В статье обоснована необходимость проведения специальных исследований морозостойкости ячеистого бетона, отличающегося от других видов бетонов фракционным составом, высокой пластичностью, крупнопористостью структуры. Выполнены экспериментальные исследования особенностей влияния на прочность ячеистого бетона продолжительности предварительной выдержки перед замораживанием, продолжительности и температуры однократного замораживания. В течение года прослежено, как изменяется прочность газобетона после замораживания. Показано, что отрицательная температура окружающей среды гораздо сильнее влияет на прочность ячеистого бетона, чем на другие виды бетонов.

УДК 691.327.332

А.А. ПАК, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией бетонов, Р.Н. СУХОРУКОВА, научный сотрудник, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН

Ключевые слова: ячеистый бетон, крупнопористая структура, морозостойкость, льдообразование, температура замораживания, прочность
Keywords: cellular concrete, large-pore structure, frost resistance, ice formation, freezing temperature, strength

Российская Федерация является крупнейшим по территории государством в мире и занимает 1/9 всей суши, при этом большая ее часть расположена севернее 50° с.ш. в восточной части Европы и северной части Азии. Около 65% территории (районы Сибири и Дальнего Востока) находятся в зоне вечной мерзлоты. Средние температуры января по разным регионам колеблются от +6 до -50°С. Значительную часть бетонных работ приходится выполнять в условиях пониженных или отрицательных температур окружающей среды. Во всем мире признаны достижения советских и российских ученых и производственников в области теории и практики зимнего бетонирования, кинетики изменения свойств бетонов под влиянием отрицательных температур.

Морозостойкость бетона – способность в водонасыщенном состоянии выдерживать попеременное воздействие положительных и отрицательных температур без существенного ухудшения эксплуатационных свойств. Морозостойкость бетона зависит от класса бетона (по прочности), вида вяжущего, водоцементного отношения, характера пористости, морозостойкости заполнителей, присутствия химических и минеральных добавок и др. Следует отметить, что большинство исследований морозостойкости выполнены на тяжелых и легких бетонах с крупным плотным или пористым заполнителем (щебень, гравий, песчано-гравийная смесь). Морозостойкость третьего вида бетонов (классификация по массе), ячеистого, изучена меньше, хотя по вещественному составу и структуре он имеет существенные отличия. Главное отличие: в составе ячеистого бетона нет крупного заполнителя. Он гомогенен по фракционному составу и содержит только мелкозернистые материалы (вяжущее минеральное вещество – цемент, известь, а также мелкий заполнитель – кварцевый песок, золы, золошлаковые смеси и др.). Пористость структуры ячеистых бетонов в 5-6 раз превышает пористость бетонов на крупном заполнителе. Кроме того, ячеистобетонные смеси имеют большее водосодержание, по консистенции более пластичные, вязко-­текучие или литые.

Превращение бетонной смеси в искусственный камень происходит за счет твердения минерального вяжущего, являющегося основным компонентом всех видов бетонов. Поэтому механизм воздействия отрицательной температуры на процесс твердения вяжущего одинаков независимо от вида бетона. При понижении температуры до отрицательных значений вода постепенно переходит в твердое льдообразное состояние. При этом процесс твердения вяжущего замедляется и прекращается при полном превращении воды в лед. Механизм разрушения материалов при превращении воды в лед заключается в том, что объем замерзающей воды увеличивается на 9,07%, сопровождаясь ростом кристаллов и образованием линз льда. При замерзании воды в замкнутом пространстве развивается гидравлическое давление огромнейших значений, достигая 210 МПа. Большинство известных материалов (в том числе и бетон) не могут выдержать без разрушения такие нагрузки [1-5].

Установлено, что наличие в бетоне крупного заполнителя приводит при замораживании в раннем возрасте к гораздо большему нарушению структуры, чем при замораживании цементного теста или мелкозернистого цементно-песчаного раствора [6-8]. Замерзание пленки воды на поверхности крупного заполнителя, более холодного, чем остальные составляющие бетона, способствует быстрому образованию неплотностей в местах контакта цементного камня и частиц щебня или гравия. Аналогичная картина может происходить и на поверхности арматуры в железобетонных конструкциях. Поэтому считается, что, несмотря на возобновление гидратации цемента с наступлением положительных температур, преждевременно замороженный бетон с крупным заполнителем в дальнейшем теряет часть своей конечной прочности в большей степени, чем мелкозернистый бетон.

Однако в обычных условиях моментальное катастрофическое разрушение бетона не происходит. Бетон замерзает послойно, с наружных слоев вглубь тела бетона. При этом вода в результате термодиффузионных процессов перемещается по порам и капиллярам из более глубоких теплых слоев в охлаждаемые зоны. Вследствие этого большое влияние на морозостойкость бетона оказывает характер его пористости – степень замкнутости и размер пор. Вначале вода замерзает в крупных порах, по мере кристаллизации переходя в более мелкие. С позиции морозостойкости наиболее опасны сообщающиеся между собой капиллярные поры.

Обычный затвердевший бетон при достаточной механической прочности может успешно сопротивляться деструктивным процессам при миграции воды и концентрации льда. Тем не менее при многократном воздействии растягивающих усилий при льдообразовании структура бетона постепенно разрушается, приводя к потере прочности [5, 8]. При этом можно ожидать, что на гидратных оболочках, образующихся на поверхности цементных зерен, под воздействием замерзающей воды также возникают трещины, через которые вода проникает вглубь зерна, благодаря чему нарушение структуры бетона уменьшается.

До настоящего времени отсутствует единая теория механизма разрушения бетона в водонасыщенном состоянии при циклическом действии положительных и отрицательных температур, хотя очевидно, что обусловлено оно комплексом физических коррозионных процессов, вызывающих деформации и механические повреждения структуры бетона.

В настоящее время наиболее известны 4 гипотезы, объясняющие механизм передачи напряжений на структуру бетона при льдообразовании:

– непосредственного воздействия кристаллизующегося льда на стенки пор в бетоне;

– гидростатического давления самой воды на стенки пор под давлением льда;

– гидравлического давления, создаваемого в порах и капиллярах бетона в результате сопротивления гелевой составляющей цементного камня давлению замерзающей воды;

– термической несовместимости компонентов бетона (коэффициент термического расширения льда в 3-7 раз больше, чем бетона).

Выдвинутые гипотезы распирающего действия льда на структуру справедливы к малопористым материалам. Морозостойкость бетонов с крупным заполнителем повышается с уменьшением макропористости структуры и замораживанием в более позднем возрасте, когда за счет образования повышенного количества гидратных веществ увеличивается прочность бетона [9, 10].

Следует полагать, что в ячеистых бетонах вследствие различий в гранулометрическом составе, большего начального водосодержания, крупнопористости структуры воздействие отрицательных температур будет иметь свои особенности. Структура ячеистых бетонов отличается высоким содержанием крупных сферических воздушных пор, не заполненных водой. Считается, что эти поры являются демпферами (резервными полостями), куда выдавливается вода из капилляров при ее расширении в процессе льдообразования, не приводя к растрескиванию структуры бетона. Получается так, что ячеистый бетон не должен подвергаться морозному разрушению, т.е. морозостойкость его может быть бесконечной. Однако высокая пористость структуры ячеистых бетонов обеспечивает достаточно высокую – но не бесконечную – морозостойкость, значительно уступающую морозостойкости плотных тяжелых бетонов.

Высокая морозостойкость тяжелого бетона (F500-800) при отсутствии таких буферных полостей, как в ячеистом бетоне, объясняется высокой прочностью тяжелого бетона на растяжение, меньшим водосодержанием, минимальным содержанием капиллярных пор размером от 100 нм до 10 мкм и опасных макропор (размером более 200 мкм) вследствие интенсивного виброуплотнения бетонной смеси при бетонировании.

По ГОСТ 25485 «Бетоны ячеистые. Технические условия» максимальная марка по морозостойкости у конструкционно-теплоизоляционных бетонов автоклавного твердения плотностью D500-D800 составляет всего F100, а у бетонов неавтоклавного твердения – F75.

На основании анализа теоретических и экспериментальных исследований влияния отрицательных температур на процессы структурообразования и твердения бетонов на минеральном вяжущем, учитывая существенные различия в механизме замораживания бетонов на крупном заполнителе и мелкозернистом ячеистом бетоне, представляет большой научный и практический интерес выполнение экспериментальных исследований влияния различных технологических факторов замораживания на прочностные свойства ячеистого бетона. Для испытаний формовались стандартные образцы-кубы размерами 7,07х7,07х7,07 см из газобетонной смеси на расчетную плотность (в сухом состоянии) 500 кг/м³ следующего состава, % масc.: портланд­цемент ЦЕМ I 42,5Н – 40, известково-песчаное вяжущее – 10, золошлаковая смесь Апатитской ТЭЦ – 50, алюминиевая пудра ПАП-2 – 0,045. На каждый вид испытаний формовались контрольные образцы, твердевшие весь срок в камере нормального твердения, и основные образцы, подвергавшиеся замораживанию. Основные образцы после окончания замораживания по выбранному режиму и оттаивания над водой при комнатной температуре также помещались в камеру нормального твердения до установленных сроков испытаний.

1. Исследование влияния на прочность газобетона при сжатии продолжительной предварительной выдержки перед замораживанием (температура замораживания -18-20°С, продолжительность замораживания 4 часа)

Кривые на рис. 1 показывают, что независимо от продолжительности предварительной выдержки перед замораживанием прочности контрольных образцов и основных, подвергавшихся замораживанию, на 14-е сутки твердения (в нормальных условиях) практически одинаковы. Отставание прочности основных образцов от прочности контрольных становится заметным через месяц твердения, а через 90 суток при выдержке перед замораживанием 1 сутки снижение прочности основных образцов уже 32%, 3 суток – 23%, 7 суток – 14%; через 180 суток твердения: при выдержке перед замораживанием 1 сутки – 43%, 3 суток – 34% и 7 суток – 27%; через 360 суток – 34, 32 и 31%, соответственно. Чем меньше выдержка газобетона перед замораживанием, тем больше потери прочности.

Выполненные испытания показывают, что даже 7-суточная предварительная выдержка газобетона в нормальных условиях недостаточна для его бездефектного замораживания, необходимо применять известные методы ускорения твердения бетона, чтобы избежать потери прочности при замораживании. В строительной практике чаще всего используют сборные ячеистобетонные изделия заводского изготовления с применением различных методов ускорения твердения бетона (автоклавирование, пропаривание и др.). Монолитное бетонирование конструкций из ячеистого бетона на строительном объекте с твердением в естественных условиях стремятся проводить в летнее время при устойчивой положительной температуре окружающей среды не ниже 12-15°С (с возможным применением методов ускорения твердения бетона).

2. Исследование влияния продолжительности однократного замораживания на прочность газобетона при сжатии

По ГОСТ 25485 испытание бетона на морозостойкость проводится путем попеременного замораживания бетонных образцов в морозильной камере при температуре -18-20°С не менее 4 часов и оттаивания на воздухе над водой при температуре +18…+20°С также не менее 4 часов. По нашему мнению, за 4 часа вода успеет замерзнуть только в крупных капиллярах и порах и частично выдавится льдом в резервные воздушные полости (без разрушения межпоровых перегородок). А что будет происходить с бетоном при более длительном замораживании, когда в лед перейдет больше свободной воды? Ведь на практике большие отрицательные температуры зачастую могут держаться (без оттаивания) сутками. Как это скажется на прочности газобетона? Ниже приведена кинетика изменения прочности газобетона после замораживания при -18-20°С в течение 1, 3 и 5 суток (рис. 2, 3, 4). Так же как и при замораживании 4 часа, образцы изготавливались с предварительной выдержкой перед замораживанием 1, 3 и 7 суток.

Как видно из рис. 2, при замораживании газобетона в течение 1 суток спад прочности основных образцов от контрольных значительно меньше, чем при замораживании 4 часа (рис. 1). Максимальное снижение прочности (38%) наблюдается через 1 год твердения при предварительной выдержке перед замораживанием 1 сутки. Как отмечалось ранее, здесь начинали морозить еще полусырые образцы. При выдержке перед замораживанием 3 и 7 суток прочности контрольных и основных образцов в возрасте 1 год практически одинаковы (4 и 9%, соответственно).

Далее представлена динамика изменения прочности при однократном замораживании 3 и 5 суток (рис. 3, 4).

Из представленных рисунков видно, что увеличение продолжительности однократного замораживания до 3 и 5 суток приводит к большей потере прочности основных образцов по сравнению с однократным замораживанием 1 сутки. Эти результаты подтверждают наше предположение о том, что при длительном замораживании больше воды замерзает в бетоне, приводя к большему разрушению его структуры. Как отмечалось ранее, при превращении воды в лед все процессы гидратации и твердения цементного клинкера прекращаются. При последующем повышении температуры до оптимальных положительных все эти процессы возобновляются и протекают с обычной скоростью.

Испытания показали, что при замораживании газобетона в течение 4 часов (рис. 1) потери прочности основных образцов гораздо значительнее, чем при однократном замораживании в течение нескольких суток (рис. 2-4). Такие результаты можно объяснить следующим. При замораживании бетона 4 часа не вся вода замерзает, и развившиеся гидравлические напряжения оказываются недостаточными для разрыхления гидратных оболочек на цементных зернах для вовлечения цемента в дальнейшее твердение. При длительном воздействии отрицательной температуры, в течение нескольких суток, больше воды переходит в лед с развитием больших распирающих напряжений, способных сильнее разрушить гидратную оболочку и продавить воду вглубь цементного зерна. Благодаря этому при оттаивании уже больше цемента будет вовлечено в процесс твердения с приростом прочности бетона. Наилучшие результаты получены при замораживании газобетона 1 сутки: при предварительной выдержке 3 суток через 1 год твердения потеря прочности составила всего 4%, а при предварительной выдержке 7 суток – 9%. Большое снижение прочности оказалось при предварительной выдержке перед замораживанием 1 сутки – через 1 год твердения 38%. Хуже результаты при 3- и 5-суточной заморозке. Возможно, при длительном замораживании (больше 1 суток) рвутся уже межпоровые перегородки, что приводит к потере прочности.

3. Влияние температуры замораживания на прочность газобетона

Представляет интерес выяснить, как влияет температура замораживания на прочность газобетона. Для сравнения с уже проведенными экспериментами по заморозке газобетона при -20°С была выполнена формовка газобетона с последующим замораживанием при -50°С. Продолжительность замораживания – 4 часа. Предварительная выдержка перед замораживанием – 1 сутки.

Как видно из рис. 5, при замораживании образцов газобетона при -50°С снижение прочности (по сравнению с контрольными образцами без замораживания) через 14 и 90 суток твердения на 23-25% больше, чем при замораживании при -20°С, через 180 суток падение прочности уже меньше – 8%, а к 360 суткам – практически одинакова – 46 и 48%, соответственно. Таким образом, чем ниже температура замораживания, тем больше воды переходит в льдообразное состояние с возрастанием разрывающих усилий. Через 1 год прочность основных образцов едва превышает половину прочности контрольных образцов независимо от температуры замораживания.

4. Влияние многократного замораживания и оттаивания на прочность газобетона

Как известно из определения морозостойкости, большее разрушающее действие оказывает не однократное, а многократное воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания. За марку ячеистого бетона по морозостойкости принимают число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при котором прочность бетона на сжатие снижается не более чем на 15% и потеря массы бетона образцов – не более чем на 5% (ГОСТ 25485-89, Приложение 3). Представляет интерес все же выяснить, насколько отличается влияние однократного и многократного замораживания и оттаивания на прочность газобетона. Был выполнен специальный эксперимент с замораживанием образцов газобетона принятого состава при температуре -20°С и оттаиванием при +20°С. Продолжительность каждой операции – 4 ч. Предварительная выдержка перед замораживанием 1 сутки. Через 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания основные образцы испытывались на предел прочности при сжатии и сравнивались с контрольными образцами, твердевшими в нормальных условиях. Испытания образцов проводились через 14, 28 и 90 суток нормального твердения. Результаты прочностных испытаний газобетона после однократного и многократного замораживания и оттаивания представлены на рис. 6.

Сравнивая результаты испытаний образцов на рис. 6, можно отметить, что потеря прочности основных образцов после многократного замораживания и оттаивания на 14-е и 28-е сутки твердения значительно больше (снижение прочности на 46% и 34% по сравнению с контрольными), чем при однократном замораживании и оттаивании (19% и 8%), несколько сравниваясь на 90-е сутки твердения (20% – после 1 цикла и 19% – после 25 циклов по срокам твердения). Результаты наших испытаний подтверждают, что многократная смена положительных и отрицательных температур больше разрушает газобетон, чем однократное замораживание.

Выводы:

Выполненные экспериментальные исследования показывают, что отрицательная температура окружающей среды гораздо сильнее сказывается на прочностных свойствах ячеистого бетона, чем тяжелого бетона. В замерзающем ячеистом бетоне вода, расширяясь в свободные, незаполненные поры, по-видимому, все же рвет межпоровые перегородки, что приводит к снижению прочности бетона. Необходимо, чтобы бетон набрал достаточную прочность, способную противостоять растягивающим напряжениям расширения замерзающей воды.

Библиографический список

1. Невилль А.М. Свойства бетона (перевод с англ.). – М.: Стройиздат, 1972, – 344 с.

2. Рамачандран В., Фельдман Р., Бодуэн Дж. Наука о бетоне. Физико-химическое бетоноведение (перевод с англ.). – М.: Стройиздат. 1986, – 278 с.

3. Кузнецов А.М. Технология вяжущих веществ и изделий из них. – М.: Высшая школа, 1963, – 455 с.

4. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. – М.: Стройиздат, 1984, – 672 с.

5. Шестоперов С.В. Долговечность бетона. – М.: Стройиздат, 1955, – 398 с.

6. Подвальный А.М. Стратегия обеспечения морозостойкости и долговечности бетонных и железобетонных конструкций // Технологии бетона, №3, 2007, с. 23-25.

7. Подвальный А.М. О концепции обеспечения морозостойкости в конструкциях зданий и сооружений // Строительные материалы, №6, 2004, с. 4-6.

8. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. – М.: Стройиздат. 1975, – 700 с.

9. Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. – Л.: Стройиздат, 1989, – 128 с.

10. Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений Крайнего Севера. – Л.: Стройиздат, 1983, – 132 с.