Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Высокая морозостойкость цементного камня и бетонов — важнейшее свойство, в большой мере определяющее долговечность различных сооружений, особенно гидротехнических, дорожных, ирригационных.

При эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций возможно попеременное замерзание и оттаивание их в водонасыщенном состоянии. Как известно, объем воды при переходе в лед увеличивается приблизительно на 10 %. Естественно, что вода в порах и капиллярах цементного камня при замерзании оказывает большое гидравлическое давление на их стенки, вызывая напряжения растяжения. Многократные теплосмены приводят к постепенному расшатыванию структуры цементного камня и бетона, объемному расширению, появлению трещин и снижению прочности.

Разрушительное действие попеременного замерзания и оттаивания усиливается в тех случаях, когда вода (например, морская) содержит значительное количество различных солей. Наконец, конструкции, находящиеся в напряженном состоянии, при прочих равных условиях подвержены более интенсивному разрушению.

Морозостойкость цементов и бетонов изучали в СССР О. Е. Власов, Г. И. Горчаков, Г. К. Дементьев, Ф. М. Иванов, А. И. Конопленко, В. М. Медведев, С. А. Миронов, В. М. Москвин, Н. А. Мещанский, Ю. А. Нилендер, Н. А. Попов, П. А. Ребиндер, Б. Г. Скрамтаев, Г. М. Ру-щук, В. В. Стольников, М. И. Хигерович, С. В. Шестоперов и др. Ими выявлены закономерности, связанные с этим свойством, разработаны рекомендации и требования к цементам и бетонам, обеспечивающие их высокую долговечность в условиях попеременного замерзания и оттаивания в водонасыщенном состоянии.

Как уже отмечалось, вода, заполняющая цементный камень и содержащая некоторое количество Са(ОНЬ и щелочных соединений в растворенном состоянии, начинает переходить в лед, в первую очередь, в крупных порах и полостях при температуре 0 и —1 °С. При дальнейшем понижении температуры системы лед начинает образовываться в капиллярах всеуменьшающегося диаметра. В наиболее тонких из них вода замерзает около —25°С, а в гелевых порах, по некоторым данным,— лишь при —70 °С. Под давлением замерзающей воды и льда на стенки пор и капилляров цементный камень значительно увеличивается в размерах. Это увеличение, особенно в области температур от —5 до —20 °С, достигает примерно 1—2 мм/м в зависимости от свойств цемента и значения В/Ц. При оттаивании объем уменьшается, не достигая, однако, первоначального.

Морозостойкость цементного камня зависит от значения его общей пористости и ее характера. Чем меньше общая пористость, тем выше морозостойкость цементного камня. Уменьшение общей пористости достигается, во-первых, снижением водоцементного отношения при изготовлении бетона, но не ниже 0,4 и, во-вторых, длительным твердением его до начала циклов попеременного замерзания и оттаивания, во время которого капиллярные поры заполняются гидратными новообразованиями.

Ранее отмечалось, что при В/Ц= 0,4...0,45 при значительной гидратации цементный камень почти не содержит капиллярных пор. Пористость его создается в основном гелевыми порами, заполненными водой в псевдотвердом состоянии. Отсюда следует, что бетоны высокой морозостойкости целесообразно готовить при В/Ц, не превышающих 0,45—0,5. При этом лучше всего применять портландцементы с пониженной водопотребностыо, а также вводить в них поверхностно-активные пластифицирующие (ССБ, СДБ, С-3 и др.)   и пластифицирующе-гидрофобизирующие (мылонафт, окисленный петрола-тум и др.) добавки, способствующие получению бетонных смесей требуемой подвижности при пониженном водосодержании.

Однако наличие капиллярной пористости в цементном камне, преимущественно в начальные сроки его твердения, особенно при В/Ц, превышающих 0,5—0,6, может сильно снижать его морозостойкость. В этом случае большое значение приобретает такой фактор, как характер пористости цементного камня. Очень важно, чтобы в цементном камне были равномерно распределенные мельчайшие сферические воздушные поры, замкнутые или частично сообщающиеся с капиллярами. Эти поры создаются с помощью воздухововлекающих (пенообразующих) добавок, вводимых в бетой в таком количестве, чтобы довести их объем в нем до 3—4 % общего объема бетона. Такие сферические поры играют роль запасных емкостей, в которые при расширении во время перехода в лед выдавливается из капилляров вода. Интересно отметить, что при замерзании цементного камня со значительным объемом воздушных пор наблюдается не увеличение, а такое уменьшение объема, которое соответствует температурному перепаду при соответствующем коэффициенте термического сжатия. При последующем же оттаивании объем цементного камня приближается к первоначальному. Воздухововлекающими добавками служат абиетат натрия, омыленный древесный пек и др., вводимые в количестве 0,1—0,25 %.

По экспериментальным данным, введение воздушных пузырьков в количестве до 3—4 % объема бетонов позволяет увеличивать морозостойкость бетонов с 200—400 до 1000—1600 циклов замораживания. Морозостойкость цементного камня повышается также при введении в него гидрофобизирующих добавок в количестве 0,075— 0,1 % массы цемента (мылонафт, олеиновая кислота и др.). Благоприятное влияние этих добавок объясняется тем, что они затрудняют подсос воды в камень и ее миграцию. Кроме того, они способствуют увеличению количества замкнутых пор, не заполняемых водой при обычном насыщении бетона.

Повышение морозостойкости может быть достигнуто также введением в бетонную смесь кремнийорганических соединений (ГКЖ-Ю, ГКЖ-П, ГКЖ-94) в количестве 0,05—0,28 % массы цемента. Положительное влияние двух первых соединений обусловлено вовлечением воздуха и гидрофобизацией внутренней поверхности пор цементного камня. При добавке же ГК.Ж-94 происходит выделение газов, образующих закрытые поры, поверхность которых также становится гидрофобной.

Таким образом, для повышения морозостойкости цементного камня и бетона применяют добавки: пластифицирующие, способствующие уплотнению камня вследствие уменьшения его водопотребности при сохранении подвижности; воздухововлекающие (пенообразователи); гидрофобизирующие.

Свойства цемента также существенно отражаются на морозостойкости бетонов. Исследования показывают, что повышенная морозостойкость обеспечивается алитовыми портландцементами, содержащими не более 6—8 % алюмината кальция. При этом надо строго подбирать оптимальное количество двуводного гипса в цементе с учетом содержания в нем СзА, а также степени измельчения. Иначе морозостойкость цемента при твердении уменьшается.

Активные и инертные добавки даже при содержании до 8—10 % снижают морозостойкость портландцементов. Тонкость помола цементов не должна превышать 3000— 4000 см2/г (по Товарову).

Следует также отметить отрицательное влияние пропаривания бетонов на морозостойкость цементного камня. Это объясняется разрушением тонкопористой структуры и образованием сообщающихся капилляров  и пор.