ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Воздействие температуры на структуру и свойства бетона (фазовое состояние воды в бетоне)

Огромно влияние температуры на формирование структуры бетонных смесей и свойств бетонов. Два компонента в них - цемент и вода являются активными. Цемент при воздействии температуры в соответствии с коэффициентом объемного расширения изменяет свой объем. Иначе ведет при воздействии температуры вода.

Структура воды при температуре 20°С считается стандартной для определения прочности бетона в двацативосьмисуточ- ном возрасте. При этом она представляет собой ассоциаты из сцепившихся молекул. При контакте водных ассоциатов с поверхностью цементного зерна появляются новообразования в виде гидросиликатов, гидроалюминатов и других минеральных соединений, реагирующих на изменение температуры уже, как твердые вещества в соответствии с их температурным коэффициентом.

С повышением температуры движение частиц воды возрастает, крупные ассоциаты распадаются, количество контактов между частицами воды и зернами цемента в единицу времени возрастает, твердение материала ускоряется. При температуре 60°С связь между частицами воды настолько уменьшается, что образуется много молекул, свободно выходящих из системы в виде пара. Оставшиеся мелкие ассоциаты молекул воды в материале окончательно взаимодействуют с цементом.

Дальнейшее повышение температуры приводит к еще более активному взаимодействию цемента с водой. При приближении к температуре 100°С молекулы воды начинают испаряться и частично разлагаться на ионы водорода и кислорода и химическое взаимодействие с цементом происходит наиболее активно, благодаря чему последний мгновенно схватывается. Но это ещё не означает, что затвердевший материал имеет хорошую структуру и высокие прочностные характеристики. На самом деле вокруг цементного зерна образовалась лишь тонкая поверхностная оболочка из новообразований. В цементе только малая часть вещества успела прогидратироваться. Вода в дальнейшем из межзернового пространства постепенно будет проникать через оболочку новообразований к непрогидротирован- ной части цементного зерна. Появляющиеся в это время новообразования, имеют больший объем по сравнению с исходными материалами, давят изнутри на оболочку, разрушают её, что приводит к формированию весьма неблагоприятной структуры, а полученный бетон характеризуется низкими прочностными свойствами и долговечностью.

Исследования показывают, что твердение бетона при температуре 80°С (не говоря о более высокой температуре), часто приводит к определенным дефектам в структуре, что может снизить его прочностные характеристики примерно на ю % при этой температуре, по сравнению с 20°С, но сроки схватывания бетонной смеси ускоряются в 4-6 раз.

Таким образом, ускорение твердения при прогреве бетона происходит за счет повышения химической активности воды, приводя к более энергичному её взаимодействию с минералами цементного клинкера. И на этом принципе строятся все методы теплового воздействия на бетон с целью интенсификации его твердения в заводских и построечных условиях.

По мере понижения температуры, в интервале от 20 до 0°С, имеет место обратная картина - химическая активность воды начинается уменьшатся. Она формируется в виде увеличивающихся в размерах ассоциатов молекул, движение которых замедляется и количество контактов цементного зерна с частицами воды в единицу времени становится меньше. Процесс химического взаимодействия между ними, т.е. процесс твердения, постепенно замедляется. Если сравнить сроки схватывания цемента при положительной температуре, близкой к 0°С, и при температуре 20°С, то в первом случае она замедляется в 2- 4 раза. А схватывание шлакопортланд цементов и особенно пуццолановых, вообще растягивается подчас на многие часы.

Как известно, вода относится к аномальным веществам. Обычные вещества наибольшую плотность имеют в твердом состоянии, меньшую - в жидком и совсем малую в газообразном состоянии. У воды самая высокая плотность - при температуре 4°С с постепенным уменьшением при дальнейшем снижении температуры. При замерзании воды плотность льда на 9,07 % меньше по сравнению с ее плотностью в жидком состоянии. При температуре 4°С вязкость воды увеличивается на 80 % и вообще, в таком коротком температурном интервале (от 0 до 100°С), вода претерпевает все агрегатные состояния - от твердого до газообразного. И здесь приходится сталкиваться с удивительным явлением - уменьшением плотности воды в твердом состоянии.

В химии молекула воды представляется в виде треугольника, в одной вершин которого находится атом кислорода (анион), а в двух других - атомы водорода (катионы). Характеризуется межатомным расстоянием и углом между связями атома кислорода с атомами водорода (см. схему). В равновесии с простыми молекулами в воде находятся и сложные, выражаемые формулой (Н_;0)х. Соединения простых и сложных молекул (ассоциаты) не изменяют химической природы вещества. Сложные молекулы образуются или за счет притяжения разноименными полюсами, или за счет водородных связей.

Таблица 6.1

Фазовое состояние воды (лед), %, в бетоне с В/Ц= 0,7, замораживаемом с разной прочностью при различых температурах

Переход воды в лед происходит при 0°С практически мгновенно. Но не всякая вода при этой температуре замерзает. Сразу после затворения воду можно в бетонной смеси разделить на три группы:

• - свободная или механически связанная вода, которая заполняет все поры и капилляры в межзерновом пространстве и замерзает при 0°С;
• - физически связанная вода, которая в виде пленок обволакивает твердые частицы цементных зерен, зерен крупного и мелкого заполнителей и, в зависимости от степени связанности с поверхностью твердых частиц, замерзает при разных температурах; монослои воды непосредственно соприкасаются с твердой поверхностью, замерзают при температуре - 80°С. По мере удаления и уменьшения физической связи с ней температура замерзания слоев воды повышается, постепенно приближаясь по свойствам к свободной воде и с поверхности твердого тела практически исчезает;
• - химически связанная вода - это та часть воды затворения, которая при контакте с цементом сразу же начинает реагировать с ним и химически связывается в образующихся вследствие этой реакции новых минералах; этой воды как таковой не существует, а твердые новообразования веществ, в которые она вошла, реагируют на изменение температуры в соответствии с присущими им температурными коэффициентами.

В свежеприготовленной бетонной смеси свободной воды содержится около 90 % и только остальные 10 % воды затворения составляют физически и химически связанные виды воды (табл. 6.1).

При замерзании бетона свободная вода представляет интерес как агрессивно воздействующее на материал вещество. Переход воды в твердое агрегатное состояние связано с увеличением в объеме. Поскольку замерзание воды происходит с увеличением в объеме и с перестроением молекул, каждая из них занимает в пространстве больший объем. Хотя молекулы во льду и упаковались более плотно, благодаря «рыхлости» каждой молекулы масса единицы льда стала меньше такой же единицы воды за счет изменения структуры на молекулярном уровне. При се замерзании развиваются огромные давления, достигающие 2500 кг/см². По этой причине замерзающая вода раздвигает твердые составляющие бетонной смеси, разрыхляя тем самым структуру материала. Противостоять такому высокому давлению при замерзании воды не в состоянии не только бетон, не выдерживает такого давления даже сталь и чугун (разрушение при замерзании закрытых и заполненных водой труб и сосудов).

В дальнейшем в замороженном свежем бетоне при оттаивании нарушение структуры не исправляется, это губительно сказывается на его свойствах после затвердевания (табл. «л).

Таблица 6.2

Потери прочности бетоном, с В/Ц 0,7 при замора живапии с разной прочностью

Оттаявший после замораживания в свежем виде и потом затвердевший бетон по водопроницаемости, вместо давления запроектированного ₈ати, выдерживает не больше 1ати.

Особенно замораживание опасно в раннем возрасте. При армировании гладкой арматурой сцепление с бетоном может снижается на 80 %, а с арматурой периодического профиля снижение достигает 25 % за счет зацепления выступов профиля, но после оттаивания бетона на контакте с арматурой остается тонкий воздушный зазор вместо водяной пленки, обволакивающий арматурные элементы. При эксплуатации в него могут проникать агрессивные реагенты, а также вода и кислород из воздуха, что может резко повлиять не только на несущую способность конструкции, но и на ее долговечность.

Есть и еще один фактор, негативно влияющий на структуру и свойства бетона - внутренний массоперенос. Как известно из физики, в капиллярно-пористом материале при изменении теплового поля, вследствие возникновения температурного градиента, влага начинает перемещаться из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой. При замерзании све- жезабетонированной конструкции охлаждение ее начинается с поверхности и постепенно нулевая изотерма перемещается во внутренние слои конструкции. Влага из внутренних слоев бетона начинает по капиллярам передвигаться к нулевой изотерме. Особенно это заметно на контакте зерен крупного заполнителя с растворной матрицей, где на контакте в нижней части заполителя за счет седиментации всегда образуется тонкая водяная прослойка, замерзающая в первую очередь. Когда до нее доходит мигрирующая из внутренних слоев вода, в т.ч. физически связанная, она переходит в лед и ранее образовавшаяся ледяная прослойка увеличивается в объеме. В дальнейшем при положительных температурах она тает и полностью нарушает сцепление заполнителя с растворной матрицей бетона. Таким образом, из-за массопереноса нарушается монолитность бетона, что особенно наглядно можно видеть в поверхностных слоях оттаявшего бетона, из которого можно вынимать зерна заполнителя. После выемки зерна в образовавшемся гнезде заполнителя можно видеть красивый морозный узор, отпечатавшийся на растворной части бетона, который и является следом растаявшей водяной пленки.

Во избежание всех этих негативных последствий раннего замораживания бетона СНиП 3.03.01-87 установил требования, согласно которым бетон можно замораживать только по достижении 50 % прочности при марке 150, 40 % прочности - при марке 300 и 30 % - при марке свыше 400. Однако эти требования относятся не ко всем конструкциям.

Так, согласно ГОСТ-130150-83, в перекрытиях пролетом до 6 м бетон допускается распалубливать при прочности не менее 70 %, при пролетах более 6 м - не менее 80 % прочности от марки бетона. В конструкциях, подвергающихся в водонасыщенном состоянии в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, бетон к моменту замораживания должен достигнуть прочности не менее 80 % от марки бетона.

Следует, однако, помнить, что после распалубки с указанными прочностями для железобетонных конструкций необходимо обеспечить надлежащие благоприятные условия для твердения бетона и достижения 100 % проектной прочности, при которой можно передавать расчетную нагрузку на конструкцию.