Analysis of effects of exposure duration on climatic resistance of fine-grained concretes

Abstract

The results of fine-grained concretes composition testing are presented. The effects of climatic factors on the change in temperature of the sample surfaces are defined. The effects of exposure duration in testing conditions on the change in the elastic-strength properties of fine-grained concretes are studied.

Full Text

Оценка долговечности изделий и конструкций из бетона и железобетона, которые подвержены воздействию климатических факторов, крайне затруднена из-за многообразия взаимодействующих с материалами в естественных условиях агрессивных факторов. Расчет сроков службы изделий и конструкций в настоящее время проводится на основании степени агрессивности внешней среды согласно принятым нормативным документам. Существующие методы защиты от агрессивного воздействия внешних сред нормируются СП 28.13330.2012 «Защита строительных конструкций от коррозии».

Для определения изменения свойств строительных композитов в условиях действия агрессивных факторов, как правило, проводят экспонирование образцов в лабораторных условиях путем создания модельных сред и т.д. В реальных климатических условиях на строительные изделия и конструкции оказывается непрерывное воздействие множества агрессивных факторов (перепада температур, солнечного света, проникающей радиации, влаги, кислорода) и их комбинаций [1–10]. Именно поэтому проведение исследований изменения свойств строительных материалов, изделий и конструкций в условиях действия натурных климатических факторов имеет особое значение.

Для установления изменений, происходящих в структуре мелкозернистого бетона в процессе натурного экспонирования, были изготовлены образцы-балочки размером 40×40×160 мм. План экспериментального исследования и уровни варьируемых факторов приведены, соответственно, в таблицах 1 – 2. При проведении экспериментальных исследований использовались следующие материалы: портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Б производства ОАО «Мордовцемент»; высокоактивный метакаолин – ВМК; речной песок (Республика Мордовия, Ичалковский район, посёлок Смольный); поликарбоксилатный пластификатор Melflux 1641 F [1; 2]. Для ряда составов (4–9) проводилась механоактивация смесей в шаровой барабанной мельнице (скорость вращения составляла 73 об/мин.) по режиму: цемент + MF 1641 + ВМК (15 мин.); + песок (15 мин.).

Таблица 1

План экспериментального исследования составов мелкозернистого бетона, экспонируемых в условиях натурных климатических воздействий

Номер состава	Варьируемые факторы
	ВМК (Х1)	песок (Х2)	Melflux 1641 F (Х3)	режим помола (Х4)
1	-1	0	-1	-1
2	-1	+1	-1	-1
3	-1	-1	-1	-1
4	0	0	0	+1
5	0	+1	0	+1
6	0	-1	0	+1
7	+1	0	+1	+1
8	+1	+1	+1	+1
9	+1	-1	+1	+1

Таблица 2

Уровни варьирования переменных факторов

Факторы		Уровни варьирования
		-1	0	+1
Х1	высокоактивный метакаолин (ВМК), % от массы цемента	0	5	10
Х2	песок, % от массы твердой фазы	55	65	75
Х3	суперпластификатор Melflux 1641 F, % от массы вяжущего	0	0,4	0,8
Х4	режим помола	без помола	-	с помолом

Для экспонирования образцов в климатических условиях были изготовлены испытательные стенды, размещенные на базе эколого-метеорологической лаборатории Национального Исследовательского Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва [11]. Фиксирование метеорологических (температура, относительная влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, осадки) и экологических (концентрации загрязняющих веществ) параметров осуществлялось с помощью автоматической станции контроля загрязнения атмосферного воздуха с актинометрическим комплексом в состав с частотой 20 минут в круглосуточном режиме.

Рис. 1. Изменение прироста температур поверхности образца в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Для контроля температуры и влажности поверхности исследуемых образцов использовалась система мониторинга на основе датчиков DS 1923-F5, состоящая из: комплекса iButton Data Logger Revisor (модель iBDLR-U), адаптера 1w-2/3-iButton_1923, считывателя данных с регистраторов iB-Flash и портативного транспортер данных iButton Data Logger Transporter (iBDLT).

В работах [12; 13] показано, что в процессе натурного экспонирования бетонных образцов происходит разогрев поверхности, зависящий от температуры окружающего воздуха и интенсивности солнечного излучения. Для месяцев с низкой среднесуточной температурой (менее 5 ^оС) разность между температурами воздуха и поверхности образца минимальна. По мере повышения температуры воздуха разброс показателей возрастает (рис. 1); в летние месяцы данный параметр может достигать 20÷30 ^оС; наибольший разогрев поверхности образцов, как правило, происходит с 10:00 до 16:00, т.е. в момент наибольшего воздействия солнечной радиации (рис. 2).

Рис. 2. Изменение прироста температур поверхности образца в зависимости от времени суток.

Для контрольных составов, а также через 60 и 210 суток экспонирования бетонных образцов на натурной площадке фиксировались следующие упруго-прочностные показатели: плотность, предел прочности при сжатии и растяжение при изгибе, модуль упругости и максимальная деформативность при сжатии. Экспериментально установлено, что в процессе экспонирования в течение 210 суток наблюдалось, в целом, повышение предела прочности при сжатии (рис. 3), связанное, прежде всего, с продолжением процессов гидратации. Наибольший прирост характеристики, достигающий, соответственно, 73 и 100% к 210 суткам, наблюдается для составов 2 и 8 с максимальным содержанием песка (75% от твердой фазы смеси). Для контрольных образцов этих же составов зафиксированы наименьшие прочностные показатели при сжатии – 30 и 22 МПа.

Рис. 3. Гистограммы изменения предела прочности при сжатии образцов мелкозернистого бетона в процессе экспонирования в натурных климатических условиях.

Предел прочности на растяжение при изгибе является количественным критерием, по которому можно судить об изменении характеристик поверхностных слоев исследуемых композитов [14]. Из анализа данных, представленных на рис. 1, установлено, что к 60 суткам для всех исследуемых составов наблюдается повышение от 14 до 54% от первоначальной прочности. Однако последующее экспонирование образцов до 210 суток приводит к снижению предела прочности на растяжение при изгибе от 3 до 23% по сравнению с контрольными составами, что свидетельствует о начале накопления повреждений в поверхностных слоях образцов.

Рис. 4. Гистограммы изменения предела прочности на растяжение при изгибе образцов мелкозернистого бетона в процессе экспонирования в натурных климатических условиях.

Сбор данных о климатическом воздействии натурных факторов поможет в решении проблемы оценки степени влияния отдельно взятых агрессивных факторов на конструкции из мелкозернистых бетонов. Дальнейший анализ параметров агрессивного воздействия, влияющих на строительные материалы в натурных условиях эксплуатации, поможет подобрать оптимальные составы для защиты конструкций и изделий, находящихся во взаимодействии с естественной средой.