Ф. М. ИВАНОВ, д-р техн. наук, В. Ф. СТЕПАНОВА, канд. техн. наук (НИИЖБ); Е. П. ХОЛОШИН, канд. техн. наук (ДальНИИС), Проблемы обеспечения долговечности бетона и железобетона пониженной энергои материалоемкости
Одна из основных задач двенадцатой пятилетки — экономия всех видов материальных и топливных ресурсов при максимальном ускорении темпов и увеличении объемов строительства. В связи с этим использование вторичного сырья и отходов промышленности для производства строительных материалов приобретает особо важное значение.
Все более широкое применение находят в строительстве отходы металлургической и топливной промышленности (шлаки, золошлаковые смеси). Их можно использовать в качестве заполнителя для бетона и в составе цемента. Раздельная струйная технология изготовления бетона, а также многокомпонентные вяжущие позволяют получать экономию цемента при сохранении проектного класса бетона или повышать прочность бетона без увеличения расхода цемента жидкой фазы бетона, а следовательно, вызывает коррозию арматуры. Аналогичная картина наблюдается в бетонах при использовании зол и золошлаковых смесей вместо заполнителя или части цемента. Потеря первичного защитного действия таких бетонов по отношению к арматуре связана в первую очередь со способностью заполнителей связывать гидроксид кальция, а также присутствие в их составе агрессивных по отношению к стали веществ (соединений серы, несгоревшего угля). Повышенное содержание железистых соединений вызывает образование гальванических пар со сталью в бетоне, при этом возникают локальные коррозионные повреждения арматуры. Проведенные в НИИЖБе исследования сохранности арматуры в бетонах с применением золы и золошлаковых смесей свидетельствуют о том, что коррозия арматуры зависит от химического состава, удельной поверхности и расхода золи. Основным фактором, как показала статистическая обработка результатов коррозионных испытаний (см. рисунок), является удельная поверхность материала S при неизменном содержании сернистых соединений. Ее повышение с 4000 до 0000 см2/г увеличивает коррозионные потери в 4 раза при прочих равных условиях. Надежная первичная защита арматуры в таких бетонах достигается назначением правильного соотношения золы и массы цемента. Введение в состав бетона до 40 % золы (S =? 4000 см2/г, П.п.п. 30 %) массы цемента обеспечивает первоначальную пассивность стали в бетоне. Полученные результаты нельзя распространять на преднапряженные конструкции, особенно при армировании их термически упрочненными сталями. Высокопрочные термоупрочненные стали (классов Ат-IV, AT-V, Ат-Vl) подвержены хрупкому разрушению без предварительных признаков коррозии, что может вызвать мгновенное разрушение конструкции. НИИЖБ совместно с Физико-механическим институтом АН УССР изучают возможность повышения коррозионной стойкости таких сталей в бетонах с пониженными защитными свойствами, вводя ингибиторы коррозионного растрескивания.
Использование многокомпонентных вяжущих при производстве железобетонных конструкций также связано с подбором оптимальных соотношений клинкера и минеральных добавок с целью получения заданных физико-механических характеристик бетона, обеспечения его морозостойкости и коррозионной стойкости в агрессивных средах и сохранности в нем арматуры. При этом придание пассивности стали в бетоне сразу после изготовления не гарантирует длительную надежную эксплуатацию конструкции. Продолжительность защитного действия бетона по отношению к стали в газовоздушной среде определяется его диффузионной проницаемостью для углекислого газа. Бетоны на многокомпонентных вяжущих, активных заполнителях при равной проницаемости с бетоном на портландцементе быстрее теряют защитные свойства по отношению к арматуре. Следовательно, для длительной надежной защиты арматуры необходимо снижать проницаемость бетона и повышать его защитные свойства по отношению к арматуре введением комплексных пластифицирующих, уплотняющих и ингибирующих добавок. Однако внедрение таких бетонов сдерживается из-за дефицита ингибиторов (NaN02, ННК и т. п.) и ограниченной области применения конструкций с такими добавками.
Рассматривая вопросы экономии материальных ресурсов, необходимо отметить намечающуюся тенденцию к использованию цемента низкотемпературного синтеза (алинитового), получающегося обжигом в расплаве хлористого кальция. Интенсивная коррозия арматуры в таком бетоне наблюдается уже в процессе твердения. В результате исследования коррозии арматуры в бетонах на алинитовом цементе установлены рациональные области применения железобетонных конструкций на их основе — в малоармированных конструкциях зданий и сооружений с сухим режимом эксплуатации. Расширение области применения цементов низкотемпературного синтеза возможно вследствие снижения содержания хлор-иона в клинкере введением алюминатных добавок на стадии изготовления.
Рассматривая вопрос о долговечности конструкций из бетонов на природных пористых заполнителях, нельзя ие учитывать такие их свойства, как высокую стойкость в некоторых жидких агрессивных средах, а также способность интенсивно связывать, снижая pH жидкой фазы бетона, что приводит к развитию коррозии. Так, вулканический шлак Козельского месторождения поглощает 24, а Советского — 21...37 СаО.
Отличительная особенность бетонов на природных пористых заполнителях Дальнего Востока, используемых для гидротехнического строительства, заключается в повышенном содержании мелкого заполнителя (до 70 % фракции 0...5 мм). Вулканический шлак применяют в бетоне совместно с обычным морским песком. Рекомендуемый зерновой состав смеси вулканического шлака с морским песком следующий: полные остатки на стандартном наборе сит с отверстиями 5; 2,5; 25; 0,63; 0,315; 0,14 мм составляют 0...10, 10...40, 15...60, 40...75 и 70...80.
В качестве вяжущего используют портландцемент Спасского завода с содержанием С3А 9...12 %. По сравнению с плотными заполнителями вулканические шлаки имеют низкую прочность, высокую пористость и водопоглощение. Способность пористого заполнителя аккумулировать влагу положительно влияет на формирование структуры цементного камня, контактной зоны, что позволяет получить бетоны высокой морозостойкости и малой проницаемости. Содержание хлоридов в бетоне при этом не должно превышать 0,5 % массы цемента для обычных конструкций и 0,1 % для преднапряженных при условии их равномерного распределения.
Многолетним опытом эксплуатации железобетонных конструкций из бетонов на природных заполнителях Дальнего Востока установлена возможность создания долговечных конструкций пониженной матерналон энергоемкости с использованием технологических приемов в качестве первичной защиты конструкций от коррозии.
Применение шлакопортландцементов и пуццолановых портландцементов снижает морозостойкость бетонов. Однако широкое использование пластифицирующих и воздухововлекающих добавок позволило разработать составы бетонов высокой морозостойкости. Эффективность таких добавок для придания морозостойкости бетонам на шлакопортландцементе видна из табл. I. Многочисленные эксперименты показали, что воздухововлечение понижает морозостойкость в 2...5 раз. Рекомендуемые значения содержания вовлеченного воздуха для повышения морозостойкости можно распространить и на бетоны на смешанных вяжущих (табл. 2).
Интенсивно изучается возможность введения добавок золы-уноса от сжигания пылевидного угля.
Сравнительными испытаниями морозостойкости и сульфатостойкости бетонов на цементе без добавок золы и с введением ее до 150 кг/м3 при одновременном снижении расхода портландцемента на 50 кг/м3 установлена возможность получения бетонов, выдерживающих с повышением прочности 100 циклов замораживания и оттаивания, и значительно более сульфатостойких, чем без добавки. После 12 мес выдерживания образцов в 5 %-ном растворе сульфата натрия и после 100 циклов замораживания и оттаивания прочность бетона не снизилась. Отмечалась высокая эффективность от использования зоны Ладыжинской ТЭС в керамзнтозолобетоне. При введении золы вместо песка и суммарном расходе вяжущего 360 кгм3 с содержанием цемента 150... 180 кг/м3 получен керамзитобетон классов В3,5 и В5 средней плотностью 950... 1000 вместо 1100...1150 кг/м3 на бетоне без золы. Легкий бетон с добавкой золы, используемый для изготовления стеновых панелей. испытали на морозостойкость (F100) и на стойкость в климатической установке.
В вопросе о количестве вводимых добавок, характеристиках смешанных Цементов и о допустимости введения в состав бетонной смеси тех или иных минеральных добавок до сих пор нет единой точки зрения. Не установлены нормативы на предельно допустимое количество неактивных и активных минеральных добавок в цементы или различные бетоны в зависимости от области их применения, нет единого мнения о гранулометрии минеральных добавок, о возможности одновременного введения минеральных добавок и активизаторов твердения бетонов на смешанных цементах.
Область применения цементов пониженной энергоемкости определяется стойкостью бетонов в различных условиях. Например, при исследовании коррозии 1 вида (выщелачивание) установлено, что скорость коррозии цементного камня и цементного раствора на алинитовом цементе выше примерно в 2 раза, чем на обычном портландцементе. Это свидетельствует о необходимости обращать особое внимание на придание пониженной проницаемости такому бетону в условиях, когда коррозия 1 вида определяет долговечность сооружений, например в гидротехнических сооружениях.
Исследования сульфатостойкости (табл. 3) свидетельствуют о практически одинаковой стойкости образцов цементного раствора с равным водоцементным отношением на алинитовом цементе и обычном портландцементе.
Свойства бетонов пониженной энергии материалоемкости определяются характеристиками цементов, добавок к ним и технологией производства. Приведенные примеры показывают, что долговечность может быть достигнута различными способами, однако во всех
На ВДНХ СССР на межотраслевой выставке «Изобретательство и рационализация-88» представлена гелиоустановка, разработанная КТБ Стройиндустрия совместно с ВНИИжелезобетоном, для производства железобетонных ребристых плит покрытий или других изделий. Установка работает по двухконтурному замкнутому циклу с принудительной циркуляцией теплоносителя.
Теплоносителем первого контура является жидкость с антикоррозионной защитой, теплоносителем второго контура — горячая вода. В первом контуре установлены гелиоприемникн общей площадью 240 м2. Теплообмен между первым и вторым контурами осуществляется с помощью бака-аккумулятора объемом 25 м3. Горячая вода из него поступает в блок камер ТВО изделий. При необходимости ее нагревают до 90...95°С. Для ТВО изделий используют камеры пузырькового типа, в которых теплоносителем является аэрированная горячая вода. В таких камерах подготовка параметров паровоздушной смеси осуществляется при диспергировании парогазовой фазы в воде в две стадии.
При исследовании стойкости бетона и арматуры в бетонах пониженной энергии материалоемкости долговечность конструкций является определяющей для оценки их прочности в различных условиях эксплуатации. Широкому внедрению железобетона на экономичных цементах, составах бетона и при новой технологии должно предшествовать детальное изучение его стойкости к воздействиям внешней среды.
Бетон и железобетон, 1988