Кинетика замерзания и оттаивания бетонных образцов при различной температуре

Итак, от чистой воды мы переходим к бетонной смеси. Проследим фазовые превращения воды около температуры 0 °С в свежеприготовленной бетонной смеси.

Воспользуемся данными диссертации А.Л. Беловой, посвященной исследованию влияния раннего замораживания бетона на его структуру и физико-механические свойства. Исследуя кинетику замерзания и оттаивания бетонных образцов при различных температурах, она обнаружила периоды стабилизации отрицательной температуры (рис. 19). Эти периоды обусловлены кристаллизацией плавлением льда при переходе криоскопической точки. Причем чем ниже температура среды, тем короче на графике участки горизонтальных линий, которые фиксируются около температуры -1 °С. При охлаждении бетонных образцов до температуры -2 °С криоскопическая площадка достигала наибольшей длины, так как отвод тепла кристаллизации льда был медленным.

Такая картина наблюдается и у чистой воды с той лишь разницей, что криоскопическая площадка будет не при -1 °С, а ближе к 0 °С. В бетоне или цементном тесте смещение криоскопической площадки объясняется тем, что в нем не вся вода замерзает при 0 °С.

Температурные кривые замерзания и оттаивания бетонных образцов при различных отрицательных температурах

Рис. 19. Температурные кривые замерзания и оттаивания бетонных образцов при различных отрицательных температурах

Рассмотрев фазовые превращения одного из компонентов бетонной смеси — воды, как в чистом виде, так и в составе свежеприготовленной бетонной смеси, посмотрим на проблему замораживания бетона более широко.

Проблема влияния замораживания на физические и механические свойства бетона может быть разделена на два направления.

  • 1. Влияние раннего замораживания на бетонную смесь и бетон.
  • 2. Влияние низких температур на свойства затвердевшего бетона.

Влияние раннего замораживания

Остановимся на первом направлении. В этом направлении можно выделить ряд отдельных вопросов:

  • • замораживание при низких и высоких по абсолютной величине отрицательных температурах;
  • • формование контакта заполнителя с цементным тестом при замораживании;
  • • раннее замораживание.

Замораживание при низких и высоких по абсолютной величине отрицательных температурах. Рассмотрим последовательно эти вопросы. Экспериментами, проведенными под руководством профессоров

Крылова и Миронова, установлено, что замерзание бетона в раннем возрасте наиболее опасно в диапазоне температур -2...-5 °С. Несмотря на то что при этих температурах в бетоне протекает гидратация цемента, нарушения структуры, вызванные замерзанием бетона при этих температурах, оказались настолько велики, что привели к потерям прочности в 28-суточном возрасте после оттаивания до 40 % марочной. При исследовании структуры под бинокулярной лупой с 16-кратным увеличением видны места скопления ледяных линз в поверхностных слоях бетона глубиной 2—2,5 см. Здесь видны цепочки удлиненных ледяных кристаллов, а после оттаивания — морозные узоры от замерзания скопившейся под заполнителем влаги. В более глубоких слоях такого явления не наблюдалось. Это свидетельствует о сильной миграции влаги в поверхностные слои бетона при замерзании его при температурах -2...-5 °С, в результате длительно сохранявшегося в нем температурно-влажностного градиента.

При замерзании бетона при —50 °С потери прочности в 28-су- точном возрасте после оттаивания были на 10—15 % меньше, чем при -5 °С. При рассмотрении замерзания образцов бетона под бинокулярной лупой видны были равномерно распределенные по всему объему мелкие кристаллы льда. Таким образом, замерзание свежеприготовленного бетона сразу после укладки при температурах -2...-5 °С опаснее и приводит к большим потерям прочности после оттаивания, чем при замерзании его при -50 °С.

Объясняется это тем (см. рис. 19), что медленная скорость замораживания способствует миграции еще не замерзшей воды, сегрегационному росту льда, образованию однородных линз льда, близких к монокристаллу, тогда как при быстром замораживании интенсивность кристаллизации воды превосходит интенсивность ее миграции к фронту промерзания, а структура льда рыхлая и поликристалли- ческая.

Замерзание воды в тонких капиллярах и порах (почему твердеет бетон при отрицательных температурах?). В свежеприготовленной бетонной смеси имеется ряд пустот, пор различной величины и капилляров. С течением времени стенки пор укрепляются, внутри них остается или свободная вода, или пузырьки воздуха. Капиллярные силы заставляют воду перемещаться и заполнять наиболее мелкие капилляры. Часть воды входит в химические соединения с минералами цементного клинкера, а часть ее остается в свободном и физически связанном состоянии. Все это сказывается на поведении воды во время замерзания бетона.

Установлено, что в крупных порах свободная вода замерзает с падением температуры ниже О °С.

Оставшаяся вода в тонких капиллярах замерзает при более низкой температуре. Причем чем прочнее стенки этих капилляров, тем ниже температура замерзания в них воды, т. е. чем позже после приготовления заморожен бетон, тем меньше в нем льда.

Вода, содержащаяся в тонких капиллярах и контракционных порах геля, замерзает при температуре -30 °С и ниже, а в прослойках между кристалликами собственно геля — при температурах -60 °С и ниже.

Вода, окружающая гелевые оболочки при замерзании, увеличиваясь в объеме, оказывает на них давление, вызывая микродеформации. Тем самым открывается доступ воде при переходе ее в жидкое состояние в глубь цементных частиц (через гелевые оболочки).

В результате экзотермической реакции взаимодействия воды с минералами цементного клинкера происходит тепловыделение. При этом в микроочагах тепло вызывает таяние льда с образованием некоторого количества жидкой фазы. Это происходит до тех пор, пока выделяющаяся тепловая энергия в состоянии поддерживать жидкую фазу. При этом чем ближе отрицательные температуры к нулю, тем относительно больше воды сохраняется в жидком состоянии и тем больше возможностей увеличивать ее ресурсы за счет экзотермических «вспышек». С понижением температуры эти возможности и ресурсы уменьшаются. При полном замерзании воды в порах и микрокапиллярах, а также с понижением химической ее активности и увеличением вязкости в тонких капиллярах при температуре -10 °С и ниже твердение бетона прекращается. Непрореагировавшая часть цемента сохраняет способность в дальнейшем при наступлении благоприятных условий снова вступить во взаимодействие с водой. Поэтому очень важно обеспечить плотность структуры, избегать разрыхления ее при замерзании за счет потери влаги. Следовательно, гипотеза профессора Кириенко о взаимодействии цемента с водой в твердой фазе не подтверждается. Иначе бетон твердел бы при любой отрицательной температуре.

Однако бетоны, замороженные сразу после приготовления, могут обеспечить лишь весьма ограниченное и замедленное нарастание их прочности на морозе. Процессом твердения бетонной смеси при отрицательной температуре можно в определенных пределах управлять путем введения соответствующих химических добавок.

Формирование контакта заполнителя с цементным тестом при замораживании. При воздействии отрицательных температур вода вокруг крупного заполнителя переходит в лед. После оттаивания в этом месте возникают зазоры и отслоения раствора.

Объясняется это миграцией (массопереносом) воды под влиянием температурно-влажностного градиента к более холодным поверхностям крупных заполнителей и седиментационным скоплением ее под ними. Таким образом, крупный заполнитель и раствор или цементно-песчаная масса разделяются слоем воды, который и ослабляет зазоры.

Раннее замораживание. При замерзании бетона в раннем возрасте не только прекращается гидратация цемента, а следовательно, и рост прочности, но и происходит нарушение структуры вследствие увеличения примерно на 9 % объема замерзающей воды. Вызываемые замораживанием бетонной смеси или бетона весьма малой прочности разбухание и сдвиг зерен в контакте его составляющих приводят к нарушению сцепления между отдельными зернами еще недостаточно сцементированных между собой составляющих бетон материалов.

Интересные исследования выполнены в лаборатории методов ускорения твердения бетона в НИИЖБ Госстроя СССР по замораживанию бетона в раннем возрасте, а также после достижения им 30,5 и 75%-ной марочной прочности. Исследования велись по определению количества льда, образующегося в бетоне при температурах от -1 до -45 °С в разном возрасте.

На рис. 20 представлены результаты определения льдистости бетона, подвергавшегося замораживанию сразу, через 24 ч и при прочности 50 и 70 % от 28-суточного нормального твердения.

Льдистость — это отношение количества льда к массе химически связанной воды. Если у свежезамороженного бетона при температуре -10 °С почти вся вода замерзает, то в бетонах, твердевших до достижения 20, 50 и 70%-ной марочной прочности, даже при -45 °С значительное количество ее остается в жидкой фазе.

Исследования показали, что количество льда, образующегося в бетоне, зависит от температуры замерзания, его «зрелости» к моменту замораживания, водосодержания и т. п. По мере понижения температуры бетона количество льда в нем увеличивается (табл. 4).

Глава 3. Влияние отрицательных температур на бетон...

39

Изменение льдистости в бетоне на белгородском портландцементе

Рис. 20. Изменение льдистости в бетоне на белгородском портландцементе:

I — замораживание сразу после изготовления; 2 — через 24 ч; 3, 4 — после достижения 50- и 70%-ной марочной прочности

Таблица 4. Количество воды, перешедшей в лед при замораживании бетона разной прочности, в % от воды затворения

Температура

замерзания

Бетон, замороженный сразу после приготовления

Бетон замороженный прочностью

15 %otR28

50 % от R28

70 % от R28

-5

92

58

27

25

-15

93

74

58

44

-45

97

87

65

57

Если увеличивается количество льда, следовательно, уменьшается прочность. При прочих равных условиях наибольший ущерб от раннего замораживания наблюдается в бетонах с повышенным В/Ц и большим расходом цемента.

Установлено, что с увеличением срока выдерживания бетона до замораживания при воздействии отрицательных температур его структура нарушается меньше.

Замораживание оказывает вредное действие на свойства бетонов только в раннем возрасте, т. е. при схватывании, и в начальный период твердения. Поэтому бетон следует предохранять от замерзания до приобретения им минимальной (критической) прочности, которая обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и сохраняет в последующем при положительных температурах способность к твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона (табл. 5).

Таблица 5. Минимальная прочность, которую бетон должен приобрести к моменту замерзания

Марка

бетона

Минимальная прочность, не менее

Время выдерживания на П.Ц. при 15—20 °С, сут.

% от R2g

Кгс/см2

100

50

50

5-7

200

40

70

3-5

300

35

100

2-2,5

400

30

120

1,5-2

500

25

125

1-2

Многочисленные исследования, проведенные в НИИЖБ Госстроя СССР и в других научно-исследовательских институтах, показали, что если бетон заморожен до достижения им критической прочности, то в последующем даже после длительного хранения в нормальных условиях он не достигнет своей проектной марки. Чем меньше прочность бетона в момент его замерзания, тем ниже его прочность после дополнительного 28-суточного выдерживания в нормальных условиях. Особенно вредно и необратимо сказывается раннее замораживание на сцеплении бетона с арматурой и на морозостойкости.

При замерзании цементного теста химическая реакция прекращается, так как между кристаллами льда и минералами клинкера не происходит взаимодействия. Однако минералы цементного клинкера не теряют способности гидратироваться при наступлении благоприятной положительной температуры.

Бетон, начавший твердеть, а затем замерзший после оттаивания, продолжает твердеть в теплой среде, причем, если он не был поврежден замерзающей водой в самом начале твердения, прочность его постепенно нарастает (рис. 21).

Однако прочность бетона не достигает той, которая получается в нормальных условиях.

Относительная прочность бетона в зависимости от его возраста t в момент

Рис. 21. Относительная прочность бетона в зависимости от его возраста t в момент

замораживания:

1 — бетон незамороженный; 2 — бетон замороженный в возрасте 7 сут.; 3 — то же, 3 сут.; 4 —то же, 1 сут.; 5 — то же, 6 ч

Если бетон после оттаивания сохраняет свою подвижность и оказывается способным снова к уплотнению, то замораживание может не оставить вредных последствий. Больше того, как показали исследования, если свежезамороженный бетон подвергнуть при оттаивании эффективному уплотнению и восстановить монолитность его структуры, то его прочность может даже несколько повыситься по сравнению с контрольными образцами. Результат будет примерно тот же, что и при повторном вибрировании бетона через некоторый промежуток времени.

Раннее замораживание влияет и на водонепроницаемость бетона. Водонепроницаемости бетона можно нанести ущерб в большей степени, чем прочности и модулю упругости, из-за очень раннего замораживания бетона. Общее влияние очень раннего замораживания на водонепроницаемость бетона сводится к увеличению этой проницаемости по меньшей мере в десятки раз.

Замерзший бетон трудно отличить от нормально затвердевшего. Известны случаи, когда с замерзшего бетона снимались опалубки, а разрушался он спустя некоторое время после оттаивания. Такие случаи, безусловно, могут иметь серьезные последствия.

Поэтому для создания нормальных условий твердения бетона в ранний период применяют различные способы зимнего бетонирования: метод «термоса», электропрогрев, с использованием химических добавок и т. д.

Влияние низких температур на свойства затвердевшего бетона

Затвердевший бетон также нуждается в уходе. Влияние отрицательных температур на затвердевший бетон является, как отмечалась в начале лекции, вторым направлением рассматриваемой здесь проблемы.

После приобретения бетоном некоторой прочности (выше критической) мороз может оказывать вредное влияние только при многократном попеременном замораживании и оттаивании. Такое воздействие на бетон особенно вредно в сооружениях, работающих под действием напорной воды.

Снижение морозостойкости, появление трещин и снижение водонепроницаемости зависят главным образом от нарушения структуры бетона, вызванного влиянием отрицательной температуры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >