Истираемость бетона

Истираемость бетона

Истираемость бетона — это способность материала изменяться по массе или объёму под действием истирающих усилий, возникающих при трении, ударе или скольжении твёрдых частиц по поверхности. Данное свойство является критическим показателем долговечности для дорожных и аэродромных покрытий, промышленных полов, лестничных маршей, гидротехнических сооружений и других конструкций, подвергающихся механическому износу в процессе эксплуатации. Истираемость бетона зависит от его прочности, структуры, вида применяемых материалов и условий твердения, а также тесно связана с другими характеристиками долговечности, такими как морозостойкость и водонепроницаемость.

Физическая сущность процесса истирания

Истирание бетона представляет собой сложный процесс разрушения поверхностного слоя, который включает в себя несколько механизмов: микрорезание, царапание, вырывание отдельных зёрен заполнителя и фрагментов цементного камня, а также усталостное разрушение при многократных нагрузках. Согласно молекулярно-механической теории трения и износа, развитой И.В. Карагельским, износ осуществляется через дискретный контакт поверхностей, причём при наличии прослойки жидкости между трущимися телами (что характерно для эксплуатации бетона в условиях естественной влажности) процесс износа значительно интенсифицируется. Жидкая прослойка, играющая роль так называемого «третьего тела», изменяет молекулярную составляющую трения и способствует более интенсивному разрушению поверхности.

При эксплуатации цементобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов истиранию подвергается в первую очередь верхний слой, который часто находится в увлажнённом или переувлажнённом состоянии. Это облегчает проникновение агрессивных жидких сред (в том числе растворов противогололёдных реагентов) в основной массив бетона, что приводит к послойному разрушению материала. При этом снижается не только прочность или морозостойкость, но, прежде всего, износостойкость, критерием оценки которой является истираемость.

Факторы, влияющие на истираемость бетона

Состав и свойства материалов

На сопротивление бетона истиранию влияют все компоненты бетонной смеси. Исследования показывают, что плотные и прочные горные породы, такие как гранит или сиенит, истираются медленно: их истираемость не превышает 0,028–0,053 г/см² по ГОСТ 13087. Мраморовидный известняк демонстрирует более высокую истираемость — до 0,063 г/см².

Цементный камень, твердевший в воздушно-сухих условиях без надлежащего ухода, характеризуется значительной неоднородностью структуры по глубине. Верхний (открытый) слой цементного камня, из которого происходило испарение влаги, оказывается разрыхлённым. Установлено, что истираемость незащищённой верхней грани может превышать истираемость нижней грани в 4–6 раз, что свидетельствует о наличии разрыхлённой зоны толщиной около 0,2 мм от поверхности.

Для цементно-песчаного раствора характерна следующая закономерность: с уменьшением содержания цемента истираемость возрастает. В растворах с высоким расходом цемента (500–900 кг/м³) истираемость нижней (защищённой) грани изменяется незначительно (0,176–0,205 г/см²), что обусловлено истираемостью прочного цементного камня и контактной зоны «цементный камень — заполнитель». При снижении расхода цемента до 400 кг/м³ и менее истираемость резко увеличивается из-за снижения прочности контактной зоны.

Технологические факторы

Существенное влияние на истираемость оказывают условия твердения бетона. Ненадлежащий уход (отсутствие влажности, высокая температура, ветер) приводит к интенсивному испарению влаги и, как следствие, к разрыхлению структуры поверхностного слоя. Исследования показывают, что бетоны, твердевшие в воздушно-сухих условиях, имеют истираемость верхней грани в 1,6–2,2 раза выше, чем бетоны, твердевшие под влажной тканью или плёнкой.

С увеличением расхода цемента с 250 до 450 кг/м³ наблюдается разнонаправленное изменение истираемости: для нижней (защищённой) грани она снижается с 0,332 до 0,221 г/см², а для верхней (открытой), наоборот, возрастает с 0,425 до 1,521 г/см². Это объясняется тем, что при высоком расходе цемента усиливаются усадочные и контракционные явления, ускоряются процессы влагопотерь, что приводит к формированию более пористой макроструктуры бетона в поверхностном слое.

Влажностное состояние

Испытания в сухом и водонасыщенном состоянии показывают, что увлажнение образцов приводит к значительному (в 1,5–2 раза) увеличению истираемости. Для верхних граней эта разница выражена сильнее, чем для нижних. Это связано с тем, что вода, выступая в роли смазки и одновременно агента, ослабляющего связи в структуре бетона (эффект размягчения), облегчает выкрашивание частиц с поверхности.

Взаимосвязь истираемости и морозостойкости

Исследования, проведённые на бетонах с различным расходом цемента (250, 400 и 550 кг/м³), выявили чёткую корреляцию между истираемостью и морозостойкостью. При увеличении степени предварительного истирания верхнего слоя бетона (имитации износа в процессе эксплуатации) его морозостойкость закономерно снижается.

Для бетона с расходом цемента 250 кг/м³, не подвергавшегося истиранию, марка по морозостойкости соответствовала F300. После истирания до уровня 0,3 г/см² морозостойкость снизилась до F150, а при истирании до 0,75 г/см² бетон полностью потерял устойчивость к циклическому замораживанию-оттаиванию в солевой среде. При дальнейшем истирании (до 1,2 г/см²) морозостойкость вновь несколько возрастала (до F150), что объясняется удалением наиболее дефектного поверхностного слоя и обнажением более плотной структуры.

Для бетона с высоким расходом цемента (550 кг/м³) характерна низкая исходная морозостойкость из-за развитой макропористости, обусловленной контракционными явлениями. Истирание верхнего слоя в этом случае не приводит к улучшению свойств, так как дефектная структура распространяется на большую глубину.

Установлено, что критическое значение истираемости, после которого начинается необратимое снижение физико-механических показателей бетона при совместном действии знакопеременных температур и истирающих нагрузок, находится в диапазоне 0,6–0,7 г/см². В действующих нормативных документах эти величины отсутствуют, что требует дальнейшего совершенствования подходов к нормированию.

Методы определения истираемости

Согласно ГОСТ 13087-2018, истираемость бетона определяют двумя основными методами: на круге истирания и в барабане истирания.

Испытание на круге истирания (метод ЛКИ)

Метод предназначен для бетонов дорожных конструкций, полов, лестниц. Испытание проводят на образцах-кубах с ребром 70 мм или цилиндрах диаметром и высотой 70 мм. Образец устанавливают в гнездо круга истирания (типа ЛКИ-3 или Беме) и нагружают вертикальной нагрузкой, создающей давление (60 ± 1) кПа. Истирание производится чугунным диском с применением шлифовального порошка зернистостью F80 (или другого абразива с переводным коэффициентом). Стандартное испытание включает четыре цикла по 150 м пути истирания (общий путь — 600 м), с поворотом образца на 90° после каждого цикла.

Истираемость бетона G_i, г/см², вычисляют по формуле: [math]\displaystyle{ G_i = \frac{m_1 - m_2}{F} }[/math] где m₁ — масса образца до испытания, г; m₂ — масса образца после испытания, г; F — площадь истираемой грани, см².

Потеря массы образца нормируется марками: G1 (до 0,7 г/см²), G2 (до 0,8 г/см²), G3 (до 0,9 г/см²). Альтернативным показателем является уменьшение высоты образца ΔI, по которому устанавливают марки от A22 до A1,5.

Испытание в барабане истирания

Метод применяют для бетонов конструкций, транспортирующих жидкости с взвешенными абразивными частицами (например, гидротехнических сооружений). Испытание проводят на трубчатых образцах (наружный диаметр 300 мм, внутренний — 180 мм, длина 150 мм). Образцы помещают в барабан, заполненный водой с абразивом (10 % от массы воды), и подвергают воздействию вращающейся крыльчатки (1100 ± 50 мин⁻¹) в течение 30 ч (10 циклов по 3 ч). Результат выражают коэффициентом истираемости KG, кг/(м²·ч).

Особенности испытания образцов из конструкций

При отборе кернов из готовых конструкций испытанию следует подвергать грань, воспринимающую эксплуатационную нагрузку. Исследования показывают, что истираемость верхней (эксплуатационной) грани монолитных конструкций может в 2–2,5 раза превышать истираемость нижней грани лабораторных образцов из-за разрыхления поверхностного слоя при твердении в естественных условиях. Это необходимо учитывать при оценке реальной износостойкости конструкций.

Пути повышения износостойкости бетона

Для обеспечения высокой стойкости бетона к истиранию применяют комплекс мер, включающий:

• Использование заполнителей из изверженных горных пород (гранит, базальт, диабаз) с высокой твёрдостью.
• Оптимизацию зернового состава заполнителей для получения максимально плотной упаковки, что снижает интенсивность массообменных процессов и уменьшает разрыхлённость структуры.
• Снижение водоцементного отношения с применением эффективных пластификаторов и суперпластификаторов.
• Тщательный уход за свежеуложенным бетоном, предотвращающий испарение влаги и разрыхление поверхностного слоя.
• Введение в состав бетона фибры (стальной, полимерной), повышающей сопротивление истиранию и ударным нагрузкам.

В качестве мер «вторичной» защиты, особенно для дорожных покрытий, используются пропиточные составы на основе акриловых и эпоксидных смол, метилметакрилата, силиконовых композиций и гидрофобизаторов. Глубокая пропитка (на 3–5 мм) позволяет стабилизировать свойства поверхностного слоя и повысить его стойкость к совместному действию истирания и мороза.

Нормативные документы

• ГОСТ 13087-2018 «Бетоны. Методы определения истираемости».
• ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия».
• ГОСТ Р 70362-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Бетоны для устройства слоев оснований и покрытий. Технические требования».
• ГОСТ Р 70363-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Бетоны для устройства слоев оснований и покрытий. Методы испытаний».
• EN 13892-3:2004 «Методы испытаний материалов для стяжек. Часть 3. Определение износостойкости по Беме».

См. также

• Морозостойкость бетона
• Водонепроницаемость бетона
• Прочность бетона
• Дорожный бетон
• Гидротехнический бетон
• Уход за свежеуложенным бетоном
• Щебень гранитный

Литература

• Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г., Чугуненко А.Н., Гринченко Р.О. Взаимосвязь истираемости и морозостойкости дорожных бетонов // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. — 2005. — № 30. — С. 207-210.
• Толмачев, С. Н. Сравнительная оценка истираемости монолитного бетона и его компонентов / С. Н. Толмачев // Строительные материалы. — 2012. — № 12. — С. 11-13.
• Шейнин А.М., Эккель С.В. Причина долговечности // Строительная техника и технологии. — 2004. — №1(29). — С. 62–65.
• Баженов Ю.М. Технология бетона. — М.: Изд-во АСВ, 2002. — 500 с. — ISBN 5-93093-138-0.
• Невилль А.М. Свойства бетона / Пер. с англ. — М.: Издательство литературы по строительству, 1972. — 344 с.
• Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. Добавки в бетон: Справочное пособие / Под ред. В.С. Рамачандрана. — М.: Стройиздат, 1988. — 575 с. — ISBN 5-274-00208-0.
• Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Проектирование составов бетона с заданными свойствами. — Ровно: Издательство РГТУ, 1999. — 202 с.
• Шестоперов С.В. Долговечность бетона транспортных сооружений. — М.: Транспорт, 1966. — 500 с.