Способы повышения трещиностойкости бетонов

Способы повышения трещиностойкости бетонов

Анна КОРОТКОВА, технический эксперт ООО «Южно-уральская ГПК»

Масштабы городского и промышленного строительства постоянно растут, а вместе с тем увеличивается и потребность в цементе. Бренд «Южно-уральская ГПК» хорошо известен на цементных рынках России и ближнего зарубежья. Компания заработала доброе имя в области производства качественной цементной продукции и инновационных методов контроля качества бетонных изделий. Команда технических экспертов ЮУГПК постоянно работает над прогрессивными технологическими решениями для улучшения качества бетона и цемента. В компании ведутся исследовательские работы, направленные на создание новых продуктов, способных удовлетворить особые требования строительной отрасли.

Проблема образования трещин в бетоне в последние годы имеет тенденцию к значительному обострению. Особенно остро стоит вопрос о предотвращении растрескивания бетонных конструкций в ранние сроки твердения. Трещинообразованию подвержены бетонные конструкции, содержащие различное количество цемента: наружные фундаментные плиты, ступени, тротуарная плитка (рис. 1-5).

Основными причинами растрескивания бетона в раннем возрасте являются изменения объема, вызванные перепадами температуры и/или влажности [1]. Деформации создают растягивающие напряжения, которые могут превышать прочность на растяжение бетона, что вызывает растрескивание. При рассмотрении потенциала развития трещин необходимо учитывать ползучесть и модуль упругости, особенно в раннем возрасте, поскольку модуль упругости бетона растет с течением времени, а бетон способен сократить часть возникающих напряжений. Особенно это актуально для высокопрочных бетонов, которые отличаются высокой хрупкостью, особенно если в них происходят процессы, связанные с внутренней щелочной коррозией (рис. 1).

Кроме того, повсеместное и часто нецелесообразное использование суперпластификаторов различной основы в бетонах низких и средних марок приводит не только к расслоению бетонной смеси, но и повышению ее усадки в начальные и последующие сроки твердения.

В производстве бетона в нашей стране, к сожалению, широко распространено применение заполнителей пониженного качества. Именно содержание аморфного активного кремнезема в них чаще всего не определяется, а его действие по отношению к щелочам цемента, в случае его повышенного содержания, полностью игнорируется, что, соответственно, может привести к образованию трещин в толще бетонных конструкций.

Еще одной причиной образования трещин в массиве бетона становится возникновение термоупругих напряжений при применении бездобавочных и высокоалитовых цементов, которые чаще всего используются в строительстве в силу особенностей и предпочтений российского рынка. Поскольку процесс гидратации клинкерных минералов является экзотермическим и проходит с большим выделением тепла, при твердении массивных бетонных изделий происходит значительный разогрев толщи бетона. При последующем охлаждении наружные слои массива остывают быстрее, чем внутренние, что приводит к возникновению термоупругих напряжений, которые могут привести к образованию трещин.

Один из наиболее перспективных путей решения этой проблемы – использование активных минеральных добавок, которые служат в качестве замены части цемента в составе бетона и, соответственно, уменьшают присущую бездобавочным цементам повышенную теплоту гидратации. Среди таких добавок: зола-унос, доменный гранулированный шлак, микрокремнезем, метакаолин, известняковая мука и др. [2].

Зола-унос с высоким содержанием SiO2 и Al2O3 и низким содержанием CaO является одним из видов пуццолановых материалов, который является достаточно реакционноспособным при смешивании с водой и Ca(OH)2 при комнатной температуре. В некоторых европейских странах достаточно успешно решаются задачи повышения трещиностойкости и долговечности бетона с применением золы-уноса.

Известняковая мука – это своего рода высококачественная и дешевая минеральная добавка. Ее основной компонент – карбонат кальция, СаСО3. Частицы известняка являются нерегулярными и грубыми, что увеличивает адгезию и трение между частицами цемента. Средний размер частиц известнякового порошка, используемого в бетоне, составляет от 1 мм до нескольких десятков миллиметров и даже более. Частицы известняка обладают высокой адсорбционной способностью, схожей с присущей суперпластификаторам, что увеличивает диспергирующую способность бетонной смеси. С другой стороны, частицы известняка часто измельчают более мелко, чем цемент. Следовательно, для теста с порошком известняка требуется больше воды [3].

Микрокремнезем и метакаолин – активные минеральные добавки, содержащие аморфный SiO2. Основной эффект их действия для предотвращения образования трещин – это упрочнение структуры бетона вследствие связывания образующегося при твердении цемента минерала портландита и возникновение новых низкоосновных гидросиликатов кальция. Также из преимуществ использования данных добавок можно выделить их стабилизирующий эффект, то есть способность предотвращать расслоение и водоотделение бетонной смеси.

Доменный гранулированый шлак – одна из наиболее перспективных минеральных, но малоиспользуемых добавок, позволяющая эффективно решать задачи повышения долговечности бетона. Массовое содержание CaO, SiO2 и Al2O3 в нем составляет до 90%. Гранулированный доменный шлак имеет гидравлическую активность более низкую, чем у портландцемента. Истинная плотность шлака составляет приблизительно 2,90 г/смз, а его насыпная плотность изменяется в диапазоне 1200-1300 кг/м3. Поскольку замена цемента шлаком улучшает удобоукладываемость смесей и снижает выбросы CO2, гранулированный доменный шлак активно используют в растворах и бетонах.

Кроме того, его свойства и качественные характеристики достаточно широко изучены специалистами в области бетоноведения. Применение шлака в качестве замены части цемента в составе бетона не только уменьшает трещинообразование, но и увеличивает удобоукладываемость, время схватывания, уменьшает проницаемость бетона, способствует снижению водопоглощения, увеличивает сопротивляемость к проникновению ионов хлора, а также значение рН, повышает коррозионную стойкость, химическую стойкость и удельное электрическое сопротивление.

Библиографический список:
1. Markandeya A., Shanahan N., Gunatilake D. M., Riding K. A., Zayed A. Influence of slag composition on cracking potential of slag-portland cement concrete // Construction and building materials. 2018. Vol. 164. Pp. 820-829.
2. Баженов Ю. М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 500 с.
3. Jiao D., Shi C., Yuan Q., An X., Liu Y., Li H. Effect of constituents on rheological properties of fresh concrete-A review // Cement and Concrete Composites. 2017. Vol. 83. Pp. 146-159.

Источник

Трещиностойкость бетона

Трещиностойкость – это способность железобетона сохранять целостность и оказывать сопротивление образованию трещин в результате возникновения напряженно-деформированного состояния под действием разных нагрузок по характеру и величине. Этот параметр определяется лабораторно для разных марок бетона и типов арматуры.

Причины возникновения трещин

Железобетонные конструкции, изделия и их части могут покрываться трещинами в нескольких случаях:

• Температурные изменения при твердении бетона и в процессе эксплуатации при смене влажности. Особенно опасно возникновение растрескивания в первые дни после формирования конструкции, когда камень набирает прочность. Риску подвержены преимущественно объёмные конструкции – в процессе гидратации цемента выделяется тепло, которое внутри изделия сохраняется, а края остывают при контакте с окружающей средой. Аналогичная ситуация может возникнуть в плоскостенных изделиях. Температурный перепад и есть причина растрескивания поверхности в первые 2-3 недели.
• Усадка защемленных балок, твердеющих в «зажатых» условиях, образуется в виду возникновения растягивающего напряжения, трещиностойкость таких очень мала. Кроме того, бетон расширяется при гидратации, в сочетании с напрягаемой арматурой иногда возникает диссонанс внутренних нагрузок, возникновение трещин неизбежно.

Трещиностойкость бетона предусматривается на этапе проектирования и должна быть скорректирована любым из способов:

• Применение бетона с определенными характеристиками (увеличенная плотность, морозостойкость, влагостойкость и другие подходящие параметры, их можно регулировать введением пластификаторов в раствор или варьированием количества и качества компонентов);
• Организация «комфортных» условий для твердения бетона: своевременный полив, недопущение охлаждения или чрезмерного нагрева свежеуложенного объёма;
• При неизбежности возникновения трещин – правильное проектирование, когда места деформаций выводят искусственно принятием соответствующего армирования. То есть трещины образуются в заранее предусмотренном месте с последующим их устранением (заполнением).

Категории трещиностойкости железобетонных конструкций

СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» определяет 3 категории по требованиям к трещиностойкости в зависимости от условий эксплуатации и вида используемой арматуры:

• Первая кат. – образование трещин недопустимо;
• Вторая кат. – возникновение трещин допускается с ограничением ширины расширения a_crc1 ≤ 0,2 мм с последующим обязательным закрытием;
• Третья кат. допускает образование трещин с непродолжительным a_crc1 и продолжительным a_crc2 ≤0,3мм раскрытием.

Под непродолжительным понимаем раскрытие под совместным действием кратковременных и постоянных длительных нагружений. Продолжительное раскрытие происходит в результате действия длительных постоянных нагрузок без кратковременных.

Категории трещиностойкости железобетонных элементов в условиях неагрессивной среды эксплуатации приведены в таблице 1 СНиПа:

Условия работы изделий	Категория требования к трещиностойкости жб конструкции и максимально допустимая ширина acrc1 и acrc1 раскрытия трещин, в мм, обеспечивающие ограничение проницаемости
1. Конструкции, воспринимающие давление жидкостей и газов при сечении:
полностью растянутом	1-я кат. 1
частично сжатом	3-я кат.; acrc2 = 0,2
2. Элементы, воспринимающие давление насыпных материалов	3-я кат.; acrc2 = 0,2

1 – конструкции и изделия должны быть преимущественно предварительно напряжёнными.

В таблице 2 приведены классы трещиностойкости для сохранения несущей способности арматуры:

Условия эксплуатации конструкций	Категория требования к трещиностойкости жб конструкции и максимально допустимая ширина acrc1 и acrc1 раскрытия трещин, в мм, обеспечивающие сохранность арматуры
	стержневой классов А-I, А-II, А-III, А-IIIв и A-IV; проволочной классов В-I и Вр-I	стержневой классов А-V и АVI; проволочной классов B-II, Вр-II, К-7 и К-19 при диаметре проволоки 3,5 мм и более	проволочной классов В-II, Вр-II и К-7 при диаметре проволоки 3 мм и менее, стержневой класса Ат-VII
1. В закрытом помещении	3-я категория; acrc2 = 0,3	3-я категория; acrc2 = 0,2	3-я категория; acrc2 = 0,1
2. На открытом воздухе, а также в грунте выше или ниже уровня грунтовых вод	3-я категория; acrc2 = 0,3	3-я категория; acrc2 = 0,1	2-я категория; acrc1 = 0,2
3. В грунте при переменном уровне грунтовых вод	3-я категория; acrc2 = 0,2	2-я категория; acrc1 = 0,2	2-я категория; acrc1 = 0,1

Приведенные категории трещиностойкости актуальны для нормальных и наклонных трещин к оси конструкции или элемента.

Расчеты и испытания

Трещиностойкость измеряется в размере нагрузки, при которой образуются первые дефекты поверхности. Это сложные расчеты, в которых используются разные параметры:

• Нагрузки сборные (постоянные, долговременные, кратковременные);
• Ширина трещин;
• Характеристики бетона и арматуры.

Условный показатель коэффициент трещиностойкости определяется в результате испытаний образцов бетонов с разным составом в сухом и водонасыщенном состоянии по ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний». Опыты проводятся в лабораторных условиям с применением прессовой установки.

Для испытания на трещиностойкость используют образцы бетона в нормальном или водонасыщенном состоянии. Их устанавливают на испытательный пресс под углом 90 или 180° к оси нагрузки и создают напряжение.

Расшифровка результатов проводится комплексно на основании пункта 9 ГОСТ 8829-94.

Оценку показателей трещиностойкости принимают по отношению бетонного образца к контрольной нагрузке:

• Для первой категории образец должен выдержать не менее 95% нагрузки до появления первой трещины, для двух образцов – 90%, для трёх – 85%;
• Для второй и третьей категории максимальная ширина раскрытия трещин не должна превышать контрольную, умноженную на коэффициент 1,05 для одного образца, для двух – 1,10, для трёх – 1,15. Кроме того, ширина трещин не должна превышать значение предельно допустимой ширины.

В случае выполнения этих условий испытания считаются проведенными успешно.

Трещиностойкость асфальтобетона

Асфальтобетон – отдельный вид строительного материала, используемый в дорожном строительстве. В виду специфики применения методы испытания и показатели коэффициентов у него определяются индивидуально.

Определение трещиностойкости асфальтобетона осуществляется согласно двух документов: ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов» и ОДМ 218.2.001-2007 «Метод определения трещиностойкости полимерасфальтобетона при отрицательных температурах». Стоит отметить, что оба документа применяются на практике, но по сути содержат один метод, суть которого – определение нижнего температурного порога, при котором возникают трещины на бетоне под определённым прогибом и нагрузкой.

Готовят образцы согласно пункту 7.2.1.3 в количестве 6 штук и металлический шаблон по размеру целой плитки, на металлической подставке помещают их в морозильную камеру и выдерживают при температуре 0±2°С в течение 30 минут. После этого из морозилки достают шаблон, затем по очереди образцы и прикладывают их к шаблону одним концом строго по центру. После этого образец вручную изгибают 2 секунды по шаблону, пока не произойдет их полное соприкосновение. С момента извлечения из морозилки до конца испытания не должно пройти более 6 – 7 секунд.

Процесс повторяют с понижением температуры в камере на 5°С до тех пор, пока на одном из образцов не появятся трещины. Это и есть искомая температура трещиностойкости. Полученные одним лаборантом два результата с применением одного шаблона признают достоверными с вероятность 95%, если температурное расхождение между ними не превышает 5°С.

Источник