Долговечность цементных бетонов в свете перехода на европейские стандарты

УДК 691.32

Л.В. ЯНКОВСКИЙ, канд. техн. наук (yanekperm@yandex.ru),

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Долговечность цементных бетонов в свете перехода на европейские стандарты

Эффективность функционирования отрасли производства бетона и железобетона в значительной мере определяет уровень всей промышленности стройматериалов. На смену техническому прогрессу мировое сообщество выдвинуло концепцию устойчивого развития современной цивилизации, учитывающую интересы грядущих поколений. В этих условиях материалам и технологиям в области строительства должны быть присущи все признаки пятого технологического уклада в мировом развитии, который уже утвердился в развитых странах. Бетон и железобетон как строительные материалы в наибольшей степени отвечают критериям устойчивого развития, главным из которых является применение долговечных бетонов, требующих в процессе эксплуатации минимальных затрат на ремонт. Поэтому обеспечение долговечности бетонов, предназначенных для использования при строительстве долговременных сооружений (тоннели, мосты, различного типа подземные сооружения, метрополитены, цементно-бетонные покрытия автомобильных дорог и т. п.), стало основной проблемой, решаемой при проектировании и строительстве.

В России наметился новый крупный сектор экономики, в котором будет применяться в больших масштабах цементобетон — это автомобильные дороги, строительство которых не будет дешеветь, но снизятся затраты на их содержание.

По заявлению многих ученых и производителей битума, из-за более глубокой переработки нефти в России скоро появится дефицит хорошего битума. Этот факт и устаревшие стандарты строительства, применяемые в настоящее время к российским дорогам, а также потепление климата приводят к тому, что их необходимо ремонтировать после каждой зимы. Это значительно повышает стоимость содержания автомобильных дорог. Если в ближайшие годы не улучшится качество отечественного битума, Россия откажется от асфальтобетонных дорог в пользу цементобетонных: уже сейчас проектов по строительству цементных дорог становится все больше. Всемирный банк в марте 2011 г. опубликовал доклад, посвященный экономике Российской Федерации, в котором уровень затрат на содержание и капитальный ремонт дорог был назван чрезвычайно высоким. Например, согласно данным экспертов годовые затраты на ремонт отечественных автомобильных дорог в пересчете на 1 км составляют от $27 до 55 тыс., что значительно превышает аналогичные затраты во многих странах мира.

В противовес жесткие дорожные покрытия, изготовленные по современным технологиям, выгодно отличаются в лучшую сторону: обеспечивается хорошее сцепление колеса с дорогой при любой температуре и влажности; нет колеи, волн и гребенки; в жару покрытие не размягчается, в стужу не трещит; небольшие швы, выполненные без сколов и просадок, заполненные качественной мастикой, не шумят.

Эти качества цементобетон сохраняет при соответствующем уходе в течение 25 лет (регламентируется в нормативах), но специалисты считают данный срок заниженным. Долговечность цементобетона может достигать 50 и более лет, правда, лишь при высоком качестве строительства и нормальной эксплуатации.

В технической литературе достаточно широко представлены многочисленные случаи преждевременного

разрушения по разным причинам бетонов различных сооружений, как правило, построенных в течение последних 30—40 лет. Установлено, что в настоящее время скорость разрушения бетонных сооружений выше, чем в прошлом.

Среди наиболее быстро повреждаемых сооружений можно выделить железобетонные мосты, скорость разрушения которых на 50% превышает скорость разрушения прочих объектов; путепроводы, подземные переходы и переходы над железнодорожными путями, коммунальные тоннели и каналы, очистные сооружения, коллекторы сточных вод, проходные тоннели с линиями электроснабжения, связи, холодного и горячего водоснабжения; подземные сооружения типа подвалов; фундаментные сооружения и т. п. Недостаточная долговечность выявлена у цементобетонных дорожных покрытий, железобетонных шпал, сборных железобетонных лотков ирригационных каналов, подпорных стен, цементобетонных силосов и т. д.

Определенное место вопросы долговечности заняли в научных исследованиях. Непосредственно долговечность изучалась в 19% всех исследований за период 1965—2000 гг., а с учетом свойств, имеющих отношения к долговечности бетона, — более 60%. Нарастание интенсивности исследований по изучению стойкости цементных бетонов, эксплуатирующихся в различных средах, объясняется прежде всего экономическими причинами. Объем уже построенных и эксплуатирующихся в условиях воздействия внешней среды, в том числе климата, сооружений велик и растет с каждым годом, соответственно растет и объем ремонтных и восстановительных работ, требующих вложения значительных средств.

Среди специалистов, занимающихся изучением свойств строительных материалов, возникает осознание того, что долговечность конструкций, выполненных с использованием этих материалов, не менее важная характеристика, чем их несущая способность. Одним из аспектов этой проблемы является необходимость совершенствования нормативной базы, стимулирующей получение высококачественного бетона, что определяет, в свою очередь, заданную долговечность возводимых сооружений. Отсюда вытекает особая значимость технического нормирования в этой области и проблема гармонизации имеющейся в РФ нормативной документации по цементным бетонам с европейскими.

Одним из элементов процесса объединения развитых европейских стран в Европейский союз является создание единой (гармонизированной) системы евростандар-тов — евронорм (EN), обязательных для применения во всех странах — членах Союза. Для разработки евростан-дартов и координации работ в этой области был создан Европейский комитет по стандартизации — CEN (European Committee for Standardization) в составе многочисленных технических комитетов. После ратификации CEN каждый национальный орган по стандартизации принимает европейский стандарт в качестве национального стандарта и отменяет все национальные стандарты, которые вступают в противоречие с новым европейским стандартом. Таким образом, Европейский стандарт становится национальным стандартом. Члены CEN по положению обязаны создать условия для применения в своих странах стандартов CEN как национальных [1].

16

январь 2012

jVJ

Таблица 2

Таблица 1

Составляющие клинкера Содержание в цементе составляющих клинкера, % по странам

Становление цементной промышленности Англия США Дания

1900-1910 1950-1960 1950-1960 1956 1958 1978

C3S 25 32-53 33-50 46 50-60 55-60

C2S 45 15-48 22-36 31 20-28 18-22

C3A 17 7-15 8-14 10 8-10 8-9

C4AF 13 7-11 7-9 6 5-7 8-9

Примечание. В России в 1962 г. содержание в цементах C3S составило 60-65%; C2S - 11-26%; C3A - 9-12% и C4AF - 9-15%, а в 2008 г. составило C3S - 60-64%; C2S - 11-14%; C3A - 7,5-9% и C4AF - 9-12%.

Вид заполнителя Крупность зерен, мм

Россия Германия Франция Австралия США Япония Венгрия

Мелкий 0-5 0-3 0-7 0-5 0-3 0-5 0-7

Средний 5-10 3-12 7-15 5-10 3-7 5-20 7-15

Крупный >10 12-15 15-25 10-19 7-20 - 15-30

Примечание. В Японии осуществлен переход на фракцию мелкого заполнителя 0-3.

Национальная организация по стандартизации РФ является «приглашенным членом» CEN, и на нее распространяются все вышеприведенные ограничения. В соответствии с положением CEN Национальная организация по стандартизации РФ может принять европейские стандарты в качестве национальных, отменить все национальные стандарты, которые вступают в противоречие с новым европейскими стандартами, опубликовать европейские стандарты на русском языке, получив предварительно одобрение Секретариата CEN. Это было сделано в Белоруссии [2] с 641 государственным стандартом (СТБ EN, СТБ ISO, СТБ ENV, СТБ EN ISO, СТБ CEN\TS), идентичным европейским стандартам, взаимосвязанным с Директивой 89/106/ЕЭС. К документу, введенному в действие, можно добавить свой национальный титульный лист, национальное предисловие и национальное приложение.

Евростандарт EN 206 «Бетоны» содержит требования к бетону, производимому на стройплощадке, на заводах товарного бетона, на заводах сборного железобетона и предназначенным для изготовления монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе с предварительным натяжением арматуры, и им следует пользоваться совместно со стандартами на исходные материалы и методы их испытаний.

Стандарт EN 206-1 «Бетон. Общие технические требования, производство и контроль качества» предназначен для применения в европейских странах с различными климатическими и географическими условиями, различными традициями и опытом строительства, поэтому некоторые главы стандарта содержат разрешение на применение национальных территориальных норм. Он разработан основываясь на опыте проектирования, изготовления и эксплуатации цементных бетонов на основе исходных материалов и методов испытаний, принятых в европейских странах. Методологические подходы к испытаниям материалов и бетонов в РФ существенно отличаются от принятых в европейских стандартах [3].

Исходные материалы и соответственно полученные на их основе цементные бетоны, производимые в РФ, существенно отличаются от европейских. Минералогический состав цемента в различных странах представлен в табл. 1. Анализ этих данных показывает, что цемент, производимый в РФ, отличается от произведенного в других странах; имеет место существенное увеличение содержания в це-

ментах CзS за счет уменьшения C2S. Возможно, это является одной из причин снижения долговременной прочности или снижения темпов роста прочности бетона во времени.

Имеются различия в традиционно существующих и используемых на практике в различных странах размерах заполнителя, представленных в табл. 2. Классификация заполнителя по размерам в РФ не соответствует принятым в ряде других стран, что делает сомнительным использование рекомендаций в РФ стандарта EN 206-1 в части, касающейся методов подбора составов цементобетонных смесей.

Отдельные понятия и термины, используемые в РФ, существенно отличаются от применяемых в европейских стандартах.

В стандарте EN 206-1 под обычным бетоном понимается бетон с плотностью от 2100 до 2600 кг/м3; тяжелый бетон должен иметь плотность выше 2600 кг/м3 (по СП 52-101-2003, СП 52-00-2011 и СП 27.13330.2011 тяжелый бетон должен иметь плотность от 2200 кг/м3 до 2500 кг/м3 включительно, бетон особо тяжелый — плотность свыше 2500 кг/м3), легкий — 800—2100 кг/м3 (по отечественным НД — 800—2000 кг/м3).

К высокопрочным бетонам относятся бетоны класса выше С67. Максимальный класс бетона, указанный в стандарте EN 206-1:

— для тяжелого — С115 (в РФ по СП 52-101—2003 — В60,

СНиП 52-01—2003 — В120, проекту СНиП 2011 г. — В100),

— для легкого — С88 (в РФ по проекту СНиП 2011 г. — В40).

Требования к бетону, как это предписывает стандарт,

должны назначаться для обеспечения срока надежной эксплуатации конструкции или сооружения в течение не менее 50 лет. При этом предполагается, что бетон тщательно уложен и уплотнен, обеспечены необходимые условия для набора прочности материала с учетом погодных условий и сооружение эксплуатируется в той же окружающей среде, для которой были подобраны характеристики бетона.

Стандарт EN 206-1 содержит рекомендации по учету воздействия на бетон шести различных сред эксплуатации, и только одна не считается агрессивной. Остальные пять имеют три или четыре градации по степени увеличения агрессивности, или, если можно так выразиться, суровости эксплуатации. Возможность изменения условий эксплуатации во времени не учитывается. В качестве основного критерия обеспечения стойкости в этих условиях принята прочность. Соответственно рекомен-

январь 2012

17

дуемые прочности бетона для этих сред колеблются от С25 (опасность карбонизации) до С45 (морская вода, химическая агрессия). При действии замораживания-оттаивания минимальный класс по прочности на сжатие рекомендуется СЗ0 [4].

По мнению отечественных ученых, одним из важных показателей долговечности является морозостойкость бетона. Более полувека морозостойкость бетона оценивалась в РФ по ГОСТ 10060, предусматривающему сотни циклов длительных испытаний бетона в лабораторных морозильных камерах и затем перенесение результатов испытаний на реальные строительные конструкции. СНиП 52-01-2003, как и предыдущий СНиП 2.03.01 «Железобетонные и бетонные конструкции. Основные положения», содержит семь марок по морозостойкости в циклах замораживание-оттаивание для тяжелого (в терминологии EN 206-1 обычного) бетона. EN 206-1 такой классификации по морозостойкости в циклах не приводит, имея в виду, что если бетон проектируется как морозостойкий для заданной среды эксплуатации, то число циклов не должно иметь какого-либо значения. Европейские нормы содержат иное решение этой проблемы, предусматривающее перечень технологических требований, обеспечивающих морозостойкость бетона. Иными словами, в EN 206-1 указаны пути обеспечения морозостойкости и водонепроницаемости бетона через выполнение технологических требований, при соблюдении которых обеспечивается долговечность бетона конструкций [4]. В стандарте имеется 10 приложений, среди которых рекомендации по первичным подборам составов, по обеспечению долговечности бетона на стадии приготовления в зависимости от сред эксплуатации и др.

В процессе разработки стандарта EN 206-1 были рассмотрены возможности включения в него положений, касающихся обеспечения долговечности бетона на базе данных поведения бетонных и железобетонных конструкций в процессе эксплуатации. Однако комитетом СЕ^ТК 104 было отмечено, что этот подход пока еще не достаточно разработан, чтобы быть приведенным в стандарте в виде конкретных рекомендаций. В то же время было признано, что в ряде стран имеются значимые достижения в этом направлении в части учета местных условий эксплуатации. Поэтому предполагается продолжение исследований и накопление данных, имея в виду в перспективе обобщение результатов и формулирование рекомендаций на уровне стандарта.

В системе международной организации С1В-ШХЕМ разработана и действует система проектирования зданий и сооружений с учетом требуемой долговечности и условий эксплуатации. Одним из первых и важных моментов в этом является создание нормативного документа, определяющего проектный срок службы данного здания или сооружения, например 10, 20, 50, 100 лет. Наличие заданного срока эксплуатации позволяет обоснованно выбирать материал изделия, назначать первичную или вторичную защиту, сроки межремонтного периода и т. п., то есть понятие долговечности приобретает количественное расчетное значение.

По СНиП 52-01-2003 предусмотрен «Расчет бетонных и железобетонных конструкций по долговечности», который исходя из расчетов по предельным состояниям первой и второй групп следует производить из условия, по которому при заданных характеристиках конструкции (размерах, количестве арматуры и других характеристиках), показателях качества бетона (прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости, температуростойкости и других показателях) и арматуры (прочности, коррозионной стойкости и других показателях) с учетом влияния окружающей среды продолжительность межремонтного периода и срока службы конструкций здания или сооружения должна

быть не менее установленной для конкретных типов зданий и сооружений. Однако метод такого расчета до сего времени не разработан, рекомендации по назначению исходных материалов для бетона в связи с долговечностью его в сооружениях или конструкциях отсутствует. Моделирование изменения состояния бетонов в условиях воздействия реальных сред эксплуатации, которое является ключом к созданию методов прогнозирования долговечности бетона и соответственно к управлению этой долговечностью, как в стандарте EN 206-1, так и в действующих отечественных нормах не представлено.

Таким образом, между отечественными и зарубежными методами испытаний, требованиями к исходным материалам и бетону существуют значительные отличия, что и предопределило существование до сих пор в строительстве перечня обязательных к применению СНиПов и ГОСТов, что идет вразрез с новым подходом ЕС, Директиве 89/106 ЕЕС по строительной продукции. Обязательные к применению документы в области стандартизации делают невозможной реализацию в строительстве внесенных в конце 2009 г. в Федеральный закон «О техническом регулировании» беспрецедентных по значимости поправок, предусматривающих прямое применение в России международных и европейских стандартов после предварительной процедуры их регистрации в Федеральном информационном фонде технических регламентов и стандартов [5].

Одномоментный отказ от российских стандартов и строительных норм и правил, как это сделано в Белоруссии, на территории РФ затруднен. Необходим переходный период (как это сделано в Казахстане, там установлен переходный период до 2015 г.), на протяжении которого строители и проектировщики вправе будут выбирать, применять им в целях обеспечения основных требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» отечественную нормативную базу либо евростандарты, принятые в статусе национальных.

Прямое применение европейских стандартов повлечет за собой переработку основной НД по технологии бетона; необходимость оснащения лабораторий соответствующими приборами и оборудованием зарубежного производства; обучение и переобучение испытателей и инженеров, изменение системы подготовки кадров.

Ключевые слова: долговечность, цементный бетон, евростандарты, еврокоды, техническое регулирование.

Список литературы

1. Волков Ю. Евростандарт на бетон введен в действие // Бетон и железобетон. 2004. № 2. С. 28-29.

2. Пастушков Т.П., Пастушков В.Г. О переходе на европейские нормы проектирования мостовых конструкций в Республике Беларусь // Охрана окружающей среды. Транспорт. Безопасность жизнедеятельности: Вестник ПГТУ. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. № 2. С. 113-121.

3. Юмашев В.М., Матросов А.А., Панфилов Ф.В., Афонина И.А. Близкие результаты. Сопоставление отечественных и европейских стандартов на методы испытаний каменных материалов // Автомобильные дороги. 2010. № 6. С. 56-57.

4. Семченков А.С., Залесов А.С., Розенталь Н.К. и др. Нормирование по бетону и железобетонным конструкциям. Части 1 и 2 // Строительный эксперт. № 23 (282). № 24 (283). 2008. С. 7. С. 8.

5. Кокодеева Н.Е., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Методические подходы реализации принципов технического регулирования в дорожном хозяйстве // Охрана окружающей среды. Транспорт. Безопасность жизнедеятельности: Вестник ПГТУ. 2011. № 1. С. 44-56.

18

январь 2012