В статье приведены исследования водонепроницаемости бетонов, подверженных раннему замораживанию при температуре от -5°С до -25°С. Рассмотрено влияние низких температур как для бетонов с современными противоморозными добавками, так и без них.
УДК 691.32
А.А. АНТОНЯН, канд. техн. наук, ведущий специалист организации технического надзора по строительству бетонной дороги в рамках проекта «Север – Юг» в Армении
Ключевые слова: бетон, водонепроницаемость, прочность, противоморозная добавка, антифриз, арматура
Keywords: concrete, water resistance, strength, anti-frost additive, antifreeze, reinforcement
Интенсификация твердения бетона при пониженных и отрицательных температурах является актуальной задачей для регионов, где такие температуры преобладают.
Использование современных противоморозных добавок является на сегодняшний день наиболее широко применяемым методом зимнего бетонирования. Объясняется это экономичностью, высокой эффективностью, а также универсальностью метода, т.е. возможностью использования как индивидуально, так и комбинируя с другими методами зимнего бетонирования, например электроиндукционным прогревом и т.д.
Как показывает практика, противоморозные добавки в большинстве случаев применяются в «холодном бетоне», т.е. в бетоне, постоянно твердеющем при отрицательной температуре. Решающим фактором в этом случае является быстрый набор бетоном критической прочности, достигнув которую, он может быть заморожен без снижения прочности и других эксплуатационных характеристик после оттаивания. Однако величина критической прочности по-прежнему остается предметом дискуссий. Так, для большинства европейских стран критической прочностью считается 5 МПа, в Норвегии 6-8 МПа, в Канаде 7-10 МПа, согласно рекомендации Американского института по бетону. Для стран ЕЭС в отношении бетонов с противоморозными добавками критическая прочность составляет 20% от проектной.
Использование противоморозных добавок в этом случае нацелено на интенсификацию набора критической прочности за первые 12 часов после бетонирования. Причем основной механизм их действия основан на ускорении реакции гидратации. Уменьшение точки замерзания воды и льдообразования в капиллярах является второстепенным фактором. Зачастую строители превратно понимают термин «противоморозная добавка» или коммерческий термин «антифриз», полагая, что вводимая добавка может нейтрализовать процесс льдообразования бетона вообще.
В качестве современных противоморозных добавок используются различные соли щелочных металлов, в основном натрия и калия, реже лития, а также различные соли кальция. В большинстве случаев это бесхлоридные водные растворы, не вызывающие коррозию арматуры, закладных деталей и форм. Эффективность их не уступает хлориду кальция, считающемуся лучшим противоморозным агентом. По своему ускоряющему действию на алитную фазу цемента, катионы используемых добавок располагаются в следующий ряд: Ca2+> Sr2+> Ba2+> Li+> Na+> K+. Для анионов подобный ряд имеет следующий вид: Cl- > S2O32- >SO42->NO3- >CH3COO-. В качестве противоморозных добавок широкое распространение получили тиосульфат, роданид, формиат натрия, нитрат и нитрит кальция и натрия, алюминаты и т.д.
Вопрос использования противоморозных добавок и их влияния на свойства бетона в технической литературе рассмотрен довольно детально[1-5, 7]. Как правило, это исследования влияния добавок на прочность бетона, подверженного раннему замораживанию, в которых показана эффективность их использования. Изменение прочности такого бетона является также объектом нормирования. Так, по ГОСТ 24211 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия», отношение добавки к классу противоморозных оценивается по их возможности обеспечения твердения бетона при отрицательных температурах и достижения к 28 суткам не менее 30% прочности (для холодного бетона) контрольного состава нормального твердения.
Освещение же вопросов влияния противоморозных добавок на долговечность зимнего бетона в технической литературе недостаточно. Поэтому нами было исследовано влияние раннего замораживания бетона (в присутствии противоморозных добавок и без них) на его водонепроницаемость, являющуюся основной функцией долговечности. Были использованы следующие материалы: щебень базальтовый 5-20 мм Ехегийского месторождения (Армения), песок речной, мытый (Мкр.=2,6), портландцемент CEM II/A-P 42.5N (Армения, Араратский завод), суперпластификаторы и противоморозные добавки, техническая информация которых приведена в табл. 1 и 2. Базовый состав бетона: Щ=960 кг/м3, П=855 кг/м3, Ц=385 кг/м3, суперпластификатор – 1% от массы цемента, противоморозная добавка (в случае твердения при отрицательной температуре) в зависимости от температуры окружающей среды по табл. 2, В/Ц=0,5. Данное В/Ц отношение продиктовано необходимостью иметь подвижность бетонной смеси в пределах 10-12 см.
Таблица 1. Технические характеристики химических добавок
| Производитель | Наименование добавки | Тип добавки | Форма | Хим. основа | Рекомендуемая дозировка, % от массы цемента |
| Sika | Sikaplast 3235 | Суперпластификатор | 40%-ный водный раствор | PCE+LS | 0,4-1,5 |
| Antifreeze 30 | Противоморозная добавка | 40%-ный водный раствор | Комплекс неорганических солей | 1-5 | |
| Stachema | Stacheplast BV3 | Суперпластификатор | 40%-ный водный раствор | PCE+LS | 0,8-2 |
| Betodur A1 | Противоморозная добавка | 40%-ный водный раствор | Нитрат кальция | 0,4-2 | |
| Mapei | Mapefluid N100 | Суперпластификатор | 40%-ный водный раствор | NSF | 0,5-1,5 |
| Antifreeze S | Противоморозная добавка | Сухая | Комплекс неорганических солей | 1-2 |
Примечание: PCE – эфир поликарбоксилата, LS – лигносульфонат, NSF – нафталинсульфоформальдегид
Таблица 2. Рекомендуемые дозировки использованных противоморозных добавок (% от массы цемента) в зависимости от температуры окружающей среды
| Наименование добавки | Дозировка противоморозной добавки, %, при температуре окружающей среды | ||||
| -5°С | -10°С | -15°С | -20°С | -25°С | |
| Sika Antifreeze 30 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Stachema Betodur 1 | 0,9 | 1,6 | 2 | Не допускается | Не допускается |
| Mapei Antifrezze S | 1 | 2 | Не допускается | Не допускается | Не допускается |
Требования ГОСТ 24211 к противоморозным добавкам предполагают, что бетонные образцы 28 суток находятся в морозильной камере и испытываются сразу после размораживания. Учитывая, что лабораторные морозильные камеры имеют ограниченный объем, масштабное исследование по такой методике невозможно. Поэтому нами была разработана отдельная методика, согласно которой образцы бетона, подвергаясь раннему замораживанию, находятся в морозильной камере 7 суток вместо 28, а затем выдерживаются в нормальных условиях и испытываются на прочность через 1, 7 и 28 суток и также через 28 суток на водонепроницаемость.
Методика исследований
Серия испытаний для одной добавки-суперпластификатора или комплекса добавок (суперпластификатор+противоморозная добавка) состоит из 6 образцов-цилиндров 150×150 мм и 12 образцов-кубов 100×100×100 мм, из которых 3 цилиндра и 6 кубов твердеют в нормальных условиях. То же количество образцов помещается в морозильную камеру. Цилиндры испытывались на водонепроницаемость в возрасте 28 суток по методу определения глубины проникновения воды под давлением (согласно EN12390-8), а кубы – на прочность на сжатие в возрасте 1 сут., 7 сут. и 28 сут. (по 2 образца для каждого возраста).
При испытании бетона существует трудность воссоздания в лаборатории реальных условий стройплощадки (температура, массивность конструкции и т.д.). Разница между ними увеличивается в критических ситуациях, таких как раннее замораживание или твердение при сухом жарком климате. Объем укладываемого в лабораторные формы бетона в десятки раз меньше, чем объем реальных конструкций, следовательно, негативное влияние экстремальных условий на лабораторный бетон выше. Поэтому для приближения к естественным условиям бетонные образцы в морозильную камеру ставились по следующему режиму.
После изготовления образцы выдерживались в лабораторном помещении при t=20°С в течение 1 часа 40 минут для достижения начала схватывания цемента и формирования первичной структуры бетона. По прошествии данного времени они помещались на слой гофрокартона толщиной 5 мм в морозильную камеру «ARDO» CFR 200A-1, дополненную таймером и терморегулятором, обеспечивающим поддержание температуры до -26°С с погрешностью не более 1°С. Образцы накрывались полиэтиленовой пленкой и гофрокартоном для замедления процесса охлаждения. Для мониторинга температуры в морозильной камере и в бетоне использовались 3 термопары, одна из которых находилась в верхней части камеры, другая под гофрокартоном вблизи образцов и третья непосредственно в одном из образцов на глубине 4 см.
Образцы находились в морозильной камере 7 суток. После чего доставались, распалубливались, осматривались для обнаружения и фиксирования заледенелых участков и помещались в камеру нормального твердения. Так как процесс гидратации цемента при отрицательных температурах крайне медленный (даже в присутствии противоморозных добавок), временем нахождения в морозильной камере можно пренебречь, поэтому бетон испытывался на водонепроницаемость после 28 суток с момента изъятия из морозильной камеры. Испытания на прочность проводились через 1 сутки, 7 суток и 28 суток после изъятия. Результаты испытаний бетона, подверженного раннему замораживанию, сравнивались с результатами испытания бетона нормального твердения. Результат считается удовлетворительным, если разница между показателями прочности и водонепроницаемости для данных бетонов не превышает 15%.
Раннему замораживанию подвергались бетоны, содержащие комплекс «суперпластификатор+противоморозная добавка» от одного производителя, а также бетоны без противоморозных добавок, имеющие в своем составе только суперпластификатор. Последние испытывались после твердения при температуре до -15°С. Бетоны же с противоморозными добавками выдерживались при температуре окружающей среды до -25°С. Во всех случаях В/Ц отношение было постоянным, равным 0,50, подвижность бетонных смесей 10-13 см (в зависимости от пластифицирующей способности данного суперпластификатора), температура в момент приготовления смеси 20±1°С.
В табл. 3 приведены значения измерений температуры бетона и близ бетонного пространства под гофрокартоном в зависимости от температуры окружающей среды в морозильной камере.
Таблица 3. Изменение температуры вблизи бетонных образцов и в бетоне в зависимости от температуры окружающей среды и времени нахождения в морозильной камере
| Добавка, дозировка от массы цемента | Температура окружающей среды, °С | Место измерения температуры | Температура, °С, в возрасте | |||||||
| 30 мин. | 1 сут. | 2 сут. | 3 сут. | 4 сут. | 5 сут. | 6 сут. | 7 сут. | |||
| Sikaplast 3235 1% | -5 | Вблизи бетона | +4,4 | -2,5 | -2,7 | -2,8 | -2,8 | -2,8 | -2,8 | -2,8 |
| В бетоне | +17,8 | -1,9 | -2,3 | -2,4 | -2,4 | -2,4 | -2,5 | -2,5 | ||
| -10 | Вблизи бетона | +3,8 | -5,8 | -7,8 | -8,8 | -9,3 | -9,8 | -9,8 | -9,8 | |
| В бетоне | +17,3 | -4,9 | -6,7 | -6,8 | -6,9 | -6,9 | -6,9 | -6,9 | ||
| -15 | Вблизи бетона | +2,5 | -12,0 | -12,5 | -13,5 | -13,8 | -13,8 | -13,8 | -13,9 | |
| В бетоне | +15,0 | -11,9 | -12,0 | -12,5 | -13,2 | -13,2 | -13,2 | -13,2 | ||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 2% | -10 | Вблизи бетона | +5,6 | -5,7 | -8,7 | -8,7 | -8,8 | -8,9 | -8,9 | -8,9 |
| В бетоне | +18,3 | -5,3 | -8,1 | -8,4 | -8,4 | -8,4 | -8,4 | -8,4 | ||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 3% | -15 | Вблизи бетона | +5,1 | -7,2 | -12,3 | -12,7 | -12,7 | -12,9 | -12,9 | -12,9 |
| В бетоне | +19,3 | -6,8 | -9,8 | -12,1 | -12,1 | -12,3 | -12,3 | -12,3 | ||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 4% | -20 | Вблизи бетона | +1,6 | -15,7 | -18,3 | -18.3 | -18,4 | -18,4 | -18,4 | -18,5 |
| В бетоне | +17,3 | -14,9 | -15,8 | -15,9 | -15,9 | -15,9 | -15,9 | -15,9 | ||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 5% | -25 | Вблизи бетона | -5,8 | -19,8 | -22,0 | -23,2 | -23,6 | -23,8 | -23,8 | -23,8 |
| В бетоне | +13,2 | -17,8 | -21,1 | -22,5 | -22,3 | -22,5 | -22,6 | -22,6 | ||
| Stacheplast BV3 1% | -5 | Вблизи бетона | +2,1 | -1,9 | -2,1 | -2,3 | -2,4 | -2,9 | -2,5 | -2,5 |
| Stacheplast BV3 1% | -10 | Вблизи бетона | +3,3 | -5,3 | -5,5 | -6,9 | -7,4 | -7,4 | -7,4 | -7,4 |
| Stacheplast BV3 1% | -15 | Вблизи бетона | +1,0 | -7,1 | -8,8 | -11,7 | -12,0 | -12,1 | -12,7 | -12,8 |
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 1,6% | -10 | Вблизи бетона | +1,5 | -6,1 | -7,8 | -8,2 | -8,2 | -8,2 | -8,3 | -8,3 |
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 2% | -15 | Вблизи бетона | +0,4 | -8,9 | -10,7 | -11,1 | -11,3 | -11,4 | -11,4 | -11,5 |
| Mapefluid N200 1% +Antifreeze S 2% | -10 | Вблизи бетона | +0,8 | -6,4 | -6,8 | -6,9 | -7,1 | -7,1 | -7,4 | -8,0 |
Примечание: каждый результат является средним из 7 измерений
Из результатов таблицы следует, что даже минимальная защита в виде гофрокартона способна существенно замедлить процесс охлаждения бетонных образцов. Так, при небольших значениях мороза (до -5°С) температура вблизи бетона под гофрокартоном и в самом бетоне после 7 суток так и не уравновешивается с температурой окружающей среды, оказываясь выше на 2,2-2,5°С. Это создает возможность для дальнейшего протекания реакции гидратации. Кроме того, при -5°С температура в самом бетоне через 1 сутки после помещения в морозильную камеру понижается лишь до -1,9°С, очевидно, долгое время сохраняя положительное значение. Как будет показано ниже, данное время достаточно для набора бетоном критической прочности и формирования бездефектной структуры.
С понижением температуры окружающей среды, процесс охлаждения бетона интенсифицируется. Уже при -25°С через 30 минут вблизи бетона температура опускается до -5,8°С. Через 1 сутки температура самого бетона опускается до значения -19,8°С.
В табл. 4 приведены результаты визуального обследования бетонных образцов на наличие признаков льдообразования.
Таблица 4. Наличие признаков льдообразования в виде «морозного рисунка» на образцах
| Наименование добавки, дозировка от массы цемента | Температура окружающей среды в морозильной камере | |||||||||
| -5°С | -10°С | -15°С | -20°С | -25°С | ||||||
| куб | цилиндр | куб | цилиндр | куб | цилиндр | куб | цилиндр | куб | цилиндр | |
| Sikaplast 3235 1% | — | — | + | — | ++ | + | ||||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 2% | — | — | ||||||||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 3% | — | — | ||||||||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 4% | — | — | ||||||||
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 5% | — | — | ||||||||
| Stacheplast BV3 1% | — | — | — | — | ++ | + | ||||
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 1,6% | — | — | ||||||||
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 2% | — | — | ||||||||
| Mapefluid N200 1% +Antifreeze S 2% | — | — | ||||||||
Примечание: «-» – отсутствие следов льдообразования, «+» – наличие признаков поверхностного льдообразования, «++» наличие признаков глубокого льдообразования
Из таблицы видно, что для бетонов без противоморозных добавок видимый процесс льдообразования начинается при температуре -10°С. Причем льдообразование при данной температуре наблюдается только на поверхности образцов-кубов. Это объясняется меньшим по сравнению с цилиндрами объемом. При -15°С льдообразование можно наблюдать уже на цилиндрических образцах.
Что касается бетонов с противоморозными добавками, то даже при -25°С признаки обморожения на всех образцах отсутствуют.
В табл. 5 и 6 и на рис. 1 и 2 приведены результаты испытаний водонепроницаемости и прочности бетонов, подверженных раннему замораживанию.
Таблица 5. Результаты испытаний прочности бетонов, подверженных раннему замораживанию
| Производитель | Наименование добавки и дозировка от массы цемента | Прочность бетона, МПа, в возрасте | |||||||||||||||||
| 1 сут. | 7 сут. при Т°С + 1 сут. Т =20°С | 7 сут. | 7 сут. при Т°С + 7 сут. Т =20°С | 28 сут. | 7 сут. при Т°С + 28 сут. Т =20°С | ||||||||||||||
| 20°С | -5°С | -10°С | -15°С | -20°С | -25°С | 20°С | -5°С | -10°С | -15°С | -20°С | -25°С | 20°С | -5°С | -10°С | -15°С | -20°С | -25°С | ||
| Sika | Sikaplast 3235 1% | 9,6 | 22,4 | 12,4 | 7,6 | — | — | 34,4 | 38,1 | 24,5 | 21,2 | — | — | 42,5 | 43,0 | 32,4 | 26,1 | — | — |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 2% | 7,9 | — | 8,8 | — | — | — | 35,6 | — | 36,3 | — | — | — | 42,2 | — | 47,2 | — | — | — | |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 3% | 9,1 | — | — | 9,2 | — | — | 35,6 | — | — | 34,3 | — | — | 42,7 | — | — | 41,6 | — | — | |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 4% | 9,6 | — | — | — | 8,8 | — | 35,6 | — | — | — | 34,7 | — | 43,4 | — | — | — | 40,4 | — | |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 5% | 7,6 | — | — | — | — | 7,8 | 33,8 | — | — | — | — | 31,6 | 42,9 | — | — | — | — | 39,5 | |
| Stachema | Stacheplast BV3 1% | 9,5 | 21,8 | 13,0 | 7,0 | — | — | 32,1 | 35,3 | 36,7 | 22,9 | — | — | 40,0 | 40,2 | 38,9 | 30,5 | — | — |
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 1,6% | 10,7 | — | 12,4 | — | — | — | 35,6 | — | 37,6 | — | — | — | 39,8 | — | 43,4 | — | — | — | |
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 2% | 11,6 | — | — | 8,91 | — | — | 35,8 | — | — | 33,2 | — | — | 42,9 | — | — | 37,4 | — | — | |
| Mapei | Mapefluid N200 1% | 9,9 | — | — | — | — | — | 32,2 | — | — | — | — | — | 41,4 | — | — | — | — | — |
| Mapefluid N200 1% +Antifreeze S 2% | 13,4 | — | 15,0 | — | — | — | 34,0 | — | 32,1 | — | — | — | 38,8 | — | 37,1 | — | — | — | |
Таблица 6. Результаты испытаний водонепроницаемости бетонов, подверженных раннему замораживанию
| Производитель | Наименование добавки и дозировка от массы цемента | Бетонная смесь | Бетон | ||||||||
| В/Ц | ОК, см | Плотность, кг/м3 | Плотность, кг/м3 | Глубина проникновения воды, мм/марка по водонепроницаемости в возрасте 28 суток после 7 суток твердения при температуре | |||||||
| 20°С | -5°С | -10°С | -15°С | -20°С | -25°С | ||||||
| Sika | Sikaplast 3235 1% | 0,50 | 13 | 2370 | 2346 | 23/W18 | 18/W20 | 29/W18 | >150/<W2 | — | — |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 2% | 0,50 | 12 | 2383 | 2368 | 24/W18 | — | 45/W14 | — | — | — | |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 3% | 0,50 | 13 | 2380 | 2361 | 38/W16 | — | — | 30/W18 | — | — | |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 4% | 0,50 | 13 | 2393 | 2347 | 32/W18 | — | — | — | 74/W12 | — | |
| Sikaplast 3235 1% +Antifreeze 30 5% | 0,50 | 12 | 2383 | 2355 | 36/W18 | — | — | — | — | 67/W12 | |
| Stachema | Stacheplast BV3 1% | 0,50 | 11 | 2385 | 2366 | 31/W18 | 33/W18 | 68/W12 | >150/<W2 | — | — |
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 1,6% | 0,50 | 10 | 2373 | 2352 | 34/W18 | — | 57/W12 | — | — | — | |
| Stacheplast BV3 1% +Betodur A1 2% | 0,50 | 11 | 2383 | 2347 | 35/W18 | — | — | 81/W10 | — | — | |
| Mapei | Mapefluid N200 1% | 0,50 | 10 | 2400 | 2380 | 44/W16 | — | — | — | — | — |
| Mapefluid N200 1% +Antifreeze S 2% | 0,50 | 10 | 2390 | 2367 | 40/W16 | — | 78/W10 | — | — | — | |
Примечание: соответствующая конкретной глубине марка бетона по водонепроницаемости принята по результатам работы [6].
Из них следует, что свойства бетонов без противоморозных добавок, твердеющих при окружающей температуре -5°С, не ухудшаются в сравнении со свойствами бетонов 28 суток, твердеющих в нормальных условиях. С суперпластификатором Sikaplast 3235 бетон при данном значении мороза имеет даже более высокое значение водонепроницаемости: глубина проникновения воды составляет 18 мм против 23 мм для того же бетона нормального твердения. Такое увеличение можно объяснить улучшением микроструктуры цементного камня. При пониженных положительных температурах скорость образования кристаллического сростка замедленна, что обеспечивает микроструктуру с более плотной упаковкой волокнистых новообразований и с меньшей дефектностью.
Для бетона с суперпластификатором Stacheplast BV3 увеличение водонепроницаемости в условиях твердения при температуре -5°С не наблюдалось. Глубина проникновения воды составила 33 мм против 31 мм при твердении в нормальных условиях (разница в пределах статистического разброса).
Прочность данных бетонов на 28-е сутки не отличается от прочности бетонов нормального твердения. Что касается ранней прочности, то для бетонов 7 суток, твердеющих при -5°С, а затем 1 сутки при 20°С, она составляет 22,4 МПа и 21,8 МПа против 9,6 МПа для бетонов нормального твердения. Это означает, что за время пребывания в морозильной камере бетон успевает набрать прочность до 12,8 МПа.
Из вышесказанного следует, что при данном и более низком водосодержании бетона при температуре твердения до -5°С возможно обойтись без противоморозных добавок, не опасаясь снижения значений водонепроницаемости и прочности.
Понижение температуры окружающей среды до -10°С оказывает негативное влияние на динамику изменения водонепроницаемости бетонов. Так, глубина проникновения воды для бетонов без противоморозных добавок увеличивается до 29 мм (Sikaplast 3235) и 68 мм (Stacheplast BV3), т.е. на 26% и 119% соответственно. Однако, согласно результатам табл. 4, на данных цилиндрических образцах не зафиксировано признаков льдообразования. Из этого следует, что отсутствие видимых следов обморожения не может служить индикатором отсутствия деструктивных процессов в самом бетоне. Об этом свидетельствуют также результаты испытаний прочности. Так, прочность бетона с суперпластификатором Sikaplast 3235 понижается на 23,8%.
Дальнейшее понижение температуры окружающей среды до -15°С резко увеличивает проницаемость бетонов без противоморозных добавок. Во всех случаях бетонные образцы показывают сквозные признаки фильтрации воды уже через 30 минут после подачи давления. Очевидно, что деструктивные процессы, вызванные разным поведением компонентов в условиях отрицательных температур (водная фаза увеличивается в объеме, тогда как заполнители уменьшают свой объем, резко снижая сцепление с цементным камнем), и увеличение гидравлического давления в капиллярах при движении воды приводят к макроскопическим повреждениям структуры бетона, понижая его водонепроницаемость. Что касается прочности бетонов, то она тоже ухудшается, однако в меньшей по сравнению с водонепроницаемостью степени. Так, потеря прочности бетона с суперпластификатором Sikaplast 3235 составляет 38,6%, а с суперпластификатором Stacheplast BV3 – 23,8%.
Так как водонепроницаемость бетонов, подверженных замораживанию при -15°С, резко ухудшалась, была предпринята попытка восстановления свойства путем помещения обмороженных образцов в воду на 60 суток. Такое мероприятие может иметь практическое применение в случае прибрежного строительства с возможностью подачи воды на замороженный бетон после наступления оттепели либо на обычной стройплощадке путем создания водной запруды на обмороженном участке.
Для данного испытания изготавливалась дополнительная серия образцов с суперпластификатором Sikaplast 3235, которая была подвержена раннему замораживанию при -15°С по методике, описанной выше. Далее, после изъятия образцов из морозильной камеры и распалубливания они были помещены в воду с температурой Т=20±1°С на 60 суток. Затем, после естественной сушки в лабораторном помещении в течение 7 суток, образцы были испытаны на водонепроницаемость и прочность. Результаты испытаний приведены в табл. 7.
Таблица 7. Результаты испытаний бетона, подверженного раннему замораживанию при температуре -15°С.
| Наименование добавки, дозировка от массы цемента | 28 суток твердения в норм. условиях при температуре 20°С | 7 суток твердения при Т=-15°С +28 суток в норм. условиях при Т=20°С | 7 суток твердения при Т=-15°С +60 суток в воде при Т=20°С | |
| Sikaplast 3235 – 1% | Глубина проникновения воды, мм/марка по водонепроницаемости | 23/W18 | >150/<W2 | 53/W14 |
| Прочность, МПа | 42,5 | 26,1 | 41,2 |
Из результатов следует, что пребывание образцов в воде улучшило свойства подверженного замораживанию бетона. Вода, свободно проникая внутрь бетона через микро- и макроповреждения, взаимодействует с непрореагировавшими частицами цемента, вследствие чего новообразования частично залечивают структуру. Так, прочность восстанавливается на 96,9% по сравнению с бетоном нормального твердения, однако водонепроницаемость восстанавливается не полностью. Глубина проникновения воды здесь составляет 53 мм, оказываясь выше на 130% по сравнению с водонепроницаемостью бетона нормального твердения. Следовательно, даже длительное водное твердение не в силе полностью восстановить микроструктуру поврежденного замораживанием бетона.
Что касается бетонов с противоморозными добавками. Из данных табл. 5 следует, что применение добавок Antifreeze 30, Betodur A1 и Antifreeze S позволяет получать бетоны, твердеющие при отрицательных температурах без снижения прочности по сравнению с бетонами нормального твердения. Максимальное уменьшение прочности зафиксировано для пары добавок Stacheplast BV3 +Betodur A1 при температуре окружающей среды -15°С и составляет 12,8%, что считается удовлетворительным. Однако результаты испытания водонепроницаемости данных бетонов показывают иную картину. Для всех пар добавок наблюдается увеличение проницаемости бетона пропорционально понижению температуры твердения.
Так, для пары Sikaplast 3235+Antifreeze 30 при твердении от -10°С до -25°С глубина проникновения воды увеличивается на 86-131%. Аналогичная ситуация отмечается для пары Stacheplast BV3+Betodur A1 (увеличение проницаемости на 68-131%) и Mapefluid N200+Antifreeze S (увеличение проницаемости на 95%).
Такое изменение водонепроницаемости бетона объясняется следующим. Применение противоморозных добавок понижает точку замерзания воды. Соответствующая данной температуре окружающей среды дозировка противоморозной добавки не позволяет образовываться кристаллам льда. Этим и объясняется то, что прочность таких бетонов не снижается, так как не происходит деструктивных процессов от льдообразования. Однако при пониженных температурах имеет место миграция воды из внутренних, более теплых слоев бетона к внешним более холодным стенкам, что приводит к образованию направленных капилляров, которые в дальнейшем служат каналами для фильтрации воды. Следовательно, долговечность зимнего бетона с противоморозными добавками во всех случаях будет ниже долговечности равнопрочного бетона нормального твердения.
Выводы:
• Водонепроницаемость бетонов с водосодержанием до 195 л/м3 и В/Ц≤0,5, твердеющих при температуре -5°С даже в отсутствие противоморозных добавок, не отличается от водонепроницаемости бетонов того же состава, твердеющих в нормальных условиях. В некоторых случаях она может оказаться незначительно выше за счет более упорядоченной микроструктуры.
• Проницаемость бетона без противоморозных добавок увеличивается при температуре замораживания -10°С по сравнению с бетоном нормального твердения на 26-119%. При температуре замораживания -15°С наблюдается сквозная фильтрация воды в бетонных образцах, что свидетельствует о макроскопических повреждениях.
• Отсутствие видимых следов обморожения на поверхности бетона в виде игольчатых отложений не может быть индикатором отсутствия деструктивных процессов в самом бетоне.
• Прочность бетонов с противоморозными добавками, подверженных раннему замораживанию при температуре до -25°С, не отличается от прочности бетонов нормального твердения. Однако проницаемость данных бетонов увеличивается по мере понижения температуры замораживания из-за образования направленных капилляров. Увеличение проницаемости бетонов с противоморозными добавками составляет до 131% в зависимости от типа добавок. Следовательно, долговечность бетона с противоморозными добавками во всех случаях будет ниже долговечности бетона нормального твердения.
Библиографический список:
1. Ружинский С.И. Противоморозные добавки. –Харьков: ХАИ, 2003 – 77 с.
2. Миронов С.А., Лагойда А.В. Бетоны, твердеющие на морозе. – Москва: Стройиздат, 1974, – 263 с.
3. Миронов С.А., Глазырина Е.Г. Воздействие отрицательных температур на формирование структуры и прочность бетонов с различными заполнителями//Зимнее бетонирование и тепловая обработка. НИИЖБ, – Москва. Стройиздат, 1975, с. 98-110.
4. Галстян Г.Ш. Бетоны на природных заполнителях Армении для монолитного строительства, Санкт-Петербург, 2009, – 208 с.
5. Химические и минеральные добавки в бетон/под редакцией Ушерова-Маршака. – Харьков: Колорит, 2005, – 250 с.
6. Антонян А.А. О некоторых особенностях современных методов определения водонепроницаемости бетона // Технологии бетонов, №9-10, 2017, с. 29-33.
7. Баженов Ю.М. и др. Структура и свойства бетонов с наномодификаторами на основе техногенных отходов.– Москва: МГСУ, 2013, – 204 с.
