книги из ГПНТБ / Миронов С.А. Бетоны, твердеющие на морозе
.pdfя
я
« Я
§ о
2 G
Я я S а
Й « а . о <;
2.
оW
оs
я я
я
о
я
о
а
яcaяоЕ-CD\о
W£
я <
я
яя U
О*. 2* ® â
я
я
5О
ЯЕ
шС.
ш2 ^кя
а
я
ш
«
я
я
m
2
05 t»
Я
CD
Я
о
ЯЯ яо
Я ис ю ш
я
Ь
эU
00 СМ
5
я со
СО
N |
§ |
S |
S' |
И |
I |
Э |
§ я |
|
я |
а |
я |
Я |
1D |
¥ |
к |
° |
я |
2 |
« |
о. |
я |
я |
g |
со |
|
05 |
|
't |
О СОО |
см |
||
ю |
|
1X1 СО О СМ05 |
a a |
|||||
|
|
>-1 1-і см |
СМ |
|||||
см |
|
^ |
to н |
Ю СО СО 05 |
||||
|
СОСО О ^І4 ^ |
ю Г- |
||||||
СО |
|
|||||||
|
|
|
|
С—1 І-Ч |
1-Н |
1—I |
т—I |
|
г» |
|
О] 05 |
^ |
О |
со н |
г- |
||
СО |
|
in xf Ю О О |
|
г- |
||||
|
|
|
|
|
гНт-Н |
|
|
|
СО |
|
СО г- СО |
см |
н |
со |
I |
||
О |
|
н" см ю |
||||||
|
|
СО |
Н |
|||||
СМ |
|
Cl |
h СО О О h ю |
|||||
|
СМ Н О СМО 05 н |
|||||||
тН |
|
тН |
гН Н Н СМг-1СМ |
|||||
СО |
|
см |
см со 05 |
>-І ^ |
СО |
|||
о |
|
05 |
о 05 05 |
<N10 |
|
|||
|
|
|
гЧ |
|
|
гЧ гЧ а |
||
г- |
|
|
( f i O t ' 0 0 |
0 |
||||
|
§ |
00 ю |
СО О |
СМ 05 |
||||
•71 |
|
^ |
|
|
НИН |
|||
05 |
|
см |
ю |
'ф |
|
|
|
|
•« |
|
|
|
|
00 05 |
оо |
|
|
О |
|
|
|
|
|
|||
|
як |
|
|
|
н |
г- |
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
S |
§ |
я |
* |
|
|
о |
|
|
Й |
S |
*■ |
V |
È U |
|
|||
« |
ш |
ю со см |
^ |
О |
' |
|
||
а X |
|
|
со |
|||||
0) |
о |
о " |
|
Н |
СМсо г~ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
СМ |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
I § |
|
|
|
|
|
|||
п |
я |
к |
|
|
|
|
|
|
я |
|
|
|
|
|
|
||
о5 |
я |
я |
|
|
|
|
|
|
Ю К
= 0 ,6 5 ; |
|
; В /Ц |
|
к г/м 0 |
мин. |
0 0 |
4 7 |
3 |
ч |
расходом |
цемента 3 |
воскресенском портландцементе с |
0 5 к гс/см , начало схватывания |
на |
= 2 |
§со
ь - .см шОС
ш
7 0
ных условиях, если до замораживания он выдерживался в течение трех суток, когда образцы приобрели прочность бо лее 70 кгс/см^, или около 35% марочной. При последую щем водном хранении создаются более благоприятные ус ловия для восстановления нарушенной морозом структуры бетона, а отсюда и для достижения в последующем более высокой прочности, чем при воздушном хранении.
Замороженный через 0,5 ч после начала схватывания це мента бетон также не добрал прочность, т. е. этот срок предварительного выдерживания бетона до замораживания не имеет никаких преимуществ перед другими, если в про цессе выдерживания бетон не приобретает прочность около 35% марочной.
При решении вопроса о том, когда и при какой прочности допустимо замораживание бетона, необходимо исходить по крайней мере из трех обстоятельств: вида изготовляе мой конструкции, степени загружения ее в период строи
тельства и требований к тем или иным свойствам |
бетона. |
Первые два положения учитываются требованиями, |
предъ |
являемыми при распалубке и частичном или полном загружении конструкций. Вследствие этого минимальная проч ность бетона к моменту его возможного замораживания
должна определяться этими требованиями, если к |
свой |
ствам бетона данного сооружения не предъявляются |
спе |
циальные требования. |
|
В дополнение к имевшимся данным в НИИЖБ были |
про |
ведены исследования для установления минимальной |
проч |
ности бетона, до достижении которой замораживаемые кон струкции после создания благоприятных условий с течени ем времени могут достигнуть своей несущей способности. Необходимо иметь в виду, что за таким бетоном должен быть организован соответствующий уход - укрытие зимой,
увлажнение при наступлении положительных температур. |
|
Результаты показали, что в зависимости от марки |
бетона |
так называемая критическая прочность должна быть |
не |
меньше указанной в табл. 10 . Эти усредненные данные по-
Исследование выполнено с целью проверки утверждений И. А. Киреенко [55] •.
7 1
Т а б л и ц а 1 0 . Минимальная (критическая ) прочность бетона до замораживания
Марка бетона |
Прочность бетона к моменту замерзания, |
||
|
не менее |
в кгс/см^ |
|
|
в % от |
Я28 |
|
100 |
50 |
|
50 |
150 |
50 |
|
75 |
200 |
40 |
|
80 |
3 0 0 |
40 |
|
120 |
4 0 0 |
30 |
|
120 |
5 0 0 |
30 |
|
150 |
Т а б л и ц а 11 . Требуемая прочность бетона к моменту распалубки и возможного его
замораживания |
|
|
|
Прочность бетона (в % от проект |
|
Строительные конструк |
ной) при фактической нагрузке в |
|
ции |
% от ноомативной |
70 и менее |
|
свыше 70 |
|
Конструкции из предва- |
|
|
рительно-напряженного |
10 0 |
80 |
железобетона.................. |
||
Конструкции, находящие |
|
|
ся в вечномерзлом грунте, |
|
|
колонны и несущие конст |
|
|
рукции (балки, ригели, |
|
|
плиты) пролетом 6 м и |
|
|
более................................. |
1 0 0 |
80 |
Несущие конструкции |
|
|
пролетом до 6 м ........... |
1 0 0 |
70 |
Разработана лабораторией методов ускорения твердения бетона НИИЖБ (С. А. Миронов, Б. А. Крылов, О. С. Ива нова, Е. Г. Глазырина) и Центральной лабораторией тео рии железобетона (А. А. Гвоздев, М. С. Боришанский).
7 2
лучены для бетонов на современных цементах |
отечествен |
|
ного производства. |
|
|
Данные табл. 10 допустимы при условии, что |
основными |
|
требованиями, предъявляемыми к бетону конструкций, яв |
||
ляются его прочность и непосредственно связанные с |
ней |
|
другие характеристики (деформативность, модуль |
упру |
гости) . Для снятия несущей опалубки и частичной или пол
ной загрузки монолитных конструкций, как правило, |
кри |
тическая прочность является недостаточной. В этом |
слу |
чае минимальной является распалубочная прочность |
бето |
на, которая зависит от степени загружения конструкций в период строительства (табл. 1 1 ).
Если к бетону предъявляют особые требования по моро зостойкости, газоили водонепроницаемости (плотности), то к моменту возможного замерзания по СНиП Ш -В .1-70, он должен приобрести полную проектную прочность.
Совершенно очевидно, что при несоблюдении требований, приведенных в табл. 1 1 , нельзя распалубливать конструк ции и вести дальнейшие работы. Это явно нецелесообразно и всегда выгоднее применять такие методы производства работ, которые обеспечивают набор требуемой распалубоч-
ной, а не критической прочности в ранние сроки. |
Поэтому |
||
нельзя допускать преждевременного замораживания |
(в |
||
том числе и по достижении критической прочности) |
несу |
||
щих конструкций, нагружаемых уже в период |
строитель |
||
ства. Недопустимо также замораживать бетон тех |
конст |
||
рукций, которые связаны с развитием фронта |
строитель |
||
ных работ на объекте. |
|
|
|
Известно, что в ряде случаев после замораживания |
це |
ментного теста, раствора и бетона в раннем возрасте при твердении в последующем при положительных температу —
рах они приобретают даже более высокую прочность, |
чем |
образцы-близнецы стандартного твердения. Сначала |
это |
было обнаружено для растворов [53] , а затем и для |
неко |
торых бетонов. При этом было установлено, что превыше ние прочности после замораживания в раннем возрасте на блюдается у тощих растворов и керамзитобетона или дру гих бетонов низких марок [34; 81] . Растворы жирных со ставов (менее 1:4) и керамзитобетон марки 50 и выше снижают прочность после раннего замораживания.
7 3
И. А. Киреенко [55] повышение прочности бетона |
или |
раствора в этих случаях объясняет уплотнением |
гелевых |
оболочек образующимися кристаллами льда при замерза |
нии воды затворения. Кристаллы льда, по его мнению, рас клинивают и измельчают зерна клинкера. В результате большая его часть вовлекается в процессы твердения. Од нако имеющиеся данные [10] свидетельствуют, что сте пень гидратации цемента, подвергнутого замораживанию ,
не увеличивается. Если бы прочность повышалась |
благо |
|
даря уплотнению оболочек вокруг клинкерных зерен, |
тог |
|
да это наиболее полно проявлялось Вы у бетона, |
заморо |
|
женного в более позднем возрасте, т. е. при |
появлении |
|
большего количества новообразований. Однако в |
некото |
|
рых случаях отмечается повышение прочности |
бетона, |
|
подвергавшегося замораживанию сразу после изготовле |
||
ния, т. е. в самой начальной стадии гидратации |
цемента, |
когда еще, в сущности, нельзя говорить об уплотнении ге левых оболочек кристаллами льда.
С позиции этой гипотезы нельзя объяснить также почему растворы и легкие (пористые) бетоны тощих составов вследствие замерзания в раннем возрасте приобретают за
тем более высокую прочность, а растворы жирных |
с оста' |
вов и тяжелые бетоны или легкие бетоны высоких |
марок |
наоборот, снижают прочность. Казалось бы, раннее |
заме |
раживание должно благоприятно отражаться на растворах
и бетонах жирных составов, в которых появляется |
боль |
ше продуктов гидратации. |
|
Критикуя гипотезу И. А. Киреенко, И. Н. Ахвердов |
и |
Э. Л. Каплан [б] несколько дополняют ее с тех же |
пози |
ций. Они объясняют наблюдаемое в ряде случаев повыше
ние прочности бетона, подвергавшегося замораживанию |
в |
раннем возрасте, постепенным замерзанием жидкой фазы |
|
в нем, а следовательно, отжатием продуктов гидратации |
к |
поверхности клинкерных зерен, увеличением концентрации |
и плотности геля, окружающего гидратирующиеся частицы. Однако вода постепенно замерзала и при охлаждении бето
на, предварительно выдержанного до замораживания в |
те |
чение 3 и 2 4 ч, но его прочность в последующем |
была |
меньше прочности бетона того же состава, выдержанного до замораживания в течение 8 ч.
7 4
И. М. Белозович, А. Г. Бунаков и С. А: Глазкова |
|
[10] |
|
считают, что прочность раствора или бетона, |
подвергнув |
||
шегося замораживанию, зависит от объема их пустот. |
В |
||
связи с этим вследствие расширения плотных |
растворных |
||
смесей (состав 1:3) при замерзании воды они будут |
раз |
||
рыхляться, а прочность их снижаться; вследствие |
расши |
||
рения воды при ее замерзании без расширения |
растворной |
||
смеси (состав 1:4 и выше) цементное тесто будет |
само |
||
уплотняться, а прочность его —повышаться. |
|
|
|
По нашему мнению, понижение прочности, так же как |
и |
||
повышение ее вследствие раннего замораживания |
бетона, |
зависит от структурных изменений и плотности цементного клея (фактического водоцементного отношения), которые складываются в период замерзания и последующего твер дения. При этом структурные изменения действуют всегда отрицательно, но, безусловно, что в тощих бетонах и раст ворах, характеризующихся повышенным воздухововлечением даже без специального введения поверхностно-активных добавок, они всегда будут меньше или даже не будут про являться.
При нарушении морозом контактов между цементным ра створом и крупным заполнителем прочность такого бетона
.■сегда будет ниже, чем твердеющего при положительных ■емпературах. Даже у цементного теста с содержанием во
ды всего лишь на 30% больше нормальной густоты |
после |
замерзания в возрасте 8 ч прочность цементного |
камня |
в последующем была ниже, чем у неподвергавшегося |
за |
мораживанию [6] . Это указывает на то, что даже неболь
шое увеличение слоя водных оболочек вокруг |
цементных |
зерен приводит не к 'уплотнению гелевых оболочек крис |
|
таллами льда", а к разуплотнению структуры |
цементного |
камня, а значит и к снижению его прочности.
Важнейшим фактором, влияющим на прочность цементно
го камня и бетона при раннем замораживании, так же |
как |
и при нормальном твердении, является фактическое |
водо |
цементное отношение. Как показывают опыты, фактическое водоцементное отношение у бетона или раствора может от личаться от первоначального. При уменьшении водоцементного отношения у бетона, подвергавшегося замораживанию, создаются предпосылки к повышению прочности по срав
7 5
нению с твердеющим в стандартных условиях. Наглядным примером является отсос воды пористыми заполнителями из цементного теста в начальный период после приготов ления бетона и отдача ее в цементное тесто при последую щем твердении, а также уменьшение В/Ц вследствие ми грации воды при охлаждении. В этих случаях замерзание бетона фактически происходит при сниженном водоцемент ном отношении.
Подтверждением того, что прочность бетона, подвергав шегося замерзанию в раннем возрасте, снижается, глав ным образом, вследствие-структурных нарушений, а воз можно ее повышение может происходить за счет сниже ния фактического В/Ц, могут служить данные табл. 12. Из этих данных видно, что замораживание бетона привело к понижению его прочности. Однако при повторном уплотне нии (вибрировании) бетона в момент оттаивания структура его была восстановлена, а уменьшенное в нем фактиче ское водоцементное отношение способствовало увеличению прочности бетона.
Т а б л и ц а 12 . Прочность бетона после хранения в различных условиях (по данным С. А. Миронова)
|
Прочность в % через период |
||
Условия хранения образцов |
времени в сутках |
|
|
|
15 |
10 0 |
|
Стандартные............................ |
100 |
100 |
|
3 суток на морозе, затем |
|
|
|
стандартные......................... |
79 |
97 |
|
То же, но с повторной вибра |
|
|
|
цией после оттаивания........... |
110 |
104 |
|
Таким образом, прочность бетона, подвергавшегося |
за |
||
мораживанию в раннем возрасте, повышается в тех |
слу |
||
чаях, когда положительное влияние уменьшенного |
В/Ц |
||
превосходит структурные нарушения. |
|
|
|
Из данных табл. 10 видно, что чем большем |
марка |
бе |
тона (чем меньше его В /Ц ), тем выше должна быть |
абсо |
лютная прочность бетона до замораживания. Это еще |
раз |
подтверждает высказанное положение о том, что влияние
7 6
замораживания на прочность бетона при последующем его твердении определяется двумя противоположно действую щими факторами - фактическим В/Ц и структурными нару
шениями. Поскольку в данном случае речь идет о |
частич |
но затвердевшем бетоне, в котором условия для |
миграции |
воды ограничены, то чем плотнее бетон, т. е. чем |
выше |
его марка, тем больше и структурные нарушения при за |
|
мерзании,. Для противодействия возникающим |
напряже |
ниям необходимо, чтобы стенки капилляров и пор были бо
лее прочными, т. е. была больше абсолютная |
прочность |
бетона. |
|
Таким образом, основными причинами понижения или по-' вышения прочности замораживаемого бетона являются фи зические процессы и технологические факторы (пористость скелета, содержание воды и воздуха, В/ІД, степень уплот
нения и др.). При замерзании жидкой фазы |
химические |
||
реакции только временно прерываются. Замораживание |
не |
||
снижает потенциальной способности цемента к |
гидратации |
||
и не изменяет фазового состава новообразований. |
Микро |
||
структурные деформации (уплотнение и разуплотнение |
це |
||
ментного геля) при замораживании и оттаивании |
не |
мо |
|
гут явиться основной причиной снижения или |
повышения |
прочности бетона при замораживании его в раннем возрас те. Их следует считать не главной, а второстепенной при
чиной в формировании структуры и в последующем |
наборе |
прочности бетона. |
|
Механические свойства замороженного бетона. |
Замора |
живание бетонов и растворов в раннем возрасте сопровож дается увеличением их прочности. Дополнительный источ
ник цементации - лед, образовавшийся в составе |
бетона,— |
обладает различными прочностью, пластичностью, |
теку |
честью в точках контакта его с твердыми составляющими
под действием внешней нагрузки. Ледоцементные |
связи |
(независимо от связывания цементным камнем) |
упроч |
няются с понижением температуры вследствие уменьшения
подвижности атомов водорода в кристаллической |
решетке |
льда. |
|
Нами определялась прочность растворов, а также |
бетона |
марок 7 5 , 100 и 2 0 0 в замороженном состоянии |
при |
температурах - 5 , - 2 0 , -5 0 , - 1 0 0 и -1 5 0 °С . Бетон за -
7 7
Рис. 28 . Прочность бетона |
в |
||||
замороженном состоянии |
при |
||||
температуре - 2 0 |
( ^ ^ Н );- 5 0 |
||||
( ^ 2 |
л ) и -Ю О°С |
(С,... |
I |
) |
|
[замораживание сразу (1 ), че |
|||||
рез 1 |
( 2 ) ,3 (З) |
и 5 |
(4) суток |
||
после затворения (при -1 0 0 °С |
|||||
через 7 суток)] |
|
|
|
|
|
мораживался в возрасте О, 1, 3, 5 -7 , 10 и 30 суток |
|
в |
|||
образцах 20x20x20 и 10x10x10 см для испытаний |
|
на |
сжатие и в плитках размером 20x20x10 см для определе ния ударной вязкости. Испытывались они, как правило пос ле трехсуточного пребывания в холодильных камерах.
В результате этих исследований установлено [85], что повышение льдистости до известных пределов увеличивает сопротивление бетона сжатию, но повышает пластические (деформативные) свойства его при замораживании в ран нем возрасте. Затем свойства мерзлых бетонов меняются.
Модуль упругости и призменная прочность таких |
бетонов, |
|||
так же как и прочность на сжатие, увеличиваются с |
пони |
|||
жением температуры (рис. 2 8 ). Изменение |
механических |
|||
свойств растворов и бетонов зависит от температуры |
за |
|||
мораживания, их влажности и стадии твердения |
(проч |
|||
ность затвердевших и высушенных образцов с |
понижением |
|||
температуры существенно не изменяется). |
|
|
|
|
В результате исследований, выполненных в НИИЖБ |
под |
|||
руководством В. М. Москвина [4, 51, 117} , |
установлено, |
|||
что наибольший прирост прочности зрелого бетона |
наблю |
|||
дается в интервале температур до —7 0 |
С. При этом |
ста |
||
тический модуль упругости увеличивается в меньшей |
сте |
|||
пени, чем все остальные прочностные |
характеристики. |
Дальнейшее понижение температуры вплоть до температу
7 8
ры кипения жидкого азота (-196°С ) практически не из меняет прочностные характеристики бетона, твердевшего более 28 суток в стандартных условиях. Такие бетоны мо гут применяться для сооружения резервуаров для хранения
сжиженных газов, для конструкций в блоках |
разделения |
воздуха и для транспортирования сжиженного |
природного |
газа. |
|
Высокая прочность бетона в замороженном состоянии мо жет быть использована во многих случаях в зимний период. Готовые изделия прочностью, значительно ниже марочной,
в замороженном состоянии могут транспортироваться, |
ук |
||
ладываться в дело или подвергаться временному |
загру- |
||
жению, с учетом последующего нарастания прочности |
при |
||
положительных температурах и соответственно |
полного |
||
загружения. В военные годы (1 9 4 1 - 1 9 4 4 гг.) в |
|
раде |
|
случаев эти свойства замороженного бетона |
использова |
||
лись, например, при транспортировании и забивке |
свай, |
||
при монтаже оборудования на недостаточно |
затвердевших |
||
фундаментах, при устройстве дорог. |
|
|
|
Твердение бетона на морозе
Исходя из степени гидратации клинкерных минералов при отрицательных температурах следовало бы ожидать доста точно интенсивное их твердение в этих условиях. В дейст
вительности (табл. 13) основа портландцемента- |
сили |
катные минералы - уже при -5 С характеризуется |
низки |
ми значениями набора прочности. И если образцы из С S в длительные сроки выдерживания при указанной температу ре все же достигают заметной прочности, то из ß -С^ронц наоборот, разрушаются.
Увеличенное по сравнению со степенью гидратации отри цательное действие мороза на прочность камня из клин керных минералов объясняется тем, что при температурах ниже О С замедляется не только скорость химических про цессов, а вместе с нею и интенсивность твердения, но и формируется менее плотная структура вследствие перехо да воды в лед. Это, в основном, обусловливает ухудшение физико-механических свойств цементного камня. Подобно
7 9