Долговечность бетона на заполнителе из переработанного бетона сносимых строек
Долговечность бетона на заполнителе из переработанного бетона сносимых строек
Введение
Бетон на заполнителе из переработанного бетона в соответствии с характером его применения должен быть достаточно долговечным, то есть стойким к циклическому воздействию мороза и любых других влияний. Для испытываемого бетона на заполнителе из переработанного бетона была установлена удовлетворительная морозостойкость после 150 циклов, но он неустойчив против влияния мороза и кислотных размораживающих средств. В предлагаемой статье приводятся основные требования к составу бетона с использованием заполнителя из переработанного бетона (щебень из бетона и отсев — фракция 0,4 мм).
Под долговечностью строительных материалов мы понимаем стойкость этих материалов к воздействию внешних факторов, которые изменяют их свойства. Имеется в виду коррозия бетона, под которой понимаются процессы, ведущие к его разрушению вследствие химических реакций или физических воздействий. В бетоне или на его поверхности, а также на поверхности стальной арматуры появляются различные дефекты (изломы, трещины, деформация, отслаивание, налет, пятна), вызываемые коррозионными процессами.
При этом химическое воздействие оказывают растворы кислот и солей, органические соединения, газы, загрязненная воздушная среда, твердые вредные вещества, физическое — температура ниже нуля, высокие температуры, механическое истирание, биологическое — плесневый грибок, микроорганизмы.
Интенсивность влияния названных факторов зависит от свойств бетона и бетонных конструкций (состояния поверхности, ее пористости), а также от агрессивности среды (вида и концентрации агрессивных веществ, температуры и средней влажности среды и других влияний, возникающих на границе бетон-среда).
В бетоне главным образом возникают трещины, которые ускоряют влияние агрессивной среды. Tрещины возникают в местах, где локальное напряжение в микроструктуре бетона превысило прочность бетона (цементного камня). Локальное напряженное состояние вызывается внешними силами (нагрузка, температура) и внутренними факторами (усадка, температурная деформация). Tрещины размером до 100 m m в основном не снижают несущей способности конструкции, трещины до 50 m m не снижают водонепроницаемости, однако любая трещина ухудшает долговечность бетона. Tрещины возникают уже при схватывании бетона, и прежде всего — после его отвердения (например, температурный градиент от 25о до 30oС способствует возникновению трещин).
1. Mорозостойкость бетона
Под морозостойкостью понимается способность водонасыщенного бетона сопротивляться разрушающему воздействию циклически повторяющихся замораживания и оттаивания. Химически связанная вода никогда не превращается в лед. Гелевая вода превращается в лед только при очень низких температурах (полностью замерзает при -73oС). Капиллярная вода превращается в лед при температуре приблизительно -0,5oС, поскольку в капиллярах находится раствор. Tемпература образования льда зависит от размера капилляров. При понижении температуры в зависимости от размеров капилляров образуется ледовая шуга, которая из больших по размеру капилляров вдавливается в капилляры меньшего размера. Постепенно увеличивается объем, поскольку объем льда на 1/11 (9%) больше объема воды. Возникающее кристаллическое давление льда превышает отметку 200 MПa. Лед образуется сначала на поверхности бетона, а в зависимости от роста интенсивности охлаждения проникает к сердцевине бетонного изделия и вызывает увеличение его объема. После таяния льда сохраняется 1/3 суммарного растяжения. Морозостойкость бетона зависит от следующих факторов.
a) С точки зрения морозостойкости возраст бетона можно разделить на четыре периода времени — в каждый из этих периодов бетон обладает различной морозостойкостью.
1-й период длится от замешивания до начала схватывания бетона. Замерзание не будет причиной нарушения структуры, только увеличится пористость (приблизительно на 10%). После повышения температуры и оттаивания продолжается гидратация без какого-либо разрушения конструкции.
2-й период длится от начала схватывания бетона до приобретения им прочности RZ = 5-8 MПа. Данный период является критическим, и, если бетон замерзнет, то произойдет полное нарушение его структуры и значительно снизится его прочность (в этом случае конструкция негодна к эксплуатации).
3-й период начинается после достижения бетоном прочности RZ = 5-8 MПа и длится до приобретения им требуемой прочности. Бетон постепенно приобретает все более высокую морозостойкость, что вызвано его увеличивающейся прочностью.
4-й период характеризуется морозостойкостью затвердевшего бетона.
б) Контакт с водной средой
Если бетон не насыщен водой, то понижение температуры ниже нуля градусов проявится только как температурная деформация. Если на бетон оказывает влияние водная среда, то бетон насыщается водой, и замерзание проявится в изменении объема при превращении воды в лед, температурными деформациями и действием гидравлического давления.
в) Пористость и структура цементного камня являются решающим критерием морозостойкости, особенно характер распределения пор, заполненных водой. Вода замерзает в результате понижения температуры постепенно: начиная от самых больших капилляров и заканчивая самыми маленькими. Закрытые поры, не заполненные водой, не имеют влияния на морозостойкость.
г) Концентрация раствора, который находится в пористой структуре цементного камня. Здесь действует закон Раулта о снижении парциального давления водяного пара над раствором, которое пропорционально понижению температуры таяния (замораживания) раствора. Чем больше концентрация раствора, тем понижение точки плавления выше (криоскопическая постоянная воды равна 1860°K).
д) Прочность бетона должна сопротивляться напряжению, которое возникнет при увеличении объема воды, превращающейся в лед (9%). МакИннис полагает минимальную прочность бетона, соответствующую данному критическому изменению объема, равной 33,5 MПa.
е) Воздухововлечение бетона — это искусственное образование закрытых воздушных пор в цементном камне. Закрытые, не заполненные водой поры служат как компенсационные пространства при увеличении объема льда на 9% (при 0°С) до 13% (при -20°С).
ж) Степень насыщения водой капиллярных пор рассчитывается как часть, которую капиллярная пористость составляет от общей пористости, и должна быть меньше 0,8. Количество и распределение капиллярных пор в ходе гидратации изменяется и, таким образом, изменяется также требуемое минимальное воздухововлечение бетона.
Долговечность бетона на заполнителе из переработанного бетона необходимо рассматривать в двух аспектах.
Если снесенная бетонная конструкция после ее раздробления используется как заполнитель для бетона, то необходимо описать перерабатываемый бетон учитывая его коррозию. Например, бетон c щелочным разложением заполнителя нельзя использовать в качестве вторичного заполнителя.
Возможно, бетон, изготовленный на заполнителе из переработанного бетона, будет иметь в какой-то степени меньшую стойкость к воздействию внешней среды, потому что этот заполнитель содержит цементный камень, стойкость которого меньше, чем стойкость естественного заполнителя.
2. Долговечность заполнителя из переработанного бетона
Морозостойкость и выносливость заполнителя к воздействию сернокислого натрия по ЧСН 72 1512 требуется для мелкого заполнителя марки материала A, B, C и для крупного заполнителя марки от A до D. Испытания проводятся в соответствии с ЧСН 72 1176 "Испытание выносливости и морозостойкости заполнителя". Для заполнителя из переработанного бетона решающее значение имеет морозостойкость и выносливость вторичного щебня, который представляет собой существенную часть объема бетона. Отсев содержит в основном цементный камень и поэтому не является морозостойким и стойким к воздействию размораживающих веществ.
Исследовался вторичный щебень из двух мест: DU и OL. Результаты испытаний приводятся в табл. 1. В соответствии с ЧСН 72 1512 "Плотный заполнитель для строительных целей" максимальная убыль веса после 25 циклов замораживания должна составлять для марки D 8%, C — 5%, B — 4% и A — 3%. Максимальная убыль веса после 5 циклов действия сернокислого натрия в соответствии с маркой составляет для A — 8%, B — 10%, C — 12% и D — 15%. Проведенные испытания показали удовлетворительную стойкость вторичного щебня, однако необходимо учесть относительно высокую изменчивость результатов в зависимости от источника получения дробленого бетона. Фракцию вторичного щебня 8–16 мм в соответствии с ЧСН 72 1512 можно с учетом ее выносливости отнести к марке A, с учетом морозостойкости — к марке B.
Таблица 1. Долговечность вторичного щебня фракции 8-16 мм (ЧСН 72 1176)
Обозначение | OL | DU |
| Убыток веса в % после 25 циклов замораживания | 3,6% — марка B | 3,9% — марка B |
| Разрушение зерен после замораживания | Выкрашивание цементного камня и мелких зерен с поверхности, выкрашенные зерна до 4 мм | |
| Убыль веса после 5 циклов действия Na2SO4 | 3,4% — марка A | 2,5% — марка A |
| Разрушение зерен после 5 циклов действия Na2SO4 | Цементный камень отделялся от поверхности зерен щебня | разрушение не было обнаружено |
Испытание морозостойкости бетона осуществляется в соответствии с ЧСН 73 1322 "Определение морозостойкости бетона". Испытывается попеременным замораживанием и оттаиванием балочек, насыщенных водой, с учетом определенного количества циклов. Минимальное количество испытываемых образцов для испытания 50 циклами — 9, максимальное — 12, из этого количества 3 или 6 испытываются на морозостойкость, а остальные служат в качестве эталонов для оценки потерь прочности или веса. Для определения морозостойкости после 150 циклов необходимо 15 или 24 образца, в зависимости от количества промежуточных этапов ее оценки (после 25 или после 50 циклов). Замораживание и оттаивание образцов проводится по циклам — один цикл представляет собой 4 часа замораживания (температура замораживающей среды от -15oС до -20oС) и 2 часа оттаивания в воде, температура которой +20oС. Во внерабочее время образцы находятся в морозильной камере. После окончания этапа замораживания (25 или 50 циклов) поверхность образцов высушивается, образцы измеряются, взвешиваются (определяется объемный вес), проводятся испытания прочности на растяжение при изгибе и прочности на сжатие на концах балочек. Подобным образом испытываются незамороженные образцы, являющиеся эталонами. Испытание завершается после проведения всех требуемых циклов или после этапа, в котором убыль веса составила более 5%. Оценка результатов испытания проводится после каждого этапа — оценивается убыль веса в процентах, прочность на растяжение при изгибе и на растяжение при сжатии и рассчитывается коэффициент морозостойкости, равный отношению значения среднего арифметического прочности замороженных балочек на растяжение при изгибе к значению среднего арифметического прочности балочек-эталонов. Бетон считается морозостойким при таком количестве циклов, когда коэффициент морозостойкости не менее 75%.
Бетонные образцы размером 100х100х400 мм испытывались на морозостойкость при 150 циклах. Оценка морозостойкости проводилась после 25, 50 и 100 циклов по параметрам:
— убыль веса D m [%];
— изменение прочности на растяжение при изгибе RTO [MПa];
— изменение прочности на растяжение при сжатии на концах балочек RB [MПa];
— изменение динамического модуля упругости ED [ГПa], который был определен с помощью ультразвукового импульсного метода;
— коэффициент морозостойкости вычислен для данного количества циклов.
Испытываемые бетоны с заполнителем из бетона (табл.2) можно считать после 150 циклов морозостойкими, поскольку убыль веса весьма незначительна (самая большая — 0,23% веса после 25 циклов), а коэффициент морозостойкости удовлетворяет требованию превышения 0,75. Увеличение прочности после замораживания объясняется продолжающейся гидратацией цемента, а прочность бетона, находящегося в водяной среде, постоянно возрастает, однако при температуре ниже 0oС гидратация приостанавливается (цикл проходит от +20oС до -20oС).
Таблица 2. Морозостойкость бетона на заполнителе из переработанного бетона
Кол-во цик-лов | Объемный вес, | Водопоглощение, [%] | Убыль веса, [%] | Прочность на растяжение при изгибе, [MПa] | Прочность на сжатие, [MПa] | Динамич. модуль упругости, [ГПa] | Коэффициент морозостойкости |
Морозостойкость образцов с мелким заполнителем из бетона (0-4 мм) | |||||||
0 | 2065 | 2,5 | 16,4 | 23,35 | |||
25 | 2051 | 1,8 | 0,23 | 2,9 | 17,3 | 18,38 | > 1 |
50 | 2064 | 1,0 | 0 | 2,6 | 15,3 | 22,76 | » 1 |
100 | 2062 | 0,7 | 0 | 3,1 | 16,6 | 23,34 | > 1 |
150 | 2066 | 0,7 | 0,15 | 3,0 | 17,3 | 24,25 | 0,98 |
Морозостойкость образцов с естественным мелким заполнителем (песок фр. 0-4 мм) | |||||||
0 | 2232 | 3,2 | 30,7 | 32,67 | |||
25 | 2194 | 0,8 | 0,23 | 4,2 | 30,9 | 26,24 | > 1 |
50 | 2276 | 0,3 | 0,02 | 3,7 | 31,1 | 32,50 | > 1 |
100 | 2262 | 0,3 | 0,06 | 4,1 | 32,0 | 32,90 | > 1 |
150 | 2280 | 0,3 | 0,15 | 4,5 | 33,1 | 33,40 | 0,97 |
Стандарт ЧСН 73 1326 "Определение стойкости поверхности цементного бетона к воздействию воды и химических размораживающих веществ" различает автоматический и ручной методы испытания. Автоматический метод использует прибор, способный охладить поверхность образца с +20oС до -15oС в течение 45-50 минут.
Образцы насыщенного бетона (чаще всего куб с длиной ребра 150 мм) помещаются в чашку с раствором трехпроцентного NaCl таким образом, чтобы были погружены в нем на высоту 5± 1 мм.
Далее они подвергаются попеременному замораживанию поверхности на -15oС в течение 15 минут и размораживанию на +20oС в течение 15 минут (температура измеряется на поверхности образцов). После каждого 25-го цикла образцы вынимают, и определяется вес отпавших частиц (частицы высушиваются и взвешиваются с точностью до 0,1 г, при отпадении больше чем 500 г/м-2 проводят гранулометрический анализ в ситах 0,5-1-2-4 мм). Испытание заканчивается после достижения требуемого количества циклов или после превышения предельного значения отхода. Результат испытания изображается цифрой (отход в г/м-2), а через дефис указывается количество циклов, при которых был получен данный отход. Классификация поверхностей осуществится в соответствии с табл.3.
Результаты испытаний приводятся в табл.4, значения представляют собой средние значения для трех кубов.
Обозначения в таблице:
P — фракции 0-4 мм: естественный мелкий заполнитель (песок);
R — все фракции заполнителя из переработанного бетона;
DU и OL — обозначение источников заполнителя.
Таблица 3. Классификация поверхностей бетона в соответствии с ЧСН 73 1326
Степень нарушения | Отход [г/м-2] | Характер отхода |
| 1 — ненарушенный | до 50 | Очень мелкие пылеобразные частицы до 1 мм |
| 2 — малонарушенный | 50–500 | Больше частиц до 1 мм, меньше чем 1/2 частицы до 2 мм |
| 3 — нарушенный | 500–1000 | Количество частиц крупнее 2 мм более 500 г/м-2 |
| 4 — сильнонарушенный | 1000–3000 | Количество частиц крупнаее 2 мм более 500 г/м-2 |
| 5 — распадающийся | свыше 3000 | Доля частиц крупнее 4 мм превышает 20% веса |
Обозначение образцов P - OL P - DU R - OL R - DU | |||||
Объемный вес бетона [кг/м-3] | 2219 | 2186 | 2015 | 2082 | |
Водопоглощение бетона | [%] | 1,7 | 2,0 | 3,0 | 2,7 |
Отход после циклов | 25 | 2004 | 2915 | 1389 | 3687 |
[г/м-2] | 50 | 5509 | 6881 | 2269 | 6912 |
75 | 8519 | 10057 | 2840 | 9519 | |
100 | 11280 | 12751 | 3371 | 11474 | |
Степень нарушения после 100 циклов | 5 | 5 | 5 | 5 | |
Зерновой состав | 8 | 100 | 100 | 100 | 100 |
после 100 циклов | 4 | 96,8 | 95,9 | 98,9 | 93,8 |
Общий проход через сито | 2 | 80,2 | 86,5 | 89,8 | 82,4 |
[мм] в % отхода | 1 | 61,3 | 66,9 | 63,2 | 63,3 |
0,5 | 24,5 | 28,0 | 24,1 | 26,8 | |
Кол-во зерен крупнее 2 мм [г/м-2] | 2233 | 1721 | 344 | 2019 | |
Доля зерен крупнее 4 мм [%] | 3,2 | 4,1 | 1,1 | 6,2 | |
Отходы, пересчитанные на 1 м2 поверхности бетона, превышают значение 3000 г/м-2, однако доля частиц крупнее 4 мм незначительна и является намного меньшей, чем указано в требованиях ЧСН 73 1326.
Исследованный щебень бетона фракции 8-16 мм соответствовал требованию стойкости по ЧСН 72 1176, однако бетоны, изготовленные из этого материала, можно отнести к степеням от третьей (нарушенная поверхность) до пятой (распадающаяся поверхность бетона).
Стойкость бетона на заполнителе из переработанного бетона в кислой среде при действии мороза является недостаточной. Следует отметить, что бетон на заполнителе из переработанного бетона не является стойким при одновременном воздействии кислой среды и мороза. Эти бетоны нельзя применять для конструкций, находящихся под действием агрессивной среды, в частности, для степеней агрессивности 3 (бетонные внешние поверхности), 4 (сооружения вблизи моря) и для химически агрессивной среды 5б, 5в (в соответствии с ЧСН ЕН 206-1).
Выводы
Качество бетона на заполнителе из переработанного бетона зависит прежде всего от качества самого заполнителя, состава бетона, используемой технологии, а также от конкретной области применения бетона. Вторичный щебень и песок оценивается таким же образом, как и естественный плотный заполнитель и должен отвечать требованиям ЧСН 1512 в том, что касается зернового состава, чистоты, химического состава и морозостойкости. В отличие от естественного заполнителя, свойства вторичного щебня и песка имеют отклонения по следующим параметрам:
Объемный вес зерен вторичного щебня и песка меньше и находится в пределах 2000-2300 кг/м-3 (естественный плотный заполнитель имеет объемный вес около 2650 кг/м-3).
Водопоглощение значительно выше, доля вторичного щебня — 5-10 %, отсев фракции 0-4 мм составляет более 10 %.
Долговечность, прежде всего, отсева меньше.
Отсев содержит большую долю цементного камня, который в зависимости от условий эксплуатации бетонной конструкции (сносимая стройка) подвергся коррозии, поверхностные слои содержат CaCO3, образовавшийся в результате карбонатизации, и в некоторых случаях содержат нежелательные химические соединения. Поэтому использование отсева фракции 0-4 мм ограничено (не более 20-40 % от общего количества мелкого заполнителя); для более нагруженных бетонных конструкций (это аспект как среды, так и прочности) его вообще нельзя применять. Вторичный щебень обладает гораздо лучшими свойствами, однако крупные зерна вторичного щебня более 32 мм, содержащие нераздробленные части бетона, считаются менее подходящими из-за своей более низкой прочности.
Таблица 5. Предложение оптимального состава бетона на заполнителе из переработанного бетона
Составные части бетона | Марки прочности бетона | ||||
[кг/м-3] | C 12/15 | C 12/15 | C 16/20 | C 20/25 | C 25/30 |
| CEM II/B-S — 32,5 CEM I — 42,5 Зола-унос Отсев 0-4 мм Втор.щебень 0-32 мм Втор.щебень 4-8 мм Втор.щебень 8-16 мм Естеств.песок 0-4 мм Вода Пластификатор | 275 | 280 | 320 | 350 | – |
Применяется смешанный портландцемент CEM II/B-S (марка прочности 32,5 MПa), а для бетонов марки C 25/30 рекомендуется портландцемент CEM I 42,5. Количество цемента — от 300 до 400 кг/м-3. Заполнитель из бетона необходимо по возможности разделить на крупную и мелкую фракции (меньше и больше 4 мм). Только для бетонов марки C 12/15 можно использовать фракции в пределах 0-16 или 0-32 мм. Количество воды выбирается в соответствии с водоцементным отношением. Самое высокое водоцементное отношение для неармированного бетона марки C 12/15 или C 16/20 равняется 0,80, в прочих случаях водоцементное отношение w£ 0,70. Количество воды зависит, во-первых, от водопоглощения заполнителя, во-вторых, от удобоукладываемости свежеприготовленной бетонной смеси. Для более высоких марок бетона применяется пластификатор с целью снижения водоцементного отношения при сохранении требуемой удобоукладываемости свежеприготовленной бетонной смеси. Состав бетона проектируется плотным, то есть объем пустот в заполнителе необходимо заполнить цементным раствором с определенным избытком (1,2-1,4). При недостатке мелких (до 0,25 мм) зерен в заполнителе их нехватка компенсируется золой-уносом. Добавка золы-уноса рекомендуется в количестве до 10% от веса цемента, чаще всего от 20 до 40 кг на 1 м-3 бетона.
Прочность бетона на заполнителе из переработанного бетона является основным параметром для определения качества бетона и считается достаточной для рекомендуемых марок бетона. Прочности на сжатие в возрасте 28 суток без учета состава бетонов были обработаны с помощью статистического анализа. При этом одна проба берется как среднее значение прочности 2-х или 3-х кубов с длиной ребра 150 мм. Результаты этого анализа приводятся в табл.6. Прочность бетона на заполнителе из переработанного бетона зависит от водоцементного отношения, объемного веса и уплотнения бетона. Чем ниже водоцементное отношение и, таким образом, меньше осадка конуса при измерении консистенции бетонной смеси, тем выше прочность бетона. При применении естественного песка вместо отсева фракции 0-4 мм из переработанного бетона в значительной степени повышается не только объемный вес, но и прочность бетона и его модуль упругости. Недостаточно уплотненный бетон содержит больше воздушных пор и пустот, что понижает его прочность. То же самое происходит при нехватке избыточного цементного раствора.
Таблица 6. Статистический анализ прочности бетона на заполнителе из переработанного бетона
| кол-во образцов средн. величина квадр. отклонение квантил a = 0,05 квантил a = 0,95 | 168 24,67 MПa 5,67 MПa 15,64 MПa 33,13 MПa | Максимальная прочность минимальная прочность медиана модальность скошенность | 41,2 MПa 10,0 MПa 24,6 MПa 17,0 MПa -0,0286 |
профессор, к.т.н., Технический университет Брно, строительный факультет, кафедра Технологии строительных материалов и изделий, Чешская Республика
Либуше БЕКЕРОВА,
старший преподаватель, Технический университет Брно, строительный факультет, кафедра Технологии строительных материалов и изделий, Чешская Республика
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 50 за 2002 год в рубрике бетон
