книги из ГПНТБ / Миронов С.А. Бетоны, твердеющие на морозе

Рис. 25 . Изменение льдистости бетона в зависимости от температуры при прочно­ сти бетона к моменту за­ мерзания (в % от его марки)

зависит от возраста бетона до замораживания. Для свеже-

предварительного выдерживания бетона до замораживания лед образуется постепенно в широком диапазоне отрица­ тельных температур. При этом чем выше прочность бетона до замерзания, т. е. чем больше в нем продуктов гидрата­ ции, тем меньше льдистость и тем больше количество не­ замерзшей воды при одинаковой отрицательной температу­ ре.

Рассмотрение вопроса о замерзании воды в бетоне будет неполным, если не остановиться на процессе миграции (перемещении) ее. Тем более, что миграция воды многими

воды к образовавшимся кристаллам льда вследствие боль-

6 0

перепада между внутренними и поверхностными слоями бе­ тона начинается движение воды из теплой среды в холод­ ную - к поверхности. Вследствие этого поверхностные слои

тельных температур увеличивается радиус капиллярных пор и уменьшается размер микропор геля [46] .

Таким образом, вследствие миграции воды льдистость бетона может зависеть и от длительности выдерживания при данной отрицательной температуре. Наиболее заметна за­ висимость льдистости бетона от времени выдерживания на

тонах, где, наоборот, большинство пор замкнуто и мигра­ ция влаги затруднена, эта зависимость менее выражена. Хотя при полном насыщении водой она заметна и для зре­ лого бетона [134]'.

Вследствие Миграции содержание свободной воды в бето­ не после оттаивания повышаетсң по сравнению с периодом, предшествовавшим замораживанию [52] . Поскольку упру­

6 1

рушается вследствие сегрегации льда (концентрации)внут­

льда в случае свободного роста кристаллов показали, что вследствие пластичности льда и его текучести это давле­ ние не велико [25, 102] , в связи с чем кристаллизацион­ ное давление льда может быть главной причиной .наруше­ ния структуры незатвердевшего бетона.

В результате миграции воды в поверхностном слое могут образоваться включения льда, видимые даже невооружен­

скопления льда при оттаивании бетона оказываются прони­ занными каналами и пустотами. В дальнейшем в этих мес­

Кроме того, при замораживании свежего бетона наиболее

зерна клинкера вследствие протекающих на их поверхности

зом, под нижней их постелью. После оттаивания бетона на

6 2

Рис. 26 . Образование льда под зернами круп ног о заполнителя

Если плотный заполнитель типа гранита почти не впиты­ вает воду и контакт его с цементным раствором может на­ рушиться только в достаточно свежем бетоне, то этого нельзя сказать о пористых заполнителях. Туф, вулканиче­ ский шлак, керамзит вначале отсасывают воду из бетона, а затем постепенно отдают ее обратно. В результате сни­ жается фактическое В/Ц раствора и улучшается сцепление, смягчая отрицательное действие мороза. Насыщенный во­

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

В затвердевшем бетоне, с одной стороны, вследствие об­

разования закрытых капилляров и пор условия для мигра­ ции воды, и концентрации льда неблагоприятны, а с другой,

твердевшего бетона вследствие роста микровключений льда в капиллярах и порах за счет отсоса ее из геля цемент­ ного камня [106] . Видимо, нарушения структуры бетона

прочности бетона, но остаются одной из причин повышен­ ной его проницаемости.

6 3

Образование закрытых капилляров и пор по мере затвер­ девания бетона затрудняет миграцию, понижает темпера­ туру замерзания заключенной в них воды. Однако при уве­ личении объема воды в замкнутой поре или капилляре бу­ дет развиваться гидравлическое давление. При замерзании воды в замкнутом пространстве давление достигает боль­

к г с /с м ^ , при-1 7 ,6 О - 1 8 2 8 кгс/см ^, а максимальное

достаточной длине тупикового или неточного капилляра, а также для замкнутой поры давление в них практически бу­ дет определяться лишь проницаемостью стенок

при близкой к нулю или отрицательной температуре, а так­ же возможность образования льда в особо крупных капил­ лярах и порах впереди фронта промерзания, то становится очевидным, что в отдельных порах и капиллярах могут раз­ виваться высокие давления. Во время быстрого повышения до максимума гидравлического, давления при образовании кристаллов льда из переохлажденной воды в отдельных ус­ ловно замкнутых объемах цементного камня, по-видимому, й разрушаются стенки капилляров и пор, т. е. нарушается структура бетона (разрывы могут происходить и при филь­

6 4

Для развития гидравлического давления необходимо,что­ бы капилляр или пора были заполнены водой не менее, чем на 91% их объема. Поскольку в бетоне имеются поры и ка­ пилляры различных размеров, а в силу адсорбции водой на­ сыщаются прежде всего мелкие, то структура бетона мо­ жет нарушиться при гораздо меньшем общем насыщении бетона водой. Так как температура замерзания воды в бе­ тоне зависит от диаметра поры или капилляра, то величина критического водонасыщения бетона непосредственно свя­

дуктами вследствие продолжающейся гидратации цемента. Структура затвердевшего бетона может нарушаться и

подвергается циклическому изменению температуры в ин­ тервале низких отрицательных температур без перехода че­ рез О С [102] . Причиной этого является существенное различие коэффициентов линейного расширения скелета ма­

температуре не более О С, однако очень мелкие кристаллы льда при такой температуре будут таять. Чем меньше кри­ сталл льда, тем более низкая температура нужна для того,

значительно больше, чем размер кристалла, поскольку слой замораживаемой воды требует определенного пространст­ ва при выпадении в кристалл.

пится значительное количество льда и точки его плавления

6 6

сместятся в сторону более высоких отрицательных темпе­ ратур, поскольку обратного перехода воды в микропоры из-

пилляров, а при температурах ниже - 3 0 С - из мелких ка­ пилляров и даже из геля гидросиликата кальция. В этом случае толщина слоев воды в межкристаллической решетке уменьшается и твердые частицы гидросиликата кальция сближаются. В результате наблюдается усадка геля, появ­ ляются дополнительные напряжения и прочность бетона за период пребывания на морозе снижается [3 9] . В дальней­ шем при твердении бетона в условиях положительных тем­

При отсутствии макроструктурных нарушений в бетоне он нормально набирает прочность.

Кроме указанных причин на развитие деструктивных про­ цессов в замораживаемом бетоне влияют напряжения, вы­ званные различием коэффициентов линейного расширения цементного камня и заполнителей, а также температурные напряжения, вызванные нестационарным температурным полем в материале. В результате действия последних в бетоне образуются микро- и макротрещины, способствую­ щие ускоренному разрушению влажного бетона при замо­ раживании [102, 124] .

Рис. 27 . Изменения темпе­ ратуры (1) и размеров (2) бетонных образцов при замо­ раживании и оттаивании (по данным Е. Г. Глазыриной)

6 7

Одним из возможных, хотя в известной мере и косвен­ ных способов определения нарушений структуры бетона в

мерно до О С их размеры уменьшаются вследствие повы­ шения плотности воды (до +4 С) и температурного сжа­ тия заполнителей, цемента и вовлеченного воздуха, а так­ же в результате потери воды. С переходом температуры за

так как увеличение объема замерзающей воды значительно превышает объем температурного сжатия остальных ком­ понентов бетона, линейные размеры призм увеличиваются.

При оттаивании бетона несколько увеличивается размер образца вследствие температурного расширения материа­ лов. В момент плавления льда происходит, наоборот, усад­ ка, связанная с самоуплотнением бетона благодаря умень­

обычной влажностной усадкой. При этом часто об разец со­ храняет остаточное расширение, аналогичное тому, кото­ рое наблюдается при тепловой обработке [93] .

Величина остаточной деформации характеризует степень

ностью бетона: подвергавшегося раннему замораживанию, не существует.

Максимальные и остаточные деформации бетона при за­ мерзании зависят от расхода цемента, пористости запол­ нителей, водосодержания, скорости понижения температу­ ры и ее минимального значения. По мере повышения на­ чальной прочности в результате химического и физическо­ го связывания воды, а также уменьшения степени запол­ нения капилляров водой и образования микроемкостей для свободного расширения льда максимальные и остаточные

6 8

температурные деформации в процессе замерзания и от­ таивания уменьшаются, а прочность бетона при последую­ щем твердении достигает больших значений. При достиже­ нии же определенной прочности перед замерзанием вообще никакого расширения в дальнейшем не наблюдается. Такой

формаций, перераспределение воды и образующиеся микро­ трещины обусловливают локальные нарушения структуры, образование сети каналов, нарушение контакта между ра­

до замораживания он приобрел определенную критическую прочность.

Выдерживание бетона до замораживания. Критическая и

(от О до - 6 0 С ), но и при переменных температурах.Фак­

вергался замораживанию. В качестве иллюстрации в табл.9 приведены результаты испытаний прочности бетона, замо­ роженного в течение трех суток при - 2 0 С с последую­ щим твердением в стандартных условиях и в воде.

Из данных табл. 9 видно, что бетон несущественно теря­ ет прочность при последующем выдерживании в стандарт-

6 9