Научный журнал

Научное обозрение. Технические науки

ISSN 2500-0799

ПИ №ФС77-57440

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Васильев А.А. 1

---

1 Белорусский государственный университет транспорта

Выполнено исследование коррозионных показателей карбонизации бетона класса по прочности на сжатие С20/25. На основании предложенной методики оценки предельной величины карбонизации (ПВК) предложены методы оценки и прогнозирования максимальных величин начальной (МВКн) и эксплуатационной (МВКэ) величин карбонизации бетона. Подобраны составы бездобавочных бетонных смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4 для класса бетона по прочности на сжатие С20/25. По результатам анализа составов бетона смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4 получены зависимости предельной величины карбонизации бетона от количества использованного цемента и отпускной прочности бетона. На основании полученных зависимостей выведены зависимости начальной максимальной величины карбонизации бетона от количества использованного цемента и отпускной прочности бетона и изменения во времени эксплуатационной максимальной величины карбонизации от количества использованного цемента, отпускной прочности и планируемых эксплуатационных условий для смесей марок по удобоукладываемости П1…П5 и Ж1…Ж4. Выполнен анализ величин предельной карбонизации бетона от количества использованного цемента и максимальной эксплуатационной величины карбонизации бетона для различных эксплуатационных условий при длительности проектной эксплуатации 50 лет для разных марок бетонной смеси по удобоукладываемости.

Статья в формате PDF

438 KB

бетон

карбонизация

предельная величина карбонизации

максимальная величина карбонизации

1. Czarnecki L., Woyciechowski P. Modelling of concrete carbonation; is it a process unlimited in time and res-tricted in space? Bulletin of the Polish academy of sciences technical sciences. 2015. Vol. 63. No 1. P. 43–54.

2. Карапетов Э.С., Шестовицкий Д.А. Прогноз срока службы железобетонных мостов на основе модели процесса карбонизации защитного слоя // Современные технологии – транспорту: Известия Петербургского университета транспорта. 2016. № 1. С. 14–24.

3. Haselbach L. and Thomas A. Carbon sequestration in concrete sidewalk. Construction and Building Materials. 2014. Vol. 54. P. 47–52.

4. Zhiguon N., Ri Y. Experimental Investigation of Concrete Carbonation under Different Condition. Study of Civil Engineering and Architecture (SCEA). 2013. Vol. 2. No 4. P. 114–117.

5. Morandeau A., Thiery M., Dangla P. Investigation of the carbonation mechanism of CH and CSH in terms of kinetics, microstructure changes and moisture properties. Cem. Concr. Res. 2014. P. 153–170.

6. Васильев А.А. Оценка и прогнозирование технического состояния железобетонных конструкций с учетом карбонизации бетона: монография. Гомель, 2019. 215 с.

7. Васильев А. А. Экспресс-метод определения карбонатной составляющей (показателя КС) цементно-песчаной фракции бетона // «European Research»: сборник статей XXII Международной научно-практической конференции. Пенза: Издательство МЦНС «Наука и просвещение», 2019. С. 29–34.

8. Бабицкий В.В. Структура и коррозионная стойкость бетона и железобетона: дис. … докт. техн. наук. БНТУ. Минск, 2005. 540 с.

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.

Библиографическая ссылка