Первые результаты испытаний ползучести бетона, поврежденного в результате щелоче-кремнеземной реакции

РЕФЕРАТ. В данной статье приведены результаты испытания механических свойств и ползучести бетонов, поврежденных в результате ЩКР. Для изготовления бетона использовались крупные заполнители с различной реакционной способностью. Установлено, что статический модуль упругости бетона зависит от длительности его выдержки в камере Вильсона. Все исследованные бетоны с медленно реагирующими заполнителями демонстрируют увеличение прочности при сжатии. Результаты исследования показывают зависимость между ползучестью бетона, его статическим модулем упругости, деформациями и прочностью при сжатии.

Ключевые слова: бетон, крупный заполнитель, ползучесть, статичес­кий модуль упругости, прочность при сжатии.

Keywords: concrete, coarse aggregate, creep, static modulus of elasticity, compressive strength.

1. Введение

Бетон, поврежденный в результате щелоче-кремнеземной реакции (ЩКР), как правило, продолжает эксплуатироваться и подвергаться нагрузкам. Для расчета остаточной допустимой нагрузки и деформации сооружений, поврежденных в результате реакции между щелочами и кремнеземом, требуется информация о показателях прочности, модуле упругости и ползучести. Основными предметами большинства исследований [1] являются механизмы повреждения бетона, его деформации, образование трещин и снижение проч­ности. Кроме того, в большинстве случаев исследовались образцы бетонов, не содержащих медленно реагирующие заполнители. Целью проекта, выполняемого в настоящий момент в университете Штутгарта, является исследование ползучести бетонов с медленно реагирующими крупными заполнителями.

В данной статье представлены первые данные, полученные при испытании механических свойств и ползучести бетонов, поврежденных в результате ЩКР.

2. Проведение испытаний

2.1. Исходные материалы

В рамках данного исследования для изготовления бетона использовались четыре различных заполнителя (дробленая граувакка из Нижнего Гарца, верхнерейнская дроб­леная галька, дробленый кварцевый порфир из порфирового месторождения в районе Галле и дробленый кварцевый порфир из Шварцвальда). Оценка реакционной способности крупных заполнителей к щелочам была выполнена при помощи ускоренного испытания бетона в ходе выдержки в камере Вильсона при температуре 40 °C в соответствии с работой [2]. В результате испытаний верхнерейнская дробленая галька (OR), дробленая граувакка (GW) и дробленый кварцевый порфир (QP) были отнесены к классу реакционноспособности к щелочам E III-S, а дробленый  кварцевый порфир из Шварцвальда  (QP(SW)) — к классу E I-S.

2.2. Состав бетона

При изготовлении бетона использовался цемент CEM I 32,5 R, соответствующий стандарту DIN EN 197— 1 [3]; путем добавления K₂SO₄ в воду, используемую для затворения бетонной смеси, содержание Na₂O_экв было увеличено до 1,30 % массы цемента. Расход цемента для всех бетонов составил 400 кг/м³. Бетоны были изготовлены при соотношении В/Ц, равном 0,45. В заполнителях для изготовления бетона содержание зерен размером 0—2 мм (инерт­ный кварцевый песок) составляло 30 об. %, зерен 2—8 мм — 40 об. %, 8—16 мм — 30 об. %. Состав четырех бетонных смесей приведен в табл. 1. 

2.3. Приготовление образцов для определения деформаций расширения, прочности, статического модуля упругости

Для измерения линейных деформаций изготовили по два цилиндра (∅ 15 × 30 см) из бетона каждого состава. Для наблюдения за образованием трещин были изготовлены кубы с ребром 30 см. Кроме того, изготовили по три куба с длиной ребра 15 см для определения прочности при сжатии и по три цилиндра размерами ∅ 15 × 30 см для определения статического модуля упругости бетона. 

После изготовления образцы бетона выдерживались в течение 28 сут при температуре около 20 °C и относительной влажности 95 %. По истечении 28 сут образцы выдерживались в камере Вильсона при (40 ± 2,0) °C в течение 560 сут. Для регистрации повреж­дений структуры бетона, возникших за этот срок, регулярно измерялись линейные деформации бетонных цилиндров. Кроме того, по истечении 28, 140, 280 и 560 сут образцы осматривались, определялись прочность при сжатии и статический модуль упругости.

2.4. Исследование ползучести

Для определения ползучести было изготовлено по четыре бетонных образца-цилиндра размерами ∅ 15 × 30 см с каждым из заполнителей. Ползучесть этих образцов испытывалась после 28 сут выдержки в соответствии с DIN EN 12390-2 (камера увлажнения) и последующих ­140, 280 и 560 сут выдержки в камере Вильсона.

Ползучесть определялась на двух образцах при нагрузке, соответствующей одной трети средней прочности цилиндров в возрасте 28 сут (выдерживание в климатической камере при 23 °C и относительной влажности 80 %). Этим устранялось влияние температуры на ползучесть. Параллельно с измерением ползучести измеряли усадку/расширение на двух других изготовленных таким же образом и в таких же условиях бетонных цилиндрах, чтобы учесть влияние этих деформаций на результаты измерения ползучести. Для всех бетонов продолжительность нагружения составляла 365 сут. Деформации ползучести измеряли регулярно, при помощи стрелочных индикаторов. В институте были разработаны и изготовлены испытательные стенды для регистрации ползучести при длительных испытаниях. Нагрузка создавалась при помощи гидравлического цилиндра, управляемого гидравлическим ручным насосом. После создания нагрузки усилие поддерживалось тарельчатыми пружинами. Кон­троль действую­щей нагрузки осуществлялось при помощи динамометрических датчиков. Фотография и чертеж стенда для испытаний ползучести приведены на рис. 1.

Рис. 1. Стенд для испытания ползучести

3. Результаты и их обсуждение

Результаты данного экспериментального исследования показывают, что ЩКР влияет не только на расширение, но и на статический модуль упругости, а также на ползучесть.

На рис. 2 показана динамика линейного расширения образцов-цилиндров, выдержи­вае­мых в камере Вильсона при 40 °C. Видно, что дробленую верхнерейнскую гальку (OR), дроб­леную граувакку (GW) и дробленый кварцевый порфир (QP) можно отнести к реакцион­носпособным заполнителям. В случае дробленого кварцевого порфира из Шварцвальда (QP(SW)) признаки ЩКР в ходе 560 сут выдерж­ки образцов в камере Вильсона отсутствуют.

Рис. 2. Удлинение бетонных цилиндров

Все исследованные бетоны демонстрируют увеличение прочности при сжатии (табл. 2). Влажная теплая среда в камере Вильсона способствует росту прочности, несмотря на ЩКР. Значения прочности при сжатии после 28-суточной выдержки в нормальных условиях использовались в качестве контрольных значений.

Для всех бетонов, за исключением бетонов с дробленой верхнерейнской галькой (OR), темпы роста прочности приблизительно одинаковы после 140 сут выдержки в камере Вильсона. Поскольку в течение этого срока заполнитель из дробленой верхне­рейнской гальки в составе бетонных образцов достигает максимальной реакционной способности, прирост прочности в данном случае оказывается меньшим по сравнению с другими составами. Значения прочности, приведенные к 28-суточной прочности, указаны в табл. 2 (см. показатели в скобках).

Бетоны с реакционноспособными заполнителями имеют более высокие значения статического модуля упругости по сравнению с образцами на малоактивном заполнителе (QP/SW), однако в ходе ЩКР модуль упругости снижается (табл. 3). Когда ЩКР прекращается из-за израсходования щелочей, наблюдается вторичный рост модуля упругости. В табл. 3 в скобках представлены значения статического модуля упругости, приведенные к 28-суточным показателям.

Как и в случае кривых расширения (см. рис. 2), бетоны с реакционноспособными заполнителями демонстрируют более значительные деформации ползучести, чем бетоны с заполнителями, нечувствительными к щелочам (рис. 3—6). В зависимости от интенсивности ЩКР скорость ползучести также может меняться. Образцы бетона, в наибольшей степени поврежденные ЩКР (OR и GW), обладают наибольшей ползучестью. Примечательно, что после прекращения ЩКР из-за израсходования щелочей и выщелачивания (выход на горизонтальный участок на кривых расширения, см. рис. 2) ползучесть становится менее интенсивной, а статический модуль упругости снова возрастает (табл. 2). Без дополнительного подвода щелочи в камеру Вильсона ЩКР не может продолжаться из-за нехватки щелочей в бетоне. 

Рис. 3. Ползучесть бетонов с дробленой верхнерейнской галькой (OR) (а) и дробленой грауваккой (GW) (б) после выдержки в камере Вильсона в течение различных периодов времени

Рис. 4. Ползучесть бетонов с дробленым кварцевым порфиром (QP) и дробленым кварцевым порфиром из Шварцвальда (QP(SW)) после выдержки в камере Вильсона в течение различных периодов времени

На рис. 3, а показаны деформации ползучести образцов бетона с дробленой верх­нерейнской галькой; образцы предварительно выдерживались в камере Вильсона в течение различного времени. Как и ожидалось, ползучесть образцов с этим заполнителем выражена сильнее, чем у образцов с другими заполнителями. Это находится в соответствии с тем, что бетоны с данным видом заполнителя практически достигают максимального расширения из-за ЩКР в камере Вильсона уже в возрасте 140 сут (см. рис. 2). Поэтому ползучесть образцов бетона с данным заполнителем, прошедших 140-суточную выдержку, выше, чем у других образцов бетона с тем же заполнителем. Из-за исчерпания щелочей вслед­ствие ЩКР и выщелачивания, примерно с этого момента ЩКР прекращается, расширение замедляется, а статический модуль упругости снова растет (см. табл. 3). 

Примерно такой же характер имеют деформации образцов бетона с другими реакционноспособными заполнителями — GW и QP (см. рис. 3, б и 4, а). В период активного протекания ЩКР ползучесть возрастает. Образцы бетона с заполнителем из граувакки достигают максимальной ползучести после 280-суточной выдержки в камере Вильсона (см. рис. 3, б).

Образцы бетона с дробленым кварцевым порфиром (QP) достигают максимального расширения в камере Вильсона к 476-суточному возрасту (см. рис. 2). Поэтому деформация ползучести бетонов с заполнителем QP, выдержанных в камере Вильсона в течение 560 сут, выражена сильнее, чем у других образцов с этим же заполнителем (см. рис. 4, а).

В отличие от бетонов с реакционноспособными заполнителями, деформации ползучести образцов с дробленым кварцевым порфиром из Шварцвальда (QP(SW)) с увеличением продолжительности выдержки в камере Вильсона уменьшаются (см. рис. 4, б). Одновременно с уменьшением ползучести возрастает статический модуль упругости (см. табл. 3). Данный заполнитель является нереакционноспособным; образцы бетона на этом заполнителе не расширяются даже после 560 сут выдержки в камере Вильсона.

4. Заключение

В ходе данного исследования установлено, что статический модуль упругости бетона зависит от длительности его выдержки в камере Вильсона. Все исследованные бетоны с медленно реагирующими заполнителями демонстрируют увеличение прочности при сжатии. Поэтому при рассмотрении механизмов повреждения, обусловленных ЩКР, результаты опре­деления прочности при сжатии могут быть неправильно интерпретированы [4].

Бетоны, изготовленные с использованием верхнерейнской гальки (OR) и дробленой грау­вакки (GW), во влажной теплой среде получили сильные повреждения вслед­ствие ЩКР. Повреж­денные образцы бетона с этими заполнителями имеют более высокую ползучесть, чем менее поврежденные или неповреж­денные бетоны.

Результаты исследования показывают зависимость между ползучестью, статичес­ким модулем упругости, деформациями и прочностью при сжатии. Ползучесть коррелирует со статическим модулем упругости. Чем он ниже, тем больше деформация ползучести. При значительных линейных деформациях ползучесть также возрастает.

Отметим, что после израсходования щелочей в бетоне в результате ЩКР рост деформации ползучести замедляется, и одно­временно вновь начинает увеличиваться статический модуль упругости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Proc. der Internationalen Konferenzen seit 1974 «Alkali-aggregate reaction in concrete» (ICAAR), die alle 3 bis 4 Jahre stattfinden, mit jeweils über 1000 Seiten.

2. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali Richtlinie), Beuth Verlag, Berlin, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Oktober 2013.

3. DIN EN 197 Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitäts-Kriterien von Normalzement, Berlin (Beuth), 2011.

4. Mielich O., Reinhardt H.W. Festigkeitseigenschaften als Beurteilungskriterium bei der Schadensanalyse eines AKR-geschädigten Labor- und Bauwerkbetons. // Bauinstandsetzen und Baudenkmalpflege. 2011. B. 17, N 3/4. S. 1—14.