Долговечность и эксплуатационная надежность строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений

При совместном введении добавок (СВД) в вышеуказанном интервале  обеспечивается:

1. увеличение водоудерживающей способности растворных смесей до 95–98 % (по сравнению с бездобавочными смесями на 7–11 %) (рис. 28);
2. повышение показателя жизнеспособности в 2–3 раза;
3. увеличение воздухововлечения: дополнительно вовлеченный воздух составляет 7–10 % по объему;

4) повышение прочностных показателей растворов. Удержанная в растворной смеси вода способствует более полному протеканию процессов гидратации цемента [34], что обеспечивает соответствие марочной прочности при твердении растворов в швах кладки по сравнению с бездобавочными (рис. 29, б). В кладочных растворах при СВД прирост прочности обеспечивается за счет добавки МК, обладающей пуццоланической активностью (рис. 29, а);

5. уменьшение деформации усадки раствора при твердении в 2–5 раз;
6. повышение адгезионной прочности к основанию из керамического кирпича до 30 % (0,6–0,8 МПа);
7. снижение средней плотности растворов на 8,5–10,3 %;
8. снижение коэффициента теплопроводности. Так, коэффициент теплопроводности растворов М100 и М200 уменьшается соответственно на 23,3 и 19,2 % (табл. 6);
9. уменьшение расхода цемента на 17–19 % в рациональных составах растворов.

Рис. 28. Зависимость водоудерживающей способности смесей от состава раствора:

а – на плотном основании (тяжелый бетон); б – на пористом основании (керамический кирпич)

Рис. 29. Зависимости предела прочности на сжатие раствора в возрасте 28 суток от его состава и условий твердения: а – нормально-влажностные условия; б – в шве кладки (лабораторная модель)

Таблица 6

Эксплуатационные  характеристики кладочных растворов

 

Марка	Наличие добавок	Состав Ц:(П+МК)	Средняя плотность раствора, кг/м3	Коэффициент тепло- проводности, Вт/(м⋅К)	Марка по морозо- стойкос- ти
200	Д0	1:4,15	2147	0,94	F50
	СВД	1:4,35	1965	0,80
100	Д0	1:5,75	2140	0,90	F50
	СВД	1:6,25	1920	0,69

Примечание. Здесь и далее в обозначении использованы буквы: Д0 – бездобавочный состав; СВД – состав при совместном введении добавок МК и ОТП.

 

 

 

В СНиП II-22–81* «Каменные и армокаменные конструкции» не предъявляются требования к кладочным растворам по морозостойкости. Исходя из особенностей работы раствора в каменной конструкции, требования по морозостойкости назначаются проектировщиками с позиции его согласованной работы с основным стеновым материалом и условиями окружающей среды при эксплуатации.

Известно, что  показателями долговечности цементных  материалов являются морозостойкость и водопоглощение при одностороннем или объемном контакте с водой [35, 36]. Величина водопоглощения определяется открытой пористостью материала и фактически характеризует долю открытых пор в объеме образца строительного материала.

В силу специфики  строения капиллярных пор некоторые  из них не могут заполняться водой  при водопоглощении (например, поры с зауженным отверстием, капсулированные поры). В таком случае стандартная методика по определению водопоглощения материала не дает точного значения величины открытых пор и, соответственно, долю смачиваемого пространства. Это может быть обеспечено вакуумированием или кипячением образцов (табл. 7).

Таблица 7. Показатели водопоглощения кладочных растворов

 

Результаты анализа  полученных данных показывают, что  растворы при СВД имеют практически  равное с бездобавочными составами  водопоглоще-ние (основной метод), несмотря на более низкие показатели средней  плотности. Показатель приращения водопоглощения (по объему), ∆W_о, %, характеризует объем пор раствора, недоступный для проникновения воды в нормальных условиях. Данный объем пор можно отнести к «резервному» при изучении состояния стенового материала при замораживании в насыщенном водой состоянии. Количество «резервных» пор растворов при СВД увеличивается в 1,8 и 2,2 раза соответственно для М100 и М200. Это свидетельствует о том, что при СВД создаются условия для «залечивания» капиллярных пор цементного камня и создания условно закрытых пор.

 

 

 

 

Оптическими методами исследования было установлено, что  при СВД изменяется характер пористости – образуются преимущественно изолированные воздушные поры диаметром 0,02–0,05 мм, равномерно распределенные по объёму цементного камня [33].

В соответствии с ГОСТ 12730.4–78 были проведены исследования показателей пористости растворов, результаты которых приведены в табл. 8. Объем открытых капиллярных пор равен водопоглощению (по объему).

Проведенные исследования показали, что полный объем пор  у растворов при СВД выше на 4–6 %, чем у бездобавочных, хотя показатели открытой пористости (капиллярной и некапиллярной) находятся примерно на одинаковом уровне (22–24 %). Такое распределение пор свидетельствует о повышении объема «условно-замкнутой» пористости у растворов М100 и М200 при СВД соответственно в 3,1 и 2,8 раза. Если принимать во внимание поры «условно-замкнутые», то суммарный объем «резервной» пористости у растворов при СВД возрастает примерно в 2,6 раза.

Таблица 8. Показатели пористости растворов

 

Марка	Наличие добавки	Объем пор, %				Суммарный объем  «резервной» пористости, %
		полный, Пп	открытых капил- лярных, По	открытых некапиллярных, Пмз	условно замкнутых, Пз
100	Д0	26,2	20,77	2,80	2,63	4,91
	СВД	32,1	20,84	3,09	8,17	12,57
200	Д0	26,3	18,93	4,55	2,82	4,78
	СВД	29,9	18,80	3,08	8,02	12,67

Примечание. Суммарный объем «резервной» пористости определен с учетом данных «условно закрытой» пористости (приращение водопоглощения по массе ∆W_м = W_м´ – W_м, %) по табл. 2:

– раствор марки 100 (Д0) – ∆Wм = 2,28 %; (СВД) = 4,4 %;

– раствор марки 200 (Д0) – ∆Wм = 1,96 %; (СВД) = 4,65 %.

Таким образом, изменение характера пористости кладочных растворов при СВД по сравнению с бездобавочными аналогами позволяет предположить увеличение их морозостойкости, так как обеспечивается уменьшение капиллярной пористости и увеличение количества «резервных» пор в структуре материала.

Принимая во внимание, что применяемая добавка ОТП  является воздухововлекающей, в основу рассматриваемого метода прогнозирования  морозостойкости (Мрз) растворов при  СВД был принят «критерий морозостойкости» (К_Мрз), предложенный А.Е. Шейкиным и Л.М. Добшицем [36]

   (18)

 

где П_у.з – условно-замкнутая пористость цементного камня, %; П_и – интегральная (открытая) пористость цементного камня, %.

А.В. Акимов в работе [37] развил данную методику и предложил использовать «критерий морозостойкости (К_м) при трехстадийном насыщении образцов бетона (раствора)», учитывающий параметры пористости материала (характеристику его микроструктуры) и характеристику макроструктуры (объемную концентрацию цементного камня)

 

  (19)

где С – величина объемной концентрации цементного камня, доля от объема материала; П_II, П_III – объем пор соответственно II и III группы, определенных по методу трехстадийного насыщения образцов.

 Характерной особенностью этого метода является то, что влажностные состояния образцов четко зафиксированы. Это дает возможность дифференцировать поры в материале по их способности поглощать воду в различных условиях (I группа – при влагопоглощении из воздуха; II группа – при нормальном водопоглощении; III группа – при вакуум-насыщении (или кипячении)). С использованием данного способа создается удачная классификация пористости с точки зрения морозостойкости цементных материалов.

Величина «критерий  морозостойкости», в формуле (19), будет высокой, и, следовательно, морозостойкость бетона (раствора) будет значительной, ес-ли объем пор III группы будет не меньше, чем объем возможного приращения жидкой фазы при её замерзании в насыщенном водой материале (0,09 ⋅ ПII).

 Пористость III группы введена в критерий морозостойкости потому, что поры этой группы являются «амортизатором», следовательно, оказывают положительное влияние на морозостойкость материала. Объем пор I группы (заполняемые влагой из воздуха) не входит в критерий морозостойкости, так как поры этой группы пассивны с точки зрения морозостойкости.

 Авторами работы [37] предложено с использованием коэффициента К_м прогнозировать морозостойкость цементных бетонов (растворов) нормального твердения и пропаренных по следующей формуле:

 М_рз = 313,1 ⋅С ^0,16 ⋅ К_м^{0 , 6 6},      (20)

где М_рз – морозостойкость материала, циклы; К_м – критерий морозостойкости, определенный по формуле (19).

 Результаты определения прогнозируемой морозостойкости кладочных растворов по критерию морозостойкости приведены в табл. 9.

Анализ полученных результатов показал, что для  М100 и М200 более высокой морозостойкостью, соответственно в 1,5–1,8 раза, обладают растворы при СВД.

Анализ предлагаемых рынком сухих кладочных строительных смесей (ОСНОВИТ Т-111, БЕТОНИТ, ТиМ 51, БИРСС и др.) позволил установить, что конкурентоспособная марка  по морозостойкости не менее F50, что соответствует требованиям СНиП II-22–81* [2].

Таблица 9. Сравнительная оценка прогнозируемой морозостойкости бездобавочных растворов при СВД по критерию морозостойкости

* Объемная  концентрация цементного камня  в образце определена с учетом  водопотребности крупного песка  (М_к = 2,68), принятой равной 6,5 %.

Результаты испытаний  по стандартной методике многократного  попеременного замораживания и  оттаивания в воде (ГОСТ 5802–86) показали, что кладочные растворы при СВД после 50 циклов увеличили свои прочностные показатели в среднем до 25 %. Увеличение прочностных показателей растворов при СВД объясняется скрытогидравлической активностью аморфного SiO₂ добавки МК во влажной среде с течением времени.

Проведенные исследования позволили установить, что совместное введение в состав цементно-песчаных кладочных растворов 10–20 % активной минеральной добавки МК и 0,04 % органической воздухововлекающей добавки ОТП от массы цемента (в пересчете на сухое вещество) позволяет получать кладочные растворы с пониженной на 8–10 % средней плотностью и повышенной мо-розостойкостью (не менее F50) при одновременном улучшении технологических характеристик, что позволит снизить сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, увеличить долговечность наружных ограждающих конструкций и частично уменьшить нагрузки на фундаменты здания.

На основании  результатов исследований разработаны  технические условия на кладочный  раствор, технологический регламент  изготовления. Опытно-промышленные испытания  подтвердили достоверность сделанных  выводов и заключений.

 

7. Результаты и их обсуждения

Кирпичные и каменные здания лидируют по части долговечности  выполнения своих функций. Тысячелетия  развития современной цивилизации  сопровождались развитием строительного  искусства. Первые известные факты  использования кирпичной кладки относятся к 7500 г. до н. э. Это старейший кирпич, высушенный на солнце, изготовленный в районе реки Тигр (Месопотамия).

 

 

 

 

 

Из наиболее известных  древних памятников необходимо отметить строительство из кирпича грандиозной  Вавилонской башни (668–626 гг. до н. э.), улицы Шествий в Вавилоне из покрытого глазурью кирпича (около 1 тыс. лет до н. э.) и дворца в Сузах (Персия) из разноцветного глазурованного кирпича (V–IV в. до н. э.).

Римские керамики использовали все знания предыдущих поколений. Кирпич использовали при  постройке Колизея (I в.). Нужно отметить, что Колизей — важный опыт строительства с совместным применением кирпичной кладки и бетона, такого эффективного использования двух разных материалов современные строители достигнуть не могут. Известны и более поздние постройки в Египте.

Причинами снижения прочности и долговечности современной  кирпичной кладки с применением  цементных кладочных растворов  могут быть изменение технологии производства вяжущих, применение жестких  цементных растворов, сокращение сроков строительства, потеря преемственности  поколений, утрата рабочих династий и др.