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
1 |
||
I |
І |
|
|г5 Ш |
V/ У// Ш |
|
ЗОНА АТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ■ ЗОНА СЕЗОННОГО ОТТАИВАНИИ ГРУНТА ЗОНА ПОСТОЯННОЙ ____________ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ----------- ТЕМПЕРАТУРЫ |
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;
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]
|
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]
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
|
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
2 ^ 6 8 СОДЕРЖАНИЕ ВОЗДУХА. \ |
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]
|
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]
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.
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]
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.
4з
Оставить комментарий