Требование к прочности ремонтных строительных смесей для восстановления несущей способности бетонных конструкций

РЕФЕРАТ. В нормативной документации отсутствуют конкретные требования к ремонтным цементным составам, учитывающие фактические физико-механические характеристики бетона конструкций, несущую способность которых необходимо восстановить. Мониторинг результатов применения ремонтных материа­лов указывает на то, что при завышении показателей деформационно-механических свойств данных составов, как и при их занижении по сравнению с таковыми для бетона ремонтируемых конструкций, существенно ограничивается надежность результатов выполненных ремонтно-восстановительных работ. В настоящей статье представлены результаты исследований, направленных на количественную и качествен­ную оценку совместной работы материалов с различными механическими свойствами. Цель этих исследований — выработать научно обоснованные рекомендации по формированию требований к эффективному ремонтному составу для восстановления несущей способности конструкций. Предложен метод оценки совместимости материалов путем испытания исследуемых составов на статическую и ударную нагрузку. На основе данного метода определен допустимый диапазон отклонения характеристик ремонтного материала от материала конструкции.

Ключевые слова: ремонтные цементные смеси, совместная работа с бетоном, ударная нагрузка, наклонный сдвиг, адгезионный контакт.

Keywords: repair cement mixtures, joint work with concrete, impact load, inclined shear, adhesive contact.

Введение

В настоящее время проведено множество исследований, например, описанных в работах [1—3], целью которых стала оценка значения адгезионного соединения контакт­ной зоны (прочности сцепления ремонтной смеси и ремонтируемого основания, т. е. сцепления между «старым» и «новым» бетоном). Данный показатель наряду с прочностью на сжатие, содержанием хлорид-ионов и стойкостью к карбонизации (для железобетонных конструкций), а также значением ограниченной усадки/расширения считается основным и регламенти­руется такими нормативными документами, как СП 28.13330.2012, ГОСТ 32017—2012, ГОСТ Р 56378—2015. В этих документах установлены правила выполнения ремонт­ных работ и система показателей качества ремонтных материалов. В них предусмотрено разделение ремонтных смесей на классы (R1—R4) на основании, в первую очередь, их проч­ностных характеристик. Минимальная проч­ность состава для проведения ремонтных работ при восстановлении объемной структуры бетона, согласно ГОСТ Р 56378—2015, должна составлять 25 МПа.

Производители сухих ремонтных строи­тельных смесей декларируют для своей продукции, в основном, следующие технические характеристики: прочность при сжатии от 40 до 70 МПа, прочность на растяжение при изгибе от 8 до 25 МПа, модуль упругости от 20 до 30 ГПа, морозостойкость не менее 300 циклов, прочность сцепления с основанием — не менее 2 МПа и т. д. Отметим, что в новом промышленном и граж­данском строительстве в подавляющем большинстве случаев применяется бетон клас­сом не выше B 25, характеризующийся гораздо более низкими значениями показателей. При этом необходимо учитывать, что показатели характеристик бетона в течение срока эксплуа­тации бетонной конструкции постепенно снижаются, особенно к моменту достижения степени износа, требующей проведения капитального ремонта.

Как правило, при выборе материала для ремонта свойства бетона конструкции фактически не учитываются. В результате разница (зачастую чрезвычайно высокая) показателей физических и деформационно-механических свойств ремонтного материала и основания приводит к образованию точек концентрации напряжений, плоскости конденсации влаги и, соответственно, появлению новых зон деструкции при эксплуатации такого бетона в условиях попеременного замораживания—​оттаивания [4, 5]. Поэтому вопросы совмес­тимости ремонтного материала и исходного бетона требуют дополнительного изучения [6]. 

Обеспечение высокой прочности зоны адгезионного контакта является недостаточным условием для создания прочного композита. Более того, значение адгезион­ного соединения контактной зоны может постепенно снижаться, например, при возникновении плос­кости конденсации из-за разницы структурных показателей ремонт­ного материала и ремонтируемого основания [5].

Материалы и методы исследования

Проведенные исследования [7] показали, что испытание образцов на наклонный сдвиг — оптимальный метод, позволяющий одновременно включить образцы «старого» и «нового» бетона в работу.

Образцы изготавливались из мелкозернистого бетона при соотношении цемент : песок, равном 1 : 2. При изготовлении смеси применяли портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (производитель — «Петербургцемент»), сухой кварцевый песок фракции 0—2,5 мм (производитель — «Ремикс СПб») и воду затворения, удовлетворяющую требованиям ГОСТ 23732—2011.

Чтобы достичь различия прочности, плотности и жесткости частей составных образцов, водоцементное отношение (В/Ц) варьировалось в диапазоне 0,4—0,7. Чтобы исключить дополнительные факторы, которые могли бы повлиять на адгезию двух материа­лов, обе части образца формовали одно­временно при помощи металлической перегородки, извлекавшейся сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси на виб­роплощадке в течение 1 мин (рис. 1). Такой способ изготовления образцов позволяет создать наибольшую площадь сопри­косновения двух материалов [8].

Рис. 1. Формование составных образцов при помощи металлической перегородки

На рис. 2 показано действие нагрузки P на составной образец в ходе экспериментальных исследований.

Рис. 2. Наклонный сдвиг при одноосном сжатии: Р — нагрузка, оттенками серого цвета показаны составные части образца 

После 28 сут твердения в нормально-влажностных условиях (по ГОСТ 10180—2012) образцы, число которых указано в табл. 1, подвергали двум видам нагрузки: од­ноосному статическому сжатию и ударной. Устойчивость к ударным нагрузкам определялась с использованием копра ПМ (ГОСТ 8269.0—97). C высоты 60 см на образцы падал боек массой 5 кг. Насадка для равномерного распределения нагрузки от бойка по всей торцевой грани образца показана на рис. 3. Способ установки и фиксации образцов для проведения испытаний представлен на рис. 4. Стойкость к ударной нагрузке оценивали по числу ударов, выдержанных образцом до его полного разрушения.

Рис. 3. Насадка для равномерного распределения нагрузки по торцевой грани образца: 1 — металлическая пластина, 2 — пластиковый корпус

Рис. 4. Схема испытания образцов-балочек на устойчивость к ударным нагрузкам: 1 — ​фиксаторы; 2 — ​насадка для распределения нагрузки по площади сечения образца

Параметры испытаний на прочность на сжатие при одноосном нагружении приняты в соответствии с ГОСТ 5802-86 (п. 6.5).

Результаты и обсуждение

Прочностные характеристики исследуемых материалов определяли на образцах-балочках размерами 40 × 40 × 160 мм. На рис. 5 представлены данные о пределе проч­ности при сжатии (R_сж) частей составных образцов в зависимости от принятых для исследований значений В/Ц.  

Рис. 5. Прочность контрольных образцов с различными В/Ц

Разрушение составных образцов в ходе испытаний происходило по одному из трех типов: 1) адгезионному — на границе раздела двух материалов, 2) когезионному — по массиву материала, 3) смешанному — час­тично по границе раздела и частично по материалу (рис. 6, табл. 2).

Рис. 6. Примеры разрушения образцов при одноосном сжатии и ударной нагрузке: а — адгезионное; б — когезионное; в — смешанное

Для сравнения полученных результатов образцы разделили на две серии: с высокопрочным основанием (R_сж = 60 МПа) и с основанием средней прочности (R_сж = 40 МПа).

Результаты испытаний составных образцов с высокопрочным основанием представлены на рис. 7. Наибольшая прочность при статическом нагружении характерна для образцов с соотношением прочностей 60/40, наименьшая — ​для образцов с их соотношением 60/30. При этом именно образцы с наибольшей разницей в механических свойствах оказались самыми устойчивыми к ударной нагрузке. Это может быть вызвано тем, что бетонная смесь, из которых изготавливали образцы данной серии, имела бóльшую по­движность (состав с повышенным В/Ц), что повлияло и на тип разрушения: благодаря лучшей удобоукладываемости на границе раздела двух частей сформировался более проч­ный адгезионный контакт. Образцы разрушались как по адгезионному, так и по смешанному типам: частично по границе раздела и час­тично — ​по более слабой части.

Рис. 7. Прочность составных образцов с высокопрочным основаниемпри статической (а) и ударной нагрузке (б)

Результаты испытаний составных образцов с основанием средней прочности представлены на рис. 8. В данной серии обе части образцов имели хорошую удобоукладываемость, что также позволило сформировать высокую адгезионную прочность. Самую высокую прочность при статическом и ударном нагружении имели образцы с одинаковыми показателями механических свойств их составных частей (40/40). При этом все образцы с основанием средней прочности разрушались преимущественно по смешанному и когезионному типам, что свидетельствует о высокой адгезии между отдельными половинами образцов. При разнице прочности между частями составного образца, равной 25 % и более, общая прочность значительно снижалась как при статической, так и при ударной нагрузке.

Рис. 8. Прочность составных образцов с основанием средней прочности при статической (а) и ударной нагрузке (б)

Заключение

Испытания составных образцов на динамическую прочность при ударных нагрузках позволяют получить комплексную оценку совместной работы разнородных материа­лов: учитывается степень влияния различий в показателях физико-механических характеристик и адгезионной прочности. В усло­виях низкого значения адгезионной прочности образцы с близкими значениями характеристик составных частей уступают по прочности наиболее разнородным образцам, но с более высокой адгезией. При равенстве значений адгезии более высокую прочность имели образцы, состоящие из близких по свойствам час­тей.

При разнице по прочности более 25 % снижалась прочность при статической нагрузке до 40 % и до 25 % — при ударной нагрузке. Таким образом, предельное значение разницы между прочностью мелкозернистого ремонтного состава для конструктивного ремонта железобетонных и бетонных элементов на основе портландцемента и строительного песка и проч­ностью основания не должно превышать 25 %.

Чтобы более объективно оценить степень влияния различий в показателях физико-механических характеристик образцов на их устойчивость к статической и динамической нагрузке, дальнейшие исследования будут проведены при высокой адгезии между составными частями для всех серий образцов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ibrahim T.E., Abdulrazzaq O.A., Saleh S.M. Slant shear bonding between old and new concrete // Karkush M., Choudhury D., Fattah M. (Eds.). Current Trends in Civil Engin. and Engin. Sci. 2024. Vol. 2. Singapore, 2024. Р. 382—396.

2. Chilwesa M., Minelli F., Reggia A., Plizzari G.A. Evaluating the shear bond strength between old and new concrete through a new test method // Mag. of Concrete Res. 2017. Vol. 69, N 9. P. 425—435.

3. Daneshvar D., Behnood A., Robisson A. Interfacial bond in concrete-to-concrete composites: A review // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 359. P. 129195.

4. Степанов В.О., Шуняев И. О необходимых и достаточных характеристиках материалов для ремонта и защиты бетона // Сухие строительные смеси. 2016. № 6. С. 14—17.

5. Андреев Д.М. К вопросу об оценке эффективности сухих смесей для ремонта динамически нагруженных конструкций // Сб. статей магистрантов и аспирантов Санкт-Петербургск. государств. архитектурно-строит. ун-тета. Серия «Строительство». 2022. Т. 1, № 5. С. 246—253.

6. Викторов В.Г., Данилов Е.А., Решетняк Т.П. Теоретическое исследование условий совместной работы материалов старого и нового бетона // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна. 2004. № 3. С. 111—114.

7. Momayez A., Ehsani M.R., Ramezanianpour A.A., Rajaie H. Comparison of methods for evaluating bond strength between concrete substrate and repair materials // Cement and Concrete Res. 2005. Vol. 35, N. 4. P. 748—757.

8. Сидорова А.С. Исследование методов оценки совместной работы основания и ремонтного материала на основе цемента // Инженерное дело на Дальнем Востоке России: матер. конф. Владивосток, 21—27 января 2024 года. С. 132—139.