К.т.н, доц. Даужанов Н.Т., д.т.н., проф. Аруова Л.Б.

Механизм разрушения твердеющего

бетона морозом.

Изучение воздействия замораживания на бетон в процессе твердения до достижения им прочности, равной 100% от R₂₈ является наиболее важным. Между тем условия твердения бетона на этом этапе имеют решающее значение не только для формирования структуры, но и для дальнейшего поведения материала при отрицательных температурах.

Переход воды в лед с увеличением в объеме примерно на 9% приводит, к появлению высоких внутренних давлений. Бетон, замораживаемый сразу после приготовления, не обладающий упругими свойствами, не может противостоять возникающему давлению, которое способствует раздвижке частиц твердых компонентов системы.

При замере деформаций бетона, замороженного сразу после укладки, по мере охлаждения до 0^оС происходит уменьшение размеров образца. В интервале температур от 0 до -1^оС наблюдается резкий скачок в деформациях, характеризующий расширение бетона за счет перехода механически связанной влаги в твердую фазу, с постепенным затуханием при дальнейшем охлаждении.

Сопоставление данных по внутреннему давлению и деформативным изменениям бетона при замерзании с данными по фазовым превращениям воды показывает, что эти явления с разных точек зрения характеризуют этап кристаллизации механически связанной воды при отрицательной температуре, близкой к 0^оС.

Таким образом, в свежем бетоне при замерзании подавляющее количество влаги (90%) переходит в лед, вызывает появление высокого внутреннего давления в материале, которое не может быть воспринято пластичной системой. Это обуславливает раздвижку твердых частиц в бетоне, что фиксируется деформациями расширения.

При повышении температуры замороженного образца в нем опять наблюдается увеличение внутреннего давления при температурах близких к 0^оС. Причина этого явления – расширение всех компонентов смеси и особенно газообразной, представляющей собой защемленный воздух и выделяющийся из жидкой фазы при повышении температуры, а также водяные пары, образовавшиеся в заполненных воздухом порах и капиллярах за счет сублимации льда. Хотя роль двух последних составляющих газообразной фракции и невелика, но все же имеет место.

Переход температуры через 0^оС, характеризующийся превращением льда в воду, сопровождается падением внутреннего давления. Это объясняется уменьшением в объеме переходящего в жидкость льда и открытие путей миграции для газообразной фракции, ранее закупоренной в отдельных объемах льдом. Находящаяся в разрыхленном состоянии система начинает быстро твердеть после оттаивания, но прочность ее остается более низкой по сравнению с бетоном, не подвергавшимся замораживанию и твердевшим в нормальных температурно-влажностных условиях.

Увеличение воды в объеме при переходе в твердое агрегатное состояние разрушающе проявляется и на бетонах, достигших какой-то прочности к моменту замерзания. Однако, по мере затвердевания бетона и повышения его упругих характеристик, механизм воздействия этого фактора на структуру становится иным.

Первая особенность состоит в том, что механически связанной воды по мере твердения в бетоне становится меньше. Следовательно, разрушающее воздействие ее на материал будет снижаться. Это заметно проявляется на деформативных изменениях. Так образцы, замороженные через 14 и 17 часов после приготовления совершенно не имеют деформаций расширения при переходе температуры через 0^оС. Этому в определенной степени способствует изменение пористости материала. Освободившиеся от механически связанной воды макропоры заполняются воздухом и становятся резервуарами, за счет сжатия воздуха в которых происходит расширение при замерзании жидкой фазы без существенных разрушений стенок капилляров. Большую положительную роль в снижении разрушения бетона могут сыграть воздухововлекающие добавки, особенно широко применяемые в зарубежной практике для повышения долговечности бетона.

Вторая особенность – разрушение замерзающей водой стенок капилляров и пор. Наибольшие разрушения имеют место в заполненных водой капиллярах, граничащих с воздушными порами и кавернами. В этом случае, возникающее внутри капилляра давление не имеет противодействия со стороны заполненного воздухом пространства и разрушает граничную стенку.

Из изложенного ясно, что разрушение бетона за счет увеличения в объеме воды при переходе в твердое состояние наиболее опасно в раннем возрасте. С увеличением прочности бетона этот фактор сказывается все в меньшей степени, если в материал не вводится дополнительное количество воды при выдерживании.

Большие структурные нарушения физического характера вызывает массоперенос. При приготовлении бетонной смеси в барабане бетономешалки вода относительно равномерно распределяется по всей массе. При транспортировании, перегрузках и хранении бетонной смеси бетонной смеси до укладки происходит перераспределение влаги, которая обычно отжимается вверх. В результате отдельные участки бетона становятся излишне водонасыщенными и при замерзании в них можно ожидать больших структурных нарушений. Но даже если влага совершенно равномерно распределена в бетоне и находится в таком состоянии до момента его укладки в опалубку и после уплотнения, в дальнейшем картина существенно меняется.

Равномерное распределение влаги прежде всего нарушается наличием внешнего и внутреннего температурных градиентов. Охлаждение конструкции начинается с поверхностных слоев бетона с постепенным распространением фронта холода в глубину. Как известно из физики, в зоне более низких температур имеет место пониженное парциальное давление и влага начинает мигрировать в холодную зону. Достигая нулевой изотермы, она переходит в твердое состояние, увеличиваясь в объеме и раздвигая зерна цемента и заполнителя в свежем бетоне или разрывая формирующийся кристаллический скелет в начавшем твердеть бетоне.

К образовавшимся ледяным включениям диффундирует вода из более тонких капилляров, поскольку такие включения являются своеобразными центрами холода внутри системы из-за температурного градиента. Взаимодействие цемента с водой, относясь к разряду экзометрических реакций, связано с выделением тепла. Хотя влага в жидком состоянии находится в замороженном бетоне немного и она обладает малой химической активностью, все же взаимодействие имеет место и какое-то количество воды при этом будет выделяться, обеспечивая повышение температуры на поверхности цементных зерен. Это способствует ее миграции к ледяным включениям, где из адсорбционно связанной вода переходит в механически связанную и замерзает. Ледяные включения растут в объеме и постепенно образуют ледяные сегрегации, которые часто заметны визуально.

На характер диффузии влаги при замерзании бетона оказывает влияние несколько факторов – температура и скорость замерзания бетона, пористость материала, водоцементное отношение.

Значение температуры замерзания особенно велика для свежего бетон. Если при температуре -5^оС в лед переходит 92% воды, то при 45^оС эта величина возрастает до 96-97%. Следовательно, в таком бетоне в жидком виде остается очень незначительное количество прочно адсорбционно связанной воды. Количество влаги, которое может диффундировать к ледяным включениям столь мало, что их рост при низких температурах не наблюдается. При выдерживании на морозе -20^оС в течение трех месяцев у свежезамороженного бетона не наблюдалось каких-либо существенных изменений в ледяных сегрегациях.

Не наблюдается этого явления и у бетонов, уже достигших к моменту замерзания какой-то прочности, поскольку в микрокапиллярах у таких бетонов теряется сплошность в заполнении их влагой и диффузия жидкости становится невозможной. Однако, здесь будет иметь место диффузия водяных паров, но она существенного значения не имеет и заметного влияния на рост ледяных сегрегаций не оказывает.

При отрицательных температурах, близких к 0^оС, картина в таких бетонах существенно меняется. В бетоне имеется достаточное количество механически и слабо адсорбционно связанной воды, способной к миграции (например, в бетоне, замороженном с прочностью 15% от R₂₈ при -2^оС, в лед переходит только 35% воды). Способствует этому и то, что охлаждение бетона при температуре, близкой к 0^оС, идет значительно медленнее, особенно в крупных образцах и конструкциях, что создает более благоприятные условия для перемещения влаги до ее замерзания.

Скорость охлаждения может оказывать существенное влияние на характер миграции влаги, поскольку последняя протекает относительно медленно. При быстром охладжении до низких отрицательных температур влага замерзает довольно равномерно по всему сечению с образованием мелких кристаллов льда часто игольчатой формы. Естественно, это в меньшей степени сказывается на деструктивных явлениях в бетоне. При медленном замораживании бетона влага имеет возможность более существенно перераспределяться, мигрируя к холодному фронту и к ледяным включениям. Это способствует сегрегированию льда и более существенному понижению плотности материала.

В твердеющем и затвердевших растворах и бетонах при наличии значительного температурного градиента миграция влаги может явиться причиной разрушения конструкции.

Монолитность системы, состоящей из различных компонентов, является основой ее работы и нарушение монолитности приводит к разрушению системы. При замерзании свежего бетона причиной нарушения совместной работы зерен крупного заполнителя и растворной части является массоперенос. Зерна крупного заполнителя обладают более высокой прочностью

Зерна крупного заполнителя обычно обладают высокой плотностью, а следовательно и теплопроводностью, чем цементное тесто. Поэтому при охлаждении бетона температура в них понижается быстрее и они являются местами, к которым начинается в первую очередь приток влаги из внутренних слоев. Замерзая на контакте с заполнителем, она образует ледяную пленку, которая продолжает расти благодаря диффузии влаги из капилляров. Иногда такая пленка достигает толщины до 1 мм и более.

Образованию ледяной пленки на контакте цементного теста с плотными зернами крупного заполнителя способствуют седиментационные явления в бетоне. Первоначально образовавшаяся ледяная пленка седиментационного характера при благоприятных условиях также может расти за счет подтока влаги из капилляров.

Увеличиваясь в объеме, ледяная пленка расширяет зазор между заполнителем и цементным тестом, что не только нарушает их контакт, но разрыхляет структуру бетона вообще. После оттаивания пленка исчезает и вместо нее образуется воздушный зазор, нарушающий сцепление цементного теста с зернами заполнителя. Даже при твердении бетона после оттаивания в благоприятных температурно-влажностных условиях сцепление остается чрезвычайно низким и зерна заполнителя легко отделяются от растворной части бетона.

Приведенные исследования показывают разрушительное действие мороза на недостигший структурной зрелости материал, и еще раз подтверждают несостоятельность высказываний о благоприятном воздействии замораживания на бетон раннего возраста.