Долговечность Ductal®. Эксперимент на острове Трит, США.

Современная архитектура зданий все больше и больше требований предъявляет не только к эстетической составляющей, заключающейся в использовании натуральных материалов, но и к качеству применяемых материалов. Применение современных материалов позволяет совместить в себе два этих требования. На сегодняшний день в России одним из таких материалов является стеклофибробетон (GRC). Однако, редко кто из производителей стеклофибробетона дает гарантию на изделия больше, чем на 3-5 лет. Более того, для изделий из стеклофибробетона необходимо пост гарантийное обслуживание, например, проводить гидрофобизацию как минимум раз в два года. Когда же речь заходит о фасадных системах в высотном строительстве добавляется требование по долгосрочному периоду эксплуатационной пригодности при минимальном постгарантийном обслуживании. Очевидно, что для этого необходимо использовать качественные и долговечные материалы.

Компания LafargeHolcim как в Европе, так и по всему миру с успехом использует сверхвысокопрочный фибробетон Ductal® для создания изделий, которые полностью соответствуют предъявляемым требованиям. Несмотря на то, что материал достаточно новый (активно начал применяться только с начала 2000-х годов), существует уже достаточно большое количество экспериментальных данных, на основании которых можно с уверенностью утверждать, что СВФ Ductal® обладает исключительной долговечностью. В начале настоящей статьи будет приведен общий обзор результатов этих экспериментальных данных. Затем будет рассмотрен эксперимент, продолжающийся и по настоящее время, на острове Трит, США, который наглядно свидетельствует об исключительных свойствах СВФ Ductal® сопротивляться агрессивным внешним воздействиям.

СВФ Ductal® обладает очень низкой «несвязной» пористостью (см. рис.1).

1image001.jpg
Ductal® Х1000
Ductal®, несвязная пористость
image004.jpg
Обыкновенный бетон Х1000
Обыкновенный бетон, связная пористость
Рис.1.

Несвязанные поры не допускают проникновения агрессивной среды в тело бетона. Это увеличивает период его эксплуатации по сравнению с обыкновенными бетонами (см. рис.2)

img-one-year1.jpg
Рис.1.

Диаметр пор СВФ Ductal® на два порядка ниже по сравнению с обыкновенным бетоном (см. рис.3).

img-one-year2.jpg
Диаметр пор (нм)
Рис.3

СВФ Ductal® непроницаем для жидкостей, благодаря его низкой пористости и несвязной геометрии нанопор (см. Таблицу 1).

Таблица 1
Обыкновенный бетон HPC СВФ Ductal®
Открытая пористость в водной среде(%) 12-16 9-12 1,5-6
Кислородная проницаемость (м2) 10-15-10-16 10-17 <10-19
Коэффициент диффузии трития (м2/c) 2Х10-11 2Х10-12 2Х10-14
img-one-year3.jpg
Рис.4

Благодаря очень низкому водоцементному соотношению СВФ Ductal® богат негидратированными зернами клинкера. Таким образом, оставшийся клинкер может гидратироваться, если вода попадет в микротрещину, тем самым закрывая ее. Это так называемый эффект «самозалечивания», также свидетельствует об исключительной долговечности СВФ Ductal®.

СВФ Ductal® демонстрирует высокую стойкость даже в чрезвычайно суровых условиях, когда обычные бетоны могут получить серьезные повреждения. Испытания, проведенные на образцах Ductal®, показывают, что материал обладает высокой устойчивостью к различным видам агрессивного воздействия (сульфат кальция, сульфат натрия, уксусная кислота, сульфид аммония, нитраты, морская вода).

Приведенные выше результаты получены с использованием современных лабораторных тестов, позволяющих оценить срок службы материала. Уже почти 20 лет ведется эксперимент на острове Трит, США, позволяющий оценить поведение СВФ Ductal® под действием реальных суровых условий. Остановимся на этом эксперименте подробнее.

Начиная с 1995 года на острове Трит, штата Мэн, США на морской платформе были размещены три серии бетонных образцов (см. рис.5).

img-one-year4.jpg
Рис.5. Платформа на острове Трит, штат Мэн, США
image023.png
Рис.6. Количество и состав солей в морской воде

Условия окружающей среды для бетонных образцов очень неблагоприятны:

  • от 100 до 160 циклов замораживания/оттаивания в год;
  • одни из самых высоких в мире приливов – до 6.7 м;
  • 19,300×10^(-6) хлоридов (3.52% солёность, см. рис.6).
image025.png
Рис. 7. VHSC (USACE) – образцы, установленные в 1995

Первая серия образцов (см. рис.7) была изготовлена в лаборатории Инженерного корпуса армии США (USACE) в 1995 году с использованием местных материалов: песка, с максимальным размером частиц 4,75мм; стальных волокон с крючковым концом (30 мм х 0,5 мм). Изготовленные образцы относились к высокопрочным бетонам (VHSC). Четыре образца были исследованы в 2010 году (через 15 лет).

image027.png
Рис.8. RPC (USACE) – образцы, установленные в 1996

В 1996 году USACE также произвела образцы из сверхвысокопрочного бетона (см. рис.8), содержащие стальные арматурные стержни с защитным слоем 25, 19 и 10 мм (RPC). Для создания этих образцов использовался кварцевый песок с максимальным размером частиц 0,6 мм, металлические волокна (13 x 0,16 мм) и стальная арматура диаметром 12,7 мм. Две балки были исследованы в 2009 году (через 13 лет).

В 2004 году в Университете Нью-Брансуика (UNB), с использованием премикса Ductal®, были изготовлены шесть балок армированных стальными волокном (FM), и шесть балок, армированных полимерными волокнами (FO). Три балки из каждой серии были предварительно подвергнуты испытанию на изгиб до появления первой трещины. Четыре балки исследованы в 2009 году (через 5 лет).

Также в 2009 году в UNB с использованием премикса Ductal® были произведены цилиндры для определения коэффициента диффузии хлоридов согласно ASTM C 1556.

Все вышеуказанные образцы были протестированы в специализированных лабораториях на определение следующих характеристик:

  • прочность на сжатие и изгиб
  • модуль упругости
  • глубина проникновения хлорид-ионов
  • коррозионная активность (только для армированных балок RPC).

В таблице 21 приведены результаты испытаний на прочность кернов, вырезанных из образцов после морского воздействия, и образцов, хранившихся в лабораторных условиях в течение 28 дней.

Таблица 2
Результаты тестов до и после морского воздействия Период воздействия (год) Прочность (MПa)
    До После
Прочность на сжатие,RPC-USACE 13 214 2 160, 224
Прочность на сжатие, VHSC 15 1573 173, 188, 194, 183
*Прочность при изгибе, VHSC     21.7, 23.1, 19.9, 27.4
Прочность на сжатие, UNB-FM 5 209, 206 175, 192, 203, 256
Прочность на сжатие, UNB-FO 5 129, 121 119, 134, 123, 120
*Прочность при изгибе, UNB-FM 5 20.3 21.9
*Прочность при изгибе, UNB-FO 5 10.1 9.4
*Нагрузка в момент появления первой трещины      

Как видно из Таблицы 2, данные по прочности образцов после морского воздействия превышает прочность образцов хранившихся в лаборатории. В целом результаты показали, что не наблюдалось никакого регресса в механических свойствах из-за морского воздействия.

img-one-year5.jpg
Рис.9. Сравнение глубины проникновения хлорид-ионов в UHPC и HPC

Все бетоны продемонстрировали очень высокую стойкость к проникновению хлорид-ионов, что видно на рис. 9, где сравниваются сверхвысокопрочные бетоны UHPC (Ductal®) с высокопрочными бетонами HPC. Здесь же показан диапазон порога хлоридов Ct, который часто используется при моделировании срока службы (от 0,05 до 0,10% общего количества хлорида по массе бетона). Глубина проникновения хлорид-ионов для UHPC составила от 4 до 8 мм после 5–15 лет воздействия морской среды, тогда как для HPC это глубина колебалась от 17 до 23 мм через 12 лет.

img-one-year6.jpg
Рис.10. Сравнение глубины проникновения для UHPC и HPC

На рис. 10 показана пороговая глубина dc для Ct = 0,05 и 0,10%. Она определена в зависимости от возраста испытанного UHPC бетона, испытанного в исследовании4, и для HPC из исследования5. Также показана экстраполяция данных в предположении, что dt = k • √t. Как видно из рис.7 UHPC может обеспечить значительно большую защиту от коррозии стальной арматуры, чем обычные HPC.

Хотелось бы также отметить, что образцы были в отличном состоянии, без признаков каких-либо сколов, потери массы или возникновения новых трещин. Образцы, которые были повергнуты испытанию на изгиб и в которых были образованы трещины еще до испытания, все еще оставались неповрежденными. При этом трещины значительно не расширялись, имея максимальную ширину всего 2,5 мм. Это удивительный факт, поскольку предполагалось, что многократные циклы замораживания-оттаивания (приблизительно 500 за 5-летний период) должны были значительно расширить трещину. Более того было обнаружено, что даже для 10мм защитного слоя арматурных стержней сталь не подверглась коррозии и находится в первоначальном состоянии.

Выводы из эксперимента на острове Трит:

  • СВФ Ductal®, подверженный воздействию суровых морских условий (включая до 2000 циклов замерзания-оттаивания), не показал никаких признаков ухудшения в течение 10 - 20 лет;
  • проникновение хлорид-ионов в СВФ Ductal® ≤ 10 мм, что значительно меньше, чем у типичного высокопрочного бетона (HPC);
  • есть предположение, что проникновение хлорид-ионов в СВФ Ductal® может быть ограничено наружной толщиной в 10-15 мм;
  • коэффициент диффузии хлорид-ионов в СВФ Ductal®, по крайней мере, на один порядок меньше, чем у типичного высокопрочного бетона (HPC);
  • прогнозируемое время до коррозии указывает на то, что арматурные стержни будут защищены от коррозии в течение не менее 100 лет при условии, что глубина покрытия составит 25 мм;
  • «капиллярная пористость» СВФ Ductal® составляет 1%.

В заключении хотелось бы отметить, что долговечность сверхвысокопрочного фибробетона Ductal® может исчисляться сотнями лет. Многочисленные исследования, в том числе испытания в естественных условиях, подтверждают результаты испытаний, а также тот факт, что СВФ Ductal® не только сохраняет заданные свойства, но и позволяет улучшать эти свойства с течением времени. Этот факт безусловно обеспечит изделиям, выполненных из СВФ Ductal®, долгосрочный период эксплуатации. Более того, по этой же причине возможно значительное уменьшение как денежных затрат, так и человеческих ресурсов на постгарантийное обслуживание, в том числе и в фасадах высотных зданий.

Список литературы и источников:

  1. Thomas, M., et al., "Marine Performance of UHPC at Treat Island", HiPerMat, 3rd International Symposium on UHPC, Kassel, Germany, 2012.
  2. Campbell, R.L., O'Neil, E.F., Dowd, W.M. and Dauriac, C.E. Reactive Powder Concrete for Producing Sewer, Culvert, and Pressure Pipes. U.S. Corps of Engineers, Technical Report CPAR SL-98-3, 1998.
  3. O'Neil, E.F., Neeley, B.B. and Cargile, J.D. Tensile Properties of Very-High-Strength Concrete for Penetration-Resistant Structures. Shock and Vibration, 6, 1999, pp. 237-245.
  4. Thomas, M., et al., "Marine Performance of UHPC at Treat Island", HiPerMat, 3rd International Symposium on UHPC, Kassel, Germany, 2012.
  5. Thomas, M.D.A. and Bremner, T. Performance of Lightweight Aggregate Concrete after 25 Years in a Harsh Marine Environment. Cement and Concrete Research, 2011.