Современный уровень развития информационных технологий позволяет моделировать физико-механические свойства бетонов как функцию их внутреннего строения и внешних факторов в заданных условиях эксплуатации конструкций, определить наиболее эффективную структуру, а также оценить долговечность бетона без длительных экспериментов. Описание многоуровневых цементных систем возможно за счет применения структурно-имитационного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) [1, 2]. Именно поэтому в последнее время сформировалось новое научное направление – “компьютерное материаловедение” [1-4], которое быстро развивается. Первая структурная модель бетона, содержащая зерна заполнителя расположенного в матрице цементного камня с вычислением распределения напряжений [5], получила развитие в работах B.T. Ерофеева, И.И. Меркулова, М.В. Бунина и др. [6, 7]. В развитие этого А.Н. Харитоновым [8] предложена методология структурно-имитационного моделирования бетона, включающая наноразмерный уровень. Главные направления исследований с использованием МКЭ реализуются в форме решения интегральных уравнений, отражающих математические модели температурно-механических и электрохимических систем и процессов. При этом важной составляющей исследования долговечности является изучение и математическое описание механизма развития микротрещин, которые влияют на скорость карбонизации, перенос хлоридов и последующие процессы на поверхности арматуры, приводящие к ее коррозии. 
Таким образом, целью данной работы является разработка имитационной модели долговечности бетона путем комплексной оценки воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов с учетом характера его пористости, и параметров трещинообразования.

В общем случае предлагаемая имитационная модель долговечности бетона задается граничными условиями, которые определяются геометрией бетонной конструкции или ее части и предусматривает три иерархических уровня (рис. 1). На микроуровне, в качестве структурного параметра пригодного для моделирования МКЭ предлагается использование эффективной пористости бетона. Под эффективной пористостью П_Е (рис.1, а) понимается часть открытых капиллярных пор и микротрещин бетона, в которых в реальных климатических условиях вода находится в «свободном» состоянии, то есть может переходить в лед при сезонном замораживании, удаляться при высыхании и насыщать поры при сезонном увлажнении бетона. Мезауровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ образования и развития термических и усадочных трещин в бетоне с использованием положений теории механики разрушения (рис. 1, б). Макроуровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ коррозии защитного слоя бетона, основываясь на законах диффузии с учетом изменения граничных условий при образовании трещин (рис. 1, в). Решение МКЭ иерархической имитационной модели долговечности бетона предусматривает моделирование термонапряженного состояния бетона и реальных климатических воздействий на конструкцию, результатом чего является прогнозируемая глубина деструкции бетона конструкции в течение проектного срока эксплуатации.

а) микроуровень		б) мезоуровень		в) макроуровень
Рис.1. Структурно-имитационная модель долговечности бетона  а) – эффективная пористость бетона;  б) – образование и развитие трещин в бетоне;  в) – коррозия бетона в результате внешних воздействий.

Морозостойкость бетона при моделировании рассматривали как накопление повреждений, вызванных циклами объемных деформаций бетона вследствие замерзания в его порах льда до начала разрушения бетона. Поскольку циклы замораживания-оттаивания в реальных условиях происходят в широком спектре температур окружающей среды и сопровождаются образованием в порах бетона разного количества льда, при моделировании весь спектр возможных циклов замораживания-оттаивания бетона аналитически сводили к эквивалентному по разрушительному действию количеству циклов с замораживанием до минус 18 ± 2 °С, путем учета количества льда образующегося в порах по сечению бетона конструкции при различных температурах (рис.2).

Рис.2. Образование (оттаивание) льда в зависимости  от температуры и прогнозируемая морозостойкость бетона

Для моделирования образования и развития трещин в бетоне была использована классическая модель Гриффитса – Ирвина. Параметры раскрытия трещин получали путем подбора параметров трещинообразования, при которых напряжение в системе минимальны или не приводят к дальнейшему развитию трещин (рис.3).

Рис. 3. Напряжение в поверхностном слое бетона в зависимости от глубины трещин

Условие начала роста трещины формулировались как достижение коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) в ее вершине критического значения K_ic c (рис. 4,а). Соответственно условием прекращения роста трещины принимали снижение КИН в ее вершине ниже K_ic. Анализ ширины раскрытия трещин (рис. 4,б) свидетельствует о их стабилизации на уровне 0,033 – 0,055мм.

а)	б)
Рис.4. КИН (а) и ширина раскрытия трещин (б) в зависимости от их глубины и шага трещинообразования

Повышение температуры бетона в результате саморазогрева при твердении или воздействия солнечной радиации, приводит к повышению парциального давления паров воды, вызывает ускорение диффузии воды из пор бетона в окружающую среду и ускоряет процессы усадки бетона. При таких условиях КИН в вершине трещин может превышать критическое значение K_ic, при этом возможно образование трещин глубиной 8-14 см, с шириной раскрытия 0,035-0,06 мм. Таким образом, суммарная ширина раскрытия трещин вследствие термонапряженного состояния и усадки бетона может превышать 0,1 мм при их глубине более 100 мм. 
Глубина и ширина раскрытия трещин существенно влияет на глубину карбонизации защитного слоя бетона. В результате расчетов по модели было установлено увеличение глубины карбонизации защитного слоя бетона с увеличением глубины трещин. В условиях экспозиционного класса ХС4, в трещинах 0,2-0,3 мм фронт карбонизации может достигать поверхности арматуры через 50 лет эксплуатации, с последующей коррозией стали (рис. 5). Фронт карбонизации в трещинах шириной до 0,1 мм достигает поверхности арматуры через 100 лет эксплуатации (рис. 5).

Рис. 5. Изменение рН защитного слоя бетона нормальной проницаемости в зависимости от ширины раскрытия трещин

Таким образом, при прогнозировании долговечности бетона комплексная оценка воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов, с учетом характера поровой структуры бетона, наличия и параметров микротрещин возможна путем построения иерархической имитационной модели и ее решение МКЭ. Универсальность законов диффузии описывающих процессы коррозии бетона обуславливает возможность использования имитационного моделирования при прогнозировании долговечности бетона при воздействии различных агрессивных сред. Изменение граничных условий в результате прогрессирующего трещинообразования требует формулировки нелинейной задачи для МКЭ или ряда линейных задач с различными граничными условиями, отражающими динамику процесса.

Повышение прочности бетона открывает перспективу снижения сечения конструкции при обеспечении ее эквивалентной несущей способности. Однако, получение высокопрочных бетонов часто сопровождается увеличением усадки и снижением трещиностойкости бетона. Следовательно, снижение проницаемости при получении высокопрочных бетонов не обязательно повышает их долговечность вследствие одновременного ухудшения деформативних свойств [1,2], что нужно учитывать при снижении сечения конструкции. Таким образом, объектом исследований в данной работе является высокопрочный бетон для тонкостенных железобетонных монолитных конструкций. Целью работы является исследование влияния минеральных добавок различной природы на трещиностойкость высокопрочных бетонов.

Материалы и методы исследований

В качестве сырьевых материалов использовали цемент CEM I 42,5 R, песок фракций 0-2; 0-4, гравий 4-8; 8-16, минеральные добавки: зола уноса ТЭС, микрокремнезем, известняковая мука, метакаолин. Испытания прочности на сжатие, растяжение при раскалывании проводились на кубах размером боковой грани 150 мм, прочность на растяжение при изгибе и деформации при изгибе образцов-призм с инициированной трещиной – на стандартных призмах 100х100х400 мм [3], усадку – на образцах призмах размером 100х100х500 мм.

Результаты исследований

Высокопрочный бетон класса С60/75 получали при В/Ц = 0,3, и расходе вяжущего 500 кг/м³ (базовый состав бетона), в состав которого вводили по 10% золы уноса, микрокремнезема, известняковой муки и метакаолина (составы бетона с минеральными добавками). В качестве химического добавки использовали суперпластификатор I-типа на поликарбоксилатной основе с водоредуцирующим эффектом более 30%.

Кинетика набора прочности исследуемых составов высокопрочных бетонов приведена на рис. 1. Как видно из данного рисунка, высокие показатели прочности на 3 сутки твердения (60 МПа) имеет базовый состав бетона без минеральных добавок. Относительно низкой прочностью на 3 сутки (46,5 МПа) характеризуется состав бетона с золой уноса. В проектном возрасте 28 сут. лучший результат (84,7 МПа), на 6% превышающий прочность базового состава, был получен при добавлении микрокремнезема. При использовании в составе бетона известняковой муки, на 28 сутки наблюдалась наибольшая потеря прочности на 16% по сравнению с контрольным составом бетона. На 90 сутки прочность всех составов бетона отвечала (или превышала) классу С60/75. Введение микрокремнезема позволило получить класс бетона по прочности С70/85 (93,5 МПа).

По результатам исследования прочности на растяжение при раскалывании согласно [4] видно (рис.2.), что введение известняковой муки снижает прочность бетона на растяжение при раскалывании на 15% (4,7 МПа) по сравнению с базовым составом (5,5 МПа ). При использовании золы уноса и метакаолина наблюдается повышение данного показателя на 5% (до 5,8 МПа). За счет введения в состав бетона микрокремнезема прочность на растяжение при раскалывании повышается на 16% (до 6,4 МПа).

 Рис. 2. Прочность на растяжение при раскалывании высокопрочных бетонов

По результатам исследования прочности бетона на растяжение при изгибе согласно [5], сохраняются закономерности как и при определении прочности на растяжение при раскалывании (рис. 3). Составы бетона с золой уноса и метакаолином показали прочность на растяжение при изгибе на уровне базового состава. Состав бетона с микрокремнеземом обеспечивает прирост на 3% прочности на растяжение при изгибе по сравнению с базовым составом (до 12,6 МПа). Использование известняковой муки привело к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе на 7% по сравнению с базовым составом.

Одним из параметров, определяющих долгосрочную трещиностойкость высокопрочных бетонов является показатель их усадки. На рис. 4. приведено сравнение влияния минеральных добавок на усадку образцов – призм (500х100х100 мм) высокопрочных бетонов в течение 120 суток в воздушно – сухих условиях (при температуре 20 ± 2 ° С и влажности 60 ± 5%). Приведенные данные свидетельствуют, что введение в состав бетонов золы уноса и микрокремнезема приводит к увеличению усадки в первые трое суток (0,08 и 0,09 мм/м соответственно) по сравнению с базовым составом (0,035 мм/м). Однако, на 120 сутки за счет введения 10% золы уноса, микрокремнезема и известняковой муки усадка уменьшается на 4-10%. Введение в состав бетона 10% метакаолина позволяет снизить его усадку на 22% (рис.4.).

 Рис.4. Усадочные деформации высокопрочных бетонов в воздушно-сухих условиях

Оценку трещиностойкости высокопрочных бетонов осуществляли по показателям критических коэффициентов интенсивности напряжений (K_i, МПа·м^1/2), которые определяли по диаграммами деформирования образцов-призм с инициированной трещиной (рис.5-6). Испытания образцов осуществляли в возрасте 56 суток.

 Рис.5. Диаграмма деформирования образцов с инициированной трещиной

Рис.6. Схема испытания образца-призмы с инициированной трещиной

(А = 0,035 м-длина начального надреза шириной 0,003 м; b = 0,1м; L = 0,4;

L0 = 0,38 – размеры образца, м; F – нагрузка на образец, кН)

По данным испытаний в соответствии с [6] были рассчитаны статические критические коэффициенты интенсивности напряжений К_i, МПа•м^1/2 исследуемых составов бетонов. Отдельно определяли начальные модули упругости образцов-призм высокопрочных бетонов при изгибе E_tb (табл.1.). Как видно из табл.1, при практически одинаковых показателях критических коэффициентов интенсивности напряжений K_i (колебания в пределах 5%), исследуемые высокопрочные бетоны характеризуются значительными колебаниями начальных модулей упругости (до 20%). Известно, что в бетонах, которые характеризуются низким значениями начальных модулей упругости потенциально возможно возникновение более низких напряжений вследствие температурных и усадочных деформаций, при равных значений К_i, что позволяет признать их более трещиностойкими. Таким образом, по приведенным в табл.1 показателям, наиболее трещиностойкими можно признать высокопрочные бетоны базового состава и состава с 10% метакаолина, характеризующиеся относительно низкими модулями упругости при значениях К_i на уровне или выше чем у других составов высокопрочных бетонов. Относительно низкой трещиностойкостью характеризуется состав бетона с 10% микрокремнезема, который при К_i на уровне других составов бетонов с минеральными добавками, характеризовался высоким начальным модулем упругости.

Таблица 1

Выводы

Полученные составы высокопрочных бетонов на 90 сутки отвечали классам по прочности С60/75 – С70/85. Прочность на растяжение при раскалывании исследуемых бетонов находилась на уровне 5-6 МПа – наиболее высокая в составе бетона с микрокремнеземом (6,4МПа), а наиболее низкая в составе бетона с известняковой мукой (4,7 МПа). Прочность на растяжение при изгибе исследуемых бетонов находилась на уровне 11-12 МПа и воспроизводила основные закономерности прочности на растяжение при раскалывании. Усадочные деформации исследуемых высокопрочных бетонов в течение 120 суток твердения в воздушно-сухих условиях не превышали 0,4 мм/м. Наименьшей усадкой (до 0,3 мм/м) характеризовался состав бетона с добавкой метакаолина, а наибольшей (до 0,4 мм/м) – базовый состав высокопрочного бетона без добавок. Наиболее трещиностойким среди исследованных составов высокопрочных бетонов по критериям усадочных деформаций, начального модуля упругости и критического коэффициента интенсивности напряжений Ki можно признать состав с добавкой метакаолина. Наименее трещиностойким по приведенным критериям может быть признан состав высокопрочного бетона с добавкой микрокремнезема.

В настоящее время на рынке наблюдается тенденция увеличения потребности в качественных материалах для устройства промышленных полов, в частности полов с упрочненным поверхностным слоем. Кроме того, учитывая относительно низкую стоимость отечественных продуктов, растет спрос на такие материалы в ряде стран Евросоюза. Одним из основных показателей качества покрытий промышленных полов является устойчивость к истиранию. В случае изготовления промышленных полов с упрочненным поверхностным слоем основными факторами, определяющими их износостойкость является природа использованных заполнителей и пропиток [1-3]. Учитывая экспортные варианты материалов для устройства промышленных полов следует отметить, что методики определения износостойкости по ГОСТ 13087 [4] и европейским EN 13892-3 [5] несколько отличаются, хотя в обоих стандартах регламентируется использование фактически идентичного оборудования – кругов стирания типа Беме, что требует отдельного анализа и сравнения.

Таким образом, целью данной работы было исследование основных факторов определяющих износостойкость промышленных полов с упрочненным поверхностным слоем в соответствии с отечественными и европейскими нормативами.

Материалы и методы исследований

Исследование износостойкости промышленных полов с упрочненным поверхностным слоем осуществляли по методикам ГОСТ 13087  и EN13892-3. Сравнительная характеристика методов испытания истираемости приведена в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение методов испытания истираемости

Одной из проблем, стоящих перед жилищно – коммунальными комплексами является восстановление (или полная реконструкция) очистных сооружений ресурс которых, как правило, уже исчерпан. Как один из вариантов экономически – обоснованного решения этой проблемы предполагается использование специальных пригодных к механическому нанесению ремонтных растворов, стойких в условиях агрессивных воздействий, которым подвергаются конструкции очистных сооружений. Залогом экономической эффективности такого решения является использование при изготовлении ремонтного раствора местных сырьевых материалов.

Таким образом, целью данной работы было исследование сульфатостойких вяжущих композиций как основы ремонтного раствора повышенной коррозионной стойкости для восстановления очистных сооружений.

Исследование коррозионной стойкости вяжущих композиций

Рекомендации по первичной защите бетона сооружений биологической очистки сточных вод [1], распространяющиеся на железобетонные конструкции сооружений биологической очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод (аэротенки, метантенки, отстойники и вспомогательные сооружения), предусматривают слабо агрессивное по СНиП 2.03.11-85 [2] (умеренное по ACI 318-02 [3]) сульфатное воздействие на бетон и средне агрессивное по [2] воздействие обусловленное микробиологическим фактором. Имеющиеся агрессивные воздействия согласно [1] предусматривают использование цемента с С₃А до 8% (для всех конструкций очистных сооружений), или шлакопортландцемента (для песколовок и отстойников) при обеспечении водонепроницаемости бетона не ниже W8 для метантенков и W6 для других конструкций. По американскому стандарту ACI 318-02 для таких условий (в части сульфатных воздействий) рекомендуется использование умеренно сульфатостойкого портландцемента (MS) с С₃А до 8%, или умеренно сульфатостойкого портландцемента полученного смешиванием портландцемента (IP) с С₃А более 8% и золы уноса или других пуццолан класса F по ASTM C 618.

По методике SVA (предлагается экспертным комитетом по «технологии бетона» Deutsches Institut für Bautechnik) [4] была исследована сульфатостойкость ряда вяжущих композиций на основе различных цементов и пуццолан. По этой методике вяжущее вещество признают сульфатостойким, если расширение образцов 1х4х16 см на его основе не превышает 0,5 мм/м после 91 суток (180 суток по последним рекомендациям DIBt) выдерживания в 4,4% растворе сульфата натрия.

Исследование стойкости в сульфатном растворе портландцемента ПЦ I-500 (ОАО «Дикергофф Цемент Украина”) с содержанием С₃А 6-8% (по данным производителя) свидетельствует о умеренной сульфатостойкости (в течение более 90 но менее 180 суток) цемента (рис.1). Введение в состав вяжущих композиций 10% метакаолина разных производителей снижает сульфатостойкость растворов (рис.1), что вероятно обусловлено наличием в метакаолине активного Al₂O₃.

Рис.1. Исследование по методике SVA сульфатостойкости вяжущих композиций на основе ПЦ I-500 и метакаолина

Добавление к ПЦ I-500 10% золы уноса Ладыженской ТЭС позволяет получить сульфатостойкую (согласно методике SVA) вяжущую композицию, расширение которой не превышает 0,5 мм/м при выдерживании в течение 180 суток в 4,4% растворе сульфата натрия (рис .2). Вяжущие композиции, полученные смешиванием 10% золы уноса, 10% метакаолина и ПЦ I-500 согласно результатам испытаний по методике SVA  являются умеренно сульфатостойкими (в течение более 90 но менее 180 суток, рис.2).

Рис.2. Исследование по методике SVA сульфатостойкости вяжущих композиций на основе ПЦ I-500,

метакаолина и золы уноса Ладыженской ТЭС

При одновременном добавлении к ПЦ I-500 10% метакаолина и 2% сульфата натрия, сульфатостойкость (согласно методике SVA) полученного вяжущего вещества повышается (по сравнению с композициями без сульфата натрия), хотя не превышает сульфатостойкости ПЦ I-500 без добавок (рис .3). Такой эффект можно объяснить реагированием активного Al₂O₃ метакаолина и сульфат-ионов с образованием эттрингита на стадии структурообразования, что приводит к снижению содержания активного Al₂O₃ в затвердевшем растворе и, соответственно, снижению вероятности образования эттрингита в  результате действия внешних сульфатных сред.

Рис.3. Исследование по методике SVA сульфатостойкости вяжущих композиций на основе ПЦ I-500, метакаолина и сульфата натрия

Сульфатостойкость (по методу SVA) раствора на основе ПЦ II / А-Ш-400 превышает сульфатостойкость раствора на основе ПЦ I-500 (рис.4). При введении в ПЦ II / А-Ш-400 10% метакаолина различных производителей сульфатостойкость вяжущих композиций снижается (рис.4).

Рис.4. Исследование по методике SVA сульфатостойкости вяжущих композиций на основе ПЦ I-500, ПЦ II / А-Ш-400 и метакаолина

Еще одним агрессивным воздействием, которое менее выражено в случае очистных сооружений, однако имеет место в случае железобетонных канализационных коллекторов, является биогенная сернокислотная коррозия [4]. Так, согласно DIN 19573 растворы для возведения и реконструкции канализационных сетей кроме испытаний по методике SVA испытывают в частности путем выдерживания в серной кислоте с рН0 в течение 14 суток, при этом регламентируется глубина коррозии образцов балочек 4х4х16 не более 5,2 мм и остаточная прочность раствора не менее 55%.

Исследование стойкости вяжущих композиций в растворе серной кислоты с рН0 (в течение 14 дней) по глубине коррозии (рис.5) свидетельствует об увеличении устойчивости растворов пропорционально увеличению степени минерализации вяжущих веществ. Наиболее стойкими по критерию глубины коррозии в растворе серной кислоты с рН0 можно признать композиции на основе ШПЦ III / А-400.

Рис.5. Исследование стойкости вяжущих композиций в растворе серной кислоты с рН0  (по глубине коррозии в течение 14 суток)

Выводы

Проведенные исследования позволили выбрать вяжущую композицию, характеризующуюся повышенной стойкостью к сульфатной коррозии. На основе выбранной вяжущей композиции был разработан модифицированный ремонтный раствор для ремонта бетонных конструкций, подвергающихся статическим и динамическим нагрузкам.  Разработанная сухая смесь  успешно апробирована путем машинного нанесения. Затвердевший раствор  характеризуется прочностью при сжатии более 55 МПа, модулем упругости более 30 ГПа, адгезией к основанию более 2МПа, усадкой менее 1 мм/м, морозостойкостью F200, водонепроницаемостью W10.