Разрушение части сооружения после ремонта происходит, как правило, вследствие полной или частичной потери сцепления между старым и новым бетоном. Прочность такого сцепления непосредственно связана с качеством подготовки бетонной поверхности основной конструкции. За последнее время много внимания было уделено разработке вяжущих материалов.
Подавляющее большинство бетонных сооружений, требующих ремонта, имеет арматуру, и коррозия стали играет весьма существенную роль в разупрочнении этих сооружений. При коррозии черных металлов продукты коррозии занимают больший объем, чем сам исходный металл Образование продуктов коррозии приводит к расслоению части примыкающего к арматуре бетона.
Защитные свойства бетона по отношению к стали имеют большое значение для долговечности арматуры и сооружения в целом. Качественные бетон и раствор на портландцементе могут обеспечить постоянную защиту стали благодаря щелочной среде, создаваемой цементным тестом. Эта важная проблема подробно рассматривается в главе 2. Существенное значение имеет выбор материалов для замены поврежденного и расслоившегося бетона и восстановления прочного защитного слоя.
В данной книге все цементы делятся на портландцементы и непортландцементы. В строительной промышленности Великобритании портландцемент потребляется в значительно больших количествах, чем все другие типы. В 1973 г. на эта цели было затрачено примерно 20 млн. т.
1.1.1. Обыкновенный и быстротвердеющий портландцемент
В Великобритании эти два типа цемента включены в Британский стандарт BS 12. Они составляют большую часть всех портландцементов, применяемых для ремонта бетонных конструкций, примем преобладает применение обыкновенного портландцемента.
Основное различие между этими двумя типами цемента — скорость нарастания прочности. У быстротвердеющего портландцемента скорость возрастает в основном вследствие увеличения тонкости помола; как правило, его удельная поверхность равна примерно 4300 см2/г. Быстрое твердение сопровождается увеличением скорости тепловыделения при гидратации, что, в свою очередь, повышает температуру твердеющего бетона в течение первых 15—40 ч после укладки. Однако скорость твердения и выделения тепла при гидратации зависит не только от тонкости помола, но и от химического состава цемента.
1.1.2. Сульфатостойкий портландцемент
Соответствующий Британский стандарт — BS 4027. По прочности и другим физическим свойствам сульфатостойкий портландцемент аналогичен обыкновенному портландцементу. Однако по цвету он темнее, чем большинство обыкновенных и быстротвердеющих портландцементов. Существенным различием является ограничение содержания (максимум до 3%) трехкальциевого алюмината (С3А).
Именно трехкальциевый алюминат в портландцементе подвергается воздействию сульфатов в растворе. Эта химическая реакция приводит к образованию эттрингита, который оказывает разрушительное воздействие на бетон, вызывая изменение объема и снижение прочности. При использовании добавок с этим типом цемента рекомендуется обращаться к фирме-изготовителю. Никогда не следует применять хлорид кальция, так как сопротивление сульфатной агрессии со временем будет уменьшаться. Сульфатостойкий портландцемент, как и все портландцемента, подвергается воздействию кислот.
1.1.3. Белый и цветные портландцементы
Белый портландцемент — это портландцемент, отвечающий требованиям BS 12 «Портландцемент, обыкновенный и быстротвердеющий». Особенностью этого цемента является то, что в качестве сырья для него выбирается только белая фарфоровая глина при минимальном содержании марганца и железа.
Цветные портландцементы (кроме белого и пастельных тонов), как правило, состоят из обыкновенного портландцемента и добавляемого на заводе пигмента. Применяемые пигменты регламентированы стандартом BS 1014 «Пигменты для цемента и бетона», цветные портлантцементы — стандартом BS 12. Такие цементы следует применять лишь в тех случаях, когда желательно получить такой же цвет, что и у конструкции. Однако наилучшие результаты будут получены при подборе пигментов и пробных смесях, так как цвет изменяется во времени и под действием эрозии.
Иногда возникает вопрос о необходимости увеличения содержания цемента в бетонной смеси пли растворе в связи с наличием в цементе пигментов. На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Когда необходимо обеспечить долговечность н непроницаемость, по мнению автора, следует увеличивать установленное количество цемента в зависимости от содержания пигмента. Если основной параметр — прочность, то единственно правильным решением будет изготовление пробных смесей, так как прочность обыкновенного портландцемента в определенных пределах изменяется.
1.4.4. Сверхбыстротвердеющий портландцемент
Этот вид портландцемента появился в Великобритании несколько лет назад под фирменным названием «свифткрит». В период написания книги, т. е. в 1976 г., этот цемент еще не был включен в Британский стандарт, но был опубликован Сертификат о качестве № 73/170. Фирмы-изготовители определяют его как портландцемент исключительно тонкого помола и с большим, чем у обыкновенного портландцемента, содержанием гипса; в остальном он отвечает требованиям стандарта BS 12. Сверхбыстротвердеющий портландцемент не содержит никаких других добавок. Удельная поверхность этого цемента — от 7000 до 9000 см2/г по сравнению с удельной поверхностью 3400 см2/г среднего обыкновенного портландцемента и 4300 см2/г среднего быстротвердеющего портландцемента.
Эксперименты, проведенные по заданию Научно-технического совета по выдаче сертификатов о качестве, подтвердили, что цемент «свифткрит» через 24 ч набирает такую же прочность, как и аналогичная бетонная смесь на быстротвердеющем портландцементе за 7 сут. В Сертификате о качестве содержится ряд правил по применению этого цемента и приводится таблица с подробным сравнением цемента «свифткрит» с обыкновенным и быстротвердеющим портландцементами.
Сверхбыстротвердеющий портландцемент примерно на 50— 60% дороже обыкновенного, но это не имеет существенного значения в тех случаях, когда требуется получить бетон весьма высокой прочности в раннем возрасте.
1.1.5. Глиноземистый цемент
В период подготовки данной книги в Великобритании возникло много разногласий относительно возможности применения для строительных конструкций бетона на глиноземистом цементе. К сожалению, это было вызвано разрушением двух балок покрытия в здании школы. Поскольку в британской прессе и даже в некоторых технических журналах появилось много недостоверной информации, автор считает целесообразным представить краткую и объективную оценку основных характеристик бетона на глиноземистом цементе и показать, в чем его существенное отличие от бетона на портландцементе.
Глиноземистый цемент включен в Британский стандарт BS915. Примерно 60% мировых поставок этого цемента (за исключением СССР) производит фирма «Лафарг Фонду Интернешнл». Около 90% этого количества применяется в жароупорных бетонах, где высокая конструктивная прочность необязательна.
Глиноземистый цемент существенно отличается от портландцемента по своему химическому составу — он в основном состоит из алюминатов кальция. Этот вид цемента гораздо темнее (темно-серый), чем обыкновенный и быстротвердеющий портландцемента. Светлые глиноземистые цементы и темные оттенки сульфатостойкого портландцемента почти одинаковы по цвету. Глиноземистый цемент схватывается и набирает прочность при смешивании с водой и при нормальной температуре имеет такой же срок схватывания, как и обыкновенный портландцемент. Однако при повышении температуры окружающей среды в обычных климатических условиях Великобритании срок схватывания глиноземистого цемента увеличивается, тогда как у портландцемента уменьшается. Следует, однако, помнить, что в странах с более теплым климатом при температуре выше 30°С срок схватывания сокращается. Схватывание происходит быстрее, а в особых случаях наблюдается даже «мгновенное» схватывание. С другой стороны, глиноземистый цемент очень быстро набирает прочность и через 24 ч она обычно составляет 80% расчетной, в то время как портландцемент достигает 80—85% прочности только через 28 сут.
Быстрое увеличение прочности сопровождается интенсивным выделением теплоты гидратации. В этом есть свои преимущества и недостатки. Быстрая экзотермия особенно благоприятна при работе в условиях низких температур. Она также дает возможность осуществлять аварийный ремонт и другие аналогичные работы в короткий срок. Во избежание преждевременного высыхания поверхности бетон следует выдерживать во влажных условиях, а в целях быстрого рассеяния тепла укладывать относительно тонкими слоями. Рекомендуется ограничивать толщину слоя 500 мм. Практически это означает, что стена толщиной 1 м может возводиться непрерывно без всяких горизонтальных швов (как при использовании бетона на портландцементе). Однако в некоторых случаях (например, в фундаментах под печи) возникает необходимость укладывать большие объемы бетона на глиноземистом цементе. Чтобы уменьшить термическое растрескивание, в массив фундамента укладывают специальную сетчатую арматуру, а также трубы, по которым пропускают очень холодную воду.
Правильно подобранный, уложенный и выдержанный бетон на глиноземистом цементе обладает большей, чем у бетона на портландцементе, устойчивостью к действию многих химических веществ, включая сульфаты, сахара, растительные масла и некоторые слабые кислоты, в том числе молочную. Глиноземистый цемент не входит в категорию химически стойких цементов.
Такие вещества, как хлориды и слабые едкие и неедкне щелочи, оказывающие на бетон на портландцементе лишь незначительное воздействие, разрушают бетон на глиноземистом цементе.
Для обеспечения долговечности и максимальной стойкости против химической агрессии следует предъявлять те же требования, что и к бетону на портландцементе. Это высокое содержание цемента (не менее 400 кг/м3), низкое водоцементное отношение (не более 0,4), тщательное уплотнение и выдерживание во влажных условиях. Соблюдение этих правил позволяет получить плотный непроницаемый бетон, что весьма существенно для обеспечения долговечности. Долговечность бетона на глиноземистом цементе в морской воде рассмотрена в главе 5. Глиноземистый цемент требует более крупного, чем обыкновенный портландцемент, помола (его удельная поверхность около 3000 см2/г по сравнению с 3500 см2/г среднего обыкновенного портландцемента). Это (обстоятельство совместно с другими физическими характеристиками частиц цемента дает возможность приготовлять удобоукладываемые смеси с более низкими водоцементными отношениями, чем у смесей на портландцементе с такой же удобоукладываемостью.
В связи с этим уместно остановиться на наиболее противоречивом свойстве глиноземистого цемента, а именно — на «перекристаллизации». По этому поводу было опубликовано немало работ, и суть этого явления можно кратко свести к следующему: гидраты, вызывающие быстрое нарастание прочности глиноземистого цемента, метастабильны и переходят в более плотную и устойчивую форму. Неопубликованная работа Ширли, сообщение Френча и его коллег в журнале «Бетон» (август 1971, с. 3—8) и доклад д-ра Джорджа в 1975 г. свидетельствуют о том, что явление перекристаллизации можно > читывать относительно простым способом в процессе проектирования бетонной смеси. Короче говоря, степень воздействия перекристаллизации зависит преимущественно от ее скорости, а скорость, в свою очередь, от температуры в период твердедия бетона и температуры окружающей среды во время его эксплуатации. Исходное водоцементное отношение (В/Ц) определяет в основном прочность бетона после перекристаллизации. Есть основания полагать, что перекристаллизация не имеет большого практического значения при условии, что бетонная смесь была запроектирована с учетом тщательного уплотнення и с водоцементным отношением, соответствующим максимальной температуре во время срока службы конструкции. К сожалению, приемлемая формула, включающая водоцементное отношение и температуру и соотносящая их с минимальной прочностью, не установлена. Более всего учитывались эти зависимости в статье, опубликованной в журнале «Нью Сивил Инджиннер» (21 марта 1974 г., с. 40 и 43) и в публикации д-ра Джорджа из «Лафарг Фонду Интернешнл».
Глиноземистый цемент следует применять:
- а) для ремонта конструкций, бетон которых изготовлен на глиноземистом цементе;
- б) при необходимости срочного ремонта бетонных полов на портландцементе;
- в) для ремонта полов в неотапливаемых складах;
- г) при восстановлении и ремонте морских сооружений;
- д) при торкретировании или оштукатуривании в тех случаях, когда требуется большая по сравнению с портландцементом жаростойкость или химическая стойкость.
Было проведено много исследований, направленных на разработку относительно быстрого, простого и надежного метода натурных испытаний, при помощи которого можно было бы обнаружить глиноземистый цемент в бетонном элементе. Больших успехов в этом добилась Научно-исследовательская строительная станция. Ниже приведен отрывок из ее информационного листка TS 15/74, опубликованного в октябре 1974 г.: «Испытание включает экстрагирование 1 г образца порошкообразного бетона десятью миллилитрами 0,1 н. раствора NaOH, и после фильтрования обработку экстракта «оксином» (8-ок-енхинолнном) при соответствующих условиях. Обильное образование желтого осадка указывает на наличие в бетоне глиноземистого цемента.
Желтый осадок указывает на то, что в бетоне содержится значительное количество алюминия. При проведении испытания с бетонами на портландцементах раствор остается довольно прозрачным или слегка мутнеет».
1.1.6. Цементы, устойчивые к химической агрессии
Эти виды цемента используют лишь в тех случаях, когда требуется очень небольшое количество бетона, но их широко применяют в растворах при устройстве и ремонте облицовки из кирпича, устойчивого к химической агрессии. Их используют и при облицовке резервуаров для очень агрессивных жидкостей.
Двумя основными типами таких цементов являются полимерцементы и силикатные цементы; некоторые сорта последнего — жаростойкие. В настоящее время можно получать цементы, устойчивые к агрессивному воздействию большинства распространенных химических веществ, за исключением фтористоводородной кислоты концентрацией выше 40%.
Эти цементы обычно состоят из порошка и жидкости для затворения (называемой иногда сиропом), которые смешивают в определенных пропорциях.