15. Морозостойкость бетона. Коэффициент морозостойкости бетона – f

Коэффициент морозостойкости бетона обозначается буквой «F» с коэффициентом от 25 до 1000. Он указывает на количество циклов замораживания-размораживания, по прохождению которых бетон должен сохранить прочность. Что это значит? – это значит что такое количество раз конструкция из бетона насыщенного влагой может перейти в замерзшее состояние, и, соответственно, обратно.

Рассмотрим пример – фундамент дома, впитывающий воду из грунта, как губка. В этом случае вода заполняет микроскопические поры в структуре бетона. Затем она замерзает, и, расширяясь, начинает расширять эти поры, создавая микротрещины. И каждый раз эти трещины будут только увеличиваться в размере.

На самом деле это - теория, а на практике фундаменты гидроизолируются и увлажнение идет не так интенсивно. Тем не менее этот пример приведен для ознакомления с природой процесса.

Для увеличения морозостойкости бетона используют различные добавки (воздухововлекающие и др...) Тем не менее, морозостойкость, увеличенная таким образом снижает прочность бетона. Оптимальной величины морозостойкости бетона можно добиться, если приготавливать бетон с помощью гидрофобного цемента. Стандартная морозостойкость в строительстве F100-F200.

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций назначают требуемые характеристики бетона: класс (марку) прочности, марки морозостойкости и водонепроницаемости.

Проектная марка бетона по морозостойкости характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, подвергающегося многократному воздействию отрицательных температур.

За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое при испытании выдерживают образцы установленных размеров без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорожного бетона, кроме того, без потери массы более 5%. Установлены марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500.

16. Структура морозостойкого бетона. Родь «резервных» пор

Морозостойкость бетона - это его способность сохранять прочность и работоспособность при действии попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.Разрушение бетона в водонасыщенном состоянии при циклическом действии положительных и отрицательных температур, а также переменных отрицательных температур обусловлено комплексом физических коррозионных процессов, вызывающих деформации и механические повреждения изделий и конструкций.  К настоящему времени отсутствует единая теория, объясняющая механизм морозного разрушения бетона, хотя очевидно, что, в конечном счете, снижение прочности влажного бетона при попеременном замораживании и оттаивании обусловлено, в основном, образованием льда в порах бетона. В результате того, что объем, занимаемый льдом, на 9% больше объема воды, возникают значительные растягивающие напряжения, воздействующие на стенки пор и постепенно расшатывающие его структуру.  Существует несколько основных гипотез, объясняющих способы передачи напряжений на элементы структуры бетона, возникающих в результате образования льда. 

1. Гипотеза непосредственного воздействие кристаллизующегося льда на стенки пор. 

2. Гипотеза гидростатического давления воды - в отличие от первой утверждает, что на стенки пор давит не сам лед, а вода, на которую передается давление льда. В пользу большей корректности второй гипотезы говорит тот факт, что вода, заполняющая капиллярные поры, не может, как правило, полностью превратиться в лед из-за отсутствия необходимого места и поэтому передает давление льда на стенки пор. Но гипотеза также не может объяснить ряд явлений, наблюдаемых при действии отрицательных температур на бетон. Так, при увеличении скорости замораживания разрушение ускоряется, тогда как давление льда при этом не возрастает. Более того, морозом разрушаются бетоны, поры которых заполнены водой менее чем на 90%.

3. Гипотеза гидравлического давления Т. Пауэрса, объясняющая отмеченные явления. В соответствии с ней главной причиной разрушения бетона при попеременном замораживании и оттаивании является гидравлическое давление, создаваемое в порах и капиллярах бетона под влиянием замерзающей воды в результате сопротивления гелевой составляющей цементного камня. Убедительным аргументом в пользу этой гипотезы является то, что она объясняет механизм защитного действия воздушных пор. При их достаточном количестве «избыточная» вода оттесняется в эти поры без нарушений структуры бетона. Разрушение бетона происходит тогда, когда объем условно замкнутых пор постепенно заполняется водой и они не могут выполнять функции резервных (демпферных). В соответствии с гипотезой гидравлического давления напряжения, возникающие в бетоне, будут пропорциональны скорости замораживания, количеству оттесняемой жидкой фазы и ее вязкости и обратно пропорциональны проницаемости цементного камня.  Модель, предложенная Т. Пауэрсом, представляет циллиндрический капилляр, заполненный водой и окруженный цементным камнем. Поддействием гидравлического давления в циллиндрической оболочке капилляра возникают растягивающие напряжения о . Разрушение происходит, если напряжения а достигли предела прочности цементного камня при растяжении Вр. К недостаткам этой модели следует отнести то, что в ней не учитывается соотношение размеров капилляра и оболочки. В действительности в цементном камне толщина оболочки капилляра может быть в 5-20 раз больше его радиуса. В объем капилляров включался весь объем пор цементного камня без разделения его на объем пор геля и капилляров, хотя замораживание воды происходит практически лишь в капиллярных порах. Расчет напряжений в бетоне по модели Пауэрса проводят для статического состояния без учета перемещения фронта льдообразования.  А.М. Подвальный предложил модель, в которой капилляр и оболочка рассматриваются как толстостенная труба с переменным отношением радиусов оболочки и капилляра. При рассмотрении единичного капилляра действие соседних заменяется равномерно распределенной нагрузкой на внешней поверхности оболочки.  В соответствии с современными представлениями гидравлическое давление не является единственной причиной разрушения. Разрушению способствуют также осмотические явления. Они возникают в результате повышения концентрации растворенных веществ (Са(ОН)2, щелочей и др.) в жидкой фазе бетона на границе со льдом. Диффузия воды к области замерзания создает дополнительное давление. 

4. гипотеза термической несовместимости компонентов бетона. Заполнители и Цементный камень имеют различные коэффициенты термического расширения. При отрицательных температурах термическая несовместимость компонентов резко усиливается, так как коэффициент термического расширения льда в 3-7 раз больше чем бетона. 

Возможно одновременное действие различных механизмов деструкции бетона при его циклическом замораживании, и вклад каждого будет зависеть от многих факторов: влажности материала, В/Ц, возраста бетона и т.д.Факторы, влияющие на морозостойкость бетона. Влияние циклического изменения температуры усиливается дополнительным воздействием растворов солей. Получила, например, широкое распространение практика применения солей (NаСl, СаСl2) для удаления льда с дорожных покрытий. В результате таяния льда при посыпке соли на поверхность бетона поглощается большое количество теплоты (334 Дж/г) и температура резко понижается.  На поверхности бетона фиксируется понижение температуры до 9°С в течение 1 мин («температурный шок»), что вызывает возникновение растягивающих напряжений. Диффузия соли в бетон приводит к возникновению градиента ее концентрации, что также вызывает повышенные напряжения, шелушение и отслаивание поверхностного слоя.  В присутствии солей увеличиваются осмотические явления в замораживаемом бетоне, повышается вязкость жидкой фазы. В результате возрастает величина гидравлического давления и ускоряется разрушение бетона. При попеременном замораживании и оттаивании насыщенных водой железобетонных конструкций нарушается соответствие температурных деформаций стали и бетона, в результате возникают значительные внутренние напряжения и уменьшается прочность сцепления стали с бетоном. Растягивающие напряжения в арматуре при замораживании насыщенных водой железобетонных конструкций могут достигать  120-150 МПа.  На долговечность бетона, работающего на растяжение и изгиб в условиях замораживания и оттаивания, влияет степень нагружения. При напряжениях, составляющих 0,45 призменной прочности, уже заметно ускоряются деструктивные процессы в замораживаемом бетоне, а при напряжениях, равных 0,6-0,8 призменной прочности, отмечены случаи разрушения бетона через несколько циклов замораживания.  При замораживании влажного железобетона ускоряется трещинообразование в растянутой зоне и увеличиваются размеры трещин. При этом наиболее интенсивно повышение влажности бетона наблюдается в растянутой зоне конструкций. Это объясняется переносом влаги из менее разрушенной сжатой в активно разрушающуюся растянутую зону в результате различия давления пара переохлажденной адсорбированной воды в мелких порах и кристаллического льда в крупных порах и трещинах.