Теории морозостойкости бетона

. контакты 8 929 943 69 68 http://vk.com/club23595476 .

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

Общие сведения

Долговечность многих сооружений из бетона и железобетона (плотины, покрытия дорог и аэродромов, шпалы, сваи, градирни, тушильные башни, опоры мостов, морские причальные сооружения и др.) зависит от морозостойкости бетона, который в период эксплуатации подвергается многократному замораживанию и оттаи­ванию в водонасыщенном состоянии. В течение одного года для некоторых конструкций количество циклов замораживания и оттаивания может быть более 100.

На важность и сложность проблемы обеспечения требуемой морозостойкости ЖБК указывает ежегодный ущерб от преждевременного разрушения бетона, исчисляемый десятками миллиардов рублей. Особое место имеет обеспечение морозостойкости бетона на севере и ceвeро-востоке России – в районах с суровым климатом.

Морозостойкость – способность насыщенного водой камня (гидратированной массы) в бетоне, сохраняя сплошность, релаксировать давление возникающего в  его поровой структуре в результате фазовых переходов воды при замораживании.

Морозостойкость бетона характеризуется его маркой по мо­розостойкости (F), за  которую принимают число циклов замораживания (на воз­духе или в растворах  солей) и оттаивании (в воде или в растворе солей), после которых произошло снижение прочности не более чем на 5 %, а для бетона дорожных покрытий, кроме того, потеря массы не должна превышать 3 %.

В 1944 году Р. Коллинзом предложена гипотеза, по которой разрушение  бетона при замораживании происходит вследствие  накопления льда внутри его слоев, что вызывает давление растущих кристаллов льда на стенки пop бетона. Сформировавшиеся в круп­ных порах кристаллы льда находятся в контакте с замерзающей водой более мелких пор, что обеспечивает их рост параллельно плоскости охлаждения. В результате льдообразования возникают растягивающие напряжения в бетоне, вызывающие его послойное разрушение.

Эта гипотеза подтверждается результатами испытаний бетона низкого качества (с высоким В/Ц), а также при замораживании бетона в раннем возрасте и при длительных циклах замораживания и оттаивания. Однако с позиции этой гипотезы нельзя объяснить факты, обнаруженные в процессе испытаний: ускорение разрушения с ростом скорости замораживания, ухудшающее условия накопления льда в бетоне. Величина давления льда на стенки пор бе­тона не велика (не выше предела упругости льда) вследствие его пластичности.

В 1945 году Т.С. Пауэрсом выдвинута гипотеза гидравли­ческого давления воды. При замораживании водонасыщенного бетона фронт промерзания движется от поверхности вглубь изде­лия. Замораживание поверхностных слоев бетона приводит к обра­зованию льда в устьях капилляров, в результате чего они заку­пориваются снаружи ледяными пробками. Охлаждение более удаленного от поверхности слоя бетона с замерзанием новой порции воды и увеличением при этом ее объема на 9 % сопровождается отжатием еще незамерзшей воды вглубь бетона, в менее насыщенную область. Так как перемещение воды встречает сопротивление тонкопористой структуры бетона, то возникает гидравлическое давление, приводящее к возникновению внутренних напряжений в бетоне и последующему его расширению и разрушению. Давление, необходимое для проталкива­ния воды через тончайшие капилляры, будет расти с уменьшением диаметра и увеличением длины капилляра, а также с повышением скорости замораживания, так как вода из микрокапилляров будет медленно диффундировать через поры геля к воздушным пустотам. При медленном охлаждении ледяные кристаллы в крупных капиллярах будут расти за счет миграции незамерзшей жидкой фазы в порах геля.

.С. Пауэрс предполагает две возможные причины разрушения бетона при замораживании:

1. Возникновение гидравлического давления незамерзшей во­ды при быстром охлаждении.

2. Рост ледяных кристаллов в крупных капиллярах бетона («сегрегация») при медленном охлаждении.

Наличие вовлеченного воздуха в бетоне тем больше снижает гидравлическое давление, чем ближе к опасному капилляру распо­ложены пузырьки воздуха, в которые выдавливаются излишки воды через поры геля. Если воздушные пустоты расположены близко к очагу образования льда (по Пауэрсу этот «фактор расстоя­ния» должен быть не более 0,0254 см), то давление, необходимое для перемещения воды через поры геля, будет меньше предела прочности бетона на растяжение и разрушения бетона не произой­дет. Требуемый «фактор расстояния» обеспечивается при содержании вовлеченного воздуха не менее 4…7 %.

Исследования О.В. Кунцевича позволяют учесть размер услов­но замкнутых пор, так как высокая морозостойкость бетона достига­ется лишь при условии , что воздушные полости длительное время не заполняются водой.

По Т.С. Пауэрсу в качестве основного критерия морозостой­кости бетона, как правило, принимается степень насыщения водой пор и капилляров. Критическая степень водонасыщения бетона составляет не более 91,7 %, в зависимости от характера распределения влаги в материале.

В. М. Москвин и А. М. Подвальный трактуют разрушение бетона под влиянием гидравлического давления появлением растягивающих тангентальных напряжений в стенках капилляров. Особенно боль­шие по величине напряжения возникают в стенках щелевидных пор и трещин.

Под влиянием этих внутренних напряжений образуются микротрещины в кристаллических продуктах гидратации цемента, а при быстром охлаждении могут появиться разрывы в гелевидных структурах. Разрушение бетона в результате постепенного накоп­ления в нем локальных микротрещин, которые, сливаясь перераста­ют в магистральные микротрещины, особенно быстро происходит при заполнении резервных пор водой.

Гипотеза гидростатического давления, развивающегося в за­мерзающей защемленной воде, предложена П.Е. Каптеревым, затем развита Г.Г. Еремеевым Образующийся в порах бетона лед защемляет воду, которая не имеет сообщения ни с наружным воздухом, ни с другими порами. При замерзании части защемленной воды про­исходит увеличение ее объема, из-за чего в оставшейся воде развивается давление 150…170 МПа, при котором разрушается оболочка, защемляющая воду, и возникает зона трещин в прилега­ющих слоях бетона. Циклическое замораживание вызывает развитие зоны трещин и снижение прочности бетона.

Г.Д. Дибров показал, что бетоны с наибольшей ампли­тудой колебаний деформаций и внутренних напряжений при цикли­ческом замораживании в сочетании с частичным высыханием и тер­мическим сжатием твердой фазы и льда оказываются наименее морозостойкими.

При замораживании и оттаивании бетона в нем помимо термических напряжений и давлений, возникающих под влиянием кристаллизации льда в порах бетона, могут протекать процессы конденсации и испарения влаги. При этом в капиллярах пористого тела образуются мениски, которые могут существовать не только в процессе испарения, но и после достижения равновесного состоя­ния. В последнем случае мениски сохраняются лишь в тех капил­лярах, где кривизна их поверхности соответствует упругости па­ров жидкости в воздухе. В элементах структуры поверхностных слоев конструкций создаются дополнительные растягивающие нап­ряжения, вызванные капиллярными силами.

В зависимости от скорости испарения влаги напряжения ка­пиллярной контракции на поверхности конструкции могут дости­гать значительной величины. При этом внутри бетона остается еще большое количество влаги, способной замерзнуть и вызвать расширение за счет давления, обусловленного ростом кристаллов льда. При высыхании и в процессе замораживания происходит перераспределение напряжений. Почти полная релаксация этих напряжений происходит при увлажнении.

Г.Г. Еремеев отмечает, что при замораживании и оттаивании в бетоне возникают внутренние напряжения, вызванные наличием перепадов температур (особенно при помещении замороженных об­разцов в теплую воду – «термический удар»), а также существен­ным различием коэффициентов термического растяжения компонентов камня. В зоне кон­такта цементного камня с заполнителями кристаллизируется повы­шенное количество гидроксида кальция, склонного к хрупкому разрушению. Только при согласовании коэффициентов термического расширения компонентов бетона не происходит нарушения сцепле­ния цементного камня с заполнителем при длительном воздействии циклически изменяющейся температуры. Влияние различия коэффициентов термического расширения льда и бетона на деструкцию бетона выявляется при степени водонасыщения микропор не менее 65 %. При нагревании до 0 оС расширение льда значительно превосходит расширение бетона, что может вызвать возникновение давления на стенки пор до 0,15 МПа/град. Следовательно, самым опасным этапом является оттаивание, когда смерзшийся с материалом лед при нагреваний до 0 оС расширяется сильней, чем окружающий его материал.

Замерзание жидкой фазы в трещинах действует подобно клину с одновременным образованием новых поверхностей, при этом происходят снижение прочности цементного камня. Гидратация вяжущего вещества с выделением новообразований увеличенного объема пре­пятствует смыканию микротрещин при их обезвоживании, что вызы­вает постепенное накопление остаточных деформаций расширения при циклическом замораживании. Положительное воздействие равно­мерно распределенных мельчайших пузырьков воздуха объясняется снижением концентраций напряжений при наличии на концевых острых участках микротрещин сферических микроплоскостей

Дополнительными факторами, ускоряющими разрушение бетона при циклическом замораживании, являются:

а)  наличие солей антиобледенителей в воде;

б) образование кристаллогидратов при охлаждении растворенных в жидкой фазе соединений с увеличением объема;

в) наличие растягивающих напряжений, превышающих 0,2 предела прочности бетона на растяжение.

При циклическом замораживании прочность бетона первона­чально возрастает, а через некоторое число циклов начинает снижаться, и чем меньше морозостойкость бето­на, тем быстрее наступает момент снижения прочности. В начале испытания на морозостойкость в бетоне резко интенсифицируется процесс уплотнения и упрочнения структуры.

Определение морозостойкости бетона прямым методом (замерзание и оттаивание) занимает большое время. Для ускорения определения морозостойкости существует несколько ускоренных методов.

http://vk.com/club23595476
. контакты http://vk.com/club23595476 .