CC BY
537
Морозостойкость бетона, способы ее повышения Моргун А. Н.
Моргун Алексей Николаевич /Morgun Alexey Nikolaevich - студент, кафедра организации строительства и управления недвижимостью,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет,
Национальный исследовательский университет, г. Москва
Аннотация: данная статья рассматривает проблему морозной деструкции бетонных конструкций под воздействием знакопеременных температур, а также уделяет внимание способам повышения морозостойкости. Поскольку бетон применяется при строительстве множества зданий и сооружений, в том числе особо опасных и технически сложных объектов, важной задачей является недопущение преждевременного разрушения конструкций от воздействия минусовых температур.
Ключевые слова: бетон, железобетон, морозостойкость, цеолитсодержащие породы, демпфирующие добавки в бетоне.
Бетон - искусственный каменный материал, получаемый в результате отвердевания тщательно подобранной, перемешанной и уплотненной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, крупного и мелкого заполнителей и вводимых в ряде случаев специальных добавок.
Несмотря на появление новых строительных материалов, до сих пор бетон, а также железобетон активно используются в строительстве. Особо развито сейчас монолитное домостроение, а бетон при этом считается основным конструкционным материалом. Его достоинством является универсальность, так как ему можно придать практически любую форму и изменять его свойства в широких пределах.
Исследования конструкций из бетона и железобетона показали, что бетон около 70-80 % от всех сооружений, покрытий и несущих конструкций подвержен морозной деструкции, а также воздействию агрессивных солевых растворов и реагентов. Именно из-за этих факторов сооружения из бетона, работающие в условиях высокой влажности и отрицательных температур, разрушаются еще до окончания срока их эксплуатации. В наше время бетон используется при строительстве транспортных объектов, гидросооружений, мостов, создания несущих опор и балок, а допускать риска их разрушения нельзя. Поэтому, проблема применения бетона, устойчивого к знакопеременным температурам и солевому воздействию, является актуальной на данный момент.
Морозостойкость бетона характеризуется наибольшим числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые способны выдерживать образцы 28-суточного возраста без снижения предела прочности при сжатии более чем на 25 % и без потери в массе более 5 %. Готовятся стандартные образцы и выдерживаются до полного насыщения водой, а после этого образцы замораживают при температуре -15 -17 С°, а затем оттаивают в воде с температурой +20 С°. При этом контролируют потерю прочности и потерю массы. Долговечность бетона оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны делят на марки от F15 до F1500, где число после буквы F означает количество циклов попеременного замораживания и оттаивания (один цикл - одно замораживание и одно оттаивание) [1].
Существует несколько гипотез, объясняющих природу внутриструктурного давления и снижения морозостойкости:
1. Вода, заполняющая капиллярные поры бетона, обычно не в полном своем количестве превращается в лед из-за отсутствия необходимого объема, а также из-за
невозможности превращения в лед в капиллярах с очень маленьким радиусом. На оставшуюся воду передается давление образовавшего льда. В результате вода давит на стенки пор, происходит постепенное разрушение. Данную гипотезу выдвинул русский военный инженер и ученый Н. А. Житкевич.
2. В. М Москвин, М. М. Капкин, Б. М. Мазур и А. М. Подвальный развили гипотезу о морозном разрушении бетона на основе разницы коэффициентов линейного термического разрушения компонентов бетона. Заполнители бетона и сам бетон имеют различные коэффициенты линейного термического расширения. А при отрицательных температурах несовместимость составляющих бетона резко увеличивается. Однако такие термические напряжения играют важную роль лишь в ненасыщенном влагой бетоне. В наше время проводится множество испытаний бетона на воздействие отрицательных температур. На основе испытаний было выяснено, что при увеличении скорости замораживания бетона деструкция бетона соответственно ускоряется, но давление льда на стенки пор не увеличивается. Данный факт не может объяснить первая упомянутая выше гипотеза. Также установлено, что разрушение бетона при воздействии минусовых температур возможно и при заполнении водой менее чем на 90 %, и это не является редким фактом.
3. Указанные выше факты способна объяснить более совершенная гипотеза гидравлического давления Т. Пауэрса. Согласно гипотезе, основной причиной разрушения бетона при периодических циклах замораживания и оттаивания является гидравлическое давление, возникающее в порах и капиллярах бетона под влиянием замерзающей воды в результате сопротивления гелевой составляющей цементного камня. Также гипотеза утверждает, что в бетоне есть резервные воздушные поры. При большом количестве влаги избыточная вода вытесняется именно в эти поры. При этом не происходит нарушения структуры бетона. Разрушение произойдет в том случае, если условно замкнутые поры заполнятся водой и не смогут выполнять функции резервных. После оттаивания часть воды остается в резервных макропорах, заполняя их постепенно с каждым циклом замораживания и оттаивания. Итак, данная гипотеза объясняет тот факт, что скорость морозного разрушения бетона увеличивается с увеличением скорости замораживания, а также показывает важную роль условно замкнутых пор, способствующих повышению морозостойкости бетона. На основе этого мы можем сделать некоторый вывод: морозостойкость бетона зависит от его строения [3], [7], [2].
Решение проблемы повышения морозостойкости бетона актуально в строительной области в последнее время. Именно это привело к изучению, появлению следующих способов увеличения циклов замораживания-оттаивания:
1. Использование природных цеолитсодержащих пород (ЦСП)
Исследования отечественных и зарубежных ученых показали, что долговечность бетона при попеременном замораживании-оттаивании в основном определяется морозостойкостью цементного камня. Ученые пришли к выводу, что одним из успешных способов повышения морозостойкости цементных композитов является введение в бетонную смесь специальных молотых твердых добавок. Однако изготовление таких добавок невыгодно с экономической точки зрения. Поэтому была предложена альтернатива выше указанным добавкам - молотые природные цеолитсодержащие добавки.
В ходе экспериментов и составления графиков было установлено, что при оптимальной степени наполнения цементного композита ЦСП происходит увеличение прочности (на 15-20 %), однородности пор (в 1,02-1,1 раза), их размеров (в 2-2,7 раза) и доли микропор (в 1,05-1,11 раза) по сравнению с незаполненными композитами. При этом долговечность конструкций, изготовленных из наполненных цеолитсодержащими породами цементных композитов (при степени наполнения 20 %), работающих в условиях воздействия влаги и низких температур, повышена в 2-3 раза. Повышение прочности и однородности структуры бетона можно объяснить
ориентирующим воздействием зерен наполнителя на продукты гидратации цемента и образованием кластерных структур. Кроме того, повышение физико-механических свойств цементных композитов, наполненных цеолитами, связано с наличием в цеолитовой фазе активных кремнезема и глинозема. Цеолиты, выступая в роли активных минеральных добавок, интенсивно связывают образующиеся в процессе твердения портландцемента гидроокись кальция и низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. При введении цеолита в систему, свободная гидроокись кальция будет поглощаться цеолитом. Это приводит к ускорению структурообразования в системе. Итак, введение природных цеолитсодержащих пород способствует увеличению долговечности, морозостойкости бетона в 2-3 раза. При этом не требуется применение различных видов химических модификаторов бетона (гидрофобизирующие и гидрофилизирующие ПАВ, пластификаторы и суперпластификаторы, специальные противоморозные, воздухововлекающие и газообразующие добавки), что, несомненно, является положительным фактом, так как химическое воздействие нежелательно, например, для транспортных сооружений [1].
2. Создание морозостойкой структуры цементно-песчаного раствора.
Одна из причин, ограничивающих использование различных, в том числе местных материалов в бетонах - их низкая морозостойкость. Однако эти заполнители в какой то степени защищены от влияния низких температур цементно-песчаным раствором. Следовательно, создав морозостойкую структуру цементно-песчаного раствора, можно получить морозостойкий бетон с наполнителем, который традиционно считается неморозостойким (примером таких «нетрадиционных» заполнителей являются доломитовый щебень, который нельзя использовать для производства морозостойких бетонов, имеющих марку по морозостойкости выше 25). При данном методе применяется комплексная добавка СНВ (смола нейтрализованная воздухововлекающая) 0,05 % + СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка) 0,2 % для обеспечения морозостойкости.
Установлено, что образцы из раствора и бетона на доломитовом щебне могут выдержать 150 циклов замораживания и оттаивания (параллельные испытания бетона на известняковом щебне показали, что он способен выдержать лишь 50-60 циклов попеременного замораживания и оттаивания).
Таким образом, установлена возможность использования доломитового щебня (имеющего согласно нормам низкую морозостойкость) для получения морозостойких бетонов. Это позволяет значительно расширить сырьевую базу заполнителей для изготовления морозостойких бетонов [5].
3. Ячеистый бетон неавтоклавного твердения.
В ячеистом бетоне неавтоклавного твердения, как правило, представляющего пенобетон с использованием в качестве вяжущего вещества портландцемента, содержится около 50-55 % аморфной составляющей в виде гидроксильных фаз различной основности. Эта составляющая при действии давления от гистерезиса содержания льда, образующегося при понижении и повышении температуры бетона, обеспечит релаксацию напряжений за счет диффузионного перемещения частиц и геля и дислокаций, и более равномерного распределения давлений в кристаллогидратном каркасе. Таким образом, будет наблюдаться повышение морозостойкости, а также долговечности бетона.
Данный вид бетона обычно применяют для возведения стеновых конструкций. Однако морозостойкость может оказаться недостаточной. Поэтому может потребоваться первичная и вторичная защита от воздействия низких температур, коррозии [4].
4. Демпфирующие компоненты в виде маложестких песков для повышения морозостойкости бетонов.
Морозостойкие бетоны на легких заполнителях, в особенности с использованием мелкого и крупного пористых заполнителей, имеют значительный недостаток -
происходит значительная потеря статической прочности по сравнению с бетонами на плотных заполнителями.
В опытах таких ученых, как Г. А. Франк и В. Ф. Знакомский замена плотных заполнителей на керамзит и керамзитовый песок обеспечила значительное повышение как морозостойкости, так и солестойкости бетона, но привела к 2,5-5-кратному снижению исходной прочности бетона на сжатие и 20-40 %-ой потере прочности на растяжение при изгибе. Чтобы избежать снижения прочности бетона, был разработан более оптимальный состав бетонов с заменой части плотных заполнителей на пористые, когда потери статической прочности оказываются относительно умеренными. Это благоприятно не только для прочности, но и оптимизирует бетоны по морозостойкости. Технология изготовления таких бетонов сводится к замене части плотных заполнителей демпфирующими компонентами.
Демпфирующим компонентам присущи жесткостные характеристики, зависящие от пористости бетона. Введение в бетон таких добавок, снижающих концентрацию напряжений на границе раздела фаз с различными упругими характеристиками, значительно уменьшает размах колебаний и пределы изменений максимальной и минимальной деформации и напряжений в процессе разрушения бетона. Механизм торможения процессов разрушения бетона определяется присутствием в нем «слабых» упруго-вязких и слоистых включений, снижающих локальные напряжения и гасящих энергию роста трещин.
Применительно к морозостойкости, эффективными демпфирующими компонентами являются мелкоразмерные гранулы пенополистирола, которые при умеренной объемной концентрации сохраняют статическую прочность бетона на приемлемом конструкционном уровне. Гранулы пенополистирола способны на длительное время сохранять функцию резервных пор, а также обеспечивать функцию демпфирующих включений, в значительной степени разгружающих структурную ячейку на уровне мелкого заполнителя от внутриструктурных напряжений.
Циклическое замораживание и оттаивание бетона с демпфирующими добавками протекает без проявления внутриструктурных повреждений с упрочнением и свидетельствует в целом о высокой стойкости структуры к многократно повторным воздействиям минусовых температур.
Оптимальная концентрация демпфера для керамзитового песка повышенной прочности сочетается со сравнительно небольшими потерями по статической прочности, т. е в этом случае обеспечивается получение полноценных конструкционных бетонов повышенной морозостойкости.
В качестве демпфирующих компонентов для повышения морозостойкости эффективны и другие поризованные минеральные компоненты в дисперсном виде, например, горелопородные пески силикатно-алюминатной минералогии, доменные гранулированные шлаки повышенной пористости.
Однако у данного метода есть недостаток. В последние годы при возведении ограждающих конструкций массовое применение получает полистиролбетон низких марок средней плотности (D150-D250), ввиду незначительной массы крупноразмерных блоков и относительно невысокой трудоемкости их монтажа. Но применение полистиролбетона в жилищном строительстве в научном аспекте обосновано недостаточно. В частности, при использовании незначительной толщины штукатурного слоя для отделки наружной поверхности конструкции из полистиролбетона в жаркий период могут ускориться процессы старения гранул полистирола с их частичной сублимацией, что приводит к снижению его прочности и морозостойкости. В весенне-осенний период знакопеременные переходы температуры через нулевой уровень приведут к дополнительному снижению прочности полистиролбетона. Циклические воздействия высоких и знакопеременных температур могут значительно снизить эксплуатационную надежность и даже привести к разрушению наружной поверхности и соответственно контактной зоны
полистиролбетона с отделочным слоем. Поэтому при высокой этажности и значительных ветровых нагрузках сохранность целостности зданий с использованием ограждающих конструкций из полистиролбетона требует уточненного расчетноэкспериментального обоснования.
Негативным аспектом применения полистиролбетона в жилищном строительстве является и его потенциальная экологическая опасность, в том числе при пожаре. При использовании штукатурного слоя по металлической сетке для отделки поверхности стены внутри помещения (наиболее распространенный вариант) в зимнее время при высокой температуре отопительных элементов может произойти деструкция поверхностного слоя гранул полистирола и диффузия стирола в жилые помещения, что при недостаточной вентиляции будет негативно влиять на здоровье проживающих в них людей. Поэтому массовое применение полистиролбетона в строительстве для устройства наружных стен в жилых зданиях является научно необоснованным и преждевременным [4], [7].
5. Применение добавок (система «Кальматрон»).
Распространенным материалом, также способным повысить (или восстановить морозостойкость), является добавка «Кальматрон-Д». При применении данного состава марка по морозостойкости повышается на F100 (циклов), температура эксплуатации от - 60 до + 130 С0. Материал основан на взаимодействии в присутствии воды комплекса химически активных минеральных добавок с цементом, содержащимся как в самом «Кальматроне», так и в защищаемой бетонной конструкции. При этом образуется насыщенный электролитический раствор, который, благодаря осмотическим процессам, проникает вглубь структуры бетона по имеющимся в нем капиллярам, порам и трещинам даже навстречу давлению воды. И уже внутри бетона из этого раствора вырастают кристаллические новообразования игольчатой и пластинчатой формы, которые, разделяя имеющиеся пустоты и поры на многократно более мелкие, уплотняют структуру бетона. При этом бетонная конструкция остается паропроницаемой.
«Кальматрон» применяется при строительстве резервуаров, фундаментов, плотин, шахт, подвальных помещений, хранилищ нефтепродуктов, метрополитенов, тоннелей, причалов, мостовых сооружений, бетонных дамб [6], [8].
Итак, создание морозостойкого бетона и увеличение морозостойкости бетона в процессе эксплуатации является важной проблемой в строительстве ввиду широкого применения бетона в строительных конструкциях и при строительстве дорог.
Наиболее успешным способом увеличения морозостойкости является введение в бетонную смесь природных цеолитсодержащих пород. Кроме выгоды с экономической точки зрения, в данном случае увеличивается морозостойкость, долговечность и прочность бетона. Важным аспектом является и отсутствие экологической опасности при недостаточной вентиляции, в отличие от метода с применением полистиролбетона.
Литература
1. Использование природных цеолитсодержащих пород для повышения морозостойкости бетонов транспортных сооружений. / К. В. Оськин. // Транспортное строительство. - 2008. - № 7. - С. 16-18.
2. Определение конкретных значений морозостойкости бетона при испытаниях базовыми методами ГОСТ 10060.0 - 10060.2-95. / В. Г. Бойко. // Бетон и железобетон. - 2010. - N 6. - С. 19-22.
3. Особенности морозно-солевого воздействия на свойства аэродромного бетона. / С. Н. Толмачев, И. Г. Кондратьева. // Строительные материалы. - 2011. - N 3. - С. 107-110.
4. Структурные зависимости морозостойкости ячеистого бетона. / Е. Г. Величко. // Строительные материалы. - 2012. - N 4. - С. 73-75.
5. Определение морозостойкости крупного заполнителя для тяжелых бетонов. / Л. М. Добшиц. // Бетон и железобетон. - 2012. - N 4. - С. 16-20.
6. Эксплуатационные характеристики бетона строительных конструкций с применением системы «Кальматрон». / С. Н. Леонович, Н. Л. Полейко, С. В. Журавский, Ю. Н. Темников. // Строительные материалы. - 2012. - N 11. - С. 64-67.
7. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. Бабков В. В.; Мохов, В. Н.; Капитонов С. М.; Комохов П. Г.
8. Официальный сайт группы компаний «Кальматрон», добавки в бетон.
[Электронный ресурс]:
http://kalmatron.ru/products/kompleksnaya_dobavka_v_beton/kalmatrond/ (дата
обращения: 13.08.2015).
