96. Морозостойкость бетона. Определение. Механизм разрушения . Меры, обеспечивающие повышение морозостойкости бетона.

Під морозостійкістю розуміють здатність бетону протистояти систематичній дії знакоперемінних температур навколишнього середовища без зміни фізико-механічних властивостей. Вона оцінюється кількістю циклів поперемінного заморожування і відтавання насичених водою зразків до втрати ними не більше 5% міцності при стиску. Марка бетону по морозостійкості визначається по кількості видержаних циклів і для важкого бетону встановлюється в діапазоні: Р100...Р500.

При циклічному впливі морозу змінюються фізико-механічні властивос­ті бетону. Це відбувається в результаті: гідравлічного тиску води в капілярах, що виникає внаслідок віджимання її з зони замерзання; кристалізаційного ти­ску льоду; гідростатичного тиску води в порах і капілярах; через виникаючі тангенсиальні напруження розтягання в стінках капілярів; різниці коефіцієн­тів лінійного розширення льоду і скелету бетону.

Замерзання води в порах і капілярах бетону супроводжується віджиман­ням ще не замерзлої води в менш водонасичені області цементного каменю. Фільтраційна вода зустрічає опір на своєму шляху і в бетоні виникає гідрав­лічний тиск. Величина тиску залежить від ступеня водопоглинання бетону, швидкості утворення льоду і проникності цементного каменю.

У порах і капілярах бетону створюється значний тиск, який перевершує граничну величину міцності матеріалу при розтяганні. Від цього в бетоні утворюються мікротріщини. Це перша стадія руйнування матеріалу. Щоб це відбулося, пори повинні бути заповнені водою теоретично не менше 91% їх­нього об’єму.

Друга стадія руйнування бетону характеризується деструктивними про­цесами, викликаними замерзанням води в мікротріщинах цементного каме­ню. Об'єм льоду приблизно на 9% більше об'єму води, а температурний кое­фіцієнт лінійного розширення льоду в 5...7 разів більше, ніж бетону. Тому, при замерзанні води, утворений лід давить на стінки пор і капілярів. Концен­трація розтягуючих напружень в капілярах при подальшому замерзанні води викликає ріст тріщин і прискорене руйнування бетону. При цьому більш кру­пні пори і капіляри можуть бути і не заповнені водою.

Також нерівномірно, в дві стадії, протікає і процес нагромадження не зворотних деформацій бетону. Спочатку бетон повільно збільшується в об'­ємі, а потім швидкість наростання деформацій різко збільшується і залиша­ється практично постійною аж до повного руйнування бетону. Перехід від першої стадії до другої відповідає критичному стану структури бетону, тобто такому стану, коли він уже втрачає здатність вчиняти опір внутрішнім напруженям.

Основну роль у розвитку процесів руйнування відіграє характер капіля­рно-пористої структури. Останній впливає на швидкість тепло- і масообміну з навколишнім середовищем. З усіх пор гелю, капілярні являються вирішаль­ними в руйнуванні бетону.

Особливо інтенсивно руйнується бетон при одночасному впливі на ньо­го низьких температур і сольових розчинів. У цьому випадку між поровою рідиною гелю бетону і контактуючої з ним рідиною, що знаходиться в більш великих порах і капілярах, порушується не тільки термічна і вологісна, але і хімічна рівновага. Бетон руйнується і від кристалізації солей.

На морозостійкість бетону впливає не тільки пористість цементного ка­меню, але і якість заповнювача. Важкий щільний заповнювач (граніт) з ма­лою величиною водопоглинання (до 1% по масі) при заморожуванні зменшу­ється в розмірах. Легкий пористий заповнювач (керамзит) з великою величи­ною водопоглинання (до 30% по масі) збільшується в розмірах. А як відомо, при негативних температурах цементний камінь збільшується в розмірах. Підвищення морозостійкості заповнювачів спричинює і підвищення морозо­стійкості бетону. Однак відзначається, що морозостійкість керамзитобетону не поступається морозостійкості важкого бетону, а в ряді випадків і переви­щує її. Пропарений бетон, як правило, нижче по морозостійкості, ніж нормаль­но твердіючий бетон такого ж складу. При тепловій обробці в бетоні виникає більше мікро- і макротріщин, по яких в процесі експлуатації мігрує волога.

Вид цементу впливає на морозостійкість бетону. Чим нижче водопотреба цементу, тим більш морозостійкий бетон на його основі. Тому, за даними ряду дослідників, перевагу варто віддавати швидкотверднучим портландцементам, які містять 45...60 % СзБ при сумі мінералів силікатів приблизно 78—82 % і кількості С₃А в межах 5...6%.

З усіх добавок найбільш ефективні гідрофобні, зокрема кремнійорганіч на рідина типу ГКЖ і повітрявтягуючі, типу СНП. Збільшення довговічності бетону з ними пояснюється комплексним впливом двох основних факторів: а) утворенням дрібнопористої структури бетону при виділенні водню або за­лученням повітря при використанні повітрявтягуючих добавок; б) природою новоутворень, адсорбованих на поверхні твердих компонентів, які придають їм часткову гідрофобізацію.

При замерзанні об’єм бетону збільшується, а арматури зменшується. Невідповідність по знаку деформацій при багаторазовому замерзанні та роз­морожуванні приводить до виникнення напруг і появі мікротріщин.

Невідповідність деформацій викликається і різким розходженням їхніх коефіцієнтів температуропроводності. Коли тепловий потік спрямований па­ралельно арматурі, то можуть з'явитися небезпечні для бетону місцеві темпе­ратурні напруги, які тим більші, чим більший відносний переріз арматури. В несиметрично- чи односторонньо армованих конструкціях власні напружен­ня і деформації прискорюють руйнування залізобетону морозом, особливо при невигідному їх сполученні з напруженями, що виникають від дії зовніш­ніх сил.

Підвищення довговічності бетону і залізобетону в умовах поперемінного замерзання та розморожування може бути забезпечено застосуванням:

1. бетонів підвищеної щільності, яка забезпечується правильним вибором В/Ц відношення, а також виробничими факторами: ретельним ущільненням суміші, м'якими режимами теплової обробки і правильним догляданням за бетоном;

2. відповідних по якості вихідних матеріалів;

3. добавок, що підвищують морозостійкість.