Ст.н.с. д-р инж. Николай Баровски, ЦЛФХМ-БАН
Ст.н.с. д-р инж. Мирона Миронова, ЦЛФХМ-БАН

Николай Баровски е роден през 1947 г. Завършил е Висшия инженерно-строителен институт през 1971 г. (УАСГ). От 1974 г. работи в БАН. В момента е старши научен сътрудник и научен секретар на ЦЛФХМ - БАН. Основната му квалификация е придобита в БАН при изследване на структурата, свойствата и дълготрайността на различни видове бетони за морски хидротехнически съоръжения, бетони за пътища, мостове, летища и др. Ръководител е на акредитирана лаборатория за изпитване на материали при Централна лаборатория по физико-химична механика – БАН.

Мирона Миронова е родена през 1964 г. в София. Завършила е Университета по архитектура, строителство и геодезия и Техническия университет с правоспособност за учител по инженерни дисциплини. През 2002 г. защитава образователната и научна степен „доктор” по специалност „Строителни материали, изделия и технология на производството им”. От 1988 г. е на работа в БАН. В момента е доцент в Института по механика.Научните й интереси са в областта на физико-химичната механика на композитните материали.

Механични свойства
Направен е сравнителен анализ на тълкуването на термина „дълготрайност” от гледна точка на практическо му приложение и разработване на съответни критерии за оценка за конкретни климатични и експлоатационни условия на стоманобетонна конструкция. На базата на резултатите от кинетиката на изменение на някои механични свойства с течение на времето при наличие на агресивни химични въздействие са направени оценки за корозионната устойчивост и дълготрайността на бетона.
С цел подобряване на експлоатационната годност на съоръженията, подложени на агресивно въздействие от химични фактори, са предложени конкретни критерии за проектиране на състави на бетон с подобрена дълготрайност. Тези критерии са съобразени с изискванията на БДС EN 206-1 и Националното приложение към този стандарт, тъй като стандартът е приложим само за бетони, произвеждани на територията на Република България.
Увод
За оценяване на дълготрайността на бетона може да се използват методи за определяне на свойствата, които разглеждат количествено всеки възможен механизъм за разрушение, експлоатационния срок на елемента или конструкцията, както и критериите, определящи края на този експлоатационен срок. Такъв метод може да се основава на достатъчен опит на строителната практика у нас с характерните особености на околната среда, на данни от утвърдени методи за изпитване на свойствата за съответния механизъм или на използването на доказани прогнозни модели.
В настоящата работа са представени и анализирани резултати, получените за някои механични характеристики на циментов камък и бетони, подложени на влиянието само на част от течните агресивни среди, описани подробно в предходната част на тези изследвания.
Материали и среди
Пробните тела са нестандартизирани - цилиндри с диаметър d = 15 mm и височина l = 30 – 40 mm, са формовани в стъклени епруветки, изолирани от влиянието на околната среда, използвани за определяне на якостните характеристики на циментовия камък. Други пробни тела - призми с размери 100х10х6 mm са използвани за получаване на данни за модула на еластичност чрез резонансен метод, т.нар. динамичен Е-модул. Втвърдяването е осъществено при стайна температура, а 28-дневната възраст е приета за базова. На тази възраст пробните тела са разпределени и оставени за отлежаване в различните водни разтвори в течение на 1 година.
За направата на пробните тела са използвани три вида цимент:
• CEM I 42,5 N (C3A =7%) с водо-циментово отношение (w/c) w/c =0.35, w/c =0.50, w/c =0.65
• CEM II 42,5 N (C3A ≤3%) с w/c =0.30, w/c =0.40, w/c =0.50
• сулфатоустойчив цимент с w/c =0.35, w/c =0.50, w/c =0.65
Като база за сравнение е приета средата – дестилирана вода при стайна температура. Варирайки концентрацията на разтвора – 0%, 0,5% и 1%, и водо-циментовото отношение w/c=0,30, w/c=0,40 w/c=0,50, са измерени следните показатели:
• свободни линейни деформации – набъбване ε;
• якост на натиск Rc и якост на опън при разцепване Rb;
• динамичен модул на еластичност Е∂.
Представени са и обобщени резултати от изследванията върху якостите на натиск Rc на бетонови проби, отлежавали 5 години в питейна и морска вода. Пробните тела са кубчета с размери 10 х 10 х 10 cm и са изготвени с два вида цимент - сулфатоустойчив и CEM II 42,5 N. Подробно описание за използваните цименти и различните състави е дадено в [1], а моделът на формираната структура на порите в [3].
Резултати и анализ
Набъбването, в т.ч. и свободното линейно удължение, е оценено от гледна точка на възможните причини за възникването му, като се има предвид погасяването на капилярните сили, увеличаването на количеството на междуслойна вода в микрокристалната структура на материала, както и различни процеси, вследствие образуването на нови съединения в резултат от взаимодействието между компонентите на средата и циментовите композити. Сравнителните данни за набъбването на циментовия камък в Mg SO4, дестилирана вода и морска вода са представени в табл.1. При морската вода доминира факторът образуване на нови съединения с по-голям обем, отколкото е сумарният обем на реагентите, докато дестилираната вода заема промеждутъчно положение. Набъбването е обратнопропорционално на w/c отношение, което означава, че явлението е свързано с промени в твърдата фаза и микропорьозната структура на втвърдената паста.
Очевидно е силното влияние на MgSO4, при което разрушението на пробите при w/c=0,50 (за двете концентрации) е настъпило преди достигане на 3-месечното им отлежаване в разтворите. Визуалният оглед показа образуване на тънка черупка – 0,5-1,0 mm от повърхността на цилиндричните образци, която в даден момент се отлепва от основното тяло и се разрушава. Това наблюдение съвпада и с резултатите, получени чрез численото решение на дифузионната задача [2], при което фронтът на предвижване на сулфатните йони е всестранен и стъпаловиден, както и тезата за образуване на двуслойна структура (незасегнато ядро и увреден слой) при наличие на химична агресия. Времетраенето на дадено стъпало се определя при достигане на определена критична концентрация на новообразуванията, и най-вече на моносулфохидроалумината и трансформирането му в трисулфатната му форма – етрингит, което е непосредствена причина за разрушение.
Невъзможността да се формоват пробни тела при w/c=0,50 намалява допълнително информацията от експеримента за стойностите на динамичния модул на еластичност. Независимо от това се очертава тенденция на нарастване на Е∂ за всички среди през едногодишния период на отлежаване при еднакво w/c –табл. 2. В сравнение с данните за Е∂ на пробните тела в дестилирана вода най-големи разлики се наблюдават при пробите в 1% разтвор на MgSO4, и то в полза на пробите, експонирани в разтвора. Модулът осезаемо нараства при w/c=0,40 в сравнение с този при w/c=0,30 за всички среди. Това може би се дължи на увеличаване на плътността, т.е. запълване на част от поровото пространство с продукти от корозионните процеси.
Получените резултати за якостите показват, че структурообразуващите процеси доминират над деструктивните –
табл. 3. Относително краткият срок на отлежаване на пробните образци в морската вода не дава възможност за голямо проявление на корозия, с изключение на разтвора на MgSO4.
Видимо са очертани тенденциите на повишаване на якостите (якост на натиск и на опън при разцепване) след 28-дневна възраст, когато пробните тела са експонирани в средите. Якостта на опън при разцепване се оказва по-чувствителна към корозионните процеси в сравнение с натисковата якост при въздействие на агресивните среди. Съдейки по данните за изменението на якостните показатели, най- агресивен е разтворът на MgSO4. В началните периоди на развитие на корозионните процеси якостите могат да покажат тенденциите на развитие на тези процеси и да послужат като основа за направата на качествена оценка. Както бе отбелязано при разтвори на MgSO4 и Na2SO4, механизмът на протичане на корозионните процеси може да се опише чрез дифузия на сулфатните йони, при скокообразно придвижване на фронта на критичната концентрация и настъпване на разрушение на засегнатия слой [2 ].
От гледна точка на надеждността на бетонните и стоманобетонни съоръжения в агресивна среда, вкл. и морска вода, е от значение запазването на якостта на бетона през целия експлоатационен период. Както беше споменато, 28-дневната възраст е избрана за базова, тъй като якостта на бетона на тази възраст се използва при проектиране на съоръженията. Затова като критерий за оценка на корозионната устойчивост може да се въведе разликата между якостта на бетона, втвърдявал определен период от време в дадена агресивна среда, респ. морска вода (Rt,) и 28-дневната му якост (R28 ) [3]. Условието за корозионна устойчивост на бетона е тази разлика да е положителна:

∆Rt-28 = Rt - R28

На базата на този критерий може да се определи терминът „дълготрайност”, а именно – периодът от време в условия на агресивно действие на средата, за който бетонът запазва якостите си по-високи или равни на базовите от 28-дневна възраст.
На фиг. 1 са показани някои типични криви на изменение на якостта на натиск, които очертават тенденциите в поведението на бетона в морска среда, съпоставени с тези при отлежаването му под вода. Очевидно състав I (със сулфатоустойчив цимент - крива 1) запазва якостта си по-висока от съответната на 28-дневна възраст за петгодишния период. Следователно влиянието на средата не е опасно и дълготрайността на този бетон, оценена по горния критерий, е по-голяма от 5 години. При равни други условия, бетонът, втвърдявал в питейна вода, има по-високи якости от тези на бетон в морска вода, като с течение на времето тази характеристика показва тенденция на нарастване. Този ефект се установява и за двата вида бетон. Проведените изследвания доказват, че за разглеждания период сулфатоустойчивият цимент гарантира корозионната устойчивост на бетона. Окончателният избор на състава на корозионно устойчив бетон трябва да се извърши след доказване на всички технически необходими свойства по стойностен критерий.
Крива 2 от състав II на фиг. 1 показва намаление на якостта и след 5-годишно експониране в морска вода, това механично свойство е с по-ниски стойности от избраната граница, т.е. дълготрайността в този случай може да се приеме, че е около 5 години. При равни други условия бетонът, втвърдявал в питейна вода, има по-високи якости от тези на бетон в морска вода, като с течение на времето тази характеристика показва тенденция на нарастване. Този ефект се установява и за двата вида бетон. Проведените изследвания доказват, че за разглеждания период сулфатоустойчивият цимент гарантира корозионната устойчивост на бетона. Окончателният избор на състава на корозионно устойчив бетон трябва да се извърши след доказване на всички технически необходими свойства по стойностен критерий.
Заключение
Обобщените резултати от настоящите изследвания сочат, че действието на агресивни агенти, предизвикващи корозия, води до появата на двуслойна структура в материала: външен кородирал слой, с изменени структура и механични свойства и ядро със запазени структура и механични свойства. Дебелината на кородиралия слой нараства все по-бавно с течение на времето поради запълването на капилярите с новообразувания, което затруднява преноса на йони. Така този слой се превръща в преграда между незасегнатата сърцевина и окръжаващата агресивна среда. По-нататъшното проникване на дифузанта в ядрото е възможно след разрушаване на „увредения” слой, което от своя страна може да настъпи след сериозни структурни промени. Направените изводи могат да се използват като база за изготвяне на критерии за прогнозиране и оценка на дълготрайността на бетона с оглед проектиране на рационални състави с повишена корозионна устойчивост.
На следващите снимки са представени типични примери за разрушение на бетон в конструкции, подложени на въздействието на основните групи фактори: механични - фиг. 2 (ударно действие, претоварване, динамични товари, вибрации и др.); химични - фиг. 3 (сулфати, хлориди, мека вода и др.); физични - фиг. 4 (циклично замразяване и размразяване, променливо намокряне и сушене, съсъхване на бетона и др.), както и от корозия на армировката на конструкцията - фиг. 5.

От гледна точка на дълготрайността за климатичните условия на България мразоустойчивостта се явява основно свойство на бетона, което е тясно свързано със структурата на поровото пространство. По своя генезис порите в бетона се класифицират като:
• гелни пори – пори с радиус до 10 нанометра, формирани при хидратацията на калциевите силикати в цимента;
• капилярни пори – пори с радиус до 10 микрометра, образувани от водата, която не участва в химически реакции с цимента;
• контракционни пори – пори, образувани от контрацията на системата „цимент-вода”;
• седиментационни пори – образуват се от седименция на водни капки под зърната на едрия добавъчен материал;
• въздушни пори – пори, образувани вследствие въвличане на въздушни мехурчета при приготвяне и полагане на бетонната смес.
Сумата от обемите на отделните видове пори дефинира общата порьозност. Тази структурна характеристика има определящо значение за мразоустойчивостта на бетона. Може да се приеме за доказано, че водата в гелните пори на практика не замръзва и наличието на повече такива пори подобрява мразоустойчивостта на бетона. Въздушните пори се явяват „резервни обеми” за израстване на ледени кристали при отрицателните температури на съхраняване на бетона и в този случай подобряват също така мразоустойчивостта. Този ефект се наблюдава при използване на химични въздуховъвличащи добавки.
Водата, която може да замръзне и да предизвика влошаване на мразоустойчивостта на бетона, се намира в капилярните, контракционните и седиментационните пори. Оттук следва, че бетон с относително малък обем на такива пори е мразоустойчив. За получаване на такава структура на порите определящо значение има съставът на бетона и в частност отношението вода/цимент (В/Ц), продължителността и условията на втвърдяване (температура и влажност), вид на цимента, мразоустойчив едър добавъчен материал и не на последно място, вид на използвани химични добавки - подходящи ускоряващи, въздуховъвличащи или комбинирани добавки.
Съгласно препоръките на БДС EN 206-1:2002 за проектиране и изпълнение на дълготрайни бетони е необходимо:
• точно дефиниране на мястото на конструкцията по отношение на въздействие на факторите от околната среда;
• определяне на нивата на агресивните въздействие – група съгласно табл. 1 или табл. 2;
• уточняване на ограниченията на стандартите за използване на тип цимент, добавъчни материали, водо-циментово отношение и др.;
• дефиниране на критичните допустими стойности за контролиране на механичните показатели на бетона, бетоново покритие и др.;
• на базата на предварителната информация се проектират състави на бетон, гарантиращи постоянни стойности на измерваните механични свойства;
• лабораторни проверки на проектираните състави и доказване на съответните свойства на бетона, касаещи дълготрайността;
• спазване на всички правила за управление на производството, описани в част 9 на БДС EN 206-1:2002 – входящ контрол на цимент, добавъчни материали и добавки, управление на производството и изходящ контрол на произведения бетон;
• събиране на информация за поведението на бетона в хода на изпълнение строителството и експлоатацията на конструкцията или съоръжението;
• обработване на събраната информация и оформяне на база данни за дълготрайни бетони, необходима за следващо приложение.