Существующие зависимости оценки и прогнозирования карбонизации бетона, основанные на фенолфталеиновом тесте (ФФТ) и Первом законе Фика, для различных классов бетона по прочности на сжатие, параметров бетонной смеси и эксплуатационных условий, предложенные многочисленными авторами, не позволяют объективно оценивать и прогнозировать карбонизацию бетона [1, 2 и др.], состояние защитных свойств по отношению к стальной арматуре, коррозионное состояние бетона и стальной арматуры [3–5 и др.], что, по результатам многолетних исследований, подробно объяснено автором в [6].

Задачей исследований явилась оценка коррозионной способности бетона класса по прочности на сжатие С20/25, поскольку железобетонные элементы, выполненные из такого бетона (М350), массово эксплуатируются различные длительные сроки в разных воздушных средах, что обуславливает необходимость объективной оценки их долговечности.

Материалы и методы исследования

С использованием методов анализа в исследовании проводится оценка максимальных показателей карбонизации бетона класса по прочности на сжатие С20/25 для различных эксплуатационных условий.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам многолетних исследований в лаборатории реакции карбонизации, образцов бетона, отобранных из бетонных элементов и конструкций, сразу после изготовления, длительно эксплуатируемых в различных атмосферных средах, предложена и апробирована методика исследований, позволяющая объяснить «механизм» карбонизации бетона, соответственно, разработать и внедрить методики оценки и прогнозирования изменения во времени защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре, состояния стальной арматуры, комплексный метод оценки и прогнозирования технического состояния железобетонных элементов и конструкций с учетом карбонизации бетона [6]. Предлагаемые методики оценки карбонизации и ее влияния на изменение защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре основаны на определении карбонатной составляющей цементно-песчаной фракции бетона (показателя КС) – количества (в массовых процентах) образовавшегося карбоната кальция (СаСО3) в цементно-песчаной фракции бетона по сечению бетона, что, в отличие от существующей оценки, основанной на определении количества поглощенного углекислого газа воздуха (СО2), позволяет напрямую оценивать количество созданных карбонатов и их влияние на изменение показателя рН (водородного показателя водной вытяжки цементного камня), основного показателя, определяющего состояние защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре. Экспресс-метод определения показателей КС разработан автором и представлен в [7].

Оценка карбонизации по количеству образовавшихся карбонатов подразумевает определение параметров карбонизации бетона и их граничных значений. В работе [6] предложено граничным значением карбонизации считать ее предельную величину. Предельная величина карбонизации (ПВК) оценивает содержание карбонатов в бетоне в массовых процентах при условии, что весь оксид кальция (СаО) цемента полностью перейдет в карбонат кальция (СаСО3). Показатель ПВК определяется для цементно-песчаной фракции бетона в соответствии с методикой [6].

Для расчета предельных величин карбонизации исследовали бездобавочные бетоны различных составов (марок по удобоукладываемости П1…П5 (ОК = 1…25 см) и Ж1…Ж4 (5…40 с)) для класса бетона по прочности на сжатие С20/25. Составы бетона рассчитывали на основе многофакторного метода профессора В.В. Бабицкого [8]. При назначении компонентов бетонной смеси принимали портландцемент ПЦ 500 Д0 (ОАО «Белорусский цементный завод»), с содержанием СаО = 0,66, (НГ = 26,5 %).

Значения ПВК определяли для отпускных прочностей бетона R = 70, 80, 90 и 100 %. Для каждого значения отпускной прочности расчет ПВК выполняли по 61 составу бездобавочного бетона. Таким образом, для расчета ПВК было использовано 244 состава.

Так как именно количество использованного цемента в первую очередь определяет глубину, скорость и интенсивность карбонизации, в табл. 1 приведены граничные значения количества цемента и В/Ц для исследуемого класса бетона по прочности на сжатие соответственно для составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4.

По результатам анализа значений ПВК для каждого состава бетона и каждого значения отпускной прочности были получены зависимости ПВК = f (Ц) для каждого класса бетона по прочности на сжатие составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4.

Таблица 1

Граничные значения количества цемента и В/Ц для бетона класса по прочности на сжатие С20/25, составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4

Таблица 2

Зависимости ПВК = f (Ц) для различных граничных значений отпускной прочности бетона составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4

Зависимости ПВК = f (Ц) принимали линейными, что абсолютно приемлемо, поскольку для них коэффициент детерминации составил R2 = 0,9978…0,9993.

В общем виде зависимость ПВК = f (Ц) для любого граничного значения отпускной прочности:

ПВК = k1Ц + k2 , (1)

где ПВК, %; k1 и k2 – коэффициенты: k1, (%?м3)/кг, k2, %; Ц – содержание цемента, кг/м3.

Путем их анализа и интерполяции значений для граничных значений отпускной прочности, получили зависимости ПВК = f (Ц, R), в общем виде:

ПВК = k3Ц + k4,

k3 = k5R + k6 , k4 = k7R + k8 , (2)

где k3–k8 – коэффициенты.

На основании анализа зависимостей (табл. 1 и 2) полученные коэффициенты:

– для составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5:

k3 = –0,0003R + 0,0842, (%?м3)/кг;

k4 = 0,1143R + 0,6864, % (3)

– для составов смесей марок по удобоукладываемости Ж1…Ж4:

k3 = –0,0004R + 0,1161, (%?м3)/кг;

k4 = 0,1015R + 5,316, % (4)

Таким образом, для бетона класса по прочности на сжатие С20/25 составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5:

ПВК = (–0,0003R + 0,0842)Ц +

+(0,1143R + 0,6864); (5)

для составов смесей марок по удобоукладываемости Ж1…Ж4

ПВК = (–0,0004R + 0,1161)Ц

+ (0,1015R + 5,316). (6)

Значения ПВК определяются из условия, что степень гидратации цемента составляет 100 % (α = 1). Однако даже при самых длительных сроках эксплуатации α < 1, поэтому максимальные величины карбонизации необходимо оценивать с учетом степени гидратации цемента. Начальная максимальная величина карбонизации бетона (МВКн) определяется сразу после изготовления бетона; эксплуатационная (МВКэ) – с учетом изменения во времени и условий эксплуатации.

Максимальная начальная карбонизация бетона, в общем виде:

(7)

где – степень гидратации цемента в возрасте 28 суток, д. ед.

Степень гидратации цемента и ее изменение во времени вычисляли по зависимостям профессора В.В. Бабицкого [8].

Степень гидратации цемента в возрасте 28 суток твердения, %,

при Х ≤ 1,65

(8)

где Х – относительное водосодержание цементного теста.

(9)

где В/Ц – водоцементное отношение, д. ед.; НГ – нормальная густота, %.

С учетом данных табл. 2, для бетона класса по прочности на сжатие С20/25, зависимость = f (R) для составов бетонной смеси марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4

(10)

Таким образом, с учетом преобразований,

– для составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 максимальная начальная карбонизация бетона, %:

(11)

– для составов смесей марок по удобоукладываемости Ж1…Ж4:

(12)

Увеличение степени гидратации цемента с течением времени:

, (13)

где τ – время твердения цементного камня (бетона), месяцы; φ – относительная влажность воздуха среды, доли единицы.

С учетом многолетних обследований зданий и сооружений [6] принято φ = 0,80 для условий общественных (промышленных с неагрессивной или малоагрессивной эксплуатационной средой) зданий, φ = 0,85 – условий открытой атмосферы, φ = 0,95 – условий сельскохозяйственных зданий.

Максимальная эксплуатационная величина карбонизации бетона, %:

МВКЭ = ПВК ? α, (14)

Для каждого граничного значения отпускной прочности бетона и крайних значений содержания цемента были получены зависимости МВКЭ = f (Ц, R, t). После преобразования, полученные зависимости МВКЭ = f (Ц, R, t) для различных марок смесей по удобоукладываемости приведены в табл. 3 и 4.

В общем виде зависимость МВКэ = f (Ц, R, t):

(15)

где k1–k12 – коэффициенты.

Рассчитанные по результатам анализа зависимостей (табл. 3 и 4) коэффициенты представлены в табл. 5 и 6.

Таблица 3

Зависимости МВКэ = f (Ц, R) для граничных значений отпускной прочности бетона составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5

Таблица 4

Зависимости МВКэ = f (Ц, R) для граничных значений отпускной прочности бетона составов смесей марок по удобоукладываемости Ж1…Ж4

Таблица 5

Коэффициенты k1–k4 для составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5

Таблица 6

Коэффициенты k1–k4 для составов смесей марок по удобоукладываемости ПЖ…Ж4

Таким образом, для бетона класса по прочности на сжатие С20/25 составов смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 эксплуатационных условий открытой атмосферы:

(16)

– условий общественных зданий:

(17)

– условий сельскохозяйственных зданий:

(18)

Для бетона класса по прочности на сжатие С20/25 составов смесей марок по удобоукладываемости Ж1…Ж4 эксплуатационных условий открытой атмосферы:

(19)

– условий общественных зданий:

(20)

– условий сельскохозяйственных зданий:

(21)

Результаты анализа зависимостей (16)–(21) показывают, что для бездобавочного бетона класса по прочности на сжатие С20/25 для смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 при эксплуатации 50 лет в условиях открытой атмосферы, при изменении содержания цемента (Ц = 306…558 кг/м3 ) до 58,3 %, значения максимальной эксплуатационной величины карбонизации (МВКэ = 22,19…32,34 %) – до 37,2 %; в условиях общественных зданий (МВКэ = 21,89…31,95 %) – до 37,4 %; в условиях зданий сельскохозяйственного назначения (МВКэ = 22,76…33,52 %) – до 38,2 %.

Для смесей марок по удобоукладываемости Ж1…Ж4 при эксплуатации 50 лет в условиях открытой атмосферы, при изменении содержания цемента (Ц = 266…396 кг/м3 ) до 39,3 %, значения максимальной эксплуатационной величины карбонизации (МВКэ = 19,49…25,93 %) – до 28,4 %; в условиях общественных зданий (МВКэ = 19,24…25,48 %) – до 27,9 %; в условиях зданий сельскохозяйственного назначения (МВКэ = 19,99…26,01 %) – до 26,2 %.

Выводы

1. Полученные результаты показывают, что максимальная карбонизируемость бетона зависит от его состава (в первую очередь – от количества использованного цемента) и эксплуатационных условий.

2. Для бетона одного класса по прочности на сжатие, в пределах одной отпускной прочности, как для подвижных, так и для жестких смесей максимальная карбонизируемость значительно отличается.

3. Полученные результаты исследований позволяют уже на стадии проектирования бетонных и железобетонных элементов оценивать коррозионную способность бетона по принятому (рассчитанному) составу бетона и прогнозировать его максимальное коррозионное состояние.