Действие мороза на затвердевший бетон

Рассмотрим теперь затвердевший бетон, подвергаемый попеременному замораживанию и оттаиванию в интервале температур, наиболее часто встречающемся в природе. С понижением температуры насыщенного водой затвердевшего бетона вода, проникая в поры цементного камня, замерзает аналогично замерзанию в капиллярах горных пород и вызывает расширение бетона. При повторном замораживании происходит дальнейшее расширение, так что повторные циклы замораживания и оттаивания имеют куммулятивный эффект. Большие поры в бетоне, образуемые при недостаточном уплотнении, обычно заполнены воздухом и поэтому не оказывают существенного влияния на действие мороза. Замораживание — процесс постепенный вследствие небольшой скорости теплопереноса через бетон, увеличения концентрации щелочей в еще не замерзшей воде, а также вследствие изменения температуры замерзания в зависимости от размера пор. Хотя поверхностное натяжение кристаллов льда в капиллярах создает в них давление, тем большее, чем меньше кристалл, замораживание начинается в больших порах и постепенно распространяется на меньшие. Поры геля слишком малы для образования кристалликов льда при температуре выше —78°С, поэтому обычно лед в них не образуется. С понижением температуры вследствие разной энтропии воды геля и льда вода геля приобретает потенциальную энергию, позволяющую ей двигаться по капиллярам, содержащим лед. Диффузия воды геля приводит к росту кристаллов льда и к расширению цементного камня. Таким образом, мы имеем два источника давления расширения. Первый: замерзание воды вызывает увеличение объема приблизительно на 9% так, что избыток воды из пор удаляется. Скорость замораживания определяет скорость, с которой удаляется вода, вытесняемая фронтом льда. Величина гидравлического давления зависит от сопротивления фильтрации, т. е. от длины пути и проницаемости цементного камня между замерзшей порой и порой, в которую может переместиться избыток воды. Вторая расширяющая сила в бетоне возникает вследствие диффузии воды, приводящей к росту относительно небольшого количества кристаллов льда. Рядом исследований установлено, что последний механизм играет важную роль в разрушении бетона под действием мороза. Эта диффузия вызывается осмотическим давлением из-за местного увеличения концентрации раствора вследствие отделения замерзающей (чистой) воды от раствора. Например, плита, замораживаемая сверху, разрушается, если вода подходит к ее основанию и может проникать сквозь толщу плиты вследствие осмотического давления. Влажность бетона становится выше, чем до замораживания, и в ряде случаев наблюдаются разрушения вследствие расслоения бетона кристаллами льда. Об осмотическом давлении следует напомнить и в другой связи. Соли, применяемые для борьбы с обледенением дорог, поглощаются поверхностным слоем бетона. Это создает высокое осмотическое давление, сопровождающееся движением воды к наиболее холодной зоне, где происходит замораживание. Экспериментальные данные об этом процессе, однако, недостаточны. Когда давление расширения в бетоне превышает предел его прочности при растяжении, происходит разрушение. Степень р-азрушения варьирует от шелушения поверхности до полного разрушения, так как линзы льда образуются, начиная с поверхности бетона и распространяясь в глубь его. В Англии бордюрные камни (которые остаются влажными в течение долгого времени) наиболее подвержены действию замораживания по сравнению с другими бетонными конструкциями. При применении солей для борьбы с обледенением дорожные плиты также находятся в тяжелых условиях эксплуатации. В странах с суровым климатом наблюдаются значительные разрушения бетона от действия мороза, если не принимается специальных мер при его изготовлении. Морозостойкость бетона зависит от ряда его свойств: прочности цементного камня, растяжимости, ползучести, но главными среди них являются степень насыщения и структура порового пространства цементного камня. Влияние насыщения бетона показано на рис. 7.10. Ниже критического уровня насыщения бетон обладает высокой морозостойкостью, а сухой бетон вообще не разрушается (табл. 7.4). Следует заметить, что даже в образцах водного твердения не все поры заполнены водой, вследствие чего эти образцы не разрушаются от первого же замораживания. Бетон при эксплуатации в естественных условиях теряет влагу. При повторном увлажнении он уже не может поглотить то же количество воды, какое было им потеряно. Поэтому перед эксплуатацией в условиях зимы бетон целесообразно высушивать, если этого не сделать — разрушения от действия мороза будут больше. Какова критическая величина насыщения? Закрытый контейнер, в котором более 91,7% объема занято водой, будет при замораживании заполнен льдом и разорвется. Таким образом, 91,7% является критическим насыщением в замкнутом объеме. Это не относится к пористым телам, где критическое насыщение зависит от размера образца, его однородности и скорости замораживания. Пустоты, в которые может удаляться избыточная вода, должны быть расположены достаточно близко к порам, в которых образуется лед, на этом основано использование воздухововлечения: если цементный камень разделен на достаточно тонкие слои пузырьками воздуха, у него нет критического насыщения. Аналогично у зерна заполнителя нет критического размера, если оно имеет низкую пористость или если его капиллярная система нарушена достаточно большим количеством макропор. Зерно заполнителя в бетоне может рассматриваться как закрытая емкость, если низкая проницаемость окружающего его цементного камня не позволяет воде проникать в воздушные поры с достаточной скоростью. Таким образом, зерно заполнителя, насыщенное водой выше 91,7%, вызовет при замораживании разрушение окружающего бетона. Следует отметить, что, как правило, заполнители имеют пористость от 0 до 5%, заполнители с большей пористостью обычно не применяют. Но и использование последних не обязательно приводит к разрушению от действия мороза. Крупные поры, имеющиеся в ячеистом бетоне и в беспесчаном бетоне, повышают, очевидно, морозостойкость этих материалов. При применении обычных заполнителей также не удается установить определенной зависимости между пористостью заполнителя и морозостойкостью бетона. Влияние высушивания заполнителей перед приготовлением смеси на долговечность бетона показано на рис. 7.11. Можно отметить, что при применении насыщенного водой крупного заполнителя бетон может разрушиться независимо от содержания в нем вовлеченного воздуха. Если заполнители не насыщены к моменту приготовления бетонной смеси или если они частично обезвоживаются после укладки, а цементный камень имеет замкнутые поры, повторное насыщение происходит с трудом, за исключением длительного нахождения при пониженной температуре. При повторном увлажнении бетона цементный камень насыщается легче, чем заполнитель, так как вода может проникнуть к заполнителю только через цементный камень, а также потому, что мелкопористый цементный камень обладает большим капиллярным притяжением. Таким образом, цементный камень легче разрушается, но он может быть защищен вовлеченным воздухом.