Для обеспечения основного требования, к конструкции - долговечности бетон должен обладать наравне с необходимыми прочностными и упруго-деформативными характеристиками также повышенной стойкостью по отношению к агрессивному воздействию тех или иных факторов.
Под стойкостью бетона понимается его способность в течение длительного срока сохранять в условиях воздействия внешней среды необходимые структурные и физико-механические свойства, обеспечивая нормальную службу конструкции или сооружения.
В процессе эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции и сооружения подвергаются воздействию физических и химических факторов окружающей среды (природной или созданной условиями производства), которые нередко являются агрессивными по отношению к бетону в конструкции. Развивающийся под воздействием агрессивных факторов деструктивный процесс в бетоне принято называть коррозией.
Различают физические, химические и биологические причины коррозии бетона. К физическим факторам, оказывающим разрушающее воздействие на бетон, относятся: многократное попеременное замерзание и оттаивание бетона в увлажненном или насыщенном водой состоянии; частые попеременные увлажнение и высыхание бетона в условиях положительных температур, которые сопровождаются остаточными деформациями усадки и набухания; капиллярный подсос с миграцией в бетоне влаги, содержащей растворимые соли, что вызывает отложение и выкристаллизовывание солей в порах бетона с развитием значительного внутреннего давления на стенки пор или образование солевых налетов на наружных лицевых поверхностях конструкций и сооружений, наконец, постоянное или периодическое действие на бетон высоких температур. Таким образом, бетон должен обладать соответствующей морозостойкостью, атмосферостойкостью, огне- и жаростойкостью и другими физическими характеристиками, обеспечивающими его стойкость в тех или иных условиях.
Фактором, вызывающим химическую коррозию бетона в конструкции, является агрессивное воздействие химически активной по отношению к бетону водной или газовой среды. Способность бетона противостоять таким воздействиям называют химической стойкостью или просто коррозиестойкостью бетона. Биологические причины коррозия по существу сводятся к химическим.
а.) Морозостойкость бетона
Морозостойкость - одно из основных свойств бетона, предопределяющее его долговечность. Под морозостойкостью понимается способность бетона, находящегося в увлажненном или в насыщенном водой состоянии, противостоять систематическому действию знакопеременных температур окружающей среды без изменения структурных и физико-механических характеристик.
Основной причиной разрушения бетона при многократном попеременном замораживании и оттаивании, сопровождающемся водонасыщением, является увеличение объема воды в порах бетона, достигающее 9-10%. В результате превращения воды в лед создается давление изнутри на стенки пор и в бетоне возникают значительные внутренние напряжения, приводящие при многократном повторении теплосмен к постепенному расшатыванию его структуры и затем к разрушению.
Разрушение от внутренних напряжений может произойти в тех случаях, если в момент замерзания поры в бетоне заполнены водой не менее чем на 85-90% их общего объема. Однако в обычных условиях эксплуатации и при хранении па воздухе такого водонасыщения не наблюдается. При замерзании же бетона, которое происходит начиная с наружных слоев и постепенно распространяется в глубь конструкции, в нем создается градиент температуры и влага из более теплых, внутренних слоев непрерывно мигрирует к более холодным, наружным. Создаются условия для более полного насыщения пор бетона в зонах замерзания и для разрушительного действия льда в этих зонах. Вода замерзает со скоростью, зависящей от температуры наружного воздуха и размеров пор, - вначале в крупных порах, а затем в более мелких. Во время оттаивания вода перемещается в бетоне в обратном направлении, мигрируя от нагревшихся наружных слоев к более холодным внутренним. При многократно повторяющихся циклах замерзания и оттаивания способность бетона к водонасыщению возрастает, содержание воды в порах постепенно увеличивается, нарушения структуры- усиливаются и бетон начинает заметно разрушаться. Требования к бетону по морозостойкости в зависимости от назначения сооружения, конструкции, от условий их эксплуатации нормируются в виде марок бетона по морозостойкости, оцениваемой согласно стандартной методике по числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое бетон должен выдержать без снижения прочности более чем на 25% и уменьшения веса более чем на 5%.
Большое влияние на морозостойкость бетона оказывает его плотность и характер пористости. Увеличение плотности бетона достигается рядом технологических средств, в частности уменьшением начального содержания воды в бетонной смеси и водоцементного отношения; для получения бетонов с высокой морозостойкостью оно должно быть в пределах 0,45-0,55.
Температура замерзания воды в порах бетона зависит от радиуса пор: чем тоньше поры, тем ниже температура замерзания воды в них. Так, в наиболее тонких капиллярах вода переходит в лед при -25° С, а в порах гелевидной составляющей цементного камня - при температуре от -50 до -60° С. Наиболее нежелательными с точки зрения, морозостойкости являются сообщающиеся между собой капиллярные поры, в том числе и тонкие капилляры, обусловливающие возможность капиллярного подсоса; и те и другие способствуют значительному водонасыщению бетона. В то же время более крупные заполненные воздухом и плохо сообщающиеся между собой поры-ячейки, характерные для ячеистого бетона, почти не оказывают отрицательного влияния на морозостойкость. Для обеспечения необходимой морозостойкости таких бетонов важно, чтобы стенки пор были достаточно плотными и морозостойкими.
На морозостойкости бетона существенно отражаются свойства и характеристики примененного вяжущего вещества и заполнителей. Цементы не должны содержать тонкомолотых добавок, повышающих их водопотребность (в особенности опоки, трепела); пуццолановые портландцементы снижают морозостойкость бетонов. Повышенная морозостойкость может быть достигнута при использовании алитового портландцемента с содержанием С3А не более 6-8%. Примененный в бетоне крупный заполнитель должен обладать морозостойкостью, не ниже требуемой для бетона в целом, а содержание пылевидных, глинистых и илистых примесей в крупном и мелком заполнителях не должно превышать 1-2% (по весу).
Повышение морозостойкости может обеспечить введение в состав бетона пластифицирующих, воздухововлекающих и гидрофобизующих поверхностно-активных добавок. Образующиеся в этом случае в бетоне мелкие равномерно распределенные замкнутые поры-сфероиды играют роль буферов, смягчающих отрицательное действие внутреннего давления, развивающегося в бетоне при образовании в порах льда, а частично сообщающиеся с капиллярами поры-сфероиды являются запасными емкостями, в которые выдавливается из капилляров вода при расширении ее во время перехода в лед. Введение добавки в таком количестве, при котором объем воздухововлеченных пор составляет от 3 до 4% общего объема бетона, позволяет существенно повысить морозостойкость бетона. Кроме того, немаловажным фактором повышения морозостойкости является снижение водопотребности бетонной смеси при введении в ее состав поверхностно-активных веществ.
б.) Огнестойкость и жаростойкость бетона
Под огнестойкостью понимают сопротивляемость бетона кратковременному действию огня при пожаре, а под жаростойкостью - способность бетона сохранять прочность и стойкость при длительном воздействии на него высоких температур в условиях эксплуатации огневых и высокотемпературных тепловых агрегатов.
Бетон относится к огнестойким материалам. Благодаря сравнительно малой его теплопроводности кратковременное воздействие высоких температур не успевает вызвать значительного нагревания бетона и находящейся под защитным слоем арматуры. Значительно oпacнее поливка разогретого бетона холодной водой (при тушении пожара), она неизбежно вызывает образование трещин, разрушение защитного слоя и обнажение арматуры, которая под действием на нее высоких температур начинает деформироваться.
Обычный бетон на портландцементе непригоден для службы в условиях длительного воздействия температур выше 250° С. Установлено, что при эксплуатационной температуре 250-300° С прочность бетона заметно снижается вследствие удаления из него сначала адсорбционной, а затем цеолитной и кристаллизационной воды и возникающей при этом значительной усадке цементного камня с нарушением его структуры. При повышенных температурах нарушается также монолитность структуры бетона вследствие различных температурных деформаций компонентов бетона. При дальнейшем повышении температуры до 500-600° С и выше развиваются процессы разложения гидратных новообразований, например Са(ОН)2, с выделением химически связанной воды и значительным при этом разрушением цементного камня. Начиная с температуры 550° С и выше разрушаются (растрескиваются) зерна кварца в песке, в гранитном щебне и других породах вследствие перехода кристаллического кварца в другую модификацию (тридимит), что связано со значительным увеличением объема.
в.) Стойкость бетона в агрессивных средах
Цементный камень, как компонент бетона, обычно менее стойкий, нежели каменные заполнители, при воздействии на бетон химически агрессивных агентов разрушается в первую очередь.
Основными причинами коррозии бетонов на портландцементе, находящихся в водной среде, являются:
1) растворение и вынос из бетона фильтрующей мягкой водой гидрата окиси кальция и других растворимых соединений, входящих в состав цементного камня (коррозия выщелачивания);
2) взаимодействие компонентов цементного камня, прежде всего гидрата окиси кальция, со свободными кислотами, которые могут содержаться в воде. В результате этого взаимодействия образуются относительно легко растворимые соли этих кислот, например CaSO4, СаС12, Са(НСО3)2 и др. (кислотная коррозия);
3) взаимодействие сульфатных или магнезиальных солей в минерализованных водах с гидратом окиси кальция или с гидроалюминатом кальция в цементном камне. В первом случае может возникнуть сульфатная или магнезиальная коррозия с образованием в результате обменных реакций легкорастворимых солей (сульфатов, хлоридов), а также бесструктурной массы гидрата окиси магния. Во втором случае может возникнуть сульфоалюминатная коррозия с образованием гидросульфоалюмината кальция и присоединением 31 молекулы воды (ЗСаО o А12О3 o 3CaSO4 o 31H2O). Образование гндросульфоалюмината кальция связано с увеличением объема массы в 2-3,5 раза, что обусловливает давление на стенки пор и разрушение цементного камня, а следовательно, и бетона
Существуют нормы агрессивности воды для бетонов на портландцементе где дается предельное содержание растворенных в воде веществ и условия, при которых это содержание становится вредным для бетона.
Агрессивное действие на бетон могут оказывать также некоторые органические вещества (органические и жирные кислоты). Коррозия бетона может возникнуть в газовой и паровоздушной средах, содержащих агрессивные по отношению к бетону газы или пары кислот и растворов солей. Химическую коррозию бетонов нельзя рассматривать вне связи с физическими или физико-химическими процессами, происходящими в бетоне под воздействием водной или газовой среды и при неблагоприятной начальной структуре бетона. Такие процессы, как насыщение водой и испарение влаги из бетона, замораживание и оттаивание, нагревание и остывание, фильтрация и диффузионное перемещение влаги в бетоне, при длительном и многократно повторяющемся воздействии приводят к расшатыванию и ослаблению структуры бетона, понижению его плотности и непроницаемости и благоприятствуют возникновению и развитию процессов химической коррозии. Одним из путей повышения химической стойкости бетона является повышение его плотности и однородности. Вместе с тем необходимо производить отбор цементов и заполнителей, наиболее стойких в условиях данного вида коррозии. Так, в случае выщелачивающей агрессии следует применять цементы с активными гидравлическими добавками, связывающими гидрат окиси кальция в гидросиликаты (пуццолановый портландцемент), в случае сульфатной агрессии - сульфатостойкий портландцемент и сульфатно-шлаковый цемент.
Стойкость бетона во времени
