О механизме формирования структуры бетона при замораживании
При замерзании бетона находящаяся в нем вода претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся увеличением объема на 9,06%. На раннем этапе твердения бетона в лед переходит почти вся вода: химически ее связывается незначительное количество, а из-за не сформировавшейся еще микропористой структуры бетона невозможно заметное переохлаждение воды за счет микрокапиллярного эффекта. Прочность такого бетона в последующем может быть на 15—40% меньше, чем незамораживаемого.
В то же время известны данные о нейтральном или положительном влиянии однократного замораживания бетона непосредственно после укладки смеси на его прочность в дальнейшем при благоприятных условиях выдерживания. Имеется несколько гипотез [1], объясняющих столь необычное влияние замораживания на прочность бетона, однако они экспериментально не подтверждены.
Было изучено влияние замораживания сразу после укладки смеси на фазовый состав продуктов гидратации, степень гидратации цемента, структуру и прочность бетона. Работы выполняли на цементных композициях с добавкой нитрита натрия, который понижает температуру замерзания воды и широко используется в качестве противоморозной добавки.
Исследования показали, что замораживание в раннем возрасте в последующем не приводит к заметному изменению фазового состава продуктов гидратации (по данным рентгеноструктурного анализа и дернватографии), не оказывает существенного влияния на степень гидратации цемента (по данным количественного рентгеновского анализа).
Методом ртутной порометрин установлен различный характер влияния замораживания на поровую структуру в зависимости от состава. Так, общая пористость замороженных при —30°С образцов цементно-песчаного раствора по сравнению с незамораживаемыми, твердевшими при расчетной температуре —5°С, незначительно уменьшилась в центральных и поверхностных слоях. Пористость цементного камня увеличилась незначительно (на 20%) в центральной части образца и весьма существенно — более чем в 2 раза — в поверхностных слоях.
В растворной части бетона также имело место уплотнение центральной части образцов, усиливающееся с уменьшением В/Ц. Эти данные противоречат прочностным показателям, если не учитывать место отбора проб материала для анализа.
Влияние замораживания на структурную пористость может быть объяснено тем, что в процессе охлаждения бетона происходит перераспределение в нем воды. Оно обусловлено увеличением количества физико-химически связанной воды поверхностью частиц цемента с понижением температуры по фронту охлаждения. Увеличение равновесного влагосодержания ряда капиллярно-пористых тел с понижением температуры доказано экспериментально [2].
Исходя из этого формирование структуры бетона, подвергающегося замораживанию непосредственно после укладки смеси, можно представить следующим образом. При его охлаждении (—Q) создается разность температур (7i При избыточном содержании физико- механически связанной воды влажностный градиент при охлаждении бетона до замерзания не возникает, а вследствие внешнего массообмена в дальнейшем прочность бетона может даже повышаться. Дли подтверждении предположения о механизме формирования структуры под воздействием замораживании после укладки определялась прочность истока с подвижностью смеси И—1 I см, приготовленного на портландцементе марки 500, а также с заменой 15 и 10% его расхода топкомолотым кварцевым песком при неизменном расходе остальных материалов и воды. Введение песка вместо эквивалентном части цемента должно было уменьшить недобор прочности, так как уменьшение расхода цемента при прочих равных условиях должно приводить к созданию меньшего влажностного градиента за счет меньшей адсорбционной способности твердой фазы. Результаты исследований (рис. 2) подтверждают это положение. Об уменьшении структурных нарушений при замораживании бетона с понижением расхода цемента за счет замены части его золой свидетельствуют опубликованные данные по остаточным деформациям после замораживания Согласно предполагаемому механизму формирования структуры, недоборы прочности подвергающегося замораживанию бетона должны уменьшаться с увеличением количества воды, приходящейся на поверхность капиллярно- пористого тела. По аналогии с массовой и процентной влажностью капиллярно-пористых тел назовем этот параметр удельным поверхностным влагосодержаннем таких тел (в данном случае цемента) с размерностью г Н20/см2 тела. На рис. 3 показан график влияния поверхностного влагосодержания цемента на относительную прочность раствора и бетона, подвергавшегося замораживанию, а также твердевшего при расчетной температуре, в том числе и с предварительной выдержкой при положительной температуре. Эти зависимости получены на основании экспериментальных данных. Удельная поверхность цемента во всех случаях принималась равной 3000 см2/г, что повлияло на абсолютную величину его поверхностного влагосодержания, но не изменило характера зависимости. Из рассматриваемого рис. 3 следует, что между начальным поверхностным влагосодержаннем цемента и относительной прочностью цементных композиций имеется линейная зависимость. Это свидетельствует о том, что исходное удельное поверхностное влагосо- держание цемента, а следовательно и внутренний массоперенос, оказывают влияние ие только на процесс формирования структуры композиций, подвергающихся замораживанию, но и твердеющих при отрицательных температурах. Внутренний массоперенос вследствие изменения количества адсорбционно связанной поды имеет место, видимо, не только при охлаждении бетона, но также и при его нагревании, равно как и при охлаждении и нагревании других капиллярно-пористых тел.
