Строительніе статьи 1996

Оценка старения покрытий цементных бетонов с учетом наследственного фактора

Было оценено влияние пористо­сти цементной подложки на изме­нение прочности сцепления покры­тий. В качестве красочных составов и работе применяли поливинилаце - татцементную (ПВАЦ) и кремний- органическую (КО-168) краски. Красочные составы наносили на растворные подложки с различной пористостью с промежуточной суш­кой в течение 20 мин. Адгезию определяли методом отрыва шайб после полного отверждения покры­тий. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что при увеличении пористости цемент­ной подложки наблюдается сниже­ние прочности сцепления покрытий. Например, прочность сцепления ПВАЦ (Дсц) покрытий при пористо­сти (П) подложки, равной 12,5 %, Составляет 2,5 МПа, а при П = 23 %

— 2,36 МПа. Аналогичные законо­мерности характерны и для кремний - органического покрытия КО-168.

Снижение прочности сцепления покрытий при увеличении пористо­сти подложки на первый взгляд находится в противоречии с основ­ными положениями о механической адгезии. Однако такое противоречие кажущееся. Система «покрытие —

— подложка» является слоистой. Определенную роль в слоистой системе играет контактный слой, связывающий собственно покрытие с подложкой. Контактный слой мож­но представить как композицион­ный материал, состоящий из про­странственного структурного карка­са материала подложки и полимер­ной матрицы (покрытие).

Исследование структуры контак­тного слоя показало, что имеются поры, не заполненные красочным составом. В соответствии с теорией перколяции снижение прочности композиционного материала с рос­том его пористости происходит по закону 11]:

(1)

Где «о — прочность композита, не содержащего пор; /?ф — фактическая прочность сцепления покрытий; — фактическая прочность сцепления по­крытий; — универсальный критиче­ский индекс.

© Л. П. Орентлихер, В. И. Логанина, 15

В результате математической об­работки экспериментальных данных было установлено, что /? = 0,39. В соответствии с [1] это значит, что на прочность композиционного контактного слоя оказывает влияние весь массив структурных связей. Для ПВАЦ покрытий прочность безде­фектного контактного слоя состав­ляет До = 2,8 МПа, для кремни йор - ганического КО-168 - Дг: = 2,5 МПа.

Наличие пор в контактной зоне способствует преждевременном}’ отслаиванию покрытий. Рассмотрим процесс старения покрытий с пози­ции теории накопления поврежде­ний с учетом наследственного фак­тора. Оценим степень повреждения материала покрытия уровнем накоп­ления повреждений IV, который может быть определен по формуле

(До-ДфУДо. (2)

На рисунке приведены экспери­ментальные данные изменения уровня накопления повреждений в процессе испытаний, где % пред­ставляет собой наследственный фактор, оказывающий существен­ное влияние на кинетику накопле­ния повреждений. Анализ данных, приведенных на рисунке, свидетель­ствует о том, что в начале процесса старения (инкубационный период) наблюдается незначительное изме­нение уровня накопления повреж­дений. Длительность инкубационно­го периода зависит от уровня на­следственного фактора W'J. Чем больше начальный уровень накоп­ления повреждений Wo, тем быстрее начинается интенсивное накопле­ние повреждений. При пористости цементной подложки II = 12,3 % W = 0,04 и инкубационный период составляет 25 циклов, а при пори­стости подложки П = 23 Sc W = = 0,12 и инкубационный период равен 15 циклам. Соответственно скорость роста повреждений у покрытия на подложке с пористо­стью 12,3 % меньше по сравнению со скоростью у покрытия на под­ложке с пористостью 23 %. Так, спустя 100 циклов испытаний уро­вень накопления повреждений по­крытия КО-168 на подложке с П = = 12,3 % составляет W - 0.25, а на подложке с П =23 % — 0,37. При W = 0,9 происходит разруше­ние покрытий.

Математическая обработка дан­ных, приведенных на рисунке, свиде­тельствует о том, что зависимость времени эксплуатации от уровня на­копления повреждений может быть аппроксимирована уравнением вида

T - а ехр Ф In W). (3}

Для кремнийорганического (КО-168) покрытия на подложке с пористостью П = 12,3 % уравнение (3) имеет вид:

T = 259,8 ехр (0,6856 In Иг), (4;

На подложке с П = 23 ‘Гс

T = 254,95 ехр (1,1848 1г. И7). (5)

Уравнение (3) позволяет оценить время эксплуатации покрытий при критическом уровне накопления по­вреждений, т. е. в момент ♦отказа».

Таким образом, при оценке срока службы покрытий необходимо учи­тывать наличие дефектов в структуре покрытия, оказывающих существен­ное влияние на кинетику его разру­шения.

Проблема обеспечения долговеч ногти бетона к конструкциях здании и сооружении, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, занимает одно из ведущих мест в научных исследованиях как в Рос­сии, гак и за ее пределами (Канада, США, Япония и Др.). Низкие отри Нательные температуры (до -60 °С). продолжительный зимний период, резкие перепады температур в тече­ние короткого времени, наличие вечномерзлых грунтов приводят к преждевременному разрушению бе­тона в различного рода конструкциях.

В Абаканском государственном университете были проведены исс­ледования, позволяющие глубже по­нять деструктивные процессы, про­текающие при охлаждении бетона до 60 °С. В работе 11] показано, что при повышении температуры промерзшего до низких температур И водонасыщенного бетона на один градус, в его скелете возникаю/ растягивающие напряжения около 0,1—0,2 МПа. Быстрое нагревание промерзшего бетона за счет коле­бания температуры воздуха на 15—

20 °С приводит к возникновению растягивающих напряжений, сопо­ставимых с прочностью бетона при растяжении. Анализ изменения су­точных температур наружного воз­духа для Норильского региона по пяти месяцам с наиболее низкой среднемесячной температурой (по данным местной обсерватории) по­зволил зафиксировать более 50 изменений температуры с перепа­дом 15 °С в течение 3 ч и более 15 изменений — с перепадом 25 °С в течение суток. Действие цикличе­ских температур в интервале отри­цательных значений способствует постепенному снижению упругих и механических характеристик бетона и снижению его стойкости.

Лля количественной оценки этого снижения прочности были проведе­ны лабораторные исследования на образцах-кубах с ребром 10 см. Образцы изготавливали из бетона разных составов, отличающихся расходом цемента, водоцементным отношением и, соответственно, прочностью бетона (см. таблицу). При изготовлении использовали портландцемент Белгородского за­вода М500, гранитный щебень фракций 5—10 и 10—20 мм в соотношении 1 : I, кварцевый песок с модулем крупности, равным 2. Образцы беюпа, указанных в табли­це составов, были испытаны на морозостойкость по основному ме ­тоду. Морозостойкость образцов со­става 1, имеющих открытую пори­стость 4,1 %, составила 300 циклон, состава 2 (П„ = 5,6 %) — 200, состава 3 (П., = 7,5 9с) - 50.

Изготовленные образцы хранили в течение 7 сут в нормальных температур по-влажностных услови­ях. Далее их насыщали водой до Постоянной массы и помещали и

Морозильную камеру, обеспечиваю­щую колебания температуры в ии тервале от 50 до -20 “С. после чего образцы испытывали на сжатие. Тонкий слой льда на поверхности образцов препятствовал испарению влаги.

Результаты эксперимента, пред­ставленные па рисунке, явно свиде тельсгвуют о сильном снижении прочности бетона на первых циклах переменного действия отрицатель­ных температур, что объясняется миграцией незамерзшей воды из пор геля к кристаллам льда в микро - и макрокапиллярах и, как следствие этого, ростом этих кристаллов. Из рисунка следует, что потеря прочно­сти бетона в значительной степени зависит от водоцементного отноше­ния (В/Ц).

Весьма существенное снижение прочности (до 30 9с) наблюдается у образцов состава 3 с наибольшим В/Ц (0,7).

Таким образом, исследования но казали, что в северных климатиче ских условиях бетоны подвергаются специфическим воздействиям

Внешней среды, которые приводят к расшатыванию структуры матери­ала, что существенно снижает дол­говечность бетонных п железобе­тонных фундаментов, расположен­ных в районах вечной мерзлоты. Для оценки снижения прочности бетона в интервале отрицательных н-мне ратч’р (без перехода через о '(') представляется целесообра шым введение понятия «морозостойкость

II рода».

Следующим шагом в экспери­ментально-теоретических псе тедо вания. х деструктивных процессов в промерзшем бетоне должна оыть дифференцированная оценка влия­ния степени во. чонасышення на прочность бетона в описанных кли­матических условиях.

Литература

1. Горчаков /. И.. .1цфано* И И.,

Терсхип Л. Н. Коэффициенты |ем пературного расширения и Темпе­ратурные деформации строитель ных материалов. М.. 1068.