2.3. Разрушения бетона в опорах и фундаментах, вызванные попеременным замораживанием и оттаиванием

В тех частях конструкций, где бетон находится в сильно увлажненном или водонасыщенном состоянии и подвергается частому замораживанию и оттаиванию, происходит снижение его прочности, т. е. так называемое морозное разрушение. В фундаментах и опорах открытого профиля такие условия имеются в зоне, расположенной несколько выше уровня грунта. В опорах кольцевого сечения, изготовленных без вентиляционных отверстий, бетон в сильно увлажненном состоянии находится во внутренних слоях по толщине стенок между уровнем грунта и пятой консоли.

Рассмотрим механизм морозного разрушения бетона, оценим, в каких условиях и где территориально можно ожидать большие морозные разрушения опор и фундаментов.

В результате проведенных исследований установлены основные факторы, от которых зависит морозостойкость бетона. К ним относятся структура и плотность бетона, степень водонасыщения и химический состав растворенных веществ, температура замораживания и скорость ее понижения. Изучено влияние водоцементного отношения, минерального и вещественного состава цемента, вида и крупности заполнителей, разного рода добавок в бетоны, условий твердения и других факторов. В последние годы проведены большие работы по оценке влияния механических напряжений на морозостойкость бетона.

В результате проведенных работ показано, что морозные разрушения носят усталостный характер. Основные причины возникновения усталостных явлений определяются воздействием одного из следующих факторов или группы их:

гидростатического давления воды при образовании льда в замкнутых полостях;

гидравлического давления воды в порах бетона, возникающего перед перемещающимся фронтом замерзания;

кристаллизационного давления, вызванного переходом солей в гидратные соединения;

разности коэффициентов температурного расширения составных частей бетона.

В результате многократного замораживания и оттаивания бетон снижает свои прочностные характеристики, расслаивается. Наибольшее влияние на долговечность его оказывает структура, вид напряженного состояния, состав растворенных в воде солей.

Элементарные представления о разрушении бетона кристаллизующимся в порах его льдом в результате увеличения объема воды на 9% при переходе ее в твердое состояние не являются достаточно обоснованными. Сильно развитая система сообщающихся пор з цементном камне и наличие капилляров малого диаметра дают основание считать, что при образовании льда незамерзшая в них вода будет отжиматься и перед фронтом замерзания должна идти волна повышенного давления воды в пространстве между составляющими цементного камня. Причем наиболее длительное время будут фильтровать воду капилляры малых размеров, в которых она замерзает, как показали многочисленные исследования и расчеты [18, 30], при температуре значительно ниже 0° С.

При продвижении фронта замерзания вода в мелких порах и капиллярах может остаться в переохлажденном состоянии и не превратиться в лед, создавая гидравлические давления в узких щелях между кристаллическими образованиями цементного камня и приводя к разрушению его структуры. Чем интенсивнее будет проходить процесс замораживания, тем больше останется в порах воды, не успевшей отфильтроваться, и тем быстрее пойдет разрушительный процесс.

На скорость и механизм морозного разрушения бетона оказывает влияние степень водонасыщения пор бетона [30]. Если в процессе эксплуатации конструкций часть пор не будет заполнена водой, то отжимаемая льдом вода заполнит свободное пространство и больших механических напряжений в бетоне не возникнет.

Для каждого бетона в зависимости от его структуры и температурных условий эксплуатации может быть определено свое критическое водонасыщение, при котором обнаруживается снижение прочности его. Значение этой величины колеблется в пределах 0,6-0,9 полного водонасыщения бетона.

Характерным для морозного разрушения бетона является то, что количество разрывов между сростками цементного камня увеличивается постоянно по мере нарастания количества циклов замораживания-оттаивания. В каждом единичном цикле [39], разрушение микроструктуры происходит в ограниченных пределах, так как с развитием трещин между сростками резко падает давление в объеме воды из-за малой ее сжимаемости. Поэтому за один цикл замораживания и оттаивания магистральных трещин почти не развивается. Они образуются постепенно. В итоге многократного замораживания увеличивается объем бетона. Следствием этого является уменьшение прочностных свойств бетона.

Разрушительный процесс значительно ускоряется (более чем в 2 раза) в том случае, если насыщение бетона происходит не пресной водой, а солевыми растворами [18], в частности морской водой, грунтовыми минерализованными водами. Это явление с механической точки зрения объяснено А. М. Подвальным [39]. Им показано, что по мере охлаждения солевого раствора в нем повышается концентрация соли (в результате выкристаллизовывания из раствора пресного льда) и понижается температура жидкой фазы. Это приводит к увеличению вязкости жидкой фазы в порах цементного камня, уменьшению количества отфильтровывающейся жидкости, повышению давления ее в системе пор и капилляров, ускорению разрушительного процесса. Эффект повышения вязкости почти отсутствует при замерзании в бетоне пресной воды.

Вязкость повышается, с одной стороны, вследствие образования в жидкой фазе крупных и мелких кристаллов льда, а с другой - вследствие повышения плотности раствора при вымораживании из него пресной воды. В зависимости от того, как будет фильтровать система капилляров отжимаемую из пор воду, какова температура замерзания ее и скорость продвижения фронта отрицательной температуры в бетоне, образуется равномерно распределенная по объему или слоистая структура льда. Это в свою очередь определит и характер разрушения бетона.

Сильное влияние на понижение температуры замерзания Жидкой фазы оказывают содержащиеся в природных водах и особенно в морской воде хлориды и сульфаты. Вода с растворенным в ней хлоридом натрия начинает замерзать при температуре около -2° С. Для каждой концентрации раствора характерна своя форма перехода в твердое состояние и своя температура замерзания [18], как показано на рис. 2.3. При этом возможно образование двух видов льда. Если концентрация соли .низкая, вымораживание идет в виде твердой фазы лед-соль, состоящей из связанных между собой кристаллических решеток, содержащих соль в интеркристаллической структуре. При средней и высокой концентрации соли в растворе вырастают крупные и мелкие кристаллы льда, т. е. образуется суспензия кристаллов льда в жидкой фазе.

Рис. 2.3. Диаграмма замерзания растворов NaCl [23]: 1 - лед + эвтектическая смесь; 2 - лед; 3 - раствор; 4 - NaCl-2H₂O + раствор; 5 - NaCl-2H₂O + эвтектическая смесь

Растворы NaCl в воде окончательно переходят в твердую фазу при температуре -22,4° С.

При одновременном нахождении в растворах нескольких солей отмечается их взаимное влияние. Ход кривых замораживания изменяется то сравнению с указанным. Например, в морской воде, содержащей соли магния, натрия, кальция, а также сульфаты, конечная точка существования жидкой фазы соответствует температуре - 33,6° С.

Выкристаллизовывание солей из раствора морской воды сопровождается связыванием ими молекул воды и образованием таких соединений, как Na₂SO₄•10H₂O, NaCl•2H₂O, MgCl₂ X 12H₂O. Эти кристаллогидраты имеют более рыхлую структуру, чем входящие в их состав компоненты. Поэтому при низких отрицательных температурах возникает кристаллизационное давление солей в порах цементного камня.

Увеличение количества твердой фазы при понижении температуры показано на рис. 2.4, из которого видно, что к температуре -20°С из морской воды выделится более 85% льда. Как отмечает Ф. М. Иванов [18], основную роль при замерзании морокой воды в порах цементного камня играют процессы в системе NaCl-H₂O.

Рис. 2.4. Относительное количество льда V, выделяющегося из морской воды при охлаждении

При охлаждении морской воды в первую очередь 6 будет образовываться лед в крупных порах, а в более мелкие поры и капилляры попадет концентрированный раствор солей, где вступит во взаимодействие с цементным камнем. Основные реакции будут происходить в зонах срастания микрокристаллов гидратированных минералов цемента.

Из рассмотренных видов механического воздействия воды на стенки пор и капилляров (Наибольшее влияние оказывает, как считают большинство исследователей, гидравлическое давление.

К нарушению связей между составными частями цементного камня (на микроуровне), а также между цементным камнем, заполнителями и арматурой (на макроуровне) приводит также различие в температурных деформациях их. Причем в наибольшей степени отличаются деформации насыщенного водой цементного камня от деформаций арматуры и заполнителей (рис. 2.5). В интервале температур от -10 до -45° С они даже меняют знак. Если с понижением температуры сталь и заполнители бетона продолжают сокращаться, то насыщенный водой цементный камень увеличивается в объеме. Происходит это вследствие аномального поведения воды, заполняющей поры и капилляры.

Рис. 2.5. Схема температурных деформаций компонентов бетона и железобетона [40]: 1 - строительная сталь; 2 - сухой бетон; 3 - граниты и известняки; 4 - насыщенный водой тяжелый бетон; 5 - то же цементно-песчаный раствор; 6 - то же цементный камень; 7 - насыщенный водой тяжелый бетон с добавкой ГКЖ-94

Наибольшие напряжения между составляющими железобетона возникают в интервале температур от -17 до -50° С. Как отмечают многие исследователи, именно в этом диапазоне и наблюдаются наибольшие разрушения бетона.

Приложение к бетону внешних сил создает напряженное поле, с которым внутренние напряжения температурного характера складываются по значению и знаку. При этом разрушение бетона сильно ускоряется [30, 34, 35]. Установлено, что напряжения сжатия в пределах 0,2-0,3 R_пр (для бетонов без добавок, испытываемых в морской воде) способствуют увеличению морозостойкости. При напряжениях 0,4-0,5 R_пр морозостойкость нагруженного и незагруженного бетона совпадает, а при Дальнейшем увеличении нагрузки понижается. При улучшении структуры бетона, например благодаря введению воздухововлекающих добавок, можно допустить большую степень нагружения бетона (до 0,6 R_пр) без снижения морозостойкости его.

Растягивающие напряжения в бетоне снижают его морозостойкость. Резкое уменьшение прочностных свойств бетона в результате попеременного замораживания и оттаивания происходит в тех случаях, когда растягивающие напряжения превышают 0,1-0,25 R_р.

При замораживании бетона, насыщенного растворами солей, механическое нагружение его проявляется в большей степени и указанные "пороговые" напряжения уменьшаются.

Снижение морозостойкости бетона при действии на него внешних механических нагрузок связывают с установленными О. Я. Бергом с сотрудниками пределами микротрещинообразования (R⁰_т) и видимых трещин (R_т). Большую морозостойкость имеют бетоны, обжатые до напряжений, не превышающих границу микротрещинообразования R⁰_т, которая по О. Я. Бергу составляет 0,38-0,42 R_пр (для бетонов марок М400-600).

Замораживание воды в микро- и макротрещинах приводит к увеличению их развития в результате расклинивающего действия воды аналогично тому, как это происходит в мелких порах и капиллярах.

С учетом того что нагружение бетона снижает морозостойкость бетона, естественно предположить, что в свою очередь при попеременном замораживании и оттаивании должны снижаться и сами пределы микротрещинообразования.

Рассматривая роль механических напряжений по повышению скорости морозного разрушения бетона, необходимо отметить, что в струнобетонных опорах усилия обжатия бетона предварительно напряженной арматурой чрезвычайно высоки. Они в опорах мощностью 59-79 кН•м составляют 0,3-0,5 проектной призменной прочности бетона. Это, безусловно, оказывает отрицательное воздействие на долговечность конструкций.

Совместное воздействие попеременного замораживания и оттаивания, механических напряжений и химически активных сред оказывает на бетон разрушающее действие, эффект которого превосходит простую сумму этих воздействий.

Многообразие воздействий проявляется в различных формах морозного разрушения бетона. Среди них необходимо выделить:

поверхностное разрушение, начинающееся в виде шелушения поверхности бетона и развивающееся в дальнейшем в виде отслаивания;

постепенное разрыхление бетона, которое сопровождается увеличением его объема, повышением водопоглощения, снижением прочности и модуля упругости.

Часто расслаивание и разупрочнение бетона в железобетонных опорах происходит одновременно. В большей степени расслаивание наблюдается у опор кольцевого сечения, изготовляемых методом центрифугирования, а разупрочнение и обнажение заполнителя - у опор и фундаментов, изготовляемых из вибрированного бетона (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Повреждение бетона в фундаменте опоры гибкой поперечины под воздействием мороза

К числу морозных разрушений бетона следует отнести также и наблюдаемое в некоторых случаях "выветривание" цементного камня с обнажением мелкого и крупного заполнителя (рис. 2.7). Происходит это из-за попеременного замораживания и оттаивания бетона, намокающего в результате выпадения атмосферных осадков. Но этот вид разрушения, хотя и встречается довольно часто, серьезной опасности для опор не представляет. Появление поверхностных разрушений в некоторой степени указывает на пониженную плотность бетона.

Рис. 2.7. Повреждение бетона в центрифугированной опоре вследствие попеременного замораживания и оттаивания

Из всех видов морозного разрушения бетона к наиболее опасным последствиям приводит разрушение его во внутренних слоях стенок центрифугированных опор. Следствием этого будет коррозия арматуры и потеря сцепления ее с бетоном. Причем обнаружить такие повреждения довольно трудно, так как внешних признаков на поверхности опор может и не быть.

Основными причинами ускоренного морозного разрушения бетона во внутренних слоях стенок опор кольцевого сечения являются повышенная влажность и пористость. Внутренний слой толщиной 0,5-2 см, как правило, представляет собой цементно-песчаный раствор. Крупный и мелкий заполнитель при центрифугировании перемещается к наружным стенкам [5].

В большей степени расслаиваются при центрифугировании пластичные бетонные смеси. Чаще всего из них и формуют опоры. Такие смеси укладывать легче, они быстрее растекаются при центрифугировании, лучше заполняют пространства между арматурой. Следствием расширения внутренних слоев бетона могут быть трещины в наружных слоях, чаще всего продольные. Но возникают они не только по этой причине и служить надежным признаком неблагополучного состояния бетона во внутренних слоях не могут.

Некоторым качественным показателем разрушения бетона может быть издаваемый им при простукивании глухой звук. Но таким способом удается определить наличие разрушений только в наружных слоях. Он может быть применен при оценке состояния бетона в опорах открытого профиля и в фундаментах. Для диагностики бетона опор кольцевого сечения с максимальными разрушениями его внутри необходимо развивать приборные методы. Один из них может быть построен на использовании ультразвуковой аппаратуры, позволяющей улавливать отраженные сигналы.

Опасное разупрочнение и расслоение бетона у опор контактной сети отмечается еще не очень часто. По этой причине заменено небольшое количество опор на Восточно-Сибирской, Свердловской и Куйбышевской дорогах. Недоучет опасности морозных разрушений бетона привел к быстрому разрушению в первые годы электрификации фундаменты консольных металлических опор на Западно-Сибирской и Южно-Уральской дорогах, которые изготовлялись тогда из малопрочного бетона марки М110. Наблюдаются случаи морозного разрушения бетона у двутавровых опор из вибрированного бетона, эксплуатируемых на Куйбышевской, Октябрьской и Донецкой дорогах. Из-за морозного разрушения заменены многие бутобетонные фундаменты металлических опор на Октябрьской дороге (под Ленинградом).

В дальнейшем этот вид разрушения будет иметь более широкое распространение и в первую очередь в районах с резко континентальным климатом. Наибольшие разрушения произойдут в тех частях конструкций, которые сильно увлажнены и подвергаются в таком состоянии периодическому замораживанию.

Радикальных мер повышения морозостойкости бетона в процессе эксплуатации пока не предложено. Они должны предприниматься на стадии изготовления конструкций в основном посредством подбора состава бетона.