Влияние низких температур на морозостойкость бетона

Процессы схватывания и твердения гидравлических вяжущих подвержены заметному влиянию низких температур. При снижении температуры с 20 до 5°,  начало схватывания может быть сильно замедлено (в 2-5 раз, в зависимости от типа цемента). Но особенно резко проявляется это замедление при дальнейшем понижении температуры - ниже +5°. При 0° бетон твердеет очень медленно. В качестве примера укажем, что портландцементный бетон, сохранявшийся при 0° без замораживания, показал по истечении 28 дней прочность, меньшую, чем образец того же бетона, хранившийся 5 дней при 20°. Однако с восстановлением нормальной температуры выдерживания твердение вновь принимает обычные темпы. Если эти обстоятельства учитывать должным образом, то серьезных осложнений они на строительной площадке не вызовут.

Иначе обстоит дело, когда температура падает ниже 0°. С того момента, как только начинает образовываться лед, сопутствующее этому процессу объемное расширение (воды в порах) дезорганизует формирующуюся структуру в свежем бетоне и тем самым наносит непоправимый вред процессу его твердения. Воздействие мороза на затвердевший бетон или случайных более или менее длительных и частых заморозков имеет весьма серьезное значение, так как может повлечь за собой полное разрушение твердого материала.

Нарастающий эффект последовательных замораживаний и оттаиваний может быть выявлен на результатах измерения механической прочности, а также скорости распространения звука. Эта скорость постепенно уменьшается, скорости же, с которыми протекает разрушение структуры, изменяются в широких пределах в зависимости от вида бетона. Имеется практическая возможность приготовлять морозостойкие бетоны. Эта проблема, представляющая значительную важность для строителей- практиков, побудила ряд лабораторий к очень тщательным исследованиям в этой области. Нельзя сказать, чтобы между отдельными специалистами установилось полное согласие по вопросу о механизме действия мороза, но мы можем, все же наметить следующие главные направления в его решении.

Бетон представляет собой соединение инертных материалов и активной части, состоящей из тонких частиц гидратированных минералов, омываемых водой, проникающей, в виде цеолитовой воды также и внутрь кристаллов. В главе о укладке раствора и бетона мы познакомились с выводами, которые можно сделать из этого представления при освещении вопросов усадки. Эти выводы имеют большое значение и в проблеме морозостойкости, вскрывая, в частности, роль вовлеченного в бетон воздуха.

Содержащиеся в бетоне поры можно разделить на три разновидности:

  • микроскопические поры активной части бетона
  • капиллярные поры
  • некапиллярные поры

Каждая из этих разновидностей пор играет различную роль.

Рассмотрим прежде всего цементный камень, омываемый водой вплоть до капилляров. Воздействуем на него холодом, снижая постепенно наружную температуру (рис. 1), и будем измерять изменения длины образца.

Рис. 1

Рис. 1

Эта длина будет уменьшаться по закону температурного сокращения до некоторой температуры t1 ниже 0°. Мы заметим, тогда легкое повышение температуры внутри образца, а затем новое падение. Но сокращение цементного камня прекращается: образец сначала резко увеличится в длину на некоторую величину, а затем будет удлиняться в замедленном темпе.

Температура t1  соответствует замерзанию воды в капиллярных порах. Она тем ниже, чем меньше радиус капилляров. Обычно она ниже -2°, но может опуститься и до -20°. Замерзание воды в капиллярах вызывает увеличение объема содержащейся в них воды, начинающей превращаться в лед. В связи е этим возрастает давление воды, капилляр расширяется, а избыток воды вытесняется в окружающее пористое тело до расположенных более или менее далеко от него воздушных пузырьков.

В результате цементный камень разбухает, как в этом можно удостовериться из рис. 1. Вода, поглощаемая скоплениями мелких частиц, не может замерзнуть (Для этого нужно было бы понизить температуру приблизительно до -75°). Так как проницаемость этой части камня очень слабая, то влагосодержание его вокруг капилляров возрастает, Давление же в капиллярных порах снижается; содержащаяся в них вода замерзает полностью. Затем происходит новое явление. На поверхности капилляра остается слой адсорбированной воды, который отделяет влажную среду ото льда. Сводная энергия льда ниже окружающей его микропористой среды. Равновесие поэтому должно восстановиться: часть воды, содержащейся в пористой среде, поглощается льдом, и объем его в капиллярах увеличивается, между тем как пористая часть камня, уменьшаясь в объеме, дает усадку. Это дифференциальное движение вызывает в материале более или менее серьезные разрушения, распределяющиеся в объеме сообразно величине, форме и расположению капилляров.

Если в бетоне имеются замкнутые воздушные поры в виде мельчайших более или менее равномерно распределенных воздушных пузырьков, - картина, характерная для бетона с вовлеченным воздухом, - то развитие описанных явлений может принять иное направление. В первой их фазе повышение давления воды в капиллярах вызывает поток воды сквозь пористый камень. Если воздушные пузырыки оказываются поблизости, то эта вода проникает внутрь их и замерзает, образуя ледяную скорлупу по поверхности.

Давление воды в капиллярах не может поэтому превзойти здесь некоторой предельной величины. С другой стороны, образовавшаяся вокруг воздушных пузырьков ледяная скорлупа играет указанную выше роль в равновесии свободных энергий, и вода из пористого камня всасывается в воздушные пузырьки, вследствие чего ледяная корка в них утолщается.

В свою очередь потеря воды пористой массой вызывает в ней процесс усадки, дополняющей процесс ее температурного сокращения. Этим объясняется то, что фактическое объемное сокращение бетона может оказаться более резким, чем это должно было бы получиться по закону простого температурного сокращения. Легко понять, однако, что это явление может оказать заметное влияние лишь в том случае, если воздушные пузырьки рассеяны в бетоне достаточно близко друг к другу для того, чтобы перемещение воды из капилляров в шоры, а также отсасывание ее из пористого камня льдом могли совершаться достаточно быстро.

Рис. 2 Деформация цементного камня в зависимости от понижения температуры

Весьма интересные опыты этого рода были проведены Пауэрсом и Хельсмутом (рис. 2). На приведенных кривых мы обнаруживаем прежде всего объемное расширение, обусловленное первым явлением, т. е. повышением давления в капиллярах, далее обнаруживается вторичный процесс, выражающийся либо в объемном сокращении, превышающем температурное сокращение, если воздушные пузырьки расположены очень густо, либо в расширении, тем более значительном, чем на большие расстояния удалены эти пузырьки друг от друга. Таким образом, распределение пузырьков с вовлеченным воздухом имеет большое значение в оценке эффективности метода. Добавки обычных типов дают 50-500 х 106 воздушных пузырьков на 1 л, что соответствует расстояниям между ними порядка 0,1-0,3 мм. Эти показатели вполне достаточны для того, чтобы объяснить морозостойкость таких бетонов.