ЕФЕКТИВНІ БЕТОНИ ДЛЯ ПОПЕРЕДНЬО-НАПРУЖЕНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ З ТЕРМІЧНОЗМІЦНЕНОЮ АРМАТУРОЮ :

Краткое содержание

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета досліджень, визначені наукова новизна, практичне значення та основні задачі.

У першому розділі представлено огляд сучасного стану даної наукової проблеми та визначені теоретичні передумови досліджень.

У розділі розглянуто загальні властивості та характеристики бетону, арматури та залізобетону взагалі, зокрема попередньо-напруженого.

Під попередньо-напруженими розуміють залізобетонні конструкції, напруження в яких штучно створюється в процесі виготовлення шляхом натягу частини або всієї робочої арматури (обтиснення частини або всього бетону).

Відомо, що головним недоліком бетону є низька його міцність на розтяг. Армування конструкцій дозволило перебороти руйнування бетону, коли він працює на розтяг, однак тріщиностійкість залізобетону залишала бажати кращого. Усунути цей недолік можливо за рахунок попереднього напруження залізобетону на стадії виготовлення конструкцій, коли напрямок напружень в бетоні протилежний напрямку напружень від експлуатаційного навантаження.

На сьогодні у виробництві попередньо-напружених елементів найбільш поширені два способи створення попереднього напруження: натяг на упори та натяг на бетон.

Попереднє напруження, що збільшує жорсткість і опір конструкцій утворенню тріщин, підвищує їх витривалість до дії багаторазового повторюваного навантаження. Це пояснюється зменшенням перепаду напружень в арматурі і бетоні, що викликані зміною величини зовнішнього навантаження. Правильно спроектовані попередньо-напружені конструкції в цілому безпечні в експлуатації й більше надійні, особливо в сейсмічних зонах.

Внаслідок застосування попередньо напруженого залізобетону в деяких випадках вдається знизити загальну вагу споруд до 40%, що свідчить про істотне зниження матеріалоємності будівництва (у першу чергу витрати арматури й бетону) при одночасному збереженні високого рівня показників надійності конструкцій.

Відомим є той факт, що арматура в бетоні знаходиться у пасивному стані. Лужне середовище бетону захищає арматурну сталь від шкідливої дії на неї зовнішніх чинників. Фундаментальними дослідженнями  Москвіна В.М.,
Алєксєєва С.Н., Чернявського В.Л., Плугіна А.М., Плугіна А.А. вивчені процеси корозії  арматури в бетоні та запроваджені теоретичні основи захисту арматури від корозії в бетоні.

Важливу роль у цьому процесі відіграють компоненти бетону, особливо в’яжуча речовина та, в деякій мірі, заповнювачі. Дослідженням структури і властивостей бетонів та зокрема впливу компонентів бетонів на їх властивості присвячені праці Рунової  Р.Ф., Кривенка П.В., Пушкарьової К.К., Шейніча Л.О. та ін.

Технологія бетонів та принципи їх структуроутворення відображені у працях професорів Шишкіна О.О., Савицького М.В., Дворкіна Л.І.

На сьогоднішній день все більшого застосування в бетонах набувають хімічні добавки-модифікатори, без яких уявити сучасний бетон майже не можливо. За даними Ушерова-Маршака О.В., Батракова В.Г. використання добавок-модифікаторів дозволяє свідомо управляти процесами структуроутворення та створювати бетони із заданими функціональними властивостями. Згідно з дослідженнями Зайченко М.М., такі штучні композити можуть мати досить високу міцність (більше 100 МПа). Разом з цим можна без надмірних зусиль підвищувати морозостійкість (F400 і вище), водонепроникність (W12 і вище), біо- та хімічну стійкість бетону.

Однак, поряд з безліччю переваг, добавки можуть містити в своєму складі речовини, які негативно впливають на міцність та довговічність бетонного каменю. Причинами цього можуть бути, наприклад, надмірний вміст хлоридів, сульфатів тощо. Добавки можуть знижувати рівень рН бетону. Таким чином, деякі добавки можуть спричиняти корозію бетонного каменю та арматури.

Наприклад, результатами досліджень Бабаєвської Т.В., Саницького М.А., Ушерова-Маршака О.В., Чудновького С.М. підтверджено ефективність застосування у бетонах сполук типу роданідів та тіосульфатів лужних металів, що містяться у складі РОПу. В той же час відомі роботи Мадатяна С.А., Батракова В.Г., в яких вказується на можливість протікання корозії арматури в бетонах з добавками на основі роданідів та тіосульфатів натрію. Роботами співробітників ЛТД «Будіндустрія», Московського НДІБЗБ, ДП НДІБК показано, що бетони з добавками на основі роданідів натрію ефективні при застосуванні в залізобетонних конструкціях і при певних концентраціях не впливають на розвиток процесів корозії арматури в бетоні. Зазвичай такі добавки створюють на основі РОП із додаванням пластифікаторів та інших речовин. Згідно даних Шейніча Л.О., Киричок О.Л. при введенні до складу бетонної суміші тіосульфатів і роданідів натрію, у сукупності з електролітом та ефективним суперпластифікатором, навколо металевих стрижнів утворюються оболонки зі сполук у вигляді твердих розчинів типу високоосновних гідроалюмоферитів кальцію з частковим заміщенням в них сульфат аніонів на аніони нітратів або роданідів. Вони забезпечують зберігання пасивного стану сталі через утворення відповідних захисних плівок навколо стрижня арматури.

Наведені дані стосуються залізобетонних конструкцій без напруження арматури. Вплив подібних добавок на корозію напруженої арматури залишається не достатньо вивченим, більше того, відсутня ефективна методика проведення подібних випробувань.

Відомо, що загальна корозія напруженого металу може протікати швидше, ніж ненапруженого. Вважається, що вплив напружень, які нижчі за границю текучості, на корозію сталі є незначним, оскільки при цьому електрохімічний стан поверхні не змінюється (зміщення потенціалу становить 2-3 мВ). Помітний вплив напружень на рівні границі текучості та вище пов'язаний з руйнуванням природних захисних оксидних плівок та істотним розблагородженням поверхні сталі. Таким чином відбувається збільшення потенціалу робочого електроду (арматурного стрижня) і виникає електрохімічна корозія арматури яка, зокрема, є причиною корозійного розтріскування арматурної сталі, що перебуває під напруженням. Цей специфічний вид корозії виражається в тому, що при одночасній дії розтягуючих напружень та агресивного середовища в структурі сталі розвиваються тріщини, що починаються з поверхні та орієнтовані перпендикулярно до напрямку розтягу.

Електрохімічна корозія визначається електрохімічним методом та методом, що передбачає визначення втрат маси випробовуваної арматури. Існує також два принципово різних методи прискореного випробування сталі на корозійне розтріскування: перший, наведений в працях Москвіна В.М, коли на напружену сталь діє гарячий розчин нітратів (склад якого приймається за  ДСТУ 3760:2006), та другий, для визначення впливу хімічних добавок на корозійне розтріскування арматури, за методикою Московського НДІБЗБ, згідно якої формується бетонний зразок з хімічною добавкою, що досліджується, і витримується 28 діб в нормальних умовах. В середині зразка розташовується очищений від іржі та бруду арматурний стрижень. Через 28 діб бетонний зразок зі стрижнем розташовується на 40 діб в посудині з водою для створення штучного капілярного підсосу. Після цього стрижень очищається від бетону, напружується за допомогою спеціально виготовленого обладнання та піддається кип’ятінню в нітратному розчині, згідно ДСТУ 3760:2006, протягом 100 годин. Після чого арматуру звільняють від напруження та випробовують стрижень на розрив.

Однак ця методика не дозволяє оцінити сумісну дію добавок в бетоні та напруженого стану арматури на розвиток процесів її корозійного розтріскування. Зазвичай корозійне розтріскування арматури відбувається тоді, коли вона знаходиться в напруженому стані, і може прискорюватись дією хімічних добавок. За вищенаведеною методикою розділені в часі дія добавок на бетон без напруження арматури і корозійне розтріскування напруженої арматури. Крім того не обґрунтований, з точки зору інтенсивності протікання процесів корозії, час витримування стрижнів у бетоні (28 діб + 40 діб) і склад бетонної суміші. До того ж дана методика передбачає тривалий час випробувань – 28 діб тверднення, 40 діб насичення водою та 100 годин випробувань.

Тому є актуальним розроблення прискореної методики визначення впливу добавок в бетоні на корозійне розтріскування напруженої арматури, яка б не мала б вищезазначених недоліків.

У другому розділі наведено характеристики застосованих сировинних матеріалів та методів досліджень.

В якості сировинних матеріалів для отримання та дослідження ефективних бетонів для попередньо-напружених залізобетонних конструкцій використовувалися:

1.                Шлакопортландцемент марки ШПЦ ІІІ/А М400 згідно з ДСТУ Б В.2.7-46:2010.

2.                Доменний молотий шлак Маріупольського металургійного комбінату.

3.                Портландцемент марки ПЦ-І 500 згідно з ДСТУ Б В.2.7-46:2010 Кам’янець-Подільського заводу.

4.                Портландцемент марки ПЦ ІІ/А-Ш-400 згідно з ДСТУ Б В.2.7-46:2010 Кам’янець-Подільського заводу.

5.                Крупний заповнювач – щебінь Малинського кар’єру, фракцій
5-10 мм та 10-20 мм (згідно з ДСТУ Б В.2.7-74-98 та ДСТУ Б В.2.7-75-98). Для визначення характеристик щебеню, були відібрані його проби (фракцій 5-10, 10-20) і проведені лабораторні випробування за ДСТУ Б В.2.7-71-98. Випробування включали: визначення зернового складу, насипної густини, дробимості та марки за міцністю, вмісту лещадних зерен та пилуватих частинок. Сумарна питома активність радіонуклідів не перевищує 370 Бк·кг^-1.

6.                Дрібний заповнювач – Дніпровський річний кварцовий пісок з модулем крупності М_к = 1,4÷1,8 згідно з ДСТУ Б В.2.7-35-95. Істинна густина піску – 2,67 г/см³, насипна густина – 1,62 г/см³.

Вода технічна згідно з ДСТУ Б В.2.7-273:2011.

У якості хімічних добавок до бетону використовувались:

·                   РОП – добавка на основі роданідів та тіосульфатів натрію (відповідно до ТУ У В.2.7-24.6-312244931-001:2005);

·                   «КОМПЛЕКС К-6» та «КОМПЛЕКС К-5» (відповідно до ТУ У В.2.7-24.6-00294349-084:2003);

·                   Форміат натрію технічний (ФНТ) (відповідно до ТУ 2432-011-
00203803-98).

Замість води замішування, в основних досліджуваних зразках,  використовували розчин нітратів згідно ДСТУ 3760:2006, що складається з 600 частин за масою Ca(NO₃)₂·4H₂O, 50 частин NH₄NO₃ та 350 частин води.

В якості арматури, використовували термічнозміцнену арматуру марки А1000, діаметром 12 мм згідно ДСТУ 3760:2006 та дріт класу Вр-І, діаметром 4 мм згідно ДСТУ 3760:2006.

Випробування цементу на визначення густини, тонини помелу проводились згідно з ДСТУ Б В.2.7-188:2009.

Експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей бетонів та бетонних сумішей виконані за стандартними методиками.

Рухливість бетонної суміші визначали безпосередньо після перемішування всіх компонентів за допомогою стандартного конуса відповідно ДСТУ Б В.2.7-114-2002.

Вміст повітря в бетонній суміші визначали за допомогою повітроміра згідно ДСТУ Б В.2.7-114-2002.

Міцність при стиску визначали на зразках розмірами 10х10х10 см згідно з ДСТУ Б В.2.7-214:2009 на пресі типу ПГ-100.

Вплив добавок на корозію арматури в бетоні досліджували за допомогою вагового методу (за втратою маси сталі) та електрохімічного методу за допомогою потенціостату типу П-5827 згідно з СТ СЕВ 4421-83.

Перелічені методи використовували при проведенні всіх експериментів. Методики проведення окремих дослідів представлені у відповідних розділах дисертаційної роботи.

У третьому розділі описано методику та результати досліджень впливу температури та зміни рН середовища бетону на електрохімічну корозію.

Процес руйнування напруженої арматури може тривати довгий час і не повинен набувати загрозливих показників за період експлуатації конструкції. Згідно з ДСТУ Б В.2.6-145:2010 час експлуатації конструкції повинен складати не менше 50 років.

Стійкість арматури в попередньо-напружених конструкціях в значній мірі залежить від значення її напруження. Під дією напруження в металі виникають мікротріщини, які сприяють прискоренню руйнування металу за рахунок росту та перетворенню цих мікротріщин в тріщини. В результаті такого процесу, з часом, відбувається розрив арматурного стрижня.

Утворення мікротріщин може відбуватися не лише на стадії виготовлення арматурного прокату та під дією напруження його під час експлуатації, але й внаслідок протікання електрохімічної корозії.

Швидкість корозії арматури в бетоні залежить від рН середовища в бетоні, наявності добавок та температури. Оцінюють наявність корозії в цих умовах за допомогою так званого потенціодинамічного методу. За цим методом реєструють значення густини струму, що протікає між бетоном і арматурою при прикладенні зовнішньої напруги. Якщо значення густини струму при певній напрузі не перевищує нормованого значення, то вважають, що арматура в бетоні знаходиться у пасивному стані. Якщо порушується пасивний стан арматури в бетоні, то починає протікати електрохімічна корозія і утворюються продукти корозії. Кількість продуктів корозії (гідроксидів заліза) пропорційна значенню густини струму. Тому можна визначити відносний вплив хімічної добавки на корозію арматури в бетоні шляхом порівняння стану арматури в бетоні контрольного складу зі станом арматури в складі бетону з досліджуваною добавкою. В цьому випадку необхідно, щоб в бетоні контрольного складу були створені умови для протікання електрохімічної корозії. Якщо добавка не впливає на виникнення корозійних процесів арматури, то результати випробувань арматури в контрольному складі бетону і складі з добавкою будуть однакові. Контрольний склад бетону, в якому буде протікати корозія арматури, може бути отриманий за рахунок зниження рН середовища, що досягається зменшенням витрати цементу, введенням спеціальних добавок, що прискорюють корозію, і застосування змішаних цементів, а також за рахунок підвищення температури середовища. Тобто, необхідно визначити орієнтовне значення густини струму, яке за час експерименту протягом 100 год при підвищеній температурі пропарювання 96 °С сприяє утворенню такої ж саме кількості продуктів корозії, що і за період, коли корозія буде протікати протягом 50 років за звичайних умов експлуатації конструкції з густиною струму 10 µА/см². Густина струму 10 мкА/см² була прийнята як мінімальна величина, при якій в металі починають протікати процеси корозії.

Відомо, що електрохімічна корозія прискорюється з підвищенням температури, тому для створення експрес методики дослідження процесів корозії напруженої арматури в бетоні з добавками, необхідно, насамперед, дослідити особливості протікання електрохімічної корозії під дією температурного фактора. Таким чином, дослідження впливу температури на електрохімічну корозію арматури проводили  з урахуванням методики, наведеної в СТ СЕВ 4421-83, з тією відмінністю, що для регулювання температури електрохімічної комірки вона була встановлена на водяну баню. Однак в результаті експерименту виявилось, що інтенсивність корозійного процесу є недостатньою для співставлення її з корозією при густині струму 10 µА/см², що має місце за нормальних умов твердіння бетону. Тому необхідно було провести дослідження, пов’язані з інтенсифікацією корозії арматури за допомогою введення до води замішування розчину нітратних солей, що містить 60 % Ca(NO₃)₂·4H₂O, 5 % NH₄NO₃ та 35 % води, згідно ДСТУ 3760, а також шляхом зменшення витрати цементу в бетонній суміші або часткової його заміни шлаком, з метою зниження захисних властивостей бетону щодо сталевої арматури.