5.8 Особенности технологии бетонных работ в зимних условиях.

5.8.1 Введение.

Большие объемы строительства, реализуемые в России, требуют непрерывного всесезонного производства работ. Однако выполнение строительных процессов в зимних условиях (при отрицательных температурах окружающей среды) связано с определенными сложностями.

Наибольшие проблемы возникают при возведении конструкций из монолитного бетона и железобетона. Обусловливается это отрицательным влиянием замораживания бетона на ранней стадии твердения на его свойства и качество. Больше того, наряду с предохранением от замораживания, необходимо обеспечить высокие темпы нарастания прочности бетона.

Монолитный бетон и железобетон являются основным строительным материалом, так как обладают рядом преимуществ по сравнению с другими конструктивными материалами.

В то же время, в большинстве регионов России продолжительность периода с отрицательными температурами окружающей среды составляет 6 и более месяцев, а температура достигает -40° — -50° С.

Поэтому, проблема возведения зданий и сооружений из монолитного бетона и железобетона стоит достаточно остро как для России, так и для других стран с аналогичным или близким климатом.

Однако, благодаря работам советских и российских ученых и практиков, к настоящему времени разработано и применяется значительное количество способов «зимнего бетонирования». Это дает возможность выбрать для каждой конструкции в зависимости от ее габаритов и конфигурации, вида и активности используемого цемента, вида и степени армирования, параметров окружающей среды наиболее эффективный.

5.8.2 Влияние замораживания на свойство бетона.

Замораживание бетона в период схватывания и на начальной стадии твердения может причинить ему серьезные повреждения. Эта проблема имеет важное значение для России и северных стран. Поэтому многие десятилетия, как в России, так и за рубежом проводились интенсивные исследования с целью определения периода предварительного выдерживания бетона, позволяющего избежать повреждения его от замораживания на ранних стадиях твердения.

Существовало несколько гипотез отрицательного влияния замораживания на твердение бетона, формирование его структуры и свойств. Считалось, что при замораживании бетона могут возникнуть повреждения: 1) от появления макроскопических скоплений льда; 2) от микроскопического образования льда в сочетании с высыханием влаги в пустотах очень малых размеров или 3) от гидравлического давления, создаваемого замораживанием воды в капиллярах. Замораживание может вызвать разрушение цементного камня или заполнителя.

Наибольший интерес с точки зрения влияния мороза на бетон представляет жидкая фаза, которую в дальнейшем будем называть просто водой. Как известно из физики, вода относится к аномальным веществам. В коротком температурном интервале от 0 до 100°С она проходит все агрегатные состояния - твердую, жидкую и газовую фазы. С повышением температуры химическая активность воды возрастает, ее взаимодействие с цементом интенсифицируется, что и приводит к эффекту быстрого твердения бетона. На этом принципе построен наиболее мощный метод ускорения твердения бетона - его тепловая обработка.

При понижении температуры вязкость воды начинает возрастать и при 0°С она на 80% выше, чем при 20°С; ее химическая активность падает, плотность возрастает и при 4°С она приобретает самое высокое значение. Другие вещества имеют самую высокую плотность в твердом состоянии, почему воду и относят к аномальным веществам.

При дальнейшем понижении температуры от 4°С до 0°С плотность воды начинает уменьшаться и при 0°С она переходит в твердую фазу - лед. При дальнейшем понижении температуры количество замерзающей воды увеличивается. При переходе в лед вода расширяется примерно на 9%. Поскольку при замерзании и расширении воды процессы происходят на внутримолекулярном уровне, то при этом развиваются огромные давления, достигающие 2500 кг/см² . Такое давление вызывающее растяжение, не могут выдержать многие материалы и это является причиной разрыва различных полностью заполненных водой емкостей при замерзании, в т.ч. стальных, чугунных, керамических, стеклянных.

Изложенное относится к свободной или механически связанной воде. В бетоне после его затворения вода делится на три вида: механически связанную, физически и химически связанную. Механически связанной воды в незатвердевшем бетоне содержится наибольшее количество - более 80%, она заполняет межзерновое пространство и сразу же при температуре 0°С переходит в лед. Физически связанная вода в виде тонких пленок обволакивает твердые частицы (зерна цемента, песка, крупного заполнителя) и замерзает при более низкой температуре по мере ее понижения. Содержится ее в свежеприготовленном бетоне около 20%. При замерзании она не оказывает существенного влияния на структуру бетона, поскольку замерзает и расширяется постепенно в зависимости от прочности связи с поверхностью твердого тела.

Химически связанная вода входит в состав новообразований, представляющих собой твердые вещества, и как таковая перестает существовать и никакого негативного влияния на структуру бетона не оказывает.

Таким образом, опасность для бетона представляет механически связанная вода, которая при замерзании негативно влияет на структуру и свойства бетона. Механизм такого влияния механически связанной воды на бетон проявляется следующим образом.

После приготовления бетонной смеси начинается процесс твердения. Поскольку в бетон с целью обеспечения требуемой удобоукладываемости вводится в несколько раз больше воды, чем это необходимо для нормального химического и физического связывания, то это лишняя вода является свободной (механически связанной).

Если начавший твердеть, но еще не потерявший своих пластических свойств, бетон подвергается замораживанию, наблюдается его расширение за счет перехода механически связанной воды в лед. Преждевременно замороженный бетон в затвердевшем состоянии будет более рыхлым и с множеством пор, что негативно влияет на его структуру и свойства. Прочность его существенно снижается, морозостойкость уменьшается в 10-20 раз, водонепроницаемость становится в 4-8 раз ниже, сцепление с гладкой арматурой может упасть на 80%, с арматурой периодического профиля на 20%. По мере уменьшения в бетоне механически связанной воды к моменту замерзания негативное влияние ее при переходе в лед снижается, а при достижении бетоном прочности, равной этической -практически мало влияет на его структуру. И по достижении бетоном 75-80% прочности от марки, замораживание практически не оказывает влияния на структуру и прочность бетона.

Нарушение структуры бетона при раннем замораживании и, следовательно, негативное влияние на его физико-технические характеристики и долговечность, проявляются по нескольким причинам.

Увеличивающаяся в объеме вода при переходе в лед раздвигает твердые компоненты бетона, а если уже начал формироваться структурный каркас из новообразований, связывающий все остальные компоненты в единое целое, разрушает и его. Вследствие этого структура бетона становится менее плотной, что приводит к снижению прочностных характеристик бетона.

Вторая причина - нарушение монолитности бетона как многокомпонентного материала. В бетоне между матрицей (растворной частью), зернами крупного плотного заполнителя и арматурой всегда имеется тонкая водяная прослойка (пленка). В нижней части крупного зерна и арматуры эта прослойка больше за счет седиментации и достигает иногда в начальной стадии 0,5мм. По мере твердения водяная пленка и седиментационный слой воды исчезают, и зерна заполнителя и арматуры надежно связываются в единое целое с растворной частью. Преждевременное замораживание приводит к превращению в лед водяных пленок, которые препятствуют надежному сцеплению заполнителя и арматуры с растворной частью. Поскольку замерзание бетона происходит постепенно, то внутри конструкции создается неравномерное температурное поле - внутренние слои имеют положительную температуру, а наружные отрицательную. Появившиеся температурные градиенты стимулируют внутренний массоперенос. Согласно законам физики, движение влаги внутри капиллярно-пористой системы (а бетон таковой является) происходит из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой. Следовательно, как только возник в материале температурный градиент начинается движение влаги из внутренних к поверхностным слоям бетона.

Влага доходит до нулевой изотермы и замерзает. Поверхностные слои вследствие этого оказываются более насыщенными влагой. Особенно это наблюдается на контакте зерен из крупного заполнителя и арматурой с растворной частью. При подтоке влаги из внутренних слоев водяные пленки в контактной зоне становятся толще и при их замерзании толщина увеличивается за счет расширения воды при переходе в лед. А возникающее при этом высокое давление еще в большей степени отделяет зерно заполнителя и арматуры от растворной части. Таким образом, внутренний массоперенос способствует разрыхлению поверхностных слоев конструкции и нарушению монолитности бетона. После оттаивания свежезамороженного бетона зерна крупного заполнителя и гладкой арматуры легко вынимаются из бетона, а на их контакте с растворной частью можно видеть красивый морозный узор - след растаявшей водяной пленки. Следовательно, нарушение сцепления крупного заполнителя с растворной частью нарушает монолитность материала и его работу как единого целого.

Третья причина - внутренний массоперенос в бетоне. Уложенная в опалубку тонная смесь после уплотнения начинает постепенно остывать. Охлаждение начинается с периферийных слоев и по мере понижения температуры замерзание происходит с поверхности. Постепенно нулевая изотерма продвигается внутрь бетона и по достижении ее последний замерзает.

Вредное влияние преждевременного замерзания уложенного в конструкцию бетона учитывается действующими нормативными документами и запрещается до достижения бетоном критической прочности.

Снизить критическую прочность бетона к моменту замерзания позволяют противоморозные добавки. Так для бетонов с противоморозными добавками (их еще называют бетонам твердеющими на морозе), критическая прочность устанавливается так: при марке до 2< она составляет 30%; при марке до 300 - 25% и при марке, равной или более 400 она установлена равной 20%.

Отрицательное влияние замораживания на бетон и раствор складывается из следующих компонентов:

1. Замедление и полное прекращение химического взаимодействия цемента и воды. Происходит это вследствие уменьшения активности воды с понижением температуры и прекращения реакций гидратации после перехода воды в твердое агрегатное состояние (т.к. реакция гидратации может протекать только при наличии воды в жидком состоянии).

2. Нарушение структуры бетона в результате расширения воды при переходе в лёд, что влечёт за собой раздвижку зёрен цемента, увеличение в объёме и нарушение слитности структуры. Так как цементный камень в этот период еще не обладает прочностью, достаточной для восприятия возникающих растягивающих напряжений, происходит расширение.

3. Нарушение сцепления заполнителя (в первую очередь крупного) и арматуры с цементным камнем вследствие образования ледяных линз на контакте зерен заполнителя и арматуры с цементным камнем.

Однако первый фактор не оказывает отрицательного влияния на последующее (после оттаивания) твердение бетона, т.к. минералы цементного клинкера не теряют способности гидратироваться, и после появления жидкой фазы продолжаются процессы гидратации, которые интенсифицируются с повышением температуры.

Основное отрицательное влияние на качество и свойства бетона, подвергнутого замерзанию в раннем возрасте, оказывают второй и третий факторы.

Влияние второго фактора зависит от количества и величины пор в замерзшем цементном камне, от температуры окружающей среды (наружного воздуха), от массивности конструкции, от водосодержания бетона.

Степень нарушения структуры бетона зависит от скорости замерзания. При быстром замерзании лед и бетоне распределяется достаточно равномерно по всему объему, образуются мелкие кристаллы льда. В крупных капиллярах они имеют игольчатую форму. Заметное скопление игольчатых кристаллов наблюдается в зоне контакта цементного раствора с зернами крупного заполнителя и арматурой. "Ледяных линз" не образуется. При медленном замерзании свободной воды в бетоне образуются крупные кристаллы льда и могут возникнуть "ледяные линзы", что вызывает значительные структурные нарушения.

Как было сказано выше, нарушения структуры бетона, замороженного сразу после изготовления, происходят вследствие неспособности бетона воспринять растягивающие усилия, возникающие от расширения воды при переходе ее в лед.

Видимо, чем выше будет прочность бетона, тем меньшее отрицательное влияние будет оказывать замораживание на его свойства. А при какой-то определенной прочности замораживание вообще не окажет отрицательного влияния на качество бетона при последующем твердении. Такой прочностью является прочность, при которой бетон способен сопротивляться свободному расширению при переходе воды в лед. Она получила название «критической прочности». Под «критической прочностью» понимают величину прочности, по достижению которой замораживание не оказывает отрицательного влияния на формирование структуры и свойства бетона при дальнейшем, после оттаивания, твердения. Величина "критической прочности" зависит от проектной марки бетона и должна составлять (СНиП 3,03,01-87 «Несущие и ограждающие конструкции»): при классе бетона В 7,5-10 - не менее 50% проектной прочности, при классе бетона В 12,5-25 - не менее 40% проектной прочности и при классе бетона В 30 и выше - не менее 30% проектной прочности.

Бетон, замороженный с такой начальной прочностью, после оттаивания продолжает интенсивно твердеть, не имеет недобора прочности, обладает высокими физико-механическими свойствами, а конструкции обеспечивают требуемую несущую способность.