Горбунов С.П. – Доцент кафедры «Строительные материалы»
ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет, г.Челябинск,
кандидат технических наук
Трофимов Б.Я. – Заведующий кафедрой «Строительные материалы»
ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет, г.Челябинск,
доктор технических наук, профессор
В работе рассматриваются результаты выявления причин ускоренного разрушения камней железобетонных бортовых производства ООО ПСО КПД и СК, используемых при организации дородного полотна одной из улиц г.Челябинска.
Камни бетонные и железобетонные бортовые (далее по тексту – камни) в соответствии с общероссийским классификатором относятся к группе изделий «Дорожные материалы».
В соответствии с ГОСТ 25192 камни могут изготавливаться из тяжелого или мелкозернистого бетона, отвечающего требованиям ГОСТ 26633.
В соответствии с ГОСТ 6665 камни должны изготавливаться в климатическом исполнении УХЛ по ГОСТ 15150 (для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом).
Анализ причин ускоренного разрушения проводился в два этапа. На первом этапе осуществлялось сравнение фактических показателей производства камней на ООО ПСО КПД и СК с требованиями действующей нормативной документации. На втором этапе параллельно с этим проводились лабораторные исследования фактических параметров качества бетона камней, эксплуатирующихся в условиях воздействия климатических факторов г.Челябинска.
Анализ качества материалов, используемых
для производства камней
Технические требования к изделиям и материалам, используемым при производстве камней бетонных бортовых регламентируются ГОСТ 6665.
В основу анализа положены данные по изделиям, представленные заводом-производителем, а также данные статистического анализа оценки результатов контроля качества при производстве и приемке камней, выпускаемых на предприятии в период с сентября 1999 по апрель 2000 года.
Качество вяжущего
В соответствии с п.1.3.9 ГОСТ 6665 для изготовления бетонной смеси использовался портландцемент ЗАО «Уралцемент» ПЦ 500–Д0, минералогический состав клинкера которого соответствовал следующим данным (вес %): C3S=67; C2S=13; C3A=6; C4AF=14, что в полной мере соответствует требованиям ГОСТ 10178.
Доля оксида магния в составе клинкера в паспортах предприятия не указывается. По данным испытаний лаборатории ЗАО «Уралцемент» содержание оксида магния в клинкере не превышает 1,98%.
В соответствии с п.1.5.3 ГОСТ 26633 для производства сборных конструкций, подвергаемых тепловой обработке, следует применять цементы I и II групп эффективности при пропаривании. Использованный цемент относится к I группе.
Таким образом, используемый ООО ПСО КПД и СК цемент для производства камней удовлетворяет требованиям ГОСТ 10178, ГОСТ 6665 и ГОСТ 26633 и может быть использован в качестве вяжущего при производстве камней бетонных и железобетонных бортовых.
Мелкий заполнитель
В соответствии с п.1.3.10 ГОСТ 6665 для приготовления бетонной смеси в качестве мелкого заполнителя следует применять природные обогащенные и фракционированные, а также дробленые обогащенные пески по ГОСТ 8736, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 26633.
Приложение 3 (обязательное) ГОСТ 26633 предъявляет дополнительные требования к заполнителям для бетонов дорожных и аэродромных покрытий и оснований только для песков из отсевов дробления и обогащенных песков из отсевов дробления.
По данным анализа результатов испытаний песков в лаборатории ООО ПСО КПД и СК для изготовления бетонной смеси использовался песок строительный ЗАО «Береговое», нормативные показатели качества которого приведены в табл. 1.
ГОСТ 26633 (п.1.5.12) допускает для бетонов класса по прочности B 30 или Вtb 4.0 включительно иcпользование песка с модулем крупности 1,0-1,5 и с содержанием зерен менее 0,15 мм до 20% по массе и пылевидных и глинистых частиц не более 3% по массе.
Для оптимального состава тяжелого бетона ГОСТ 6665 рекомендует применять пески с модулем крупности не менее 2,0.
Таким образом, используемый ООО ПСО КПД и СК песок соответствует требованиям указанных выше стандартов.
Крупный заполнитель
В соответствии с п.1.3.10 ГОСТ 6665 для приготовления бетонной смеси в качестве крупного заполнителя следует применять щебень из естественного камня, гравия и доменного шлака по ГОСТ 8267. ГОСТ 10260. ГОСТ 3344, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 26633.
Марка щебня по прочности на сжатие должна быть не ниже 1000, по морозостойкости – не ниже F 200.
Наибольший размер зерен крупного заполнителя – 20 мм.
По данным анализа результатов испытаний лаборатории ООО ПСО КПД и СК для изготовления бетонной смеси использовался щебень Новосмолинского карьера по ГОСТ 8267 из изверженных интрузивных горных пород гранитного комплекса со следующими показателями качества:
- содержание пылевидных и глинистых частиц – 0,45-0,96%;
- глина в комках – отсутствует;
- содержание зерен лещадной формы – 18,7-25,2%;
- марка щебня по дробимости – 1400;
- содержание зерен слабых пород в щебне – 0,8-1,0%.
Данные по морозостойкости щебня в письме отсутствовали, что явилось причиной проведения оценки марки щебня по морозостойкости ускоренным методом в соответствии с ГОСТ 269.0.
Проведенные исследования показали, что потери массы фракций 10-20 и 5-10 после 15 циклов попеременного увлажнения в насыщенном растворе сульфата натрия и высушивания при температуре 100°С составили соответственно 0,9 и 1,8%.
Результаты испытаний позволяют утверждать, что по морозостойкости щебень Новосмолинского карьера имеет марку не ниже F 300 и может быть использован по этому показателю в бетонах любой нормируемой морозостойкости.
Таким образом, проведенный анализ материалов позволяет сделать заключение о полном их соответствии требованиям нормативной документации и возможности их использования для бетонов любой нормируемой прочности и морозостойкости.
Анализ состава бетонной смеси и технологии готовой продукций
Механические свойства бетона камней и конструктивные параметры изделий определяются следующими значениями:
- класс бетона по прочности на сжатие В30;
- нормируемая отпускная прочность тяжелого бетона 70% от класса бетона по прочности на сжатие и класса бетона по прочности на растяжение при изгибе (в теплый период года);
- класс бетона по прочности на растяжение при изгибе Btb0;
- толщина защитного слоя бетона – 10 мм.
- армирование изделий осуществлялось катанкой из углеродистой стали обыкновенного качества диаметром 6 и 8 мм класса А1 по ГОСТ 30136.
По данным лаборатории ООО ПСО КПД и СК, для изготовления камней была использована бетонная смесь следующего состава, кг/м3: цемент – 570; песок – 500; щебень смеси фракций 5-20 мм – 1240; вода 220; добавки ЛСТ и СВН 0,16 и 0,01% от массы вяжущего соответственно.
Указанный состав был подобран лабораторией ООО ПСО КПД и СК в соответствии с требованиями ГОСТ 27006, откорректирован по удобоукладываемости (марка П2 с ОК=5-6 см), прочности и морозостойкости (марка по морозостойкости F 200 для бетонов дорожных и аэродромных покрытий).
Объем вовлеченного воздуха в бетонной смеси находился в пределах 4,5-5,1%, что соответствует требованиям п.1.3.8 ГОСТ 6665 и табл.1 ГОСТ 26633.
Водопоглощение бетона находилось в интервале значений 4,3-5,0%, что не превышает максимально допустимое значение (п.1.3.5 ГОСТ 6665).
Расход цемента в бетонной смеси (табл. 3 ГОСТ 26633) превышает минимально допустимый для конструкций, армированных ненапрягаемой арматурой при атмосферном воздействии на них, что в достаточной мере обеспечивает сохранность арматуры.
Водоцементное отношение удовлетворяет требованиям ГОСТ 6665.
В соответствии с требованиями СНиП 3.09.01-85 на предприятии осуществляется весовое дозирование сыпучих материалов, воды затворения и водных растворов химических добавок. Дозаторное оборудование проходит своевременную поверку.
Для изготовления бетонной смеси используется смеситель принудительного действия СБ–138; необходимость использования смесителей принудительного действия определяется требованиями п.4.10 СНиП 3.09.01-85.
Анализ оценки статистической однородности бетонной смеси при приемке бетона по прочности проводился в соответствии с требованиями ГОСТ 18105 с определением коэффициента вариации бетона по прочности и назначении среднего уровня прочности.
Все вышесказанное позволяет предположить необходимую стабильность производства камней с требуемыми показателями качества.
Некоторыми из решающих факторов для обеспечения требуемой марки по морозостойкости тяжелого бетона являются правильный выбор и неукоснительное соблюдение параметров тепловлажностной обработки. При этом следует руководствоваться требованиями ГОСТ 6665, СНиП 3.09.01-85 и Пособиями по тепловой обработке сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85).
Режимы тепловой обработки изделий из бетонов повышенной морозостойкости должны быть мягкими и включающими:
- предварительное выдерживание не менее 3 часов;
- подъем температуры среды со скоростью не более 15°С/ч;
- скорость выбирается минимально допустимой из рекомендуемых:
— таблица 4 СНиП 3.09.01-85 – 15°С/ч;
— п.1.3.17 ГОСТ 6665 – 25°С/ч;
— п.3.50 Пособия по тепловой обработке сборных железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85) – 20°С/ч;
- температура изотермической выдержки должна быть не выше 70°С (п.1.3.17 ГОСТ 6665):
- длительность изотермической выдержки должна назначаться в зависимости от эффективности цемента при пропаривании при условии обеспечения требуемых значений отпускной и марочной прочности бетона:
- скорость остывания среды в камере в период снижения температуры изделий не должна превышать 20°С/ч.
Режим тепловой обработки, используемый на предприятии при производстве камней (3+3+10 (70°С)+3) отвечает изложенным выше требованиям. Данных по фактическим значениям параметров тепловой обработки предоставлено не было, однако, учитывая данные по отпускной и марочной прочности бетона с учетом ее статистической изменчивости (фактическая отпускная прочность бетона в анализируемый период изготовления камней была не менее 28,0 МПа при коэффициенте вариации Kv = 6,3 – 11,2 и среднем уровне прочности 23,6-27,0), можно предположить, что параметры тепловлажностной обработки выдерживались на требуемом уровне.
Фактическая прочность бетона на сжатие в марочном возрасте была не менее 35,0 МПа при коэффициенте вариации Kv = 5,6 – 7,4% и среднем уровне прочности 33,7-34,3 МПа.
Таким образом, используемые материалы, состав бетонной смеси и параметры технологического процесса изготовления камней бетонных и железобетонных бортовых позволяют изготавливать готовую продукцию в полном соответствии с требованиями ГОСТ 6665 при обязательном гарантировании стабильности технологического процесса.
Что же послужило причиной ускоренного разрушения бортовых камней в условиях эксплуатации в столь короткий промежуток времени?
Результаты натурных обследований изделий
и лабораторных испытаний
В апреле 2000 г. сотрудниками кафедры «Строительные материалы» Южно-Уральского государственного университета в присутствии представителей ООО ПСО КПД и Дорстроя были проведены натурные обследования камней бетонных и железобетонных бортовых по пр. Победы с целью определения степени дефектности камней железобетонных, характера повреждений и отбор проб бетона для дальнейших лабораторных исследований фактических показателей качества изделий.
Анализ проводился на длине 3000 м ограждения дорожного полотна. Рассматривались и зоны остановок общественного транспорта, внутридворовые заезды. Было отмечено, что:
- Бетон железобетонных камней на 25-30% длины ограждения дорожного полотна разрушен на 40-70%. Характер разрушения дает основание предполагать воздействие на бетон агрессивных факторов, включающих химическую и морозную коррозии в процессе эксплуатации.
- Максимальную степень разрушения имеют камни, на которые в процессе эксплуатации воздействовали дополнительные внешние силовые факторы (наезд автомобильного транспорта, пешеходные переходы у остановок общественного фактора, воздействие рабочих органов дорожных уборочных машин и т.п.).
Характер разрушения бетона позволяет выделить два типа коррозионных процессов:
- Поверхностное шелушение бетона с постепенным отслаиванием чешуек цементного камня и обнажением заполнителя характерно для морозной агрессии водонасыщенного бетона с высокой маркой по морозостойкости.
- Полное разрушение бетона по всему объему камня с потерей сплошности изделия. Такой характер разрушения бетона вне зависимости от его марки по морозостойкости в практике наблюдался для изделий, длительное время находившихся в водных растворах хлорида натрия низких концентраций при температуре среды минус 4-6°С.
При эксплуатации дорожного покрытия в зимний период 1999-2000 гг. для предотвращения гололеда широко использовалась пескосолевая смесь. Жидко-снеговая масса во время расчистки проезжей части перемещалась в сторону бортовых камней, которые постепенно погружались и вмораживались в нее. В растворах хлорида натрия при длительном вмораживании происходит интенсивное разрушение бетона, что описано в публикациях [1-4].
Постоянное замораживание бетона в растворах хлорида натрия низкой концентрации приводит к быстрому разрушению бетона без циклического воздействия переходящей через 0°С температуры, особенно, если температура среды не ниже эвтектической температуры замерзания водного раствора хлорида натрия (минус 21,3°С). В этом случае в системе постоянно имеется жидкая фаза, представленная водным раствором хлорида натрия переменной концентрации. Ускоренное разрушение бетона при высоких отрицательных температурах (минус 4-10°С) объясняется тем, что за счет миграции влаги увеличивается степень насыщения бетона жидкой фазой. Кроме того, в этом случае могут возникать коррозионные процессы, обусловленные обменными реакциями концентрированного солевого раствора с цементным камнем. Возможен также осмотический перенос растворителя в поровое пространство бетона, в котором концентрация солевого раствора повышается вследствие химического и адсорбционного связывания воды. В этих условиях эксплуатации наиболее опасны температуры среды выше эвтектической. Колебания температуры способствуют разрушению бетона. Проведенные дополнительно лабораторные исследования подтвердили предположение о причинах ускоренного разрушения бетона.
На рис.1 показан характер разрушения бетонного образца, изготовленного из бетонной смеси с маркой по морозостойкости F 200, испытываемого в условиях постоянного контакта бетона с 5%-ным водным раствором хлорида натрия при температуре минус 4-6°С.
Возможность подобного разрушения не предусматривается стандартными испытаниями бетона на морозостойкость, тем более ускоренными испытаниями дорожного бетона на морозостойкость при температуре замораживания минус 50°С. Быстрый переход через эвтектическую температуру не приводит к возникновению циклических напряжений при эксплуатации бортовых камней при высоких отрицательных температурах.
Следует отметить, что как и сотрудниками кафедры «Строительные материалы», так и членами комиссии, действующей на основании протокола совещания координационного Совета по развитию улично-дорожной сети, отмечены совпадаюшие участки максимального разрушения, обрабатываемые пескосолевой смесью в первую очередь: спуски, подъемы, перекрестки, места остановок общественного транспорта, пешеходные переходы. Это совпадение позволяет однозначно предположить в качестве основной причины разрушения наличие в антиобледенительных составах хлорида натрия.
Аналогичные изделия, не подвергаемые в процессе эксплуатации воздействию водных растворов хлорида натрия, находятся в удовлетворительном состоянии.
Таким образом в бетонах, находящихся в постоянном контакте с солеснеговой смесью при низкой концентрации хлорида натрия, усталостные явления наблюдаются не только при воздействии знакопеременных температур, но в большей степени при колебаниях температур в пределах минус 3-10°С, что было характерно для мягкой зимы 1999-2000 г. в г.Челябинске. Средняя температура воздуха на высоте 10 м от поверхности земли в период зимы 1999-2000 гг. составила, по данным Гидрометцентра, минус 9,3°С.
Бордюрные камни по пр.Победы – не единственные проблемные места г.Челябинска. Практика проводимых обследований элементов дорожного полотна и транспортного строительства показывает, что ускоренное разрушение бетона проезжей части дорог и мостов наблюдается всегда, когда в осенне-зимний период происходит обработка пескосолевой смесью. Из объектов в г.Челябинске можно отметить:
- элементы ограждения проезжей части моста через р. Миасс около Торгового центра (проведена реконструкция бетона элементов ограждения с дополнительной защитой красочными составами, что привело к исключению коррозионных процессов бетона);
- элементы ограждения проезжей части виадука (транспортная развязка у железнодорожного вокзала – 100% разрушения на момент проведения обследования).
Первичной защиты бетона при таких жестких условиях эксплуатации хватает на 2-3 года, а первые признаки разрушения появляются через сезон.
Прочность бетона в процессе обследования контролировалась неразрушающим методом по ГОСТ 22690 с использованием прибора ИПС-МГ4 (диапазон измерений 10-50 МПа), в работе которого косвенной характеристикой прочности бетона является параметр ударного импульса. В соответствии с табл. 1 ГОСТ 22690 метод ударного импульса можно использовать при предельном значении прочности бетона в интервале 10-70 МПа.
Прочность бетона контролировалась выборочно в четырех точках (четная и нечетная стороны проспекта Победы напротив домов №292 и 298). Прочность бетона неразрушенных изделий и неразрушенной части дефектных изделий находится в пределах 42-46 МПа.
Практически отсутствует разрушение бетона в местах уширения проезжей части для стоянок и остановок автотранспорта, в местах развилок дорог у заездов к жилым домам, то есть, в местах, которые в процессе эксплуатации дорожного полотна не обрабатывались препаратами-антиобледенителями.
Толщину защитного слоя бетона определяли путем механического обнажения арматуры. В среднем эта величина находилась в пределах 9-12 мм, что соответствует схеме армирования камней БУ 300.30.32, БУ 300.30.29. Лабораторный анализ степени карбонизации бетона с поверхности камней показал, что защитные свойства по отношению к арматуре потеряны по толщине 0,8-1,4 мм. Водная вытяжка из бетона, отобранного из центра камня, имеет значение рН, равное 12,03. Это говорит о том, что бетон камней в массе своей имеет достаточное количество щелочи, пассивирующей арматурную стать. Только в местах примыкания соединительных хомутов арматурного каркаса к поверхности бетона отмечается коррозия арматуры с выносом продуктов коррозии в виде пятен коричневого цвета на поверхность бетона.
Первоначальный состав бетона определялся на представительной пробе бетона 12 кг, отобранной при вскрытии разрушенного изделия на всю его толщину. В основу метода определения состава бетона положены Методические рекомендации [7] (ситовой метод определения содержания цемента по разности между массой исследуемой пробы и массой заполнителя).
Используемый метод оценки состава бетона обеспечивает относительную точность в пределах 5-10%. Результат оценки показал следующее:
- плотность бетона находится в пределах 2,35-2,28 кг/л;
- количество гидратной влаги в бетоне 4,0-4,5%от массы навески;
- количество крупного заполнителя 49,5-53,4% от массы навески;
- количество мелкого заполнителя 20,9-22,1% от массы навески;
- количество вяжущего 25,4-28,1% от массы навески.
С учетом плотности бетона первоначальный состав бетона (кг/м3) может быть охарактеризован как (кг/м3):
- вяжущее – 584-621;
- мелкий заполнитель – 462-490;
- крупный заполнитель – 1075-1180.
С учетом погрешности методики определения, а также наличия в песке частиц менее 0,15 мм (которые по методике могли быть включены в долю вяжущего в бетоне) можно констатировать, что анализируемый первоначальный состав бетона разрушенной части камней аналогичен производственному составу, который используется для изготовления камней бетонных и железобетонных бортовых на ООО ПСО КПД и СК.
Водопоглощение проб неразрушенной части бетона камней находится в пределах 4,8-5,3% (что практически соответствует требованиям ГОСТ 6665), разрушенного бетона 8,7-10,2%.
Химический анализ проб, отобранных из середины разрушенных камней, показал следующее содержание ионов, масс. %:
Cl¯ = 818-869 мг;
NH4+ = 20-21 мг;
NО2¯ = 10-14 мг.
Полученные результаты позволяют сделать предположительную оценку агрессивности жидкой фазы, воздействующей на бетон в процессе его эксплуатации. Если учесть, что степень водонаcыщения бетона в процессе его эксплуатации составляла 100%, то количество влаги в 1 литре бетона составляло 48-53 мл.
Известно, что поровая структура бетона представлена, в основном, порами цементного камня (пористостью используемых заполнителей можно пренебречь).
Таким образом, накопление солей в бетоне в процессе его эксплуатации происходит именно в цементном камне. С учетом этого абсолютное содержание ионов в 1 литре бетона может быть оценено, как:
Cl¯ = 13,1 – 15,4 г/л; NН4 = 0,38 – 0,43 г/л; NO2¯= 0,19 — 0,21 г/л.
Указанные значения следует оценивать как минимальные, поскольку в анализе принимается полное водонасыщение бетона.
В соответствии с таблицей 5 СНиП 2.03.11-85 степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон особо низкой проницаемости как по содержанию аммонийных солей, так и по суммарному содержанию хлоридов и нитритов может быть квалифицирована как неагрессивная.
Накопление солей в бетоне происходило, по-видимому, в зимний период времени, когда дорожное покрытие обрабатывалось специальными составами, содержащими песчаную каменную фракцию и соли: хлориды, нитраты и аммония для удаления наледи с поверхности. Таким образом в бетонах, находящихся в постоянном контакте с солеснеговой смесью при низкой концентрации солей, усталостные явления наблюдаются не только при воздействии знакопеременных температур, но в большей степени при колебаниях температур в пределах минус 3-10°С [5, 6], что было характерно для мягкой зимы 1999-2000 г. в г.Челябинске.
РЕКОМЕНДАЦИИ
- Для Уральского региона, а особенно для транспортных сооружений, дорожных бетонных покрытий и элементов обрабатываемых в процессе эксплуатации антиобледенительными составами следует разработать территориальные нормы к бетонам в плане их долговечности. На примере МКАД следует осуществлять постановку на производство элементов дорожного полотна с маркой по морозостойкости не менее F 300 для бетонов дорожных и аэродромных покрытий (водопоглощение бетона не более 3,5-4,0%).
- При невозможности выполнения рекомендаций по обеспечению требуемой морозостойкости бетона следует предусматривать при производстве бетонных и железобетонных элементов вторичную защиту (пропиточные составы и т.п.), предотвращающую водонасыщение бетона при непосредственном контакте с жидкими средами, указывая в заказах на производство необходимость их использования.
- В процессе эксплуатации следует предусматривать полное удаление снежного покрова с бетонных изделий для предотвращения их постоянного контакта с солеснеговыми смесями.
- В местах, где на камни бетонные и железобетонные бортовые в процессе эксплуатации дорожного полотна возможно интенсивное механическое воздействие, в проекте работ следует предусматривать установку изделий из природного камня.
Библиографический список
- Конин В.П., Гладков В.С. Стойкость бетонов при вмораживании в растворы солей./ Вопросы долговечности бетона транспортных сооружений. – М.: ВНИИ транспортного строительства, 1979. – С.125-134.
- Москвин В.М., Подвальный А.И., Садыков М.С. Разрушение бетона, замораживаемого в растворах солей / Коррозия бетона в агрессивных средах. – М.: НИИЖБ, Стройиздат, 1971. – С.87-97.
- Долговечность железобетона в агрессивных средах. /С.Н.Алексеев, Ф.М.Иванов и др. – М.: Стройиздат, 1990. – С.41-42.
- Добшиц Л.М., Портнов И.Г., Соломатов В.И. Морозостойкость бетона транспортных сооружений: Учебное пособие. – М.: МИИТ, 1999. – С.11.
- Инструкция по применению химических реагентов для предупреждения и удаления гололедных образованиях на аэродромных покрытиях. – М.: ВНИИГА, 1990. – 32 с.
- Крамар Л.Я., Королев А.С., Трофимов Б.Я. Долговечность цементнобетонных дорожных покрытий при применении антигололедных реагентов. /Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ); УФ МАДИ (ГТУ). – М., 2001. – С.53-55.
- Методические рекомендации по определению первоначального состава бетона». – М.: НИИЖБ Госстроя СССР. 1983. – 18 с.