КРАСОВСКИЙ_УП

Окончание табл. 10.2

10.3. Криология бетона

10.3.1. Физические процессы в бетоне при снижении температур

В отличие от твердых и газообразных компонентов бетона вода при замерзании увеличивается в объеме. В связи с этим при замерзании монолитность, структура бетона могут нарушаться. И если процессы гидратации цемента, замедляющиеся и полностью прекращающиеся при замораживании бетона, при повышении температуры возобновляются, то структурные нарушения, как правило, необратимы.

Поэтому физические процессы, происходящие при замораживании и последующем оттаивании бетона, а также изменение его свойств в замороженном состоянии при различных температурах, т. е. криология бетона, в большинстве случаев являются основной причиной отрицательного действия мороза на бетон. Причем результат этого воздействия зависит прежде всего от количества воды в бетоне, переходящей в лед.

10.3.2. Замерзание воды в бетоне

В нормальных условиях вода, не содержащая примесей, растворенных в ней веществ, замерзает при 0 °С. Однако в бетоне при температуре окружающей среды 0 °С вследствие продолжающихся реакций гидратации и тепловыделения в зависимости от массивности конструкции достаточно длительное время может поддерживаться положительная температура. Если же учесть, что в цементе всегда присутствуют легко растворимые в воде соединения натрия и калия, а также окись кальция, понижающие температуру замерзания жидкой фазы бетона, то станет понятным, что переход воды из жидкого состояния в твердое происходит при температурах ниже 0 °С. Кроме этого, в зависимости от скорости понижения температуры, если конструкция не подвергается механическим воздействиям, вода в бетоне может переохлаждаться до –3…–6 °С (рис. 10.3) [35].

111

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Поскольку энергия связи молекул воды со льдом больше, чем с минеральными частицами, то образующийся в крупных порах лед ускоряет замерзание воды и в мелких порах, притягивая ее к себе. Таким образом, температура замерзания воды в пористом теле зависит от двух факторов: удельной поверхности материала, определяющей пористость, а вместе с тем количество адсорбционно-связанной воды и характера пористости – количества замкнутых и сообщающихся между собой пор. Чем больше удельная поверхность материала и количество закрытых пор в материале, тем ниже температура замерзания насыщающей его воды.

Поскольку поровая структура бетона и ее удельная поверхность меняется непрерывно [36], то температура замерзания воды в нем будет зависеть от этих факторов.

В свежеизготовленном бетоне количество продуктов гидратации мало и самым тонкодисперсным материалом в нем с развитой удельной поверхностью является цемент (Sуд = 3000…5000 см2/г). Пористость бетона в этот момент представлена в основном капиллярными порами [8] – макропорами с радиусами более 100 нм (10-7 м). Поэтому почти вся вода в свежеприготовленном бетоне находится в свободном состоянии и в зависимости от количества растворенных в ней соединений замерзает при температуре от 0 до -2 °С.

Продукты гидратации, постепенно заполняя капиллярные макропоры, наиболее опасные с точки зрения нарушения структуры при замерзании воды, постепенно переводят их в размер переходных пор (5…100 нм) и микропоры (< 5 нм). В цементном камне появляются контракционные (переходные) и гелевые микропоры (рис. 10.4).

Результаты подобной перестройки приводят к переводу значительного количества свободной воды в связанную физически. Одновременно уменьшается количество свободной воды в макро- и переходных порах за счет перемещения ее в микропоры. Таким образом, в результате увеличения количества переходных микропор и уменьшения их радиуса часть воды в бетоне замерзает при более низких отрицательных температурах [37].

Льдистость бетона, т. е. количество льда, отнесенное к массе химически не связанной воды, содержащейся в бетоне определенного возраста, зависит от возраста бетона до замораживания.

112

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Охлаждение бетона начинается с поверхности. При появлении температурного перепада между внутренними

иповерхностными слоями бетона начинается движение воды от теплой среды в холодную – к поверхности. Вследствие этого поверхностные слои оказываются более водонасыщенными. Не успевая полностью испариться, вода замерзает. Из внутренних, еще не замерзших слоев, вода продолжает мигрировать к образовавшемуся льду

инамерзает на нем. Сюда же перемещается вода из оболочек геля. Только

незначительная часть воды удерживается при этом силами адсорбции. О сжатии и обезвоживании геля, в частности, можно судить по изменению пористости цементного раствора при

замораживании. Под действием отрицательных температур увеличивается радиус капиллярных пор и уменьшается размер микропор геля [38].

Таким образом, вследствие миграции воды льдистость бетона может зависеть и от длительности его выдерживания при данной отрицательной температуре. Наиболее заметна эта зависимость для бетонов, имеющих прочность по-

рядка 30…60 % от R28.

В бетонах c меньшей прочностью, из-за отсутствия значительного количества замкнутых пор, и в более зрелых бетонах, где большинство пор замкнуто, и миграция влаги затруднена, эта зависимость менее выражена, хотя при полном водонасыщении она заметна и в зрелом бетоне.

10.3.3. Механизм разрушения структуры бетона при замораживании

Структура свежеизготовленного бетона нарушается вследствие концентрации льда внутри слоев бетона при увеличении объема замерзающей воды на 9,07 %, сопровождающемся ростом кристаллов и образованием линз льда.

В результате миграции воды в поверхностном слое могут образоваться включения льда, видимые даже невооруженным глазом. Поэтому эти слои подвергаются наибольшим разрушениям. Места скопления льда при оттаивании бетона оказываются пронизанными каналами и пустотами. В этих местах бетон шелушится и отслаивается в виде чешуек и небольших пластинок.

Кроме этого, при замораживании свежего бетона наиболее опасными местами концентрации льда являются крупный заполнитель и арматура. При заморажива-

113

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

нии на них образуются ледяные пленки, исключающие в дальнейшем хорошее сцепление крупного заполнителя и арматуры с растворной частью бетона.

Под зернами плотного заполнителя при укладке бетонной смеси скапливается вода. Поскольку зерна заполнителя, как правило, холоднее остальных компонентов смеси, лед образуется вокруг зерен крупного заполнителя, главным образом под его нижней поверхностью. При оттаивании на поверхности цементного раствора, контактировавшего с крупным заполнителем, можно видеть следы замерзшей воды в виде морозного узора.

Благоприятные условия для миграции воды создаются при медленном замерзании свежего бетона. При быстром охлаждении вода в нем замерзает в виде мелких кристаллов, равномерно включенных в структуру бетона. При медленном охлаждении бетона наиболее сильно разрушаются поверхностные его слои.

Если учесть достаточно высокую плотность цементного камня и резкое уменьшение вязкости воды в микропорах при близкой к нулю или отрицательной температуре, а также возможность образования льда в особо крупных капиллярах и порах впереди фронта промерзания, то становится очевидным, что в отдельных порах и капиллярах может развиваться высокое давление [39]. Во время быстрого повышения до максимума гидравлического давления при образовании кристаллов льда из переохлажденной воды в отдельных условиях замкнутых объемов цементного камня, по-видимому, разрушаются стенки капилляров и пор, т. е. нарушается структура бетона. Причем для нарушения структуры бетона совсем не обязательно, чтобы в порах и капиллярах развивалось очень высокое гидравлическое давление. Под его воздействием в капилляре возникают радиальные и тангенциальные (касательные) напряжения, причем разрушение произойдет в том случае, когда эти напряжения превысят прочность бетона на сжатие или растяжение. Как известно, прочность бетона на растяжение в 10…15 раз меньше, чем прочность при сжатии, а тангенциальные напряжения зависят от диаметра пор и толщины стенок и могут значительно превышать величину гидравлического давления.

Для развития гидравлического давления необходимо, чтобы капилляр или пора были заполнены водой не менее, чем на 91 % их объема. Но в бетоне поры заполняются водой неравномерно. В первую очередь полностью насыщаются мелкие, поэтому структура бетона может нарушиться и при намного меньшем водонасыщении. Так как температура замерзания воды также зависит от диаметра капилляра, то величина критического водонасыщения бетона непосредственно связана с температурой замораживания. Для бетона с В/Ц = 0,48

см. табл. 10.3.

Таблица 10.3

Зависимость водонасыщения бетона от температуры замораживания

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Разрушение структуры бетона при этом происходит в несколько стадий. Первая – образование микротрещин при замерзании воды в порах и капиллярах. Вторая стадия характеризуется продолжением при замерзании воды уже в микротрещинах. При многократном замораживании процесс образования и развития микротрещин переходит в лавинообразный, приводящий материал к разрушению. При отсутствии многократного замораживания микротрещины частично или полностью кольматируются (зарастают) образующимися кристаллогидратами при продолжении процессов гидратации после оттаивания бетона.

Но структура затвердевшего бетона может нарушаться и без развития высокого гидравлического давления, если влажный бетон подвергается циклическому изменению температуры в интервале низких отрицательных температур без перехода через 0 °С. Это может произойти за счет существенного различия коэффициентов линейного расширения скелета материала и льда, а также замерзания воды в геле гидросиликатов кальция при температуре ниже -30°. И если первая причина понятна, то вторую можно объяснить тем, что при низкой отрицательной температуре и низкой влажности наружного воздуха вода может удаляться из бетона путем сублимации льда, т. е. испаряться без перехода в жидкое состояние. Сначала она удаляется из крупных капилляров, а при температурах ниже –30 °С из мелких капилляров и даже из геля гидросиликата кальция.

Помимо этого на деструктивные процессы в замораживаемом бетоне влияют напряжения, вызванные различием коэффициентов линейного расширения цементного камня и заполнителей, а также температурные напряжения, вызванные нестационарным температурным полем в материале. Это может привести к ускоренному разрушению влажного бетона при замораживании [40].

При замерзании частично затвердевшего бетона при температурах до –30 °С перераспределение воды и образующиеся трещины вызывают локальные нарушения структуры, образование сети каналов, нарушение контакта между растворной частью бетона и крупным заполнителем с арматурой. Из-за этого значительно ухудшаются свойства бетона (проницаемость, морозостойкость) и несущая способность конструкций. Во избежание недоборов прочности вследствие раннего замерзания бетона необходимо, чтобы до замораживания он приобрел определенную критическую прочность.

10.3.4. Критическая прочность бетона

Для оценки влияния предварительного выдерживания бетона до замораживания на его прочность приведем результаты исследований бетона на Теплоозерском цементе (рис. 10.5) [35].

Анализ данных, приведенных на рис. 10.5, показал, что если бетон выдержан до замерзания 3 суток, когда образцы набрали порядка 40 % марочной прочности, он в дальнейшем наберет свою марочную прочность.

Замороженный при более короткой выдержке бетон не добрал марочную прочность, т. е. при решении вопроса о том, когда и при какой прочности допустимо замораживание бетона необходимо исходить из трех обстоятельств:

115

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

∙вида изготовляемой конструкции;

∙степени загружения ее в период строительства;

∙требований к тем или иным свойствам бетона.

Результаты исследований показали, что в зависимости от марки бетона критическая прочность должна быть не меньше указанной в табл. 10.4. Усредненные данные получены для бетонов на отечественных цементах.

Рис. 10.5. Кинетика изменения прочности бетона, после кратковременного твердения при –15 оС: 1 – 28 сут нормально-влажного твердения (н-вл); 2 – 3 сут замораживания и 25 сут н-вл. твердения; 3 – 3 сут н-вл + 3 сут замораживания + 22 сут н-вл твердения; 4 – 7 сут н-вл + 3 сут замораживания + 18 сут н-вл твердения

Таблица 10.4

Минимальная (критическая) прочность бетона до замораживания

Следует помнить, что для снятия опалубки и полной загрузки конструкций критическая прочность недостаточна. В этом случае можно пользоваться данными, приведенными в табл. 10.5.

116

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таблица 10.5

Требуемая прочность бетона к моменту распалубки и возможного его замораживания

Если к бетону предъявляются особые требования по морозостойкости, проницаемости (плотности), то к моменту возможного замерзания он должен приобрести полную проектную прочность.

Таким образом, нельзя допускать преждевременного замораживания несущих конструкций и вести дальнейшие работы.

Основными причинами понижения или повышения прочности замораживаемого бетона являются физические процессы и технологические факторы (пористость твердого скелета, содержание воды, воздуха, В/Ц, степень уплотнения и др.). Микроструктурные деформации (уплотнение, разуплотнение цементного геля) при замораживании и оттаивании можно считать второстепенной причиной в формировании структуры и в последующем наборе прочности.

10.4. Влияние раннего замораживания на структуру

ипрочность камня, раствора, бетона

10.4.1.Структурные изменения в бетоне при раннем замораживании

Многочисленные опыты и внимательное наблюдение за процессами, происходящими при замерзании, проводимые, начиная с 40-х годов прошлого века, показали, что при этом нарушается не только химизм твердения, но и физическое состояние – структура еще не полностью сформировавшегося материала [31]. Этими структурными изменениями, происходящими параллельно замедлению, а затем и полному прекращению гидратации цемента, в основном и объясняется недобор прочности преждевременно замороженных растворов и бетонов. Причем нарушение монолитной структуры приводит также к значительному увеличению водопроницаемости и снижению морозостойкости таких бетонов и растворов. Показатель прочности бетона является более простым и быстро достижимым и потому гораздо чаще используемым аргументом.

117

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В зависимости от скорости гидратации применяемых цементов, плотности цементного камня и уложенной бетонной смеси; времени, истекшего до момента замораживания бетона, результаты и действия мороза на свойства твердеющего раствора и бетона сильно различаются.

Само по себе появление льда в бетонах сопровождается увеличением их прочности. Дополнительный источник цементации – лед, образовавшийся в составе бетона, обладает различными прочностью, пластичностью, текучестью в точках контакта его с твердыми составляющими под действием внешней нагрузки, льдоцементные связи упрочняются с понижением температуры вследствие уменьшения подвижности атомов водорода в кристаллической решетке льда.

При замораживании растворов и бетонов марок от 75 до 200 и при температурах –5, –20, –50, –100 и –150 °С в течение трех суток после различного предварительного твердения в нормальных условиях установлено [7], что повышение льдистости до известных пределов увеличивает сопротивление бетона сжатию, но повышает пластические (деформативные) свойства его при замораживании в раннем возрасте.

Однако после оттаивания свойства бетона могут сразу же резко изменяться. И изменения зависят прежде всего от времени, истекшего до наступления отрицательных температур. Замораживание оказывает вредное действие на свойства растворов и бетонов только в раннем возрасте, т. е. при схватывании и в начальный период твердения. После достижения материалом некоторой прочности мороз может оказывать вредное действие только при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Вызываемые замораживанием бетонной смеси или бетона малой прочности разбухание и сдвиг зерен в контактах его составляющих приводят к нарушению сцепления между отдельными зернами еще недостаточно сцементированных между собой составляющих бетон материалов. Образующиеся тончайшие ледяные прослойки нарушают контакт между цементным камнем и заполнителем, а также арматурой. Многократное замораживание и оттаивание бетона поздней осенью и ранней весной, когда появляются расширение и усадка его в объеме, еще больше нарушают внутреннее сцепление между составляющими материалами и приводят к увеличению потери прочности бетона.

Однако минералы клинкера не теряют способности гидратироваться при наступлении благоприятной положительной температуры. Поэтому в дальнейшем при наличии влаги в бетоне происходят те же самые процессы, что и до наступления замерзания, только прочность бетона не достигает той, которая получается в нормальных условиях. Гидросиликаты и гидроалюминаты кальция цементируют между собой зерна заполнителей раствора или бетона в пределах тех контактов, которые образовались изменившейся структурой после оттаивания. И далеко не всегда появившиеся нарушения в структуре залечиваются продолжающейся гидратацией (рис. 10.6).

118

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Если раствор или бетон после оттаивания сохраняет свою первоначальную подвижность и оказывается способным снова к уплотнению, то замораживание может не оставить вредных последствий. Если такие материалы подвергнуть эффективному уплотнению и восстановить монолитность его структуры, то его прочность может даже несколько повыситься по сравне-

нию с контрольными образцами. Но такие эксперименты для бетонов в условиях стройки крайне нежелательны, а вот уплотнение растворов в кладке после ее оттаивания послужило основой для разработок в свое время технологии кладки «методом замораживания», но эти вопросы в пособии мы не рассматриваем.

10.4.2.Нарастание прочности бетона после замораживания

враннем возрасте

Наличие в бетоне крупнозернистых плотных заполнителей приводит бетон после замораживания в раннем возрасте к гораздо большему нарушению структуры, чем при замораживании цементного теста или цементно-песчаного раствора. Замерзание пленки воды на поверхности крупного заполнителя, более холодного, чем остальные составляющие бетона, способствует быстрому образованию неплотностей в местах контакта цементного камня и частиц щебня или гравия (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Структура бетона в изломе: а – бетон подвергался замораживанию вскоре после изготовления; б – бетон твердел все время в нормальных условиях

119

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Аналогичная картина может происходить и на поверхности арматуры. Поэтому, несмотря на возобновление гидратации цемента с наступлением положительных температур, преждевременно замороженный бетон в дальнейшем теряет часть своей конечной прочности.

Эксперименты с бетонами на низкоалюминатном Теплоозерском цементе

[35]привели к получению следующих результатов (рис. 10.8).

Вэтом случае бетон после предварительной 1-, 3-, 7-суточной выдержки в нормальных условиях хранения в течение 3 и 7 суток далее твердел при темпе-

ратурах –10 °С, а затем вновь в нормальных условиях столько, чтобы общее время нахождения в нормальных условиях равнялось 28 суткам.

Выдержка в камере в течение 3 суток привела к набору прочности 53, 69 и 88 % после 0, 1, 3 суток предварительного нормального твердения соответственно. Увеличение срока замораживания до 7 суток способствовало получению прочности в тех же условиях твердения 31, 62, 92 и 98 % от прочности контрольного состава. То есть замораживание в этих условиях возможно было только после 7-суточного твердения в нормальных условиях.

Рис. 10.8. Кинетика изменения прочности бетона при t = -10 оC: 1 – твер-

дение в течение 28 сут в нормально-влажных (н-вл) условиях; 2 – 3 сут при -10 оС + 28 сут н-вл; 3 – 1 сут н-вл. + 3 сут при –10 оС + 27 сут н-вл; 4 – 3 сут н-вл + 3 сут при –10 оС + 25 сут н-вл; 5 – 7 сут н-вл + 3 сут при

–10 оС + 21 сут н-вл; 21, 31, 41, 51 соответственно 7 сут при –10 оС

Понижение температуры эксперимента до –15 оС (рис. 10.9) после 3-суточ- ного замораживания позволило получить прочность сразу замороженного бетона 56 %, а после 3- и 7-суточной предварительной выдержки – 83 %. То есть понижение температуры замерзания до –15 оС привело к углублению гидратации после оттаивания и получению более высокой прочности, как и в предыдущем примере.

Перенос эксперимента в естественные условия с переменной отрицательной температурой –10 и –15 оС подтвердил получение бетонов с заданными проч-

120

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com