2.1.1. Долговечность
Сооружение считается долговечным, если оно сохраняет свою эксплуатационную способность в течение расчетного срока службы при минимальных эксплуатационных расходах. Расчетный срок службы сооружения обычно устанавливается заказчиком при консультации проектировщика. Было бы неразумным ожидать от любого сооружения, что оно будет работать «как новое» в течение 60—100 лет без всякого ремонта.
Однако бетон на портландцементе потенциально обладает практически неограниченным сроком службы, если он не подвергается химической агрессии окружающей среды или физическим повреждениям. Образование пятен от атмосферных воздействий и выцветание не следует смешивать с уменьшением долговечности. С другой стороны, глубокая карбонизация, химическая агрессия, трещинообразование и расслоение бетона в связи с низким качеством материалов или производства работ, а также коррозия арматуры свидетельствуют о снижении долговечности.
Бетонные сооружения никогда не состоят только из бетона, в них в зависимости от типа конструкции всегда имеются другие материалы — арматура, герметики стыков и прокладки, термо- и звукоизоляция, металлические крепежные детали, соединительные элементы труб, водозащитные и декоративные поверхностные слои. Некоторые из этих материалов менее долговечны, чем бетон. В частности, герметики стыков, прокладки, водозащитные и декоративные слои требуют периодическом замены.
Долговечность бетона тесно связана с непроницаемостью. В некоторых случаях отдельные части сооружения могут подвергаться физическим воздействиям (истирание перекрытии от стальных колес тележек, действие на бетонные стены и перекрытия под напором струп или потока воды с содержанием твердых фракций, расслаивание и шелушение бетона при повторных циклах замораживания и оттаивания, а также повреждение морских сооружений от песка и гальки при волновых воздействиях).
2.1.2. Непроницаемость
Мера непроницаемости, необходимая для железобетонных конструкций, определяется степенью агрессивности воздействия окружающей среды.
Основное положение при анализе непроницаемости бетона заключается в учете того факта, что бетон обладает пористой структурой и в этом отношении принципиально отличается от металлов. Вследствие капиллярно-пористой структуры вода под давлением медленно просачивается сквозь материал. Скорость проницаемости воды через плотный бетон высокого качества весьма мала. Опыты на проницаемость проводить очень трудно, и лабораторные исследования связаны с небольшими давлениями — порядка 0,1—0,15 МПа.
Факторы, определяющие проницаемость бетона, очень сложны, и даже в настоящее время среди специалистов по технологии бетона существуют различные точки зрения об относительной значимости многих анализируемых факторов. Читатели, желающие ознакомиться с этим вопросом детально, должны обратиться к литературе в конце настоящей главы.
Тем не менее большинство специалистов сходятся в том, что непроницаемость бетона зависит от таких факторов, как:
- качество цемента и заполнителей;
- качество и количество цементного теста, которое, в свою очередь, определяется количеством цемента в смеси, водоцементным отношением и степенью гидратации цемента;
- сцепление между цементным тестом и заполнителем;
- степень уплотнения бетона;
- наличие либо отсутствие трещин от начальных или вторичных напряжений;
- тщательность соблюдения режима выдерживания бетона.
Из указанных шести факторов водоцементное отношение оказывает, по-видимому, наибольшее влияние на проницаемость.
Необходимо разработать специальные требования по обеспечению максимальной непроницаемости бетона. Среди специалистов существуют разные подходы к тому, какие положения эти требования должны содержать. Два основных направления научных исследований исходят из необходимости обеспечения: а) минимальной кубиковой прочности как основного фактора или б) минимального содержания цемента и максимального водоцементного отношения как определяющих показателей.
Автор склонен рекомендовать минимальное содержание цемента, максимальное водоцементное отношение и минимальную кубиковую прочность, которая в определенных пределах должна быть сопоставима с содержанием цемента, водоцементным отношением и видом применяемого заполнителя. Обоснование такого подхода заключается в следующем:
- а) принципиально важно обеспечить соответствующее количество высококачественного цементного теста;
- б) относительно легко проводить испытания бетонных кубиков; этот метод хорошо известен и широко применяется.
До недавнего времени было очень трудно установить содержание цемента в бетоне. Но сейчас эта проблема получила удовлетворительное решение благодаря оборудованию, запатентованному Ассоциацией цемента и бетона для экспресс-анализа свежего бетона (см. прил. 2).
Что касается определения прочности бетона испытанием кубов, то важно подчеркнуть, что эти испытания информируют только о качестве бетонной смеси. Они не дают и не могут дать прямых и точных сведений о качестве затвердевшего бетона в сооружении. Более подробно этот вопрос рассмотрен в прил. 1 (раздел «Испытания кернов»).
2.1.3. Карбонизация
Карбонизация — это изменения, которые возникают в бетоне ка портландцементе при действии на него СО2 воздуха. Особенно сильное влияние испытывает гидроокись кальция Са(ОН)2 в присутствии влаги. Гидроокись кальция при поглощении углекислого газа превращается в карбонат кальция. Карбонат кальция плохо растворяется в воде и, образуясь, стремится герметически закрыть поры на поверхности бетона (имеется в виду плотный, водонепроницаемый бетон).
Обычно значение pH поровой воды в бетоне находится в пределах от 10,5 до 11,5. Если вследствие карбонизации оно уменьшится до 9 и ниже, то возможна коррозия арматуры. Следовательно, толщина карбонизируемого слоя является важным фактором для защиты арматуры: чем глубже карбонизация, тем больше опасность коррозии стали. Глубину карбонизации можно определить, обрабатывая бетон фенолфталеином. О наличии щелочных свойств при действии фенолфталеина свидетельствует появление розового цвета, тогда как бетон, подвергшийся карбонизации, сохраняет свою первоначальную окраску.
Высококачественный плотный бетон подвергается карбонизации очень медленно. Маловероятно, чтобы карбонизация наблюдалась на глубине более 5—10 мм даже после эксплуатации в течение 50 лет. С другой стороны, глубина карбонизации низкопрочного водопроницаемого бетона может достигать 25 мм менее чем за 10 лет. Опыт показывает, что бетонные изделия низкого качества особенно подвержены карбонизации. Эта проблема подробно рассмотрена в главе 3.