Что такое солевое отслаивание, и как с ним бороться?
Еще долго после того, как пройдет очередная зима, результаты ее воздействия бывают хорошо видны по всему Северному полушарию — это потрескавшиеся и сильно попорченные тротуары. Более чем полувековые исследования зафиксировали численные характеристики процесса солевого отслаивания — повреждения поверхности бетонной (железобетонной) конструкции, которое имеет место при ее замораживании в присутствии солесодержащей воды. Однако нельзя было сказать, что тот или иной процесс от начала до конца повинен в возникновении подобных явлений.
Результаты проведенного недавно исследования, однако, позволяют утверждать, что идентифицирован механизм, ответственный за такие повреждения. Соответствующий отчет, опубликованный в Journal of the American Ceramic Society, описывает солевое отслаивание как результат напряжения, являющегося результатом «несоответствия коэффициентов теплового расширения льда (50 ppm) и цементирующей среды (10 ppm)». По мере падения температуры растут растягивающие напряжения в теле льда. Трещины, для появления которых достаточно наличия солевых растворов умеренной концентрации, пронизывают бетонное основание, в результате чего гладкий поверхностный слой тротуара разрушается, превращаясь в хлопья.
Вопреки прошлым исследованиям, авторы которых склонны давать химическое объяснение солевым отслаиваниям, например, обращаться к химии пор, исследование, названное «Механизм солевого отслаивания» (Джон Вэлинза и Джордж Шерер, Принстонский институт науки и технологии материалов, отделение гражданского и экологического строительства Принстонского университета), определяет причину данного явления как физический механизм, реагирующий на смягчение условий увеличением поверхностной прочности бетона. Когда лед образует двухслойный композит с бетоном (коэффициенты теплового расширения этих материалов, как мы помним, не совпадают), при падении температуры во льду возникают напряжения, воздействие же механической блокировки, которая имеет место при отвердевании воды, смягчается шероховатостью бетонной поверхности, объясняет Вэлинза. Тогда при превышении растягивающих напряжений прочности льда последний трескается, и эти трещины продолжают свой путь и дальше — в поверхность бетона, превращая в хлопья и удаляя определенную часть защитного слоя. Солевое отслаивание — последствие фрактурного (то есть связанного с возникновением изломов) поведения льда, подчеркивают исследователи.
Многочисленные исследования подтвердили, что солевого отслаивания не происходит, если мы имеем дело с чистой (беспримесной) водой. Если же концентрация солей достигает нескольких процентов от веса, можно говорить о серьезном отслаивании. Правда, процесс останавливается при концентрациях выше примерно 6-процентной. Исследование механических и вязкоупругих свойств льда в контексте слоистого (лед/бетон) соединения указывает, что несовпадение коэффициентов теплового расширения не ведет к раскалыванию чистого льда (то есть замерзшей чистой воды), тогда как в случае умеренных концентраций солей можно ожидать разломов. При высоких же концентрациях лед не образует структуру, обладающую достаточной жесткостью, чтобы способствовать появлению существенных напряжений — в результате никаких повреждений не наблюдается. Таким образом, максимальные повреждения отмечаются при умеренном содержании солей в воде. Самая же опасная концентрация — примерно 3%.
Связывание солевого отслаивания с фрактурной механикой противоречит предыдущим теориям, предлагавшим химическое обоснование явления. «Солевое отслаивание считали результатом воздействия осмотического давления, — напоминает Вэлинза. — Очевидный недостаток такого предположения — то, что это никак не вяжется с тем фактом, что именно при умеренных концентрациях солей (не при чистой воде и не при высококонцентрированных растворах, концентрация которых приближается к 10%) наблюдаются самые серьезные повреждения...
Понять влияние теплового расширения на эту особенность можно через рассмотрение воздействия пузырей соленой воды на механические свойства льда. Кристаллическая решетка льда не содержит свободных ионов соли — соль содержится именно в пузырях соленой воды, наблюдаемых в массиве льда. Эти пузыри действуют как очаги ослабления льда, делая его склонным к разламыванию». Основываясь на полученных данных, исследователи решили, что чистый лед не раскалывается: так как ползучесть (увеличение деформации со временем под постоянной нагрузкой) ограничивает растягивающие напряжения в ледовом слое значением прочности льда, чистый лед не может создавать условий для отслаивания. «С другой стороны, — отмечает Вэлинза, — когда лед формируется из умеренно концентрированного солевого раствора, напряжения растут быстрее, чем его прочность, таким образом, лед действительно раскалывается, и это трещинообразование ведет к отслаиванию». Более же высокие концентрации солей препятствуют достижению слоем льда прочности в рассматриваемом температурном диапазоне интереса, добавляет он, и, таким образом, лед не способен к сообщению каких-либо напряжений бетонной поверхности.
Точно определяя несовпадение коэффициентов теплового расширения как механизм, ответственный за солевое отслаивание, исследователи таким образом создают базис, на котором выстраивается технология профилактики этих повреждений. В то время как само по себе солевое отслаивание не приводит конструкцию в негодное состояние, утверждают авторы, это облегчает попадание в нее агрессивных элементов, в первую очередь, хлоридов, которые вносят свой вклад в коррозию стальной арматуры и уменьшение срока службы конструкции. Таким образом, особенно в холодных климатических зонах, то есть там, где NaCl регулярно используется для борьбы со льдом на проезжей части и тротуарах, необходимость средства от солевого отслаивания не должна быть недооценена.
Анализ фрактурной механики указывает, что трещины ледового слоя не будут проникать в поверхность бетона достаточной плотности. Соответственно, полученные данные проведенного исследования позволяют предполагать, что использование тех или иных добавок с целью увеличения прочности защитного слоя бетона позволило бы производить более прочные тротуары, способные выдержать без ремонта или замены много зим. Кроме того, настаивают исследователи, отслаивание могло бы также быть уменьшено путем включения в защитный слой армирующих волокон, что также способно препятствовать распространению трещин.
Сергей ЗОЛОТОВ
Результаты проведенного недавно исследования, однако, позволяют утверждать, что идентифицирован механизм, ответственный за такие повреждения. Соответствующий отчет, опубликованный в Journal of the American Ceramic Society, описывает солевое отслаивание как результат напряжения, являющегося результатом «несоответствия коэффициентов теплового расширения льда (50 ppm) и цементирующей среды (10 ppm)». По мере падения температуры растут растягивающие напряжения в теле льда. Трещины, для появления которых достаточно наличия солевых растворов умеренной концентрации, пронизывают бетонное основание, в результате чего гладкий поверхностный слой тротуара разрушается, превращаясь в хлопья.
Вопреки прошлым исследованиям, авторы которых склонны давать химическое объяснение солевым отслаиваниям, например, обращаться к химии пор, исследование, названное «Механизм солевого отслаивания» (Джон Вэлинза и Джордж Шерер, Принстонский институт науки и технологии материалов, отделение гражданского и экологического строительства Принстонского университета), определяет причину данного явления как физический механизм, реагирующий на смягчение условий увеличением поверхностной прочности бетона. Когда лед образует двухслойный композит с бетоном (коэффициенты теплового расширения этих материалов, как мы помним, не совпадают), при падении температуры во льду возникают напряжения, воздействие же механической блокировки, которая имеет место при отвердевании воды, смягчается шероховатостью бетонной поверхности, объясняет Вэлинза. Тогда при превышении растягивающих напряжений прочности льда последний трескается, и эти трещины продолжают свой путь и дальше — в поверхность бетона, превращая в хлопья и удаляя определенную часть защитного слоя. Солевое отслаивание — последствие фрактурного (то есть связанного с возникновением изломов) поведения льда, подчеркивают исследователи.
Многочисленные исследования подтвердили, что солевого отслаивания не происходит, если мы имеем дело с чистой (беспримесной) водой. Если же концентрация солей достигает нескольких процентов от веса, можно говорить о серьезном отслаивании. Правда, процесс останавливается при концентрациях выше примерно 6-процентной. Исследование механических и вязкоупругих свойств льда в контексте слоистого (лед/бетон) соединения указывает, что несовпадение коэффициентов теплового расширения не ведет к раскалыванию чистого льда (то есть замерзшей чистой воды), тогда как в случае умеренных концентраций солей можно ожидать разломов. При высоких же концентрациях лед не образует структуру, обладающую достаточной жесткостью, чтобы способствовать появлению существенных напряжений — в результате никаких повреждений не наблюдается. Таким образом, максимальные повреждения отмечаются при умеренном содержании солей в воде. Самая же опасная концентрация — примерно 3%.
Связывание солевого отслаивания с фрактурной механикой противоречит предыдущим теориям, предлагавшим химическое обоснование явления. «Солевое отслаивание считали результатом воздействия осмотического давления, — напоминает Вэлинза. — Очевидный недостаток такого предположения — то, что это никак не вяжется с тем фактом, что именно при умеренных концентрациях солей (не при чистой воде и не при высококонцентрированных растворах, концентрация которых приближается к 10%) наблюдаются самые серьезные повреждения...
Понять влияние теплового расширения на эту особенность можно через рассмотрение воздействия пузырей соленой воды на механические свойства льда. Кристаллическая решетка льда не содержит свободных ионов соли — соль содержится именно в пузырях соленой воды, наблюдаемых в массиве льда. Эти пузыри действуют как очаги ослабления льда, делая его склонным к разламыванию». Основываясь на полученных данных, исследователи решили, что чистый лед не раскалывается: так как ползучесть (увеличение деформации со временем под постоянной нагрузкой) ограничивает растягивающие напряжения в ледовом слое значением прочности льда, чистый лед не может создавать условий для отслаивания. «С другой стороны, — отмечает Вэлинза, — когда лед формируется из умеренно концентрированного солевого раствора, напряжения растут быстрее, чем его прочность, таким образом, лед действительно раскалывается, и это трещинообразование ведет к отслаиванию». Более же высокие концентрации солей препятствуют достижению слоем льда прочности в рассматриваемом температурном диапазоне интереса, добавляет он, и, таким образом, лед не способен к сообщению каких-либо напряжений бетонной поверхности.
Точно определяя несовпадение коэффициентов теплового расширения как механизм, ответственный за солевое отслаивание, исследователи таким образом создают базис, на котором выстраивается технология профилактики этих повреждений. В то время как само по себе солевое отслаивание не приводит конструкцию в негодное состояние, утверждают авторы, это облегчает попадание в нее агрессивных элементов, в первую очередь, хлоридов, которые вносят свой вклад в коррозию стальной арматуры и уменьшение срока службы конструкции. Таким образом, особенно в холодных климатических зонах, то есть там, где NaCl регулярно используется для борьбы со льдом на проезжей части и тротуарах, необходимость средства от солевого отслаивания не должна быть недооценена.
Анализ фрактурной механики указывает, что трещины ледового слоя не будут проникать в поверхность бетона достаточной плотности. Соответственно, полученные данные проведенного исследования позволяют предполагать, что использование тех или иных добавок с целью увеличения прочности защитного слоя бетона позволило бы производить более прочные тротуары, способные выдержать без ремонта или замены много зим. Кроме того, настаивают исследователи, отслаивание могло бы также быть уменьшено путем включения в защитный слой армирующих волокон, что также способно препятствовать распространению трещин.
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 32 за 2006 год в рубрике материалы и технологии
