Прогнозирование долговечности бетона на основании степени его гидратации

РЕФЕРАТ. Выполнен поиск комплексных критериев, позволяющих прогнозировать долговечность бетона. Продемонстрировано, что прочность на сжатие бетона/раствора для цементов, исследованных в рамках данного проекта, в некоторых случаях (потери массы при испытаниях на морозостойкость, карбонизация призм из мелкозернистого бетона) является достаточной характеристикой для оценки соответствия приемочным критериям. Вместе с тем прочность на сжатие не является надежным индикатором других характеристик, в частности, устойчивости к проникновению хлоридов, повреждений внутренней структуры при испытаниях по методу капиллярного всасывания, внутреннего разрушения и замораживания—оттаивания (Capillary Suction, Internal Damage and Freeze—Thaw test, CIF), а также шелушения поверхности при испытаниях по методу капиллярного всасывания раствора антиобледенителя и замораживания—оттаивания (Capillary Suction of Deicing Solution and Freeze—Thaw Test, CDF). Критерии для оценки соответствия этих факторов долговечности бетона требуемым показателям удалось найти, используя значения степени гидратации цементного камня, а также пористости стандартных растворов. Для определения показателей не нужны испытания затвердевшего бетона. Прочность на сжатие бетонов оценивается на основе свойств цементного камня и раствора.

В рамках исследований использовалось ограниченное число видов цемента и его основных компонентов. Требуется подтверждение полученных результатов в ходе дальнейших исследований.

Ключевые слова: долговечность бетона, прочность на сжатие, морозостойкость, диффузия хлоридов, карбонизация.

Keywords: concrete durability, compressive strength, frost resistance, chloride diffusion, carbonization.

1. Исходная ситуация

Наряду с прочностью одним из основных достоинств бетона при надлежащем его составе, изготовлении и уходе за ним является долговечность этого материала. Перед использованием таких видов цемента, прак­тический опыт применения которых отсутствует, необходимо установить, можно ли получить на их основе долговечный бетон. В настоящее время в Германии для этого требуется общий допуск, выдаваемый Немецким институтом строительной техники (Deutschen Institut für Bautechnik, DIBt) и позволяющий использовать цемент определенного состава.

Проводимые испытания определены соответствующими регламентами и позволяют оценить пригодность соответствующих видов цемента на основании определенных критериев.

Компания VDZ gGmbH (VDZ) и Клаустальский технический университет (Technische Universität Clausthal, TUC) в рамках совмест­ного исследования выполнили поиск ком­п­лекс­ных критериев, включающих в себя значение степени гидратации и позволяющих прогнозировать долговечность бетона. Перед проведением собственно самого испытания на долговечность, в рамках процедуры допус­ка можно предварительно определить, способен ли цемент выдержать такое испытание. Так как составленный DIBt регламент испытаний для получения допуска задает точный состав бетона, полученные в ходе исследования показатели характеризуют не столько свойства бетонов произвольного состава, сколько свойства цементов произвольного состава, которые входят в состав бетона с заданной рецептурой. Они приведены в таблице.


2. Исходные материалы и методы

Были выбраны 2 портландцемента и 5 дополнительных основных компонентов цемента (2 вида гранулированного доменного шлака, 2 вида каменноугольной золы-уноса и 1 вид известняка) различной дисперсности. Из этих компонентов изготовили 28 лабораторных цементов. Часть их соответствовала требованиям, установленным стандартом DIN EN 197— 1, другая часть — нет. Для расширения базы данных в проект также были включены цементы, проходящие процедуру допуска (с разрешения заявителя). Из цементов изготовили бетоны согласно требованиям процедуры допуска DIBt, а затем определили их прочность на сжатие и долговечность.

Испытания на морозостойкость проводили на образцах-кубах по методу капиллярного всасывания, внутреннего разрушения и замораживания—оттаивания (Capillary Suction, Internal Damage and Freeze—Thaw test, CIF), на морозосолестойкость — по методу капиллярного всасывания раствора анти­обледенителя и замораживания—оттаивания (Capillary Suction of Deicing Solution and Freeze—Thaw Test, CDF). Устойчивость к про­никновению хлоридов (коэффициент диффузии) определена с помощью экспресс-метода по инструкции Федерального управления гидротехничес­ких сооружений (BAW) [1]. Степень карбонизации определяли для мелкозернистых бетонов с водоцементным соотношением В/Ц = 0,50 и гранулометричес­кой кривой A8/B8 после предварительной выдерж­ки в течение 7 и 28 сут.

3. Анализ результатов и показатели

3.1. Общие сведения

Решающее значение для долговечности бетона имеют, во-первых, степень гидратации и, во-вторых, образующаяся система пор. При замораживании и оттаивании на шелушение и внутреннее повреждение структуры также влияет система воздушных пор. Поэтому, чтобы определить показатели для прогнозирования долговечности, были проанализированы соответствующие параметры.

Степень гидратации определялась для цементного камня в различные моменты времени. Для этого изготовили образцы цементного теста, гидратацию которых прекратили через 2, 7 и 28 сут путем растирания в ацетоне, промывания диэтиловым эфиром и последующей вакуумной сушки. Затем определили потери массы образцов цементного камня при их нагреве до 1250 °C. Степень гидратации образцов HG вычисляли исходя из потерь массы ∆m по формуле HG = Δm/0,23, согласно [2].

Распределение пор по размерам (значениям радиуса) определяли по DIN 66133 для стандартного раствора в возрасте 28 сут. Оно характеризовалось дискретными значениями (рис. 1, а), углами наклона двух прямых, аппроксимирующих участки кривой распределения, S1 и S2, а также координатой точки пересечения этих прямых (предельным радиу­сом rG) (рис. 1, б).


Рис. 1. Пример оценки распределения пор по размерам (а) и линейная аппроксимация двух участков полученной зависимости (б)

Содержание воздуха (L) было определено для свежеприготовленной бетонной смеси и затвердевшего бетона.

Эти параметры и сочетания параметров (в виде критериев) сопоставили с показателями, характеризующими долговечность, которые определялись в соответствующий момент времени. Результаты приведены на рис. 2—6. В каждом случае указан наилучший коэффициент корреляции R2.

3.2. Устойчивость к проникновению хлоридов

На рис. 2, а показана зависимость между коэффициентом диффузии хлорид-ионов (35 сут) DCl и прочностью бетона на сжатие, а на рис. 2, б — между DCl и показателем KCl = HG7d/P57—0.02 (HG7d — степень гидратации образцов в возрасте 7 сут, P57—0.02 — объемная доля пор радиусом 0,02—57 мкм).


Рис. 2. Взаимосвязь коэффициента диффузии хлорид-ионов с прочностью бетона на сжатие (а) и с показателем KCl (б)

В Германии для получения допуска DIBt установлено предельное значение DCl = 25 · 10–12 м2/с. Согласно инструкции BAW «Устойчивость к проникновению хлоридов» [1], для гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в условиях, соответствую­щих классам экспозиции XD1, XD2, XS1 и XS2, действует значение DCl = 10 · 10–12 м2/с.

Данные рис. 2, а показывают, что между прочностью бетона на сжатие и коэффициентом диффузии хлорид-ионов имеется корреляция, однако она не позволяет сделать какие-либо надежные выводы относительно указанных предельных значений.

Коэффициент корреляции между KCl и DCl значительно выше (R2 = 0,71) (рис. 2, б). Цемент может быть разрешен к применению в строительстве, если KCl > 7, поскольку в этом случае он устойчив к проницаемости хлорид-ионов. Для гидротехнических сооружений требуется показатель KCl > 12.

3.3. Морозостойкость (кубиковый метод)

На рис. 3, а показана взаимосвязь морозостойкости, определенной на образцах-кубах, с прочностью бетона на сжатие, а на рис. 3, б — с критерием KWF = –HG2d · L · S2/rG (HG2d — степень гидратации образцов в возрасте 2 сут).


Рис. 3. Взаимосвязь морозостойкости бетона (кубиковый метод) с его прочностью на сжатие (а) и критерием KWF (б)

Предельным значением для допуска бетона к применению при В/Ц = 0,60 в Германии является потеря массы 10 % после 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. По данным рис. 3, а, существует корреляция между прочностью бетона на сжатие и потерей массы. Можно полагать, что образцы-кубы успешно выдержат этот тест, если их проч­ность будет не менее 40 МПа. В диапазоне 30—40 МПа корреляция нечеткая.

Коэффициент корреляции между критерием KWF и потерей массы составляет R2 = 0,9. Цемент может быть разрешен к применению в строительстве, если KWF > 500, поскольку в этом случае он морозоустойчив в соответ­ствии с данным тестом.

3.4. Морозостойкость (метод CIF*)

На рис. 4, а показана взаимосвязь морозостойкости, определенной по методу CIF и характеризуемой относительным динамичес­ким модулем упругости, с проч­ностью бетона на сжатие, а на рис. 4, б — с показателем KCIF, E = HG28d/P57—0.02 (HG28d — степень гид­ратации образцов в воз­расте 28 сут).


Рис. 4. Взаимосвязь морозостойкости бетона в возрасте 28 сут (по методу CIF, относительный динамический модуль упругости) с его прочностью на сжатие (а) и критерием KCIF, E (б)

Согласно [3], если бетон имеет ненадлежащий состав, то при испытании морозостойкости методом CIF следует ожидать внутреннего повреждения микроструктуры. Поэтому в Германии в некоторых случаях в качестве приемочного критерия используется относительный динамичес­кий модуль упругости — он должен составлять не менее 75 % первоначального значения после 28 цик­лов попеременного замораживания и оттаивания [4, 5]. Дополнительным приемочным критерием яв­ля­ется шелушение поверх­ности — оно не должно превышать 1,0 кг/м2.

На рис. 4, а хорошо видно, что знание проч­ности бетона на сжатие недостаточно для того, чтобы с надежностью предсказать значение относительного динамического модуля упругости. В частности, у бетонов с проч­ностью на сжатие в области 50—60 МПа значения относительного динамического модуля упругости пос­ле 28 циклов попеременного замораживания и оттаивания могут существенно различаться. Их значения находятся в пределах 97—59 %, т. е. колеблются вокруг приемочного критерия.

Зависимость на рис. 4, б линейна. Начиная со значения KCIF, E около 14, использованные в данном исследовании цементы/бетоны гарантированно соответствуют установленным требованиям.

3.5. Морозосолестойкость (метод CDF**)

На рис. 5, а и б, показана соответственно взаимосвязь шелушения после 28 циклов попеременного замораживания и оттаивания при испытании по методу CDF с проч­ностью бетона на сжатие и с показателем KCDF = HG2d · L · P57—0,01/Pges (P57—0,01 — объемная доля пор радиусом 0,02—57 мкм, Pges — объемная доля пор радиусом более 0,004 мкм).


Рис. 5. Взаимосвязь морозостойкости (по методу CDF, шелушение поверхности) с прочностью бетона на сжатие (а) и критерием KCDF (б)

При испытании циклами замораживания и оттаивания с использованием антиобледенительной соли по методу CDF следует ожидать главным образом повреждений поверх­ности (ее шелушения). Поэтому в Германии в качестве критерия используется значение шелушения поверхности — оно не должно превышать 1,5 кг/м2 после 28 циклов попеременного замораживания и оттаивания [4, 5]. Дополнительным приемочным критерием является относительный динамический модуль упругости — не менее 75 % после 28 циклов попеременного замораживания и оттаивания [4]. Этому критерию соответствуют все исследованные бетоны.

Корреляция между прочностью бетона на сжатие и шелушением отсутствует (рис. 5, а). На рис. 5, б видно, что зависимость между шелушением и критерием KCDF линейна. Цементы с показателем KCDF менее 120, как правило, не выдерживают это испытание.

3.6. Карбонизация мелкозернистых бетонов

Испытания на карбонизацию проводили согласно стандарту DIN EN 12620 на призмах размерами 40 × 40 × 160 мм из мелкозернистого бетона, содержащего рейнский гравий и рейнский песок с гранулометрическим составом A8/B8.

Призмы изготовили согласно требованиям DIN 196—1, всего — 10 серий по 3 призмы в каждой. Половину из них предварительно выдержали в воде при температуре (20 ± 1) °C в течение 7 сут, другую половину — в течение 28 сут. Затем образцы хранили при температуре (20 ± 2) °C и относительной влажности (65 ± 5) %.

Прочность мелкозернистых бетонов на сжатие определяли согласно DIN EN 196—1 после предварительной выдержки (7/28 сут). Для контроля глубины карбонизации от каждого из трех образцов откололи кусочки толщиной около 30 мм, которые затем обработали раствором фенолфталеина; таким образом была определена глубина карбонизации каждой из сторон отколотых кусочков и вычислено ее среднее значение. В каче­стве испытательных сроков были выбраны 14, 56, 98, 140 сут, а также 1 год. Данные рис. 6 показывают, что полученные значения соответствуют требованиям DIBt [5]. Было принято решение не проводить исследование зависимости глубины карбонизации от комплексных критериев.


Рис. 6. Глубина карбонизации бетона через 140 сут при его предварительной выдержке 7 (а) и 28 сут (б) (красные точки и линии); оценка по критериям DIBt (синие точки и черные линии — соответствующие базовые данные и ограничения) [5].

4. Заключение

Продемонстрировано, что прочность на сжатие бетона/раствора для исследованных в рамках данного проекта цементов в некоторых случаях (потери массы при испытаниях на морозостойкость, карбонизация призм из мелкозернистого бетона) является достаточной характеристикой для оценки соответ­ствия приемочным критериям.

Что касается других испытаний, в частности, устойчивости к проникновению хлоридов, повреждений внутренней структуры при проведении испытаний по методу CIF, а также шелушения поверхности при проведении испытаний по методу CDF, в этих случаях прочность на сжатие не является надеж­ным индикатором. Критерии для оценки соответ­ствия этих факторов долговечности бетона требуемым показателям удалось найти, используя значения степени гидратации цемент­ного камня, а также пористости стандартных растворов. Для определения показателей не нужны испытания затвердевшего бетона. Проч­ность на сжатие бетонов оценивается на основе свойств цементного камня и раствора.

В рамках исследований использовалось ограниченное число видов цемента и его компонентов. Полученные результаты должны быть подтверждены в ходе дальнейших исследований.



* Метод CIF позволяет оценить степень деструктивных процессов, затрагивающих внутреннюю структуру бетона в результате циклического замораживания-оттаивания (прим. редактора).

** Метод CDF позволяет оценить степень деструктивных процессов, затрагивающих поверхность бетона в результате циклического замораживания-оттаивания и воздействия противогололедных препаратов (прим. редактора).



ЛИТЕРАТУРА

1. Bundesanstalt für Wasserbau, Chlorideindringwiderstand von Beton, BAW-Merkblatt "Chlorideindringwiderstand", 2004. 

2. Locher F.W. Zement: Grundlagen der Herstellung und Verwendung, Düsseldorf: Verlag Bau und Technik, 2000. 

3. Setzer M.J. Frostschaden: Grundlagen und Prüfung // Beton und Stahlbetonbau. 2002. B. 97, H. 7. S. 350—359. 

4. Bundesanstalt für Wasserbau, Frostprüfung von Beton, BAW-Merkblatt "Frostprüfung", 2004. 

5. CEN/TR 16563. Principles of the equivalent durability procedure. 2013.




Автор: С. Пальм, К. Мюллер, А. Вольтер

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.