CC BY
58УДК 666.972.53
Е.М. ЧЕРНЫШОВ, д-р техн. наук, академик РААСН ([email protected])
Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84)
Морозная деструкция бетонов
Часть 1. Механизм, критериальные условия управления
Обсуждается в обобщенной постановке научно-инженерная проблема морозной деструкции бетонов в строительных конструкциях. Показывается значение такого обобщения, обусловленного, с одной стороны, появлением новых высокотехнологичных плотных и макропористых бетонов с модифицированной, в том числе с наномодифицированной, их структурой, а с другой - расширением областей их применения, в том числе в экстремальных условиях эксплуатации зданий и сооружений. В контексте исследований проблем морозостойкости, проведенных за последние 50-60 лет отечественными и зарубежными учеными, дается систематизация явлений и процессов, определяющих механизмы и факторы накопления повреждений в материале при многократном циклическом замораживании-оттаивании. Специальное внимание при этом уделено особенностям и закономерностям исчерпания потенциала морозостойкости бетонов при работе их в строительных конструкциях. С учетом фактора структуры твердой фазы и порового пространства бетона анализируется определяющее значение фактора термоградиентности состояния конструкций для развития процессов тепломассопереноса в бетоне и соответственно для интенсивности и меры морозной его деструкции. Обосновываются критериальные условия обеспечения потенциала работоспособности бетонов в конструкциях, подвергаемых морозному воздействию эксплуатационной среды.
Ключевые слова: бетон, строительная конструкция, эксплуатационная среда, структура бетона, тепломассоперенос, морозная деструкция.
Для цитирования: Чернышов Е.М. Морозная деструкция бетонов. Часть 1. Механизм, критериальные условия управления // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 40-46.
E.M. CHERNYSHOV, Doctor of Sciences (Engineering), Academician of RAACS ([email protected]) Voronezh State Technical University (84, 20-letiya Oktyabrya Street, 394006, Voronezh, Russian Federation)
Frost Destruction of Concretes. Part 1. Mechanism, Criterial Conditions of Control
A scientific-engineering problem of the frost destruction of concretes in building structures is discussed in a generalized statement. The importance of this generalization due to, on the one side, the appearance of new high technological dense and macro-porous concretes with a modified, nano-modified including, structure, on the other side, due to the expansion of their application fields, under the extreme conditions of operation of buildings and structures including, is shown. The systematization of phenomena and processes which determine the mechanisms and factors of damage accumulation in the material in the course of multiple and cyclic freezing and thawing is presented in the context of studies of frost-resistance problems conducted by domestic and foreign scientists for the last 50-60 years. A special attention is paid to the peculiarities and regularities of the exhaustion of potential of the frostresistance of concretes in the course of their operation in building structures. Taking into account the factor of the solid phase structure and porous space of the concrete, the defining value of the thermo-gradient factor of structure conditions for the development of heat and mass transfer processes in the concrete and, accordingly, for the intensity and measures of its frost destruction are analyzed. Criterial conditions of providing the potential of workability of concretes in the structures subjected to the frost impact of the operational environment are substantiated.
Keywords: concrete, building structure, operational environment, concrete's structure, heat-mass transfer, frost destruction.
For citation: Chernyshov E.M. Frost destruction of concretes. Part 1. Mechanism, criterial conditions of control. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 40-46. (In Russian).
Долговечность бетонов в зданиях и сооружениях определяется интенсивностью и мерой развития совокупности деструктивных явлений и процессов в них как следствия комплекса механических, физико-химических и физико-климатических воздействий эксплуатационной среды на строительные конструкции.
В данной фразе, отражающей одно из основных положений методологии современного строительного материаловедения и касающейся системного понимания триады материал — конструкция — среда, определен подход к исследованию и разработке проблем управления долговечностью бетонов.
Согласно этому подходу речь должна идти об оценках долговечности бетонов именно в конструкциях. Управление долговечностью должно связываться с раскрытием явлений, процессов и существа механизмов деструкции, с выделением факторов и критериальных условий, наконец, с разработкой на этой основе принципов обеспечения оптимальной сопротивляемости их структуры разрушающему воздействию эксплуатационной среды на конструкцию.
Очевидно, что в развитии теории и практики управления долговечностью бетонов, ее оптимизации как функции механических, физико-химических и физико-климатических условий эксплуатации конструкций
определяющее значение имеют вопросы систематизации и раскрытия явлений, процессов, механизмов и факторов деструкции.
В полной мере и в первую очередь это относится к сопротивлению структуры бетонов морозному разрушению, по-прежнему одному из наиболее сложных вопросов строительного материаловедения, требующего дальнейшей разработки.
Общая систематизация явлений, процессов и факторов морозной деструкции бетона
Определяя задачу систематизации явлений и факторов морозной деструкции бетона, требуется характеризовать процесс морозного разрушения во всей совокупности его механического, физико-химического и физико-климатического износа в эксплуатационной среде.
«Морозный износ» бетонов в общем его рассмотрении целесообразно связывать с последствиями от деструкции материала без образования и с образованием криофазы в исходной трехфазной его структуре. Первая из них может иметь место в области положительной и отрицательной температуры в отсутствии жидкой фазы или в области положительной температуры в присутствии жидкой фазы в структуре бетона; вторая проявляется в
Рис. 1. Механизмы и факторы деструкции бетона и конструкции в условиях морозного воздействия эксплуатационной среды
области отрицательной температуры обязательно в присутствии жидкой фазы и определяется кристаллизацией воды в лед.
Имея в виду гипотезы о существе физических явлений и процессов, приводящих к износу и морозному разрушению строительных материалов, выдвинутые и рассмотренные Н.А. Житкевичем (1912), Р. Коллинзом (1944), Т.С. Пауэрсом и Р.А. Хельмутом (1945, 1953) и в последующем получившие развитие в работах отечественных ученых С.В. Александровского, Р.Е. Брил-линга, А.С. Беркмана, Н.Н. Быкова, О.Е. Власова, Г.И. Горчакова, А.Д. Дикун, Л.Д. Добшица, Г.Г. Еремеева, Ф.М. Иванова, М.М. Капкина,
A.И. Конопленко, К.Г. Красильникова, Б.А. Крылова, О.В. Кунцевича, И.Г. Мельникова, А.П. Меркина, Н.В. Михайлова, В.М. Москвина, И.А. Мощанского,
B.А. Невского, Н.А. Попова, А.М. Подвального, И.С. Силаенкого, Б.Г. Скрамтаева, В.В. Стольникова, В.А. Ушерова-Маршака, А.Е. Шейкина, С.В. Шесто-перова и др., а также в работах зарубежных ученых О. Блумеля и Х. Фрейя [1], Р. Валора [2], И. Гото и Т. Миура [3], У. Крейса, П. Контса, Х. Мармора [4], Б. Макинниса-Камерона [5], Л. Роннелса [6] и др., необходимо говорить о следующих явлениях, процессах, причинах и механизмах морозной деструкции бетонов.
В основе своей, в главном, морозное разрушение соотносят с развитием напряжений в твердой фазе материала при замерзании воды в его порах, сопровождающимся, как известно, увеличением примерно на 9% ее объема. Этот фактор возможных повреждений, связанный с появлением в структуре источника внутреннего давления и состоящий в действии давления кристаллизации льда (давления льдообразования), сопровождается сопутствующими ему гигромеханическими процессами: 1) нарастающим гидростатическим давлением воды при запирании ее в замкнутом поровом объеме образующимся льдом; 2) гидравлическим давлением
воды при отжатии ее льдом от зоны льдообразования в поры. Самостоятельным составляющим элементом в совокупном внутреннем давлении считается [7] также осмотическое давление, обусловленное изменением концентрации растворенных в поровой жидкости ионов при ее замерзании и соответствующим этому появлением градиента концентрации в микрообъемах охлаждаемого водонасыщенного материала (рис. 1).
Вне зависимости от фактора льдообразования действуют и другие факторы морозной деструкции. Именно поэтому необходимо специально остановиться на вопросе, что деструкция бетона непосредственно от льдообразования (от появления в его структуре криофазы как источника внутреннего давления) является только частью механического, физико-химического и физико-климатического износа и исчерпания ресурса его работоспособности при морозном воздействии среды на материал конструкции.
В микромасштабе структуры бетона накопление повреждений и морозное разрушение оказываются совокупным результатом:
— во-первых, «усталостной» термодеструкции, которая может проявляться в условиях многократного циклического нагревания-охлаждения материала при соответствующем влиянии фактора различия коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР) его составляющих на формирование напряженно-деформированного состояния структуры;
— во-вторых, «усталостной» деструкции в ходе многократного циклического набухания-усадки материала при соответствующем влиянии различия коэффициентов линейных влажностных деформаций (КЛВД) составляющих твердой фазы бетона — его цементирующей связки и наполнителей;
— в-третьих, «усталостной» деструкции, определяемой возможным влиянием различий коэффициентов температурного деформирования составляющих систе-
мы лед — твердая фаза в ходе многократного охлаждения-нагревания материала;
— в-четвертых, адсорбционного понижения прочности, которое может выражаться в так называемом влажностном размягчении материала (вспомним коэффициент размягчения материалов при их увлажнении);
— в-пятых, деструкции вследствие химической коррозии, обусловленной растворением в жидкой фазе субстанции контактов микрокристаллических новообразований системы твердения цемента или других вяжущих веществ;
— в-шестых, деструкции при появлении и действии внутреннего источника давления в ходе фазовых превращений влаги (кристаллизации ее в лед, рекристаллизации и декристаллизации льда в поровом пространстве), которые (превращения) сопровождаются действием кристаллизационного давления льда, гидравлического давления жидкой фазы, отжимаемой образующимся льдом, гидростатического давления жидкой фазы в порах материала, осмотического давления.
Таким образом, в соответствии с изложенным к основным явлениям, обусловливающим развитие деструктивных процессов в микромасштабе материала, следует отнести: давление кристаллообразования льда; гидравлическое и гидростатическое давление воды; осмотическое давление; объемное температурное и влаж-ностное деформирование составляющих бетона (КЛТР и КЛВД); объемное деформирование льда и твердой фазы материала; химическую коррозию субстанции новообразований цементного камня.
С точки зрения существа механизмов износа бетона (в элементарном его объеме) обобщенно можно говорить о:
1) явлениях и факторах адсорбционного и коррозионного понижения прочности;
2) циклической «усталости»;
3) хрупком разрушении от действия «внутреннего источника» кристаллизационного, гидравлического, гидростатического, осмотического давления.
Механизм морозной деструкции бетона в конструкции
Рассмотрение и систематизацию явлений, процессов, механизмов и факторов морозного разрушения методологически, как указывалось, оправданно и необходимо вести (рис. 1) с учетом развития износа в системе материал — конструкция — среда, а не только в системе материал — среда, что обычно имеет место при исследовании и оценке морозостойкости бетонов.
Воздействие факторов эксплуатационной среды на строительную конструкцию, включающее влияние механической нагрузки, температуры, влажности, химического состава среды и др., обязательно сопровождается формированием градиентности напряженно-деформированного состояния и конструкции, и материала в конструкции. Это оказывается следствием в том числе динамической картины температурного состояния материала по сечению конструкции и связанного с ней изменения его влажностного состояния, не исключающего при этом возможности повышенного и предельного водонасыщения наружных его (материала) слоев в макрообъеме конструкции при ее охлаждении.
Именно возможность изменения влажностного состояния материала в конструкции по причине развития явлений термомассопереноса как раз и определяет принципиальное отличие механизма морозного разрушения материала при лабораторных режимах испытания его в образцах от разрушения его в объемах и слоях конструкции, находящихся в реальных эксплуатационных режимах, к тому же в условиях напряженного состояния от действия механической нагрузки.
Последний фактор в стандартных методиках лабораторных испытаний материала не учитывается. А между тем фактор напряженно-деформированного состояния бетона в конструкции от действия на нее механической нагрузки (при центральном, внецентренном сжатии, растяжении и т. п.) является принципиально важным для его морозной деструкции. Это показано в работах В.А. Невского, А.М. Подвального, Е.С. Силаенко-ва, А.А. Федина, Е.М. Чернышова (Федин А.А., Чернышов Е.М., Парусимов В.Н. Стойкость силикатного ячеистого бетона в напряженном состоянии при переменном замораживании — оттаивании. Исследования по цементным и силикатным бетонам: Труды Проблемной лаборатории силикатных материалов и конструкций. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1966. Вып. 2. С. 127-142) и др.
Важно и имеет смысл специально отметить, что объяснение механизма разрушения бетона в конструкции при развитии соответствующей гигрометрической обстановки в материале может исходить из представлений об аналогии с природой морозного пучения грунтов, связываемого с термоградиентно-ориентированным перемещением жидкой фазы при промерзании грунтов с соответствующим льдовыделением в них линз, разделяющих массив грунта на слои. Эти представления заложены работами В.И. Штукенберга (1885) и определяются также исследованиями К.О. Никифорова (1912), А.Ф. Лебедева (1919), М.И. Сумгина (1929), Тебе-ра (1929), Н.А. Цытовича (1937), Рюкли (1943), О.С. Вя-лова (1954), П.А. Шумского (1955), И.А. Тютюно-ва (1959), Ш.Ш. Гасанова (1967), П.Ф. Швецова (1986), И.Д. Данилова (1990).
В замораживаемых строительных материалах миграция влаги экспериментально подтверждена в работах Р.Е. Бриллинга (Бриллинг Р.Е. Исследование морозостойкости строительных материалов в наружных ограждениях: Сборник трудов ЦНИПС. 1951), Г.И. Горчакова (Горчаков Г.И., Капкин М.М., Скрамтаев Б.Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях в промышленных и гидротехнических сооружениях. 1965), А.И. Конопленко (Коноплен-ко А.И. К вопросу теории морозостойкости бетона. Вопросы строительства и производства строительных изделий: Сборник трудов РИСИ. 1958), А.А. Федина и Е.М. Чернышова (Федин А.А., Чернышов Е.М., Леденев В.Т. Исследование влияния условий замораживания на стойкость газосиликата. Исследования по цементным и силикатным бетонам: Труды Проблемной лаборатории силикатных материалов и конструкций. 1966) в специально поставленных исследованиях по одностороннему фронтальному замораживанию строительных конструкций. В таком режиме замораживания содержание жидкой фазы в бетоне, не имевшем до этого критического водонасыщения пор, достигало вследствие массопереноса критических значений в приповерхностных слоях ограждающей конструкции. При этом льдообразование приводило, например, газосиликат к быстрому (в течение одного цикла) «слоистому» разрушению.
Таким образом, параметры градиентности состояния конструкции обусловливают отличие механизмов развития и динамики деструкции бетона на уровне отдельных его микрообъемов (микромасштабный уровень деструкции) и на уровне макрообъема в конструкции (макромасштабный уровень деструкции).
Поясним причины этого. В лабораторных режимах испытания бетона на морозостойкость явления термо-массопереноса развиваются в условиях всесторонности действия фронта охлаждения объема материала в образцах относительно малого размера. В них процессы перемещения влаги в материале имеют весьма ограниченное
Стадия замораживания Стадия оттаивания
Область положительной температуры Область «внутренних нулей» Область низкой отрицательной температуры Область низкой отрицательной температуры Область «внутренних нулей» Область положительной температуры
+t 0C 0оС ti зам ^пред ti отт 0oC + t 0C
ТФ - ГФ - ЖФ ТФ - ГФ - ЖФ - КФ ТФ - ГФ - КФ ТФ - ГФ - КФ ТФ - ГФ - КФ - ЖФ ТФ - ГФ - ЖФ
Действие факторов напряжений и декструкции бетона по стадиям и температурным областям
цикла замораживания-оттаивания
Термоградиентные напряжения бетона и конструкции
Микронапряжения в бетоне вследствие различия КЛТР и КЛВР его компонентов
Термоградиентная миграция влаги
Подсасывающая сила кристаллизации
Давление кристаллизации криофазы
Температурные деформации криофазы
Смерзание стенок пор
Термоградиентная миграция влаги
Уменьшение действия сил кристаллизации
Тепловое расширение криофазы
Напряжение вследствие различия термодеформации ТФ и КФ
Гидравлическое давление воды
Гидростатическое давление воды
Сегрегационное льдообразование
Плавление льда
Рекристаллизация льда
Рис. 2. Изменение агрегатно-фазового состояния бетона и действие факторов напряжений и деструкции бетона в цикле замораживания-
оттаивания
проявление в силу всесторонности и краткосрочности морозного воздействия в стандартном цикле замораживания-оттаивания образцов. Жидкая фаза в структуре бетона замерзает «на месте», без какого-либо существенного ее переноса по объему образца и поэтому без возможности появления в материале зон с опасным увеличенным влагосодержанием.
В противовес этому фронтально одностороннее воздействие среды на конструкцию в реальных эксплуатационных режимах сопровождается закономерным развитием явно выраженных процессов термомассопе-реноса, и в условиях длительного охлаждения проявляется в полной мере. В результате создается возможность формирования в материале конструкции зон с близкой к критической или даже с критической, более 91% по объему, величиной содержания жидкой фазы в поро-вом пространстве структуры бетона.
В итоге в конструкции (в макромасштабе) морозное разрушение бетона включает все рассмотренные для материала как такового явления и механизмы деструкции, но с существенным пополнением их состава. И именно потому, что реализация механизма деструкции в конструкции развивается на фоне формирующегося в ней градиентного термического и влажностного состояния.
Морозное разрушение в макромасштабе поэтому дополнительно может включать:
— во-первых, послойную термодеструкцию материала (десквамацию), определяемую термическими напряжениями в конструкции вследствие неравномерности теплового поля в ее сечении;
— во-вторых, послойную термовлажностную деструкцию материала (десквамацию) по причине неравномерности влажностных деформаций (набухания-усадки) его слоев в объеме конструкции;
— в-третьих, послойную деструкцию от сегрегатив-ного льдообразования, проходящего в слоях сечения с повышенным содержанием влаги в бетоне, которое оказывается результатом термоградиентной ее мигра-
ции, а также подтягивания ее силами кристаллизации льда из слоев, прилегающих к формирующемуся сегре-гату, к линзе льда.
Агрегатно-фазовое состояние бетона в цикле замораживания-оттаивания
Рассматривая и характеризуя совокупность факторов и механизмов морозной деструкции в микро- и макромасштабе, необходимо остановиться на вопросе дифференциации агрегатно-фазового состояния увлажненного материала в цикле его замораживания-оттаивания.
При такой дифференциации [8] целесообразно предварительно указать на то, что стадия замораживания включает в себя (рис. 2):
а) начальный период охлаждения увлажненного материала в области положительной температуры (до 0оС среды);
б) период последующего охлаждения увлажненного материала в области квазиположительной температуры от 0оС среды до так называемых «внутренних температурных нулей» (существование их отражает возможность переохлажденного состояния жидкой фазы в порах, определяемого зависимостью температуры замерзания воды от давления [9, 10], под которым она оказывается в порах разного размера с разным энергетическим состоянием твердой фазы поверхности стенок пор);
в) период продолжающегося охлаждения в области температуры ниже «внутренних нулей», т. е. в области наибольших значений отрицательной температуры.
В свою очередь, стадия оттаивания в цикле в себя включает:
а) нагревание материала от наибольших значений отрицательной температуры до «внутренних нулей»;
б) нагревание в области квазиотрицательной температуры (от «внутренних нулей» материала до 0оС среды);
в) нагревание в области положительной температуры (выше 0оС среды).
научно-технический и производственный журнал
Увлажненный материал конструкции, оказываясь в названных температурных областях цикла замораживания-оттаивания, меняет свое агрегатно-фазовое состояние в смысле соотношения в нем объемов твердой (ТФ), газовой (ГФ), жидкой (ЖФ) фаз и криофазы КФ (в смысле льдистости). Материал может иметь различную льдистость в результате меняющейся в цикле меры перехода воды в лед в зависимости от структуры твердой фазы и порового пространства бетона (Ананян А.А. Особенности воды в промерзающих тонкодисперсных горных породах. Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах: Сборник докладов научной конференции. 1970; Важенин Б.В. Замерзание воды в строительных материалах // Строительные материалы. 1965. № 10; Важенин Б.В. Гистерезис льдистости и воздействие льда на стенки пор строительных материалов. Строительные материалы и бетоны: Выпуск трудов. Челябинск. 1967; Железный В.И. Некоторые особенности льдообразования в гидрофобизированных ячеистых бетонах // Бетон и железобетон. 1965. № 12).
В диапазоне квазиположительной и квазиотрицательной температуры система замораживаемого материала представлена четырехфазным агрегатным составом ТФ — ГФ — ЖФ — КФ с непрерывным изменением соотношения фаз и льдистости. Такое изменение оказывается следствием возможного перехода системы ЖФ — КФ или КФ — ЖФ через «внутренние нули». Определяющим фактором такого перехода является закономерное различие «внутренних нулей» у этих систем в соотнесении этого различия с размером пор в твердой фазе, с энергетическим состоянием поверхности твердой фазы в порах, а в целом с энергонасыщенностью, энергонеравновесностью порового пространства бетона [11, 12].
В области температуры ниже всех «внутренних нулей» (в области предельно низкой температуры), когда гипотетически полагается возможным переход практически всего объема жидкой фазы в лед, следует говорить о трехфазном составе системы ТФ — ГФ — КФ.
Обратимся к вопросу об особенностях и существе морозной деструкции бетона с учетом рассмотренных возможных изменений его фазового состава в цикле замораживания-оттаивания.
В связи с этим отметим, что деструкция материала, если дело не доходит до образования криофазы, развивается в системе ТФ — ЖФ — ГФ или даже ТФ — ЖФ (гипотетический вариант ситуации предельно водона-сыщенного материала). И здесь работает своя система явлений, факторов и механизмов деструкции, своя сумма сил накопления повреждений и износа, не связанная с льдообразованием.
Если же имеет место образование криофазы, то работает еще и криодеструкция. Она развивается в системе ТФ — ЖФ — ГФ — КФ, существенно дополняя сумму сил износа.
Обратим внимание на важнейший момент, состоящий в том, что формирование криофазы в бетоне приводит к появлению полиструктурного композита, в котором структура льда (как самостоятельного компонента и материала) размещается в структуре бетона. Структура льда оказывается импрегнированной в конгломератную структуру бетона, из чего следует, что напряжения при формировании криофазы будет воспринимать на себя не бетон, а композит из бетона и льда (в этом смысле можно говорить о сходстве такого композита с бетонополимером). И несомненно, что потенциал сопротивления композита из бетона и льда при действии на него напряжений будет отличаться от потенциала сопротивления просто бетона.
В каждый момент цикла замораживания-оттаивания соответственно приобретаемому агрегатно-фазовому
составу бетон меняет свое состояние, а потому и свои свойства по характеристикам температурной и влаж-ностной деформируемости, тепло- и влагопроводности, газо- и паропроницаемости и, что наиболее важно, по критериям сопротивления хрупкому разрушению — модулю деформативности, пределу прочности и трещино-стойкости [13].
Данный вывод имеет важное, более того, принципиальное значение для моделирования процессов морозной деструкции материалов, для прогнозирования ее последствий в ситуации, когда конструкционные и функциональные характеристики материала оказываются переменными во времени.
Критериальные условия управления морозной деструкцией бетона в конструкциях
Учитывая градиентный характер охлаждения материала в конструкции, необходимо помнить, что криоде-струкция в ее качественных и количественных проявлениях оказывается производной трех процессов и их характеристик:
а) термоградиентного влагопереноса, его кинетики и меры;
б) сегрегативного образования криофазы и ее состояния;
в) влагопереноса под действием подсасывающей силы кристаллизации льда при появлении и формировании его сегрегата в бетоне.
В обосновании критериальных условий морозного разрушения бетона в конструкции прежде всего представляет интерес размещение явлений, процессов и факторов деструкции по циклу замораживания-оттаивания, по температурным областям цикла (рис. 2).
С началом одностороннего фронтального охлаждения конструкции в ней уже в области положительной температуры среды и конструкций развиваются термические макронапряжения, которые являются следствием градиентности температурного поля в теле конструкции, в ее рабочем сечении. На фоне термических макронапряжений в поверхностных слоях одновременно проявляются термические микронапряжения из-за различия КЛТР составляющих твердой фазы бетона.
Послойное одностороннее фронтальное охлаждение поверхности конструкции приводит в действие процесс термоградиентной миграции влаги, обусловливающей нарастание влагосодержания в охлаждаемых зонах материала за счет обезвоживания внутренних слоев материала в конструкции.
Термоградиентная миграция влаги в зависимости от начального влагосодержания, интенсивности и продолжительности охлаждения конструкции, определяемых условиями эксплуатационной среды, способна существенно повысить в приповерхностных ее слоях степень наполнения пор бетона водой, вплоть до критической ее величины (более 91% по объему).
С переходом температуры через 0оС среды и дальнейшим развитием процесса охлаждения запускается процесс кристаллизации льда в порах. По температурному режиму охлаждения конструкции начало процесса льдообразования соответствует положению «внутренних нулей» в структуре бетона, т. е. величине квазиположительной температуры, при которой оказываются возможными переход жидкой фазы в лед и действие кристаллизационного давления от льдообразования. Накопление криофазы «стартует» при температуре, названной авторами «внутренние нули».
Поскольку каждому размеру пор конкретного (по структуре) материала с определенной энергетикой поверхности твердой фазы стенок пор отвечает свое положение «внутреннего нуля», можно говорить о том, что
область квазиположительной температуры как интервала от 0оС среды до конкретного «внутреннего нуля» дифференцирована согласно размерам пор и свойствам поверхности твердой фазы стенок пор. По этой причине с учетом целенаправленного формирования в материале: а) функции распределения пор по размерам; б) различного энергетического состояния твердой фазы в принципе можно говорить об изменении границ и интервала подвижной температуры перехода системы ТФ - ГФ - ЖФ в систему ТФ - ГФ - ЖФ - КФ. Отсюда следует вывод о первом критериальном условии управления морозной деструкцией бетона в конструкции, состоящем в изменении температуры перехода воды в лед за счет формирования соответствующей структуры материала.
Кристаллизация льда в бетоне при градиентном охлаждении конструкции реализуется сегрегативно с образованием линзы льда вблизи охлаждаемой поверхности конструкции. К линзе льда силами его кристаллизации подтягивается дополнительное количество воды из прилегающих объемов материала. Сегрегативное льдообразование сопровождается обезвоживанием прилегающих объемов материала и остановкой фронта холода в конструкции из-за экзотермического эффекта процесса кристаллизации льда. Сегрегативное льдообразование выступает в качестве основного фактора появления растягивающих, расклинивающих напряжений и как результат этого фактора деструкции материала в односторонне охлаждаемой конструкции.
Развивающаяся кристаллизация льда в виде линзы (сегрегата) и разрушающее ее действие, естественно, дополняются действием гидравлического и гидростатического давления воды, действием осмотического давления. Морозная деструкция при сегрегативном льдообразовании выглядит в форме разделения массива бетона в конструкции на отдельные его слои, которые оказываются заметно обезвоженными. В области низкой температуры деструктивным фактором выступает также различие температурного деформирования промороженных и непромороженных слоев конструкции (макромасштабный аспект), а дополнительно к этому различие температурного деформирования льда и твердой фазы материала (микромасштабный аспект).
С переходом процесса из стадии охлаждения (замерзания) в стадию нагревания (оттаивания) в области низкой температуры продолжают действовать те же деструктивные факторы - различие температурного деформирования слоев конструкции (макромасштаб) и различие температурного деформирования (теперь уже при тепловом расширении льда) и твердой фазы материала (микромасштаб).
При дальнейшем нагревании система оказывается в области квазиотрицательной температуры (по температурным границам она совпадает с областью квазиположительной и названа по аналогии с ней). При квазиотрицательной температуре в соответствии с положением «внутренних нулей» происходит плавление (таяние) криофазы, снимается действие кристаллизационного давления льда, перераспределяется образующаяся жидкая фаза (вследствие подсоса ее льдом крупных пор). Жидкая фаза в них может повторно замораживаться.
При переходе температуры через 0оС среды весь объем КФ заменяется жидкой фазой и система оказывается представленной трехфазовым составом ТФ - ГФ - ЖФ.
В области положительной температуры в силу гради-ентности теплового состояния конструкции, безусловно, действуют и факторы деструкции, связанные с различием меры деформирования слоев материала конструкции, меры деформирования (КЛТР) отдельных составляющих бетона. В этой области происходит изменение влажностного состояния материала и кон-
струкции в силу термоградиентного массопереноса и оттока влаги из области сегрегативного льдообразования. Соответственно этому проявляется влияние влаж-ностной деформируемости слоев материала на напряженное состояние конструкции. Аналогично проявлению фактора КЛТР действует и фактор различия меры влажностной деформируемости (КЛВД) составляющих бетона.
Из изложенного ясно, что во всех температурных областях в той или иной мере обязательно присутствует влагоперенос, оказывающий влияние на развитие процессов износа, в том числе износа от морозной деструкции. Отсюда следует вывод о втором критериальном условии управления морозной деструкцией бетона в конструкции, состоящем в изменении термовлагопроводных свойств материала, что можно осуществить за счет формирования соответствующей его структуры.
Заключение
Во всех процессах морозной деструкции определяющее место принадлежит структурным и связанным с ними гигрометрическим характеристикам материала. Именно они задают интенсивность и меру развития всех основных процессов износа при замораживании-оттаивании, а тем самым скорость и меру морозного разрушения.
В этой связи необходимо расставить следующие акценты, имеющие значение для обоснования принципов и факторов управления морозной деструкцией и в конечном счете морозостойкостью бетонов в конструкциях.
Первое критериальное условие морозной деструкции связано с фактором температуры перехода жидкой фазы в криофазу (температуры замерзания воды в порах материала) и соответствующей этому фактору мерой льдистости в замороженном материале. Температура замерзания и льдистость завясит от силы связи воды со структурой материала, предопределяемой хе-мосорбционной и адсорбционной активностью поверхности твердой фазы (характеризуется теплотой смачивания #тв.ф), сродством жидкой фазы к твердой фазе (характеризуется краевым углом смачивания 0), распределением объема порового пространства по радиусу пор (характеризуется средним эквивалент-
ным радиусом пор гэ).
При варьировании этих структурных характеристик может быть получена различная мера льдистости; в принципе же можно сформировать структуру и с такими параметрами, при которых льдообразования в бетоне вообще (при характерной для эксплуатации конструкций отрицательной температуре) не будет происходить. В таких структурах сила кристаллизации для перехода воды в лед окажется недостаточной для переориентации молекул адсорбционно-конденсационной и капиллярно-связанной воды в структуру льда.
Следует полагать, что развитие процессов морозной деструкции при варьировании состава и структуры материала будет определяться различным соотношением механизмов износа материала и различным при этом их вкладом.
Вторым критериальным условием, определяющим развитие морозной деструкции, является фактор массо-проводности материала в термоградиентных условиях его эксплуатации в конструкции. По аналогии с рассмотрением первого критериального условия можно представить структуры материала, обладающие такой силой связи воды с твердой фазой и поровым пространством, при которой достижение термодинамического (теплового) равновесия в односторонне охлаждаемой конструкции будет обеспечиваться не тепломассоперено-
сом, а преимущественно теплопереносом без сколько-нибудь существенной миграции влаги из теплых зон в охлаждаемые зоны. В этом случае не смогут формироваться слои с критическим влагосодержанием в материале и будет сдерживаться (а возможно, исключаться) сегрегативное льдообразование.
Рассмотренные два критериальных условия морозной деструкции бетона относятся преимущественно к вопросам управления формированием микропористости их структур, характеристик структуры твердой фазы.
Другое направление соотносится с созданием так называемого резервного объема макропористого пространства в бетоне. В этот объем может гидравлически отжиматься жидкая фаза при льдообразовании в заполненных водой капиллярных порах, в результате чего будет снижаться давление от льдообразования. Это направление по сути своей также подразумевает регулирование гигрометрических характеристик бетона, а на этой основе возможность управления процессами тепломассопереноса при замораживании-оттаи-
Список литературы
1. Blumel O.W., Frey H. Sättigungsbeiwert und frostwider — stand von Zementmörtel // Betonstein — Ztg. 1968. Vol. 34. No. 12.
2. Valore R.C. Volume changes in stall concrete cylinders during freezing and thawing // JASI. 1950. Vol. 21. No. 6.
3. Goto Y., Miura T. Deterioration of concrete subjected to repetitions of very low temperatures // Transactions of the Japan concrete institute. 1979. No. 2, pp. 183—190.
4. Крейс У.И., Контс П.Р., Мармор Х.Г. О деформациях автоклавных бетонов при попеременном замораживании и оттаивании. Долговечность конструкций из автоклавных бетонов: Сборник докладов II Республиканской конференции. Таллинн, 1975. С. 112-114.
5. Macinnis Cameron B.E., Beandoin J. Effect of degree of saturation of the frost resistance of mortar mixes // JACI. 1968. No. 3.
6. Роннелс Л.К. Лед. Физика твердого тела. Атомная структура твердых тел: Сборник статей / Пер. с англ. М.: Наука, 1972. С. 38-48.
7. Ушеров-Маршак А.В. Бетоноведение: Современные этюды. Харьков: Раритеты Украины. 2016. 135 с.
8. Чернышов Е.М., Медведева С.В. Систематика факторов морозной деструкции бетонов. Бетон и железобетон — ресурсо- и энергосберегающие конструкции и технологии: Сборник докладов областной конференции по бетону и железобетону. Воронеж, 1988. С. 40-49.
9. Дерпгольц В.Ф. Мир воды. Л.: Недра. 1979. 254 с.
10. Синюков В.В. Вода известная и неизвестная. М.: Знание, 1987. 176 с.
11. Чернышов Е.М., Славчева Г.С. О структуре порового пространства строительных материалов с позиций и в категориях наноконцепции. Международный конгресс «Наука и инновации в строительстве «SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. Воронеж, 2008. Т. 1. Кн. 2. С. 630-636.
12. Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Коротких Д.Н. Структура порового пространства твердофазных строительных материалов: материаловедческое обобщение. Вестник Отделения строительных наук. Москва - Орел. 2009. Вып. 13. Т. 2. С. 119-126.
13. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Методика оценки вязкости разрушения силикатных автоклавных материалов. Воронеж: Воронежская ГАСА, 1990. 33 с.
вании и в итоге управления интенсивностью морозной деструкции материала.
Поскольку реальные процессы механического, физико-химического и физико-климатического воздействия среды характеризуются определенной продолжительностью, скоростью, интенсивностью, цикличностью, степенью непрерывности, в эксплуатируемых конструкциях наблюдается сложная картина морозного поведения материала и проявления характера крио-деструкции, усугубляющаяся еще и неравномерностью «усталостного» поля и концентрации напряжений по сечению конструкции в период ее работы до воздействия мороза. Тем не менее предложенная систематика явлений и процессов, рассмотренные механизмы и факторы морозной деструкции, их дифференциация по циклу замораживания-оттаивания имеют методологическое и методическое значение для постановки исследований по обоснованию условий управления морозостойкостью бетонов и строительных конструкций из них.
References
1. Blumel O.W., Frey H. Sättigungsbeiwert und Frostwider — stand von Zementmörtel. Betonstein — Ztg. 1968. Vol. 34. No. 12.
2. Valore R.C. Volume changes in stall concrete cylinders during freezing and thawing. JASI. 1950. Vol. 21. No. 6.
3. Goto Y., Miura T. Deterioration of concrete subjected to repetitions of very low temperatures. Transactions of the Japan concrete institute. 1979. No. 2, pp. 183—190.
4. Kreis U.I., Konts P.R., Marmor H.G. On deformations autoclave concrete at alternate freezing and thawing. The durability of concrete structures of the autoclave: Proceedings of the Il-nd Republican Conference. Tallinn. 1975, pp. 112-114. (In Russian).
5. Macinnis Cameron B.E., Beandoin J. Effect of degree of saturation of the frost resistance of mortar mixes. JACI. 1968. No. 3.
6. Ronnels L.K. Led. Fizika tverdogo tela. Atomnaya struk-tura tverdykh tel: Sbornik statei [Ice. Solid State Physics. The atomic structure of solids: сollection of articles. Ed. from English]. Moscow: Nauka. 1972, pp. 38-48.
7. Usherov-Marshak A.V. Betonovedenie: Sovremennye jetjudy. [The Science of concrete: Modern studies]. Kharkov: Rarities Ukraine. 2016. 135 p.
8. Chernyshov E.M., Medvedeva S.V. Systematics factors frosty destruction of concrete. Concrete and reinforced concrete — resource- and energy-efficient designs and technologies: Proceedings of the Regional Conference on concrete and reinforced concrete. Voronezh. 1988, pp. 40-49. (In Russian).
9. Derpgolts V.F. Mir vody [Water World]. Leningrad: Nedra.1979. 254 p.
10. Sinyukov V.V. Voda izvestnaja i neizvestnaja. [Water is known and unknown]. Moscow: Znanie. 1987. 176 p.
11. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S. On the structure of the pore space of the building materials from the standpoint and in terms of the concept of nano. International Congress «Science and Innovation in Construction «SIB-2008». Modern problems of building materials and technology. Voronezh. 2008. Vol. 1. Book. 2, pp. 630-636. (In Russian).
12. Chernyshov E.M., Slavcheva G.S., Korotkich D.N. The structure of the pore space of the solid phase of building materials: materials science generalization. Bulletin of the Department of Building Sciences. Moscow-Orel. 2009. Iss. 13. Vol. 2, pp. 119-126. (In Russian).
13. Chernyshov E.M., Dyachenko E.I. Metodika ocenki vjaz-kosti razrushenija silikatnyh avtoklavnyh materialov. [Methodology to evaluate the fracture toughness autoclave silicate materials]. Voronezh: Voronezh GASA. 1990. 33 p.
