CC BY
20УДК 678.049.92
Е.Г. ВЕЛИЧКО, д-р техн. наук, Московская государственная академия коммунального хозяйства и строительства
Морозостойкость бетона
с оптимизированным дисперсным составом
Морозостойкость бетона является одной из основных характеристик, определяющих его долговечность. Разрушение структуры бетона в условиях многократного переменного замораживания и оттаивания вызывается давлением на стенки пор и микротрещин, создаваемым льдом, образующимся при кристаллизации замерзающей воды, а также ввиду различия в коэффициентах температурного расширения его составляющих и их анизотропии. Так, например, если кварц в направлении, параллельном оси X, имеет коэффициент температурного расширения 7,8х10-6 ед. измерения, то в направлении, перпендикулярном этой оси, 14,2х10-6 [1]. Анизотропия коэффициентов температурного расширения вдоль различных кристаллографических направлений может привести к возникновению остаточных термических напряжений и неоднородному образованию дефектов, например псевдопор в микрообъемах структуры бетона, связанных с поверхностью зерен мелкого и крупного заполнителей и частицами минеральных добавок, значительно снижающих его прочность и морозостойкость. Кроме того, негативное влияние на качество структуры в условиях многократного переменного замораживания и оттаивания оказывают такие факторы, как миграция влаги из-за градиента температуры и влагосодержания в различных микрообъемах бетона; гидростатическое давление защемленной в тупиковых порах и дефектах структуры жидкости; постоянно увеличивающиеся усталостные дефекты структуры от многократно повторяющихся знакопеременных деформаций; понижение со временем концентрации растворенных в жидкой фазе продуктов гидролиза цемента как за счет образования нерастворимых кристаллогидратов, так и ввиду капиллярного подсоса жидкости развивающимися дефектами структуры в период оттаивания образцов, что увеличивает содержание свободной воды в объеме бетона и др.
В морозостойкость бетона в зависимости от поровой структуры, его прочности и температуры замораживания значимый вклад может внести гистерезис содержания льда, наблюдаемый при замораживании и оттаивании. Образование льда при замораживании происходит в широком диапазоне температуры, а его оттаивание наблюдается лишь при температуре выше -10оС. Основная часть льда тает только при 0оС.
Гистерезис содержания льда и различие в коэффициентах температурного расширения льда и большинства строительных материалов, в том числе бетона, создают предпосылки для появления давления льда на стенки пор во время повышения температуры до момента его таяния. Линейный коэффициент температурного расширения тяжелого бетона составляет 10х10- С-1; у льда в среднем 50х10-6 оС-1.
Лед, заполняющий поры при какой-либо отрицательной температуре, по мере ее повышения не тает, а начинает оказывать возрастающее давление на стенки пор из-за более высокого значения коэффициента температурного расширения. Находящийся в состоянии всестороннего сжатия лед способен выдержать высокие давления и не проявляет пластических свойств до 0оС.
При замораживании вода переходит в твердое состояние — лед с плотностью 0,917 г/см3 и увеличением объ-
ема более чем на 9%, создавая в бетоне значительные растягивающие напряжения. Попеременные теплосме-ны (замораживание и оттаивание) знакопеременно деформируют и разупрочняют структуру бетона, увеличивая количество дефектов, особенно в контактных зонах различных фаз и компонентов, и в момент, когда давление расширения превышает предел прочности на растяжение, наблюдается его разрушение. Расширение тяжелого бетона на плотных заполнителях установлено экспериментально [2]. При этом вода в свободном состоянии во влажном плотном бетоне распределена только в гидратных новообразованиях — единственном пористом компоненте его структуры. Поэтому при фазовом переходе воды в лед расширяется только гидратная составляющая цементного камня, а включения в матрицу в виде реликтов (остатков) частиц клинкера, зерен крупного и мелкого заполнителя, а также арматуры в железобетоне претерпевают температурные деформации сокращения.
Знакоразличные деформации гидратных новообразований и означенных выше включений в матрицу при многократном переменном замораживании и оттаивании расшатывают структуру бетона. Ухудшение качества структуры будет наблюдаться в большей степени при наличии анизотропии коэффициентов температурного расширения вдоль различных кристаллографических направлений плотных составляющих бетона. Очевидно, что твердая фаза новообразований при охлаждении также претерпевает деформации сокращения, сдерживаемые и переходящие в деформации расширения за счет льда, образующегося в порах структуры бетона, являющихся концентраторами напряжений, снижающими прочность хрупких материалов в три и более раз. Поэтому наибольшие растягивающие напряжения при фазовом переходе воды в лед образуются в цементном камне, и особенно в зонах расположения наиболее крупных капиллярных пор, легко заполняемых водой, характеризующихся минимальными допускаемыми напряжениями и являющихся в этом случае зародышами морозного разрушения, определяющими главным образом морозостойкость бетона. Давление, которое развивается при фазовом переходе воды в лед, по Н.Б. Урьеву, может достигать значения до 200 МПа [3].
Перемещение воды внутри бетона происходит по каналам весьма малого диаметра, так называемым капиллярам, и подчиняется законам капиллярного движения. Но в бетоне могут оказаться каналы и большего диаметра, в которых вода перемещается по законам гидравлического течения. Такие каналы представляют собой полости трубчатого или пластинчатого вида, причем образуются они на стадии изготовления бетона. При вовлечении в бетон воздуха использованием воздухо-вовлекающих или газообразующих добавок происходит разобщение этих воздушных полостей и диспергирование их на множество рассеянных воздушных пузырьков. Эти пузырьки уже не сообщаются между собой непосредственно, и происходящая по законам гидравлического течения циркуляция воды прекращается. Остаются лишь мелкие, почти сферические полости, окруженные пористой средой из гидратных фаз цементного камня. В такой структуре возможно лишь капил-
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
февраль 2012
81
лярное перемещение воды, а высота h капиллярного поднятия жидкости в соответствии с законом Жюрена: h= (2ст cos@)/(rpg) — обратно пропорциональна радиусу капиллярных пор г [1]. Поэтому всякое увеличение их поперечного сечения влечет за собой уменьшение капиллярного всасывания воды. Такую именно роль выполняют воздушные пузырьки, попадающие в капилляры: расширяя эти поры (каналы) и снижая капиллярное всасывание, они тем самым создают препятствие для перемещения воды. Наблюдается парадоксальное явление, заключающееся в том, что в пористой структуре воздушные пузырьки, размеры которых превышают сечение капиллярных пор, могут создавать своего рода пробки, такие же как твердые водонепроницаемые частицы. Они обтекаемы, не пропитываются водой и вносят основной вклад в объем так называемых резервных пор в структуре бетона, противостоящих разрушению при его многократном переменном замораживании и оттаивании. Этим же объясняется то, почему бетоны с вовлеченным воздухом являются малогигроскопичными материалами.
Таким образом, способность бетона противостоять разрушению при многократном переменном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии связана главным образом с наличием в его структуре определенного объема пор, не заполненных водой, называемых резервными порами, в которые отжимается часть воды в процессе замораживания под действием давления растущих кристаллов льда. Отжатие части воды в резервные поры снижает растягивающие напряжения, возникающие за счет фазового перехода воды из жидкого состояния в лед.
Очевидно, что этот процесс не может быть даже частично обратимым, так как при оттаивании бетона часть воды, отжатой в резервные поры, не может быть возвращена капиллярными силами в более мелкие поры, из которых она поступила при замораживании, ввиду того что эти мелкие поры будут полностью заполнены водой.
Бетон разрушится либо если объем резервных и других видов пор, в которые может отжиматься вода, незначителен по сравнению с увеличением ее объема за счет образования льда, либо если в результате многократного переменного замораживания и оттаивания все поры будут полностью обводнены и при замораживании в полном их объеме образуется лед.
Можно предположить, что чем больше в бетоне объем резервных пор, тем выше его морозостойкость. Однако морозостойкость бетона зависит не столько от объема резервных пор, сколько от их отношения к объему пор, заполненных водой. Объем резервных пор должен быть оптимальным, так как их повышенное содержание приведет к необоснованному снижению прочности бетона (изменение пористости бетона на 1% эквивалентно изменению его прочности на 3—6%). Поэтому чем ближе расположены резервные поры друг к другу и более однородно распределены в объеме бетона, тем выше его прочность и морозостойкость. Оптимальная толщина перегородок между воздушными замкнутыми порами должна быть не более 0,25 мм.
Таким образом, морозостойкость бетона зависит от его структуры, особенно интегральной и дифференциальной пористости, степени замкнутости пор, качества примененных материалов, В/Ц и других факторов. Решающее влияние на водопоглощение, водопроницаемость и морозостойкость бетона оказывает, как показано выше, объем капиллярных пор. Морозостойкость бетона значительно возрастает, если его капиллярная пористость менее 7% и при этом имеется определенный объем замкнутых резервных пор, не заполненных водой. Снижение объема капиллярных пор до 4 и 2% может обеспечить получение бетона марок по морозостойкости соответственно F300 и не ниже F400 [4].
В гелевых порах размером 15—40А содержится объемная и связанная вода в виде граничного слоя плотностью 1,15 г/см3, не переходящая в лед при температуре до минус 70—75оС, поэтому они не оказывают значимого влияния на морозостойкость бетона. Снижение температуры фазового перехода воды в лед, и в большей степени в гелевых порах, происходит также за счет содержания в воде растворимых составляющих портландцемента, гидратных фаз, добавок (химических и минеральных) и повышения их концентрации при повышении ее плотности, то есть происходит замораживание солевого раствора жидкой фазы.
Существенное влияние на морозостойкость бетона оказывает морозостойкость и качество поверхности заполнителя, а также вид применяемого цемента и характер новообразований.
Заполнители в морозостойком бетоне должны быть морозостойкими и иметь чистую шероховатую поверхность, обеспечивающую их прочное адгезионное сцепление с цементным камнем. Наличие в заполнителе пылевидных и глинистых частиц, и особенно глины в комках, значительно увеличивают водопотребность бетонной смеси, ухудшают адгезию цементного камня к заполнителям и снижают морозостойкость бетона. Содержание таких примесей в заполнителе для морозостойких бетонов строго ограничивают.
Наименее прочными, с высоким уровнем контрак-ционных пор за счет повышенного содержания химически связанной воды и воды граничного слоя, и менее морозостойкими гидратными новообразованиями в цементном камне являются гидросульфоалюминаты кальция. Вода в порах между слоями гидросульфоалю-минатов кальция при замораживании переходит в лед и раздвигает их в координатах (0.0.1), определяя разрушение означенной фазы. Поэтому содержание минерала С3А в цементах, применяемых для приготовления морозостойких бетонов, должно быть не более 5%.
Гидросиликаты кальция также неоднозначно ведут себя при переменном воздействии замораживания и оттаивания. Более деформативными и менее морозостойкими являются низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH(I) с соотношением С^=0,8—1,5, имеющими трубное и пластинчатое строение. Они легко удерживают и отдают воду. Поэтому для бетонов повышенной морозостойкости наиболее целесообразно применять портландцемент с высоким содержанием (55—60% и более) минерала С^, приводящего на ранней стадии к образованию в результате гидратации в основном более морозостойких высокоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(II) с соотношением С^ более 1,5, имеющих блочное строение.
Бетон, приготовленный с использованием шлако-портландцемента и особенно пуццоланового портландцемента, характеризуется очень низкой морозостойкостью, что связано с взаимодействим силикатной составляющей (диоксида кремния) пуццоланы и шлака с гидроксидом кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I) и смещением реакции гидратации минералов С^ и C2S также в сторону образования низкоосновных гидросиликатов кальция. Кроме того, высокая водопотребность пуццоланового портландцемента повышает водосодержание бетона, водоцементное отношение, ухудшает поровую структуру и в большей степени снижает его морозостойкость. Для получения морозостойкого бетона В/Ц должно быть не более 0,5 [4].
Повышение морозостойкости обеспечивается созданием резервного объема замкнутых воздушных пор, неза-полняемых при обычном водонасыщении, но доступных для проникновения воды под действием гидростатического давления, возникающего при ее фазовом переходе в
82
научно-технический и производственный журнал
февраль 2012
лед. Для этой цели применяются воздухововлекающие добавки в виде лигносульфонатов (ЛСТ), СДО, СНВ и т. п. индивидуально или в комплексе с суперпластификаторами, например с поликарбоксилатами, С-3 и др. Оптимальный объем вовлеченного воздуха составляет 3—4%, который увеличивается с повышением содержания растворной составляющей в составе бетона, особенно при высоком содержании в песке зерен размером 0,4—1 мм.
Комплексное применение пластифицирующих и воз-духововлекающих добавок является более эффективным, так как за счет высокого водоредуцирования бетонной смеси заметно снижается В/Ц, повышается плотность и прочность бетона, улучшается его поровая структура (образуются тонкодисперсные замкнутые поры менее проницаемые для воды), в том числе уменьшается объем капиллярных пор. Повышение морозостойкости обеспечивается также применением гидрофобизующих добавок, например алюмометилсиликоната натрия (АМСР-3), полигидросилоксанов 136-41 (ранее кремнийорганиче-ская жидкость ГКЖ-94) и 136-57М (ранее ГКЖ-94М) и, кроме того, предотвращением доступа воды из эксплуатационной среды в поровую структуру бетона путем кольматации пор пропиткой (полимерами, серой и др.), в том числе покрасочными составами.
Предотвращение доступа воды в поровую структуру бетона из окружающей среды наблюдается также при использовании минеральных модификаторов с оптимальными параметрами в соответствии с теоретическими положениями [5], обеспечивающими улучшение качества интегральной и дифференциальной пористости и строительно-технических свойств бетона. Минеральные модификаторы, оптимизируя дисперсный состав многокомпонентной матрицы, равномерно распределяются в межчастичных пустотах портландцемента и, сильно увеличиваясь в объеме в щелочной среде, уплотняют структуру и практически полностью предотвращают доступ воды в поры бетона, повышая его морозостойкость.
Экспериментальные исследования с минеральными модификаторами, использованными с оптимальными параметрами в виде тонкодисперсных перлита, шунги-зита и керамзита, показали, что морозостойкость керам-зитобетона класса по прочности В7,5 в этом случае соответствовала марке F300 и находилась на уровне морозостойкости керамзитобетона контрольного состава. При этом фазовый состав новообразований цементного камня в керамзитобетоне с тонкодисперсными минеральными модификаторами характеризовался значительным увеличением содержания менее морозостойких низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(I).
При использовании минеральных модификаторов в керамзитобетоне класса по прочности В15 в количестве 25% взамен эквивалентной части портландцемента их объем в составе многокомпонентного цемента с учетом истинной плотности составил для тонкодисперсного перлита 37,6%, керамзита — 32,4%, шунгизита — 28,9%, т. е. больше объема межчастичных пустот, который они могли бы заполнить. Это привело к частичной агрегации частиц минеральных модификаторов, повышению межчастичной пустотности многокомпонентного дисперсного состава, ухудшению поровой структуры бетона и снижению его морозостойкости. Марка по морозостойкости керамзитобетона класса по прочности В15 составила у контрольного состава F300, с тонкодисперсным перлитом — F100, керамзитом — F200, шунги-зитом — F300, что хорошо корреспондируется с их объемом в составе многокомпонентной матрицы. Кроме того, исследования бетонов с минеральными модификаторами, использованными с оптимальными параметрами и химическими добавками, обладающими воз-духововлекающим эффектом (ЛСТМ-2), показали значительное повышение их морозостойкости.
Таким образом, только при использовании минеральных модификаторов с параметрами [5, 6], обеспечивающими оптимизацию дисперсного состава, наблюдается высокая морозостойкость бетона, несмотря на снижение основности гидросиликатов кальция за счет пуццолани-зации матрицы в определенных рецептурных границах, гарантирующей в большинстве случаев повышенную коррозионную стойкость его в агрессивных средах согласно ГОСТ 31384—2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии».
Ключевые слова: морозостойкость бетона, структура бетона, замораживание-оттаивание, воздушные поры, минеральные модификаторы.
Список литературы
1. Телеснин Р.В. Молекулярная физика. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1973. 360 с.
2. Подвальный А.М. Механизм морозного разрушения бетонных и железобетонных конструкций. Бетон и железобетон — пути развития // Науч. труды II Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону. М.: Дипак, 2005. С. 171—177.
3. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. М.: Химия, 1980. 320 с.
4. Баженов Ю.М. Технология бетонов. М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.
5. Величко Е.Г., Белякова Ж.С. Некоторые аспекты физикохимии и механики композитов многокомпонентных цементных систем // Строительные материалы. 1997. № 2. С. 21-25.
6. Величко Е.Г. Теплопроводность пенобетона с минеральными модификаторами. Модернизация инвестиционно-строительного и жилищно-коммунального комплексов. Международный сб. науч. трудов. М.: МГАКХиС, 2011. С. 190-197.
научно-технический и производственный журнал
V.'■^У^ЛГЬ:" февраль 2012 83
