29 Июнь 2016

 

А.М. ПОДВАЛЬНЫЙ, д-р техн. наук, НИИЖБ

 

Практически вся территория России находится в климатической зоне, характеризуемой среднемесячной температурой января, равной и более низкой, чем -10оС. Огромное число бетонных и железобетонных конструкций и сооружений находится на открытом воздухе и подвергается увлажнению атмосферными осадками и циклическому замораживанию и оттаиванию, в результате которого бетон может претерпевать постепенное прогрессирующее разрушение. Поэтому обеспечение морозостойкости бетона, то есть сохранение им расчетных характеристик в течение срока службы, — проблема, имеющая большое практическое значение.

 

Решение ее возможно двумя различными путями, которые будем называть контрольным и технологическим.

 

Существо контрольного обеспечения морозостойкости, которое в течение длительного времени реализовывалось в отечественных нормах, заключается в том, что назначается марка бетона по морозостойкости, то есть число циклов стандартного испытания на замораживание и оттаивание, которое должен выдержать бетонный образец, не снизив прочность ниже нормированного значения. Затем подбирается состав (или несколько составов) бетона, который испытывается на морозостойкость в специальных морозильных камерах. Бетон, удовлетворяющий требованиям по морозостойкости, воспроизводится по составу на производстве, в идеале с применением тех же материалов, и укладывается в конструкцию. При этом предполагается, что бетон в конструкции оказывается идентичным лабораторному, что и обеспечивает заданный проектный срок службы конструкции или сооружения в конкретных эксплуатационных условиях.

 

Схема представляется на первый взгляд достаточно очевидной и логичной. Вначале она была регламентирована в ГОСТ 4795—49 и 4800—49 (59) [1, 2], а затем закреплена в ГОСТ 10060—62, который пересматривался в 1976, 1985 и 1995 гг. и действует в настоящее время [3].

 

Технологическая концепция строится на другом основании. Результаты интенсивных научно-исследовательских работ позволили сформулировать требования к составам и технологии бетона, которые обесспечивают получение бетона заданной высокой морозостойкости. Приготовление такого состава на производстве, обеспечение оптимальных условий его укладки и твердения позволяют изготовить конструкцию, бетон которой будет иметь необходимую морозостойкость.

 

Выбор одной из этих концепций — ответственная задача, от правильного решения которой зависит долговечность многих строительных объектов, возводимых в стране.

 

Для суждения об обоснованности контрольного обеспечения морозостойкости необходимо рассмотреть три его аспекта. Первый — достоверность оценки морозостойкости при лабораторных испытаниях; второй — вероятность корректного воспроизведения лабораторного состава в производственных условиях; третий — установление идентичности морозного воздействия и повреждения бетона в лабораторном образце и в эксплуатируемой конструкции.

 

В рамках журнальной статьи ограничимся кратким анализом и изложением этих аспектов.

 

В качестве конкретного примера будем использовать ГОСТ 10060, являющийся последовательной реализацией контрольного обеспечения морозостойкости.

1. Для суждения о морозостойкости бетона устанавливается критерий, по отношению к которому оценивается испытываемый состав. Этот критерий — фиксированная величина, в частности допустимое 5%-ное снижение прочности [3]. Прочность определяется на относительно малом числе образцов, например шести, что в несколько раз меньше, чем это требуют зависимости математической статистики [4]. В связи с высоким коэффициентом вариации прочности бетона как результаты отдельных определений прочности, так и их среднее значение — независимые случайные величины, подчиняющиеся некоторому распределению.

 

После прохождения циклов замораживания и оттаивания свойства бетона меняются — прочность его снижается, среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации прочности значительно увеличиваются. Вопрос о том, сохраняется ли при этом закон распределения, не исследован. Но в любом случае бетон, прошедший испытания, характеризуется уже другим распределением прочности. Сравнивая два распределения только по одной числовой характеристике — среднему арифметическому малого числа наблюдений, мы совершаем ошибку, значение которой нам неизвестно.

 

Поскольку число определений существенно меньше, чем необходимо для достоверной оценки, их среднее арифметическое может оказаться равным математическому ожиданию только случайно. Если оно окажется меньше математического ожидания, то есть мы занизим начальную прочность, возрастет вероятность признания бетона морозостойким. Если завысим — неморозостойким. Подобная же ситуация возникает при определении прочности бетона, прошедшего испытания. Сочетание неточных оценок приводит к результату, который может быть истинным только случайно.

 

На основании сравнения прочности бетона до и после испытания делается заключение о том, является ли бетон морозостойким или нет, то есть делается браковочный вывод по принципу да — нет. Такой критерий является детерминистическим. Среднее значение коэффициента вариации прочности бетона на различных предприятиях в зависимости от уровня их производственной культуры варьируется от 15 до 30% [5]. Нормами допускается его значение, равное 13,5 и 20% [6]. Следовательно, прочность бетона не детерминированная, а случайная величина. Бетоны одного и того же состава каждый раз будут показывать неодинаковую прочность.

 

Случайная величина характеризуется вероятностью события, то есть, оценивая морозостойкость по прочности, мы можем сказать, какова вероятность того, что данный бетон окажется морозостойким. Расчеты свидетельствуют о том, что, применяя в данном случае детерминистический критерий, можно получить абсурдный результат, когда признается морозостойким бетон, вероятность морозостойкости которого меньше 0,5. Заметим, что и марка бетона по морозостойкости, поскольку она является оценкой, функцией независимых случайных величин, то есть результатов определения прочности бетона, также является случайной величиной [7, стр. 452].

 

Бетон — объект вероятностной природы, и, используя другие характеристики, показатели его морозостойкости, например значение необратимого расширения в результате циклического замораживания, мы, как можно предположить, получим результаты, принципиально не отличающиеся от рассмотренных выше.

 

2. ГОСТ 10060—95, равно как и все предыдущие издания этого стандарта, никак не определяет и не нормирует условия, обеспечивающие воспроизведение в конструкции бетона, который испытывался на морозостойкость в лабораторных условиях. А возможность такого точного воспроизведения далеко не очевидна. Бетон передается на производство характеристикой его состава, то есть расходом компонентов на 1 м3 бетонной смеси. Бетонная конструкция изготавливается по последовательной многоэтапной технологии, включающей 10—12 следующих один за другим этапов. Известно, что подобного рода технологические процессы характеризуются низкой надежностью и высокой вероятностью брака [8].

 

Даже если предположить, что на производстве используются все время те же материалы, что и при приготовлении лабораторных образцов, что само по себе достаточно сомнительно, приемы дозирования, укладки и уплотнения бетона, условия твердения и т. п. имеют явные отличия.

 

Полагая, что вероятность отличия лабораторных условий от производственных на каждом этапе технологии составляет всего 5%, получаем в соответствии с теоремой умножения вероятностей, что вероятность воспроизведения на производстве лабораторного бетона составляет р = 0,9510 = 0,6. В этом случае для того чтобы получить в конструкции бетон, соответствующий по марке полученному в лаборатории, марка по морозостойкости лабораторного бетона должна быть повышена в 1,7 раза [9]. Нормы подобного требования не содержат. Это свидетельствует о существенных отличиях, имея в виду морозное сопротивление, лабораторного бетона от производственного, тем более что не известно ни одной экспериментальной работы, которая подтвердила бы их идентичность.

 

Отметим, что стандарт С666-84 ASTM [10] отрицает наличие какого-либо соответствия или связи между морозостойкостью лабораторных образцов и образцов, вырезанных из конструкции. Там же отмечается, что результаты лабораторных испытаний не могут служить количественной характеристикой ожидаемого срока службы бетона в конструкции или сооружении.

 

3. Главное отличие бетона в образце и в конструкции заключается в том, что бетон в конструкции находится в нагруженном, напряженном состоянии. Это различие может быть рассмотрено с двух точек зрения. Автором было установлено еще в 60-х годах прошлого века, что напряжения, превышающие 0,2—0,3Яр, значительно снижают морозостойкость, а не превышающие 0,5—0,6Rg — ее повышают. К сожалению, в свое время из этих фактов не были сделаны выводы, относящиеся к методологии обеспечения морозостойкости бетона в конструкциях.

 

Другой аспект проблемы заключается в следующем. Нагруженная бетонная или железобетонная конструкция характеризуется неоднородным напряженным состоянием. Это могут быть участки заанкеривания преднапряженной арматуры, сжатая и растянутая зона изгибаемых элементов, опорные части и др.

 

Представим морозное воздействие как однородное скалярное поле, одинаково действующее на все участки конструкции и вызывающее постепенное прогрессирующее снижение прочности бетона, идущее везде с одинаковой скоростью. Очевидно, что исчерпание прочности бетона, наступление предельного состояния по морозостойкости, произойдет быстрее, то есть в результате меньшего числа циклов замораживания в тех участках конструкции, напряженное состояние которых выше. Таким образом, конструкция, изготовленная из одного и того же бетона, будет иметь участки с различной морозостойкостью в зависимости от значения напряженного состояния, в котором находится бетон на этих участках. Испытание в лабораторных условиях не дает никакой информации об этой ситуации, поскольку морозостойкость образцов соответствует морозостойкости бетона тех участков конструкции, где он не нагружен.

 

Обычно термин «морозостойкость бетона» определяют, имея в виду его разрушение в образцах или даже безотносительно к условиям разрушения. В конструкции бетон разрушается по-иному. Мы можем определить морозостойкость бетона в конструкции как способность материала сопротивляться действию определенного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания без образования видимых трещин и нарушения первоначальных геометрических размеров и формы конструкции.

 

Введем модель, позволяющую оценить число циклов, которое выдерживает нагруженный бетон до наступления предельного состояния по морозостойкости. Будем считать, что процесс накопления повреждений в зрелом бетоне выражается зависимостью, отражающей прогрессирующее снижение прочности замораживаемого бетона [11]

Rn = R0(15p)n,

где Rn и R0 – прочность бетона после n циклов и начальная соответственно; р – вероятность повреждения или доля прочности, теряемой бетоном в каждом цикле.

 

Отсюда число циклов, которое выдерживает бетон до снижения прочности до Rn, равно:

06_1

где К – целая часть числа, стоящего в скобках.

Разложим функцию ln(1−р) в ряд [12]

06_2

Оценки показывают, что для различных бетонов и условий испытания значение р меняется в пределах 0,001–0,008. При малых значениях р ln(1−р) ≈ −р и формула (2) может быть переписана в виде

06_3

Предположим, что в некотором элементе конструкции бетон нагружен до относительного напряжения, равного o/R0. Когда в результате замораживания прочность бетона понизится до критического значения Rkp/Ro = o/R0, наступит предельное состояние по морозостойкости. Этому значению на основании (2) будет соответствовать некоторое число циклов n. Очевидно, что чем больше значение Rkp/Ro, тем через меньшее число циклов наступит предельное состояние, то есть окажется ниже морозостойкость бетона на этом участке конструкции. В таблице в качестве примера представлены значения n, вычисленные по формуле (2а).

Следовательно, морозостойкость бетона в конструкции существенным образом зависит от его напряженного состояния, что никак не моделируется при лабораторных испытаниях. Отметим, что аналогичная ситуация наблюдается и при других коррозионных процессах, приводящих к снижению прочности бетона.

Из изложенного выше следует, что основные компоненты, необходимые для корректного контрольного обеспечения морозостойкости, — фиксированный, детерминированный критерий оценки морозостойкости, точное воспроизведение в конструкции лабораторного состава, на котором проверялась морозостойкость, и идентичность условий воздействия неблагоприятной среды на лабораторный образец и на конструкцию — практически не реализуются, что ставит под серьезное сомнение правомерность концепции в целом.

 

Морозостойкость бетона, число циклов замораживания-оттаивания, n

Вероятность повреждения р Rкр/R0 = 0,3 Rкр/R0 = 0,45 Rкр/R0 = 0,6

0,001

1200

800

510

0,004

300

200

127

0,008

150

100

63

 

Обратим внимание еще на один — организационный аспект этой проблемы. Получив заключение о том, что данный состав бетона является морозостойким, изготовитель конструкции повторяет, воспроизводит его на производстве. И только за это несет ответственность. Поскольку после того, как бетон уложен, проверить его состав практически невозможно, контроль над ситуацией по существу отсутствует. Результаты проявляются через много лет, когда искать виноватых бессмысленно, а ответственность размыта между испытательной лабораторией и изготовителем конструкции, степень вины которых установить невозможно. Морозное разрушение принимается как факт, который никаких реальных последствий, кроме затрат на ремонт, не имеет.

 

Отметим также, что при контрольном подходе затруднено применение принципа создания в конструкции запаса долговечности или запаса морозостойкости, которые необходимы в связи с большим числом и случайным характером факторов, действующих на конструкцию, возможными непредсказуемыми нарушениями условий ее изготовления и т. п., которые не поддаются точной оценке и прогнозу.

 

Альтернативной концепцией является концепция технологического обеспечения морозостойкости.

 

Самое раннее предложение такого подхода, которое нам удалось найти, принадлежит известному исследователю морозостойкости бетона С.В. Шестоперову, который писал: «Для подбора составов бетона различной морозостойкости можно рекомендовать не применение методов лабораторных испытаний на многократное замораживание и оттаивание для каждого частного случая, а применение проверенных составов бетонов, прошедших длительные испытания при их исследовании» [13, c. 339]. Это предложение не имело никаких последствий и было обнаружено нами случайно.

 

В 1995 г. автор в научно-техническом отчете НИИЖБ «Разработать методы расчета долговечности бетона…» предложил таблицу, в которой для каждого из предложенных четырех классов бетона по морозостойкости были указаны требования к составам бетона, выполнение которых обеспечивает его морозостойкость в конкретных эксплуатационных условиях. Подход этот противоречил установившейся практике и не был реализован. В 2000 г. был утвержден европейский стандарт по бетону EN 206-1 [14], в котором устанавливались четыре класса бетона по морозостойкости и приводились соответствующие им требования к бетону, которые в значительной мере совпадали с требованиями, изложенными в упомянутом отчете. Иначе говоря, в европейских нормах принята не контрольная, а технологическая концепция обеспечения морозостойкости. Обобщающая таблица, комментарий к ней и обоснование требований к бетону, обеспечивающих его морозостойкость, содержатся в публикации [9]. Подход этот был затем поддержан в статье [15].

 

Из изложенного следует главный вывод. Как по содержательным основаниям, так и из соображений гармонизации отечественных норм с европейскими стандартами целесообразен переход от контрольной, традиционной для нашего строительства концепции обеспечения морозостойкости к ее технологическому обеспечению. Это повысит ответственность изготовителя и подрядчика [16] за качество продукции и, можно надеяться, увеличит безремонтный срок службы бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях морозной агрессии.

 

Список литературы

  1. ГОСТ 4795—49. Бетон гидротехнический. Определения, классификация, технические требования.
  2. ГОСТ 4800-49 (59). Бетон гидротехнический. Методы испытания бетона.
  3. ГОСТ 10060.0-95. Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования.
  4. Подвальный А.М. Об испытании бетона на морозостойкость // Бетон и железобетон. 1996. № 4. С. 26-29. № 5. С. 27-29.
  5. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. М., 1994. 288 с.
  6. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности.
  7. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М., 1988. 480 с.
  8. Свешников А.А. Сборник задач по теории вероятностей, математической статистике и теории случайных функций. М., 1970, 656 с.
  9. Подвальный А.М. Об оценке результатов коррозионных испытаний и марках бетона по морозостойкости // Бетон и железобетон. 2002. № 5. С. 26-30.
  10. ASTM, C666-84 Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Rawing.
  11. Васильев А.И., Бейвель А.С., Подвальный А.М. О выборе толщины защитного слоя мостовых конструкций // Бетон и железобетон. 2002. № 5. С. 25-27.
  12. Бронштейн И.Н., Семендяев К.АСправочник по математике. М., 1975. 608 с.
  13. Шестоперов С.В. Долговечность бетона. М., 1955. 398 с.
  14. EN 206-1. Concrete-Performance, production, conformity. 2000.
  15. Подмазова С.А. Технологические аспекты обеспечения морозостойкости // Бетон и железобетон. 2003. № 3. С. 28-29.
  16. Волков Ю.С. Евростандарт на бетон введен в действие // Строительный эксперт. 2004. № 1 (164).

 


Статья взята из журнала «Строительные материалы»