28.01.2003 08:47
Введение
Бетон на заполнителе из переработанного бетона в соответствии с характером его применения должен быть достаточно долговечным, то есть стойким к циклическому воздействию мороза и любых других влияний. Для испытываемого бетона на заполнителе из переработанного бетона была установлена удовлетворительная морозостойкость после 150 циклов, но он неустойчив против влияния мороза и кислотных размораживающих средств. В предлагаемой статье приводятся основные требования к составу бетона с использованием заполнителя из переработанного бетона (щебень из бетона и отсев ≈ фракция 0,4 мм).
Под долговечностью строительных материалов мы понимаем стойкость этих материалов к воздействию внешних факторов, которые изменяют их свойства. Имеется в виду коррозия бетона, под которой понимаются процессы, ведущие к его разрушению вследствие химических реакций или физических воздействий. В бетоне или на его поверхности, а также на поверхности стальной арматуры появляются различные дефекты (изломы, трещины, деформация, отслаивание, налет, пятна), вызываемые коррозионными процессами.
При этом химическое воздействие оказывают растворы кислот и солей, органические соединения, газы, загрязненная воздушная среда, твердые вредные вещества, физическое ≈ температура ниже нуля, высокие температуры, механическое истирание, биологическое ≈ плесневый грибок, микроорганизмы.
Интенсивность влияния названных факторов зависит от свойств бетона и бетонных конструкций (состояния поверхности, ее пористости), а также от агрессивности среды (вида и концентрации агрессивных веществ, температуры и средней влажности среды и других влияний, возникающих на границе бетон-среда).
В бетоне главным образом возникают трещины, которые ускоряют влияние агрессивной среды. Tрещины возникают в местах, где локальное напряжение в микроструктуре бетона превысило прочность бетона (цементного камня). Локальное напряженное состояние вызывается внешними силами (нагрузка, температура) и внутренними факторами (усадка, температурная деформация). Tрещины размером до 100 m m в основном не снижают несущей способности конструкции, трещины до 50 m m не снижают водонепроницаемости, однако любая трещина ухудшает долговечность бетона. Tрещины возникают уже при схватывании бетона, и прежде всего ≈ после его отвердения (например, температурный градиент от 25о до 30oС способствует возникновению трещин).
1. Mорозостойкость бетона
Под морозостойкостью понимается способность водонасыщенного бетона сопротивляться разрушающему воздействию циклически повторяющихся замораживания и оттаивания. Химически связанная вода никогда не превращается в лед. Гелевая вода превращается в лед только при очень низких температурах (полностью замерзает при -73oС). Капиллярная вода превращается в лед при температуре приблизительно -0,5oС, поскольку в капиллярах находится раствор. Tемпература образования льда зависит от размера капилляров. При понижении температуры в зависимости от размеров капилляров образуется ледовая шуга, которая из больших по размеру капилляров вдавливается в капилляры меньшего размера. Постепенно увеличивается объем, поскольку объем льда на 1/11 (9%) больше объема воды. Возникающее кристаллическое давление льда превышает отметку 200 MПa. Лед образуется сначала на поверхности бетона, а в зависимости от роста интенсивности охлаждения проникает к сердцевине бетонного изделия и вызывает увеличение его объема. После таяния льда сохраняется 1/3 суммарного растяжения. Морозостойкость бетона зависит от следующих факторов.
a) С точки зрения морозостойкости возраст бетона можно разделить на четыре периода времени ≈ в каждый из этих периодов бетон обладает различной морозостойкостью.
1-й период длится от замешивания до начала схватывания бетона. Замерзание не будет причиной нарушения структуры, только увеличится пористость (приблизительно на 10%). После повышения температуры и оттаивания продолжается гидратация без какого-либо разрушения конструкции.
2-й период длится от начала схватывания бетона до приобретения им прочности RZ = 5-8 MПа. Данный период является критическим, и, если бетон замерзнет, то произойдет полное нарушение его структуры и значительно снизится его прочность (в этом случае конструкция негодна к эксплуатации).
3-й период начинается после достижения бетоном прочности RZ = 5-8 MПа и длится до приобретения им требуемой прочности. Бетон постепенно приобретает все более высокую морозостойкость, что вызвано его увеличивающейся прочностью.
4-й период характеризуется морозостойкостью затвердевшего бетона.
б) Контакт с водной средой
Если бетон не насыщен водой, то понижение температуры ниже нуля градусов проявится только как температурная деформация. Если на бетон оказывает влияние водная среда, то бетон насыщается водой, и замерзание проявится в изменении объема при превращении воды в лед, температурными деформациями и действием гидравлического давления.
в) Пористость и структура цементного камня являются решающим критерием морозостойкости, особенно характер распределения пор, заполненных водой. Вода замерзает в результате понижения температуры постепенно: начиная от самых больших капилляров и заканчивая самыми маленькими. Закрытые поры, не заполненные водой, не имеют влияния на морозостойкость.
г) Концентрация раствора, который находится в пористой структуре цементного камня. Здесь действует закон Раулта о снижении парциального давления водяного пара над раствором, которое пропорционально понижению температуры таяния (замораживания) раствора. Чем больше концентрация раствора, тем понижение точки плавления выше (криоскопическая постоянная воды равна 1860╟K).
д) Прочность бетона должна сопротивляться напряжению, которое возникнет при увеличении объема воды, превращающейся в лед (9%). МакИннис полагает минимальную прочность бетона, соответствующую данному критическому изменению объема, равной 33,5 MПa.
е) Воздухововлечение бетона ≈ это искусственное образование закрытых воздушных пор в цементном камне. Закрытые, не заполненные водой поры служат как компенсационные пространства при увеличении объема льда на 9% (при 0╟С) до 13% (при -20╟С).
ж) Степень насыщения водой капиллярных пор рассчитывается как часть, которую капиллярная пористость составляет от общей пористости, и должна быть меньше 0,8. Количество и распределение капиллярных пор в ходе гидратации изменяется и, таким образом, изменяется также требуемое минимальное воздухововлечение бетона.
Долговечность бетона на заполнителе из переработанного бетона необходимо рассматривать в двух аспектах.
Если снесенная бетонная конструкция после ее раздробления используется как заполнитель для бетона, то необходимо описать перерабатываемый бетон учитывая его коррозию. Например, бетон c щелочным разложением заполнителя нельзя использовать в качестве вторичного заполнителя.
Возможно, бетон, изготовленный на заполнителе из переработанного бетона, будет иметь в какой-то степени меньшую стойкость к воздействию внешней среды, потому что этот заполнитель содержит цементный камень, стойкость которого меньше, чем стойкость естественного заполнителя.
2. Долговечность заполнителя из переработанного бетона
Морозостойкость и выносливость заполнителя к воздействию сернокислого натрия по ЧСН 72 1512 требуется для мелкого заполнителя марки материала A, B, C и для крупного заполнителя марки от A до D. Испытания проводятся в соответствии с ЧСН 72 1176 "Испытание выносливости и морозостойкости заполнителя". Для заполнителя из переработанного бетона решающее значение имеет морозостойкость и выносливость вторичного щебня, который представляет собой существенную часть объема бетона. Отсев содержит в основном цементный камень и поэтому не является морозостойким и стойким к воздействию размораживающих веществ.
Исследовался вторичный щебень из двух мест: DU и OL. Результаты испытаний приводятся в табл. 1. В соответствии с ЧСН 72 1512 "Плотный заполнитель для строительных целей" максимальная убыль веса после 25 циклов замораживания должна составлять для марки D 8%, C ≈ 5%, B ≈ 4% и A ≈ 3%. Максимальная убыль веса после 5 циклов действия сернокислого натрия в соответствии с маркой составляет для A ≈ 8%, B ≈ 10%, C ≈ 12% и D ≈ 15%. Проведенные испытания показали удовлетворительную стойкость вторичного щебня, однако необходимо учесть относительно высокую изменчивость результатов в зависимости от источника получения дробленого бетона. Фракцию вторичного щебня 8√16 мм в соответствии с ЧСН 72 1512 можно с учетом ее выносливости отнести к марке A, с учетом морозостойкости ≈ к марке B.
Таблица 1. Долговечность вторичного щебня фракции 8-16 мм (ЧСН 72 1176)
Обозначение
OL
DU
Убыток веса в % после 25 циклов замораживания
3,6% ≈ марка B
3,9% ≈ марка B
Разрушение зерен после замораживания
Выкрашивание цементного камня и мелких зерен с поверхности, выкрашенные зерна до 4 мм
Убыль веса после 5 циклов действия Na2SO4
3,4% ≈ марка A
2,5% ≈ марка A
Разрушение зерен после 5 циклов действия Na2SO4
Цементный камень отделялся от поверхности зерен щебня
разрушение не было обнаружено
3. Морозостойкость бетона на заполнителе из переработанного бетона
Испытание морозостойкости бетона осуществляется в соответствии с ЧСН 73 1322 "Определение морозостойкости бетона". Испытывается попеременным замораживанием и оттаиванием балочек, насыщенных водой, с учетом определенного количества циклов. Минимальное количество испытываемых образцов для испытания 50 циклами ≈ 9, максимальное ≈ 12, из этого количества 3 или 6 испытываются на морозостойкость, а остальные служат в качестве эталонов для оценки потерь прочности или веса. Для определения морозостойкости после 150 циклов необходимо 15 или 24 образца, в зависимости от количества промежуточных этапов ее оценки (после 25 или после 50 циклов). Замораживание и оттаивание образцов проводится по циклам ≈ один цикл представляет собой 4 часа замораживания (температура замораживающей среды от -15oС до -20oС) и 2 часа оттаивания в воде, температура которой +20oС. Во внерабочее время образцы находятся в морозильной камере. После окончания этапа замораживания (25 или 50 циклов) поверхность образцов высушивается, образцы измеряются, взвешиваются (определяется объемный вес), проводятся испытания прочности на растяжение при изгибе и прочности на сжатие на концах балочек. Подобным образом испытываются незамороженные образцы, являющиеся эталонами. Испытание завершается после проведения всех требуемых циклов или после этапа, в котором убыль веса составила более 5%. Оценка результатов испытания проводится после каждого этапа ≈ оценивается убыль веса в процентах, прочность на растяжение при изгибе и на растяжение при сжатии и рассчитывается коэффициент морозостойкости, равный отношению значения среднего арифметического прочности замороженных балочек на растяжение при изгибе к значению среднего арифметического прочности балочек-эталонов. Бетон считается морозостойким при таком количестве циклов, когда коэффициент морозостойкости не менее 75%.
Бетонные образцы размером 100х100х400 мм испытывались на морозостойкость при 150 циклах. Оценка морозостойкости проводилась после 25, 50 и 100 циклов по параметрам:
≈ убыль веса D m [%];
≈ изменение прочности на растяжение при изгибе RTO [MПa];
≈ изменение прочности на растяжение при сжатии на концах балочек RB [MПa];
≈ изменение динамического модуля упругости ED [ГПa], который был определен с помощью ультразвукового импульсного метода;
≈ коэффициент морозостойкости вычислен для данного количества циклов.
Испытываемые бетоны с заполнителем из бетона (табл.2) можно считать после 150 циклов морозостойкими, поскольку убыль веса весьма незначительна (самая большая ≈ 0,23% веса после 25 циклов), а коэффициент морозостойкости удовлетворяет требованию превышения 0,75. Увеличение прочности после замораживания объясняется продолжающейся гидратацией цемента, а прочность бетона, находящегося в водяной среде, постоянно возрастает, однако при температуре ниже 0oС гидратация приостанавливается (цикл проходит от +20oС до -20oС).
Таблица 2. Морозостойкость бетона на заполнителе из переработанного бетона
Кол-во цик-лов
Объемный вес,
[кг/м-3]
Водопоглощение, [%]
Убыль веса, [%]
Прочность на растяжение при изгибе, [MПa]
Прочность на сжатие, [MПa]
Динамич. модуль упругости, [ГПa]
Коэффициент морозостойкости
Морозостойкость образцов с мелким заполнителем из бетона (0-4 мм)
0
2065
2,5
16,4
23,35
25
2051
1,8
0,23
2,9
17,3
18,38
> 1
50
2064
1,0
0
2,6
15,3
22,76
╩ 1
100
2062
0,7
0
3,1
16,6
23,34
> 1
150
2066
0,7
0,15
3,0
17,3
24,25
0,98
Морозостойкость образцов с естественным мелким заполнителем (песок фр. 0-4 мм)
0
2232
3,2
30,7
32,67
25
2194
0,8
0,23
4,2
30,9
26,24
> 1
50
2276
0,3
0,02
3,7
31,1
32,50
> 1
100
2262
0,3
0,06
4,1
32,0
32,90
> 1
150
2280
0,3
0,15
4,5
33,1
33,40
0,97
4. Стойкость поверхности бетона к воздействию мороза и размораживающих веществ
Стандарт ЧСН 73 1326 "Определение стойкости поверхности цементного бетона к воздействию воды и химических размораживающих веществ" различает автоматический и ручной методы испытания. Автоматический метод использует прибор, способный охладить поверхность образца с +20oС до -15oС в течение 45-50 минут.
Образцы насыщенного бетона (чаще всего куб с длиной ребра 150 мм) помещаются в чашку с раствором трехпроцентного NaCl таким образом, чтобы были погружены в нем на высоту 5╠ 1 мм.
Далее они подвергаются попеременному замораживанию поверхности на -15oС в течение 15 минут и размораживанию на +20oС в течение 15 минут (температура измеряется на поверхности образцов). После каждого 25-го цикла образцы вынимают, и определяется вес отпавших частиц (частицы высушиваются и взвешиваются с точностью до 0,1 г, при отпадении больше чем 500 г/м-2 проводят гранулометрический анализ в ситах 0,5-1-2-4 мм). Испытание заканчивается после достижения требуемого количества циклов или после превышения предельного значения отхода. Результат испытания изображается цифрой (отход в г/м-2), а через дефис указывается количество циклов, при которых был получен данный отход. Классификация поверхностей осуществится в соответствии с табл.3.
Результаты испытаний приводятся в табл.4, значения представляют собой средние значения для трех кубов.
Обозначения в таблице:
P ≈ фракции 0-4 мм: естественный мелкий заполнитель (песок);
R ≈ все фракции заполнителя из переработанного бетона;
DU и OL ≈ обозначение источников заполнителя.
Таблица 3. Классификация поверхностей бетона в соответствии с ЧСН 73 1326
Степень нарушения
Отход [г/м-2]
Характер отхода
1 ≈ ненарушенный
до 50
Очень мелкие пылеобразные частицы до 1 мм
2 ≈ малонарушенный
50√500
Больше частиц до 1 мм, меньше чем 1/2 частицы до 2 мм
3 ≈ нарушенный
500√1000
Количество частиц крупнее 2 мм более 500 г/м-2
4 ≈ сильнонарушенный
1000√3000
Количество частиц крупнаее 2 мм более 500 г/м-2
5 ≈ распадающийся
свыше 3000
Доля частиц крупнее 4 мм превышает 20% веса
Таблица 4. Результаты испытаний стойкости поверхности бетона к воздействию мороза и размораживающих веществ
Обозначение образцов
P - OL
P - DU
R - OL
R - DU
Объемный вес бетона [кг/м-3]
2219
2186
2015
2082
Водопоглощение бетона
[%]
1,7
2,0
3,0
2,7
Отход после циклов
25
2004
2915
1389
3687
[г/м-2]
50
5509
6881
2269
6912
75
8519
10057
2840
9519
100
11280
12751
3371
11474
Степень нарушения после 100 циклов
5
5
5
5
Зерновой состав
8
100
100
100
100
после 100 циклов
4
96,8
95,9
98,9
93,8
Общий проход через сито
2
80,2
86,5
89,8
82,4
[мм] в % отхода
1
61,3
66,9
63,2
63,3
0,5
24,5
28,0
24,1
26,8
Кол-во зерен крупнее 2 мм [г/м-2]
2233
1721
344
2019
Доля зерен крупнее 4 мм [%]
3,2
4,1
1,1
6,2
Результаты этих испытаний различны. Исключением что касается средних значений является бетон R-OL (изготовлен только на заполнителе из переработанного бетона), который отличается самыми низкими отходами по сравнению с бетонами, при изготовлении которых в качестве мелкого заполнителя был применен естественный песок. В зерновом составе отходов не наблюдалось больших различий. В соответствии с табл.3 поверхность образцов была оценена степенью 5 (распадающаяся поверхность бетона).
Отходы, пересчитанные на 1 м2 поверхности бетона, превышают значение 3000 г/м-2, однако доля частиц крупнее 4 мм незначительна и является намного меньшей, чем указано в требованиях ЧСН 73 1326.
Исследованный щебень бетона фракции 8-16 мм соответствовал требованию стойкости по ЧСН 72 1176, однако бетоны, изготовленные из этого материала, можно отнести к степеням от третьей (нарушенная поверхность) до пятой (распадающаяся поверхность бетона).
Стойкость бетона на заполнителе из переработанного бетона в кислой среде при действии мороза является недостаточной. Следует отметить, что бетон на заполнителе из переработанного бетона не является стойким при одновременном воздействии кислой среды и мороза. Эти бетоны нельзя применять для конструкций, находящихся под действием агрессивной среды, в частности, для степеней агрессивности 3 (бетонные внешние поверхности), 4 (сооружения вблизи моря) и для химически агрессивной среды 5б, 5в (в соответствии с ЧСН ЕН 206-1).
Выводы
Качество бетона на заполнителе из переработанного бетона зависит прежде всего от качества самого заполнителя, состава бетона, используемой технологии, а также от конкретной области применения бетона. Вторичный щебень и песок оценивается таким же образом, как и естественный плотный заполнитель и должен отвечать требованиям ЧСН 1512 в том, что касается зернового состава, чистоты, химического состава и морозостойкости. В отличие от естественного заполнителя, свойства вторичного щебня и песка имеют отклонения по следующим параметрам:
Объемный вес зерен вторичного щебня и песка меньше и находится в пределах 2000-2300 кг/м-3 (естественный плотный заполнитель имеет объемный вес около 2650 кг/м-3).
Водопоглощение значительно выше, доля вторичного щебня ≈ 5-10 %, отсев фракции 0-4 мм составляет более 10 %.
Долговечность, прежде всего, отсева меньше.
Отсев содержит большую долю цементного камня, который в зависимости от условий эксплуатации бетонной конструкции (сносимая стройка) подвергся коррозии, поверхностные слои содержат CaCO3, образовавшийся в результате карбонатизации, и в некоторых случаях содержат нежелательные химические соединения. Поэтому использование отсева фракции 0-4 мм ограничено (не более 20-40 % от общего количества мелкого заполнителя); для более нагруженных бетонных конструкций (это аспект как среды, так и прочности) его вообще нельзя применять. Вторичный щебень обладает гораздо лучшими свойствами, однако крупные зерна вторичного щебня более 32 мм, содержащие нераздробленные части бетона, считаются менее подходящими из-за своей более низкой прочности.
Таблица 5. Предложение оптимального состава бетона на заполнителе из переработанного бетона
Составные части бетона
Марки прочности бетона
[кг/м-3]
C 12/15
C 12/15
C 16/20
C 20/25
C 25/30
CEM II/B-S ≈ 32,5
CEM I ≈ 42,5
Зола-унос
Отсев 0-4 мм
Втор.щебень 0-32 мм
Втор.щебень 4-8 мм
Втор.щебень 8-16 мм
Естеств.песок 0-4 мм
Вода
Пластификатор
275
√
√
790
√
315
475
√
230
нет
280
√
√
√
1580
√
√
√
230
нет
320
√
20
300
√
315
460
550
220
иногда
350
√
40
160
√
315
465
730
210
да
√
380
20
√
√
310
460
920
200
да
Оптимальным максимальным размером зерна крупного заполнителя являются 16 или 22 мм. Уязвимым местом что касается применения бетона в качестве вторичного сырья считается чистота вторичного заполнителя, которая зависит от способа сортировки строительных отходов сносимых строек. В ходе сортировки необходимо исключить инородные частицы, в первую очередь, органического характера (дерево, пластмассы, битум, если имеется в большом количестве). Состав бетона зависит от требований к качеству бетона и от области его применения. Большое количество проведенных экспериментов позволяет предложить оптимальный состав бетона на заполнителе из переработанного бетона.
Применяется смешанный портландцемент CEM II/B-S (марка прочности 32,5 MПa), а для бетонов марки C 25/30 рекомендуется портландцемент CEM I 42,5. Количество цемента ≈ от 300 до 400 кг/м-3. Заполнитель из бетона необходимо по возможности разделить на крупную и мелкую фракции (меньше и больше 4 мм). Только для бетонов марки C 12/15 можно использовать фракции в пределах 0-16 или 0-32 мм. Количество воды выбирается в соответствии с водоцементным отношением. Самое высокое водоцементное отношение для неармированного бетона марки C 12/15 или C 16/20 равняется 0,80, в прочих случаях водоцементное отношение w£ 0,70. Количество воды зависит, во-первых, от водопоглощения заполнителя, во-вторых, от удобоукладываемости свежеприготовленной бетонной смеси. Для более высоких марок бетона применяется пластификатор с целью снижения водоцементного отношения при сохранении требуемой удобоукладываемости свежеприготовленной бетонной смеси. Состав бетона проектируется плотным, то есть объем пустот в заполнителе необходимо заполнить цементным раствором с определенным избытком (1,2-1,4). При недостатке мелких (до 0,25 мм) зерен в заполнителе их нехватка компенсируется золой-уносом. Добавка золы-уноса рекомендуется в количестве до 10% от веса цемента, чаще всего от 20 до 40 кг на 1 м-3 бетона.
Прочность бетона на заполнителе из переработанного бетона является основным параметром для определения качества бетона и считается достаточной для рекомендуемых марок бетона. Прочности на сжатие в возрасте 28 суток без учета состава бетонов были обработаны с помощью статистического анализа. При этом одна проба берется как среднее значение прочности 2-х или 3-х кубов с длиной ребра 150 мм. Результаты этого анализа приводятся в табл.6. Прочность бетона на заполнителе из переработанного бетона зависит от водоцементного отношения, объемного веса и уплотнения бетона. Чем ниже водоцементное отношение и, таким образом, меньше осадка конуса при измерении консистенции бетонной смеси, тем выше прочность бетона. При применении естественного песка вместо отсева фракции 0-4 мм из переработанного бетона в значительной степени повышается не только объемный вес, но и прочность бетона и его модуль упругости. Недостаточно уплотненный бетон содержит больше воздушных пор и пустот, что понижает его прочность. То же самое происходит при нехватке избыточного цементного раствора.
Таблица 6. Статистический анализ прочности бетона на заполнителе из переработанного бетона
кол-во образцов
средн. величина
квадр. отклонение
квантил a = 0,05
квантил a = 0,95
168
24,67 MПa
5,67 MПa
15,64 MПa
33,13 MПa
Максимальная прочность
минимальная прочность
медиана
модальность
скошенность
41,2 MПa
10,0 MПa
24,6 MПa
17,0 MПa
-0,0286
Петр ПЫТЛИК,
профессор, к.т.н., Технический университет Брно, строительный факультет, кафедра Технологии строительных материалов и изделий, Чешская Республика
Либуше БЕКЕРОВА,
старший преподаватель, Технический университет Брно, строительный факультет, кафедра Технологии строительных материалов и изделий, Чешская Республика
╘строительство и недвижимость
Новые тесты для старых строительных материалов
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.