Д.т.н. Шишкин А.А., к.т.н. Шишкина А.А., Мирсков В.В.

Криворожский национальный университет, Украина

Повышение прочности контактной зоны

бетонов усиления и усиляемой конструкцией

Потеря материалов конструкций от коррозионного разрушения под действием окружающей среды составляет до 10 % от общего веса материала конструкций ежегодно. Продление срока службы существующих строительных конструкций, находящихся в эксплуатации многие годы, возможно лишь защитой их от воздействия внешней среды.

Многие годы в нашей стране для защиты строительных конструкций от коррозионного воздействия окружающей среды служили различные химические вещества, обладающие такими основными свойствами как плотность. Однако усиливающие оболочки строительных конструкций, выполненные из нового (иного) материала чем материал усиляемой конструкции в процессе своей работы под нагрузкой, имеют то же напряженно-деформированное состояние, что и материал усиляемой конструкции. Поэтому, для обеспечения надежной совместной работы бетона элементов усиления и усиляемой строительной конструкции предполагается, что бетон усиления должен обладать прочностью выше прочности усиляемой конструкции.

Кроме того, достаточно важно, чтобы обеспечивалась высокая прочность сцепления бетона усиляемой конструкции с бетоном усиления. Так как в «старом» бетоне практически прекратились процессы усадки, вызванные твердением вяжущего, а новый бетон подвержен особенно в первое время интенсивной усадке - в зоне контакта старого и нового бетонов концентрируются напряжения, вызывающие снижение прочности сцепления старого и нового бетона и, как следствие, снижение эффективности усиления строительной конструкции. В настоящее время рекомендуется, для повышения прочности сцепления старого и нового бетонов, производить обработку поверхности «старого» бетона путем удаления с его поверхности поверхностного слоя вместе с карбонатной пленкой. Более эффективным способом оказалось увеличение площади передачи напряжений путем нанесения насечек на поверхности старого бетона. Неплохие результаты показали исследования увеличения прочности сцепления старого бетона с новым путем удаления верхнего слоя растворной части бетона до крупного заполнителя.

Для повышения прочности стыка старого и нового бетонов предлагается предварительно наносить на поверхность старого бетона тонкого слоя цементного теста либо виброактивированным клеем на портландцементе М500, либо портландцементом совместно со специальными добавками. При этом показана высокая эффективность данного метода, однако он имеет ограничения по применению.

Одним из решений уменьшения величины сдвигающих напряжений в зоне контакта старого и нового бетонов может служить понижение деформативности нового бетона. Это позволит не только уменьшить деформации его усадки, но и обеспечит перераспределение эксплуатационных нагрузок между старым и новым бетоном в сторону уменьшения напряжений в старом бетоне от этих нагрузок, что благоприятно скажется на его долговечность.

Снизить деформации усадки бетона возможно двумя путями: введением микронаполнителей или направленное структурообразование минералов, обладающих объемом не меньшим, чем объем исходных компонентов.

Установлено, что одновременное обеспечение этих двух условий возможно путем введения в систему твердеющего портландцементного клинкера ионитов на основе sd - ионов (например, ионов железа или марганца). Ионит - это вещество или группа веществ, обладающих следующими свойствами:

- он образует отдельную фазу гетерогенной системы; по крайней мере одно из образующих эту фазу веществ способно диссоциировать на ионы и является электролитом;

- по крайней мере, одна из разновидностей ионов в ионите содержится только в фазе ионита и не может ее покинуть и перейти границу раздела (фиксированные ионы);

- фаза ионита микроскопически электронейтральна и в условиях равновесия не содержит свободного электрического заряда;

- наряду с фиксированными ионами ионит содержит эквивалентное им по заряду количество ионов противоположного знака - противоионов.

Противоионы свободно переходят из ионита в другую фазу через межфазовую границу в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака, поступающих из внешней среды.

Таким образом, ионит - особая фаза, удерживающая в себе фиксированные ионы, которые не могут переходить ее границу, но способная к обмену с внешней средой другими ионами. С точки зрения термодинамики, ионит - частично закрытая система, обменивающаяся с внешней средой некоторыми своими составляющими.

Одним из наиболее важных свойств материалов, применяемых для защиты от коррозии и усиления строительных конструкций, является их высокая адгезия к материалу защищаемой (усиляемой) конструкции и степень поглощения этих материалов материалом усиляемой конструкции. Начальной же стадией адгезионного сцепления материалов является адсорбция одного из них на поверхности другого, которая зарождается на границе раздела твердое тело - жидкость с дальнейшим переходом в объем системы и зависит от свойств границы раздела твердое тело-жидкость. Физические особенности границы раздела твердое тело - жидкость ярко проявляются в явлениях смачивания, растекания и адсорбции жидкости на поверхности твердого тела и поглощением жидкости поверхностью твердого тела.

Одним из технологических приемов изменения свойств бетонов является использование для их производства поверхностно-активных веществ (ПАВ). Последние, обволакивая поверхность дисперсной фазы, гидрофобизируя, либо гидрофилизируя ее, изменяют механизм взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Это выражается в увеличении сроков твердения цементных минералов, снижении расхода воды, возможности укладки бетонной смеси с пониженным содержанием воды. Однако ПАВ неоднозначно взаимодействуют с минералами цемента. Так установлено, что ПАВ обладают избирательной адсорбционной способностью по отношению к различным минералам цементного клинкера.

Так, например, гидрофобизирующие ПАВ практически не адсорбируются на С_зА, а минералы клинкера по осаждающей способности гидрофильных ПАВ располагаются в ряд C_зA > C₄AF > C_зS > C₂S.

Следовательно, минералы клинкера, при введении ПАВ, будут покрыты ими в неодинаковой степени, а, следовательно, и изменение механизма их гидратации в присутствии ПАВ будет неодинаково.

В этом смысле достаточно интересны твердые ПАВ, так как они действуют более избирательно по сравнению с коллоидными и молекулярными. И, следовательно, более целенаправленно влияют на свойства бетонной смеси. К твердым ПАВ относятся, в частности, иониты на основе sd - ионов.

Условия же проникания вязкой жидкости (нового бетона на стадии его применения) подчиняются закону Пуазейля

Q=pr⁵pt/8lh

где r - радиус капилляра; t - время; p - разность давлений на концах капилляра; l - длина капилляра; h - вязкость жидкости, Q - объем жидкости, проникшей в капилляр за время t.

Таким образом, при постоянных величинах радиуса капилляра, разности давлений на его концах, вязкости жидкости, за определенное время t жидкость поднимется на определенную высоту h.

Потенциальная энергия, которую при этом приобретет жидкость, эквивалентна подъему ее массы pr²h² r . Таким образом, прирост потенциальной энергии составит

U₁ = pr²h² r/2

Для жидкости находящейся в контакте с твердым телом, при краевом угле, равном нулю, соблюдается условие

g ^sv = g ^lv + g ^sl

где g ^sv - поверхностная энергия на границе «твердое тело - пар»; g ^lv - поверхностная энергия жидкости; g^sl - поверхностная энергия на границе «твердое тело - жидкость».

Процесс капиллярного смачивания описывается с помощью давления Р, которое требуется, чтобы заполнить капилляр жидкостью или чтобы воспрепятствовать ее вхождению в капилляр. Величина данного давления определяется из уравнения

P = - 2g ^lvcosQ /r,

где Q - краевой угол.

Если Q < 90^о, движение жидкости будет самопроизвольным. Если Q ¹ 0, то величину давления следует определять из уравнения

P = -2(g ^sv - g ^sl)/r

Поскольку g^sv практически постоянно, для повышения уровня поднятия жидкости в капилляре необходимо, чтобы g ^sl было как можно меньше. Это означает, что для достижения максимального проникновения жидкости в капилляр, следует уменьшать величину g ^sl, что возможно достичь двумя путями: либо вводить в жидкость ПАВ, либо нанести ПАВ на стенки капилляра.

На основании изложенного можно сделать вывод, о том, что поверхностная обработка усиляемой конструкции молекулярными гидрофильными ПАВ и включение в состав бетона усиления ионитов, позволяет повысить прочность сцепления бетонной обоймы усиления с бетоном усиляемой конструкции.