Морозостойкость бетона

Материал из СТ-Бетон
Перейти к: навигация, поиск

Морозостойкость бетона — способность бетона в водонасыщенном или насыщенном раствором соли состоянии выдерживать многократные циклы «замораживание-оттаивание» без внешних признаков разрушения (трещин, сколов, шелушения рёбер образцов), снижения прочности, изменения массы и других технических характеристик[1]. Для конструкций, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур наружного воздуха и периодического увлажнения, морозостойкость является одним из важнейших свойств, непосредственно обеспечивающих долговечность и трещиностойкость сооружений[2].

Понятие «морозостойкость» и базовая методика испытаний на морозостойкость впервые были предложены профессором Н. А. Белелюбским в 1886 году[3]. В 1945 году американский исследователь Т. С. Пауэрс разработал классическую теорию гидравлического давления, объясняющую механизм разрушения пористых материалов при замерзании воды в порах[4]. Степень морозостойкости устанавливается путём проведения лабораторных испытаний, а её показателем служит количество циклов «замораживание-оттаивание» до потери материалом заданной массы или степени исходной прочности.

Физическая природа и механизм разрушения

Бетон представляет собой пористый материал, пористость которого обусловлена, в частности, введением в состав бетонной смеси количества воды, избыточного для гидратации минералов цемента. Если бы все поры в бетоне были заполнены водой, то при первом же цикле замораживания он должен был разрушиться, поскольку при замерзании воды из-за меньшей плотности льда в упругом скелете бетона возникают растягивающие напряжения, значительно превышающие его собственную прочность. Способность реального бетона противостоять разрушению объясняется присутствием в его структуре резервных пор, не заполненных водой, в которые и отжимается часть жидкой фазы под действием давления растущих кристаллов льда[5].

Современные исследования показывают, что комплексной характеристикой, более точно описывающей морозостойкость, является так называемая «эффективная пористость» — объём открытых капиллярных пор, в которых при заданной отрицательной температуре действительно замерзает вода. По данным дифференциальной сканирующей калориметрии, эффективная пористость составляет лишь 10–40 % от общей капиллярной пористости, поскольку в преобладающей части открытых капилляров вода под действием поверхностных сил не замерзает даже при значительном охлаждении[6]. При этом существенное значение имеет форма пор: в цилиндрических порах наблюдается эффект гистерезиса между кривыми замерзания и оттаивания, тогда как в сферических порах гистерезис отсутствует. Для полного оттаивания половины льда, замерзающего в сферических порах, достаточен перепад температуры бетона всего 3 °С, тогда как в цилиндрических порах требуется перепад 10 °С. Это означает, что при одинаковом количестве циклов перепадов температуры окружающей среды деструктивное влияние льда в сферических эффективных порах может быть значительно большим[6].

Важной характеристикой, определяющей морозостойкость, является льдистость цементного камня — отношение массы льда к массе испаряемой воды. Эксперименты показывают, что в цементном камне с низким водоцементным отношением (В/Ц) при стандартных температурах замораживания (–18 °С) лёд практически не образуется. Разрушение происходит не столько из-за объёмного расширения льда, сколько из-за комплексного сочетания деструктивных факторов: выщелачивания портландита, миграции влаги и «старения» цементного геля, при котором термодинамически нестабильные гелевидные продукты гидратации кристаллизуются, вызывая переход микрокапилляров в макрокапилляры и «огрубление» структуры[4][7].

Механизм постепенного разрушения структуры бетона включает: давление льда при кристаллизации свободной воды; гидродинамические воздействия при её перемещении под влиянием градиента тепла и влагосодержания; гидростатическое давление защемлённой в тупиковых порах жидкости; напряжения от разницы температурных деформаций составляющих бетона; усталостные дефекты от многократно повторяющихся знакопеременных деформаций[5][8][9][10]. В случае использования хлористых солей-антиобледенителей действие этих факторов дополняется кристаллизационным давлением накопившейся соли, усилением миграции жидкой фазы и понижением температуры замерзания раствора, что способствует глубокому проникновению жидкой фазы в дефекты структуры и углубляет процесс деструкции[11][12][13][14][15][16].

В настоящее время считается, что способность бетона противостоять циклам попеременного замораживания и оттаивания определяется, в основном, структурой его порового пространства, в частности, соотношением открытых (интегральных) и условно-замкнутых пор[17][18].

Методы определения морозостойкости

Базовые методы

Базовый метод определения морозостойкости для обычных бетонов, эксплуатирующихся не в минерализованной воде (первый базовый метод), заключается в проведении определенного количества циклов замораживания и размораживания водонасыщенных образцов в воздушных условиях с оттаиванием в пресной воде. Для бетонов, эксплуатирующихся в минерализованной воде или подвергающихся воздействию противогололёдных реагентов, применяется второй базовый метод, при котором средой насыщения и оттаивания является 5%-ный раствор хлорида натрия[1]. Определение марки по морозостойкости производится путём сравнения прочности контрольных и основных образцов при соблюдении условия сохранения их внешнего вида и массы.

Ускоренные методы

Для обычных бетонов ускорение проведения испытаний достигается заменой воды на 5%-ный раствор хлорида натрия и снижением температуры замораживания с –18 °С до –50 °С (третий ускоренный метод). Однако применение ускоренных методов сопряжено с методическими проблемами. В частности, в описании третьего ускоренного метода в ГОСТ 10060-2012 недостаточно строго указано, где необходимо измерять температуру: на воздухе в климатической камере или непосредственно в растворе хлорида натрия. Заводы-производители камер часто устанавливают датчики на воздухе, где температура существенно отличается от температуры в растворе. При температуре воздуха в камере –50 °С температура в 5%-ном растворе NaCl достигает лишь –20...–30 °С, что искажает результаты испытаний и может приводить к ложнозавышенной оценке морозостойкости инновационных составов[19].

Альтернативные и зарубежные подходы

В отличие от отечественных стандартов, оценивающих морозостойкость по изменению прочности при сжатии, стандарты Европы и США (например, ASTM C666, EN 206) оценивают стойкость бетона по изменению динамического модуля упругости и визуальному шелушению поверхности. При этом допустимое снижение модуля упругости устанавливается более жёстким, чем нормируемое снижение прочности. Для оценки морозостойкости бетонов неизвестного состава предложен критерий, отражающий соотношение условно-замкнутых (резервных) и открытых (интегральных) пор: $K_{mp3} = \Pi_{у.з.} / (0,09 \cdot \Pi_u)$, который находится в тесной корреляционной связи с реальной морозостойкостью и может использоваться для её прогнозирования[18][20].

Увеличение морозостойкости бетона

Морозостойкость бетона в первую очередь зависит от состава бетонной смеси и качества её компонентов: водоцементного отношения, минерального состава и тонкости помола цемента, качества заполнителей и свойств используемых добавок. Большое влияние оказывают структурная плотность свежеуложенной бетонной смеси и условия твердения[5][21].

Вовлечение воздуха и создание резервной пористости

Введение в состав бетона воздухововлекающих добавок способствует образованию условно-замкнутых пор, рассекающих каналы капиллярной пористости, и снижению величины капиллярного подсоса. Однако эффективность воздухововлекающих добавок проявляется только на начальном этапе эксплуатации. После нескольких циклов замораживания при низких температурах в бетоне начинает «работать» весь физический объём его пористости, что приводит к возрастанию водопоглощения и ускоренному разрушению, так как при введении указанных добавок прочность бетона существенно снижается (до 5% на каждый процент вовлечённого воздуха)[17].

В качестве альтернативы традиционным воздухововлекающим добавкам применяются алюмосиликатные полые микросферы (ценосферы). При совместном использовании с нанокремнезёмом и суперпластификатором микросферы выступают в роли демпфирующих добавок и носителей воды. Оболочки микросфер постепенно преобразуются в гидросиликаты кальция, сохраняя полое пространство, в которое при кристаллизации вдавливается вода под давлением, не нанося вреда структуре бетона. Добавление 10–15% микросфер обеспечивает повышение морозостойкости в 2,5 раза[22]. В низкомарочных бетонах для создания условно-замкнутых пор успешно применяется резиновая крошка размером менее 0,63 мм, введение которой в количестве 3–5% от объёма смеси позволяет повысить марку по морозостойкости на 2–3 ступени за счёт снижения модуля упругости и увеличения объёма резервных пор[23].

Повышение плотности и модификация структуры

Горчаков Г.И. установил, что морозостойкость бетона обратно пропорциональна его капиллярной пористости. Чем ниже начальное В/Ц, тем больше возможность разобщения капилляров в процессе гидратации цемента с образованием условно-замкнутых пор. Для бетонов высокой морозостойкости (F1600 и выше) величину В/Ц следует назначать не более 0,34[20]. При больших значениях В/Ц поры, образуемые воздухововлекающими добавками, не блокируются со всех сторон цементным гелем, увеличивая открытую пористость (явление оводнения воздушных пор), что не только не повышает, но и может понизить морозостойкость[24].

Использование активных минеральных добавок, в частности микрокремнезёма, для связывания портландита в нерастворимые соединения с параллельным уплотнением структуры существенно повышает морозостойкость. Модификация гидратных фаз при совместном введении микрокремнезёма и поликарбоксилатного пластификатора способствует формированию гелеобразных низкоосновных гидратных фаз, более стойких к циклическим воздействиям температуры, что позволяет достигать морозостойкости до F2500 без специального воздухововлечения[25][26].

Минералогический состав цемента и условия твердения

Увеличение содержания трёхкальциевого алюмината (С3А) негативно сказывается на морозостойкости бетона. Для ответственных сооружений содержание С3А в клинкере нормируется и не должно превышать 7–8%[27][21].

Применение шлакопортландцементов при условиях тепловлажностной обработки (ТВО) позволяет получать бетоны с высокой морозостойкостью. Введение до 45% кислого доменного шлака повышает морозостойкость пропаренного бетона за счёт формирования более устойчивой гелевой структуры и снижения льдистости цементного камня. Шлакопортландцементный камень обладает большей способностью релаксировать напряжения при фазовых переходах поровой жидкости[7].

Снижение температуры изотермической выдержки при ТВО с 80 °С до 40 °С позволяет избежать дефектов структуры в контактной зоне заполнителя с раствором и повысить марку бетона по морозостойкости с F200 до F300, а при использовании поликарбоксилатных водоредуцирующих добавок — до F400–F500[28].

Влияние качества заполнителей

Нормативные документы часто требуют, чтобы марка по морозостойкости крупного заполнителя была не ниже марки бетона. Однако исследования показывают, что цементно-песчаный раствор, обволакивая зёрна крупного заполнителя, существенно снижает их водопоглощение, выполняя функцию защитного барьера. Это позволяет использовать неморозостойкий щебень (например, известняковый или с высоким содержанием хлоритов) для изготовления высокоморозостойких бетонов. Уплотнение контактной зоны за счёт введения тонкодисперсных минеральных добавок (вторичных кварцитов, микрокремнезёма) с удельной поверхностью больше цементной повышает механическую прочность границы раздела фаз и пролонгирует эффект снижения насыщения зёрен заполнителя солевыми растворами, обеспечивая морозостойкость бетона F2200 и выше даже при исходной марке щебня F150[29][30].

Нормативные документы

  • ГОСТ 10060-2012. Бетоны. Методы определения морозостойкости.
  • ГОСТ 26633-2015. Бетоны тяжёлые и мелкозернистые. Технические условия.
  • СП 28.13330.2012. Защита строительных конструкций от коррозии.
  • СП 46.13330.2012. Мосты и трубы. Правила проектирования и строительства.
  • ВСН 150-93. Указания по повышению морозостойкости бетона транспортных сооружений.
  • EN 206. Бетон. Технические требования, эксплуатационные характеристики, производство и контроль качества.
  • ASTM C666 / C666M. Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing.

См. также

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 ГОСТ 10060-2012. Бетоны. Методы определения морозостойкости. — М.: Стандартинформ, 2013.
  2. ↑ Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. — М.: Стройиздат, 1979. — 344 с.
  3. ↑ Морозостойкость // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
  4. ↑ 4,0 4,1 Трофимов Б.Я. Современная концепция морозостойкости бетона // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. — 2009. — № 4-5(11). — С. 71-79.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. — М.: Стройиздат, 1989. — 128 с.
  6. ↑ 6,0 6,1 Троян В.В. Морозостойкость бетона как функция совместимости цемента и добавки // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. — 2014. — № 16. — С. 49-53.
  7. ↑ 7,0 7,1 Михайлов Г.Г., Трофимов Б.Я., Гамалий Е.А. Морозостойкость пропаренного бетона на шлакопортландцементах // Вестник ЮУрГУ. Серия: Строительство и архитектура. — 2012. — № 17. — С. 42-47.
  8. ↑ Горчаков Г.И., Капкин М.М., Скрамтаев Б.Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. — М.: Стройиздат, 1965. — 195 с.
  9. ↑ Шестоперов В.С. Цементный бетон в дорожном строительстве. — М.: Дориздат, 1950. — 132 с.
  10. ↑ Стольников В.В. Исследования по гидротехническому бетону. — М., Л.: Госэнергоиздат, 1953. — 330 с.
  11. ↑ Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. — М.: Стройиздат, 1980. — 536 с.
  12. ↑ Ахвердов И.Н., Станишевская И.В. Механизм разрушения пористых материалов при насыщении их солями // ДАН БССР. — 1967. — Т. 11, № 4. — С. 320-323.
  13. ↑ Алексеев С.Н., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. — М.: Стройиздат, 1976. — 205 с.
  14. ↑ Иванов Ф.М. Защита железобетонных транспортных сооружений от коррозии. — М.: Транспорт, 1968. — 1975 с.
  15. ↑ Шалимо М.А. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. — Минск: Высш. шк., 1986. — 200 с.
  16. ↑ Москвин В.М., Подвальный А.М. Морозостойкость бетона в напряженном состоянии // Бетон и железобетон. — 1960. — № 2. — С. 58-64.
  17. ↑ 17,0 17,1 Корсун А.М., Батяновский Э.И. Морозостойкость цементного бетона во взаимосвязи с искусственно создаваемой пористостью // Проблемы современного бетона и железобетона. — Минск, 2018. — Вып. 10. — С. 169-184.
  18. ↑ 18,0 18,1 Добшиц Л.М. Способы и пути повышения долговечности бетонов для транспортных сооружений // Комплексные технологии в механике и транспортном строительстве. — Петергоф: ВА МТО, 2023. — С. 228-241.
  19. ↑ Эккель С.В. Некоторые особенности оценки морозостойкости дорожного бетона // Технологии бетонов. — 2015. — № 7-8. — С. 17-21.
  20. ↑ 20,0 20,1 Несветаев Г.В., Корчагин И.В., Лопатина Ю.Ю., Халезин С.В. О морозостойкости бетонов с суперпластификаторами // Интернет-журнал «Науковедение». — 2016. — Т. 8, № 5.
  21. ↑ 21,0 21,1 ВСН 150-93. Указания по повышению морозостойкости бетона транспортных сооружений.
  22. ↑ Джабаров А.С., Белов В.В. Способы создания резервной пористости в бетоне для повышения морозостойкости // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Строительство. — 2022. — № 1. — С. 13-22.
  23. ↑ Гладких А.С., Кретов В.А. Повышение морозостойкости низкомарочных цементных бетонов, используемых для устройства оснований дорожных одежд // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. — 2009. — № 4. — С. 166-172.
  24. ↑ Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для районов Крайнего Севера. — Л.: Стройиздат, 1983. — 132 с.
  25. ↑ Шулдяков К.В., Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я. Высокоморозостойкий бетон без воздухововлечения // Строительные материалы. — 2020. — № 6. — С. 18-26.
  26. ↑ Трофимов Б.Я. Основы повышения морозостойкости тяжелого бетона // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. — 2015. — № 4-5(40). — С. 58-75.
  27. ↑ Подмазова С.А. Исследование технологических параметров, влияющих на конечные свойства бетона // Технологии бетонов. — 2014. — № 10. — С. 42-44.
  28. ↑ Смирнова О.М. Морозостойкость высококачественных бетонов для подрельсовых конструкций // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. — 2014. — № 4. — С. 77-81.
  29. ↑ Осипов И.А., Староверов В.Д. О проблеме влияния морозостойкости щебня на морозостойкость бетона // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. — 2021. — № 1. — С. 78-81.
  30. ↑ Енджиевская И.Г., Новиков Н.С., Галкин М.А. и др. Получение бетонов высокой морозостойкости на заполнителях пониженного качества // Строительство и техногенная безопасность. — 2023. — № S1. — С. 171-179.


Литература

//

  • Акрамов А.А. Влияние воздушных пор на морозостойкость бетона // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. – 2025. – № 4(72). – С. 221-226. – DOI 10.65599/COOK1265. – EDN RSQSNI.
  • Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. Стройиздат, 1981. 464 с.
  • Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. АСВ, 2006. 368 с. ISBN 5-93093-422-3
  • Горчаков Г.И., Капкин М.М., Скрамтаев Б.Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. Стройиздат, 1965. 195 с.
  • Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Специальные бетоны. Инфра-Инженерия, 2012. 368 с.
  • Зоткин А.Г. Бетоны с эффективными добавками. Инфра-Инженерия, 2016. 160 с. ISBN 978-5-9729-0079-4
  • Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений Крайнего Севера. Стройиздат, 1983. 132 с.
  • Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. Стройиздат, 1980. 536 с.
  • Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. Стройиздат, 1989. 188 с. ISBN 5-274-00566-7
  • Трофимов Б.Я., Шулдяков К.В. Морозостойкость и сульфатостойкость бетонов. Лань, 2022. 444 с. ISBN 978-5-8114-9342-5
  • Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. Стройиздат, 1989. 128 с. ISBN 5-274-00343-5
  • Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. Стройиздат, 1979. 344 с.
  • Шестоперов С.В. Долговечность бетона транспортных сооружений. Транспорт, 1966. 500 с.
  • Штюрк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Оранта, 2004. 294 с.

//

Источник — «https://stroytechnolog.ru/wiki/index.php?title=Морозостойкость_бетона&oldid=4104»