Твердение бетона на морозе

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Твердение бетона на морозе

25.10.2020

Исходя из степени гидратации клинкерных минералов при отрицательных температурах следовало бы ожидать достаточно интенсивное их твердение в этих условиях. В действительности (табл. 13) основа портландцемента - силикатные минералы - уже при -5°С характеризуется низкими значениями набора прочности. И если образцы из С3S в длительные сроки выдерживания при указанной температуре все же достигают заметной прочности, то из -в-C2S они, наоборот, разрушаются.

Увеличенное по сравнению со степенью гидратации отрицательное действие мороза на прочность камня из клинкерных минералов объясняется тем, что при температурах ниже 0°С замедляется не только скорость химических процессов, а вместе с нею и интенсивность твердения, но и формируется менее плотная структура вследствие перехода воды в лед. Это, в основном, обусловливает ухудшение физико—механических свойств цементного камня. Подобно минералам-силикатам происходит и твердение бетона на морозе. Из данных табл. 14 видно, что при 0°С значительно нарастает прочность (к 28 — суточному возрасту бетон набрал 70% прочности от марочной). При -5°С через 28 суток бетон приобрел 3%, а к 180-суточному возрасту - 11% своей марки. При температуре -10°С и ниже бетон практически не твердеет.
Твердение бетона на морозе

В естественных условиях вследствие колебания температуры воздуха и появления в бетоне оттаявшей воды во время оттепелей, прочность его растет значительно быстрее, чем при выдерживании в холодильных камерах при постоянной температуре. При оттаивании бетона лед постепенно переходит в жидкую фазу, которая, вступая в реакцию с цементом, обеспечивает твердение, т. е. набор прочности (табл. 15).


Из рис. 29 дающего представление об интенсивности твердения бетона при температурах от +20 до -10°С, видно, что при нулевых температурах кривая нарастания прочности бетона изменяется по сравнению с положительными температурами. Ниже 0°С интенсивность прироста прочности резко падает, а при температуре -10°C твердение бетона, по существу, прекращается.

В бетоне, находившемся некоторое время до замерзания в благоприятных температурно-влажностных условиях, можно ожидать некоторое увеличение прочности при отрицательных температурах. Поскольку количество незамерзающей воды в бетонах, замороженных при более высокой прочности при одной и той же отрицательной температуре, увеличивается, то следовало бы ожидать, что чем большую прочность приобретет бетон до замерзания, тем существеннее она должна нарастать на морозе. Однако это положение справедливо лишь до определенной степени.

Наибольший прирост прочности при испытании после 4 ч оттаивания наблюдается у бетона, замороженного с прочностью 15-20% от марки. Если прочность составляла 70-80% и более, то за 28 суток выдерживания на морозе она практически не возросла. В табл. 16 приведены данные о воздействии отрицательных температур (от -5 до -50°С) на бетон, из которой видно, что абсолютные и относительные величины прироста прочности у бетонов одного возраста при понижении температуры падают.

Прочность бетона, длительное время выдерживаемого при отрицательных температурах, после оттаивания обычно превышает прочность до замораживания (табл. 16). Однако на основании этого нельзя еще делать общий вывод о твердении бетона на морозе. Подвергающийся замораживанию бетон проходит через три этапа - охлаждение до 0°C, замерзание и оттаивание. Очень важно знать, на каком из этих этапов прочность бетона увеличивается.

Исследования, выполненные 0°С. Ивановой показали (табл. 17), что прочность бетона, подвергавшегося замораживанию, нарастает, главным образом, в течение 4-5 ч оттаивания образцов при комнатной температуре, которое обычно предшествует их испытанию. Особенно интенсивное увеличение прочности характерно для бетона, имевшего небольшую прочность до замораживания. При быстром охлаждении образцов до 0°С, пребывание их в течение некоторого времени в холодильной камере и оттаивании до +2°С прочность бетона не увеличивается.

Таким образом, прочность бетона, подвергавшегося замораживанию, увеличивается, главным образом, в период оттаивания образцов. Из этого следует, что утверждение о значительном твердении бетона на морозе экспериментально не подтверждается и является ошибочным, поскольку основано на определении прочности бетона, выдерживаемого в естественных условиях. В известной мере нарастание прочности бетона на морозе может учитываться в строительной практике, например при укладке бетона в вечномерзлые грунты.

В табл. 18 приведены результаты исследования твердения бекона в вечномерзлых грунтах (г. Воркута) при температурах от -0,9 до -2,7°С. Из этих данных видно, что бетон на портландцементе после месячного пребывания в контакте с вечномерзлым грунтом приобрел 60-70% марочной прочности. После суточного твердения в нормальных условиях прочность бетона достигла марочной через 7 месяцев его выдерживания в вечномерзлом грунте, а 7-суточного предварительного выдерживания — практически уже к месячному возрасту, т.е. в контакте с вечномерзлыми грунтами бетон твердеет достаточно интенсивно, если охлаждение его до температуры среды происходит в течение нескольких суток.

Однако при температуре -10°С и ниже не наблюдается заметного прироста прочности даже у бетонов„ замороженных с прочностью 50-70% марочной. Это доказали многочисленные и убедительные опытные данные, полученные при проверке утверждений о том, что в зимних условиях при температурах -20, -30°С прочность пропаренного бетона значительно возрастает. Эксперименты показали, что эти утверждения основаны на методически неправильно проведенных опытах.

То же можно сказать и об утверждениях, которые высказывались в свое время о твердении на морозе цементных растворов при малых значениях В/Ц. Экспериментальная проверка показала, что у растворов и бетонов с низким водоцементным отношением процессы гидратации цемента и набора прочности также замедляются, а затем и прерываются при замерзании жидкой фазы точно так же, как и в обычных бетонах. Малое водосодержание и низкое водоцементное отношение играют положительную роль, главным образом, в отношении ускорения твердения и получения более высокой прочности в ранние сроки.

По вопросам теории твердения бетона на морозе неоднократно высказывались различные гипотезы. И.А. Киреенко объяснял полученные им в тридцатых годах результаты исследований о некотором нарастании прочности бетона при температурах до -12°С, взаимодействием портландцемента с водой в твердой фазе, т. е. со льдом. Позднее, не изменяя этой точки зрения, он выдвинул новую гипотезу, заключающуюся в том, что на морозе якобы происходит отжатие воды из гелевых оболочек гидросиликата кальция к негидратированной части клинкерных зерен.

Kритически рассматривая эти гипотезы, можно сказать следующее. Если бы минералы цементного клинкера взаимодействовали с водой в твердой фазе, т. е. со льдом, прочность бетона нарастала бы при любой отрицательной температуре. Однако этого не наблюдается. Медленное нарастание прочности бетона при температурах до -8, -12 °С при наличии значительных колебаний температуры объясняется наличием небольшой части воды в жидкой фазе. Данные о твердении бетона при температурах до -22, -25°С основаны на методических ошибках.

Вода к негидратированной поверхности клинкерных зерен, как свидетельствуют теоретические расчеты давления, возникающего в воде между оболочкой геля и клинкерным ядром, перемещаться не может. Это давление обусловлено термодинамическими причинами, связанными с температурным Бездействием, и его величина не может существенно влиять на направление миграции воды и процесс гидратации цемента. Малая величина давления говорит также и о направлении движения воды из геля.

О том, что вода из оболочек геля перемещается в основном не к клинкерному ядру, а наоборот, свидетельствуют исследования механизма замерзания геля, а также миграция воды в зависимости от температурных градиентов. Поскольку процесс гидратации экзотермичен, то вода в геле при замерзании перемещается к фронту охлаждения - в капилляры и пустоты твердеющего цементного камня от зерен клинкера.

Как же можно представить механизм твердения бетона с понижением температуры за нуль? Исследования калориметрическим, дилатометрическим, ультразвуковым, кондуметрическим и другими методами показали, что с понижением температуры за нуль вода в бетоне не сразу переходит полностью в лед. Сначала вода замерзает в макропорах, затем в переходных и микропорах. Вода, адсорбированная микрокристаллами гидросиликата кальция и содержащаяся в контракционных порах геля, замерзает при температурах -30, -40°С и ниже.

Начавшиеся процессы гидратации цемента после затворения бетона продолжают развиваться, но скорость их замедляется по мере охлаждения как из-за уменьшения количества незамерзшей воды, так и вследствие снижения активности химических реакций. Опыты убедительно показали, что даже при наличии части воды в тонких капиллярах и гелях при температуре ниже -10°С нарастание прочности бетона во всех возрастах практически прекращается. Это хорошо подтверждается химическими анализами и полным прекращением тепловыделения при изучении экзотермии цементов при различных температурах.

В результате экзотермических реакций взаимодействия воды с минералами цемента выделяется тепло, которое вызывает таяние льда. Чем ближе отрицательные температуры к нулю, тем относительно больше сохраняется незамерзающей воды и тем больше возможностей увеличивать ее ресурсы за счет экзотермических вспышек. С понижением температуры эти возможности и ресурсы убывают.

При полном замерзании воды в порах и капиллярах твердение бетона прерывается. Непрореагировавшая часть клинкера сохраняет способность в дальнейшем при наступлении благоприятных температурно-влажностных условий возобновить временно прерванный процесс взаимодействия с водой. Больше того в ряде случаев после завораживания бетон твердеет еще энергичнее. Это обусловлено тем, что зерна клинкера окружены оболочками геля гидросиликата кальция, который в зависимости от той стадии, на которой наступает замораживание, обладает различной степенью проницаемости. Вода, окружающая гелевые оболочки, при замерзании, увеличиваясь в объеме, оказывает давление на них, вызывая микродеформации в оболочках, Тем самым открывается доступ воде к негидратированной части зерен клинкера.

Поскольку нарушения оболочек возможны при сравнительно небольших их толщине и прочности, то и больший прирост прочности после оттаивания характерен для бетонов, замороженных с прочностью 15—20% марочной. В свежезамороженном бетоне гелевых оболочек практически еще нет, а с прочностью до замораживания 70-80% от марки они, с одной стороны, уже достаточно прочны, а с другой, - в бетоне содержится недостаточное количество воды, вызывающей при замерзании указанные микродеформации. Это способствует и более интенсивному твердению бетона, выдерживаемого в естественных условиях.

Справедливость описанного механизма твердения бетона на морозе подтверждается опытными данными, а также твердением бетонов с противоморозными добавками, искусственно снижающими температуру замерзания воды затворения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: