Долговечность бетона
Некоторые факторы долговечности бетона связаны с усадкой и ползучестью, рассмотренными выше, другие также в значительной степени обусловлены свойствами применяемых заполнителей.
Весьма важна способность бетона противостоять многократному изменению температуры. Если разница между коэффициентами температурного расширения цементного камня и заполнителей велика, то при изменении температуры в бетоне могут развиваться значительные внутренние напряжения, аналогичные усадочным и иногда еще более опасные.
Опасно для таких бетонов и охлаждение — в цементном камне могут возникнуть значительные растягивающие напряжения. Это возможно, в частности, после термообработки (пропаривания) бетонных изделий, т. е. когда температура эксплуатации ниже температуры формирования структуры бетона.
Еще более существенные напряжения могут возникнуть в бетоне при его применении в особых условиях футеровки тепловых агрегатов, печей и т. д. Используемые для этих целей жаростойкие бетоны получают на специальных заполнителях.
Многократные колебания температуры в процессе эксплуатации, вызывая появление внутренних напряжений, иногда знакопеременных, могут привести к «расшатыванию» структуры, образованию трещин в бетоне. Необходимо предвидеть возможные термические напряжения, уметь оценить последствия их действия.
Особый случай представляют заполнители с ориентированным расположением кристаллов. Так, кристаллы ортоклаза, являющегося составной частью гранитов, характеризуются термическим расширением только в одном направлении — параллельно кристаллографической оси. Кристаллы плагиоклазовых полевых шпатов имеют в различных направлениях разные коэффициенты линейного расширения, а у кристаллов кальцита, составляющего известняки и мраморы, коэффициенты линейного расширения отличаются не только по значению, но и по знаку. При неравномерных деформациях подобных заполнителей в бетоне возникают большие сосредоточенные силы.
Заполнители, состоящие из кристаллов с одинаковой ориентацией кристаллографических осей или включающие крупные монокристаллы анизотропных минералов, при резких колебаниях температуры могут разрушить бетон. Поэтому из горных пород для заполнителей предпочтительны такие, которые состоят из мелких кристаллов со случайной, хаотической ориентацией.
Важным фактором долговечности бетона является его способность противостоять многократному попеременному увлажнению и высушиванию, вызывающему разбухание и усадку цементного камня.
Интересный факт описан в США. Затонувшее судно с корпусом из керамзитобетона пролежало на дне моря более 30 лет. За это время морская вода проникла в бетон лишь на глубину в несколько миллиметров. Стальная арматура корпуса, имевшая защитный слой керамзитобетона 16 мм, не подверглась коррозии.
В строительстве гидротехнических сооружений накоплен уже большой опыт применения бетонов на пористых заполнителях. Керамзитобетон и аглопоритобетон успешно использованы в производстве напорных водопроводных труб.
Водонепроницаемость — один из важных факторов стойкости бетона в различных агрессивных средах.
На долговечность бетона влияет химическое взаимодействие некоторых заполнителей или содержащихся в них примесей с продуктам и гидратации и гидролиза цемента и водой. В частности, стандартами ограничивается содержание в заполнителях органических примесей и сульфатов, вызывающих коррозию цементного камня. В глинистых породах, применяемых для производства искусственных пористых заполнителей (керамзита, аглопорита), могут встречаться вкрапления известняков. В результате обжига такого сырья образуются частицы пережженной медленно гасящейся извести (так называемый «дутик»), которая может через длительное время — уже в бетонной конструкции — вступить во взаимодействие с водой. Получаемый гидроксид кальция, как известно, увеличивается в объеме, что может вызвать разрушение бетона.
В бетоне, эксплуатируемом во влажной среде, возможны также медленно идущие и проявляющиеся в течение многих лет реакции взаимодействия щелочей, содержащихся в цементе, с некоторыми кислыми минералами заполнителей, например с опалом и другими видами химически активного аморфного кремнезема. Гелеобразные продукты реакции распирают зону контакта, в результате чего нарушается сцепление между заполнителем и цементным камнем, в бетоне возникают трещины.
В литературе описаны случаи разрушения по этой причине плотин, фундаментов, дорожных бетонных покрытий, мостов и других сооружений из бетона. Впервые это явление привлекло внимание исследователей США в 30... 40-х годах нашего века, так как аварийное состояние многих сооружений потребовало для восстановления и ремонта огромных затрат.
Коррозию бетона при действии щелочей цемента на кремнезем заполнителя исследовали В. М. Москвин, Г. С. Рояк, А. М. Викторов и др. Детальный анализ различных аспектов химической активности заполнителей дал Б. Н. Виноградов.
Для повышения долговечности бетона заполнители, активно взаимодействующие со щелочами, в цементных бетонах применяться не должны. Исключение составляют некоторые пористые заполнители, для которых в силу развитой поверхности, открытой пористости и надежности сцепления с цементным камнем такое взаимодействие, как показал опыт, не столь опасно.
Описанные выше и другие эксплуатационные факторы с течением времени могут привести к постепенному ослаблению бетона, однако одновременно действует также фактор его упрочнения в силу продолжающейся годы и десятилетия гидратации цемента. Несомненно, долговечность бетона и бетонных конструкций связана с ростом прочности, компенсирующим ослабляющие эффекты.
Известно, что увеличение прочности бетона во времени зависит от вида цемента, состава бетона и условий эксплуатации, т. е. рост прочности бетона определяется ростом прочности цементного камня. Но это положение верно только до тех пор, пока выдерживается условие минимальной прочности заполнителя. Соотношение прочности заполнителя и твердеющего цементного камня в бетоне с течением времени меняется, и когда заполнитель оказывается самым слабым местом в бетоне, интенсивность дальнейшего увеличения прочности бетона уменьшается. Поэтому рост прочности легких бетонов на пористых заполнителях в ряде случаев может быть менее существенным, чем обычных тяжелых бетонов при прочих равных условиях.
Испытание пористого заполнителя в бетоне дает возможность прогнозировать рост прочности бетона. Пусть, например, требуется определить, какой станет прочность аглопоритобетона через год эксплуатации в нормальных условиях, если в возрасте 28 сут бетон имел предел прочности 25 МПа.