Морозостойкость

Большинство исследований, выполненных по проблеме морозостойкости бетона, посвящено механизму разрушения бетона под действием переменного замораживания и оттаивания и влиянию на этот процесс различных факторов состава и структуры. Эти исследования позволили разработать научные основы прогнозирования и обеспечения необходимой стойкости бетона к совместному действию воды и знакопеременных температур. Они учитывают влияние на морозостойкость бетона химико-минералогического и вещественного состава цемента и заполнителей, их физико-механических характеристик, особенностей порового строения бетона и его связь с составом и структурой, условия уплотнения и твердения бетона, а также особенности его работы в конструкциях и сооружениях.
Известный исследователь морозостойкости бетона С.В. Шестоперов привел 25 характеристик качества исходных материалов, состава бетона и условий работы, различное сочетание которых обеспечивает различную морозостойкость. Эти развернутые рекомендации можно было бы еще дополнить, факторы влияния на морозостойкость можно объединить в группы, определяющие прочность бетона, величину капиллярной пористости, объем вовлеченного воздуха, состав цементного камня и качество контактного слоя.
При проектировании составов морозостойких бетонов обычно часть указанных факторов учитывается при выборе исходных материалов, остальные – при назначении объема вовлеченного воздуха и В/Ц. С этой целью используются рекомендации, изложенные в различных литературных источниках и нормативной литературе. Эти рекомендации часто весьма обобщены и не дают желаемого эффекта. В связи с этим представляется актуальной разработка расчетных зависимостей, связывающих морозостойкость бетона с факторами, учитываемыми при проектировании их составов. Все имеющиеся зависимости являются стохастическими и получены обработкой соответствующего экспериментального материала. Их можно разделить на две группы:
1) устанавливающие связь морозостойкости бетона (F) с отдельными факторами;
2) устанавливающие связь морозостойкости бетона с некоторыми интегральными параметрами. Одна из первых попыток получения факторных полиномиальных моделей морозостойкости бетона и использования их в задачах определения составов бетона сделана в работе. В качестве факторов в этих моделях избраны структурные характеристики – концентрация цементного камня и его В/Ц в бетоне ("истинное В/Ц"). Комплекс многофакторных полиномиальных моделей морозостойкости тяжелого бетона нормального и ускоренного твердения предложен и в других работах. Основной недостаток полиномиальных моделей морозостойкости также как и моделей других показателей свойств бетона – их локальность, адекватность лишь в том факторном пространстве, в котором планировался факторный эксперимент и повышенный риск при экстраполяции расчетов.
Зависимости второй группы содержат интегральные параметры, определяемые экспериментально на образцах бетона (средний размер пор, "фактор расстояния", "льдистость" и др.) или вычисляемые "a priori" на основе факторов состава бетонной смеси.
Первые из указанных зависимостей второй группы могут быть использованы при подборе составов экспериментальными методами. Такие методы предполагают серию специальных опытов и, после изучения структуры и свойств полученных бетонов, выбор необходимых составов с учетом комплекса нормируемых показателей. Правомерность использования такого подхода возможна при наличии достаточного времени для необходимой технологической подготовки производства бетонных работ.
При выводе формулы принято допущение о том, что система воздушных пор является идеализированной. Она имеет тот же объем и количество воздушных пор, что и реальная система, но принимает эти поры одинаковыми и расположенными на равном расстоянии друг от друга. Фактор расстояния не учитывает существенное влияние В/Ц на морозостойкость бетона с искусственно вовлеченным воздухом. В нормах, например ФРГ, для получения морозостойкого бетона при искусственном воздухововлечении, требуется не только 0,25 мм, но и В/Ц 0,7. Для морозо-солестойкого бетона лимитируется 0,20 мм и В/Ц 0,6.
Г.Добролюбовым предлагается рассчитывать ряд показателей на основе микроскопического анализа тонких шлифов с учетом физико-механических характеристик бетона: его прочности и водопоглощения. В другой работе предложен критерий морозостойкости (КМ) бетона, учитывающий его открытую пористость (По.и), условно-замкнутую пористость (Пу.з) и объемное содержание льда (Ft).
Показатели, входящие в формулу, определяются экспериментально на образцах нормального твердения в возрасте 28 сут. Авторы показали наличие линейной зависимости между показателем КМ и морозостойкостью бетона.
Льдистость материала, определяемую отношением объемного содержания льда в бетоне к интегральной пористости доступной воде, в работе предложено использовать совместно с В/Ц как основной параметр морозостойкости:
N-N0 = l/(С-С0),
где N0 и С0 - соответственно предельные значения числа циклов замораживания и оттаивания и льдистости
С = l(В/Ц)1/3.
Для определения содержания льда в бетоне предлагаются различные экспериментальные методы. Наибольшей известностью пользуется калориметрический метод, в основе которого лежит зависимость между изменением температуры при переходе воды в лед и массой образовавшегося льда. Применяют также метод сверхвысоких частот, ультразвуковой и сорбционный методы. Наряду с рассмотренными, предложены и другие экспериментальные критерии морозостойкости.
Для проектирования составов бетонов с заданной морозостойкостью необходимы достаточно надежные зависимости, позволяющие переходить от требуемых проектных показателей к составам бетонных смесей на конкретных исходных материалах.
Исходный критерий для разработки расчетных параметров, позволяющих прогнозировать морозостойкость при проектировании составов был предложен Т. Уайтсайдом и Х. Свитом. Этот критерий известен как “степень насыщения”.
Было установлено, что при СН<0,88 бетон обладает высокой морозостойкостью, а при СН > 0,91 быстро разрушается. Практика показывает, что ни критическая величина степени насыщения, ни даже меньшее ее значение, взятое с запасом (СН<0,88), не обеспечивают однозначно высокой морозостойкости бетонов. Это можно объяснить тем, что при постоянной СН соотношение между объемом замерзающей воды и общим объемом пор в бетонах разных составов будет различным. Первоначально степень насыщения предполагалась как экспериментальный параметр, определяемый отношением величины водопоглощения бетона при атмосферном давлении к величине его водонасыщения под вакуумом или при избыточном давлении. Критическая величина водонасыщения основана на общей концепции критического насыщения пористых материалов при их замораживании. Объем свободных воздушных пор должен быть не менее 9%, чтобы изменение объема при замораживании воды не приводило к деструкции пористого материала. Многие исследования подтвердили обоснованность этих представлений для бетона. Вместе с тем Т. Пауэрсом показано, что бетон почти всегда имеет достаточный объем свободного порового пространства за счет вовлеченного воздуха, чтобы противостоять давлению, возникающему вследствие изменения объема при замораживании насыщенной водой поровой системы. При нехватке такого внутреннего пространства избыточная вода должна просто удаляться из бетона преимущественно в ту сторону, где гидравлическое давление меньше. С уменьшением В/Ц и увеличением степени гидратации уменьшаются размеры пор и меньшая часть воды будет замерзать при постоянной температуре. Значительная часть объема воздушных пор, не образованных воздухововлекающей добавкой, не может быть отнесена к резервным порам. В итоге, для бетонов, отличающихся составами, исходными материалами, условиями твердения и характером пор, не существует определенной критической степени водонасыщения. О последней можно говорить лишь для бетонов конкретных составов. При этом, как показывает обработка экспериментальных данных, в зависимости от состава и структуры бетона критическая степень насыщения (СН)кр колеблется от 0,6 до 0,92.
Параметр (СН)кр позволяет качественно оценивать морозостойкость бетонов в различных условиях эксплуатации.
Расчет величины СН на стадии проектирования составов стал возможным после разработки теоретических представлений о количестве замерзающей в бетоне воды, пористости цементного камня и бетона и обосновании соответствующих формул.
Рядом авторов показано, что объем замерзающей воды достаточно близок при температурах -20...-30 С к объему капиллярных пор.
Имеются различные расчетные зависимости для нахождения капиллярной пористости цементного камня и бетона, в основу которых положены различные исходные предпосылки. Формулы, предложенные Пауэрсом и Броунярдом, Коуплендом и Хейсом, Шейкиным и Кунцевичем, предлагают вычислять капиллярную пористость только как пористость, образуемую испаряющейся, капиллярной водой, без учета образуемого при твердении бетона контракционного объема. Капиллярная пористость (Пк), рассчитанная по формуле Г.И.Горчакова не включает контракционный объем.
В ряде исследований экспериментально доказано, что увеличение отношения контракционного объема к капиллярной пористости является существенным фактором повышения морозостойкости. Под контракционным объемом можно понимать часть капиллярного объема, образуемого в результате уменьшения объема гидратных новообразований по мере твердения цемента по сравнению с объемами цемента и воды, вступивших в реакцию.
Вместе с тем, предложена гипотеза, что мельчайшие поры, обусловленные контракцией, имея большой капиллярный потенциал, отсасывают воду из более крупных пор, в результате чего последние обезвоживаются и заполняются паровоздушной смесью. Такие обезвоженные поры, блокированные цементным гелем, не заполняются водой даже в условиях водного твердения. Имеется также мнение, что по мере твердения цемента и развития контракции в капиллярах происходит выделение избыточного воздуха. Пузырьки выделенного воздуха снижают степень заполнения капиллярных пор и таким образом способствуют повышению морозостойкости. Учитывая положительное влияние контракционного объема, который можно отнести к условно-замкнутой резервной пористости, для определения степени насыщения СН и других критериев морозостойкости целесообразно использовать для расчета капиллярной пористости формулу. Одна из первых попыток связать морозостойкость с величиной капиллярной пористости была сделана в работе. Формулу предлагается использовать с учетом отношения контракционной пористости к капиллярной не менее 0,25...0,3. Зависимость позволила предложить метод определения состава бетона с требуемой морозостойкостью. В зависимости от необходимой марки по морозостойкости, с учетом качества применяемого цемента и условий твердения, данный метод предлагает находить величину капиллярной пористости проектируемого бетона, устанавливать по справочным данным степень гидратации цемента, а затем рассчитывать расход цемента, необходимый для получения требуемой капиллярной пористости. При этом найденный расход должен быть не меньше требуемого из условия прочности. Позволив в отличие от метода прогнозирования морозостойкости по степени насыщения перейти от качественных оценок к количественным, вместе с тем зависимость и предложенный на основе ее метод проектирования составов обладают рядом недостатков. Главный из них заключается в том, что не учитывается в должной мере влияние на морозостойкость бетона основного структурного параметра - соотношения замкнутых резервных и открытых капиллярных пор. Это резко ограничивает применение предлагаемой зависимости лишь для бетонов без искусственного воздухововлечения.
По существу критерий А.Е.Шейкина основан на той же концепции, что и степень насыщения СН. Под условно-замкнутой пористостью в критерии КF предлагается также рассматривать лишь контракционный объем твердеющего цементного камня с коэффициентом контракции q=0,041. Интегральная пористость бетона (Пи) рассчитывается по разности общей пористости (По) и контракционного объема (Пкон), т.е. по существу она равна сумме капиллярной и гелевой пористости. По А.Е. Шейкину [209]:
Пи = По-Пкон = (В – 0,23?Ц) – 0,041?Ц = В-0,271?Ц .
Предположение об отрицательном влиянии гелевой пористости наряду с капиллярной на морозостойкость бетона недостаточно обосновано. Как известно, вода в порах геля находится в особом состоянии и не переходит в лед при низких температурах порядка -40 ?С, и даже -78 С.
Очевидная необходимость включения в критерий морозостойкости объема вовлеченного воздуха обусловила появление ряда соответствующих расчетных параметров. К наиболее известным расчетным параметрам этого типа относится “компенсационный” фактор (Фк). Первоначально, он был предложен [119] в виде выражения: Фк = (Vкон + Vвх)/Vл,
где Vвх - объем воздуха в уплотненной бетонной смеси, %; Vкон - объем контракционных пор в бетоне, %; Vл - объем воды в бетоне, замерзающей при -20 С.
В выражении было отражено ошибочное мнение о положительной роли как эмульгированного воздуха, так и воздуха, защемленного в бетонной смеси в процессе уплотнения.
Защемленный при уплотнении в капиллярах бетонной смеси воздух принципиально отличается от воздушной эмульсии, образующейся при введении добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ), тем, что является неупорядоченным, может легко коалесцировать, не гидрофобизует поверхности стенок капиллярных ходов, не способствует переводу открытой пористости в замкнутую. Пузырьки случайно защемленного воздуха образуют в бетоне поры размером до 0,13 см (удельная поверхность менее 760 см-1). Размер пузырьков воздуха, эмульгированного, например добавкой СНВ, колеблется от 25 до 250 мкм (1440-2090 см-1).
Для расчета компенсационного фактора на стадии проектирования состава бетона необходимо рассчитать объем вовлеченного эмульгированного воздуха, контракционный объем бетона и объем образуемого льда. Контракционный объем твердеющего бетона (%) можно рассчитать, зная абсолютные объемы цемента и воды, вступивших в реакцию, и абсолютный объем продуктов гидратации.
Для ориентировочного расчета показателей пористости необходимо знание степени гидратации цемента. Некоторые авторы предлагают находить степень гидратации цемента по справочным данным, которые, к сожалению, недостаточно полны.
При расчете компенсационного фактора Фк, рекомендованного в ГОСТ 10060-76, была исключена степень гидратации цемента из формулы пористости, что не позволяло оценить влияние на морозостойкость времени твердения и особенностей применяемых цементов.
Для расчета степени гидратации цемента может быть использована установленная различными авторами взаимосвязь ее с прочностью цементного камня при сжатии.
Указанные зависимости, однако не позволяют оценить степень гидратации цемента в бетоне с учетом как особенностей применяемого цемента, так и В/Ц бетонной смеси. Для решения этой задачи можно использовать выражение основного закона прочности, предлагаемого теорией искусственных строительных конгломератов.
По влиянию В/Ц в чистом цементном камне имеются противоречивые данные. По Л.Е. Коупленду и Д.Л. Кантро различие В/Ц незначительно сказывается на начальной степени гидратации, но влияние его усиливается на промежуточных стадиях. С уменьшением В/Ц уменьшается количество неиспаряемой воды в цементном тесте данного возраста. Д.Таплин в более обширных исследованиях обнаружил, что цементное тесто с низким В/Ц вначале гидратируется быстрее, чем тесто с более высоким В/Ц. При этом отмечается, что другие цементы могут проявлять противоположные свойства.
При оценке влияния В/Ц на степень гидратации цемента в бетоне следует учесть изменение тепловыделения, которое существенно может сказываться на степени гидратации.
Приблизительность расчетной оценки степени гидратации цемента, объема открытых и резервных пор снижают прогностическую значимость структурных критериев морозостойкости. Для прогнозирования морозостойкости бетона и проектирования составов представляется целесообразным использовать уравнения связи морозостойкости, прочности бетона и объема вовлеченного воздуха. Однозначная зависимость прочности бетона от активности цемента позволяет косвенно учесть степень гидратации цемента, а от Ц/В – плотность и пористость бетона. Были статистически обработаны результаты испытаний морозостойкости бетонов, выполненных нами на кафедре ТБВМ Украинского университета водного хозяйства и природопользования с применением импульсного ультразвукового метода (ГОСТ 26154-84) при температуре –500С. В массив данных вошло 30 серий испытаний бетонов, изготовленных с применением цементов Здолбуновского и Каменец-Подольского цементных заводов, гранитного щебня и кварцевых песков с Мк 1,5…2, соответствующих требованиям ДСТУ. В качестве воздухововлекающих использовались добавки СНВ и СДО.
Как известно, при ультразвуковом методе испытания продолжают пока на графике "скорость УЗВ – количество циклов" не обнаружится перелом, после которого снижение скорости ультразвука будет происходить с большей интенсивностью. Предполагается, что этот перелом свидетельствует о росте микротрещин и ускорении разрушения. По числу циклов в точке перелома с помощью переходных коэффициентов определяют фактическую морозостойкость бетона. При температуре замораживания –50 коэффициент перехода от контрольного значения критического числа циклов, определенных ультразвуковым способом, к марке колеблется от 10 до 20, что позволяет проводить испытания в сравнительно короткие сроки при минимальном количестве образцов и с минимальными трудозатратами.
При содержании вовлеченного воздуха 3…5 % морозостойкость бетона, как следует из анализа формулы возрастает в 3…6 раз. При этом с повышением прочности бетона свыше 30…40 МПа относительное увеличение критического числа циклов, достигаемое за счет вовлеченного воздуха несколько возрастает, что можно объяснить увеличением влияния условно-замкнутых пор контракционного происхождения.
По мере накопления эмпирических данных о значениях параметров А1 и А2 формула может широко использоваться как при прогнозировании морозостойкости, так и для проектирования составов бетонов. Алгоритм расчета составов при использовании формулы (5.41) должен включать проверку возможности достижения заданного числа циклов при нормированном значении прочности и, при необходимости, соответствующее завышение Rсж или введение вовлеченного воздуха.
Анализ расчетов показывает удовлетворительную сходимость расчетных значений морозостойкости, вычисленных по различным эмпирическим зависимостям.
Установлено, что на морозостойкость бетона влияет более 190 факторов. Как показал А.М. Подвальный с помощью комбинаторного анализа, уже при учете 25 важнейших факторов и трех интенсивностях каждого из них число возможных сочетаний имеет порядок 1030. Это делает нереальным точный расчет морозостойкости. Речь может идти лишь об ориентировочных количественных оценках, что само по себе является достаточно важным.
Совершенствование стандартных методов испытаний на морозостойкость бетона в последнее десятилетие шло как в направлении развития экспрессных методов, так и уменьшения допустимого снижения прочности образцов в процессе испытаний – с 25 до 5 %. При испытаниях бетона на прочность даже без их замораживания и оттаивания, как известно, коэффициент вариации может достигать и превышать 10%. По данным, приведенным Ю.Г. Хаютиным при массовом испытании бетона со средней прочностью 31,9 МПа даже при использовании новых форм коэффициент вариации составил 10,7%.
Сложный характер напряженного состояния образцов бетона в процессе испытания на морозостойкость, обусловленного нестационарностью температурного поля и ростом кристаллов льда, способствует повышению неоднородности показателя морозостойкости. С.В. Шестоперов вообще считал оценку морозостойкости бетона по нормируемому снижению прочности несостоятельной и целесообразным испытание образцов до их полного разрушения или использование специальной 5ти балльной системы для оценки степени морозного повреждения образцов. Однако работоспособность при замораживании и оттаивании бетон теряет раньше, чем наступает полное разрушение. Что касается балльной оценки состояния образцов после испытания, то она является менее информативной чем прочность.
Для уменьшения разброса показателей прочности предложено скорость нагружения образцов при раздавливании довести до 9,8 Н/с, применять оттаивание при многократном погружении в ванны с водой, однако сколько-нибудь существенного положительного результата при этом достигнуто не было. В работе на основе теоретического анализа разработана методика оценки величины температурных напряжений и расчета скорости замораживания, существенно влияющих на результаты испытаний. Однако эта методика также не реализована в стандартных испытаниях.
Стремление ускорить получение экспериментальной оценки критического числа циклов замораживания и оттаивания привело к разработке ряда экспрессных методов испытаний.
Использование таких методов в еще большей мере снижает статистическую надежность получаемых результатов, поскольку на изменчивость показателя критического числа циклов накладывается дополнительно изменчивость, обусловленная корреляционными связями его с параметрами ускоренных испытаний.
В соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 10060.0-95 рекомендуются наряду с базовым 2 ускоренных метода испытания бетона на морозостойкость при многократном замораживании и оттаивании, отличающихся тем, что средой насыщения при их использовании служит не вода, а 5-% ный водный раствор хлорида натрия.
С целью определения сходимости результатов, получаемых по трем методам, находили по мере замораживания и оттаивания через эквивалентные значения числа циклов величину КF=RF /Rк, где RF – прочность образцов на сжатие после испытания; Rк – прочность контрольных образцов. Изготавливали бетоны трех серий: I) В/Ц=0,7; II) В/Ц=0,5; III) В/Ц=0,7, Vвх=3,5% с использованием портландцемента Здолбуновского ЦШК ПЦ-II-А-Ш М500. Заполнителями служили кварцевый песок с Мк=2,04 и гранитный щебень фракции 5-20 мм. Бетонная смесь для трех серий образцов имела осадку конуса ОК=2…4 см. В бетонную смесь третьей серии образцов вводили добавку СНВ – 0,025 % от массы цемента. Результаты испытаний приведены в табл. 5.6. Они показывают, что при одинаковом характере изменения КF по мере замораживания и оттаивания применение ускоренных методов приводит к значительным отклонениям получаемых результатов от результатов базового метода.
В соответствии с ГОСТ 10060-95 и ДСТУ БВ 2.7-43-96 предлагается 11 марок бетона по морозостойкости с градацией 25…100 циклов - от F50 до F1000. Такое большое число марок, определяющих гарантированное критическое число циклов при стандартном испытании образцов, нельзя считать обоснованным, как с позиций их статистической обоснованности, так и с позиций обеспечения долговечности проектируемых конструкций и сооружений.
Таким образом расчеты показывают, что если при CV1=10 % вероятность нахождения критического числа циклов в диапазоне допустимом для F150 достаточна высока, то при CV2=20 % в более 40 % возможных результатов оно может выходить за границы допустимого интервала. Учитывая реальные колебания критического числа циклов при испытаниях, очевидно, существующая градация марок бетона по морозостойкости требует укрупнения.
Известен ряд попыток связать количественными зависимостями число циклов, выдерживаемых бетоном без сколь-нибудь значительного снижения прочности при лабораторных испытаниях с параметрами долговечности бетона в конструкциях и сооружениях при реальных условиях эксплуатации. Однако, ни одну из них нельзя считать достаточно успешной, поскольку методики лабораторных испытаний не моделируют работу конкретных конструкций и сооружений при знакопеременных температурах. Наиболее обоснованным представляется подход, предлагаемый И.З. Актугановым, - создание для каждого конкретного случая программы на ЭВМ и моделирование значений факторов, входящих в уравнение для определения числа стандартных циклов, которым подвергается бетон в процессе эксплуатации. Однако эта методика представляется чрезмерно сложной для массового применения.
В существующих нормативных документах марку бетона по морозостойкости предлагается назначать, основываясь на числе переходов через 0С и средней температуре самого холодного месяца в районе строительства. При этом не учитываются многие факторы, влияние которых на стойкость бетона к попеременному замораживанию и оттаиванию является весьма существенным.
Недостаточность нормативных рекомендаций и практическая невозможность расчетного определения требуемой марки бетона по морозостойкости обусловливают необходимость назначать этот параметр на основе анализа результатов натурных обследований и метода аналогий. Поскольку такой анализ имеет весьма обобщенный характер, целесообразно устанавливать в качестве параметра долговечности бетона соответствующий обобщенный параметр – класс по морозостойкости, характеризующийся не единичной маркой, а определенным интервалом марок.
В соответствии с характерными условиями эксплуатации целесообразны 4 класса бетона по морозостойкости:
1 – умеренной (F50…F150);
2 – повышенной (F150…F300);
3 – высокой (F300…F500);
4 – особо высокой морозостойкости (F>500).
Делению бетонов на классы по морозостойкости соответствует принятая во многих странах мира практика проектирования составов, когда устанавливается режим работы бетона и лимитируются ограничения по В/Ц и объему вовлеченного воздуха. Определение критического числа циклов замораживания и оттаивания при этом может производится после проектирования составов как контрольный тест. Принятые в нашей стране испытания бетона на морозостойкость до определения требуемых составов являются во многих случаях неэффективными, поскольку требуют продолжительного времени, часто носят запоздалый характер. Усилия технологов, направленные на достижение требуемой марки по морозостойкости, нередко оказываются напрасными, поскольку сам показатель марки является недостаточно обоснованным, как указывалось выше. Кроме того, стандартные методы позволяют определить лишь то, что морозостойкость бетона не ниже нормируемой, каково же действительное критическое число циклов, выдерживаемых бетоном остается, как правило, неизвестным. Это может приводить к завышению фактической морозостойкости по сравнению с требуемой и соответственно нерациональному расходованию цемента.
Уменьшение числа нормируемых ступеней морозостойкости должно способствовать повышению статистической эффективности их обеспечения, более широкому использованию расчетных зависимостей при проектировании составов бетонов.