О солестойкости дорожных бетонов
Хорошо известно, что, несмотря на неоднократные запретительные постановления администраций различных уровней, в городах и на междугородных трассах России продолжают в качестве антиобледенителя и для облегчения удаления снега и льда с проезжей части дорог применять соли и соле-песчаные смеси. Чаще всего используют хлорид натрия различного качества.
В морозное время года таяние льда приводит к образованию водного раствора хлорида натрия, который впитывается в бетон придорожных конструкций и в бетонную часть дорожного полотна. Растворимость хлорида натрия в воде при 10оС очень велика и составляет 358 г/л. Концентрация хлорида натрия в талой воде при температуре -10оС, по данным исследований, составляет до 150 граммов на литр!
При такой высокой концентрации соли в воде, находящейся в непосредственном контакте с поверхностью бетона, возникает высокий градиент концентрации, способствующий усилению диффузии хлорида натрия в капиллярное пространство бетона. Происходит насыщение солью сначала приповерхностного слоя бетона. При повторных обработках солью раствор проникает за счет капиллярного всасывания все глубже в толщу бетона.
Была исследована концентрация хлорида натрия в бетоне блоков придорожных типа Б3-22-75, изготовленных по серии 3.503.1-66 “Изделия сборные железобетонные водоотводных сооружений на автомобильных дорогах”, прослуживших в дорожной конструкции один сезон.
Начальные характеристики блоков по данным завода-изготовителя таковы:
— класс бетона по прочности при сжатии — В 22,5;
— марка по морозостойкости — F 300.
За время, прошедшее с момента установки блоков до начала описываемого исследования, обработка дороги в зимнее время соле-песчаной смесью производилась не менее трех раз. Поверхность блоков к этому времени на значительном протяжении дороги сильно разрушилась практически до арматуры, превратившись в труху.
Исследование выполняли следующим образом.
Были отобраны пробы различных видов продуктов разрушения бетона на месте.
В качестве пробы были взяты с поверхности разрушенных конструкций продукты шелушения в виде отслоившихся корочек, состоящих в основном из растворной части бетона без включений крупного заполнителя. Размеры отслоившихся корочек — от 2 до 50 мм в поперечнике, толщиной 0,5-10 мм. Поверхность корочек ровная, пористая, легко разрушается при надавливании пальцами. Цвет голубовато-серый белесый с пятнами светло-бурого цвета и включениями кристалликов менее размерами 1 мм белого цвета. (Проба № 2).
Проба была отобрана от неразрушенного бетона, располагающегося под отслоившимся материалом. Эта проба представляет собой обломки бетона, верхняя поверхность которого обнажена за счет удаления растворной части, что привело к обнажению зерен крупного заполнителя. Эти зерна оказались примерно наполовину утопленными в растворную часть подстилающего слоя бетона. Поверхность образцов голубовато-серого цвета с илистым налетом бурого цвета в углублениях поверхности и черными зернами крупного заполнителя (Проба №3).
Еще одна проба была отобрана из пограничного слоя, расположенного между отшелушившейся и неразрушенной частями бетона. Материал этого слоя представляет собой рыхлый илистый материал бурого цвета. Слой имеет толщину 2-10 мм и местами отсутствует. (Проба №1).
Были отобраны образцы-кубы с размером ребер 100 мм в количестве 6 шт. с помощью выпиливания бетона из пострадавших от разрушения изделий, в т. ч. 3 куба — от изделия, изготовленного 14.06.2000 г. (Проба № 4), 3 куба — от 16.06.2000 г. (Проба № 5).
Для исследования проб были использованы как стандартные методы, предусмотренные ГОСТами, так и нестандартные, дающие полезную информацию, позволяющую понять существо процесса разрушения.
Стандартные:
— плотность бетона по ГОСТ 12730.1;
— прочность бетона по ГОСТ 10180;
— морозостойкость бетона по ГОСТ 10060.3.
Нестандартные:
— химический анализ водной вытяжки из образцов;
— микроскопия образцов.
Микроскопию образцов разрушенного, неразрушенного бетона и илистого промежуточного вещества производили в отраженном свете с помощью бинокулярного микроскопа МБН-2 при 105-кратном увеличении. Для этого образцы в виде обломков бетона размерами 5—15 мм помещали на белую пластину микроскопа и рассматривали при боковом освещении от осветителя (опак-иллюминатора) микроскопа в темном и светлом поле. Такой метод позволяет четко различить фоновые компоненты и дисперсные включения в них, если таковые имеются.
Во всех трех пробах, кроме обычных, присущих бетону компонентов, обнаружены высокодисперсные включения кристалликов с сильным блеском, белого цвета, имеющих явно выраженный кубический габитус. Размер кристалликов 10-100 мкм. Кристаллики как одиночные, так и агрегированные в коркоподобные налеты толщиной менее 100 мкм. Это поваренная соль.
В пробе №1, в основном, содержится кварц в виде окатанных частиц размерами 0,1-0,5 мм. В качестве примеси присутствуют глинистые частицы размерами 0,02-0,05 мм. Судя по составу, материал пробы представляет собой остатки соле-песчаной смеси, заполнившей полости в местах контакта разрушенного и неразрушенного бетона.
Проба №2 представлена сильно измененными продуктами гидратации портландцемента. В этой части пробы полностью отсутствует гидроксид кальция, а также гелевидные образования (тоберморит). Продукты гидратации частично замещены карбонатом кальция. Последний образует зерна размерами 0,02-0,03 мм, частично агрегированные в комковатые образования размером до 0,3 мм. В пробе присутствует кварц, полевой шпат и небольшое количество мелких обломков (до 1 мм) породы, из которой состоит крупный заполнитель. Между зернами песка и продуктами гидратации цемента обнаружены кристаллики поваренной соли размерами 0,01 мм.
Проба №3 представляет собой типичный бетон. Структура слитная, зерна крупного заполнителя разделены небольшими, до 1 мм, прослойками растворной части, межзерновые пустоты целиком заполнены растворной частью. Растворная часть состоит из зерен песка и гидратированного частично измененного портландцемента. Изменения заключаются в присутствии в цементном камне кристалликов поваренной соли размерами около 0,005 мкм.
Крупный заполнитель состоит из зерен диабаза черного цвета грубообломочной формы, размерами 5-40 мм.
Результаты химического анализа водной вытяжки из образцов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Содержание натрия и хлора в водных вытяжках
№№ проб | Содержание ионов в пробах | |||
моль/кг | г/кг | |||
Na+ | Cl- | Na+ | Cl- | |
1 | 0,0069 | 0,00067 | 0,1587 | 0,0238 |
2 | 0,0131 | 0,0028 | 0,3013 | 0,0994 |
3 | 0,0133 | 0,0033 | 0,3059 | 0,1172 |
Как видно из приведенных в таблице результатов, все три пробы содержат и натрий, и хлор, что в норме не должно превышать 0,0005 моль/кг, даже при использовании песка с морского побережья.
Глубина проникания соли в толщу бетона составила 37 мм, считая от поверхности еще неразрушенного (нерассыпавшегося) бетона. Однако соль при использовании ее в качестве средства борьбы со снегом попадает в бетон не только с верхней поверхности бетонных изделий. Солевой раствор, стекая на обочину, застаивается в небольших понижениях подстилающего гидроизоляционного слоя. При этом под поверхностью бетона образуются небольшие скопления воды, в которых содержится до 100 граммов соли на один литр. Эта вода за счет капиллярного всасывания поднимается в толще бетона на несколько миллиметров, образуя в конечном счете второй засоленный слой в изделиях.
Как известно, морозостойкость дорожных бетонов и придорожных железобетонных конструкций должна быть не менее 200, а в ряде случаев — 300 циклов замораживания и оттаивания. ГОСТ 10060-95 устанавливает требования по морозостойкости бетона в соляном растворе. Эти требования призваны обеспечить высокую морозостойкость бетона, подвергшегося действию раствора хлорида натрия.
Однако высокая морозостойкость в соляном растворе отнюдь не означает повышенной солестойкости бетона. Дело в том, что по окончании морозного сезона впитавшаяся в бетон соль никуда не исчезает. Она остается в нем все теплое время года, а с установлением нового морозного сезона и повторных “уборочных” работ с применением соли последняя накапливается в бетоне в еще больших количествах. По нашим данным, полученным в ходе обследования разрушившихся за один сезон придорожных железобетонных конструкций, за шесть снежных месяцев при трехкратном льдоудалении с применением соле-песчаной смеси в бетоне накопилось 7 килограммов соли на 1 м3бетона!
Проведенное нами определение морозостойкости подвергшегося засолению бетона показало, что морозостойкость бетона заметно снижается после такого воздействия (таблица 2).
Таблица 2. Результаты испытаний бетона
№№ | Средние значения результатов | |||
Прочность при сжатии | Плотность, | Морозостойкость, | ||
кг/см2 | класс бетона | |||
4(14.06.00) | 269,66 | 20 | 2317 | 150 |
5(16.06.00) | 278,93 | 20 | 2459 | 100 |
Хлорид натрия вызывает коррозию и цементного камня, и арматуры настолько сильную, что пропитанный им слой бетона рассыпается в труху. Причем разрушение усиливается именно в теплое время года. Как показывают наши исследования, хлорид натрия, “всосанный” с солевым раствором в капилляры цементного камня, при высыхании воды далеко не весь мигрирует вместе с водой к поверхности испарения. Значительная часть его остается в гелеобразной части цементного камня и при высыхании воды кристаллизуется в виде кристалликов размерами 10-15 мкм. Это приводит к разрушению уже возникших структурных связей между частицами цемента и окружающими их гидратными массами.
Солевая коррозия начисто уничтожает сотни и тысячи кубометров бетона дорог и придорожных конструкций в одной только Перми. Это приводит не только к нарушению эстетического облика города и автотрасс, но и создает угрозу дорожному движению.
По нашему мнению, выход из сложившегося может быть найден либо в виде строгого запрета на применение соли как антиобледенителя, либо в установлении требований по солестойкости к дорожным бетонам и бетонам придорожных конструкций. Поскольку многолетний опыт показывает, что запреты никак не действуют, остается прибегнуть к внесению изменений в ГОСТы на дорожный бетон и придорожные железобетонные конструкции. Одновременно необходимо установить метод определения солестойкости и рекомендации по ее обеспечению для бетонов.
Как показывает опыт, даже если бетон не рассыпался от действия соли, его прочность, морозостойкость заметно снижаются, в 1,5-2 раза.
На наш взгляд, солестойкостью следует считать отношение прочности бетона, подвергшегося воздействию раствора хлорида натрия, к прочности бетона, не подвергавшегося такому воздействию.
Методика соответствующего испытания вкратце может быть описана следующим образом.
Стандартные образцы бетона погружают в раствор хлорида натрия при концентрации последнего в растворе 150 г/л. Образцы должны быть погружены в раствор не менее, чем на 2/3 высоты. В растворе образцы должны находиться не менее 3 полных суток (36 часов). После извлечения из раствора образцы обтирают сухой тканью и просушивают в сушильном шкафу при температуре 50±5оС до постоянной массы. После этого образцы испытывают на прочность при сжатии по ГОСТ 10180 и морозостойкость по ГОСТ 10060.3 на приборе типа ДОД-100К.
Контрольные образцы из той же бетонной смеси все время, необходимое для пропитки и сушки насыщенных солью образцов, хранят в стандартных нормальных условиях. Испытывают их на те же показатели одновременно с насыщенными солью образцами.
После проведения испытаний вычисляют коэффициент солестойкости по формуле
Здесь
Принципиально важно, чтобы насыщенный солью бетон был высушен перед испытаниями на прочность и морозостойкость, поскольку наибольшие разрушения структуры цементного камня происходят за счет кристаллизации поглощенной с раствором соли в высыхающем бетоне.
Повышение солестойкости бетона может быть достигнуто теми же методами, что и повышение водонепроницаемости. Вполне возможно, что между водонепроницаемостью бетона и его солестойкостью существует корреляция. Установление наличия и количественной меры такой корреляции — предмет наших планируемых исследований.
Борис БАТАЛИН, д.т.н., профессор кафедры стройматериалов и специальных технологий Пермского государственного технического университета, Россия
Владимир КРАФТ, доцент кафедры стройматериалов и специальных технологий Пермского государственного технического
университета, Россия
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 31 за 2002 год в рубрике новости
