Механизм действия морозного разрушения бетона.

Образцы бетона или затвердевшей цементной пасты, если непрерывно поддерживать влажность, всегда будут повреждаться при замораживании, даже если они содержат вовлеченный воздух. В зависимости от степени высушивания образцы будут в различной степени подвержены морозному разрушению: от деструкции до их очевидной сохранности. Это в большой степени связано со свойствами бетона независимо от механизма действия мороза.

Первые попытки объяснить повреждение бетона, производимое замораживанием, основывались на том факте, что вода расширяется при замерзании. Однако позже Коллинзом была выдвинута идея, которая была основана на аналогии между морозным разрушением бетона и морозным вспучиванием почвы. Это было связано с миграцией воды из незамерзающих участков с образованием льда в крупных порах, созданием линз льда, что вызывает большие давления. Пауэре предположил, что напряжения, приводящие к деструкции, возникают при перемещении воды из замораживаемых областей, в то время, как структура сопротивляется этому перемещению. Соответственно если содержание воды выше критической точки насыщения, то должна быть критическая величина пути истечения или критическая толщина, выше которых гидравлическое давление превышает прочность материала, поскольку сопротивление истечению пропорционально длине пути истечения. Было установлено, что критическая величина должна быть около 0,25 мм, поэтому для обеспечения морозостойкости в бетон необходимо вовлекать воздух. Эти авторы предположили, что пузырьки воздуха являются резервуарами, в которые может мигрировать избыток воды, образующийся при замораживании, не вызывая давления.

Эта гипотеза была модифицирована Пауэрсом и Хельмутом. Ими были сделаны выводы о том, что большая часть эффектов при замораживании является результатом движения незамерзшей воды к замораживаемым участкам и колебаний давления, генерируемого на замораживаемых участках и зависящих от того, чем заполнены пустоты (льдом или водой). Было принято во внимание, что в присутствии растворов солей давление может генерироваться осмотическими силами вследствие различия концентрации солей в цементной пасте, вызванного замораживанием воды в крупных порах.

Согласно Литвану, повреждения могут быть частично вызваны образованием льда, но фактически процесс миграции воды является основным источником повреждений. Поскольку, однако, эта миграция подобна высушиванию и начинается только тогда, когда в больших порах образуется лед (вызывая понижение давления пара), был сделан вывод, что это вторичная часть процесса, не играющая главной роли. Тем не менее следует выявить важность миграции воды.

Мак-Иннз и Бодуэн изучали влияние зрелости, пористости и степени насыщения на величину морозного повреждения цементной пасты. Они пришли к заключению, что основным фактором, ответственным за морозное разрушение, особенно при небольшом уровне вызревания пасты, является гидравлическое давление, возникающее в жидкости при образовании льда; они высказали предположение, что в более зрелых пастах возможны другие механизмы разрушения.

Несмотря на эти слегка различающиеся точки зрения, следует признать, что вред причиняется миграцией воды и что существенное значение имеют как высокая степень насыщения, так и большая скорость охлаждения. Воздухововлечение может быть эффективно для повышения морозостойкости, поскольку, обеспечивая резервуары, предотвращает скопление льда.

Следует обсудить также роль заполнителей в бетоне. Размеры пор в заполнителях могут быть таковы, что поровая вода сможет быстро в них замерзнуть. Крупные поры, эквивалентные вовлеченным пузырькам не должны присутствовать в заполнителях. Таким образом, увеличение объема вследствие замерзания воды должно быть либо поглощено благодаря упругому растяжению заполнителя, либо уменьшено за счет вытекания из заполнителя выдавливаемой воды. Пауэре установил, что в среднем заполнителе может быть допущено только 0,3 % объема пор. Для насыщенных водой заполнителей должен быть критический размер, ниже которого не отмечается действия мороза, однако нет уверенности, что избыток воды сможет быть размещен в пузырьках вовлеченного воздуха в окружающей заполнитель цементной пасте.

Так как нелегко прогнозировать возможное поведение бетона, помещенного в условия замораживания—оттаивания, основным предположением следует считать то, что потенциальная морозостойкость может быть установлена лишь его испытаниями в условиях, моделирующих окружающую среду, в которой он будет находиться.

Испытания на морозостойкость. Наиболее широко проводится испытание на морозостойкость бетона по ASTM «Сопротивление бетона быстрому замораживанию и оттаиванию». Существуют две методики. В методике замораживанию и оттаиванию подвергают образцы, находящиеся в воде, а в методике Б образцы замораживаются на воздухе и оттаивают в. воде. Для этих испытаний число необходимых образцов подсчитывают с помощью измерения резонансной частоты. Испытания применимы для насыщенного водой бетона и, вероятно, напрасно эти суровые условия сравниваются с нормальными условиями выдерживания, при которых происходит сезонное высушивание бетона. Пауэре доказал, что долговечность в отличие от расширения не может быть измерена при медленном замораживания. Измерение этого параметра (расширения) как функция от степени насыщения должно показывать потенциальную морозостойкость данного бетона. Было предложено изготовлять образцы и выдерживать в условиях, которые имитировали бы полевые условия, затем поочередно подвергать образцы медленному замораживанию — оттаиванию и хранению в воде.

Метод предложенный Пауэрсом, состоит в следующем. Изготовляют и хранят во влажных условиях образцы бетона с вовлеченным воздухом, содержащие тот заполнитель, который будет использован; затем образцы высушивают на воздухе в лаборатории в течение двух недель, после чего помещают в воду. Если образцы увеличиваются в объеме во время замораживания, то обладают меньшей, чем двухнедельная, морозостойкостью. Если образцы не расширяются, их возвращают в водяную баню на следующие две недели и затем повторяют испытание.

Несколько вариантов этой основной методики отражены в ASTM C671. Критическое расширение определено как резкое возрастание (в два и более раза) между расширениями последовательных циклов. Результаты дали возможность предположить, что если расширение равно 0,02 % или более, образцы можно рассматривать как неморозостойкие. Этот критерий может быть применен и к результатам единичного испытания, однако, если расширение находится в интервале 0,005—0,02 %, должен быть проведен еще одни или более дополнительный цикл.

Это испытание не использовалось широко, так как его методика более сложна и занимает больше времени, чем другие испытания. Однако было отмечено, что бетоны и заполнители, найденные непригодными при других испытаниях, были признаны пригодными с помощью этой методики. Кроме того, это испытание может быть использовано при одноступенчатом насыщении в тех случаях, когда можно установить соотношение между этими данными и конкретной окружающей средой или данными по многоступенчатому насыщению с корреляцией на несколько различных внешних условий.

В недавней работе по выдерживанию дорожных плит на открытом воздухе Литван и др. показали, что содержание влаги в выдерживаемых плитах находилось на уровне, эквивалентном выдерживанию изделия при 87 % о. все, кроме одного промышленного изделия, должны были быть признаны долговечными в противоположность результатам, полученным по AST.M С666.

Мак-Иннз и Бодуэн использовали экспериментальные параметры, подобные указанным в ASTM C671 для гидратированных цементных паст и растворов. Было найдено, что максимум расширения и остаточного изменения объема после завершения температурного цикла являются линейной

функцией от прочности образцов, и поэтому сами по себе могут быть равнозначно использованы как максимум расширения, так и остаточного изменения объема. Эти результаты также показывают, что данные параметры чувствительны к степени зрелости и водосодержанию цементных паст.

Повышение морозостойкости бетона. Основной способ предотвращения воздействия замораживания на бетон — введение воздухововлекающих добавок. Крошечные пузырьки воздуха защемляются в бетоне вследствие пенообразующего действия добавок и перемешивания; множество факторов (например, непостоянство материалов, способы перемешивания, различные методы укладки) делают затруднительным регулирование вовлечения необходимого количества воздуха с нужным размером пузырьков и фактором расстояния.

При некоторых условиях применения трудно контролировать надлежащее воздухововлечение. Сюда можно отнести следующие факторы: смешанные цементы, суперпластифицированные бетоны, в которых добавка может действовать как пеногасящий агент или, наоборот, вовлекать воздух, жесткий бетон для производства готовых панелей, при использовании малых партий бетона или раствора для ремонта. Этих проблем можно избежать, если добавить заранее изготовленные в форме частиц пузырьковые резервуары. В двух изобретениях имеется описание систем воздушных пор, использующих этот принцип:

а) пустотелые пластиковые микросферы с диаметром между 10 и 60 мкм могут быть добавлены в бетон. Это поры меньшего диаметра, чем в бетоне с вовлеченным воздухом, где диаметр колеблется от 10 до 300 мкм. Добавление (к массе цемента) микросфер в бетон соответствует 0.7 % объема бетона. Фактор расстояния, рассчитанный по среднему диаметру микросфер (32 мкм), равен 6,07 мм, что значительно ниже допустимого максимума. Данные показывают, что введение такого количества микросфер может сделать бетон долговечным. Однако стоимость этого материала не стимулирует широкого использования, но изобретение может быть использовано для ограниченных областей применения, где не учитывается стоимость материала;

б) последние работы Литвана свидетельствуют о том, что пористые частички могут вести себя как заменители вовлеченного воздуха. Пористые частички могут быть изготовлены из различных материалов, включающих промышленные огнеупорные брикеты, однатомптовые породы, вермикулиты и т. д.; в результате, их использования наблюдалось сильное улучшение морозостойкости бетона. В одном из экспериментов цементная наста, изготовленная с включением пористых частиц, сделанных брикетированием (частицы размером 0,15—0,30 мм, 16 % к массе цемента), выдержала более 1260 циклов замораживания—оттаивания при применении методики ASTM C666.

Расчетный фактор расстояния для этих образцов был равен 0,18 мм. Используя частицы из брикетов другого типа, изготовили бетонные балки, которые содержали 5 % частиц размером 0,3—0,8 мм, что соответствовало 1,92 % эквивалентного воздуха. После 360 циклов остаточное изменение длины было приблизительно таким же, как у бетона с вовлеченным воздухом, обеспечивающих лучшую защиту, должен находиться между 0,4 и 0,8 мм. Этому критерию удовлетворяют многие недорогие материалы, но некоторые из них могут вредно воздействовать на бетон. Например, имеются доказательства, что однатомновые породы из ряда отложений вызывают щелочекремнеземные реакции.