2.2. Морозостойкость бетона и её повышение
По морозостойкости бетон подразделяют на марки F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800 и F1000. Марка назначается в зависимости от вида конструкций и условий эксплуатации.
Под морозостойкостью бетона понимается его способность сохранять прочность при периодическом замораживании с последующим оттаиванием в состоянии, насыщенном водой. Будучи насыщенным влагой, бетон может разрушаться при цикличном воздействии «замораживание-оттаивание» вследствие деструктивных процессов, происходящих в его структуре.
На сегодняшний день единой теории, которая бы однозначно объясняла бы механизмы разрушения бетона при минусовых температурах, не существует. Очевидно, что главная причина – образование льда из воды, которая содержится в микропорах бетона. При замерзании вода, в отличие от подавляющего большинства других жидкостей, расширяется, в результате лед оказывает давление на стенки пор, тем самым расшатывая структуру бетона. Есть несколько гипотез, описывающих механизм разрушения бетона при низких температурах и, следовательно, снижения его морозостойкости, например, гипотеза гидростатического давления воды или модель гидравлического давления, однако единого мнения на этот счет пока нет.
Степень разрушения бетона зависит от множества показателей, в том числе, например, влажности самого бетона, его возраст, водоцементное отношение и пр. Кроме того, морозостойкость бетона могут существенно снизить присутствующие внешние факторы. Так, сейчас довольно широко в зимнее время для удаления наледей применяются хлориды натрия и кальция. При посыпании солями поверхности бетона выделяется большое количество теплоты, благодаря которому происходит таяние льда, температура самого бетона при этом резко снижается. Нередко происходит так называемый температурный шок, когда в течение минуты температура может упасть на девять градусов. Такое воздействие, несомненно, будет отрицательно влиять на прочность бетона и снижать его морозостойкость.
Стоит коснуться также и морозостойкости железобетонных конструкций. При циклических замораживаниях и оттаиваниях происходит нарушение соответствия температурных деформаций металлических конструкций и самого бетона, отчего в структуре возникают множественные внутренние напряжения, а прочность сцепления металла и бетона закономерно падает.
Пористость бетона и его морозостойкость
Цементный камень характеризуется наличием пор трех видов:
Поры цементного геля, чей размер составляет 1,5-2 нанометров. Эти поры настолько малы, что вода, содержащаяся в них, не подвергается замерзанию, поэтому наличие этих пор мало отражается на морозостойкости бетона;
Капиллярные поры с размером 0,01-1 микрометров. Капиллярные поры считаются основным дефектом цементного камня, в них конденсируется влага, благодаря которой бетон становится гигроскопичным. Вода в капиллярных порах замерзает, однако температура замерзания вода будет различной в зависимости от размера пор (с уменьшением размера температура понижается);
Условно замкнутые поры, размер которые составляет от 10 до 500 микрометров. Это пузырьки воздуха, имеющиеся в цементном камне и бетоне. Количеством таких пор, их размером, удельной поверхностью можно управлять путем введения специальных добавок. Условно замкнутые поры служат своеобразной защитой бетона: при замерзании часть воды из капилляров поступает в эти поры.
В большинстве капиллярных пор замерзание воды начинается при температуре -15 градусов. Дальнейшее понижение температур ведет к тому, что вода начинает замерзать в более мелких порах. При температурных показателях -70-80градусов вся вода, за исключением той, что находится в гелевых порах, становится твердой. Исследования морозостойкости бетона при замораживании -50 градусов показали, что разрушение структуру происходит 6-10 раз быстрее, чем при замораживании бетона при температуре -17 градусов.
Сравнительное определение морозостойкости бетона замораживанием при -17 и -50°С показало, что разрушение бетона во втором случае ускоряется в 6-10 раз.
Как можно повлиять на морозостойкость бетона?
Повысить морозостойкость бетона также можно изменением характера пористости. Достигается это введением в бетонную смесь воздухововлекающих добавок. Необходимо создать 4-6% очень мелких резервных пор, не заполняемых водой при обычном насыщении, но заполняемых под давлением замерзающей воды. Наиболее эффективны гидрофобные воздухововлекающие добавки ГКН-10, ГКН-11, которые уменьшают водопоглощение бетона.
Существенное влияние на морозостойкость бетона оказывает вид применяемого цемента. Наибольшую морозостойкость имеют бетоны на портландцементе без минеральных добавок с содержанием минерала С3А до 5%. Их применяют для гидротехнических сооружений зоны переменного уровня воды в суровых климатических условиях. Еще более высокую морозостойкость имеют бетоны на глиноземистом цементе.
Бетоны на цементах сложного вещественного состава имеют пониженную морозостойкость. Особенно пуццолановый портландцемент с активными добавками осадочного происхождения.
При давлении льда на стенки пор бетона при замораживании возникают напряжения растяжения. Поэтому все мероприятия, увеличивающие предел прочности бетона на растяжение, повышают его морозостойкость.
Отдельно отметим, что очень часто отрицательно повлияет на морозостойкость бетона его лежалость. Слишком долгое или неправильное хранение приводит к тому, что на зернах цемента образуются гидроокислы минералов, которые становятся основной причиной падения морозостойкости бетона.