msgbartop
Оборудование для производства строительных блоков
msgbarbottom

24 Окт 12 МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

В климатических условиях СССР одним из основных воздействий внешней среды является замораживание бетона в водонасышенном сос­тоянии. Сохранение свойств бетона при замораживании оценивается его морозостойкостью.

Морозостойкость бетона — условная характеристика, оценивающая его способность сохранять прочность и другие физико-механические свойства при отрицательных температурах, особенно при многократном попеременном замораживании и оттаивании. Процессы, протекающие при замораживании и оттаивании бетона, обусловливают постепенное накопление в нем повреждений. При многократном попеременном охлаждении и последующем нагревании-оттаивании компоненты бе. она изменяют объем в соответствии с присущими им коэффициентами тем­пературного расширения. Одновременно, если в порах бетона содержит­ся вода, она изменяет объем не только в результате температурного рас­ширения или сжатия, но и при фазовом переходе воды в лед, когда ее объем увеличивается примерно на 9% (в 1,0907 раза). Возникновение. перепада температур в объеме бетона неизбежно сопровождается мигра­цией влаги как в жидком, так и парообразном состоянии.

Степень повреждения бетона при замораживании зависит от степени его водонасыщения. Однако это сложная зависимость, так как определя­ется не только общим объемом пор, насыщаемых водой, но и их разме­ром, формой, проницаемостью поровой структуры для воды и воздуха. От того, какой была степень водонасыщения бетона в период первого за­мораживания и с какой скоростью она увеличивается при повторных

Циклах замораживания и опаивания, зависит большая или меньшая мо­розостойкость бетона.

Требования к морозостойкости бетона в СССР задаются в проекте для конструкций всех сооружений, подвергающихся климатическим, а также технологическим воздействиям, при которых конструкции моїут ока­заться в среде с отрицательной температурой (холодильники, производ­ство и хранение сжиженных газов и т. д.). В некоторых случаях испыта­нием бетона на морозостойкость косвенно оценивают стойкость к много­кратному насыщению водой и высушиванию и к другим физическим воздействиям.

Морозостойкость бетона измеряется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы бетона без существенного изменения прочности. Единицей измерения морозостой­кости является стандартный цикл замораживания и оттаивания. Услов­ность такой единицы измерения несомненна и ее применение требует про­ведения испытания в строго нормируемых условиях. Использование ре­зультатов испытаний в лабораторных условиях для оценки суровости климатических воздействий и последующего нормирования требований по морозостойкости бетона возможно после сопоставления данных о стойкости бетонов в натурных условиях и при испытании но стандарту.

Морозостойкость бетона определяется в разных странах различными методами, что следует иметь в виду при сопоставлении результатов, по­лученных различными авторами. В СССР первым методом испытаний но ГОСТ 10060—87 является замораживание образцов — кубов с ребром 15 см на воздухе при температуре минус 18 + 2°С и оттаивание в воде с температурой 18 + 2°С. Для бетона дорожных и аэродромных покрытий оттаивание производится в растворе хлоридов натрия концентрацией 5% (II метод). Перед первым замораживанием образцы насыщаются водой в I методе или раствором хлорида натрия (во II) в течение 96 ч. Норми­руется также скорость охлаждения и продолжительность пребывания при отрицательной и положительной температурах. Стандартизирован и 111 ускоренный метод испытания за счет замораживания в растворе хлорит натрия 5%-м при температуре —50°С и оттаивания в том же растворе.

В проектах морозостойкость нормируется марками морозостойкости, определяемыми по I методу. При контроле морозостойкости допускает­ся пользование переходными коэффициентами от II и III методов к мо­розостойкости, определяемой по I методу. Метод испытания при темпе­ратуре —50°С с замораживанием и оттаиванием в 5%-м растворе хлорис­того натрия рекомендуется использовать также для оценки морозостой­кости бетона в суровых климатических условиях.

В стандартах США приняты 4 метода испытания на морозостойкость, отличающиеся средой замораживания: на воздухе и в воде, и скорость-а замораживания — быстрое и медленное.

Маркой бетона по морозостойкости в СССР называется число замора­живания и оттаивания по I стандартному методу, после которого беї н сохраняет не менее 95% прочности на сжатие в момент начала испытания на морозостойкость.

В СНиП 2.03.01-84 приняты следующие марки бетона по морозостой­кости: F25, F35, F50, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F700, FlCmO.

Морозостойкость бетона — важная характеристика, особенно при строительстве в районах с суровым климатом, где воздействие заме х - Живания становится одним из основных факторов, ограничиваюі. х сроки службы бетонных и железобетонных сооружений. В настоящее время на основании обработки многолетних климатических данных вы­полнено районирование территории СССР по степени суровости воздей­ствия на бетон. Применительно к этому районированию должны назна­чаться требования к морозостойкости бетона с учетом и других факто­ров, влияющих на суровость воздействий замораживания и оттаивания. Прежде всего должны учитываться типичные условия замораживания и оттаивания (рис. 3.1):

Замораживание на воздухе и оттаивание в воде бетона, имеющего раз­личную исходную степень водонасыщения;

Замораживание и оттаивание при непрерывном капиллярном подсосе воды;

Замораживание при полном погружении в воду (вмерзание в лед) и оттаивание в воде.

Так как важнейшим показателем, определяющим интенсивность раз­рушающего действия замораживания, является степень водонасыщения бетона, замораживание при капиллярном подсосе воды и при полном по­гружении в воду оказывается значительно более разрушительным, чем замораживание на воздухе.

Процессы при замораживании и оттаивании бетона, обусловливающие его постепенное разрушение — снижение прочности — весьма многообраз­ны. При нагревании и охлаждении компоненты бетона — цементный ка­мень, заполнители и вода в его порах изменяют объем в соответствии с присущими каждому материалу коэффициентами температурной дефор­мации. Различие в этих коэффициентах может служить одной из причин появления напряжений на поверхностях контакта материалов. Однако основной причиной разрушения бетона принимается давление льда, обра­зующегося с увеличением объема воды при фазовом переходе ее в лед или гидравлическое давление незамерзшей воды, отжимаемой льдом. Основанием для этого служит явная и твердо установленная зависимость степени разрушения от степени водонасыщения бетона [3.17].

Большое значение при различных условиях замораживания имеют процессы переноса влаги в поровой системе бетона и возможность изме­нения за этот счет степени водонасыщения в отдельных объемах конст­рукции. Миграция влаги может осуществляться как в жидкой, так и в парообразной фазе под влиянием капиллярных сил, температурного гра­диента (тепломассопереноса) или гидравлического давления. Процесс замораживания осложняется тем, что вода, заполняющая поровое прост­ранство бетона, содержит растворенные вещества, что меняет температу­ру ее замерзания и создает возможность коррозионных процессов — растворения компонентов цементного камня и взаимодействия веществ, содержащихся в воде оттаивания с цементным камнем, что дополнитель­но усиливает разрушение и снижает прочность бетона.

Процессы, проходящие при замораживании бетона на воздухе и оттаи­вании в воде систематизированы в зависимости от наиболее распростра­ненных условий замораживания, определяющих механизм разрушающе­го процесса [3.24]. При этом выделено четыре основных вида процессов, протекающих при замораживании:

Быстрое замораживание и оттаивание на воздухе с разрушением бето­на вследствие различий в коэффициентах температурного расширения; степень водонасыщения при этом недостаточна для проявления влияния

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

1

I

І

|г5 Ш

V/ У//

Ш

ЗОНА АТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ■ ЗОНА СЕЗОННОГО ОТТАИВАНИИ ГРУНТА ЗОНА

ПОСТОЯННОЙ ____________

ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ -----------

ТЕМПЕРАТУРЫ

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

ЗОНА НАЙ - Eygffi БОЛЕЕ ИН - ТЕНСИВНОГО МНОГО­КРАТНОГО ЗАМОРА - ЖЙНАНЙЯ й ОТТАЙ -

НАНИЯ

Рис. 3.1. Типичные условия замораживания конструкций (примеры)

1 - попеременное замораживание и оттаивание (конструк­ции нижнего бьефа плотин); 2 — длительное вмораживание в лед в условиях капиллярного подсоса воды (водоемы с постоянным уровнем воды); 3 — замораживание при пос­тепенно понижающемся в зимнее время уровне воды (верхний бьеф плотин); 4 - замораживание в насыщенном водой состоянии, в верхней части зоны II попеременное замораживание и оттаивание или вмерзание в лед по усло­виям 2 (конструкции в Сезонно оттаивающем слое вечно - мерзлых грунтов); 5 - одностороннее замораживание мас­сивных сооружений; б - эпизодическое увлажнение атмос­ферными осадками и замораживание на воздухе (верти­кальные конструкции - стойки, опоры, колонны, стены) ; 7 - эпизодическое увлажнение атмосферными осадками и замораживание горизонтальных поверхностей (дорож­ные покрытия)

Фазового перехода воды в лед. В этих условиях правильнее говорить о термостойкости бетона;

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

ТОЛЩИНА

Медленное одностороннее замораживание бетона массивного сооруже­ния или ограждающей конструкции (при положительной температуре внутреннего помещения) с постепенным продвижением фронта в глубь бетона. В этих условиях основная причина разрушения — увеличение сте­
пени водонасыщения бетона вследствие миграции влаги к фронту нро - мерзания и разрушение давлением льда или гидравлическим давлением воды, отжимаемой льдом;

Быстрое всестороннее замораживание бетона тонкостенных конструк­ций с образованием льда в поверхностных слоях, что приводит к "заку­порке" воды внутри конструкции и при достаточно высокой степени во­донасыщения — к разрушению бетона, проявляющемуся в шелушении поверхностных его слоев;

Одностороннее замораживание пористого материала, в котором воз­можна миграция воды а парообразном состоянии к холодной поверхнос­ти и образование линз льда — аналогично процессу пучения грунтов.

Если замораживание происходит при полном погружении в воду, раз­рушение многократно усиливается, так как при изменениях температу­ры создаются условия для быстрого увеличения степени водонасыщения бетона.

Как видно из общего описания процессов, проходящих в бетоне при его замораживании и оттаивании в различных условиях, общая теория морозостойкости должна содержать количественное описание процессов массопереноса под действием различных градиентов, опираться на дан­ные о структуре порового пространства бетона и выявить причины воз­никновения и развития внутреннего разрушающего давления, соотнеся его с прочностью бетона на растяжение. Такая теория полностью еще не создана. Предложено несколько гипотез морозостойкости [3.14, 3.39, 3.45, 3.49 и др.]. Наиболее практически полезной представляется фено­менологическая теория морозостойкости, развитая в работах [3.30, 3.47 и др.]. В этой теории на модели бетона, представленной в виде сферичес­ких зерен заполнителя в матрице цементного камня или цементного раствора, решаются задачи о влиянии различных факторов (состава, условий замораживания, свойств заполнителей и др.) на морозостой­кость бетона.

Экспериментальные данные о зависимости морозостойкости бетона от различных факторов и условий, в которых осуществляются внешние воздействия, позволяют в дальнейшем сделать выводы о способах при­дания высокой морозостойкости бетонам и железобетонным конструк­циям. Рассмотрим зависимость морозостойкости от отдельных фак­торов.

Влияние состава цемента. Имеется большое чиспо экспериментальных данных о влиянии вещественного и минералогического состава цемента на морозостойкость бетона [3.23, 3.36]. Структура цементного камня и его порового пространства зависит от минералої ического состава клин­кера, содержания в цементе гипса, тонкости помола, содержания щело­чей, вида и количества тонкомолотых добавок. Следовательно, зти фак­торы будут влиять и на морозостойкость.

Исследования свойств отдельных минералов цементного клинкера по­казали, что свойства основных минералов — гидросиликатов и гидро­алюминатов, образующихся в цементном камне, весьма различны [3.2]. Было известно различие в прочности и скорости ее образования в камне из зтих минералов. Но для морозостойкости важна и водостойкость гид - ратированных минералов. Установлено, что гидроалюминат кальци і, являющийся основным минералом алюминатной фазы (ЗСаО-А12Оз - • 6Н20), характеризуется низкой водостойкостью, способен в воде те­рять прочность [3.36]. Это дает основание предполагать, что содержание
грсхкальцисного алюмината в клинкере портландцемента будет влияп. па морозостойкость бегопа, коїорая будет іем выше, чем меньше еодер жание алюмината в клинкере. Экспериментально при сопоставимых сос­тавах бегопа это положение подтверждается и учитывается при разработ­ке требований к минералогическому составу клинкера для бетона coop - жений, к которым предъявляются высокие требования по морозостой­кости (табл. 3.3). Однако нельзя рассматривать влияние на морозостой­кость изолированно отдельных характеристик цемента, например ил гоми - натность клинкера, без связи с др^їими характеристиками цеменіа. Относительное содержание алита и белита, соединений щелочных метал­лов, количество введенного при помоле гипса, тонкость помола цеменіа могут оказать такое влияние на морозостойкость бетона на этом цемен­те, что роль алюмината кальция может быть нивелирована.

Тонкость по­мола, см /г

Содержание основных минералов в цементном клинкере, %

Активные минераль­ные добав­ки (АМД)

Ц

C3S

_____ |

Щелочи

3000-3500

44-61

4,4-5

-

Не более 3500

55-60

Не более 7

Не более 0,8

-

4000

55

5

0,1

-

Не более 60 " 6

_

_

Таблица 3.3. Требования к цементам для бетонов высокой морозостойкости

Автор, источ­ник

54

Среднее: 3500 55-60

Показано [3.16], что дозировка гипса в цементе должна увеличивать­ся с увеличением содержания С3 А и тонкости помола цемента. При этим удается повысить морозостойкость цемента с повышенным содержани ' м алюминатов.

Обобщеіше опыта изготовления и испытания бетонов высокой моро­зостойкости (F300 и выше) показало, что при условии изменения струк­туры бетона за счет введения воздухововлекающих добавок могут быть получены бетоны высокой морозостойкости и на среднеалюминатнмх портландцгмептах [3.33].

Еще в работе [3.37] было отмечено весьма существенное влияние гл морозостойкость длительного хранения цемента. На "лежалых" цементах морозостойкость резко снижалась. Снижение морозостойкости в не­сколько раз превышало снижение прочности (табл. 3.4).

Не более 7

Столь сильное снижение морозостойкости свидетельствует о сущест­венном изменении структуры цементного камня при длительном хране­нии исходного цемента. Следовательно, можно полагать, что морозоетт й-

Таблица 3.4. Влияние "лежалости"цемента на морозостойкость бетона [3.23]

Состояние цемента

Активность це­мента, МПа

Прочность бето­на, МПа

Морозостойкость бе­тона, циклы

Свежий

44

36

600

"Лежалый"

34

24

70

Примечан

И е. Состав бетона одинаковый. В/Ц

= 0,5, твердение в воде

28 сут.

Кость будет зависеть от состава цемента, добавок, состава бетона, усло­вий твердения и других факторов, определяющих структуру бетона.

Эти данные подтверждают отсутствие примой связи между проч­ностью и морозостойкостью.

Актуален вопрос и о влиянии на морозостойкость бетона тонкомоло­тых или дисперсных от природы, активных и инертных минеральных добавок. В связи со стремлением улучшить экологическую обстановку и снизить энергозатраты в последнее время уделяется внимание золе - уносу как добавке в бетон.

Усилилось внимание к проблеме увеличения объема выпуска цемента за счет введения в него дисперсных наполнителей различного вида, размо- лотных до различной тонкости помола: песок, природные активные ми­неральные добавки, а также добавки на основе отходов промышленнос­ти, известняка и др. Одним из недостатков смешанных цементов, содер­жащих более 15...20% золы или других минеральных добавок считается их пониженная морозостойкость. Исследования [3.52] показали, что при введении в состав бетона пластифицирующих и воздухововлекающих до­бавок на некоторых смешанных цементах, например с добавками золы - уноса, могут быть получены морозостойкие бетоны (табл. 3.5).

Добавки молотого известняка приводили к различным результатам. Так, были испытаны бетоны с расходом цемента 250 кг/м3 на гранитном щебне с заменой 25% цемента молотым известняком [3.36]. Сравнение проведено в равноподвижных смесях (табл. 3.6). Испытания показали снижение морозостойкости в 2 раза при снижении прочности в среднем на 25%.

В работе [3.41] показано, что при одинаковом В/Ц бетоны на цемен­тах с добавкой молотого известняка до 30% обладают той же морозо­стойкостью, что и без добавки.

Особое внимание занимает среди смешанных цементов шлакопорт - ландцементы, занимающие первое место по объему производства среди разновидностей портландцемента. Данные о морозостойкости бетона на шлакопортландцементе разноречивы. Испытания бетонов без добавок показали, как правило, существенно меньшую морозостойкость бетона на шлакопортландцементе по сравнению с морозостойкостью бетона на портландцементе.

Влияние состава и содержания шлака, топкости помола цемента и условий твердения является решающим в придании морозостойкости бе­тонам [3.8, 3.28]. Применение воздухововлекающих добавок позволило полностью пересмотреть возможные области применения бетонов на шлакопортландцементах.

Морозостой­кость, циклы

220 90 188 90 200 1С0

Таблица 3.6. Влияние добавки молотого известняка на прочность и морозостойкость бетона [3.36]

Клинкер за­вода

Молотый

Известняк,

%

В/Ц

Прочность при сжатии в 28 суг, Ml j

Броценский

-

0,68

20,2

25

0,63

14,4

Краматорский -

0,70

16,9

25

0,63

12,9

Комсомолец

-

0,68

21,8

25

0,65

16,9

Снижение прочности,

28,7 23,7 21,5

С воздухововлеКающими добавками может быть получена морозо­стойкость F300 и выше [3.19] (табл. 3.7). В ГОСТ 10178-85 указано, что в случае применения воздухововлекающих добавок бетоны на шла­копортландцементе могут применяться и в условиях, когда к ним предъявляются требования по морозостойкости.

Во всех случаях применения смешанных цементов, т. е. содержащих практически инертные добавки к портландцементу в количествах, пре­вышающих нормы стандарта, следует учитывать возможное изменение ие только прочности, но и других свойств бетонов на таких цементах.

Влияние заполнителя на морозостойкость. Морозостойкость бетона, естественно, зависит и от морозостойкости заполнителя. Хотя в бетоне растворная часть и защищает заполнитель от быстрого насыщения водой и температурных ударов, однако такая защита действительна в ограни­ченных пределах. При заполнителе с высоким водопоглощением и низ­кой морозостойкостью в условиях длительного действия воды заполни­тель, находящийся в поверхностном слое бетона, постепенно насыщает­ся водой и при последующем замораживании увеличивается в объеме, вызывая отколы бетона.

Наибольшую актуальность вопрос о морозостойкости заполнителя приобретает при использовании осадочных — карбонатных пород. Основ­ная из таких пород — известняки в различных месторождениях — харак-

Таблица 3.7. Влияние химических добавок на морозостойкость бетонов на шлакопортландцементе [3.19]

Состав цемен­та, %

В/Ц

Добавки, % по массе це­мента

Расход цемен га, кг/м

Плотность, кг/м3

«28- МПа

Морозостой­кость, цик­лы

Клинкер - 96;

0,4

-

480

2400

43,5

200

Гипс - 4

Клинкер - 66;

0,4

-

480

2400

39,5

200

Шлак ЭТФ -

0,4

СДБ - 0,2;

480

2340

41,7

300

30; гипс - 4

СНВ - 0.1

0,5

-

340

2340

39,9

Too

0,5 НЧК-0,1 360 2310 43,5 500

Примечание. НЧК - нейтрализованный черный контакт, отход переработ­ки нефти. Шлак ЭТФ - электротермофосфорный шлак.

Теризуется различными структурой и свойствами. Исследования морозо­стойкости бетона на известняках пониженной морозостойкости прово­дились неоднократно. Было показано, что на таких известняках могут быть получены значительно более морозостойкие бетоны, чем морозо­стойкость заполнителя (табл. 3.8).

Соо і ношение морозосюйкосш бетона и заполнители пипичоишю и определяется многими технологическими факторами, прежде всею, свойствами цемента — его способностью образовывать морозостойкую структуру цементного камня и раствора. Можно считать, что дли каждо­го вида заполнителя существует определенный верхний предел морозо­стойкости бетона, который может быть реально достигнут.

Очень крупнопористые заполнители, например ракушечник, при стан­дартном испытании показывают относительно высокую морозостой­кость, так как вода пе удерживается в их порах и "выливается" при выемке из воды для замораживания на воздухе. В то же время в бетоне конструкции при длительном водонасыщении вода в таком заполнителе удерживается и обусловливает быстрое разрушение при замораживании. Для повышения морозостойкости бетонов на заполнителях низкой моро­зостойкости действительны обычные способы повышения морозостоГ - кости: снижение В/Ц, введение воздухововлекающих добавок, созданлз длительных влажных условий твердения и т. п.

Значительное влияние на морозостойкость бетона оказывает наиболь­шая крупность зерен заполнителя (рис. 3.2). Эти данные подтверждают­ся в работе [3.35], в которой приведены результаты испытаний дорож­ных бетонов с различным содержанием крупного заполнителя (табл. 3.9). Влияние заполнителя на морозостойкость бетона зависит от соотно­шения параметров поровой структуры цементного раствора и породы за­полнителя. Плотные изверженные породы с водопоглощением менее 0,5% по массе практически не разрушаются при замораживании в бетоне и влияют на его морозостойкость или при резких изменениях температур вследствие различий в коэффициентах температурного расширения, иди в высокоподвижных смесях в результате "блидинга" - водоотделенгч под нижней поверхностью зерен заполнителя.

Возможность повреждения бетона в результате применения заполни­теля с морозостойкостью меньшей, чем морозостойкость растворной составляющей может быть уменьшена за счет применения сухого запол­нителя, уменьшения его крупности, отделения наиболее слабых зерен. Предлагаются и способы повышения стойкости заполнителя обработкой его поверхности гидрофобизаторами.

33

Влияние водоцементного отношения. Основным параметром состава бетонной смеси, определяющим его прочность, является водоцементное отношение; этот параметр оказывает существенное влияние и на моро­зостойкость. В табл. 3.10 приведены рекомендуемые значения В/Ц дтт бетонов различной морозостойкости. Эти рекомендации основывают. на массовых испытаниях бетонов и обобщении практического опыи [3.33]. Следует отметить, что в работах С. В. Шестопероьа [3.3t>] подчер­кивалось, что более важным показателем является не В/Ц, а общее со­держание воды в единице обьема бетона. Бетоны из смесей разной удобо - укладываемости, уплотненных различными методами, показьіь^^і пр - мую зависимость между расходом воды и морозостойкостью (рис. 3.3). В то же время в работах Г. И. Горчакова с сотрудниками [3.32] было по­казано, что морозостойкость зависит и от объема цементного камня, тек

613 -3

Я 3

R5

О £

2 5

Я о

О) н

S

S

X

Таблица 3.9 Морозостойкость дорожных бетонов в зависимости 01 содержании крупною заполни гели [3 35]

Коэффициент

Состав бетона

Р!1 1ДІІІІЖКІІ ІЄ - |>ЄН JUIIOJIIIH - гели

Содержание IHCflllH, |<г/м

Прочность при НЭШГк-. MI III

Моро юетой - КОЄІІ. циклы

Обычный 1,3-1,4 1200-1250 4,5-5

Повышенной удо- 1,7-1,9 1100-1150 5-5,5 бообрабатываемос- ти

Малощебенистый 2-3 800-1000 5-6

Примечание. Испытание на морозостойкость проведено с замораживанием в растворе NaCl - 5% до шелушения.

ЦП)

Ьолее 400 'Го же

Таблица 3.10. Рекомендуемые предельные значения В/Ц [3.331

Водоцсментные отношения, Не более

Зоны расположения бето­на

Для железобетонных кон­струкций

Для бетонных и малоарми рованных конструкций

Гидрометеорологические условия

Легкие

^средние

Тяжелые

Легкие

J^cpcume

Тяжелые

Подземная и подводная

0,55

0,53

0,5

0,6

0,6

0,55

Переменного уровня вод

0,5

0,45

0,4

0,55

0,5

043

Надводная

0,6

0,55

0,5

0,65

0,65

0,55

Зона внутреннею запол-

0,65

0,6

0,6

0,7

0,7

0,65

Рис. 3.2. Влияние размера зерен крупного заполнителя на оста­точные деформации бетона при многократном замораживании и оттаивании.

Наибольшая крутость заполни­теля, см: 1 - 1,2; 2 — 2,5; 3 - 4 [3.48]

Рис. 3.3. Влияние расхода волы ь бетоне на его морозостойкость Ї3.36] Расход цемента 1 - 400 кг/м* 2 - 250 кг/м3; 3 - то же. с ССГ> 0,2%

Как разрушительно действующие напряжения возникают именно в нем. Следовательно, при одинаковых водоцементных отношениях и качестве цементного камня более морозостойким будет бетон с меньшим объе­мом цементного камня, т. е. меньшим количеством и воды, и цемента. Зависимость морозостойкости от водоцементного отношения объясняет­ся особенностями структуры цементного камня (см. гл. 4).

Влияние структуры цементного камня. Основным фактором, влияю­щим на морозостойкость бетона, как показали исследования последних десятилетий, является содержание воздуха в затвердевшем бетоне, вве­денного в результате вспенивающего действия на бетонную смесь возду­хововлекающих добавок. Данные, приведенные в работе [3.9], показы­вают, что в бетоне без добавок содержание воздуха и его характеристи­ки, влияющие на морозостойкость бетона, случайны и могут обусловить значительный разброс в показателях морозостойкости бетона (рис. 3.4). В то же время бетоны с воздухововлекающими добавками имеют резко повышенную морозостойкость и высокую обеспеченность зтой морозо­стойкости. Для таких бетонов меньшее значение имеют отклонения в ми­нералогическом составе цементов — они менее чувствительны к усло­виям последующего твердения. В настоящее время получение бетонов с высокой и гарантированной морозостойкостью обязательно обусловле­но применением структурообразующих воздухововлекающих или газо - выделяющих добавок.

Зависимость морозостойкости бетона от содержания воздуха (табл. 3.11, рис. 3.5) неоднозначна, так как наибольшей эффективностью обла­дает не всякий вовлеченный воздух, а определенная структура цементно­го камня, в которой искусственно создаваемая пористость представлена сферическими порами, заполненными воздухом и разделенными перего­родками цементного камня определенной толщины, создающими эффект условной замкнутости воздушных пор [3.52], (рис.3.6). В про-

Цессе замораживания и оттаивания происходит медленно и постепенно заполнение воздушных пор водой и важно, чтобы степень критического водонасыщения не была достигнута за один зимний сезон, тогда в лет­ний период восстанавливается первоначальное состояние по водонясы - щению, и бетон возвращается к первоначальному фазовому состо; гию цементного камня, прочности и морозостойкости (рис. 3 7), [3.6].

Влияние содержания воздуха на морозостойкость при испытании по стандарту (табл. 3.11) показывает, насколько чувствительна структура бетона к содержанию воздуха Это неудивительно, так как, например, содержание воздуха в 1% объема бетона означает, что в цементном камне появилось свыше 1500 воздушных пузырьков диаметром 0,2 мм (при­мерно оптимальный размер) в каждом кубическом сантиметре.

Таблица 3.11. Влияние пластифицируюше-воздухововлекающих добавок на морозостойкость бетона [3.12]

Осадка

Содержание

Прочность при

Конуса,

Воздуха, %

Сжатии, МПа,

См

После

28 сут нор­

ГВО

Мального

Твердения

Добавки, % по массе цемента

ССБ СНВ

Морс ю - стой-

Кость, ЛИЮ.1

Расход це­мента,

Кг/м3

В/Ц

448

0,46

-

-

80

1

53,3

31,8

50

450

0,41

0,1

0,02

7,5

2,4

54,8

34,2

700

404

0,47

Од

0,02

4

3,6

48,4

34,8

750

293

0,6 7

2,5

1

20,4

9,5

50

295

0,60

0,1

0,03

2,5

1,8

23,7

10,7

400

Примечание. Портландцемент Белгородского завода марки 500. Начало испытаний на морозостойкость в возрасте 28 сут после ТВО.

Рис. 3.6. Величина условнозамкнутой пористос­ти при различном содержании вовлеченного воздуха в бетоне. Условные обозначения см. рис. 3.5 [3.52]

Рис. 3.7. Влияние летнего перерыва А иа результаты ис­пытаний на морозостойкость

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

2 ^ 6 8 СОДЕРЖАНИЕ ВОЗДУХА. \

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ, циклы

1 — бетон без добавок; 2, 3, 4 - бетоны с Добавко чи; 2- С ДБ 0,2%; 3 - СДБ 0.3%; 4 - СДБ 0,2% + СНВ 0,01% [3.6]

Влияние воздухововлекающих добавок на морозостойкость бетона многократно подтверждено и теперь в нормах па морозостойкий бетон указываются оптимальные количества воздуха, гарантирующие высокую морозостойкость (табл. 3.12). В работе [3.14] показано, что морозо­стойкость бетона с содержанием пор размером 0,3—2 мкм максималь­ная, в том числе и при одновременном применении суперпластификатора и воздухововлекающей добавки. В СССР предложено большое число то­варных продуктов в качестве воздухововлекающих добавок. Создание заданной структуры цементного камня может быть достигнуто и други­ми способами. В СССР, в частности, нашли применение газовыделяющие добавки кремнийорганических соединений [3.23, 3.19].

Таблица 3.12. Рекомендуемое количество воздуха для морозостойких бетонов [3.33]

Наибольшая круп­ность щебня, мм

Воздухосодержание, % беюнной смеси, не менее, при BJU

0,4 и менее

0,41-0,5

£ 0,51-0,6

10

4

5

7

20

4

5

6

40

3

4

5

80

3

3

4

Высокая эффективность применения кремнийорганического соедине­ния — полиорганосилоксана, обладающего газов ыделяющей способ­ностью и гидрофобизирующим действием, для повышения морозостой­кости бетона подтверждена опытом воздействия Зейской ГЭС [3.23], где уложено в бетоне переменного горизонта воды >100 тыс. м3 бетона с морозостойкостью F200 и F300 и выше. Преимущество этих веществ состоит в зависимости объема выделяющегося газа только от дозировки добавки и не зависит от температуры бетонной смеси и интенсивности пе­ремешивания, что характерно для воздухововлекающих добавок.

В настоящее время наибольшее распространение получили комплекс­ные добавки, в которые входит воздухововлекающая и пластифицирую­щая добавки. В качестве пластифицирующих добавок могут применять­ся и суперпластификаторы, и пластификаторы на лигносульфонатной основе. Создание морозостойкой структуры возможно и другими спосо­бами, например введением в состав бегопа полимерных газонаполненных микросфер с необходимыми размерами, однако по ряду причин этот способ не находит распространения [3.51]. Более перспективным и эффективным является повышение морозостойкости за счет введения в состав бетона пористых заполнителей, например керамзитового песка [3.3]. Кроме создания объема резервных пор при этом появляется де­формируемый компонент, который создает повышенную деформатив - ность бетона и увеличивает его способность к релаксации напряжений, возникающих в процессе замораживания и оттаивания.

Количество добавок, предложенных для повышения морозостойкости бетона, весьма значительно; область применения каждой из них опреде­ляется сырьевой базой, стоимостью и технологическими преимущест­вами.

В настоящее время представляют интерес данные о морозостойкоеги бетонов с новыми добавками тина 'микрокремпезема". Высокая актив­ность этого вещества, уплотняющее действие на структуру цементною камня и повышение прочности определяют и повышенную морозостой­кость бетона [3.38, 3.52].

Влияние "качества" воздуха на морозостойкость п влияние техно ю - гии производства работ видно изданных табл. 3.13, в которой показано, что абсолютное количество воздуха, % по объему бетона, еще не опреде­ляет морозостойкости и может существенно измени іься без изменения морозостойкости бетона, если воздух вовлечен за счет воздухововлекаю­щих добавок [3.7].

Таблица 3. 13. Влияние продолжительности вибрирования на содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси и свойства бетона [3.7]

Содержание воздуха в сме­си после виб­рации, %

Прочность при сжатии, МПа

Длитель­ность виб­рации, с

600

400

800

Динамический модуль упруїюсти, "/< после замораживании и он лііаним, циклов

I"


3

15

200

24,4 27,1 32,6

103 100

104

9,8 3,8 1,7

105 102 104

101

100 105

Примечание. Состав бетона: цемент 400 кг/м3 пода - 200 и/м3. доб. імка СНВ 0,05% по массе цемента. Подвижность бетонной смеси 7 см.

Данные табл. 3.13 показывают, что при вибрировании удаляются пу­зырьки воздуха, не влияющие на морозостойкость. Может быть сделан важный вывод, что для придания высокой морозостойкости достаточно 1,5% воздуха, если он имеет необходимый размер пузырьков, сосків - ляющий сотые и десятые доли мм. Это подтверждается и работой [3.46], в которой проведены расчеты необходимого объема резервных пор для размещения приращения объема образующегося льда.

Влияние противоморозных добавок. Добавки, применяемые для при­дания бетону способности твердль при отрицательной температуре, по-разному влияют на морозостойкость [3.15]. Хлорид кальция снижа­ет морозостойкость бетона, особенно на высокоалюмипатных немец; Это относится и к бетонам, твердеющим с добавкой поташа и иитр. на натрия. Бетоны на основе кальциевых солей (нитриты натрия и каль­ция, нитрат кальция, нитрит-нитрат-хлорид кальция) и те же добавки с добавками мочевины позволяют получать бетоны повышенной морозо­стойкости. Но при. повышении концентрации добавок в воде затворе - ния свыше 20% морозостойкость снижается для бетонов со всеми пе­речисленными добавками [3.31].

Практические рекомендации, учитывающие возможность повре-' е - ния бетона с противоморозными добавками вследствие миграции сс н при колебаниях температуры и изменении их содержания, например, в поверхностном слое бетона, сделаны в работе [3.4].

Однородность бетона по морозостойкости является весьма важнои ха­рактеристикой его качества и надежности конструкций, подвергают^ с я
п процессе эксплуатации многократному замораживанию и оттаивании. В работе [3.11] показано, чго коэффициеш однородности бетона по мо­розостойкости составляет 0,35...0,5. В производственных условиях пока­зано [3.5], что для бетонов с добавками па постоянных матери лах коэффициент вариации морозостойкости можег быть значительно выше (табл. 3.14).

Таблица 3.14. Однородность прочности и морозостойкости бетона [3.5]

Показатель

Среднее арифме­

Среднеквадратич­

Коэффициент ва­

Тическое

Ное отклонение

Риации, %

Прочность при сжатии 21,2 2,28 10,8 после пронариванин, МПа

Прочность в 28 сут, МПа 26 2,45 9,43

Морозостойкость, циклы 90 25 28,2

Чувствительность морозостойкости к содержанию вовлеченного воз­духа и к условиям твердения, а также вариабельность метода испытаний обусловливают более низкий коэффициент однородности бетона по мо­розостойкости.

Влияние условий замораживания. Морозостойкость, выражаемая чис­лом стандартных циклов замораживания и оттаивания, зависит и от тем­пературных условий замораживания. Многократные измерения дефор­маций бетона при замораживании и оттаивании показали для бетонов без ВВД типичную картину (рис. 3.8), [3.21] уменьшения объема на началь­ной стадии в соответствии с коэффициентами температурного расшире­ния, затем в зависимости от микроструктуры цементного камня, содер­жания в нем воздушных условно замкнутых пор и степени заполнения их водой начинается увеличение объема бетона, сопровождающееся соот­ветствующим ростом внутренних напряжений. Температура, при которой начинается увеличение объема, зависит от основного размера пор в це­ментном камне, содержания растворимых электролитов в нем и скорос­ти охлаждения — условий возможного переохлаждения воды.

Кривые деформаций бетона при замораживании и оттаивании (рис. 3.9) показывают сущность влияния воздухововлекающих добавок и дают основания для оценки влияния низких температур на морозостой­кость. Может быть сделан также вывод о возможности повреждения бетона при изменении температур в диапазоне отрицательных значений без перехода через 0°С [3.25]. Возможность разрушения при этом будет полностью зависеть от начальной степени водонасыщения, так как в про­цессе колебаний отрицательных температур изменений влажности не про­исходит. Этим объясняется и противоречивость экспериментальных дан­ных. Скорость замораживания также имеет значение. При большой ско­рости замораживания и быстром продвижении фронта замораживания возможен "захват" воды в порах бетона при образовании льда в капил­лярных порах и последующее замерзание влаги в более тонких порах меньшего размера. Скорость замораживания имеет значение, гак как от нее зависят возможность миграции влаги в период замораживания, ре­лаксация напряжений, степень переохлаждения воды [3.31, 3.431 • Значи­тельное место в исследованиях, проводимых в настоящее время, занима­
ет изучение морозостойкости бетона в зависимости от солевого состава воды, насыщающей его поры. Это имеет значение для бетона дорожь їх и аэродромных покрытий, при эксплуатации которых применяется об; - ботка поверхности растворами солей с целью предупреждения гололед і - цы, Дія морских сооружений, подвергающихся действию морской во/у: содержащей до 35 г/л различных солей, преимущественно хчорнда п рия, и некоторых других сооружении в районах с засоленными груп, выми водами. При замораживании и оттаивании бетона, насыщенно! раствором солей-электролитов, разрушение идет более интенсивно, чем при замораживании в пресной воде. Механизм разрушения зависит и і вида электролита и температурных условий замораживания.

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА К

КОНЦЕНТРАЦИЯ NaCI

Рис. 3.9. Снижение прочности бегоиа при вмораживании в растворы NaCI различии концентрации [3.20]

Рис. З.8. Деформации бетона при различ­ной степени водонасыщспии н условиях зам кипами» при температуре до -60 Г и оттаилзинм

А П/П ~ 0..\Ч; 0 П/П = 0.4. добавка 1 КЖ Ч4 0,1',к влажность образцов: I — высушивание до постоянной массы при 105®С, 2 - выдерживание на воздухе при относительной влажности 72%; 3 — то же, при 100%; 4 - насыщение водой [3.21]

Разрушение бетона в растворах электролитов усиливается вследсті *е возможного проявления коррозионного действия растворенных соло и. особенно при увеличении их концентрации. Значительную роль играет миграция влаги в поровом пространстве бетона при отрицательной тем­пературе под влиянием градиентов температуры, влажности и осмотичв^ кого давления [3.1, 3.42]. Установлено, что в растворах солей при дли­тельном "вмораживании" при постоянной температуре происходит раз­рушение бетона [3.20]. Обледенение конструкций - обычное явление к суровых климатических условиях При этом создаются условия дм миграции незамерзшей воды к повггхности и накопление ее до прег - шения критической степени водонасыщения. Постоянное за мора жива - г в растворе хлористого натрия (табл. 3.15) может привести к быстро у разрушению бетона, особенно, если температура выше температу л эвтектики, т. е. сохраняется жидкая фаза. Ускоренное разрушение о таких условиях может быть объяснено как увеличением степени во; >- насыщения бетона за счет миграции влаги к холодной поверхности, т
и в результате обменных реакций (или обмена катионов) при контакте концентрированного солевого раствора с цементным камнем. Возможен и осмотический перенос воды в поровое пространство бетона, в котором концентрация солевого раствора повышена вследствие химического и физико-химического (адсорбционного) связывания воды при гидрата­ции цемента. В этом случае более опасны температуры более высо­кие, чем эвтектические.

Таблица 3. 15. Влияние солевого состава среды оттаивании и температуры "вмораживания" на прочность бетона [3.20]

Среда заморажи­вания

Температу­ра замора­живания, °С

Добавки

Изменение показателей после 14 сут твердения

Модуль

Упругости,

%

Прочности

При изгибе,

%

Относитель ная дефор­мация, Є 105

Раствор NaCl —

-16

Без добавки

Полное разрушение с

Бразцов

3%

СДБ + СНВ

-

7

+121

-25...50

Без добавки

63

70

0

СДБ + СНВ

88

87

0

Вода

-25 ...50

Без добавки

90

89

+10

СДБ + СНВ 97 103 -12

Примечание. Мелкозернистый бетон. Образцы 2,5 х 5,5 х 25 см.

При более низких температурах, как это видно из данных табл. 3.15, опасность разрушения уменьшается.

Влияние напряженного состояния на морозостойкость бетона иссле­довано в ряде работ [3.34, 3.25, 3.27, 3.13J. Появление микродефек­тов при замораживании и оттаивании вследствие развития внутренних напряжений и локальном превышении этими напряжениями прочности бетона на растяжение создает основу для усиления разрушения при на­ложении напряженного состояния от внешних сил. В соответствии с пред­ставлениями О. Я. Берга морозостойкость изменяется в зависимости от величины напряженного состояния сжатия [3.5], возрастая при увеличе­нии сжимающих напряжений до нижней границы микротрещинообразо - вания и снижаясь при дальнейшем росте напряжений.

Влияние напряженного состояния бетона в период замораживания и оттаивания изучалось неоднократно [3.29]. Представляют интерес дан­ные для такого распространенного вида конструкций как железобетон­ные сваи. Обследованием большого количества свай в сооружени їх [3.10] было показано, что их морозостойкость и состояние после дли­тельного срока эксплуатации зависят от степени затвердения, определяв­шейся сроком, прошедшим от изготовления до забивки и величины напряжений, возникавших в процессе забивки и суммировавшегося с ним напряжения обжатия в преднапряженных сваях (см. рис. 1.2,1.3). В производственных условиях величина динамических напряжений за­висит от параметров забивки, массы молота, высоты его падения и от свойств бетона головы сваи. Учитывая, что появление продольных тре­щин является наиболее распространенной причиной повреждения свай при последующем замораживании, следует особое внимание обращап. на rcxiiojioi ню 1101 ружепи».

Для получения высокоморозостоиких железобетонных копсірукций при проектировании в настоящее время вводят ограничения величины напряжений растяжения и сжатия [3.50, 3.40, 3.13 н др.]. Исследования поведения конструкций различного вида в условиях многократного повторного замораживания и оттаивания ведутся в ряде лабораторий, но их результаты ждут обобщений.

Важной п сложной задачей является оценка внешних условии і целью нормирования в проекте требований по морозостойкости. Необходимо переменные температурные и влажностные условия в различных клима­тических зонах "привести" к стандартным циклам замораживания и от­таивания. Такая работа выполнена для 120 пунктов территории СССР (табл. 3.16). Исследования в этом направлении продолжаются.

Защищенной от солнечной

Незащищенной от солнечной

Радиации

Радиации

Без стока

Со стоком

Без сто ка

Со стоком

Воды

Воды

Воды

Воды

Тонкостенные конструкции

Москва

22

12

65

57

Якутск

54

58

261

165

Массивные конструкции

Москва

15

9

24

18

Якутск

33

34

67

75

Таблица 3. 16. Условия работы железобетонных конструкций (пример)

Город

Число "приведенных" (стандартных) циклов замораживания и оттаивания в год на горизонтальной поверхности

Рассмотрение некоторых факторов, влияющих на процессы поврежде­нии бс 10П.1 при действии отрицательных температур, поды и распюроп солей показывает, что здесь мы имеем дело с комплексом весьма слож ных взаимосвязанных процессов. Беточ — капиллярио-пористое псевдо­твердое тело — изменяет свои размеры и прочность в постоянно меняю­щихся условиях внешней среды. Длительность сроков эксплуатации сооружений и высокие требования к их надежности в течение этих сро­ков обусловливают необходимость тщательного учета возможных изме­нений основных строительно-монтажных свойств бетона вс времени и создания такого материала, который сохранял бы эти свойства в задан­ных пределах. Придание бетону надежной морозостойкости, отражающей и его стойкость к другим физическим воздействиям, может быть достиг­нуто при всестороннем учете свойств материалов, использования послед­них достижений химизации технологии бетона и соблюдения требований к условиям твердения, поскольку формирование свойств бетона проис­ходит на строительной площадке или в заводских условиях в изделии - конструкции.

Оставить комментарий