РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДОВ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ

§1. Влияние отрицательных температур на твердение бетона в раннем возрасте

Понижение температуры ниже 0 °C приводит к переходу воды в новое агрегатное состояние – кристаллическое, вода превращается в лед. Химическая активность льда неизмеримо меньше химической активности свободной воды, и процесс твердения бетона, как комплекс химических процессов, для которых свободная вода необходима, приостанавливается вплоть до оттаивания, т.е. до возвращения воды в жидкое состояние.

Сам по себе факт прекращения твердения бетона при его замерзании с технологической точки зрения неприятен, но, тем не менее, обратим. Оттаивает бетон, оттаивает лед – процесс твердения возобновляется. Наиболее же серьезные необратимые отрицательные изменения в бетоне связаны с целым рядом структурных процессов, а вернее деструктивных, т.е. ведущих к необратимому нарушению структуры материала.

Здесь необходимо рассмотреть два взаимосвязанных процесса – замерзание воды и нарушение структуры.

Замерзание воды в бетоне. В обычных условиях чистая вода замерзает при 0 °C. Характер связанности воды и наличие в ней примесей изменяют температуру замерзания.

В бетоне переход воды из жидкого в кристаллическое состояние происходит не сразу с наступлением температуры, равной 0 °C. Наличие в цементе легко растворимых в воде соединений натрия, калия и окиси кальция понижают температуру замерзания жидкой фазы бетона.

Электрические силы притяжения действуют на весьма малых расстояниях от поверхности частиц. В мономолекулярном слое силы поверхностного притяжения огромны, и вода в нем по своим свойствам приближается к твердому телу.

В последующих слоях влияние электрических сил притяжения быстро падает до нуля, и свойства адсорбированной воды по мере удаления от поверхности частиц приближаются к свойствам чистой воды. Поэтому, если свободная вода замерзает при 0 °C, то для превращения в лед адсорбированной воды необходимо более значительное понижение температуры. Отсюда следует, что температура замерзания воды в порах различного диаметра весьма различна. В крупных порах, в которых адсорбированная вода составляет небольшое количество от всего объема, она замерзнет при 0 °C. По мере уменьшения размера поры все большая и большая часть воды, заключенная в ней, будет адсорбирована, и с уменьшением размера поры понизится температура замерзания воды.•••

Твердеющий бетон является капиллярно-пористым телом, а температура замерзания воды в пористом материале зависит от двух факторов: удельной поверхности материала, определяющей пористость, и характера пористости (количества замкнутых и сообщающихся между собой пор). Чем больше удельная поверхность материала и количество закрытых пор в нем, тем ниже температура замерзания насыщающей его воды.

Так как бетон является материалом, существенно изменяющим свою пористость и удельную поверхность во времени, то и температура замерзания воды в нем также зависит от этих факторов. В свежеизготовленном бетоне количество продуктов гидратации мало, и самый тонкодисперсный материал с наиболее развитой поверхностью – это цемент с удельной поверхностью в пределах 2500-5000 см²/г. Пористость такого бетона определяется капиллярными порами – макропорами с радиусом более 1000 А° (10^-5 см). Поэтому почти вся вода в свежезатворенном бетоне находится в свободном состоянии и в зависимости от количества растворенных в ней соединений замерзает при температурах от 0 ° до -2 °C. По мере гидратации цемента поверхность твердой фазы резко возрастает, так как появляются продукты гидратации, удельная поверхность которых находится в пределах 1 800 000 – 3 800 000 см²/г, т.е. почти в 1000 раз больше, чем у цемента. Это связано с тем, что значительная часть продуктов гидратации образуется в тонкодисперсном состоянии вплоть до частиц с коллоидными размерами.

Продукты гидратации качественно изменяют пористость бетона. Капиллярные макропоры, наиболее опасные с точки зрения нарушения структуры при замерзании воды, с течением времени заполняются продуктами гидратации, превращаясь в переходные поры (от 50 до 1000 А°) и микропоры (менее 50 А°). Появляются контракционные (переходные) и гелевые микропоры. В результате значительное количество воды из свободной переходит в физически связанную, причем все большее количество пор, уменьшаясь в размере, из открытых превращаются в замкнутые. Следует отметить, что одновременно уменьшается количество свободной воды в макро- и переходных порах за счет перемещения ее в микропоры. Таким образом, в результате увеличения количества переходных пор и микропор и уменьшения их радиуса часть воды в бетоне замерзает при более низких отрицательных температурах. Одновременно с этим по мере затвердения бетона в нем уменьшается общее количество способной замерзать воды, т.к. все большая часть ее переводится в химически связанное состояние.

Льдистость бетона (количество льда, отнесенное к весу химически связанной воды, содержащейся в бетоне определенного возраста) сильно зависит от возраста бетона до замораживания. Чем выше прочность бетона до замерзания, т.е. чем больше в нем продуктов гидратации, тем меньше льдистость и тем больше количество незамерзшей воды при одинаковой отрицательной температуре. Особо следует рассмотреть процесс миграции (перемещения) влаги в бетоне.

Охлаждение бетона, как правило, начинается с поверхности. При появлении температурного перепада между внутренними и поверхностными слоями бетона вода движется из теплой среды в холодную – к поверхности. Вследствие этого поверхностные слои оказываются более водонасыщенными. Не успевая полностью испариться, вода замерзает. Из внутренних, еще не замерзших слоев вода продолжает мигрировать к образовавшемуся льду и намерзает на нем.

Кроме миграции воды из мелких пор и капилляров к более крупным при низких отрицательных температурах она перемещается из оболочек геля в капилляры и пустоты к поверхности ледяной фазы. Под действием отрицательных температур увеличивается радиус капиллярных пор и уменьшается размер микропор геля.

Нарушение структуры бетона при замерзании. Структура свежеизготовленного бетона нарушается вследствие сегрегации (концентрации) льда внутри слоев бетона из-за увеличения объема замерзающей воды на 9,07%, сопровождающегося ростом кристаллов и образованием линз льда.

В результате миграции воды в поверхностном слое могут образоваться включения льда, видимые даже невооруженным глазом. Поэтому поверхностные слои бетона, как правило, подвергаются наибольшим разрушениям. Места скопления льда при оттаивании бетона оказываются пронизанными каналами и пустотами. В дальнейшем в этих местах бетон шелушится и отслаивается в виде чешуек и пластинок.

Кроме того, при замораживании свежего бетона наиболее опасными местами концентрации льда являются крупный заполнитель и арматура. При замораживании на них образуются ледяные пленки, приводящие к снижению сцепления крупного заполнителя и арматуры с цементным камнем.

Под зернами крупного (непористого) заполнителя при укладке бетонной смеси скапливается вода. Помимо этого, крупный заполнитель обычно бывает холоднее остальных компонентов смеси. Наиболее теплыми являются зерна клинкера вследствие протекающих на их поверхности экзотермических реакций гидратации. Поэтому лед образуется вокруг зерен крупного заполнителя, главным образом под нижней постелью. После оттаивания бетона на поверхности цементного камня, контактировавшего с крупным заполнителем, часто наблюдаются следы замерзшей воды в виде морозного узора.

Подводя итог ранее рассмотренному, следует сделать вывод, что в бетоне, подвергнутом в раннем возрасте замораживанию:

– приостанавливается процесс твердения из-за перехода воды из химически активного (жидкого) состояния в химически неактивное (твердое – кристаллическое);

– нарушается структура бетона вследствие увеличения в объеме замерзающей воды (более чем на 9%);

– снижается сцепление зерен крупного заполнителя и цементного камня из-за нарушения ледяной пленкой контактной поверхности;

– снижается сцепление арматуры с цементным камнем вследствие нарушения ледяной пленкой контактной поверхности.

Влияние этих отрицательных последствий тем менее ощутимо, чем большую прочность набрал бетон к моменту замерзания, и они практически вообще не сказываются, если бетон успел набрать так называемую критическую прочность.

До 1970 г. критической прочностью считалась прочность не менее 50% от марочной. СНиП III.В-1-70 дифференцировал критическую прочность бетона в зависимости от его марки. Прочность бетона к моменту его возможного замерзания должна составлять не менее 50% проектной прочности при марке бетона до 150, 40% - для бетонов марок 200 и 300 и 30% - для бетона марок 400 и 500. Действующий сегодня СНиП 3.03.01-87 фактически продублировал эти допуски: прочность бетона монолитных конструкций к моменту замерзания должна быть не менее 50% проектной прочности для класса В7.5 - В10, 40% - для класса В12.5 – В25 и 30% - для класса В30 и выше. Для конструкций, эксплуатирующихся внутри зданий, а также фундаментов под оборудование и подземных конструкций критическая прочность составляет 5 МПа.

§2. Общие принципы зимнего бетонирования

Подводя итог вышеизложенному, можно сделать следующие основные выводы, касающиеся температурных условий твердения бетона:

1. Вода в твердеющем бетоне не должна замерзать. Для твердения бетона необходимо наличие воды в жидком, химически активном состоянии. Замерзание воды в бетоне, переход ее в кристаллическое, химически неактивное состояние – в лед, прекращает процессы твердения.

2. Скорость набора бетоном прочности зависит от температуры. Чем выше температура твердения, тем в более короткие сроки набирает бетон требуемую прочность. В таблицах 1 и 2 показан характер нарастания прочности бетона R (в %% от марочной прочности ) марок М200 и М300 в разные сроки при разных средних температурах твердения T.

Таблица 1

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: