Повышение стойкости железобетонных морских гидротехнических сооружений в условиях влажного жаркого климата

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Повышение стойкости железобетонных морских гидротехнических сооружений в условиях влажного жаркого климата

Динь Ань туан

Москва - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

Московском государственном строительном университете

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Ферронская Анна Викторовна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Степанова Валентина Федоровна

- кандидат технических наук, профессор

Кульков Олег Валентинович

Ведущая организация: ГУП НИИМосстрой

Защита состоится “17” апреля 2007 г. В 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 в ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, д.8 в аудитории 223

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета

Автореферат разослан «___»________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Алимов Л.А.

Актуальность

стойкость железобетон гидротехнический защитный

Во Вьетнаме в больших объёмах осуществляется строительство морских гидротехнических сооружений различного назначения из железобетона, эксплуатируемых в условиях -влажного жаркого климата. Этот климат характеризуется не только повышенной температурой и влажностью воздуха, высокой интенсивностью солнечной радиации, большим количеством осадков, но и наличием аг-рессивных веществ в атмосферной среде и морской воде и, прежде всего, хлорид-, сульфат-ионов и углекислого газа.

Анализ натурных обследований морских гидротехнических сооружений из железобетона, экс-плуатируемых в условиях влажного жаркого климата (ВЖК) Вьетнама, показывает, что происходит кор-розия арматуры уже к 10...25 годам эксплуатации, то есть значительно раньше сроков, предусмотренных нормами. Ремонт гидротехнических сооружений отличается особой сложностью, материало- и трудоемкостью, а, следовательно, высокой стоимостью.

Решение проблемы повышения стойкости железобетона морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в усло-виях ВЖК, заключается в модифицировании структуры бетона комплексными добавками на основе суперпластификатора и кремнеземистого компонента, а также ингибитора коррозии арматуры и покрытий на основе растворов олигоэфиров и полиизоцианатов морских железобетонных конструкций в зоне переменного уровня.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ МГСУ и научной программой _«Защита стальной арматуры в гидротехнических бетонах, эксплуатируемых в климатических условиях Вьетнама^» Научно-ирригационного института СРВ.

Цель и задачи

Целью диссертационной работы является разработка технологии железобетонных морских гидротехнических сооружений, стойких в условиях ВЖК.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих за-дач:

- обосновать возможность повышения стойкости железобетона в морских гидротехнических сооружениях, эксплуатируемых в условиях ВЖК;

- изучить особенность ВЖК Вьетнама и его влияние на коррозионное состояние стальной арматуры в бетоне морских гидротехнических сооружений;

-провести анализ натурных обследований морских гидротехнических сооружений из железобетона, эксплуатируемых в условиях ВЖК Вьетнама, и установить особен-ность коррозии стальной арматуры в этих условиях;

- разработать режимы ускоренного и длительного испытания защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре, имитирующие эксплуатационные условия ВЖК Вьетнама;

- провести лабораторные исследования коррозионного состояния
стальной арматуры в бетоне морских гидротехнических сооружений в условиях, имитирующих ВЖК Вьетнама, косвенными и прямыми методами;

- изучить способность бетона обеспечивать длительную сохранность стальной арматуры в условиях, имитирующих морской влажный жаркий климат (МВЖК), путём определения диффузионной проницаемости и установить прогноз длительности его за-щитного действия по отношению к стальной арматуре;

- разработать рекомендации по повышению стойкости железобетона для конструкций морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых условиях ВЖК и определить экономическую эффективность от при-менения результатов исследований, полученных в работе.

Научная новизна

обоснована возможность повышения стойкости железобетона для конструкций морских гидротехнических сооружений в условиях ВЖК путём модификации структуры бетона комплексной добавкой, состоящей из суперпластификатора и золы рисовой шелухи (ЗРШ), снижающей капиллярную пористость и образующей низкоосновные гидросиликаты, стойкие к агрессивному действию хлорид-, сульфат-ионов, углекислого газа, а также путём применения суперпластификатора и ингибитора коррозии арматуры NaNO₂;

установлены зависимости диффузионной проницаемости бетонов хлорид-ионов косвенным (электрическим) и прямым (химическим) методами от состава и количества комплексной добавки;

показано, что введение комплексных добавок, содержащей суперпластификатор С-3 - 1% и ЗРШ -10%; С-3 - 1% и ингибитор коррозии стали NaNO₂ - 2% от массы цемента снижает диффузионную проницаемость хлорид-ионов в 2 раза, что существенно повышает коррозионную стойкость стальной арматуры в бетоне;

установлено влияние комплексных добавок на водонепроницаемость, водопоглощение и характер пор исследуемых бетонов;

установлено влияние компонентов комплексной добавки суперпластификатора и ЗРШ на процесс начального структурообразования и структуру цементного камня, которое позволило оптимизировать составы бетонов.

Практическая значимость

- предложены комплексные добавки: состав 1 - СП С-3 в количестве 1% и ЗРШ в количестве 10% массы портландцемента; состав 2 - СП С-3 в количестве 1% и ингиби-тора коррозии стали NaNO₂ в количестве 2% массы портландцемента; состав 3 - СП С-3 в количестве 1% и ЗРШ в количестве 10% массы портландцемента с покрытием «Консолид-1»; состав 4 - СП С-3 в количестве 1% и ингиби-тора коррозии стали NaNO₂ в количестве 2% массы портландцемента с покрытием «Консолид-1»;

разработан режим ускоренного испытания защитных свойств бетона морских гидротехнических сооружений по отношению к стальной арматуре, имитирующий ВЖК Вьетнама, вклю-чающий высушивание - 19 ч при температуре +60±5°С, увлажнение - 5 ч в 5-ти %-ном растворе NaCl с температурой +20... 25°С, а также режим длительно-го испытания в условиях относительной влажности среды 85% и наличия хлорид-ионов;

разработана методика прогнозирования стойкости стальной арматуры в бетоне путём использования коэффициента, полученного в лабораторных условиях, имитирующих натурные;

разработаны мероприятия по повышению стойкости морских железобетонных конструкций в зоне переменного уровня путём использования покрытий на основе растворов олигоэфиров и полиизоцианатов.

Внедрение результатов

Основные результаты исследований использованы при разработке "Рекомендаций по повышению стойкости железобетона для конструкций морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в услови-ях влажного жаркого климата".

Апробация

Основные положения работы доложены на третьей и четвертой международной (восьмой и девятой межвузовской) научно-практической конфе-ренции молодых учёных, аспирантов и докторантов "Строительство-формирование среды жизнедеятельности" (М., 2005 и 2006).

На защиту выносятся:

теоретические положения и экспериментальное подтверждение по-вышения стойкости железобетона для морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в условиях ВЖК за счёт модифицирования его структуры комплексными добавками, а в ряде случаев и защиты конструкций покрытием «Консолид-1»;

разработанные комплексные добавки, обеспечивающие получение
железобетона для морских гидротехнических сооружений с повышенной стойкостью в условиях ВЖК;

- зависимости характеристик структуры бетона от введения в него комплексных добавок;

зависимости диффузионной проницаемости хлорид-ионов и углеки-слого газа в бетон от вида комплексной добавки;

рекомендации по повышению стойкости железобетона морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в условиях ВЖК и экономическая эффективность от внедрения полученных результатов исследований в практику.

Объём работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка ис-пользованной литературы из 201 наименований и 3 приложений. Диссертация содержит 174 страницы машинописного текста, 38 табл. и 37 рис.

Содержание работы

Вьетнам расположен на северной широте земного шара в Юго-восточной Азии. Этот район относится к влажной тропической зоне с чётко выраженной муссонной деятельностью. Протяжённость морского побережья Вьетнама вдоль Тихого океана составляет 3260 км. Среднемаксимальные температуры воздуха со-ставляют +28...30°С. Среднегодовая относительная влажность воздуха в морских районах страны составляет 80...85% и мало подвергается влиянию географического положения. По стандарту ИСО климат в морских районах Вьетнама относится к влажному жаркому. Особенность МВЖК заключается в том, что кроме повышенных температур и относительной влажности, высокой интенсивности солнечной радиации и большого количества осадков, присущих ВЖК, в воздушной и морской среде имеются агрессивные для железобетона вещества, и, прежде всего, наиболее опасные хлорид-, сульфат-ионы и углекислый газ.

В связи с этим возведение морских гидротехнических сооружений различного назначения из железобетона в условиях МВЖК имеет свои специфические особенности, неучет которых, как показал анализ результатов обследований построенных морских гидротехнических сооружений во Вьетнаме, приводит к коррозии стальной арматуры уже к 10…25 годам эксплуатации.

Установлено также, что воздействие ВЖК Вьетнама на железобетон морских гидротехнических сооружений, согласно СНиП 2.03.11-85 и Пособию к нему, может быть оценено как сильноагрессивное.

Руководствуясь этими же нормативными документами, для обеспечения стойкости железобетона морских гидротехнических сооружений на весь период эксплуатации в условиях ВЖК Вьетнама необходимо осуществлять первичную, а в ряде случаев и вторичную защиту. Первичная защита обеспечивается правильным выбором бетона; составляющих компонентов для него (вяжущего, заполнителей и др.); подбором состава плотного и непроницаемого бетона и толщиной его защитного слоя. А из-за особенностей МВЖК для повышения стойкости железобетона выдвинута рабочая гипотеза, заклю-чающаяся в том, что повышение стойкости может быть обеспечено модифици-рованием структуры бетона за счёт комплексных добавок и, прежде всего, за счет предложенной добавки, состоящей из суперпластификатора С-3 и золы от сжигания рисовой шелухи, а в зоне переменного уровня еще и предложенным впервые покрытием «Консолид-1», позволяющих снижать его диффузионную про-ницаемость и для хлорид-ионов, и для углекислого газа. Вторичная защита обеспечивается указанным выше покрытием «Консолид-1».

Для подтверждения правильности разработанных теоретических поло-жений повышения стойкости железобетона для конструкций морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в условиях ВЖК, были проведены лабораторные исследования.

Исходя из сформулированной рабочей гипотезы, прежде всего, было необходимо создать бетон повышенной стойкости, обеспечивающий длительную сохранность стальной арматуры в морских гидротехнических сооружениях в условиях, имитирующих ВЖК Вьетнама.

Для этого был выбран в соответствии с ГОСТами 4797, 10178 и 10268 гидротехнический бетон и материалы для него, свойства которых максимально приближаются к свойствам материалов, распространенных и применяемых во Вьетнаме. Они отвечают требованиям российских и вьетнамских стандартов.

А для повышения стойкости бетона использовали предложенные в работе комплексные добавки, одна из которых включает суперпластификатор (СП) С-3 и ЗРШ в количестве соответственно 1% и 10% массы вяжущего - состав 1; СП С-3 и ингиби-тора коррозии стали NaNO₂ в количестве соответственно 1% и 2% массы вяжущего - состав 2; состав добавки - 1, но образцы покрыты «Консолид-1» - состав 3; состав добавки - 2, но образцы покрыты «Консолид-1» - состав 4.

Проектирование составов бетона повышенной стойкости с использованием предложенных добавок выполнено по ГОСТ 27006 и специально разработанной методике.

Составы бетонов для проведения экспериментальных исследований приведены в табл.1.

Таблица 1. Составы бетонов для проведения экспериментальных исследований

Составы бетонов	Составы добавок	О.К., см
1	Без добавок - эталон	5
2	1	5
3	2	5
4	1	5
2*	1	5
3*	2	5

 Примечание : 4- зола с цементом дополнительно измельчалась;

2*, 3*- образцы защищены покрытием «Консолид-1».

При проведении лабораторных исследований применяли стандартные методики в соответствии с действующими ГОСТ, а также специально разработанные в данной работе.

На приведенных в табл.1 составах бетонов были определены их основные технические характеристики (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики исследуемых бетонов

Составы бетонов	Прочность при сжатии, МПа, в возрасте	Прочность при растяжении при изгибе, МПа, в возрасте	Класс бетона
	7 сут	14 сут	28 сут	90 сут	7 сут	14 сут	28 сут	90 сут
1	32.30	38.14	40.86	43.98	6.39	6.67	7.14	7.38	В30
2,2*	46.58	48.12	52.13	57,20	7,24	7,98	8,92	10,3	В40
3,3*	40,25	42,38	46,23	47,61	7,06	7,63	8,3	8,88	В35
4	47,52	50,13	53.50	58,23	7,41	8,14	9,02	10,5	B40

Учитывая, что защитные свойства созданного бетона по отношению к стальной арматуре во многом зависят от структуры, в диссертации большое внимание было уделено изучению характеристик структуры. Основные характеристики её приведены в табл. 3..

Таблица 3. Основные характеристики структуры исследуемых бетонов

Составы бетонов	Марка по водонепроницаемости	Водопоглощение, % по массе	Показатель среднего размера открытых капиллярных пор,	Показатель однородности размера открытых капиллярных пор, б
1	W8	4,21	0,75	0,71
2	W18	3,01	0,38	0,73
3	W12	3,34	0,42	0,72
4	W20	2,89	0,36	0,74
2*	W22	0,02	-	-
3*	W16	0,03	-	-

Из данных, приведённых в табл. 3, видно, что введение комплексной добавки -1 повышает марку по водонепроницаемости бетона с W8 (состав - 1) до W18, W20, W22 (соответственно для бетонов составов - 2, 4, 2*), а введение комплексной добавки -2 повышает марку по водонепроницаемости бетона с W8 (состав - 1) до W12, W16 (соответственно для бетонов составов - 3, 3*).

Приведенные в табл.3 данные также показывают, что предложенные комплексные добав-ки мало влияют на показатель однородности размеров открытых капилляр-ных пор бетонов. Однородность пор по размерам у бетонов составов (2...4) примерно одинакова и находится в пределах 0,72...0,74. Однако, они значительно влияют на показатель среднего размера открытых капиллярных пор, что исключительно важно. Сред-ний размер пор меньше у бетонов, изготовленных с использованием добавки состав-1, в состав которой входит ЗРШ. Это можно объяснить реакцией ЗРШ с Са(ОН)₂ в жидкой фазе пор бетона и её микронаполняющим эффектом из-за формы частиц ЗРШ (см. рис.1) и удельной поверхностью ЗРШ по сравнению с цементом (удельная поверхность ЗРШ в 6…30 раз больше чем у цемента). А это значит, что частицы ЗРШ имеют возможность заполнять пространство между частицами цемента.

При проведении лабораторных исследований по изучению защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре использовали косвенный (электрохимический, определение рН) и прямой (определение пло-щади и глубины коррозионных поражений, потери массы арматуры) методы исследований, проводимые в условиях ускоренного и длительного режима ис-пытаний, имитирующих условия МВЖК Вьетнама.

Режим ускоренного испытания защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре имитирует этот климат в наиболее жёсткие периоды, а, именно, в жаркие дни с неожиданными дождями, или в летние дни с очень высокой относительной влажностью воздуха или последующими осад-ками. Этот режим испытания включает переменное высушивание образцов при температуре +60 ± 5°С в течение 15 ч и увлажнение 5-ти %-ным раствором NaCl с температурой +20...25°С в течение 5 ч, создает благоприятные условия для коррозии стальной арматуры в бетоне, так как способствуют появ-лению влаги на поверхности стальной арматуры, увеличению диффузии хло-рид-ионов в железобетоне и возможности диффузии кислорода и углекислого газа вымыванию Са(ОН)₂ из железобетона и образованию трещин из-за изменяющейся температуры образцов.

а/- Воскресенский цемент М 400, (x 4000)	б/ - Зола рисовой шелухи, (x 2000)

Рис. 1. Формы частиц цемента и ЗРШ

Длительное испытание защитных свойств бетона по отно-шению к стальной арматуре проводилось на тех же составах бе-тона при хранении образцов в течение одного года при относитель-ной влажности среды 85% с наличием хлорид-ионов.

Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре оценивали электрохимическим методом, в частности, ха-рактером анодных поляризационных кривых. За критерий оценки принята ме-тодика в соответствии со СТ СЭВ 4421-83, разработанная лабораторией "Коррозия и долговеч-ность бетонных и железобетонных конструкций" ГУП НИИЖБ.

На рис. 2. приведены анодные поляризационные кривые сталь-ной арматуры в образцах из бетона исследуемых составов. Каждая кривая по-строена по результатам испытаний 3 образцов-близнецов.

Анализ полученных результатов позволяет отметить следующее. После 7 сут твердения стальная арматура в образцах из исследуемых бетонов всех составов пассивна. Это значит, что все составы бетонов не являются агрессивной средой по отношению к стальной арматуре.

После 3 мес ускоренного испытания стальная арматура в образцах из бетона со-става -1 интенсивно корродировала, а в составах 2…4 и 2*, 3* - была пассивна. После 6 мес -стальная арматура в образцах составов 2…4 и 2*, 3* - продолжала оставаться пассивной.

а)	б)	в)
Рис. 2 Анодные поляризационные кривые стальной арматуры в бетоне составов 1..4, 2*, 3* (см. в табл.1) после: а) - 7 сут твердения; б) и в) - 3 и 6 мес. ускоренного испытания

Таким образом, проведённые электрохимическим методом исследова-ния в жестких условиях, имитирующих МВЖК Вьетнама, позволяют отметить, что предложенные бетоны с комплекс-ной добавкой 1 или 2 обеспечивают удовлетворительное состояние сталь-ной арматуры во все сроки испытаний.

Известно, что степень сохранности стальной арматуры в бетоне зависит не только от его плотности, но и от щелочности жидкой фазы в порах бетона. Поэтому определяли начальный и после ускоренного ис-пытания рН в порах бетона (табл.4).

Приведенные в табл. 4 величины рН жидкой фазы бетона у стальной арма-туры перед и после 6 мес ускоренного испытания в принятых жестких условиях показывают, что в возрасте 7 сут водородный показатель бетона исследуемых составов находится в пределах 12,35…12,57. Это значит, что выбранные комплексные добавки мало влияют на рН жидкой фазы в порах бетона. Отметим, что эти данные полностью коррелируются с результатами электрохимического испытания - стальная арматура находится в пассивном состоянии в бетоне всех составов в возрасте 7 сут.

После 6 мес ускоренного испытания рН исследуемого бетона состава -1 (без добавок) у стальной арматуры снизился ниже критического значения пассивации стали - рН из-за вымывания Са(ОН)₂ раствором NaСl, карбонизации железобетона, а также вследствие наличия и ускоренного накопления хлорид - ионов в жидкой фазе его. В этих же условиях рН предложенных бетонов составов - 2…4 и -2*, -3* снизилась незначительно, не смотря на принятый крайне жесткий режим испытаний.

Таблица 4. Начальный и после укоренного испытания рН бетона у стальной арматуры

Составы бетонов	1	2	3	4	2*	3*
рН в возрасте 7 сут	12,57	12,49	12,56	12,41	12,35	12,52
рН после 6 мес ускоренного испытания	11,55	11,95	12,01	11,89	12,04	12,30

Примечание: составы 1…4 и 2*, 3* см. в табл. 1

Кроме косвенного метода в данной работе проведены исследования коррозионного состояния стальной арматуры в предложенных бетонах прямым методом: опре-деление площади и глубины коррозионных поражений, потери массы сталь-ной арматуры, находящейся в бетоне.

Для этого после измерения параметров анодных поляризационных кривых стальной арматуры образцы из исследуемых бетонов разбивали и из них доставали стержни для определения площади, глубины коррозионных поражений и потери массы. Кроме того, прямые испытания защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре были проведены на образцах из бетона исследуемых составов после хранения их в течение полутора лет при относительной влаж-ности среды 85% с наличием хлорид-ионов (длительное испытание).

После 3 мес уcкоренного испытания стальная арматура только состава - 1 была подвержена коррозии, площадь и глубина корро-зионных поражений составляла соответственно 1,1% и 0,17 мм, а потеря мас-сы стальной арматуры при этом достигала 15,23 г/м². Эти показатели после 6 мес. ускоренного испытания составляли соответственно 3,2%, 0,52мм и 43,51 г/м².

Исследования показали, что в эти же сроки стальные стержни находящиеся в исследуемым бетоне всех составов -2…4 и -2*, -3*, не корродировали.

Результаты длительного прямого испытания защитных свойств предложенных бетонов (состава -2…4 и -2*, -3*) по отношению к стальной арматуре также коррелируются с данными прямых испытаний. Таким образом, результаты прямых испытаний защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре полностью коррелируются с данными косвенных испытаний.

Известно, что длительная сохранность стальной арматуры в бетоне, во многом зависит от его проницаемости. Поэтому в работе была оп-ределена также диффузионная проницаемость углекислого газа и хлорид-ионов в исследуемых бетонах.

При определении диффузионной проницаемости СО₂ в бе-тоне исследования проводили на образцах из бетона составов -1...4, 2*, 3*, размером 100 х 100 х 100 мм. Образцы предварительно выдерживали до равновесного состояния в герметически закрытом боксе с влажностью 85%. Влажность среды в боксе для карбонизации создавали насыщенным раствором хлористого калия. Постоянную концентрацию углекислого газа поддерживали с помощью автоматического устройства.

Для определения глубины нейтрализации исследуемых бетонов использо-вали 0,1% раствор фенолфталеина в этиловом спирте. Глубину карбонизации измеряли на свежем сколе бетона через один сантиметр по периметру образца.

На основании экспериментальных данных по формуле закона диффузии Фика рассчитывали эффективный коэффициент диффузии, характеризующий диффузию СО₂ в карбонизированном слое бетона и длительность защитного действия его по отношению к стальной арматуре:

, (1)

где m₀ - реакционная емкость бетона или объем газа, погло-щенного единицей объема бетона;

X - толщина нейтрализованного слоя бетона, см;

С - концентрация углекислого газа в воздухе в относительных величинах по объему;

ф - продолжительность воздействия газа на железобетон, с.

Характеристики диффузионной проницаемости СО₂ приведены в табл.5.

Таблица 5. Характеристики диффузионной проницаемости СО₂ в бетоне

Составы бетонов	Глубина нейтрали-зации исследуемого бетонов, определён-ная в лаборатор-ных условиях, за 14 сут, мм	Эффективный ко-эффициент диф-фузии для СО2, определённый в лабораторных ус-ловиях 10-4.см2/с	Период нейтрализации бетона защитного слоя толщиной 30 мм, годы, определяющий из условий
			лабораторных	натурных
1	8,18	1,680	25	30
2	3,80	0,425	204	245
3	4,56	0,618	183	219
4	3,02	0,310	215	258
2*	1,03	0,031	270	324
3*	1,98	0,046	255	306

Примечание: составы 1…4 и 2*, 3* см. в табл. 1

Из данных, приведённых в табл. 5, видно, что под воздействием углекислого газа в натурных условиях МВЖК Вьетнама длительность защитного действия бетона В30 без добавок по отношению к стальной арматуре и при толщине защитного слоя 30 мм составляет 30 лет соответственно. Введение в бетон комплексной добавки - 1 (составы 2, 4, 2*) способствует уплотнению его и повышают длительность защитного действия бетона примерно в 5 раз по сравнению с составами без неё (состав - 1). А используя в бетоне комплексные добавки - 2 (составы 3, 3*) повышает время его защитного действия примерно в 3,5 раза по сравнению с составами без неё (состав - 1)

Для определения диффузионной проницаемости хлорид-ионов в исследуемых бетоне использовали косвенный (электрический) и прямой (химиче-ский) методы.

При определении диффузионной проницаемости косвенным (электриче-ским) методом руководствовались следующими соображениями. Поскольку твёрдый скелет бетона имеет очень низкую электропроводность, а перенос электрического тока в бетоне как и диффузия растворенного вещества осуще-ствляется в жидкой фазе, можно из сопоставления электропроводности насы-щенного бетона и свободного электролита аналогичного состава определить показатель "сквозной пористости", то есть ту долю сечения бетонного образца, в которой возможна диффузия и протекание электрического тока.

Сущность метода состоит в том, что по результатам измерения электри-ческого сопротивления бетона и его жидкой фазы рассчитывают диффузион-ную проницаемость бетона.

Для определения диффузионной проницаемости хлорид-ионов в исследуемых бетоне использовали формулы:

Д_б = П_с.Д_NaСl ,(2)

Пс = с_в / с_у ,(3)

,(4)

где П_с - сквозная пористость исследуемого бетона;

Д_NaCl - коэффициент диффузии NaCl в воде, равный при 20°С 1,23 .10^-5см²/с.

с_в - удельное электрическое сопротивление водной вытяжки, Ом.см;

с_у - удельное электрическое сопротивление исследуемого бетона, Ом.см;

с - удельное электрическое сопротивление материала, Ом.см;

ДV - разность потенциалов между средними электродами при токе I, В;

F - сечение образца, см² ; I - величина тока, А;

l - расстояние между средними электродами, см.

Приведённые в табл.6 результаты исследований позволяют сделать следующие выводы. В возрасте 28 сут введение в бетон комплексной добавки состав 1 и 2 (составы бетона 2, 3 и 4) уменьшает диффузионную проницаемость хлорид-ионов в нём в 2...2,5 раза. Диффузионная проницаемость хло-рид-ионов в бетоне с комплексной добавкой состав 1 и 2 (составы бетона 2, 3 и 4) меньше, чем в бетоне без добавки (состав 1).

После 6 мес твердения диффузионная проницаемость хлорид-ионов в бетоне с комплексной добавкой составов 1 и 2 (составы бетона 2, 3 и 4) снижается в 2 раза по сравнению с бетоном состава - 1 2,0...2,5 раза, по сравнению с возрастом 28 сут. Сильное снижение диффузионной проницаемости хлорид-ионов в бетоне с комплексной добавкой состава -1 во времени можно объяснить медленной реакцией аморфного SiO₂ ЗРШ с продуктами гидратации цемента, посте-пенным совершенствованием во времени его структуры и высокой степенью гидратации портландцемента, благодаря повышенной водоудерживающей способности ЗРШ.

В следующие полгода скорость снижения диффузионной проницаемо-сти хлорид-ионов в бетоне уменьшается (см. данные табл. 6). При этом, через 12 мес диффузионная проницаемость хлорид-ионов в бетоне с комплексной до-бавкой состава 1 снижается в 2,5 раз, а диффузионная проницаемость хлорид-ионов в бетоне с комплексной до-бавкой -2 снижается - в 2 раза. Это свидетельствует о более высокой эффективности предложенной комплексной добавки состава 1, состоя-щей из СП С-3 и ЗРШ.

Таблица 6. Диффузионная проницаемость хлорид-ионов в бетоне, определённая электрическим методом

Составы бетонов	Диффузионная проницаемость NaCl в бетоне 10-7.см2/с, в возрасте
	28 сут	6 мес	12 мес
1	2,51	1,34	0,84
2	1,14	0,61	0,31
3	1,04	0,86	0,42
4	0,96	0,32	0,26
2*	0,20	0,09	0,05
3*	0,32	0,16	0,07

Примечание: составы 1…4 и 2*, 3* см. в табл. 1

Для определения диффузионной проницаемости хлорид-ионов в бетоне прямым (химическим) методом были изготовлены образцы исследуемых бетонов, которые подвергались ускоренно-му испытанию в течение 6 мес. После завершения испытания из образцов отби-рали пробы бетона по сечению образца (с поверхности, в зоне расположения арматуры) с целью определения содержания хлорид-ионов в бето-не.

Для расчёта диффузионной проницаемости хлорид-ионов в исследуемых бетонах и длительности их защитного действия по отношению к стальной арматуре использовали формулу:

(5)

где: С_а - концентрация хлорид-ионов у стальной арматуры в момент времени ф;

С_n - концентрация хлорид-ионов на поверхности образца;

X - толщина защитного слоя исследуемого железобетона до крайней образую-щей арматуры, см;

Д - эффективный коэффициент диффузии хлорид-ионов в исследуемого бетоне, см²/с;

ф - время диффузии хлорид-ионов до поверхности стальной арматуры, с.

Величина Z определяется по формуле (6) по четырёхзначным математическим таблицам Милна Томсона в зависимости от ве-личины erf Z.

Приведённые в табл. 7 результаты исследований показывают, что разница в величине диффузионной проницаемости хлорид-ионов в бетоне, полученной косвенным (электрическим) и прямым (химическим) методами, не-большая и составляет 0,5...3%.

Это указывает на то, что комплексные добавки составов 1 и 2 способствуют уплотнению цементного камня, обеспечивая тем самым снижение диффузионной проницаемости хлорид-ионов в нём.

Таблица 7. Характеристики диффузионной проницаемости хлорид-ионов в бетоне

Составы бетонов	Эффективный ко-эффициент диффу-зии для Сl-, 10-7см2/с, определённый методом	Период достижения критической концентрации Сl- у арматуры при толщине защитного слоя 30мм, годы определённый в условиях
	электрическим	химическим	лабораторных	натурных
1	0,84	0,84	0,38	17
2	0,31	0,29	1,87	83
3	0,42	0,42	1,64	73
4	0,26	0,22	1,91	85
2*	0,05	0,06	3,04	135
3*	0,07	0,08	2,90	129

Примечание: составы 1…4 и 2*, 3* см. в табл. 1

Малый период времени от 0,38 до 3,04 года достижения критической концентрации хлорид-ионов у поверхности стальной арматуры связан с достаточно жестким режимом испытания образцов, принятым в данной работе для ускорения накопления хлорид-ионов в бетоне и процесса коррозии стальной арматуры в нём, и получения сравнительной оценки защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре, и следовательно, стойкости железобетона из исследуемых составов.

При эксплуатации морских гидротехнических сооружений в условиях ВЖК с наличием аэрозоля морских солей в воздухе процесс капиллярного подсоса раствора хлористых солей будет исключен, а, следовательно, диффузия хлорид-ионов в железобетоне будет идти медленнее, и период достижения критической концентрации хлорид-ионов у стальной арматуры будет значительно больше, так как лабораторные условия жестче натурных.

При проведении анализа натурных обследований было установлено, что в условиях МВЖК бетон класса В30 при толщине защитного слоя 40 мм защищает стальную арматуру в течение 30 лет. Период достижения критической концентрации хлорид-ионов в таком бетоне при этой толщине защитного слоя в лабораторных исследованиях составил 0,675 года (0,38 х 40² /30² ). Поэтому переходный коэффициент от лабораторных к натурным условиям составляет 44,4 раз. Тогда расчётный период достижения критического содержания хлорид-ионов у стальной арматуры будет равен величинам, приведённым в табл. 7.

Результаты исследований показали, что разработанные в диссертационной работе комплексные добавки, состоящие из СП С-3 + ЗРШ - состав 1 и СП С-3 + ингибитора коррозии стали NaNO₂ - состав 2, могут быть использованы для повышения стойкости бетона в конструкциях морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в условиях ВЖК. Установлено также, что с точки зрения повышения стойкости бетона в этих условиях, более эффективной добавкой является комплексная добавка состава -1 , состоящая из СП С-3 и ЗРШ. Она обеспечивает не только большой технический и экономический эффект, но и одновременно способствует охране окружающей среды от загрязнения.

Следует подчеркнуть, что защита конструкций с помощью исследуемого покрытия «Консолид-1» еще больше повышает стойкость бетона в условиях ВЖК. Это согласуется с предложением авторов, разработавших добавку «Консолид-1» об её использовании и для защиты конструкций гидротехнических сооружений.

Результаты проведённых исследований использованы при разработке "Рекомендаций по повышению стойкости железобетона для морских гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в услови-ях ВЖК". В них изложены требо-вания к исходным материалам и подбору составов бетона с ком-плексными добавками; железобетону; технологии изготовления его с комплексными добавками; контролю качества железобетона и технике безопасности, а также даны рекомендации по требованиям к железобетонным конструкциям.

Отметим, что разработанные „Рекомендации" могут быть использованы и в других странах, имеющих аналогичный климат и производяпщх в больших количествах рис, а, следовательно, и имеющих огромные отходы рисовой ше-лухи.

Наконец, был осуществлен расчет экономической эффективности от при-менения результатов исследований, полученных в работе. Этот расчёт осуще-ствлён в соответствии с "Руководством по определению экономической эффек-тивности антикоррозионной защиты строительных конструкций для морских гидротехнических сооружений ", разработанным ГУП НИИЖБ, при сопоставлении себестоимости продукции составов 1…3 и 2*, 3* (см, табл. 1) с учетом повышен-ной стойкости железобетона для морских гидротехнических сооружений, изготовленного с использованием разработанных комплексных добавок.

Установлено, что экономический эффект от применения в бетонах составов 2, 3 и 2*, 3* составляет соответственно 1148,28 и 1036,42 и 617,12 и 511,77 руб./м³ по сравнению с бетоном состава 1 (без добавок, выбранным в качестве эталона).

Основные выводы

Обоснована возможность повышения стойкости железобетона для конструкций морских гидротехнических сооружений в условиях ВЖК путём модификации структуры бетона комплексной добавкой, состоящей из суперпластификатора и золы рисовой шелухи (ЗРШ), снижающей капиллярную пористость и образующей низкоосновные гидросиликаты, стойкие к агрессивному действию хлорид-, сульфат-ионов, углекислого газа, а также путём применения суперпластификатора и ингибитора коррозии арматуры NaNO₂.

Разработана технология железобетонных морских гидротехнических сооружений повышенной стойкости, обеспечивающая длительную безремонтную эксплуатацию морских гидротехнических сооружений в условиях ВЖК Вьетнама на расчётный срок 80 лет при использовании разработанной добавки, включающей СП С-3 и ЗРШ.

Разработаны комплексные добавки: состав 1 - СП С-3 в количестве 1% и ЗРШ в количестве 10% массы портландцемента; состав 2 - СП С-3 в количестве 1% и ингиби-тора коррозии стали NaNO₂ в количестве 2% массы портландцемента; состав 3 - СП С-3 в количестве 1% и ЗРШ в количестве 10% массы портландцемента с покрытием «Консолид-1»; состав 4 - СП С-3 в количестве 1% и ингиби-тора коррозии стали NaNO₂ в количестве 2% массы портландцемента с покрытием «Консолид-1».

Установлено, что введение добавки состава 1 снижает показатель среднего размер открытых капиллярных пор бетона в 2 раза, добавки состава 2 - в 1,5 раза, марка по водонепроницаемости повышается в 2,5 раза.

Установлено, что применение комплексных добавок составов 1 и 2 обеспечивают удовлетворительное состояние стальной арматуры во все сроки испытаний.

Установлено, что введение в бетон комплексной добавки состава - 1 уменьшает диффузионную проницаемость углекислого газа в нем примерно в 4 раза, а комплексной добавки состава - 2 в 2,5 раза.

Установлено, что введение в бетон комплексных добавок состава - 1 и состава - 2 уменьшает диффузионную проницаемость хлорид-ионов в нем соответственно в 2 раза.

Разработаны мероприятия по повышению стойкости морских железобетонных конструкций в зоне переменного уровня путём использования покрытий на основе растворов олигоэфиров и полиизоцианатов.

Разработаны „Рекомендации по повышению стойкости бетона морских гидротехнических сооружений в ус-ловиях ВЖК Вьетнама", внедрение которых показало, что экономический эффект от применения в бетонах составов 2, 3 и 2*, 3* составляет соответственно 1148,28, 1036,42, 617,12 и 511,77 руб./м³ по сравнению с бетоном состава 1.

Размещено на Allbest.ru

...