Долговечность железобетонных изделий

Бетон и железобетон используются в строительстве с середины XIX века, и специалисты регулярно улучшают их эксплуатационные свойства. Эти материалы надежны, безопасны для человека, а сырьевая база для их производства практически неограниченна.

При этом эксперты отмечают существенный недостаток железобетонных конструкций: они недолговечны в суровых климатических условиях. Бетон, защищающий арматуру, при циклическом замораживании разрушается: вода в его порах, превращаясь в лед, расширяется – и в материале возникают трещины. Кроме того, бетон разрушается от механического напряжения из-за перепадов температуры, от вымывания минерала портландита и старения цементного геля.

Как продлить срок службы железобетонных конструкций и сооружений? Решение этой задачи ищут ученые во всем мире, в том числе и в ЮУрГУ. На кафедре строительных материалов и изделий Архитектурно-строительного института над повышением долговечности бетона работают с 1990-х годов, а в 2018-м запущен соответствующий магистерский проект.

В новом исследовании, проведенном сотрудниками университета, впервые показана необходимость учета стабильности гидратных фаз цементного камня при циклическом замораживании и оттаивании.

– При обеспечении стабильности гидратных фаз цементного камня сохраняются неизменными механические свойства бетона, а следовательно, и его долговечность. Мы предложили оценивать долговечность во временных показателях срока службы в зависимости от условий эксплуатации железобетонных конструкций и используемых модификаторов, – поясняет старший преподаватель АСИ ЮУрГУ Кирилл Шулдяков.

Испытание низкими температурами

В лаборатории ЮУрГУ высокофункциональный бетон с водоцементным отношением менее 0,35 подвергался циклическому замораживанию и оттаиванию при температуре минус 50 градусов в пятипроцентном растворе поваренной соли. Иностранные коллеги ученых ЮУрГУ были удивлены таким подходом, поскольку самые суровые условия испытаний у них – минус 20 градусов. Однако именно воссозданные в лаборатории ЮУрГУ условия соответствуют национальному стандарту и позволяют создать материал, который выдержит, помимо эксплуатационных воздействий, испытания климатом Арктики, Сибири и Дальнего Востока. Стабильность структуры материала оценивалась как до циклических воздействий, так и после различного их числа. В итоге ученые сделали вывод, что марка бетона по морозостойкости может меняться в 4–5 раз при постоянном водоцементном отношении, но при введении различных модификаторов, которые влияют на состав гидратных фаз. Стабильный гидросиликатный гель сформировался при содержании портландита в цементном камне не более пяти процентов. Это обеспечили за счет введения оптимальных дозировок современных модифицирующих добавок.

– Механизм кристаллизации цементного геля связан с повышением его основности при поглощении извести первоначально образовавшимися гидросиликатами кальция. Введение пуццоланы – минеральной добавки, способствующей повышению прочности и стойкости бетона – снижает концентрацию извести, вызывает активную полимеризацию кремнекислородных тетраэдров, особенно при циклическом замораживании, что способствует формированию стабильных коллоидно-дисперсных гидросиликатов кальция, – добавляет Кирилл Владимирович.

Результаты ученых ЮУрГУ могут быть полезны при строительстве сооружений в суровых условиях – например, газопровода «Сила Сибири», и при освоении Арктической зоны. Но АСИ не намерен останавливаться на достигнутом. На очереди исследование диффузионной проницаемости бетона – согласно ГОСТ 31384-2017, эта характеристика определяет срок службы железобетонных конструкций.

Исследования в области материаловедения являются одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета, наряду с цифровой индустрией и экологией.

ЮУрГУ – участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.