Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса по водонепроницаемости и прочности гидротехнических бетонов и методам их обеспечения 10
1.1 Водонепроницаемость как фактор, определяющий долговечность гидротехнических бетонов 10
1.2 Способы и технологические приемы повышения прочности гидротехнических бетонов 27
1.3 Влияние водонепроницаемости бетонов на морозостойкость 41
Выводы 57
ГЛАВА 2. Теоретические исследования по созданию бетонных элементов с неоднородными стыкуемыми поверхностями 59
2.1 Влияние физико-химических свойств вяжущих систем на водонепроницаемость бетона 59
2.2 Движение жидкости в поровом пространстве многослойного бетона при низких давлениях 72
Выводы 93
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования стыков на водонепроницаемость 95
3.1 Состав и конструкция сборных плиток для создания опалубки с криволинейной поверхностью 95
3.2 Материалы для изготовления экспериментальных образцов 101
3.3 Разработка экспериментальной установки для определения водонепроницаемости 106
3.4 Изготовление экспериментальных образцов 110
3.4.1 Изготовление экспериментальных образцов для испытания на прочность при сжатии 112
3.4.2 Изготовление образцов для исследования динамики движения воды в стыках 117
3.5 Исследование экспериментальных образцов с разной конфигурацией стыков на прочность при сжатии 124
3.6 Исследование динамики движения жидкости (воды) по стыкам экспериментальных образцов 130
3.7 Обработка результатов испытаний 173
3.8 Теоретическое определение величины расхода жидкости, проходящей через стыки различной конфигурации 176
Выводы 180
ГЛАВА 4. Технико-экономическое обоснование изготовления стыков неоднородной конфигурации при возведении бетонных и железобетонных конструкци й..181
4.1 Расчет экономической эффективности изготовления стыков неоднородной конфигурации при возведении бетонных и железобетонных конструкций 181
Выводы 192
Заключение 193
Список литературы
- Влияние водонепроницаемости бетонов на морозостойкость
- Движение жидкости в поровом пространстве многослойного бетона при низких давлениях
- Изготовление экспериментальных образцов
- Исследование динамики движения жидкости (воды) по стыкам экспериментальных образцов
Влияние водонепроницаемости бетонов на морозостойкость
Обеспечение водонепроницаемости бетонных сооружений является одной из важных проблем в строительстве и, в свою очередь, влияет на их долговечность. Проблема обеспечения водонепроницаемости бетонных сооружений является также достаточно экономически высоко актуальной. Стыки, трещины и швы в бетоне напорной грани служат путями фильтрации воды, что вызывает, в том числе, и влажностные деформации бетона. Кроме того, эти неоднородности поверхности конструкции, вследствие фильтрации, ведут к потерям расхода воды, подаваемой в каналы водоснабжения, оросительной сети и т.д. В связи с этим возникает необходимость увеличения объема воды, подаваемого для технологических нужд. Фильтрация воды через стыки и трещины вызывает коррозию бетона и арматуры и с течением времени может привести к потере несущей способности стыка. В зависимости от степени водонасыщения швов, в теле сооружения меняется напряженно-деформированное состояние, связанное с накоплением в бетоне различного рода деформаций.
Из большого числа разнообразных процессов коррозии от воздействия воды выделяют три основных ее вида [88]:
1. Коррозия первого вида развивается от постоянного воздействия гидростатического напора, в процессе чего происходит растворение и выщелачивание извести, а также разложение структуросвязующих компонентов бетона - гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция. По мере растворения и выноса извести из бетона начинается гидролитическое разложение этих компонентов. Такое разложение влечет за собой образование малосвязных продуктов (кремниевых кислот, гидроокисей алюминия, гидроокисей железа) и, соответственно, снижение прочности бетона. Наиболее интенсивное выщелачивание наблюдается в напорных частях гидротехнических сооружений.
1. Коррозия второго вида происходит от воздействия воды, содержащей катионы металла, которые усиливают вынос из цементного камня растворимых соединений (хлористый натрий, углекислоты).
2. Коррозия третьего вида возникает от воздействия воды, содержащей кислотные анионы (сульфаты). Коррозия этого типа характеризуется образованием и кристаллизацией в бетоне новых соединений в результате взаимодействия продуктов гидратации цемента с веществами, растворимыми в воде.
Водные растворы различных веществ, органические вещества в жидком и твердом состоянии, а также различные газы могут вызвать химическую коррозию бетона. Физическая коррозия бетона и железобетона вызывается сменой отрицательных и положительных температур, попеременным увлажнением и высыханием, сопровождающимися деформациями усадки и набухания, отложением солей в порах цементного камня при систематическом проникании солевого раствора.
Ввиду многообразия свойств агрессивных сред и процессов коррозии выбор эффективного метода борьбы с коррозией весьма затруднителен. На основании результатов изучения коррозионных процессов и характера разрушения эксплуатируемых конструкций В.А. Кинд, кроме вышеперечисленных видов коррозии бетона, различал также магнезиальную коррозию [62], разделяемую на собственно магнезиальную, которая вызывается действием ионов магния при отсутствии в воде ионов so4 , и магнезиальногипсовую или сульфатномагнезиальную, происходящую при совместном воздействии на бетон
Из большого числа разнообразных процессов коррозии В.М. Москвин [62] выделил три основных ее вида. К коррозии первого вида он относит процессы коррозии бетона под действием вод с малой временной жесткостью, возникающей в результате растворения составных частей цементного камня и выноса их протекающей водой.
Под коррозией второго вида понимают процессы коррозии, развивающиеся в бетоне в результате обменных реакций между составными частями цементного камня и химическим веществом, содержащемся в воде.
Коррозия третьего вида - процессы разрушения цементного камня в результате отложения и кристаллизации в порах и капиллярах цементного камня и в пустотах бетона малорастворимых солей. Кристаллизация солей вызывает возникновение значительных усилий, приводящих к разрушению структурных элементов бетона. К числу причин, вызывающих кристаллизационное давление в порах бетона [55] относятся увеличение объема заполняющей поры воды при замерзании и отложение в порах солей, которые в результате химических реакций могут увеличиваться в объеме.
Причиной коррозии бетона в пресных водах является растворимость отдельных компонентов цементного камня. Наиболее растворимым компонентом является гидрат окиси кальция (известь), образующийся при гидролизе C3S. Многочисленные исследования [75] показали, что минералы цементного камня могут длительно существовать в водной среде только в тех случаях, когда концентрация окиси кальция в воде-среде становится ниже определенной равновесной концентрации. Этот вид коррозии бетона особенно прогрессирует в условиях воздействия проточной воды, фильтрующейся через бетон. Скорость процессов коррозии прямо пропорциональна скорости течения воды.
Для борьбы с коррозией первого вида в цемент вводят гидравлические добавки, которые связывают Са(ОН)2 в малорастворимый гидросиликат кальция. Гидравлические добавки значительно повышают плотность бетона, снижая его водонепроницаемость, но вместе с тем повышают водопотребность бетонных смесей при их использовании, что вызывает повышенный расход цемента.
Коррозия второго вида происходит в результате взаимодействия составных частей цементного камня с кислотами и солями, находящимися в окружающей среде. В результате обменных реакций образующиеся продукты либо выделяются в виде аморфной массы, либо легко растворяются. В этих случаях прочность цементного камня снижается, пористость возрастает, вследствие чего коррозия бетона усиливается.
Движение жидкости в поровом пространстве многослойного бетона при низких давлениях
Для того, чтобы добиться получения бетона необходимой структуры, используют различные поверхностно-активные добавки.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) вводят в бетонную смесь для создания специальной структуры цементного камня. Эти добавки, вводимые с водой затворения, адсорбируются на зернах вяжущих материалов и гидратных новообразований.
Практика строительства гидротехнических сооружений показала, что ПАВ повышают морозостойкость бетона. Это объясняется, в частности, тем, что термодинамическое равновесное состояние наступает в бетоне с воздухововлекающими добавками гораздо позже, чем без них. Применение пластифицирующих добавок позволяет снизить водоцементное отношение; воздухововлекающие и газообразующие добавки способствуют образованию в бетоне мелких, равномерно распределенных по всему объему воздушных пор, которые снижают давление воды при ее замерзании; гидрофобизующие добавки уменьшают капиллярный подсос воды в бетоне вследствие гидрофобизации поверхностей пор и капилляров.
Шестоперов СВ. [113] считает, что всякое увеличение пористости влияет на долговечность бетона. Поскольку морозостойкость цементного камня связана с пористостью, характеризуемой количеством нестабильных в различных условиях активных капилляров, Шестоперов разделяет капилляры на активно и пассивно действующие.
Горчаков Г.И. [43] рассматривает поверхностно-активные добавки при ускоренном твердении бетона как средство борьбы с отрицательными свойствами тонкомолотых быстротвердеющих цементов, которые быстро теряют активность и снижают морозостойкость бетонов, сформованных из пластичных смесей.
Из результатов опытов с цементным тестом и раствором на различных цементах следует, что наличие дополнительных воздушных пор, образованных при введении гидрофобных и гидрофильных добавок, не увеличивает водопоглощения при длительном насыщении образцов. Это объясняется образованием в материале более мелких пор от вовлеченного воздуха, которые не заполняются водой, так как являются условно замкнутыми.
Полигидросилоксановая жидкость ГКЖ-94 (кремнийорганическая газообразующая добавка), к примеру, повышает морозостойкость пропаренных бетонов из смесей подвижности (ОК=4-6 см) до уровня и выше морозостойкости бетонов нормального твердения из смесей высокой подвижности (ОК=14-15 см). Кремнийорганические добавки дают возможность получать морозостойкий бетон из цемента с высоким содержанием трехкальциевого алюмината.
Для уменьшения расхода цемента и улучшения свойств бетонной смеси рекомендуется вводить совместно пластифицирующую добавку (ССБ) и воздухововлекающую (СНВ) или пластифицирующую (ССБ) и газообразующую (ГКЖ-94). Дозировка ССБ в комплексной добавке ССБ+СНВ должна составлять 0,1-0,15% от веса цемента; количество СНВ устанавливают по величине требуемого воздухосодержания. При введении в смесь воздухововлекающих добавок количество вовлеченного воздуха в бетоне должно находиться в пределах, указанных в таблице 1.6 [113].
Таким образом, добавки регулируют образование структуры пористости в цементном камне, одновременно позволяя ослабить требования к цементам и к режиму твердения бетонов.
Эффективность воздействия добавок на морозостойкость бетона резко падает при использовании высокопластичных и литых бетонных смесей, поскольку они не могут устранить или компенсировать отрицательные явления, возникающие при использовании смесей, приводящих к получению недолговечных бетонов. Вместе с тем, введение воздухововлекающей добавки понижает прочность бетона вследствие образования дополнительной пористости.
Это понижение можно компенсировать уменьшением водоцементного отношения, используя пластифицирующие добавки. В тех случаях, когда этим приемом не удается скомпенсировать снижение прочности, приходится повышать расход цемента из расчета 3-4% на каждый процент вовлеченного воздуха.
Для бетонов марок F200 и F300, подвергающихся насыщению морской или минерализованной водой с содержанием солей более 10 г/л, применение воздухововлекающих или газообразующих добавок считается обязательным. Для сооружений, подвергаемых действию морской воды в районах с суровым климатом, а также для сооружений, работающих в районах с вечномерзлыми засоленными грунтами, испытывали бетоны с различным водоцементным содержанием (при В/Ц=0,3 и 0,26 вводили С-3 и воздухововлекающую добавку ГШФ) [35]. Образцы высушивали при 60С до постоянной массы и затем насыщали водой и растворами хлористого натрия NaCl после вакуумирования в течение 8 часов (вакуум 0,1 МПа) и выдерживали 7 суток. Результаты опытов показали, что бетоны, имеющие не морозосолестойкую структуру при замораживании, повышают прочность при изгибе в 3-6 раз; бетоны, незначительно повышающие (на 30-40%) прочностные свойства при замораживании, являются высокоморозосолестойкими.
Для повышения морозосолестойкости цементных бетонов необходимо использовать высокоэффективные химические и высокоактивные (типа кремнезема) минеральные добавки, повышающие прочность и снижающие проницаемость материала.
Было замечено [77], что использование добавок для получения морозостойких бетонов эффективно лишь при температуре от 0 до -10С (рисунок 1.3). В этом интервале температур вода при замерзании воды в крупных порах не наблюдалось деформации расширения бетона, тогда как в бетоне без добавок происходили значительные деформации расширения. Это явление объясняют [77] тем, что давление, возникающее при замерзании воды в крупных порах и капиллярах, гасится за счет отжатия воды из них в резервные поры, образовавшиеся при введении в бетон добавок.
В интервале температур от -30 до -50 деформации расширения бетона с добавками остаются такими же, как и в бетоне без добавок. Эти деформации вызваны давлением, возникающим при замерзании воды в очень мелких порах и капиллярах, и связаны, как предполагают исследователи, с трудностью отжатия замерзающей воды из мелких пор и капилляров в резервные поры.
Изготовление экспериментальных образцов
В ходе нашего исследования возникла необходимость проведения испытаний на водонепроницаемость в реальных (натурных) условиях. Как правило, для определения водонепроницаемости бетона, испытания проводятся в лабораторных условиях, в соответствии с ГОСТ 12730.5-84. Согласно ГОСТ 12730.5-84 используют один из ниже перечисленных методов испытания образцов на водонепроницаемость: метод «мокрого пятна»; определение коэффициента фильтрации; ускоренный метод определения коэффициента фильтрации с использованием фильтратометра; ускоренный метод определения водонепроницаемости бетона по его воздухопроницаемости. Для определения водонепроницаемости образцов бетона перечисленными способами современный рынок предлагает усовершенствованные установки (УВФ-6/09, УВБ-МГ4). Однако, эти установки стационарны, довольно громоздки, имеют большие габариты и вес, и требуют отдельного помещения. Проведение испытаний на герметичность, водонепроницаемость, воздухонепроницаемость различных строительных конструкций, стыков и т.д. в реальных условиях затруднено отсутствием переносных установок. Существующие принципы в основном пригодны для испытаний в лабораторных условиях, при этом требуется сложное крепление, в испытуемых конструкциях предусматривают закладные детали, что значительно усложняет проверку всей конструкции, труднодоступных ее участков, стыков между конструкциями.
Так, немецкая фирма TESTING Bluhm & Feuetherdt GmbH разработала специальную установку для испытания бетона на водонепроницаемость [136]. Суть способа заключается в создании давления воды на образец с помощью давления воздуха на воду в пластмассовой трубе, что дает возможность в процессе испытания наблюдать, как происходит проникание воды. Однако и эта установка требует специальных лабораторных условий.
Нами разработанная установка позволяет решить эту проблему [142]. Установка изготавливается из черного металла или дюралюминия толщиной 5-7 мм прямоугольного, круглого или другого профиля, а в полевых условиях собирается из уголков с использованием металлического листа.
Установка состоит из плоской части, обрамленной ребрами жесткости, которые образуют две изолированные полости. В ребрах жесткости выполнены пазы, в которые закладывается прокладка из резины или другого герметика. В каждую полость вмонтированы штуцера с кранами, которые соединяются вакуумными и нагнетательными насосами. Вначале производится откачка воздуха в одной из полостей до величин -0,5-1,0 атм., при этом установка присасывается к конструкции. Откачка приостанавливается. Для проверки стыков на проницаемость жидкостей, вторую полость заполняют жидкостью, и через второй штуцер подается воздух под давлением.
Для того, чтобы не произошел отрыв установки от испытываемой поверхности, оказываемое давление воздуха на жидкость должно быть ниже величины вакуума в другой полости.
При величине давления, равной величине вакуума, установка отрывается от испытуемой конструкции. Пределы измерений, в зависимости от площади полостей и прочности конструкции установки - 1,0-10,0 атм.
Для проведения испытаний в полевых условиях вместо откачивающего насоса можно использовать газовый или другой баллон соответствующей прочности с заранее откачанным воздухом, а для оказания дополнительного давления можно использовать баллон, заполненный газом.
Для крепления установки достаточно ее прижать к конструкции и включить вакуумный насос. Установку можно также использовать для переноски изделий, заполнения неплотностей и дефектных участков конструкции цементным раствором или полимерными материалами.
Размеры экспериментальной установки могут варьироваться в различных пределах в зависимости от размеров конструкций, подвергаемых испытанию с помощью данной установки. Установка была изготовлена с учетом размеров лабораторных бетонных образцов и имеет стороны размерами 0,59x0,59м.
Экспериментальная установка представлена на рисунке 3.4. Экспериментальная установка для испытания бетонных образцов со стыками различной конфигурации на водонепроницаемость может быть использована также и как устройство для переноса различных изделий на расстояние в пределах производственной площадки.
Одной из важных проблем в строительстве является проблема обеспечения достаточно высокой степени водонепроницаемости стыков сооружений.
Анализируя результаты многолетних научных наблюдений в гидротехническом строительстве можно утверждать, что от степени водонепроницаемости сооружения в целом и его элементов в частности зависит долговечность сооружения. По данным натурных наблюдений [51] анализ деформационных состояний бетона гидротехнических сооружений позволяет определить, что в результате водонасыщения бетона по строительным швам и трещинам происходит накапливание в теле бетона деформаций расширения, что является одной из причин увеличения напряжений. Влияние воды - фактор, облегчающий деформации капиллярно-пористого тела, каковым является бетон. Установлено [115], что прочность бетона снижается вследствие адсорбционного влияния воды как поверхностно-активного вещества.
Фильтрационное давление, вызывающее растяжение бетона, усиливает расклинивающее действие воды в несплошностях структуры и приводит к понижению предела прочности.
В предыдущих главах проведен подробный обзор коррозионных процессов бетонных конструкций в результате проникновения воды в стыки между ними. Из-за течи стыков происходит коррозия бетона и арматуры; выщелачивание; потеря несущей способности конструкций и долговечности их в целом.
В ходе литературного обзора было сделано заключение, что исследования, главным образом, развивались в направлении получения оптимального состава бетонов и разработки технологии формирования бетонной смеси. Большое внимание уделяется подбору вяжущего для бетонной смеси. Установлено, что путями фильтрации воды служат стыки, трещины и швы в бетоне. Исследования посвящены поиску путей по обеспечению водонепроницаемости стыков гидротехнических сооружений, которые одновременно служат путями проникновения влаги в тело конструкции. На практике предусмотрены, в основном, способы проведения работ, связанных с восстановлением свойств стыков. Традиционно при ремонте стыков и заделке трещин принято производить их армирование, анкеровку арматуры в бетон с последующей инъекционной заделкой стыков цементным раствором, эпоксидными составами; либо применяется другой экономически выгодный способ для обеспечения эксплуатационных свойств стыков.
Считаем, что для повышения степени водонепроницаемости и, соответственно, прочности стыков необходимо увеличить путь прохождения воды от одной стенки конструкции (с напорной стороны) до другой. Можно полагать о целесообразности разработки стыков с конфигурацией, имеющей не плоскую поверхность, в частности, изготовление стыков со шпонами. Однако, как показывает практика, при перевозке конструкций с такими стыками и их монтаже ребра стыков, как правило, повреждаются, и в результате стык не выполняет свою функцию, превращаясь в плоскую поверхность, и, в связи с этим, надежнее и экономичнее будет изготовление конструкций стыков с синусоидальными поверхностями.
Исследование динамики движения жидкости (воды) по стыкам экспериментальных образцов
Испытания проводились в три этапа (рисунки 3.24 - 3.27). На первом этапе определяется «нулевое» состояние материала, то есть производится замер сопротивлений образца в сухом состоянии (рисунок 3.24).
На втором этапе испытаний образцы увлажняем - заливаем водой на толщину -1-2 мм и проводим измерения через 5 минут после увлажнения, а затем через 30 минут после увлажнения (рисунок 3.25).
Третий этап - подача воды под давлением с использованием экспериментальной установки (рисунки 3.26, 3.27).
Сначала установка присасывается к образцу подачей отрицательного давления в центральной части с максимальным значением давления -1.0 атм. Затем образец увлажняется подачей воды через два крайних штуцера установки, с постепенным нагнетанием положительного давления. Величина давления регулируется кранами. Придерживая заданное значение давления, производится измерение сопротивления по соответствующим точкам через 5 и через 30 минут после подачи воды. Начальная величина подаваемого давления составила 0,2 атм., затем давление увеличивается до 0,4 атм. и производится новый круг замеров. Следующий скачок давления - 0,6 атм.
Измерения сопротивлений также проводились в несколько этапов. Сначала в последовательном порядке замерялся внешний контур заложенных в образец проводов, затем - внутренний контур. Далее замерялись точки в поперечном направлении - одна из точек внутреннего контура поочередно соединялась со всеми точками внешнего контура. В последнюю очередь замерялись строго противоположные точки обоих контуров.
Предварительные опыты проводились в центральной строительной лаборатории ОАО «ЧиркейГЭСстрой». Учитывая, что основной причиной, затрудняющей сцепление пропаренного бетона с омоноличиваемым бетоном в стыках, является образование цементной пленки, при проведении работ по изготовлению опытных образцов предусматривались мероприятия, позволяющие предотвратить в начальной стадии изготовления секций образца образование цементной пленки на поверхности бортовой опалубки и бетона. Предусматривалось создание дополнительной рифленой поверхности, упрочняющей стык в целом.
Были заложены 18 кубов 20x20x20 см, изготовленные с различной конфигурацией стыков. Вначале изготавливались половинки кубов 10x20x20 см.
Посередине образцов устанавливались перегородки с рифленой поверхностью. На участке контакта между бетоном и перегородкой по всей высоте образцов-половинок устанавливается асбестовая ткань. Асбестовая ткань адсорбирует воду в контактной зоне бетон-опалубка, предотвращая возникновение цементного молока, и создает при этом неровную рифленую поверхность для увеличения прочности и жесткости стыка. После предварительной выдержки бетона до пропаривания перегородки с асбестовой тканью аккуратно снимаются. Ткань снимается с перегородок и перегородки вставляются на свои места. В таком виде образцы-половинки подвергаются пропариванию. Пропарка производилась по режиму 4-5-4ч при температуре 85С. После пропаривания и остывания форм-половинок перегородки снимаются, поверхность половинок, обращенных к омоноличиваемым сторонам, смачивается водой. Через одни сутки после пропаривания половинки кубов доомоноличивались бетоном, твердение осуществлялось в естественных условиях.
Испытания образцов на водопроницаемость через 28 дней их твердения показали: контрольные образцы, изготовленные соединением двух плоских половинок выдержали давление 6,5 кг/см . Образцы, изготовленные из двух половинок с криволинейными поверхностями - выдержали давление 12 кг/см .
Ниже приведены таблицы с результатами измерений электрического сопротивления на стыках различной конфигурации в разных состояниях образца. Таблицы разделены по типу соединения точек внешнего и внутреннего контуров стыков.
По данным таблицы видно, что в сухом состоянии образца его электрическое сопротивление достигает максимальных значений на стыке с криволинейной поверхностью (35.00 МОм, 37.41 МОм), на плоском стыке значения электрического сопротивления колеблются в пределах 14.40 -18.80 МОм. Аналогичная тенденция наблюдается и в других состояниях образца.
