнее необходимо изготавливать бетон, т.е. необходимо повышать марку по водонепроницаемости.

 

2. Коррозия 2 типа: обменные реакции между продуктами и поступающими из вне агентами, в результате которых образуются либо легко растворимые соединения, либо соединения, не обладающие вяжущими свойствами, либо соединения, вызывающие коррозию 3 типа.

При этом типе коррозии происходят следующие реакции:

Ca(OH)₂ + Na₂SO₄ CaSO₄ + 2Na⁺ + 2OH^-

Малорастворимый осадок, не обладающий вяжущими свойствами

Идет в коррозию 3типа

Ca(OH)₂ + MgSO₄ CaSO₄ +Mg(OH)₂

 

 

Ca(OH)₂ + MgCl Ca²⁺ + Cl^- + Mg(OH)₂

Ca(OH)₂ + NaCl Ca²⁺ Cl^- + Na⁺ + OH^-

Эта коррозия характеризуется тем, что вода растворяет и уносит растворенные соединения. Следовательно, коррозия 2 типа идет только в воде.

H2O

Карбонизация происходит так:

Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O – образуется нерастворимое соединение

 

Таким образом, все виды коррозии 2 типа основаны за счет химического взаимодействия; в той или иной форме уходит Ca(OH)₂.

Способ защиты против коррозии 2 типа: необходимо повышать марку бетона по водонепроницаемости.

 

3. Коррозия 3 типа: разрушение бетона в результате позднего образования гидросульфоалюминатов кальция (ГСАК) – вторичные продукт- при воздействии на бетон сульфатов (так называемая сульфатная коррозия).

В составе цемента есть трехкальциевый алюминат, который взаимодействует с водой с образованием гидроалюминатов кальция. Далее к полученному образованию добавляют гипсовый камень для замедления сроков схватывания. В результате образуется эттрингит, который тормозит дальнейшую быструю гидратацию С₃А за счет образования защитного слоя и замедляет схватывание цемента на 3…5ч:

гидроалюминаты Ca

эттрингит

C₃A + H₂O C_xAH_n + CaSO₄* 2H₂O 3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*(30-32) H₂O

 

 

Эттрингит для воды не проницаем (его объем составляет в 2 раза больше, чем суммарный объем образующих его веществ, что приводит к растрескиванию бетона).

Активный эттрингит образуется при повышенном рH- среды, а пассивный эттрингит – при пониженном рH – среды.

Способ защиты против коррозии 3 типа: использование сульфатостойких цементов, которые отличаются повышенной устойчивостью к действию сульфатных вод, что обеспечивается пониженным содержанием С₃А. Изготавливают этот цемент из клинкеров нормированного минералогического состава:

C₃A≤ 5%

C₃S≤50%

C₃A+ C₄AF˂22%

Механизм работы коррозии 3 типа: уменьшение гидросульфоалюминатов кальция ведет к уменьшению образования эттрингита. Чем меньше С₃А, тем меньше гидроалюминатов кальция; и чем меньше трехкальциевого силиката С₃S, тем меньше Ca(OH)₂, следовательно, уменьшается pH – среды. А это значит в меньшей степени будет образовываться эттрингит.

Выделяют внутреннюю коррозию (щелочную): происходит в результате взаимодействия щелочей, содержащихся в цементе с аморфным микрокремнеземом (опал, халцедон), содержащимся в некоторых заполнителях:

Аморфный кремнезем

Na₂O + K₂O = R₂O + (SiO₂)

 

 

Далее образуется гель кремнекислоты, объем которого больше объема своих компонентов. В результате происходит растрескивание бетона. Образуются нерегулярные и хаотичные трещины.

Способ защиты против внутренней коррозии: необходимо следить, чтобы в цементе содержание щелочи и реакционно- активного кремнезема в заполнителях было минимальным.

 

свая

соль

H2O + соль

H2O

Есть еще такой вид коррозии как солевая коррозия: по своему сути имеет хаотичный характер. Происходит в результате кристаллизационного давления выпадающих в порах бетона солей. Рассмотрим пример солевой коррозии:

 

Соли при кристаллизации образуют сильное давление на поверхности сваи и разрывают изделие.

 

Строительные растворы

Строительными растворами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате укладки и твердения правильно подобранных смесей из неорганических вяжущих веществ, мелкого заполнителя – песка и воды. Часто наряду с указанными основными компонентами вводят специальные добавки, например, повышающие пластичность смеси или замедляющие ее схватывание, либо ускоряющие твердение.

Такие смеси до затвердевания, т.е. пока они еще находятся в пластично – вязком состоянии, называют растворными смесями.

По составу растворы отличаются от бетонов только меньшей крупностью заполнителя, т.е. в сущности, это мелкозернистые бетоны. Поэтому общие закономерности, характерные для бетонов, в принципе применимы и к растворам. В частности, прочность растворов зависит от марки вяжущего и величины отношения.

При использовании растворов надо учитывать две особенности:

1) Растворы укладывают тонкими слоями (обычно 1- 2 см), не применяя при этом специального механического уплотнения;

2) Растворы часто наносят на пористое основание (кирпич, бетон, пористые камни), способные сильно отсасывать воду.

Вследствие этих особенностей раствор в тонком слое сразу после укладки подвергается действию факторов, которые могут значительно изменить его состав (в результате отсоса воды) и повлиять на конечные свойства.

Строительные растворы в зависимости от назначения бывают кладочные, отделочные и специальные. Кладочные растворы применяют для скрепления элементов при кладке фундаментов, столбов, стен, сводов из кирпича или природного камня, а также для монтажа крупноблочных и крупнопанельных элементов. Отделочные растворы служат для оштукатуривания поверхностей конструкций, устройства выравнивающих слоев, декоративной отделки лицевых поверхностей стеновых панелей и блоков, фасадов и интерьеров зданий.

Специальные растворы – инъекционные жаростойкие, кислотостойкие, рентгенозащитные, акустические – применяют в случаях, когда к конструкциям предъявляются особые требования.

По виду заполнителя растворы подразделяют на тяжелые (средняя плотность более 1500 кг/м³) и легкие (средняя плотность менее 1500 кг/м³).

Отличаются они по средней плотности затвердевшего раствора в сухом состоянии, которая в основном зависит от средней плотности заполнителя.

По виду вяжущего они подразделяются на цементные, известковые и смешанные растворы. Вяжущее назначается в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

Строительные растворы изготавливают, как правило, централизованно на автоматизированных растворных заводах или на строительных базах, доставляют на объекты в виде пластических смесей, готовых к употреблению. При значительном удалении строительного объекта от завода рекомендуется изготовлять сухие растворные смеси, которые затворяют водой и перемешивают на месте производства работ. Влажность сухих смесей должна быть не более1% по массе. Их поставляют в упаковке, исключающей возможность увлажнения. В настоящее время сухие смеси получили широкое распространение, особенно для приготовления растворов, используемых для отделки фасадов и интерьеров зданий. В связи с тем, что в заводских условиях обеспечивается более тщательная подготовка и дозировка компонентов раствора и, следовательно, получение готового раствора высокого качества с заданными свойствами, применение сухих смесей в перспективе будет увеличиваться.

Растворы специального назначения обязательно должны изготавливаться в виде готовых смесей на заводах.