Факторы, влияющие на морозостойкость бетона

• С увеличением В/Ц возрастает как общий объем открытых пор, так и средний их размер, что также негативно влияет на морозостойкость. При этом повышаются проницаемость и водопоглощение и в таких бетонах невозможно образование существенного объема резервных пор. При проектировании морозостойких бетонов принято ограничивать В/Ц в зависимости от условий службы бетона в сооружениях. Снижение В/Ц возможно как за счет уменьшения расхода воды при применении пластифицирующих добавок, более жестких смесей, так и за счет увеличения расхода цемента. Второй способ снижения В/Ц технико-экономически неэффективен.

• степень гидратации цемента (зависит от активности цемента, интенсивности роста ее во времени, длительности и условий твердения бетона). Степень гидратации портландцементов к 28-суточному возрасту по усредненным данным равна 0,6, 90 сут - 0,66 и 180 сут - 0,7. Повышению степени гидратации цемента способствуют различные способы его активизации и надлежащий уход за бетоном. 

• расход воды затворения и, соответственно, расхода цемента. По данным П. И. Горчакова, каждый процент снижения капиллярной пористости достигается уменьшением количества воды затворения на 10 л/м3 либо увеличением расхода цемента на 20-35 кг/м3. Увеличение расхода цемента с одной стороны уменьшает В/Ц, с другой, приводит к увеличению объема цементного теста, что повышает объем капиллярных пор бетона. 

• Оптимальный расход песка из условия морозостойкости выше, чем из условия прочности, что связано с условиями воздухововлечения. По данным О.В. Кунцевича, повышение доли песка в смеси заполнителей с г=0,33, оптимальной по прочности, до г = 0,5 привело к росту расхода цемента на 40 кг/м3, но повысило морозостойкость с 120 до 400 циклов. 

• Из минералов цемента отрицательное влияние на морозостойкость оказывает С3А. По рекомендациям С.В. Шестоперова, при марке бетона по морозостойкости, выраженной числом активных циклов замораживания и оттаивания за проектный срок эксплуатации сооружения, до Р500, С3А в цементе должно быть менее 10, Р1000 - менее 6 и Р6000 - менее 4%. Рекомендуется также повышенное содержание С35 - 55 - 60%. Под «активными циклами» С.В. Шестоперов подразумевал циклы, «вносящие в структуру материалов, составляющих бетон, изменения, связанные с нарушением монолитности». Это определение, однако, не является достаточно четким. 

• В морозостойких бетонах нежелательны активные минеральные добавки, особенно с повышенной водопотребностью. В то же время, экспериментально показано, что бетоны с умеренным содержанием доменных шлаков или каменноугольной золы-уноса могут иметь удовлетворительную морозостойкость, особенно при введении в бетон эмульгированного воздуха. 

• Низкую морозостойкость имеют пуццолановые цементы. Шлакопортландцементы по морозостойкости занимают промежуточное положение между портланд- и пуццолановым цементом. 

• К снижению морозостойкости бетона приводит повышение удельной поверхности цемента свыше 400 м2/кг. Такие сверхтонкие цементы характеризуются повышенной усадкой, ведущей к появлению микротрещин. 

• Жесткие требования предъявляются к ограничению величины потери при прокаливании, обусловленной лежалостью цемента. Хранение (лежалость) цемента значительно больше влияет на его морозостойкость, чем на активность. По мнению С.В. Шестоперова, наличие оболочки из новообразований гидратированных минералов на зернах цемента является одной из основных причин снижения долговечности бетона. 

• Обычно применяемые для получения тяжелого бетона кварцевый песок и щебень из плотных изверженных или метаморфических пород, отвечающие требованиям стандартов, позволяют получать высокоморозостойкий бетон. На морозостойкость бетона существенное влияние оказывают морозостойкость самих заполнителей и их водопотребность. По данным С.В. Кунцевича, морозостойкость заполнителей неоднозначно связана с их прочностью. Неморозостойкие зерна могут быть достаточно прочными и плотными с водопоглощением 0,7-2%. Важными с позиций морозостойкости являются свойства заполнителей, определяющие их сцепление с цементным камнем, и модуль упругости. 

• Пластифицирующие добавки повышают морозостойкость бетона как в результате уменьшения водопотребности и соответственно капиллярной пористости, так и вследствие определенного воздухововлечения. Добавки-пластификаторы типа ЛСТ снижают водопотребность бетонных смесей на 9-12%, при этом больший эффект пластификации достигается в «жирных» смесях на низкоалюминатных цементах. Добавки этого типа способствуют воздухововлечению и образованию в затвердевшем камне замкнутых пор. С.В. Шестоперов наблюдал значительное (в 2-3 раза) повышение морозостойкости с добавкой СДБ (старое название ЛСТ) даже без снижения В/Ц для бетонов, твердевших в течение 1 года. Добавки - суперпластификаторы позволяют снизить водопотребность смесей на 20-30%, однако они, как правило, вовлекают недостаточное количество воздуха, и улучшение долговечности бетона определяется, главным образом, снижением В/Ц. При использовании суперпластификаторов для повышения подвижности смесей без уменьшения В/Ц увеличение морозостойкости бетона достигается дополнительным введением воздухововлекающих добавок. 

• Гидрофобизирующие добавки, адсорбируясь на стенках пор бетона, снижают их водопоглощение и капиллярный подсос. Повышению морозостойкости способствует пластифицирующее действие гидрофобизирующих добавок, особенно заметное в «тощих» смесях (8-10%).Основные воздухововлекающие добавки относятся к гидрофобизирующим ПАВ, обладающим значительной поверхностной активностью на границе раствор - воздух. Эти добавки при их введении с водой затворения вызывают образование в системе довольно высокодисперсной эмульсии воздуха, устойчиво диспергированного в бетонной смеси. Воздухововлекающие добавки, или т.н. пенообразователи, изготавливаются в виде концентрированных растворов, густых паст или в виде сухого, легко растворимого порошка. Для приготовления добавок используются древесные смолы, продукты переработки нефти, растительные жиры и другое сырье. Наиболее часто в качестве воздухововлекающих применяют добавки на основе древесной смолы (смола нейтрализованная воздухововлекающая - СНВ, синтетическая поверхностно-активная добавка - СПД, омыленный древесный пек - ЦНИПС-1 и др.). Их вводят в бетонные смеси обычно в количестве 0,01-0,02% от массы цемента. При этом объем вовлеченного воздуха составляет 30-60 л/м3 или, как правило, 3-6% от массы цемента. Такой объем вовлеченного воздуха обычно существенно превышает объем воды, оттесняемой при замораживании. При этом значения «фактора расстояния» между воздушными порами оказывается значительно меньше критического, которое обычно принимают 0,25 мм. Морозостойкость бетона с воздухововлекающими добавками возрастает в несколько раз.  Кроме вида и содержания добавок, на воздухововлечение влияют и другие факторы: удобоукладываемость бетонных смесей, тонкость помола цемента, зерновой состав заполнителей, время перемешивания, температура.  Наряду с воздухововлекающими для образования системы условно-замкнутых пор в бетоне применяют газообразующие добавки, например ГКЖ-94. Имеются данные, что система условно-замкнутых пор с добавкой ГКЖ-94 более стабильна, чем в бетонах с воздухововлекающими добавками. 

• Кроме особенностей исходных материалов и состава бетонной смеси, на морозостойкость бетона определенное влияние оказывают условия его твердения. Оптимальные условия твердения должны способствовать получению бетона с минимально возможными значениями капиллярной пористости и степени оводнения условно замкнутых пор. Наиболее полно протекают процессы гидратации, уменьшаются объем и размеры капиллярных пор при водном твердении. При водном твердении, однако, повышается степень водонасыщения бетона, контракционный объем заполняется водой. При твердении бетона в воде возможно обводнение мельчайших искусственно вовлеченных воздушных пор, что снижает морозостойкость.  Для заполнения контракционного объема воздухом иногда рекомендуется твердение бетона на воздухе при его 100%-ной относительной влажности. Однако при таком твердении, хотя и увеличивается резервная пористость, возрастает по сравнению с водным твердением объем капиллярных пор.  О.В. Кунцевич рекомендует комбинированное твердение бетона. По его данным бетон с вовлеченным воздухом, твердевший 14 сут. в воде и затем 14 сут. на влажном воздухе, имел большую морозостойкость, чем при твердении 21 сут в воде и 7 сут на воздухе.  Отмечено, что после подсушивания повторно насыщенные водой образцы имеют меньшую влажность, чем образцы, постоянно находящиеся в воде. Такой эффект объясняется защемлением в капиллярах при высушивании некоторого количества воздуха. Предполагается также, что сушка приводит к резкому увеличению проницаемости бетона, в результате уменьшается гидравлическое давление, возникающее при замораживании.  При тепловлажностной обработке получение морозостойкого бетона обеспечивается при минимизации деструктивных процессов, вызванных температурным расширением воды и воздуха. Снижение интенсивности деструктивных процессов достигается при мягких режимах пропаривания: удлиненной (не менее 3-5 ч) предварительной выдержке, замедленной скорости подъема температуры и охлаждения (не более 15-20 град/час), пониженной температуре изотермического прогрева (60-80°С).