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

3. Морозостойкость бетона на заполнителе из переработанного бетона

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,
[кг/м-3]

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

4. Стойкость поверхности бетона к воздействию мороза и размораживающих веществ

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 — ненарушенныйдо 50Очень мелкие пылеобразные частицы до 1 мм
2 — малонарушенный50–500Больше частиц до 1 мм, меньше чем 1/2 частицы до 2 мм
3 — нарушенный500–1000Количество частиц крупнее 2 мм более 500 г/м-2
4 — сильнонарушенный1000–3000Количество частиц крупнаее 2 мм более 500 г/м-2
5 — распадающийсясвыше 3000Доля частиц крупнее 4 мм превышает 20% веса
Таблица 4. Результаты испытаний стойкости поверхности бетона к воздействию мороза и размораживающих веществ

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

Результаты этих испытаний различны. Исключением что касается средних значений является бетон R-OL (изготовлен только на заполнителе из переработанного бетона), который отличается самыми низкими отходами по сравнению с бетонами, при изготовлении которых в качестве мелкого заполнителя был применен естественный песок. В зерновом составе отходов не наблюдалось больших различий. В соответствии с табл.3 поверхность образцов была оценена степенью 5 (распадающаяся поверхность бетона).

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


790

315
475

230
нет

280



1580



230
нет

320

20
300

315
460
550
220
иногда

350

40
160

315
465
730
210
да


380
20


310
460
920
200
да

Оптимальным максимальным размером зерна крупного заполнителя являются 16 или 22 мм. Уязвимым местом что касается применения бетона в качестве вторичного сырья считается чистота вторичного заполнителя, которая зависит от способа сортировки строительных отходов сносимых строек. В ходе сортировки необходимо исключить инородные частицы, в первую очередь, органического характера (дерево, пластмассы, битум, если имеется в большом количестве). Состав бетона зависит от требований к качеству бетона и от области его применения. Большое количество проведенных экспериментов позволяет предложить оптимальный состав бетона на заполнителе из переработанного бетона.

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
Петр ПЫТЛИК,
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

©1995-2022 Строительство и недвижимость