Шлакощелочные бетоны для железобетонных конструкций верхнего строения ж/д путей

Четверг, 18 Декабря 2008 г.

Материалы для строительства должны отвечать многим требованиям, таким как, например, экономичность, высокие физические и механические характеристики, технологичность, экологичность, долговечность и т.д.

Один из путей развития строительной промышленности в области вяжущих веществ, который бы удовлетворил всем этим требованиям, это получение их из попутных продуктов различных производств, как части технологической цепочки других областей промышленности, что позволит получать более дешёвые, в сравнении с существующими, материалы, исключать вредное воздействие на окружающую среду и максимально использовать ограниченные запасы природного сырья.

Одним из таких материалов является шлакощелочной бетон (ШЩБ), основным исходным сырьём для получения которого являются отходы металлургического производства.

Начиная с 1984 г. в Санкт-Петербургском Государственном Университете Путей Сообщения ведутся работы по получению шлакощелочных бетонов, которые бы отвечали требованиям, предъявляемым к материалам и конструкциям для транспортного строительства. Впервые в нашей стране в 1988 г. во время комплексных исследований свойств таких материалов были изготовлены первые партии стрелочных брусьев и шпал.

После успешных статических и динамических испытаний в 1990 г. первый стрелочный перевод на брусьях из шлакощелочных бетонов был уложен в путь на Октябрьской железной дороге.

В процессе изготовления конструкций использовали доменный молотый гранулированный шлак Череповецкого металлургического комбината, щелочным компонентом являлся растворимый силикат натрия с Мс=1,5. В качестве арматуры в железнодорожных брусьях была применена стальная, предварительно напряженная проволока периодического профиля класса Bp с диаметром 3 миллиметра.

После достаточно длительной эксплуатации в пути сейчас сложилась уникальная возможность исследования произошедших в материале конструкций изменений.

Изменения в прочностных характеристиках шлакощелочного бетона со временем исследовались многими специалистами и сейчас можно с уверенностью утверждать, что прочность ШЩБ растёт со временем. Однако, в тоже время, вызывает интерес вопрос об изменении механических свойств бетона после долгой эксплуатации в тяжелых условиях железнодорожных путей. На самом деле таких данных недостаточно даже для конструкций из портланцементного бетона.

Приведем результаты прочностных характеристик образцов, которые были отобраны из конструкций и образов марочного возраста.

Анализируя данные испытаний, можно увидеть, что серьезных изменений прочностных характеристик, как на растяжение, так и на сжатие, не произошло. Это говорит о том, что бетон в результате длительных воздействий в период эксплуатации не претерпел существенных деструктивных изменений.

Деформативные свойства бетонов оказывают значительное влияние на долговечность и качество бетонных и железобетонных конструкций.

В следующей таблице приводятся значения модулей упругости и соответствующие относительные деформации бетонов при напряжениях 0.3 Rb).

Отметим, что значение модуля упругости бетона, который хранился в нормальных условиях, увеличивается по сравнению с исходным, что отмечалось многими исследователями. Значение модуля упругости бетона после эксплуатации немного снижается, что согласуется с теорией работы бетона во время динамических нагрузок. Эта теория доказывает, что когда напряжения в бетоне меньше, чем абсолютный предел выносливости, модуль упругости уменьшается при первых же циклах нагружения, сохраняя в дальнейшем постоянную величину [2].

Полученные данные говорят о том, что при работе конструкций в условиях железнодорожного пути, модуль упругости шлакощелочного бетона имеет меньшие значения, чем у портландцементного бетона, что предопределяет высокую информативность и лучшую сопротивляемость ШЩБ воздействию динамических нагрузок при работе подрельсовых оснований. Большая деформативность шлакощелочных бетонов окажет положительное влияние не только на долговечность конструкции подрельсового основания, но и на увеличении сроков службы подвижного состава.

Стойкость арматуры - это один из самых важных факторов, которые влияют на долговечность всей железобетонной конструкции. Особенно опасно развитие коррозии напрягаемой арматуры. На холодно-тянутой проволоке, например, в присутствии хлоридов, образуются локальные поражения, являющиеся концентраторами напряжений и приводящими к хрупкому обрыву, когда возрастающее напряжение в уменьшающемся сечении достигает предела прочности металла. Из-за того, что поражения тонких проволок носят местный характер, в защитном слое бетона не возникает обычно видимых продольных трещин, как при общей коррозии более толстых стержней. По причине резкой потери пластичности проволоки, корродирующей под напряжением, ее обрыву не предшествуют вязкое течение и заметные деформации конструкций. Поэтому, как правило, конструкции разрушаются внезапно [3].

Особенно актуальны вопросы коррозии арматуры в конструкциях, которые работают в пути, под воздействием динамических и статических нагрузок, специфических агрессивных факторов, периодического увлажнения и высушивания, замораживания и оттаивания, блуждающих токов.

Для суждения об условиях возникновения и нарушения пассивности стали в бетонах нужно знать степень щелочности, создающуюся при затвердевании вяжущего.

В связи с природой шлакощелочных бетонов, начальный водородный показатель у них выше, чем у обычных портландцементных бетонов, и это придаёт арматуре достаточную пассивность. Но в процессе гидратации водородный показатель поровой жидкости меняется и при его существенном уменьшении, на поверхности арматуры могут начаться процессы коррозии.

Говоря о длительном защитном действии, важно оценить реакционную ёмкость бетона (запас основных оксидов в цементном камне, способных поддерживать нужный уровень щелочности с учётом постепенного их связывания кислыми агрессивными агентами) [3].

Если щелочность среды в бетонах на основе портландцемента поддерживается высоким содержанием гидроксида кальция, то в шлакощелочных бетонах она обеспечивается содержанием в жидкой фазе значительного количества свободных едких щелочей. Вследствие природы ШЩ вяжущих первоначальное содержание щелочных оксидов в жидкой фазе является достаточно высоким для пассивации стальной арматуры, однако, с течением времени, в ходе процесса гидратации, их содержание постепенно уменьшается вследствии их перехода в малорастворимые соединениям, тем самым обеспечивая длительный рост прочности шлакощелочного камня со временем. Если с точки зрения структурообразования этот процесс является положительным, то с точки зрения сохранения бетоном реакционной ёмкости по отношению к стальной арматуре, он может являться опасным. Для определения реакционной ёмкости шлакощелочных бетонов по отношению к стальной арматуре необходимо определить количество щелочей, переходящих со временем в труднорастворимые соединения.

Нами было проведено определение содержания натрия, который входит в состав легкорастворимых и труднорастворимых соединений. В следующей таблице приводятся полученные данные для камня нормального твердения и после тепловлажностной обработки за период в 10 лет.

Данные этой таблицы показывают, что и для камня нормального твердения, и для камня после тепловлажностной обработки, основное количество свободной щелочи переходит в труднорастворимые соединения в течение первого года гидратации. К этому же времени количество связанной щелочи для бетонов нормального твердения и прошедших тепловлажностную обработку уравнивается. Дальнейший процесс связывания свободных щелочей протекает более медленно, и к 10-ти годам, в труднорастворимые соединения их переходит около 66%, что говорит о сохранении высокой реакционной ёмкости шлакощелочного вяжущего по отношению к стальной арматуре.

При визуальном осмотре арматуры извлечённых конструкций, коррозионных повреждений, как по поверхности, так и локальных очагов, обнаружено не было.

Нами были получены микрофотографии контактной зоны арматуры и бетона, сделанные при помощи электронного микроскопа и подтверждающие стабильность структуры бетона во времени и отсутствие коррозии арматуры. Другие исследования [4], тоже показали отсутствие признаков коррозии арматуры, извлечённой из конструкций.

Одной из причин начала коррозии арматуры железобетона может быть карбонизация. Под карбонизацией понимается химическая реакция щелочных компонентов цементного камня с диоксидом углерода с образованием карбонатов. Вследствие таких реакций изменяется структура и основные свойства бетона, при этом может быть учрачена щелочность и защитное действие бетона по отношению к стальной арматуре [3, 5].

При сравнении скорости карбонизации шлакошелочных и цементных бетонов исследователи приводят противоречивые данные, приведенные в нижеследующей таблице.

Анализ данных этой таблицы показывает значительные расхождения результатов, которые можно объяснить влиянием на скорость карбонизации многих факторов, в том числе химического состава шлака, вида затворителя, плотности бетона и прочих факторов.
В нашем случае максимальная глубина карбонизированного слоя бетона составила: для конструкций, которые эксплуатировались в пути - от 3 до 4 мм; для бетона, хранившегося в хранилище — от 5 до 6 мм. Учитывая замедление скорости карбонизации со временем, можно утверждать, что расчётный срок службы большинства конструкций и сооружении ж-д транспорта меньше времени, за которое полностью карбонизируется защитный слой бетона.
Проведённые теоретические и экспериментальные исследования, а также опыт эксплуатации в течение 15-ти лет ЖБК верхнего строения железнодорожного пути на основе шлакощелочного бетона показал, что их использование является эффективной альтернативой цементному бетону.

Доктор технических наук Петрова Т.М и кандидат технических наук Полетаев А.В.