Как уже отмечалось, при соблюдении всех требований по составу бетона и его уплотнению по толщине стенки опор образуется несколько слоев, отличающихся текстурой и плотностью бетона. Однако в ряде случаев из-за применения цементов с высоким коэффициентом нормальной густоты теста, а также в связи с большим содержанием добавок по толщине стенки при центрифугировании образуются два жестко соединенных между собой слоя. На внешней поверхности опор, как обычно, образуется слой бетона высокой плотности и нормальной текстуры. На внутренней поверхности формируется слой мелкозернистого бетона (раствора), обладающего низкой плотностью, высокой пористостью и ярко выраженной, направленной перпендикулярно к внутренней поверхности стенки капиллярной системой. При этом необходимо отметить также, что в процессе термообработки опор и вследствие высыхания бетона через внутреннюю поверхность, создающего неравномерное распределение влаги и значительные усадочные напряжения, во внутреннем слое образуется также значительный объем микротрещин.
Высокая пористость и насыщенность микротрещинами внутреннего слоя бетона благоприятствуют интенсивному впитыванию и миграции воды, которая при отрицательных температурах замерзает. Основным источником увлажнения этого слоя является конденсирующаяся внутри опор влага. Образование этой влаги на внутренней поверхности опор обусловлено тем, что температура этой поверхности оказывается ниже температуры насыщения пара при его парциальном давлении в воздухе. Как показывают наблюдения, конденсация парообразной влаги внутри опоры может происходить в разные периоды года, но наиболее интенсивно она проявляется в осенний период, когда имеют место значительные колебания суточных температур с переходом их через ноль. Особенно часто такие переходы наблюдаются в горных местностях, по которым проходит железная дорога. В этот период процессы конденсации преобладают над процессами испарения при повышении температуры, вследствие чего создаются благоприятные условия для полного насыщения бетона влагой.
Процесс конденсации влаги наблюдается во всех опорах, но особенно отчетливо он проявляется у тех опор, которые фундаментной частью находятся в воде, так как в этом случае объем испарившейся и соответственно сконденсировавшейся влаги наибольший.
Детальное изучение конденсации влаги внутри опор выявило ряд особенностей этого процесса. Наиболее важной из этих особенностей является то, что конденсация влаги может происходить не по всей вну-
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
-777 |
тренней поверхности, а начинаться на отдельном ее участке, а затем распространяться на всю оставшуюся поверхность. Второй важной особенностью процесса конденсации является возможная ориентация участков конденсации влаги внутри опор. Это вызвано тем, что опоры в подавляющем своем числе подвергаются солнечной радиации, под влиянием которой возникает неравномерное распределение температур по периметру -сильнее нагревается южная сторона опор и значительно слабее северная. Это приводит к тому, что при понижении температуры окружающего воздуха температура насыщения пара при парциальном давлении быстрее достигается на северной стороне опор, чем на южной. В силу этого первичный участок или полоса конденсации влаги внутри опоры располагается с ее северной стороны. Такое распределение конденсирующейся влаги по внутренней поверхности опор наблюдалось, в частности, в горном районе озера Байкал при электрификации участка Слюдянка — Улан-Удэ (рис. 3.12). При этом необходимо отметить, что конденсация влаги на нижнем участке опор происходит по всему их внутреннему периметру. Такой же характер конденсация влаги имеет при расположении опор в затемненных местах, в районах со слабой солнечной радиацией, не оказывающей существенного влияния на температурный режим опор и достижение температуры насыщения пара.
Конденсирующаяся внутри опор влага наиболее характерна как источник увлажнения для опор, не имеющих вентиляции внутренней полости. При наличии вентиляции внутренней полости конденсация влаги в ней носит эпизодический характер, и бетон внутренних слоев практически не увлажняется. При этом может сказаться капиллярная конденсация в микротрещинах, возникающих при жестких режимах термообработки бетона опор. Необходимо учитывать также возможность увлажнения нижней части опор капиллярной влагой, поступающей из подземной части опор. Высота поднятия влаги при отсутствии внешнего гидроизоляционного покрытия при этом составляет порядка 15 - 20 см. При наличии гидроизоляционного покрытия на наружной поверхности высота капиллярного поднятия значительно увеличивается и составля-
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
ет 0,8 — 1 м. Поэтому для ограничения капиллярного поднятия влаги в опорах нецелесообразно нанесение гидроизоляционных покрытий на высоту более 0,5 — 0,7 м.
Сконденсировавшаяся на внутренней поверхности опор влага впитывается, как упоминалось, внутренним слоем бетона. Скорость впитывания и степень водонасыщения бетона при высокой его пористости и внутреннем структурном разрыхлении оказываются весьма высокими. В частности, в опытах, проведенных на растворных образцах, имевших пористость, близкую к пористости бетона внутреннего слоя опор, было установлено, что при контакте этих образцов с влажной тканью раствор в течение двух часов приобретал влажность, составляющую около 98% предельного значения влажности, получаемой при водном хранении образцов. Одновременно следует отметить, что если бетон внутренних слоев имеет высокую плотность, то сконденсировавшаяся влага тонкой пленкой стекает вниз по стенке, а увлажнение бетона происходит на весьма малую глубину. Этому способствует также тонкий слой цементного камня, образующегося на внутренней поверхности опор при центрифугировании и играющего роль гидроизоляции. Во многом этим, в частности, объясняется отсутствие значительных повреждений и существенного снижения прочности бетона основной массы опор.
Увлажненный конденсированной и капилляр-ной влагой бетон внутреннего слоя опор при замерзании и дальнейшем понижении темпе-ратуры испытывает деформации, величина которых зависит от пористости и количества поглощенной воды. Установ-лено, что эти деформации нельзя описать с помощью неко-торого усредненного коэффи-циента линейного температур-ного расширения. Для оценки деформаций необходимо использовать дилатометрические кривые, построенные в координатах относительное удлинение — температура. На основании ряда исследований [21] показано, что для пористого увлажненного
бетона и раствора дилатомет-
рические кривые имеют ряд
общих признаков, состоящих
в том что
Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор
эти кривые в области отрицательных температур имеют обычно два максимума. При охлаждении водонасыщенных бетонных или растворных образцов до температуры от —5 до —8 °С деформация сокращения исче-зает и наблюдается скачкообразное удлинение образцов, вызванное пере-ходом воды в лед в крупных порах. Дальнейшее охлаж-дение примерно до - 28 °С вызывает термическое сокращение длины образцов. При более низких темпе-ратурах снова наблюдается удлинение образцов, вызван-ное замерзанием воды в мелких порах, заканчиваю-щеееся вторым максимумом в интервале температур от - 40 до - 50 °С. Дальнейшее глубокое охлаждение образцов сопровождается их термическим укорочением (рис. 3.13). При неполном заполнении пор деформаций расширения не наблюдается вплоть до температуры - 40 °С и только после этого могут наблюдаться небольшие деформации расширения. Но даже такие деформации в условиях сурового климата создают дополнительные воздействия на структуру бетона. Необходимо отметить также, что при оттаивании образцов после их глубокого охлаждения ход деформаций образцов не совпадает с кривыми хода деформаций при охлаждении. При оттаивании появляются дополнительные деформации расширения, которые могут усилить воздействие отрицательных температур на бетон (рис. 3.14).