Влияние производственных параметров на устойчивость бетонных покрытий проезжей части к морозу и действию антиобледенительных солей

РЕФЕРАТ. Изготовление бетонных дорожных покрытий представляет собой сложную разновидность строительных работ, рентабельность которых обеспечивается лишь в том случае, если покрытия обладают длительным сроком службы при незначительных расходах на содержание. Целью данного исследования была регистрация отклонений различных параметров от допустимых значений в течение всех этапов изготовления бетона и четкое определение их влияния на морозостойкость и устойчивость к действию антиобледенительных солей. При этом исследованы факторы, влияющие и на качество бетона, и на технологию выполнения работ.

Ключевые слова: бетонное дорожное покрытие, антиобледенительные соли, морозостойкость.

Keywords: concrete road pavement,  deicing salt,  freeze-thaw durability.

Введение

В течение срока службы бетонные покрытия проезжей части подвергаются сильным нагрузкам от движения транспорта и воздействия окружающей среды. Чтобы противостоять внешним факторам, особенно воздей­ствию антиобледенительных солей, эти покрытия должны в течение всего срока службы удовлетворять существующим требованиям. Чтобы обеспечить неизменно высокое качество покрытий, в директивах и нормах устанавливаются требования к содержанию вяжущего, водовяжущему отношению (В/В), системе воздушных пор, а также дополнительной обработке. В случае несоблюдения одного или нескольких требований устойчивость дорожного покрытия к воздействию окружающей среды не обеспечивается долж­ным образом. Отклонение параметров от допустимых значений в ходе изготовления бетона или недостаточная дополнительная обработка отрицательно сказываются на его устойчивости к действию антиобледенительных солей и, таким образом, ведут к сокращению срока службы.

Историческое развитие и современный уровень техники

В Германии, Австрии и Швейцарии бетонные дороги строятся с начала XX века. Уже тогда стало ясно, что для предотвращения образования трещин на покрытии требуются поперечные швы на  ней, а также тщательная пост-обработка. В то время уровень знаний о бетоне и водоцементном отношении (В/Ц) был довольно скромным, и пост-обработке придавалось большое значение [1]. В Австрии первая дорога с бетонным покрытием была построена в 1904 г в Амштеттене. Затем последовало строительство других дорог, в частности, начиная с 1927 года — в Вене. Уже тогда при строительстве бетон укладывали в два слоя: нижний толщиной 20 см, верх­ний — 5 см [2].

Лишь позже стало ясно, что для обеспечения достаточной устойчивости бетона к действию антиобледенительных солей в него нужно вводить определенное количество воздуха, заполняющего мелкие пус­тоты, которые должны располагаться как можно ближе друг к другу. Соответ­ствующие требования устанавливаются европейскими и национальными регламентами. Стандарт EN 206 [3] содержит только рекомендацию относительно минимального общего содержания воздуха. Требования к размерам пустот устанавливаются национальными рег­ламентами (например, ÖNORM B4710– 1 [4] / RVS 08.17.02 [5] или TL Beton-StB [6]). В Австрии для обеспечения достаточной устойчивости бетона к действию антиобледенительных солей используются следующие показатели: содержание воздуха в микропорах размером до 300 мкм (L300) и фактор расстояния между порами (Abstandsfaktor, AF) [5]. Микроскопический анализ выполняется на шлифах; при этом подсчитывают число воздушных пустот на отрезке известной длины. На рис. 1 показан шлиф верхнего слоя бетона дорожного покрытия, подготовленный для определения показателей по­ристости.

Рис. 1. Состояние поверхности образца до испытаний (а), и после 28 (б) и 56 циклов замораживания и оттаивания (в)

Программа испытаний и изготовление образцов

Планирование экспериментов и изготовление образцов выполнены на основе базовой рецептуры типичного состава для покрытий проезжей части из бетона с обнаженным заполнителем [5]. Главная цель заключалась в том, чтобы исследовать, в какой мере изменения системы воздушных пор, В/В, погодных условий, а также дополнительной пост-обработки влияют на долговечность поверх­ности из такого бетона. Для этого были изготовлены образцы бетона с различными значениями В/В и содержания вовлеченного воздуха; дополнительно образцы подвергались пост-обработке с различным качеством. На часть образцов оказывали контролируемое атмосферное воздействие в воздушном канале.

Использованные в исследовании составы и результаты испытаний бетонных смесей приведены в табл. 1. Здесь буквенно-цифровое сочетание MV2 указывает на применение одной из выпускаемых промышленностью добавок-порообразователей, обозначаемой как порообразователь 2. Соотношение В/В составило: для смеси MV21—0,38; MV22—0,42; MV23—0,47. Значение В/В, равное 0,42, используется при изготовлении бетонных смесей для строительных работ; значение 0,47 моделирует недопустимо высокое превышение содержания воды. Буквы A, B и C в обозначении (например, MV21A) дают информацию о качестве системы воздушных пор (содержании воздуха: A — высокое, B — нормальное, C — слишком низкое). Содержание вяжущего составляло 450 кг/м³, а содержание воды W зависело от заданного соотношения В/В. В ходе испытаний бетонной смеси определены содержание воздуха L₆₀, степень уплотнения V₆₀, а также объемная плотность ρ₆₀ (через 60 мин после добавления воды).

Образцы, параметры которых приведены в табл. 1, подвергались пост-обработке различного уровня. На образцы из каждой серии в определенном количестве нанесли средство дополнительного ухода (обозначения I, II и III соответствуют количеству средства 100, 50 и 0 % необходимого). Этот эксперимент должен был показать, каким образом условия на стройплощадке (например, ветер, из-за которого количество средства дополнительного ухода, нанесенного на поверхность, оказалось недостаточным) влияют на качество и стойкость поверхности бетона с обнаженным заполнителем. На следующем этапе температуру выдерживания образцов повысили с 20 до 38 °C, а пробы поместили в воздушный канал, в котором скорость воздушного потока составляла 1 м/с. Эти исследования должны были показать, в частности, как изготовление бетонных покрытий при повышенной температуре и усиленном высыхании под воздействием ветра может повлиять на качество и долговечность поверхности.

Результаты испытаний и их анализ

Для определения характеристик бетона и их влияния на устойчивость были определены общее содержание воздуха L_общ, а также показатели пористости L300 и AF. Исследование показателей пористости было выполнено методом подсчета числа воздушных сфер, пересекаемых отрезком определенной длины. Математическую обработку данных проводили в соответствии с ONR 23303 [7] и ÖNORM EN 480–11 [8]. Чтобы оценить морозоустойчивость, также определили шелушение поверх­ности плит согласно ONR 23303 [7] или CEN TS 2390–9 [9] для условий экспозиции класса XF4.

На рис. 2 показано состояние поверхности образца до начала испытаний, а также после 28 и 56 циклов замораживания и оттаивания. После 56 циклов замораживания и оттаивания были обнаружены отдельные проявления выкрашивания зерен.

Рис. 2. Состояние поверхности образца до испытаний (а), а также после 28 (б) и 56 циклов замораживания и оттаивания (в)

Важное значение имеют зависимости степени разрушения поверхности от содержания воздуха и показателей L300 и AF (рис. 3). Дополнительно на рис. 3 указаны требования к содержанию воздуха (не менее 4,0 %) и AF (не более 0,18 мм) для верхнего слоя бетона дорожного покрытия согласно RVS 08.17.02 [5]. Значение L300 должно быть не менее 1,8 %.

Из рис. 3, а следует, что при общем содержании воздуха менее 4 % шелушение поверхности заметно усиливается. Аналогичная зависимость имеет место и для показателя пористости L300: независимо от значения В/В шелушение усиливается при снижении L300 менее 2,0 (рис. 3, б). При превышении установленных стандартом RVS 08.17.02 [5] предельных значений AF (0,18 мм — после приготовления бетонной смеси и 0,21 мм — на стройплощадке) шелушение значительно усиливается (рис. 3, в). Кроме того, при высоком значении В/В (0,47) шелушение наблюдается даже при AF ≤ 0,15 мм. Эти результаты доказывают, что в случае несоблюдения требований, установленных в стандарте [5], будет иметь место повреждение поверхности бетона.

Рис. 3. Зависимости разрушения (шелушения) поверхности образца от общего содержания воздуха в бетонной смеси (а), показателя пористости L300 (б) и фактора расстояния между порами AF (в)

В работе также исследовалась зависимость между качеством пост-обработки и морозостойкостью. На рис. 4 представлены данные о разрушении поверхностного слоя бетона в зависимости от качества такой обработки (обозначения I, II и III соответствуют количеству использованного средства для пост-обработки, равному соответственно 100, 50 и 0 % его необходимого количества). Видно, что шелушение поверх­ности усиливается при ухудшении качества и системы воздушных пор, и пост-обработки. Непосредственное влияние В/В (MV21: В/В = 0,38; MV22: В/В = 0,42; MV23: В/В = 0,47) на разрушение поверхности выявить не удалось, поскольку при низких значениях В/В снижалось общее содержание воздуха и ухудшалось качество системы воздушных пор.

Рис. 4. Количество материала, отшелушившегося с поверхности бетона, в зависимости от заданного содержания воздуха (A — «высокое», B — «нормальное» и C «слишком низкое») и уровня пост-обработки (I, II и III; пояснение в тексте)

Данные рис. 3 и 4 получены в лабораторных условиях. Для более реалистичного отображения условий, существующих на стройплощадке, были смоделированы три типа климатических условий. Для этого образцы, обработанные средством для пост-обработки (100, 50 и 0 % его необходимого количества), хранили в течение 7 сут в следующих условиях:

1) при температуре 20 ± 2 °C;

2) при 20 ± 2 °C и скорости воздуха 1 м/с;

3) при 38 ± 2 °C. 

Затем образцы подвергали испытаниям на морозостойкость по классу XF4, с применением 56 циклов замораживания и оттаивания; распределение пор по размерам определяли методом ртутной порометрии по DIN 66133 [10].

На рис. 5 приведены показатели разрушения поверхности в зависимости от качества пост-обработки и условий хранения. Видно, что при высоком качестве пост-обработки (I) разрушение поверхности практичес­ки не зависит от внешних условий и в целом остается незначительным. При снижении качества обработки, что соответствует обычным условиям на стройплощадке (например, вариант II — количество средства обработки 50 % необходимого), шелушение усиливается. Если средство пост-обработки вообще не наносится, то сильнее всего поверхность разрушается, если образцы предварительно выдерживались в воздушном канале. Таким образом, при сильном ветре качественная пост-обработка поверхности свежего бетона особенно важна.

Рис. 5. Количество материала, отшелушившегося с поверхности бетона (в обозначениях образцов: I, II и III  — уровни пост-обработки; W — движение воздуха со скоростью 1 м/с при хранении; 20 и 38 — температура хранения)

Еще одним фактором долговечности бетонных поверхностей является пористость. Обычно она коррелирует со значением В/В, увеличение которого означает рост количе­ства воды, которое не участвует в процессе гидратации и оставляет поры при последующем испарении. Кроме того, некачественная пост-обработка, в результате которой влага слишком быстро испаряется из наружных слоев бетона, приводит к значительному ухудшению его качества, увеличению пористости в приповерхностных зонах. В данной работе исследовано влияние В/В, а также качества пост-обработки на пористость приповерх­ностного слоя цементного камня (рис. 6).

Рис. 6. Влияние В/В (а) и качества пост-обработки бетона (б) на пористость приповерхностного слоя цементного камня (тонкие линии — значения пористости для отдельных образцов, толстые линии — ее средние значения)

На рис. 6, а показаны общая пористость и вклад в нее пор различного диаметра при различных значениях В/В. Средние значения общей пористости (с учетом пор размером до 10 мкм) составляют около 18 об. % при В/В = 0,47 и около 12 об. % при В/В = 0,38. На рис. 6, б показано влияние качества пост-обработки и условий хранения образцов на пористость приповерхностной зоны. Заметны очевидные различия в пористости в зависимости от качества пост-обработки. Кроме того, пребывание в воздушном канале при температуре 20 °C обусловливает значительно более высокую пористость по сравнению с аналогичными образцами, хранившимися в обычных условиях при температуре 20 или 38 °C. На этом основании негативное влияние ветра на свежую бетонную поверхность следует считать более существенным, чем влияние высоких температур.

Заключение

Исследована зависимость между морозо­устойчивостью и характеристиками воздушных пор бетона. При сопоставлении характеристик воздушных пустот в бетоне с разрушением поверхности становится очевидной справедливость установленных в RVS 08.17.02 [5] допустимых значений общего содержания воздуха, содержания воздуха в микро­порах размером до 300 мкм и фактора расстояния между порами. При других значениях наблюдается увеличение шелушения поверхности, а морозоустойчивость соответственно уменьшается.

Еще одним предметом исследований была зависимость между качеством пост-обработки и морозостойкостью. На основе экспериментальных данных удалось показать, что и шелушение, и пористость возрастают и при ухудшении системы воздушных пор, и при снижении качества пост-обработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Blab R., et. al. Betonstraßen — Das Handbuch, Zement + Beton Handels- und Werbeges.m.b.H. 2012.

2. Breyer G., Litzka J., Steigenberger J. Die Entwicklung der österreichischen Bautechnik. Wien: ÖVBB, 2007.

3. EN 206–1: Beton — Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, Dezember 2013.

4. ÖNORM B 4710–1: Beton, Teil 1: Festlegung, Herstellung, Verwendung und Konformitätsnachweis, Österreichisches Normungsinstitut 2007.

5. RVS 08.17.02: Technische Vertragsbedingungen — Betondecken — Deckenherstellung FSV. Wien, 2011.

6. TL Beton-StB: Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton, 2007.

7. ONR 23303: Prüfverfahren Beton (PVB) — Nationale Anwendung der Prüfnormen für Beton und seiner Ausgangsstoffe, Österreichisches Normungsinstitut, 01.09.2010.

8. ÖNORM EN 480–11: Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpressmörtel — Prüfverfahren — Teil 11 Bestimmung von Luftporenkennwerten am Festbeton, 01.12.2005.

9. CEN/TS 12390–9 Prüfung von Festbeton — Teil 9: Frost- und Tausalz-Wiederstand — Abwitterung: 2006.

10. DIN 66133, Ausgabe 1993: Bestimmung der Porenvolumenverteilung und der spezifischen Oberfläche von Feststoffen durch Quecksilberintrusion. Deutsches Institut für Normung e. V., 1993.