Кинетика нарастания прочности бетона при замораживании и оттаивании
Исследования, выполненные в последние годы в ППИЖБ, показали, что воздействие отрицательных температур на бетон раннего возраста не только приостанавливает рост прочности, но и разрушающе действует на его структуру. Бетоны, замороженные сразу же после приготовления, прироста прочности на морозе практически не имели ого при температуре —5°С, который набрал 8% R28 после 4-часового оттаивания. Аналогичные бетоны марки 200 н 300, приготовленные на Новоздолбуновском и Белгородском цементе MG00 подвижностью смеси 1—3 см, находившиеся в течение 28 и 90 суток при температурах —10, —20 н —50°С после 4 ч оттаивания имели прочность в пределах 1,5—4,5 кг 1см2, что составляло 0,46—1,4% /?28 (рис. 1).
Результаты опытов хорошо согласуются с полученными ранее данными по фазовому состоянию воды, которые показали, что при —5°С в бетоне, замороженном сразу после приготовления, более 92% воды переходит в лед. При —20°С эта величина достигает 94%, а При —45°С увеличивается до 97%- Следовательно, твердение на морозе не может происходить, если в бетоне нет достаточного количества воды в жидкой фазе.
Иная картина при замораживании бетона, достигшего к моменту замерзания какой-либо прочности.
Количество жидкой фазы в бетонах, замороженных с более высокой прочностью, при одной и той же отрицательной температуре увеличивается (табл. 1). Можно предположить, что чем большую прочность бетон приобрел до замерзания, тем существеннее она должна нарастать. Однако опыты показали, что гипотеза справедлива лишь до определенной степени.
Наибольший прирост прочности при испытании после 4 ч оттаивания наблюдался у бетонов, замороженных с 15 до 45% от 28. После 28-суточного пребывания при температуре —5°С и 4 ч оттаивания прочность их оказалась выше, чем до замораживания, на 23—28% (см. рис. 1). Бетон прочностью 70—80%) и более от марочной за 28 суток выдерживания при этой же температуре прироста прочности практически не имел.
Сходная картина при выдерживании бетона в холодильных камерах с температурой —20 и —50СС. Однако абсолютные и относительные величины прироста (прочности у бетонов одного возраста при понижении температуры падают (табл. 2).
Причина существенного различия в характере увеличения прочности бетонов, замороженных та разных стадиях твердения, в их релаксационных свойствах. В течение первых 3 судок в бетоне интенсивно накапливается гель, что изменяет его пористость. За этот промежуток времени, как пока расчет но формулам д-ра техн. наук
Наличие плотных оболочек новообразований, затрудняющих перенос влаги в глубь цементного зерна, тормозит увеличение на морозе прочности бетона, достигшего к моменту замерзания 70% и более от Rss. К тому Ж С вязкость волы при понижении температуры сильно возрастает. По данным Пауэрса, вязкость воды при прохождении через цементный гель с порами диаметром 2-10-7 си приблизительно и 50 000 раз выше шиз кости воды при обычной температуре [1].
Бетоны меньшей прочности (в возрасте 1—3 суток) еще не претерпели таких существенных структурных изменений. Это способствует более быстрому протеканию процессов твердения и нарастания их прочности на морозе при температурах, близких к 0°С. Этим, видимо, объясняется наибольшее увеличение прочности после оттаивания в бетонах 1—3-суточного возраста до замораживания.
Наличие процессов твердения при отрицательной температуре, в частности при —5°С, подтверждается результатами экспериментов по изучению степени гидратации цемента, выполненными совместно лабораториями методов ускоренного твердения и испытания бетонов НИИЖБ. Степень гидратации цемента определялась методами химического и дифференциального термического анализа в образцах из цементного теста нормальной густоты (Белгородский цемент М600 по ГОСТ 310—41) в возрасте 1, 3, 7 и 28 сут.
Гелевые оболочки вокруг дегидратированной части зерна цемента длительное время остаются проницаемыми, и вода, диффундируя через поры геля, вовлекает в реакцию гидратации все новые порции цемента. Скорость этой реакции зависит от прочности бетона до замерзания. Чем выше эта прочность, тем ниже скорость гидратации цемента на морозе при прочих равных условиях. В то же время при отрицательных температурах, видимо, нет благоприятных условий для образования кристаллического сростка, прочностью которого обуславливается прочность цементного камня.
Результаты исследований показывают, что прочность бетона, длительное время выдерживающегося при отрицательных температурах, после 4-часового оттаивания была выше прочности до замораживания.
Однако с нашей точки зрения не совсем правильно на основании этих данных делать вывод о твердении бетона при отрицательных температурах.
Подвергающийся замораживанию бетой проходит через 3 этапа: охлаждение до 0°С, замерзание и оттаивание. Большой теоретический и практический интерес представляет роль каждого этапа в увеличении прочности.
Было изготовлено несколько серий образцов 10X10X10 см из бетона марки 300, которые после достижения ими прочности 28, 106, 190 и 236 кг/см2 (время предварительного выдерживания соответствовало 12, 24 и 72 ч) помещались в холодильную камеру с температурой —20°С.
Одна партия образцов охлаждалась только до —1°С, после чего они оттаивали в камере при нормальных условиях до 2°С и сразу же испытывались, а их близнецы продолжали оттаивать в течение 4—5 ч до достижения бетоном температуры окружающей среды. Другие образцы охлаждались до —10 и —20°С с разной скоростью. После определения прочности из образцов отбирались пробы, которые обезвоживались спиртом и передавались в химическую лабораторию для определения степени гидратации цемента.
Анализ данных (табл. 3 показывает, что роль каждого из трех этапов в увеличении прочности бетона после оттаивания возрастает или уменьшается.
Наиболее интересен вопрос о дальнейшем нарастании прочности при оттаивании образцов до температуры окружающей среды.
Как видно из табл. 3 этот этап характеризуется интенсивным нарастанием прочности независимо от температуры замораживания, причем, как правило, чем меньше прочность бетона до замерзания и менее глубоко его охлаждение, тем большую он набирает прочность за те же 4—5.
Бетоны, достигшие к моменту замерзания более 50% R2& при оттаивании до +2°С не только не имели прироста прочности, но почти во всех случаях она оказалась на 1—6% ниже прочности до замерзания. Однако, после 4—5 ч оттаивания она достигала первоначального значения или даже несколько превышала его.
Данные по прочности бетона хорошо согласовываются с данными химического анализа по определению степени гидратации в бетоне на разных этапах замерзания.
Особый интерес представляет вопрос о нарастании прочности в естественных зимних условиях.
Из некоторых работ известно, что прочность бетона нарастает в естественных зимних условиях даже более интенсивно, чем в холодильных камерах.
Отличие естественных зимних условий от холодильных камер в исключительной неустойчивости температуры наружного воздуха, колебания которой даже в течение суток в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера достигают 30°С. Количество суточных колебаний температуры наружного воздуха в 1965 и 1966 гг., например, в Якутске составило—119, Норильске — 45 и Красноярске — 42, причем в последнем городе в 27 случаях температура упала от положительных значений до —5°С [4].
Сравнение нарастания прочности в естественных условиях и в холодильных камерах проводилось па образцах 10х10х10 см, из бетона состава 1:1,8: 3,0 с В/Ц—0,46 и состава 1: 3,1 :4,5 с ВЩ — 0,72 три одинаковой подвижности смеси, характеризуемой осадкой конуса 1—3 см.
Образцы разделили иа 2 партии. Одна из них находилась в течение 3 месяцев в естественных условиях. Температура наружного воздуха за этот период колебалась от —32 до 6°С. Другие образцы помещали на такой же срок в холодильную камеру с /=—20°С.
Результаты (табл. 4) показывают, насколько быстрее нарастает прочность бетона в естественных зимних условиях по сравнению с жесткими температурными условиями холодильных камер.
Выводы
Нарастания прочности бетона при отрицательных температурах не происходит. Оно происходит главным образом в процессе оттаивания бетона при положительной температуре. Бетон набирает прочность до замораживания н после оттаивания и практически не увеличивает ее на морозе.
Наибольший прирост прочности после оттаивания наблюдается в бетонах, замороженных при 15—50% Д28, причем при выдерживании бетона при более отрицательных температурах он выше. При понижении температуры замораживания прирост прочности после оттаивания уменьшается.
B естественных зимних условиях с частыми колебаниями температур и даже переходом их за 0"С довольно заметно увеличение прочности бетона. Наибольший прирост прочности (на 35—50%) также отмечен в бетонах, замороженных с прочностью 20—50%