Статья: Воздействие температуры на структуру и свойства бетона

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА БЕТОНА

Крылов Б.А., д-р техн. наук,

профессор, академик РААСН НИИЖБ

Температурный фактор оказывает огромное влияние на структуру и свойства бетонных смесей и бетонов в этих материалах только два компонента являются активными - цемент и вода. Цемент как всякое твердое вещество при воздействии температуры изменяет свой объем в соответствии с коэффициентом объемного расширения. Иначе себя ведет вода, которая изменяет свою структуру при температурном воздействии.

Если посмотреть на структуру воды при 20⁰С температура, являющаяся стандартной для определения прочности бетона в 28-суточном возрасте, то она представляет собой ассоциаты из сцепившихся молекул. Взаимодействие с цементом происходит при контакте таких водных ассоциатов с поверхностью цементного зерна. В результате появляются новообразования в виде гидросиликатов, гидроалюминатов и др. минеральных соединений, реагирующих на изменение температуры как твердые вещества в соответствии с их температурным коэффициентом.

По мере повышения температуры движения частиц воды возрастает, крупные ассоциаты распадаются на более мелкие и более подвижные и количество контактов между частицами воды и зернами цемента в единицу времени возрастает и твердение материала ускоряется. При достижении температуры 60⁰С связь между частицами воды настолько уменьшается, что образуется много молекул, которые могут свободно из системы выходить в виде пара и это можно видеть визуально. Молекулы воды и мелкие оставшиеся ассоциаты в материале интенсивно взаимодействуют с цементом, интенсифицируя твердение.

Дальнейшее повышение температуры приводит к еще более активному взаимодействию цемента с водой. При приближении к температуре 100⁰С молекулы воды начинают разлагаться на ионы водорода и кислорода, которые являются наиболее активными и при этой температуре происходит быстрое их химическое взаимодействие с цементом, благодаря чему имеет место мгновенное схватывание последнего. Однако, это не значит, что затвердевший материал обладает хорошей структурой и высокими прочностными характеристиками. Это далеко не так. В этом случае вокруг цементного зерна образовалась тонкая поверхностная оболочка из новообразований и в цементе только малая часть вещества успела прогидратироваться. В дальнейшем вода из межзернового пространства постепенно будет проникать через оболочку новообразований к непрогидратированной части цементного зерна. Появляющиеся новообразования, имея больший объем по сравнению с исходными материалами, давят изнутри на оболочку, которая начинает разрушаться и это приводит к формированию весьма неблагоприятной структуры и в результате полученный бетон характеризуется низкими прочностными свойствами и долговечностью.

Исследования показывают, что твердение бетона при температуре 80⁰С (не говоря о более высокой температуре), часто приводит к определенным дефектам в структуре, что может снизить его прочностные характеристики примерно на 10%. При этой температуре сроки схватывания бетонной смеси ускоряются в 4-6 раз по сравнению с таковыми при температуре 20⁰С.

Из сказанного вытекает, что ускорение твердения при прогреве бетона происходит за счет повышения химической активности воды, приводящее к более энергичному ее взаимодействию с минералами цементного клинкера. На этом принципе строятся все методы теплового воздействия на бетон с целью интенсификации его твердения в заводских их в построечных условиях.

По мере понижения температуры в интервале от 20⁰С до 0⁰С имеет место обратная картина - химическая активность воды начинает уменьшаться. Она формируется в виде увеличивающихся в размерах ассоциатов молекул, движение которых замедляется и количество контактов цементного зерна с частицами воды в единицу времени становится меньше. Процесс химического взаимодействия между ними, т.е. процесс твердения, процесс твердения становится медленнее. Если сравнить сроки схватывания цемента при положительной температуре, близкой к 0⁰С и при температуре 20⁰С, то в первом случае она замедляется в 2-4 раза, а схватывание шлакопортландцементов и особенно пуццолановых вообще растягивается подчас на многие часы.

Как известно, вода относится к аномальным веществам. Обычные вещества наибольшую плотность имеют в твердом состоянии, меньшую в жидком, совсем малую в газообразном состоянии. У воды самая высокая плотность при температуре 4⁰С с постепенным уменьшением при дальнейшем снижении температуры. При замерзании воды плотность льда на 9, 07% меньше по сравнению с ее плотностью в жидком состоянии. При температуре 4⁰С вязкость воды увеличивается на 80% и вообще в таком коротком температурном интервале (от 0⁰С до 100⁰С) вода претерпевает все агрегатные состояния - от твердого до газообразного. И здесь приходится сталкиваться с удивительным явлением- уменьшением плотности воды в твердом состоянии.

В химии молекула воды представляется в виде треугольника в одной вершине которого находится атом кислорода (анион), а в двух других - атомы водорода (катионы) и характеризуется межатомным расстоянием между ними и углом между связями атомами кислорода с атомами водорода (Рис.1.) в равновесии с простыми молекулами в воде имеются сложные выражаемые формулой (Н₂О)х. соединения простых и сложных молекул (ассоциаты) не изменяет химической природы вещества. Сложные молекулы образуются или за счет притяжения разноименными полюсами, или за счет водородных связей. Переход воды в лед происходит при 0⁰С практически мгновенно. Но не всякая вода при этой температуре замерзает.

Рис. 1 Схема строения молекулы воды в жидком и твердом (лед) состоянии: 1 - схема молекулы воды; 2 - схема молекулы льда

Сразу после затворения воду можно в бетонной смеси разделить на три группы:

- свободная или механически связанная вода, которая заполняет все поры и капилляры в межзерновом пространстве и замерзает при 0⁰С;

- физически связанная вода, которая в виде пленок обволакивает твердые частицы цементных зерен, зерен крупного и мелкого заполнителя и в зависимости от степени связанности с поверхностью твердых частиц замерзает при разных температурах; монослои воды, непосредственно соприкасаются с твердой поверхностью, замерзают при температуре -80⁰С. по мере удаления от нее и уменьшения физической связи с ней температура замерзания слоев воды повышается постепенно приближаясь по свойствам к свободной воде и с поверхностью твердого тела практически исчезает;

- химически связанная вода - это та часть воды затворения, которая при контакте с цементом сразу же начинает реагировать с ним и химически связывается в образующихся вследствие этой реакции новых минералах; эта вода как таковая не существует, а твердые новообразования веществ, в которые она, вошла реагируют на изменение температуры в соответствии с присущими им температурными коэффициентами.

В свежеприготовленной бетонной смеси свободной воды содержится около 90% и только остальные 10% воды затворения оставляют физически и химически связанные виды воды (табл.1).

Таблица 1

Фазовое состояние воды (лед) в % в бетоне с В/Ц=07, замораживаемом с разной прочностью при различных температурах

При замерзании именно свободная вода представляет наибольший интерес как агрессивно воздействующее на материал вещество. Переход воды в твердое агрегатное состояние связано с увеличением в объеме. Поскольку замерзание воды происходит с увеличением в объеме и с перестроением молекул - каждая из них занимает в пространстве больший объем. Хотя молекулы и более плотно упаковывались во льду, но благодаря «рыхлости» каждой молекулы масса единицы льда стала меньше такой же единицы воды за счет изменения структуры воды на молекулярном уровне. При ее замерзании развиваются огромные давления, достигающие 2500 кг/см². по этой причине замерзающая вода раздвигает твердые составляющие бетонной смеси, разрыхляя тем самым структуру материала. Противостоять такому высокому давлению не в состоянии не только бетон, но даже сталь и чугун (разрушение при замерзании закрытых и заполненных водой труб и сосудов).

В замороженном свежем бетоне в дальнейшем при оттаивании нарушение структуры не исправляется и это губительно сказывается на его свойствах после затвердевания (табл.2).

бетон замораживание температурный смесь

Таблица 2

Потери прочности бетоном, с В/Ц=0,7 при замораживании с разной прочностью

Прочность бетона может снизиться до 40%. Морозостойкость резко уменьшается, например, с 200 запроектированных циклов попеременного замораживании и оттаивании в водонасыщенном состоянии до 12-15, при которых бетон начинает разрушаться оттаявший после замораживания в свежем виде и потом затвердевший бетон по водонепроницаемости вместо давления восьми запроектированных атмосфер выдерживает не большей одной.

Особенно опасно замораживание в раннем возрасте железобетонных конструкций. При армировании гладкой арматуры сцепления ее с бетоном может снизиться на 80%, при армировании арматурой периодического профиля, но и после оттаивания бетона на контакте с арматурой остается тонкий воздушный зазор вместо водяной пленки, обволакивающей арматурные элементы и в него при эксплуатации может резко повлиять не только на несущую способность конструкции, но и на ее долговечность.

Рис. 2 Контактная поверхность цементного раствора в бетоне, замораживаемого сразу после укладки и изъятия зерна крупного заполнителя

Есть и еще один фактор, негативно влияющий на структуру и свойства бетона - внутренний массоперенос. Как известно, из физики, в капиллярно-пористом материале при изменении теплового поля, вследствие возникновения температурного градиента, влага начинает перемещаться из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой. При замерзании свежее забетонированной конструкции охлаждение ее начинается с поверхности и постепенно нулевая изотерма перемещается во внутренние слои конструкции. Влага из внутренних слоев бетона начинает по капиллярам передвигаться к нулевой изотерме. Особенно это заметно на контакте зерен крупного заполнителя с растворной матрицей, ибо на их контакте в нижней части всегда образуется за счет седиментации тонкая водяная прослойка, замерзающая в первую очередь. Когда до нее доходит мигрирующая из внутренних слоев вода, в т.с. физически связанная, она переходит в лед и ранее образовавшаяся водяная прослойка увеличивается в объеме. В дальнейшем при положительных температурах она тает и полностью нарушает сцепление заполнителя с растворной матрицей бетона. Таким образом, из-за массопереноса нарушается монолитность бетона, что особенно наглядно можно видеть в поверхностных слоях оттаявшего бетона, из которого можно вынимать зерна заполнителя (Рис.2). В образовавшемся гнезде после выемки зерна заполнителя можно видеть красивый морозный узор, отпечатавшийся на растворной части бетона, который и является следом растаявшей водяной пленки.

Во избежание всех этих негативных последствий раннего замораживания бетона СНиП 3.03.01-87 установил требования, согласно которым бетон можно замораживать только по достижении 50% прочности при его марке 150, 40% прочности при марке 300 и 30% при марке свыше 400. Однако эти требования относятся не ко всем конструкциям.

Так, согласно ГОСТ-130150-83 в перекрытиях пролетом до 6 м бетон допускается распалубливать при прочности не менее 70% при пролетах более 6 м - не менее 80% прочности от марки бетона. В конструкциях, подвергающихся в водонасыщенном состоянии в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, бетон к моменту замораживания должен достигнуть прочности не менее 80% от марки бетона.

Следует, однако помнить, что после распалубки с указанными прочностями для железобетонных конструкций необходимо обеспечить надлежащие благоприятные условия для твердения бетона и достижения 100%-ной проектной прочности, при которой конструкцию можно загружать расчетной нагрузкой.