Многие конструкционные бетонные элементы плотин должны выдерживать экстремальные морозные нагрузки и истирание быстротекущей воды. В настоящее время несколько реконструкций бетонных переливов или оползней плотин или плотин ведутся или уже выполнены, с требованием повышения устойчивости к истиранию. Абразивно-стойкие бетоны определяются по классу воздействия XM, но критериев оценки и методов испытаний недостаточно. Статья посвящена более подробному изложению требований к свойствам и разработке бетона с высокой устойчивостью к истиранию и морозу и его последующим испытаниям.
1.Требования к бетону для строительства и реконструкции плотин, водосливов и оползней.
Согласно действующим стандартам, бетон, предназначенный для строительства или реконструкции бетонных водосливов, водосливов, бульонов или желобов на плотинах, обычно классифицируется по классу воздействия XF3 и XM3. Эти уровни воздействия определяются только минимальным классом прочности, минимальным количеством цемента и максимальным водным коэффициентом. Однако ни один из этих параметров не дает четкой и измеримой картины достаточного сопротивления полученного бетона абразивному поведению жидкости, ее течению, уносу твердых частиц и устойчивости к морозу. В частности, на сопротивление истиранию быстротекущей воды с абразивом или кавитацией не может повлиять только доза цемента и рекомендуемый водный коэффициент, но необходимо иметь дело с микроструктурой композита, типом используемого заполнителя, устранением любых трещин.
2.Сопротивление истиранию.
Истирание классифицируется как физический износ поверхности из-за циклически повторяющихся динамических сил и смещений. Следовательно, сопротивление истиранию можно определить как способность противостоять износу из-за трения. При шлифовании данной поверхности материал теряется с бетонной поверхности.
В конкретном случае бетонных водосливов, переливов или оползней эти конструкции подвергаются нагрузкам в основном из-за текущей жидкости, несущей твердые частицы, или из-за кавитации жидкости, которая возникает при высоких скоростях текущей воды. В некоторых случаях переливных желобов, в ситуациях наводнения учитываются скорости воды до 20 м / с, с точки зрения самого определения истирания, ясно, что для хорошего сопротивления необходимо обеспечить достаточную твердость композита, а также гладкость поверхности без микродефектов, которые становятся подшипниками для кавитации и последующего быстрого разрушения бетонных поверхностей. гидроразрывы поверхности также позволяют воде проникать в сам композитный сердечник или разрушать его из-за циклического замерзания.
3.Факторы, влияющие на истирание бетона
На абразивность бетона влияет ряд параметров, связанных с составом самой смеси, а также ее уплотнение и окончательно обработанные поверхности. В целом эти факторы можно разделить на основные и второстепенные. Среди основных - состав бетонной смеси, а среди второстепенных - использование специальных продуктов, обеспечивающих дополнительное упрочнение поверхности. Наиболее важными параметрами обычно являются твердость поверхности и прочность сцепления заполнителя и цементной замазки. Эти два фактора дополняют друг друга. Твердый и устойчивый к истиранию или ушибам заполнитель защищает цементный герметик при условии, что связь между заполнителем и вяжущим герметиком достаточно прочна, чтобы выдерживать нагрузку.
4.Влияние агрегатов
В случае агрегатов необходимо, в частности, обеспечить их высокую твердость и устойчивость к царапинам. Заполнитель составляет основной каркас всего бетонного композита, и его сопротивление истиранию значительно выше, чем сопротивление цементной шпатлевки. Твердые заполнители обладают отличной твердостью, но в то же время могут быть достаточно хрупкими, поэтому необходимо использовать достаточно прочные и достаточно высокие заполнители. Подходят базальт, гранит или амфиболиты.
5.Влияние цементной замазки
Если бетон должен иметь хорошую стойкость к истиранию, его цементирующий герметик должен иметь достаточную прочность, чтобы обеспечить хорошее соединение с заполнителем. Прочность цементного герметика напрямую определяется его микроструктурой, на которую влияет тип используемого цемента или используемая добавка и содержание воды, и, следовательно, использование суперпластификаторов или, в крайних случаях, аэрирующего агента.
Благодаря использованию подходящего и достаточно эффективного суперпластификатора можно значительно снизить содержание воды, что напрямую влияет на прочность цементного герметика. Непропорционально высокий коэффициент воды приводит, в частности, к отрицательному воздействию на переходные зоны, то есть к прочности включения зерен заполнителя в цементную замазку.
Однако достаточная прочность цементного герметика часто достигается за счет требуемой дозы цемента или вяжущей основы в целом, что может привести к микроповреждениям композита, образующегося во время гидратации, например, из-за высоких температур гидратации в твердеющем бетоне. Гидроразрывы в виде микротрещин приводят не только к снижению сопротивления истиранию, но и к увеличению водопоглощения, снижению водонепроницаемости бетона и, благодаря этим параметрам, к снижению морозостойкости.
Поэтому представляется целесообразным использование добавок для снижения температуры гидратации бетона и его усадки. Кроме того, активные ингредиенты участвуют в процессе гидратации во время длительного образования гелей CSH и, таким образом, в утолщении микроструктуры, которая, таким образом, становится более прочной и устойчивой к истиранию. Однако из-за окружающей среды XF нецелесообразно использовать некоторые добавки, которые отрицательно влияют на испытание бетона на морозостойкость. Микрофишированный известняк и тонкоизмельченный гранулированный шлак доменной печи могут быть включены в число наиболее часто используемых добавок для этих типов бетона, которые имеют положительное влияние, особенно на ход температур гидратации.
Для уменьшения изменения объема и последующего образования усадочных трещин можно использовать так называемые добавки против усадки, которые широко доступны на рынке. Конечно, эти добавки увеличивают цену бетона, поэтому для требуемых условий окружающей среды XM3 чаще всего учитывается при расчете цены.
Для правильного проектирования износостойких и морозостойких бетонов в сооружениях плотин важно учитывать аспект бетонирования часто массивных частей сооружения. Поэтому важно обеспечить особенно безопасный процесс гидратации при максимальных температурах в бетонной массе до 50 ° C и без последующего образования микротрещин.
Для повышения стойкости к истиранию поверхностей из цементного камня используются так называемые упрочняющие добавки, которые наносятся либо на свежий бетон во время его перемешивания, либо в виде прозрачного покрытия на уже затвердевшей поверхности бетонной конструкции.
В наших климатических условиях все конструкции, контактирующие с водой на водоемах, должны выдерживать морозную среду. В случае гидротехнических сооружений, это в основном бетон XF3, если только это не передвижные дамбы с применением пескоструйных солей. В современной бетонной технологии используются так называемые аэрирующие добавки для повышения морозостойкости и морозостойкости, а также химически оттаивающих веществ. Однако воздух в бетоне отрицательно влияет на стойкость к истиранию. Таким образом исходя из практических результатов, производство бетона без дополнительной аэрации, но достаточно устойчивого к среде XF3, оказывается целесообразным. Требование к долговечности, выраженное как коэффициент морозостойкости значений предела прочности при изгибе, при демонстрационных испытаниях, должно быть на уровне мин. 150 циклов замораживания.
Кроме того, как и в случае со стойкостью к истиранию, важность гладких поверхностей без микротрещин относится к общепринятым суждениям о хорошей морозостойкости.
6.Применение первичной и вторичной защиты
В ходе эксперимента отслеживалось влияние противоусадочных добавок на изменение объема и, таким образом, на уменьшение образования так называемых усадочных трещин в бетоне, одновременно отслеживая ход гидратации и развитие температур гидратации. В качестве эффекта вторичной защиты было проверено использование специальных добавок, обеспечивающих упрочнение бетонной поверхности.
7.Приложения первичной защиты
Вероятно, самый эффективный способ уменьшить процесс усадки бетона - это выбрать подходящее сырье и использовать так называемые противоусадочные добавки (SRA). Эти добавки работают по принципу замедления гидратации цемента за счет снижения поверхностного натяжения воды в пористой структуре цементной матрицы.
Для этого эксперимента были выбраны 3 типа противоусадочных добавок и изучено их влияние на поведение цементного композита. Используемые добавки отличались от их химической основы, причем первый тип добавок был основан на многоатомных спиртах (C40), а другой тип добавок представлял собой комбинацию этих многоатомных спиртов и поверхностно-активных веществ (C60). Химическая основа третьей добавки (AD) была в виде синтетических гликолей. Их дозировка составляла 0,5% и 2,0% от веса цемента. Эта дозировка соответствует пределам, указанным производителем. Все бетоны были доведены до консистенции путем посадки конуса в соответствии в диапазоне от 170 до 180 мм.
Чтобы определить влияние SRA на развитие температур гидратации, были приготовлены только цементные пасты. Цементные пасты содержат одинаковое количество вяжущей основы и химических добавок. Их водный коэффициент был выбран с учетом сохранения той же степени консистенции, которая определяется методом проливания с использованием встряхивающего стола.
8.Функции добавок для упрочнения бетонной поверхности
В портфель некоторых компаний, занимающихся производством добавок для бетона, входят химические вещества, вызывающие дополнительное упрочнение бетонной поверхности. Применение этих добавок возможно на уже затвердевшей поверхности или в так называемом живом бетоне. С химической точки зрения, это добавки, содержащие вещества, которые вступают в реакцию, например, со свободной известью, с образованием новообразований, утолщающих микроструктуру пор композита. Кроме того, стойкость к истиранию большинства добавок повышается за счет содержания таких веществ, как литий, которые реагируют с компонентами цементирующей матрицы с образованием новых соединений, таких как силикат лития Li 2 SiO 3 , который используется в качестве важного компонента отвердителей бетона.
В ходе эксперимента были протестированы 3 отвердителя от разных производителей с применением согласно техническим паспортам. Впоследствии все изготовленные бетоны были испытаны на абразивную стойкость согласно по методу Бема. Кроме того, испытательные плиты были изготовлены из испытанных бетонов, которые были подвергнуты испытанию на абразивную стойкость с помощью струи воды под высоким давлением. Поверхность испытуемых образцов была обработана струйной очисткой с помощью устройства, состоящего из стола с ЧПУ компании PTV, spol. s ro WJ 2020-2Z-1XPJ-2D с насосом PTV Jets 7.5 / 60 (максимальный расход 7,5 л / мин и потребляемая мощность 60 кВт) и алмазными форсунками с диаметром горловины 0,3 мм. Устройство предназначено для создания непрерывной струи воды с давлением до 400 МПа и скоростью действующей струи до 900 м / с. Смесительная камера в струйном сопле служит для необязательного добавления абразива в поток жидкости. В работе использовалась только классическая (чистая) струя воды. В ходе испытания образцы подвергались воздействию струи воды под углом 90 и 45 °. Поверхность образца размером около 20 × 20 мм подвергалась воздействию луча.
Хотя результаты испытания на истирание показывают частичное улучшение стойкости к истиранию за счет утверждающих добавок, полученные значения существенно не отличаются. Оказывается, что этот стандартный тест, который используется в качестве эталона для определения абразивного износа бетона или других модификаций с использованием того же оборудования и принципа, то есть истирание по Бёму, не совсем подходит для определения качества сопротивления истиранию бетона, предназначенного для протекающих жидкостей.
В качестве альтернативного теста было проверено поведение бетонных поверхностей с упрочняющей добавкой под действием струи воды под высоким давлением. Этот тест показывает значительно более благоприятные значения влияния на стойкость к истиранию за счет использования утверждающих добавок.
Во время испытания на образец под углом 45 или 90 ° подавалась струя воды 80 МПа без абразива. Конечная глубина повреждения поверхности, которая просматривается с помощью оптического микроскопа (сканера), принимается за результирующее значение сопротивления действию струи воды под высоким давлением.
С помощью такого реального смоделированного действия давления воды было доказано, что с помощью специальных добавок можно очень благоприятно влиять на износостойкость сильно напряженных бетонов, предназначенных для строительства или реконструкции водосливов, желобов и других конструкций гидротехнических сооружений.
Заключение
В рамках проведенных экспериментов оценивалось влияние различных типов SRA и их дозировки на процесс гидратации цементной матрицы и особенно на происходящие изменения объема бетонных смесей. Результаты ясно показывают, что SRA сильно влияют на сам процесс гидратации, что положительно влияет на результирующие изменения объема. Таким образом, SRA оказывается очень эффективным инструментом, благодаря которому можно исключить возможное возникновение микроповреждений, возникающих в массивных конструкциях, в которых упор делается на высокую стойкость к истиранию.
В качестве второстепенной меры по повышению стойкости бетонных конструкций к истиранию было оценено влияние применения специальных упрочняющих добавок. Несколько испытаний показали, что, хотя эффект этих добавок не очень заметен, если те же самые бетоны подвергаются воздействию струи воды под высоким давлением, влияние использования упрочняющих добавок заметно. Этот тест кажется наиболее подходящим для реалистичной оценки бетонных поверхностей на предмет истирания быстротечной водой.
Благодаря этим экспериментам были проверены возможные методы производства высококачественного бетона для применения в бетонах, сильно нагруженных истиранием и морозом. Проведенные испытания также указали на непригодность некоторых устаревших, но все еще действующих нормативных испытаний для определения сопротивления истиранию.