Интенсификация твердения бетона при отрицательных температурах

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ТВЕРДЕНИЯ

Изменение прочности бетона во времени, также как изменение его других технических свойств, зависит от минералогического и вещественного состава цемента, структуры и состава бетона, условий его твердения.  Повышение прочности бетона во времени обусловлено снижением его пористости, увеличением степени гидратации цемента и прохождением ряда процессов, приводящих к увеличению как когезии частичек цемента между собой, так и адгезии их к заполнителям бетона. При благоприятных температурно-влажностных условиях прочность бетона растет в течение многих лет. При этом интенсивность роста прочности бетона существенно отличается для бетонов на цементах различных групп по химико-минералогическому составу. Наиболее интенсивное нарастание прочности после месячного возраста обнаруживают бетоны на бетоны на белитовых портландцементах, значительно менее интенсивно нарастание поздней прочности у бетонов на алитовых цементах, и наименьший прирост прочности показывают бетоны на алюминатных цементах. Длительное устойчивое нарастание прочности бетона показали исследования, выполненные в связи с возведением ряда крупнейших плотин и гидроузлов. Испытание кернов, выбуренных из акведуков насосных станций канала им. Москвы, построенных в 1937 г., установили, что прочность бетона по истечении 35 лет возросла примерно в 3,5 раза.  Испытание кернов, выбуренных из плотины Земо-Авчальской ГЭС после 40 лет эксплуатации, показало, что прочность бетона водосливной плотины возросла в 2,6 раза, а бычков - в 2,7 раза. Подобные результаты получены при испытании свойств бетона гидротехнических сооружений во многих странах. Темп роста прочности зависит от вида и марки цемента, класса бетона. Замерзание в бетоне воды происходит не с наступлением температуры, равной нулю, а значительно ниже. Температура замерзания воды зависит от радиуса пор, в которых она находится. Основная масса льда образуется при понижении температуры до -5 - -10°С. В этом диапазоне температур идет интенсивное льдообразование за счет замерзания механически связанной воды, содержащейся в макропорах радиусом более 0.1 мкм. При дальнейшем понижении температуры от-10 до-40°С количество замерзающей воды увеличивается незначительно за счет замерзания ее в капиллярах радиусом менее 0,1 мкм. Большое влияние на льдистость оказывает продолжительность твердения бетона до начала замерзания и водоцементное отношение. Наибольшие разрушения в структуре бетона наблюдаются при замерзании воды в порах радиусом 0,1-1 мкм. Твердение воды на морозе обусловлено возможностью прохождения процесса гидратации и тепловыделения цемента. Часть воды при отрицательных температурах остается в жидкой фазе, поэтому твердение бетона продолжается, хотя и очень замедленно. При температурах ниже 0°С гидратация цемента протекает с убывающей интенсивностью и при -10 °С практически прекращается. Об этом свидетельствует и эффект тепловыделения. При 0 °С за 10 сут выделяется около 60% тепла от тепловыделения при 20 °С. При температуре -10 °С тепловыделение в свежеизготовленном бетоне не обнаруживается. За 28 сут твердения при -5°С бетон набирает не более 8% прочности в нормальных условиях, при 0 °С - 40-50%, при +5 °С -70-80%.  После оттаивания бетонной смеси твердение бетона возобновляется, но конечная прочность его всегда оказывается ниже прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях. Бетоны, прочность которых к моменту замерзания составляла не менее 60% от проектной, после оттаивания набирают к 28 суткам требуемую прочность. Понижение температуры способствуеттакже росту концентрации напряжений в структуре бетона из-за неодинаковых коэффициентов линейного температурного расширения его компонентов.  При повышенной влажности процессы разрушения бетона интенсифицируются вследствие адсорбционного эффекта.  Отрицательное влияние воды на прочность бетона усиливается при заполнении крупных пор, пустот, полостей.  Замерзающая вода, расширяясь, создает дополнительные внутренние напряжения, причем они тем больше, чем выше степень водонасыщенности. Для сохранения способности к нормальному набору прочности при наступлении благоприятных температурно-влажностных условий бетон в период пребывания его в замороженном состоянии должен быть предохранен от потери влаги.  Большую роль в снижении прочности бетона при замораживании его в раннем возрасте играет ослабление сцепления между растворной частью бетона и зернами крупного заполнителя. Основная причина нарушения совместной работы крупного заполнителя и растворной составляющей заключается в том, что зерна крупного заполнителя обладают более высокой плотностью, чем раствор.  Температура заполнителей при зимнем бетонировании, "как правило, ниже, чем в растворе, и влага из последнего поступает к их поверхности. При замерзании воды на поверхности заполнителя образуется ледяная пленка. Раннее замораживание бетона (особенно до конца схватывания цемента) значительно увеличивает общую пористость бетона. Ниже приведены данные С.А. Миронова об изменении общей пористости (см3/г) образцов бетона, подвергнутых раннему замораживанию, выдержанных на морозе 3 сут и твердевших после оттаивания 28 сут в нормальных условиях.  При замораживании образцов общая пористость увеличивается в основном за счет крупных пор (г > 1 мкм).  Структура бетона, подвергнутого раннему замораживанию, характеризуется большим количеством микро- и макротрещин. Большая часть микротрещин проходит по границе сцепления клинкерных минералов с гидратированной массой и по самой массе связующего.  С увеличением срока предварительного выдерживания бетона до замораживания структура его улучшается и заметно уменьшается пористость. При замораживании бетона в возрасте 24 ч нарушения почти отсутствуют, а объем пор приближается к объему пор в бетоне нормального твердения. Время, в течение которого бетон требует предварительного выдерживания до замерзания, зависит от водоцементного отношения и соответственно проектного класса бетона по прочности. Если для бетона с В/Ц = 0,45-0,5 оказывается достаточным выдерживание в условиях, близких к нормальным, в течение 2 сут, то с В/Ц = 0,6 -0,7 уже требуется не менее 3 сут. Лишь при таком выдерживании прочность бетона в 28 сут после оттаивания не снижается более чем на 10% по сравнению с прочностью бетона, твердевшего в нормальных условиях. Т.н. «критическая прочность», после достижения которой замораживание не наносит существенного вреда формирующейся структуре, для бетона классов В7.5 и В12 составляет не менее 50% проектной, В15 и В25 не менее 40%, ВЗО и В40 не менее 30%. Задача любого способа зимнего бетонирования заключается в предохранении бетона от замерзания до приобретения им критической прочности, обеспечивающей необходимое сопротивление давлению льда. Твердение бетона в течение необходимого срока до замораживания обеспечивается за счет 1спользования собственной экзотермии и при дополнительной подаче тепла извне. Часто оба направления комбинируются для достижения необходимого эффекта.  На сохранение и использование экзотермии бетона направлен способ термоса, т.е. твердения бетона в условиях тепловой изоляции, наиболее эффективный при бетонировании массивов и подземных сооружений. При использовании быстротвердеющих цементов и эффективных теплоизоляционных материалов способ термоса применяется и при бетонировании конструкций средней массивности. Для повышения внутреннего запаса тепла в бетоне подогревают воду затворения, а в некоторых случаях и другие исходные материалы, разогревают бетонную смесь электрическим током.  При проектировании составов бетона задача может заключаться в уточнении необходимой длительности остывания для достижения заданной прочности бетона до замерзания с выбором соответствующих технологических решений, обеспечивающих заданную прочность в установленный срок.  Наиболее распространенным способом внешнего обогрева бетона при зимнем бетонировании является электротермообработка монолитных конструкций. Разработаны и применяются на практике электродный прогрев, в т.ч. предварительный электроразогрев бетонных смесей; нагрев в электромагнитном поле (индукционный); обогрев различными электронагревательными устройствами (контактный, конвекционный, в том числе инфракрасным излучением).  Выбор того или иного способа электропрогрева бетона зависит от размера и конфигурации конструкции, характера армирования, имеющегося оборудования и др.  Самым старым способом бетонирования при отрицательных температурах является использование отапливаемых сооружений - тепляков, предназначенных для обогрева отдельных конструкций. Применяют также паропрогрев конструкций в паровых рубашках, переносных камерах и др.  Эффективным способом обеспечения твердения бетона при отрицательных температурах является введение химических добавок - электролитов.  При введении химических добавок, понижающих точку замерзания жидкой фазы, гидратация и тепловыделение цемента происходят при более низких отрицательных температурах, что широко используется в практике зимнего бетонирования.