лекции по долговечности. Лекция-1674099643628. Протокол 7 от 17. 01. 2023 Руководитель оп о. Мирюк

• Название: Протокол 7 от 17. 01. 2023 Руководитель оп о. Мирюк
• Анкор: лекции по долговечности
• Дата: 13.05.2023
• Размер: 262.5 Kb.
• Имя файла: Лекция-1674099643628.doc
• Тип: Протокол; #1127620
• страница: 2 из 3

агрессивной среды приводят к существенным изменениям деформационно-прочностных свойств материалов.

Коррозия– процессы самопроизвольного разрушения материала вследствие химических реакций и (или) физических воздействий, возникающих как внутри бетона, так и вне него.

Внешние причины коррозии– действие природных вод омыванием или под напором; промышленные и бытовые стоки; попеременный горизонт воды; сезонные и суточные колебания температуры; механические воздействия.

Внутренние причины коррозии – проницаемость структуры; изменения объема вследствие различия температурного расширения цементного камня и заполнителя; образование соединений с увеличением объема твердой фазы в условиях сформировавшейся структуры бетона.

Химические факторы, обусловливающие коррозию: воздействия жидких и газовых сред; твердых веществ (растворы кислот и солей, органические соединения, газы, загрязненная воздушная среда, твердые вредные вещества).

Физические факторы, вызывающие коррозию: температурные и влажностные колебания среды; подсос и кристаллизация солей в порах бетона.

Биологические факторы, приводящие к коррозии: плесневый грибок, микроорганизмы.

По общепринятой международной классификации, предложенной В.М. Москвиным, коррозионное воздействие жидкой среды подразделяют на три основных вида.

К первому виду относят процессы коррозии, возникающие под действием вод с малой жесткостью, когда составные части камня растворяются и уносятся протекающей водой. Особенное развитие эти процессы получают при фильтрации воды сквозь толщу бетона.

Коррозия второго вида объединяет процессы, которые развиваются при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня. Продукты реакции либо легко растворимы и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной, не обладающей вяжущей способностью массы на месте реакции. К этому виду относят процессы, возникающие в бетоне при действии кислот, магнезиальных солей.

Коррозия третьего вида объединяет все процессы коррозии, при развитии которых в порах, капиллярах и других пустотах бетона происходит накопление малорастворимых солей; кристаллизация последних вызывает возникновение значительных усилий в стенках, ограничивающих рост кристаллических сростков, и как следствие – разрушение структурных элементов бетона. К этому виду можно отнести коррозию при действии сульфатов, где разрушение бетона вызывается ростом кристаллов гипса и сульфоалюмината кальция.

В естественных условиях, как правило, одновременно наблюдается коррозия нескольких видов, но преобладает обычно какой-либо один вид и всегда можно проследить и учесть роль второстепенных для данного случая видов коррозии.

В классификации коррозии в газовой среде, предложенной С.Н.Алексеевым, также различаются три вида. Принципиального различия между коррозией в водной и газовой среде нет, но в каждом случае есть свои характерные особенности.

В случае газовой коррозии агрессивные газы, проникая в его толщу по открытым каналам, трещинам и другим неплотностям, поглощаются водой, частично заполняющей капилляры, и ее адсорбционными пленками, образуя обыкновенную агрессивную жидкость. Раствор газов в жидкостях представляет собой истинный раствор. Концентрация растворенной фазы, как правило, невысока, так что эти растворы можно отнести к разбавленным. Характерно, что продукты газовой коррозии остаются на месте реакции, а не выносятся наружу, что может привести к уплотнению материала.

Агрессивное воздействие газов определяется их видом, концентрацией, температурой и относительной влажностью воздуха, а также скоростью обмена агрессивной среды. Скорость коррозии возрастает при одновременном действии химических и физических факторов. Коррозионные процессы усугубляются от внешних механических воздействий.

За критерий стойкости при оценке влияния агрессивных сред по внешнему виду принимают продолжительность периода до появления признаков визуально оцениваемых разрушений бетона. Для оценки степени коррозионного разрушения образцов может быть использована пятибалльная система. Баллом «5» характеризуется отличное состояние образцов, без изменения внешнего вида, баллом «1» - полное разрушение.

Количественным показателем коррозии является коэффициент стойкости Кс, представляющий собой отношение прочности образцов, находившихся в растворе, к прочности образцов, твердевших тот же срок в воде.

Метод определения потери массы бетонных образцов за определенный промежуток времени оценивает воздействие органических кислот на цементный камень.
Раздел 7. Коррозийное разрушение материалов различного происхождения
Склонность бетона к коррозии обусловлена способностью его структуры пропускать сквозь толщу тела жидкости и газы. Движение этих потоков осуществляется под действием различных градиентов:

- напора – проявляется в ограждающих конструкциях; резервуарах;

- концентрации агрессивных компонентов – диффузионный перенос;

- температуры – наблюдается по обе стороны конструкции;

- влажности – проявляется в различных частях конструкции

Основные причины раннего и последующего повреждения железобетона следующие.

Качество исходных материалов. Применение загрязненного щебня, когда на поверхности зерен имеется не удаляемая при перемешивании бетонной смеси оболочка из увлажненной каменной пыли (характерно для карбонатных заполнителей пониженной прочности), резко снижает морозостойкость бетона. Сильно понижается эта характеристика бетона при использовании цементов с высоким (более 1 %) содержанием щелочей. Строгое следование технологическим правилам – гарантия высокой долговечности бетонных и железобетонных конструкций.

Разрушение вследствие попадания в бетон различных технических продуктов. В последнее время на нескольких заводах железобетонных изделий Москвы почти одновременно произошло множественное повреждение железобетонных конструкций в процессе тепловлажностной обработки. Дефекты в виде выкалывания конических кусков бетона были обнаружены при распалубке изделий. Химический анализ материала показал, что это обожженный доломит, прогидратировавший в бетоне. Способы защиты бетона от начавшегося процесса коррозии ограничены, в основном это высушивание бетона и сохранение его в этом состоянии. Для предупреждения коррозии данного вида следует исключать одновременное применение в бетоне заполнителей с повышенным количеством реакционноспособного кремнезема и цементов с высоким содержанием щелочей.

Повреждение железобетонных конструкций от воздействия солей хлоридов. Соли хлоридов способны легко проникать в бетоны и вызывать коррозию стальной арматуры. Попадающие через грунт противогололедные реагенты (в основном соли хлоридов) вызывают разрушение железобетонных конструкций в коллекторах. По той же причине сильно повреждаются железобетонные конструкции при отводе ливневых и талых вод. При разбрызгивании растворов солей колесами автомобилей повреждаются железобетонные опоры освещения. Основные меры защиты сводятся к замедлению и исключению попадания солей через защитный слой к поверхности стальной арматуры: применение малопроницаемого бетона, различные малопроницаемые покрытия.

Возможны следующие виды коррозии цементного камня: 1– связанная с выщелачиванием растворимых частей цементного камня (агрессивность выщелачивания); 2 – вызываемая обменными реакциями между цементным камнем и агрессивной жидкой средой, в результате образуются легко растворимые соединения не обладающие вяжущими свойствами (агрессивность углекислая, общекислотная и магнезиальная); 3 – обусловливаемая развитием и накоплением в цементном камне малорастворимых кристаллизующихся солей (агрессивность сульфатная).

К первому виду относится коррозия выщелачивания. При фильтрации через толщу бетонной конструкции воды и водных растворов, происходит растворение и вымывание компонентов цементного камня (в первую очередь, гидрооксида кальция). Коррозия выщелачивания в итоге приводит к нарушению химической целостности бетона. Истинно особенно опасна фильтрация под напором, та как процесс растворения и вымывания компонентов бетона происходит более интенсивно. При наличии в фильтрующемся растворе солей, что и говорить непосредственно не реагирующих с составляющими цемента, повышается как нельзя более ионная сила раствора, и процесс нарушения химической целостности цемента ускоряется.

Биологическая коррозия вызвана, как правило, взаимодействием цементного камня с кислыми продуктами метаболизма (углекислота, серная, азотная кислоты) живых организмов (сульфатредуцирующие, тионовые, нитрифицирующие бактерии, низшие грибы и другие).

В природных условиях распространены случаи биологической коррозии от выщелачивающего действия воды, сульфатная коррозия (особенно при капиллярном всасывании и испарении растворов сульфатов), от действия углекислой и сероводородных вод, кислых болотных вод, хлоридная коррозия стальной арматуры в бетоне, разрушение от действия морской и минерализованной воды и отрицательных температур.

Солевая коррозия керамического кирпича. В процессе эксплуатации зданий нередко можно наблюдать шелушение и выкрашивание строительного кирпича. Эти дефекты характерны для плохо обожженного строительного кирпича. Первопричиной описанных дефектов является влага, которая, проникая в кирпичную кладку, растворяет соли, содержащиеся в стеновом керамическом материале и затвердевшем кладочном растворе.

При переработке и в процессе эксплуатации изделий из полимеров происходит постепенное их разрушение – деструкция. В большинстве случаев одновременно воздействуют несколько факторов: как химических (гидролиз, окисление), так и физических (тепло, свет, ионизирующее излучение, механическая энергия). Процесс деструкции необратим и протекает с разрывом химических связей основной макромолекулярной цепи, что приводит к понижению молекулярной массы и к нежелательным изменениям в структуре и физических свойствах полимера и изделий из него, что часто делает полимер непригодным для дальнейшей эксплуатации.

Коррозия металлов – самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды. Коррозия приводит к большим потерям металлов в результате разрушения трубопроводов, цистерн, металлических частей машин, корпусов судов. Безвозвратные потери металлов от коррозии составляют до 15% от их ежегодного выпуска. Наиболее интенсивная коррозия наблюдается в зданиях и сооружениях химических производств, что объясняется действием различных химических агентов в виде газов, жидкостей и мелкодисперсных частиц непосредственно на строительные конструкции, оборудование и сооружения, а также проникновением этих агентов в грунт и действием их на фундаменты. Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь. Коррозионное разрушение металлов в основном зависит от следующих факторов: химической природы металла или состава металлического сплава и их структуры; химической природы окружающей среды и процентного содержания в ней агрессивных веществ (кислорода, влаги, кислот, щелочей); температуры окружающей среды.

Раздел 8. Высолообразование на поверхности материалов
Высолы (выцветы) образуются на поверхности бетонных, каменных конструкциях. Объяснение несложное: атмосферные осадки, переменная температура, газы, пыль, другие агрессивные напасти отрицательно действуют на здания и сооружения. Проявляется это не сразу. Проходит какое-то время, и вдруг обнаруживаются высолы. Они не только ухудшают эстетический вид сооружений, но и способствуют постепенному разрушению материала конструкций, а значит, укорачивается продолжительность эксплуатации объекта.

По химическому составу высолы подразделяются на несколько типов:

–карбонатно-кальциевые – состоят преимущественно из карбоната кальция, образующегося при выносе на поверхность бетона (раствора) гидроксида кальция и его карбонизации углекислым газом воздуха;

– карбонатно-натриевые – образуются при выносе на поверхность гидроксида натрия и карбонизации его углекислым газом воздуха;

– сульфатно-натриевые - образуются при выносе на поверхность сульфата натрия и кристаллизации в виде кристаллогидрата сульфата натрия.

Соль, содержащаяся в высолах, имеет многокомпонентный состав. Кроме карбонатов и сульфатов, бывают и хлориды, нитраты, другие ионы. В высолах встречаются соединения алюминия, кремния, магния, железа и ванадия. Нередко это ведет к труднорастворимым выцветам.

Довольно распространенный вид повреждений бетонных изделий выцветы - появление белесого налета на поверхности бетона. Выцветы бетона принято подразделять на первичные и вторичные. Первичные проявляются уже при твердении бетона, вторичные – при его старении под действием атмосферных факторов.

Первичные выцветания. Свежеуложенный бетон пронизан системой капиллярных пор, заполненных водным раствором продуктов гидратации цемента, главным образом гидроксида кальция. В обычном случае по мере твердения устьях пор, вступает в реакцию с углекислым газом. Из-за этого концентрация гидроксида кальция в устье поры становится ниже, чем в ее объеме. Это вызывает постоянный массоперенос гидроксида из объема на поверхность материала. Постепенно капилляры заполняются карбонатом кальция и процесс замедляется, а затем и совсем останавливается. Когда поверхность бетона или хотя бы какой-либо ее участок покрыт пленкой воды, гидроксид кальция может распространиться по всей поверхности, а затем образовать налет карбоната кальция, нерастворимый в воде. В этом случае может появиться первичное выцветание бетона.

Вторичные выцветания. Вторичное выцветание проявляется при атмосферном старении бетона даже в том случае, если бетон нормально затвердел и "испытание смачиванием" дает отрицательный результат. Внешне это проявляется как общее осветление поверхности бетона. Есть основания считать, что причиной вторичного процесса является продолжение процессов гидратации компонентов цемента в отвердевшем материале. В частности, об этом говорит тот факт, что вторичное выцветание имеет место до тех пор, пока продолжается рост прочности бетона. Наблюдения показали, что выцветание бетонных плиток может проявляться в течение года после изготовления изделий. Затем налет постепенно смывается, и примерно через год плитки самоочищаются и восстанавливают свой первоначальный цвет. Размывание налета объясняется медленным превращением карбоната в бикарбонат, более растворимый в воде. Сроки восстановления цвета плиток зависят от климата в данной местности. При засушливом климате вторичное выцветание сохраняется дольше. Однако затяжные дожди, постоянно смывающие гидрооксид кальция с поверхности бетона, лишь затягивают процесс выцветания.

Факторы, влияющие на выцветание. Основной причиной, можно сказать, первопричиной появления выцветов является наличие гидрооксида кальция Са(ОН)₂ в цементном камне. Чтобы выцветы появились на поверхности бетона, Са(ОН)₂ должен мигрировать из объема цементного камня на эту поверхность. Для этого необходимы пути миграции – капилляры и силы, побуждающие к миграции – разность концентраций Са(ОН)₂ в жидкой фазе на поверхности и в объеме материала; и наконец, нужна эта жидкая фаза.

Высолы в основном образуются вследствие кристаллизации растворимых соединений, которые есть в составе цемента, бетона, штукатурного и кладочного растворов, кирпича, керамических блоков. Содержание щелочей в цементах иногда доходит до 2,5 %. Попадают щелочи в цемент в составе сырьевых компонентов. И главным образом с глиной и нефелиновыми шламами.

Другой источник образования высолов – гидроксид кальция из состава гидратированного клинкера. Он выходит на поверхность материала, реагирует с углекислым газом воздуха, потому и образуется этот выцвет. В щебне и гравии допускается содержание галоидных соединений до одного процента по массе в пересчете на ион хлора, а в песке не более 0,15 процента. По нашим расчетам, содержание растворимых солей в песке и крупном заполнителе, используемых для изготовления конструкций, на которых не допускается образование высолов, должно быть не более 0,01 процента по массе.

Наибольшее количество щелочей содержат добавки-электролиты – ускорители твердения бетона. Щелочи могут находиться также в пластифицирующих добавках, которые изготавливают из нерастворимых органических веществ путем сульфирования и последующей нейтрализации кислотой. Для этого используют гидроксиды натрия и калия. Карбонаты щелочных металлов затем вступают в обменные реакции с гидрооксидом кальция. В итоге могут способствовать карбонизации цементных материалов.

Количество щелочей в первый период гидратации для разных клинкеров колеблется в пределах от 7 до 42 процентов от их общего количества. Определенную роль в поведении едких щелочей в цементном камне играют пуццолановые добавки. При взаимодействии с ними вулканические пид или карбонат натрия. В результате такой обработки органические вещества приобретают способность растворяться в воде. Образующийся при нейтрализации серной кислоты сульфат натрия может в холодное время года выпадать в осадок из раствора добавок, а затем в концентрированном виде попадать в растворные и бетонные смеси.

Количество растворимых солей, способных образовывать кристаллогидраты (щелочи, сульфаты, нитраты, нитриты, карбонаты), вносимые в раствор, не должно превышать 0,1 процента от массы цемента.

Разработаны рекомендации по предупреждению образования высолов на кирпичной кладке, штукатурке и бетоне. Основные способы их предотвращения состоят в ограничении содержания в материалах растворимых соединений, уменьшении переноса влаги путем снижения влажности материала, исключения его повторного увлажнения, уменьшения капиллярной проницаемости, придания материалу гидрофобных свойств.

При возведении кирпичной кладки в теплое время года важно предупредить образование высолов, используя материалы с низким содержанием растворимых щелочей. Если в кирпиче или цементе содержится повышенное их количество, следует вводить в состав раствора гидрофобизирующие добавки.

В зимнее время года надо производить предварительную гидрофобизацию кирпича. Гидрофобизация уменьшает его водопоглощение и, как следствие, повышает морозостойкость кирпича, исключает разрушение солями, понижает влажность и улучшает теплофизические показатели стен.

Крайне важно проводить очистку поверхностей. Удаление высолов включает операции по смывке водой, кислотными или щелочными растворами.

Возможны два варианта пропитки поверхности бетонных изделий: силиконовыми составами или водоразбавляемыми акриловыми бесцветными дисперсиями. Пропитка силиконами оказалась не очень эффективной в отношении предотвращения выцветания. Предотвращая попадание жидкой воды внутрь бетона, силикон практически не влияет на поступление е поры бетона водяного пара, который может там конденсироваться. Покрытие бетона акриловыми дисперсиями создает на поверхности прозрачную пленку, которая закрывает поры и предотвращает выделение карбоната кальция на поверхности. Малая толщина покрытия ограничивает срок службы 1 – 2 годами.
Раздел 9. Морозное разрушение материалов
Морозостойкость – способность водой насыщенного материала сопротивляться разрушающему воздействию циклически повторяющихся замораживания и оттаивания.

С понижением температуры насыщенного водой материала вода, проникая в поры, замерзает аналогично замерзанию в капиллярах горных пород и вызывает расширение материала.

При повторном замораживании происходит дальнейшее расширение, так что повторные циклы замораживания и оттаивания имеют кумулятивный эффект.

Хотя поверхностное натяжение кристаллов льда в капиллярах создает в них давление, тем большее, чем меньше кристалл, замораживание начинается в больших порах и постепенно распространяется на меньшие.

Химически связанная вода никогда не превращается в лед. Гелевая вода превращается в лед только при очень низких температурах (полностью замерзает при – 73⁰С). Поры геля слишком малы для образования кристалликов льда при температуре выше –73⁰С, поэтому обычно лед в них не образуется. С понижением температуры вследствие разной энтропии воды геля и льда вода геля приобретает потенциальную энергию, позволяющую ей двигаться по капиллярам, содержащим лед. Диффузия воды геля приводит к росту кристаллов льда и к расширению цементного камня.

Капиллярная вода превращается в лед при температуре приблизительно – 0,5⁰С, поскольку в капиллярах находится раствор. Температура 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.

Различают две основные гипотезы о том, как передаются напряжения на элементы структуры бетона, приводящие к морозному разрушению.

Первая гипотеза – растягивающих напряжений – причина разрушения – непосредственное локальное воздействие кристаллизующегося льда на стенки пор. Это вызывает в таких участках местное перенапряжение. Сначала возникают локальные микротрещины, которые перерастают в магистральные макротрещины.

Вторая гипотеза – гидравлического давления – главная причина разрушения –гидравлическое давление, возникающее во влажном бетоне под влиянием замерзающей воды. Это давление создается в порах и капиллярах бетона в результате сопротивления структуры камня продавливанию через поры геля поровой жидкости, отжимаемой льдом.

Выделяют два источника давления расширения. Первый: замерзание воды вызывает увеличение объема приблизительно на 9% так, что избыток воды из пор удаляется. Скорость замораживания определяет скорость, с которой удаляется вода, вытесняемая фронтом льда. Величина гидравлического давления зависит от сопротивления фильтрации: от длины пути и проницаемости цементного камня между замерзшей порой и порой, в которую может переместиться избыток воды.

Вторая расширяющая сила в бетоне возникает вследствие диффузии воды, приводящей к росту относительно небольшого количества кристаллов льда. Рядом исследований установлено, что последний механизм играет важную роль в разрушении бетона под действием мороза. Эта диффузия вызывается осмотическим давлением из-за местного увеличения концентрации раствора вследствие отделения замерзающей (чистой) воды от раствора.

При исследовании морозного разрушения бетона выделяют два аспекта:

– причинный – изменение объема жидкости или твердой фазы, заполняющей поры цементного камня; давление на элементы кристаллического каркаса;

– феноменологический – рассматривает собственные деформации компонентов бетона и всей структуры.
Методы оценки и прогноза морозостойкости бетона:

– оценка морозостойкости осуществляется по одному из методов (два базовых и два ускоренных);

– прогнозирование морозостойкости осуществляют динамическому модулю упругости, относительному удлинению образцов, балльной системе с учетом внешнего вида испытуемых образцов; льдистости (отношение массы или объема льда к массе или объему исходной воды бетона); объему пор различного происхождении; фактору расстояния (половина расстояния между соседними пузырьками воздуха в цементном камне).

В ряде методов испытаний приняты две скорости замораживания, каждая для оттаивания на воздухе и в воде, а также возможно оттаивание в рассоле. Результаты, получаемые при испытаниях, различны: при замораживании в воде насыщенного водой бетона создаются значительно более тяжелые условия испытаний, чем на воздухе. Быстрое замораживание вызывает более быстрое разрушение. Степень насыщения образцов к началу испытаний увеличивает скорость разрушения.

Разрушения от действия мороза можно определить разными способами. Общепринят метод измерения изменений динамического модуля упругости образца. Уменьшение его после определенного количества циклов замораживания и оттаивания свидетельствует о разрушении бетона. Этот метод показывает разрушения от действия мороза раньше, чем их можно заметить визуально или определить другими методами, хотя такое объяснение уменьшения величины модуля после первых же циклов замораживания и оттаивания вызывает сомнение.

Действие мороза может быть установлено также по потере прочности при сжатии и изгибе или по изменению длины или массы образца. Последний способ предпочтительнее, когда разрушения от мороза происходят преимущественно на поверхности образца, но он не пригоден при внутренних повреждениях, где результаты зависят также от размеров образца.

Если испытания должны дать информацию о поведении бетона на практике, условия испытания не должны значительно отличаться от натурных условий. Трудность заключается в том, что испытания должны быть ускоренными по сравнению с условиями внешней среды, но неизвестно, при какой степени ускорения теряется достоверность результатов испытания. Очевидно, что некоторые ускоренные испытания замораживания и оттаивания приводят к разрушению бетона, который в натурных условиях имеет удовлетворительную долговечность.

Различие между условиями лабораторных испытаний и реальными условиями заключается в том, что реальные конструкции высушиваются во время летних месяцев, а в лаборатории образцы постоянно насыщаются и воздушные поры заполняются водой, что приводит к разрушению бетона. Это ужесточение условий испытания не отражает условий эксплуатации, но способность бетона выдерживать определенное число циклов замораживания и оттаивания – вероятный показатель его высокой долговечности в реальных условиях.

Морозостойкость зависит от строения бетона: конгломератная структура; наличие контактной зоны; различия пористости для компонентов бетона.

С точки зрения морозостойкости возраст бетона можно разделить на четыре периода времени, в каждый из этих периодов бетон обладает различной морозостойкостью. Первый 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. Второй период длится от начала схватывания бетона до приобретения им прочности 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). Третий период начинается после достижения бетоном прочности 5 – 8 MПа и длится до приобретения им требуемой прочности. Бетон постепенно приобретает все более высокую морозостойкость, что вызвано его увеличивающейся прочностью. Четвертый период характеризуется морозостойкостью затвердевшего бетона.

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.

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.

Морозостойкость бетона зависит от ряда его свойств: прочности цементного камня, растяжимости, ползучести, но главными среди них являются степень насыщения и структура порового пространства цементного камня.

Ниже критического уровня насыщения бетон обладает высокой морозостойкостью, а сухой бетон вообще не разрушается. Следует заметить, что даже в образцах водного твердения не все поры заполнены водой, вследствие чего эти образцы не разрушаются от первого же замораживания. Бетон при эксплуатации в естественных условиях теряет влагу. При повторном увлажнении он уже не может поглотить то же количество воды, какое было им потеряно. Поэтому перед эксплуатацией в условиях зимы бетон целесообразно высушивать, если этого не сделать – разрушения от действия мороза будут больше.

Какова критическая величина насыщения? Закрытый контейнер, в котором более 91,7% объема занято водой, будет при замораживании заполнен льдом и разорвется. Таким образом, 91,7% является критическим насыщением в замкнутом объеме. Это не относится к пористым телам, где критическое насыщение зависит от размера образца, его однородности и скорости замораживания. Пустоты, в которые может удаляться избыточная вода, должны быть расположены достаточно близко к порам, в которых образуется лед, на этом основано использование воздухововлечения: если цементный камень разделен на достаточно тонкие слои пузырьками воздуха, у него нет критического насыщения. Аналогично у зерна заполнителя нет критического размера, если оно имеет низкую пористость или если его капиллярная система нарушена достаточно большим количеством макропор. Зерно заполнителя в бетоне может рассматриваться как закрытая емкость, если низкая проницаемость окружающего его цементного камня не позволяет воде проникать в воздушные поры с достаточной скоростью. Таким образом, зерно заполнителя, насыщенное водой выше 91,7%, вызовет при замораживании разрушение окружающего бетона.

Установлено, что с увеличением водонасыщения прочность охлажденных до – 40 и – 60⁰ С образцов возрастает лишь до определенной величины и затем относительно снижается. Максимальное значение прочности является функцией количества содержащейся в порах бетона воды и степени понижения температуры. После оттаивания прочность бетона существенно  уменьшается.

Морозостойкость бетона должна обеспечиваться комплексом технологических мероприятий, включающим в себя правильный выбор материалов, требований к бетонной смеси и технологии производства работ, а не назначением и подтверждением марок по морозостойкости.

Пути повышения морозостойкости бетона предусматривают выполнение комплекса технологических приемов: выбор качественных сырьевых материалов; строгое регламентирование процессов приготовления, уплотнения бетонной смеси, режима ТВО изделий; введение в бетонную смесь химических добавок, регулирующих структуру бетона.

Для повышения морозостойкости бетона при изготовлении или возведении новых конструкций имеются проверенные на практике надежные методы. В первую очередь это применение модификаторов бетона, содержащих в своем составе водоредуцирующие, воздухововлекающие и микрогазообразующие добавки. Все основные характеристики бетона, влияющие на долговечность конструкций, улучшаются: увеличивается водонепроницаемость, уменьшается капиллярный перенос влаги, повышается морозостойкость и однородность указанных свойств.

Воздухововлечение бетона –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).

После возведения конструкций способы повышения морозостойкости бетона весьма ограничены. Иногда его пропитывают гидрофобизирующими составами.

Другой способ защиты состоит в снижении морозного воздействия на конструкцию с помощью теплоизоляции. В некоторых случаях достаточно нанести на поверхность конструкции слой морозостойкого бетона, воспринимающего основные температурные колебания внешней среды.

Раздел 10. Воздействие повышенных температур на свойства материалов
Теплофизические свойства материалов и изделий характеризуют отношение к действию на них тепловой энергии. Они включают в себя способность проводить (теплопроводность, температуропроводность), поглощать тепло (теплоемкость), сохранять или изменять свойства при изменении температур (тепло-, термо-, и морозостойкость, огнестойкость).

Тепловые воздействия возникают как снаружи системы – солнечная радиация, тепло от близко расположенных источников, так и внутри системы – выделение тепла электронными схемами, при трении механических узлов, химической реакции.

Особенно вреден нагрев узлов при повышенной влажности окружающей среды, а также при циклическом изменении этих факторов.

Различают тепловые воздействия: непрерывное – рассматривают при анализе надежности систем, работающих в стационарных условиях; периодическое – рассматривают при анализе надежности систем при повторно-кратковременном включении аппаратуры и изделий под нагрузку и при резких колебаниях условий эксплуатации, при суточном изменении внешней температуры.

Теплостойкостьхарактеризует способность материалов и изделий сохранять свойства при повышенных температурах.

Теплостойкость – способность материала к сохранению своих физико-химических характеристик и эксплуатационных свойств при повышении температуры в условиях пожара. В зависимости от вида изделий и их назначения используют различные методы определения теплостойкости. Для конструкционных твердых материалов оценивают по изменению жесткости; показателем служит так называемая деформационная теплостойкость – температура, при которой начинает развиваться недопустимо большая деформация образца, находящегося под определенной нагрузкой и нагреваемого с определенной скоростью. Теплостойкость строительных конструкций при пожарно-технической классификации характеризуется их огнестойкостью и пожарной опасностью, определяемыми стандартными методами.

Диапазон «рабочих» температур наиболее распространенных полимерных материалов на основе карбоцепных полимеров обычно не превышает 100–150 ⁰С. При более высоких температуpax происходит резкое изменение механических свойств (уменьшение жесткости, прочности, твердости), связанное с приближением к температуре текучести аморфных или температуре плавления кристаллических полимеров.

Вплоть до температур 300 – 400 ⁰С способны сохранять прочность и жесткость некоторые гетероцепные полимеры, например кремнийорганические, нолифениленоксиды, полиимиды, полибензимидазолы. Изменение механических свойств перечисленных полимерах обычно связано не с изменением агрегатного состояния, а с термической деструкцией

Термостойкость – способность материала сопротивляться термическому старению, при котором он сохраняет те технические характеристики, изменение которых обусловлено необратимыми изменениями химической структуры или свойств материала. Термостойкость характеризуется температурой или временем испытаний на старение (при фиксированном значении одного из этих параметров), в результате которого значение характерного показателя не изменяется более допустимого уровня. Термостойкость имеет значение при оценке качества товаров, которые при эксплуатации подвергаются резкому нагреванию и охлаждению (стеклянная и керамическая посуда, режущий инструмент ). Термостойкость влияет на режим технологической обработки, условия эксплуатации, долговечность изделий.

Термическая стойкостьизделий зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, коэффициента температурного расширения, коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоемкости, от модуля упругости, пористости, толщины, формы изделий, а также от состояния поверхности изделия, наличия тех или иных внутренних и наружных дефектов, острых граней и плавных переходов и от других факторов, т. е. имеет сложную зависимость.

Термическая стойкостьтем больше, чем выше теплопроводность, механическая прочность и ниже модуль упругости и температурный коэффициент расширения. В последнем случае при резких колебаниях температуры в материале возникают внутренние напряжения, приводящие к его разрушению. С повышением пористости материала, если при этом не снижается прочность, термическая стойкость возрастает.

По термостойкости материалы и изделия подразделяются на термостойкие и жаростойкие. К термостойким относят материалы, предназначенные для эксплуатации при температуре 250–400 °С. Например, термостойкое текстильное волокно кевлар применяется для изготовления специальной одежды для пожарников, литейщиков. Жаростойкие материалы сохраняют свои эксплуатационные показатели при температуре 2000–2500 °С.

Огнестойкостьопределяет стойкость материалов и изделий к воздействию пламени огня. Она зависит от природы материала. По степени огнестойкости выделяют негорючие, трудно сгораемые и легкосгораемые материалы. К негорючим относятся материалы, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются. Это металлические и силикатные материалы и изделия из них, а также некоторые виды пластических масс.

Материалы, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудно сгораемым (шерсть, кожа ). Материалы и изделия, которые быстро воспламеняются и продолжают гореть и тлеть при удалении из пламени, относятся к легкосгораемым (хлопок, древесина, бумага).

Теплостойкость (термостойкость) определяет стойкость к термической деструкции, оценивается по изменению свойств после нагрева и выдержки в нормальных условиях.

Термическое расширениехарактеризует способность материала изменять размеры при изменении температуры. Учитывается при оценке качества материалов и изделий, которые эксплуатируются при резких изменениях температуры (режущий инструмент, стеклянная и керамическая посуда). Если материал имеет большое термическое расширение, то при резких колебаниях температуры изделие может разрушиться.

Термическое расширение должно учитываться при производстве двухслойных материалов и изделий (глазурованных и эмалированных изделий, стеклоизделий с нацветом). Термическое расширение основного материала и эмали или основной и цветной стекломассы должно быть по возможности одинаковым.

Показателем термического расширения материалов является относительный температурный коэффициент, который зависит от химического состава, степени однородности вещества и наличия примесей. Различают линейный и объемный температурный коэффициенты в определенном интервале температур.
Раздел 11. Способы первичной защиты материалов от разрушения
Первичная защита состоит в том, что на стадии проекта в зависимости от условий эксплуатации определяют конкретные требования к бетону и его составляющим. Определяют целесообразность и вид добавок; назначают мероприятия по снижению проницаемости; решают вопрос о выборе вида арматуры и армирования; рекомендуют параметры технологического процесса; указывают толщину защитного слоя бетона и способы ее обеспечения. Следовательно, первичная защита реализуется на стадии изготовления и возведения конструкций.

Долговечность бетона в значительной степени зависит от качества проектирования, конструирования и изготовления. При кажущейся простоте технологии изготовления бетонных и железобетонных конструкций небольшие отклонения от правил выполнения перечисленных работ могут существенно изменить качество бетона и железобетона. В результате возникают ранние повреждения конструкций, которые иногда полностью выходят из строя задолго до окончания проектного срока службы. Это наблюдается в различных видах строительства. Затраты на ремонт, а подчас и замену конструкций соизмеримы со стоимостью нового строительства.

Первейшей задачей проектирования является использование возможности уменьшения или исключения разрушающего воздействия среды путем выбора геометрической формы сечения элемента (исключит образование застойных зон агрессивных веществ); обеспечения максимальной компактности сечения и поверхности конструкции и другие. В процессе проектирования должны быть выполнены требования в соответствии с назначением и условиями службы конструкции, включая требуемую надежность, удовлетворительную эксплуатационную пригодность, достаточную долговечность.

Технология изготовления изделий и конструкций. Разрушаются, в первую очередь, изделия и конструкции, изготовленные и возведенные с различными нарушениями технологии (некачественные исходные материалы; неточная дозировка компонентов бетонной смеси; дефекты уплотнения бетонной смеси; неудовлетворительные условия твердения, в том числе высушивание бетона в процессе твердения; раннее замораживание бетона и другие).
Раздел 12. Способы вторичной защиты материалов от разрушения
Если прогнозируются жесткие условия эксплуатации, например, сильная степень агрессивного воздействия среды, то меры первичной защиты бетона, как правило, должны быть дополнены мерами вторичной защиты – изоляция поверхности конструкции, которая должна быть также тщательно выбрана с учетом особенностей взаимодействия бетона со средой и возможности возобновления изоляции в процессе эксплуатации. Вторичная защита бетона обеспечивается применением различных покрытий, например, химически стойких лакокрасочных покрытий, оклеечных покрытий, футеровок и уплотняющих пропиток (полимерных смол), имеющих повышенную стойкость к воздействиям окружающей среды.

Цель защиты – не допустить или ограничить возможность контакта агрессивной среды и бетона. Защитные покрытия выполняют, в первую очередь, роль изолирующей прослойки между бетоном и внешней средой. Сохранность защитных свойств таких материалов, как правило, меньше сроков службы железобетона, поэтому покрытия требуют периодического возобновления.

Для защиты применяют гидрофобизирующие, лакокрасочные, оклеечные, облицовочные и футеровочные материалы в различных сочетаниях.

По степени возрастания надежности защиты можно расположить в ряд: лакокрасочные покрытия, оклеечная листовая, пленочная изоляция из стойких непроницаемых полимерных материалов, футеровочная изоляция. Особое место занимает уплотняющая пропитка бетона термопластами и реактопластами, которая привлекает вероятностью длительного защитного действия.

Гидрофобизация – обработка, создающая эффект несмачиваемости поверхности водой