Долговечность бетонных конструкций - Строительство и ремонт

Длительный срок службы считается синонимом долговечности. Поскольку долговечность в одних условиях не обязательно означает долговечность в других, при определении долговечности принято включать общую ссылку на окружающую среду. Согласно ACI Committee 201, долговечность портландцементного бетона определяется как его способность противостоять атмосферным воздействиям, химическому воздействию, истиранию или любому другому процессу разрушения; то есть, долговечный бетон сохраняет свою первоначальную форму, качество и работоспособность при воздействии окружающей среды. Ни один материал не является по своей природе прочным; в результате взаимодействия с окружающей средой микроструктура и, следовательно, свойства материалов меняются со временем. Считается, что срок службы материала заканчивается, когда его свойства при данных условиях эксплуатации ухудшаются до такой степени, что дальнейшее использование материала признается небезопасным или экономически нецелесообразным.
Отказы, связанные с материалами
Ухудшение бетона может быть вызвано:
– Использование неподходящих материалов.
– Плохая строительная практика.
Экологические причины проблем долговечности бетона
Низкие характеристики долговечности бетона могут быть вызваны окружающей средой, воздействию которой подвергается бетон. Следующие условия окружающей среды могут повлиять на долговечность бетона:
– Температура.
– Влага.
– Физические факторы.
– Химические факторы.
– Биологические факторы.
Эти факторы могут быть вызваны погодными условиями (изменения температуры и влажности), а также истиранием, воздействием природных или промышленных жидкостей и газов, или биологических агентов.
Проблемы долговечности, связанные с экологическими причинами, включают следующие: коррозия стали, расслоение, растрескивание, карбонизация, сульфатная атака, химическая атака, накипь, откол, истирание и кавитация.
Размерная стабильность
Влияние усадки и ползучести на растрескивание бетона: в условиях сдерживания в бетоне взаимодействие между упругими растягивающими напряжениями, вызванными усадочными деформациями, и снятием напряжений вследствие вязкоупругого поведения лежит в основе деформаций и растрескивания в большинстве конструкций.
Чтобы понять причину, по которой бетонный элемент может не треснуть вообще или треснуть, но не сразу после воздействия окружающей среды, необходимо рассмотреть, как бетон реагирует на длительное напряжение или на длительную деформацию. Явление постепенного увеличения деформации с течением времени при заданном уровне постоянного напряжения называется ползучестью. Явление постепенного уменьшения напряжения со временем при заданном уровне постоянной деформации называется релаксацией напряжения.
Оба проявления характерны для вязкоупругих материалов. Когда бетонный элемент сдерживается, вязкоупругость бетона проявляется в постепенном уменьшении напряжения со временем (рис. 4-1 кривая b из учебника Мехта). Таким образом, в условиях сдерживания бетона взаимодействие между упругими растягивающими напряжениями, вызванными усадочными деформациями, и снятием напряжений вследствие вязкоупругого поведения лежит в основе деформаций и трещин в большинстве конструкций.

Термическая усадка
В общем случае твердые тела расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Деформация, связанная с изменением температуры, зависит от коэффициента теплового расширения материала и величины понижения или повышения температуры. За исключением экстремальных климатических условий, обычные бетонные конструкции практически не страдают от изменения температуры окружающей среды. Однако в массивных конструкциях сочетание тепла, выделяемого при гидратации цемента, и относительно плохих условий теплоотдачи приводит к значительному повышению температуры бетона в течение нескольких дней после укладки. Последующее охлаждение до температуры окружающей среды часто приводит к растрескиванию бетона. Поскольку основной задачей при проектировании и строительстве конструкций из массового бетона является то, чтобы готовая конструкция оставалась монолитом, не имеющим трещин, предпринимаются все усилия для контроля повышения температуры путем выбора соответствующих материалов, пропорций смеси, условий твердения и методов строительства.
Для материалов с низкой прочностью на растяжение, таких как бетон, более важна усадочная деформация при охлаждении, чем расширение от тепла, выделяемого при гидратации цемента. Это связано с тем, что в зависимости от модуля упругости, степени ограничения и релаксации напряжений вследствие ползучести, возникающие растягивающие напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать растрескивание.
Например, если предположить, что коэффициент теплового расширения бетона составляет 10 × 10?6 на °C, а повышение температуры над окружающей средой от теплоты гидратации составляет 15 °C, то тепловая усадка, вызванная понижением температуры на 15 °C, составит 150 × 10?6. Модуль упругости (E) обычного бетона можно принять равным 3 × 106 psi. Если бетонная конструкция полностью напряжена (Dr = 1), то при охлаждении возникает растягивающее напряжение 450 фунтов на кв. дюйм. Поскольку упругая прочность на растяжение обычного бетона обычно меньше 450 фунтов на квадратный дюйм, то при отсутствии облегчения вследствие релаксации напряжений он, скорее всего, треснет.
Факторы, влияющие на термические напряжения
Степень ограничения (Кр ) . Бетонный элемент, если бы он мог свободно перемещаться, не имел бы развития напряжений, связанных с тепловой деформацией при охлаждении. Однако на практике бетонная масса будет сдерживаться либо снаружи скальным фундаментом, либо изнутри дифференциальными деформациями в различных областях бетона из-за наличия температурных градиентов.
Например, если предположить, что фундамент жесткий, то на границе раздела бетон-скала будет полное сдерживание (Кр = 1,0), однако, по мере увеличения расстояния до границы раздела, сдерживание будет уменьшаться, как показано на следующем рисунке (из учебника Мехта).

Изменение температуры. Гидратация цементных соединений включает в себя экзотермические реакции, которые выделяют тепло и повышают температуру бетонной массы. Нагрев вызывает расширение, а расширение под действием ограничений приводит к возникновению сжимающего напряжения. Однако в раннем возрасте модуль упругости бетона низкий, а релаксация напряжений высокая, поэтому сжимающее напряжение будет очень маленьким, даже в зонах полного ограничения. При проектировании в целях консервативности предполагается, что начальное сжатие отсутствует.

Тепловые свойства бетона
Коэффициент теплового расширения определяется как изменение единичной длины на градус изменения температуры. Выбор заполнителя с низким коэффициентом теплового расширения, когда это экономически целесообразно и технологически приемлемо, при определенных условиях может стать решающим фактором для предотвращения трещин в массовом бетоне. Это объясняется тем, что деформация термической усадки определяется как величиной перепада температур, так и линейным коэффициентом теплового расширения бетона; последний, в свою очередь, контролируется в основном линейным коэффициентом теплового расширения заполнителя, который является основным компонентом бетона.
Зарегистрированные значения линейного коэффициента теплового расширения для насыщенных портландцементных паст с различным соотношением вода/цемент, для растворов, содержащих 1:6 цемент/природный кварцевый песок, и для бетонных смесей с различными типами заполнителей составляют приблизительно 18, 12 и от 6 до 12 × 10?6 на °C, соответственно. Коэффициент теплового расширения широко используемых пород и минералов варьируется от примерно 5 × 10?6 на °C для известняков и габбро до 11 – 12 × 10?6 на °C для песчаников, природного гравия и кварцита. Поскольку коэффициент теплового расширения можно оценить по средневзвешенному значению компонентов, предполагая 70-80% заполнителя в бетонной смеси, расчетные значения коэффициента для различных типов пород (как крупный, так и мелкий заполнитель из одной и той же породы) показаны на рис. 4-24. Данные на рисунке довольно близки к экспериментально измеренным значениям термических коэффициентов, о которых сообщается в опубликованной литературе для бетона, испытанного во влажном состоянии, что является показателем состояния типичного массового бетона.
Удельное тепло определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры единицы массы материала на один градус. Удельная теплоемкость бетона нормальной массы не сильно зависит от типа заполнителя, температуры и других параметров. Обычно значения удельной теплоемкости находятся в диапазоне от 0,22 до 0,25 БТЕ/фунт/Ф.
Теплопроводность дает поток, проходящий через единицу площади материала при единичном градиенте температуры. Теплопроводность бетона зависит от минералогических характеристик заполнителя, а также от содержания влаги, плотности и температуры бетона. Типичные значения теплопроводности для бетонов, содержащих различные типы заполнителей, находятся в диапазоне 23-25 25 БТЕ в час.фут2.F.
Растяжимость и растрескивание
Как было сказано ранее, основное значение деформаций, вызванных приложенным напряжением, а также тепловым и влажностным воздействием в бетоне, заключается в том, приведет ли их взаимодействие к образованию трещин. Таким образом, величина усадочной деформации является лишь одним из факторов, определяющих растрескивание бетона. Из 4-1 видно, что другими факторами являются:
– Модуль упругости. Чем ниже модуль упругости, тем меньше будет величина индуцированного упругого растягивающего напряжения для данной величины усадки.
– Ползучесть. Чем выше ползучесть, тем выше степень релаксации напряжений и ниже чистое растягивающее напряжение.
– Прочность при растяжении. Чем выше прочность на растяжение, тем ниже риск того, что растягивающее напряжение превысит прочность и растрескается материал.
Сочетание факторов, которые желательно использовать для снижения вероятности появления трещин в бетоне, можно описать одним термином, который называется растяжимость. Считается, что бетон имеет высокую степень растяжимости, если он может быть подвергнут большим деформациям без образования трещин. Очевидно, что для минимального риска возникновения трещин бетон должен не только подвергаться меньшей усадке, но и иметь высокую степень растяжимости (т.е. низкий модуль упругости, высокую ползучесть и высокую прочность на растяжение).
В целом, высокопрочные бетоны более склонны к образованию трещин из-за большей усадки и меньшей ползучести; с другой стороны, низкопрочные бетоны склонны к образованию трещин меньше, вероятно, из-за меньшей усадки и большей ползучести.

Читайте далее: