Дія морозу на затверділий бетон
Дія морозу на затверділий бетон
Розглянемо тепер затверділий бетон, що піддається поперемінному заморожуванню та відтаванню в інтервалі температур, що найчастіше зустрічається в природі.
Зі зниженням температури насиченого водою затверділого бетону вода, проникаючи в пори цементного каменю, замерзає аналогічно замерзанню в капілярах гірських порід і викликає розширення бетону.
При повторному заморожуванні відбувається подальше розширення, тому повторні цикли заморожування та відтавання мають куммулятивний ефект. Великі пори в бетоні, що утворюються при недостатньому ущільненні, зазвичай заповнені повітрям і тому істотно не впливають на дію морозу.
Заморожування - процес поступовий внаслідок невеликої швидкості теплоперенесення через бетон, збільшення концентрації лугів у ще не замерзлій воді, а також внаслідок зміни температури замерзання залежно від розміру пір.
Хоча поверхневе натяг кристалів льоду в капілярах створює в них тиск, тим більше, чим менше кристал, заморожування починається у великих порах і поступово поширюється на менші.
Пори гелю занадто малі для утворення кристаликів льоду при температурі вище -78 ° С, тому зазвичай лід у них не утворюється. Зі зниженням температури внаслідок різної ентропії води гелю і льоду вода гелю набуває потенційної енергії, що дозволяє їй рухатися по капілярах, що містять лід. Дифузія води гелю призводить до зростання кристалів льоду та до розширення цементного каменю.
Таким чином, ми маємо два джерела тиску розширення. Перший: замерзання води викликає збільшення обсягу приблизно на 9% так, що надлишок води з пір видаляється. Швидкістьзаморожування визначає швидкість, з якої видаляється вода, що витісняється фронтом льоду. Величина гідравлічного тиску залежить від опору фільтрації, тобто від довжини шляху та проникності цементного каменю між замерзлою часом і часом, в яку може переміститися надлишок води.
Друга сила, що розширює, в бетоні виникає внаслідок дифузії води, що призводить до зростання відносно невеликої кількості кристалів льоду. Поруч досліджень встановлено, що останній механізм відіграє важливу роль у руйнуванні бетону під дією морозу. Ця дифузія викликається осмотичним тиском через місцеве збільшення концентрації розчину внаслідок відділення замерзаючої (чистої) води від розчину.
Наприклад, плита, що заморожується зверху, руйнується, якщо вода підходить до її основи і може проникати крізь товщу плити внаслідок осмотичного тиску. Вологість бетону стає вищою, ніж до заморожування, і в ряді випадків спостерігаються руйнування внаслідок розшарування бетону кристалами льоду.
Про осмотичний тиск слід нагадати і в іншому зв'язку. Солі, що застосовуються для боротьби з зледенінням доріг, поглинаються поверхневим шаром бетону. Це створює високий осмотичний тиск, що супроводжується рухом води до найхолоднішої зони, де відбувається заморожування. Експериментальні дані про цей процес, однак, недостатні.
Коли тиск розширення в бетоні перевищує межу його міцності при розтягуванні відбувається руйнування. Ступінь р-руйнування варіює від лущення поверхні до повного руйнування, так як лінзи льоду утворюються, починаючи з поверхні бетону і поширюючись углиб його. В Англії бордюрні камені (які залишаються вологими протягом тривалого часу) найбільш схильні до дії заморожування в порівнянні з іншимибетонні конструкції. При застосуванні солей для боротьби з зледенінням дорожні плити також знаходяться у важких умовах експлуатації. У країнах із суворим кліматом спостерігаються значні руйнування бетону від дії морозу, якщо не вживають спеціальних заходів при його виготовленні.
Морозостійкість бетону залежить від низки його властивостей: міцності цементного каменю, розтяжності, повзучості, але головними серед них є ступінь насичення та структура цементного каменю.
Вплив насичення бетону показано на рис. 7.10. Нижче критичного рівня насичення бетон має високу морозостійкість, а сухий бетон взагалі не руйнується (табл. 7.4). Слід зауважити, що навіть у зразках водного твердіння не всі пори заповнені водою, внаслідок чого ці зразки не руйнуються від першого заморожування. Бетон при експлуатації у природних умовах втрачає вологу. При повторному зволоженні він вже не може поглинути ту саму кількість води, яку було втрачено. Тому перед експлуатацією в умовах зими бетон доцільно висушувати, якщо цього не зробити — руйнації від дії морозу будуть більшими.
Якою є критична величина насичення? Закритий контейнер, у якому понад 91,7% обсягу зайнято водою, буде при заморожуванні заповнений льодом та розірветься. Таким чином, 91,7% є критичним насиченням у замкнутому обсязі. Це не відноситься до пористих тіл, де критичне насичення залежить від розміру зразка, його однорідності та швидкості заморожування. Порожнечі, в які може видалятися надлишкова вода, повинні бути розташовані досить близько до порів, в яких утворюється лід, на цьому засноване використання залучення повітря: якщо цементний камінь розділений на досить тонкі шари бульбашками повітря, у нього немає критичного насичення.Аналогічно у зерна заповнювача немає критичного розміру, якщо воно має низьку пористість або якщо капілярна система порушена досить великою кількістю макропор. Зерно заповнювача в бетоні може розглядатися як закрита ємність, якщо низька проникність навколишнього цементного каменю не дозволяє воді проникати в повітряні пори з достатньою швидкістю. Таким чином, зерно заповнювача, насичене водою вище 91,7%, при заморожуванні викличе руйнування навколишнього бетону.
Слід зазначити, що зазвичай заповнювачі мають пористість від 0 до 5%, заповнювачі з більшою пористістю зазвичай не застосовують. Але й використання останніх не обов'язково призводить до руйнування від дії морозу. Великі пори, наявні в ніздрюватому бетоні і безпіщаному бетоні, підвищують, очевидно, морозостійкість цих матеріалів.
При застосуванні звичайних заповнювачів також не вдається встановити певну залежність між пористістю заповнювача та морозостійкістю бетону.
Вплив висушування наповнювачів перед приготуванням суміші на довговічність бетону показано на рис. 7.11. Можна відзначити, що при застосуванні насиченого водою великого наповнювача бетон може зруйнуватися незалежно від вмісту в ньому залученого повітря. Якщо заповнювачі не насичені до моменту приготування бетонної суміші або якщо вони частково зневоднюються після укладання, а цементний камінь має замкнуті пори, повторне насичення відбувається важко, за винятком тривалого перебування при зниженій температурі.
При повторному зволоженні бетону цементний камінь насичується легше, ніж заповнювач, так як вода може проникнути до заповнювача тільки через цементний камінь, а також тому, що цементний дрібнопористий камінь володіє великим капілярним тяжінням. ТакимТаким чином, цементний камінь легше руйнується, але може бути захищений залученим повітрям.