Betonin pakkaskestävyys - vedellä kyllästetyn tai kyllästetyn suolaliuoksen tilassa olevan betonin kyky kestää useita "jäätymis-sulatus"-jaksoja ilman ulkoisia merkkejä tuhoutumisesta (halkeamat, lastut, näytteiden reunojen kuoriutuminen), lujuuden heikkeneminen , painon muutokset ja muut tekniset ominaisuudet [1] .
Professori N. A. Belelyubsky ehdotti ensimmäisen kerran pakkaskestävyyden käsitteen ja pakkaskestävyyden testausmenetelmän vuonna 1886 [2] .
Negatiivisissa ulkolämpötiloissa käytettäville betoneille pakkaskestävyys on yksi tärkeimmistä kestävyyden takaavista ominaisuuksista [3]
Betonin pakkaskestävyysaste voidaan määrittää materiaalinäytteiden laboratoriotestauksella. Pakkaskestävyyden indikaattori on "jäätymis-sulatus" -jaksojen lukumäärä, kunnes materiaali menettää tietyn massan tai tietyn alkulujuuden omaavia näytteitä.
Betoni on huokoinen materiaali, jonka huokoisuus johtuu erityisesti siitä, että betoniseoksen koostumukseen lisätään ylimäärä vettä sementtimineraalien hydratoitumiseksi. Jos kaikki betonin huokoset täyttyisivät vedellä, niin sen olisi pitänyt romahtaa ensimmäisen jäätymisjakson aikana, koska veden jäätyessä jään pienemmän tiheyden vuoksi betonin elastiseen runkoon tulee syntyä vetojännitykset, jotka ylittävät sen huomattavasti. omaa voimaa. Aidon betonin kyky vastustaa tuhoutumista toistuvan jäätymisen ja sulatuksen aikana vedellä kyllästetyssä tilassa selittyy sillä, että sen rakenteessa on varahuokosia, jotka eivät ole täytetty vedellä, joihin osa vedestä puristuu jäätymisen aikana. kasvavien jääkiteiden paine [4] .
Sementin kovettumisprosessissa betonirakenteen muodostumisen alkuvaiheessa sekoittuva vesi muodostaa sementtitahnaan järjestelmän toisiinsa liittyvistä kapillaarihuokosista, jotka sijaitsevat satunnaisesti koko betonin tilavuudessa. Sementin hydratoitumisen edetessä sementtikiven kokonais- ja kapillaarihuokoisuus pienenee, koska sementin hydraatiotuotteiden viemä tilavuus yhdessä kiteisten kasvainten välisten huokosten (geelihuokosten) kanssa on noin 2,2 kertaa suurempi kuin kiven absoluuttinen tilavuus. hydratoitumaton sementti.
Kun tietty sementin hydraatioaste saavutetaan, kapillaarihuokosjärjestelmä muuttuu ehdollisesti erilliseksi, koska kapillaarihuokoset erottaa sementtigeeli, jossa on myös huokosia, mutta joka on paljon pienempi. Tässä tapauksessa betonin läpäisevyys laskee jyrkästi. Samanlainen huokostilan rakenne betonin sementtikivessä tapahtuu mitä aikaisemmin, mitä pienempi on alkuperäinen vesi-sementtisuhde (W/C).
Samalla betoniin muodostuu ilmalla täytettyjä huokosia. Sementin ja veden vuorovaikutuksen reaktioon liittyy kemiallinen supistuminen, koska kasvainten käyttämä absoluuttinen tilavuus on pienempi kuin sementin ja veden käyttämä absoluuttinen tilavuus, kun taas sementtikiven tilavuuden pitäisi pienentyä. Sen jälkeen kun sementtikiveen on muodostunut jäykkä kiteinen runko, kemiallisen kutistumisen aiheuttamia kutistumismuodonmuutoksia ei kuitenkaan voi ilmetä ja pienimmät kutistumishuokoset ilmestyvät sementtikiveen. Nämä huokoset saavat välittömästi vettä suuremmista huokosista ja kapillaareista, ja jälkimmäiset ovat osittain kuivattuja. Kemiallisen supistumisen muodostamat ilmahuokoset muuttuvat reserviksi edellyttäen, että ne ovat yhteydessä muihin vastaaviin huokosiin ja kapillaareihin sekä ulkoiseen ympäristöön vain geelin huokosten kautta. Tällaisia varahuokosia ei voida täyttää vedellä, kun betoni upotetaan veteen tai kapillaariimulla.
Vedellä kyllästetyn betonin jäätyessä jääkiteiden muodostumisen ja kasvun vuoksi jäljelle jäävään nestefaasiin syntyy hydrostaattista painetta, jonka vaikutuksesta vesiliuos voi siirtyä varahuokosiin, mikä eliminoi mahdollisen syntymisen ja vetojännitysten kasvu sementtikivessä. Betonin tuhoutuminen vedellä kyllästetyssä tilassa toistuvan jäätymisen ja sulatuksen aikana voi tapahtua vain, kun kaikki varahuokoset täyttyvät vedellä tai jäätymisen aikana muodostuneella jäällä. Mitä suurempi varahuokosten suhteellinen tilavuus betonin tilavuusyksikköä kohti on, sitä enemmän jäätymis-sulamisjaksoja tarvitaan betonin tuhoutumisen aiheuttamiseen.
Suljettu huokoisuus määrittää moniselitteisesti betonin pakkaskestävyyden. Tämä johtuu varahuokosten epätasaisesta jakautumisesta betonin tilavuuteen sekä sementtikiven riittämättömästä lujuudesta hydrostaattisen paineen vaikutuksesta.
Veden kyllästetyssä tilassa vuorotellen jäädytetyn ja sulatetun betonin rakenteen asteittaisen tuhoutumisen mekanismi on monimutkainen yhdistelmä tuhoavia tekijöitä, mukaan lukien: jääpaine vapaan veden kiteytymisen aikana; hydrodynaamiset vaikutukset sen liikkeen (vaellus) aikana lämpö- ja kosteusgradientin (lämmön kosteuden johtavuus) vaikutuksesta; umpikujaan jääneen nesteen hydrostaattinen paine ja rakennevirheitä; jännitykset, jotka johtuvat betonin ja sementtikiven komponenttien lämpötilan muodonmuutosten eroista; väsymys (asteittain lisääntyvät) rakenteelliset viat toistuvasti toistuvista vuorottelevista muodonmuutoksista; "huokosnesteeseen" liuenneiden sementin hydrolyysituotteiden pitoisuuden väheneminen ajan myötä sekä veteen liukenemattomien kiteisten hydraattien muodostumisen vuoksi (heijastus sementin jatkuvasta reaktiosta veden kanssa) että "imusta" nesteestä kehittämällä rakenteellisia vikoja näytteiden sulamisjakson aikana, mikä lisää vapaan veden pitoisuutta betonin tilavuudessa ja muita [5] [6] [7] [8] [4] .
Käytettäessä kloridisuoloja-jäänestoaineita (esimerkiksi tienpintojen käytön aikana) tai suolaliuoksia (testattaessa betonin pakkaskestävyyttä 5-prosenttisessa NaCl-liuoksessa) ilmoitettujen tekijöiden vaikutus betoniin on täydennettynä: sen ylikyllästysliuoksen seurauksena muodostuneen kertyneen suolan kiteytyspaine sementtikiven rakenteen pienissä vioissa sekä sen kosketuksessa betonin kiviainesten kanssa ja huokosissa (halkeamissa) kiviainekset; nestefaasin migraatioprosessin tehostaminen ja betonin kosteuskapasiteetin lisääntyminen; nouseva jännitystila sementtikiven mikrorakenteen tasolla johtuen lämpötilaeron (gradientin) paikallisesti ilmenevästä vaikutuksesta, joka seuraa "fokaalisen" liukenemisprosessin - suolakiteytys -prosessia; suolaliuoksen jäätymispisteen lasku veteen verrattuna, mikä myötävaikuttaa nestefaasin syvään tunkeutumiseen yhä pienemmän poikkileikkauksen rakenteellisiin virheisiin, syventää suolamassan siirtoprosessin kehitystä ja tehostaa betonin vaikutusta tuho yleensä [9] [10] [11] [12] [13] [14] .
Tällä hetkellä uskotaan, että betonin kyky kestää vuorottelevia jäätymis- ja sulamisjaksoja määräytyy pääasiassa sen huokostilan rakenteesta, erityisesti avoimien (integraalisten) ja ehdollisesti suljettujen huokosten suhteesta.
Perusmenetelmä pakkaskestävyyden määrittämiseksi tavanomaisille betoneille, joita ei käytetä suolavedessä, on suorittaa tietty määrä jäätymis- ja sulatusjaksoja vedellä kyllästetyille näytteille. Jäädytys suoritetaan ilmassa, sulatus - vedessä. Pakkaskestävyysluokka määritetään vertaamalla vertailu-, väli- ja päänäytteen lujuutta. Näytteiden ulkonäön ja painon säilymisen edellytyksiä [1] on noudatettava .
Perusmenetelmä mineralisoidussa vedessä käytettävien betonien pakkaskestävyyden määrittämiseksi eroaa siinä, että näytteiden kyllästys- ja sulatusaine on 5 % natriumkloridiliuos.
Perusmenetelmien haitat pakkaskestävyyden määrittämiseenTietyn betonimerkin pakkaskestävyys määritetään testaamalla näytteitä puristuslujuuden suhteen [1] . Testattaessa näytteitä todellisista vaihtelevissa lämpötiloissa toimivista rakenteista on kuitenkin usein tapauksia, joissa puristuksessa määritetty lujuus säilyy lähes täydellisesti samalla, kun taivutus- ja vetolujuudet laskivat jyrkästi. Tämä viittaa siihen, että tutkimuksessa omaksuttu pakkaselle altistuneiden rakenteiden puristuskoe ei aina heijasta niiden rakenteiden todellista kantavuutta, joihin puristuksen lisäksi kohdistuu myös taivutus- ja vetovoimia [4] .
Kyky määrittää niiden pakkaskestävyys nopeasti lyhyessä ajassa on olennaista erittäin kestävien (erittäin pakkasenkestävien) betonien saamiseksi. Useimmilla olemassa olevilla menetelmillä pakkasenkestävyyden nopeutettuun määritykseen ja ennustamiseen on merkittäviä haittoja. Erityisesti ne ovat aikaa vieviä, vaativat erikoislaitteita, joita ei ole saatavilla tavanomaisissa rakennuslaboratorioissa, eivät heijasta meneillään olevien prosessien fyysistä luonnetta ja saaduissa tuloksissa on merkittävä poikkeama suoralla pakastetestauksessa saatujen tulosten kanssa ja sulatus (GOST-menetelmän mukaan).
Tavanomaisissa betoneissa, joita ei käytetä suolavedessä, testauksen nopeuttamiseksi sekoitusvesi (ja sulatusaine) korvataan 5-prosenttisella natriumkloridiliuoksella (toinen nopeutettu menetelmä); lisäksi jäätymislämpötilaa voidaan alentaa -18 °C:sta -50 °C:seen (kolmas nopeutettu menetelmä).
Mineralisoidussa vedessä käytettäville betoneille kolmas menetelmä on nopeutettu.
Nopeutetun pakkaskestävyyden määritysmenetelmien haitatNopeutetut pakkaskestävyystestimenetelmät jopa vähemmän kuin perusmenetelmät tuovat todellisen kuvan betonin toiminnasta etumerkkivaihteluissa lämpötiloissa. Suoritettujen testijaksojen lukumäärän muuntaminen pakkasenkestävyysluokkaan voidaan tehdä GOST 10060:n taulukoiden mukaan, mutta yksi säädösasiakirja ei voi ottaa huomioon tietyistä betonikoostumuksista valmistettujen todellisten rakenteiden käyttöolosuhteiden vaihtelua.
Betonin pakkaskestävyyttä testauksen jälkeen voidaan arvioida paitsi näytteiden puristuslujuuden muutoksella. Voidaan käyttää:
- ultraäänen kulkunopeuden hidastuminen;
- näytteiden muodonmuutosarvon kasvu;
- suhteellisen dynaamisen kimmomoduulin keskiarvon lasku.
Näiden arviointimenetelmien käyttö edellyttää kuitenkin alustavaa testausta muuntokertoimen saamiseksi standardimenetelmästä vaihtoehtoiseksi.
Betonin pakkaskestävyys riippuu ensisijaisesti betoniseoksen koostumuksesta ja sen komponenttien laadusta: vesi-sementti-suhteesta, mineraalikoostumuksesta ja sementin jauhatuksen hienoudesta, sementin kipsipitoisuudesta, kiviainesten laadusta, käytettyjen lisäaineiden ominaisuuksista. Juuri levitetyn betoniseoksen rakenteellisella tiheydellä ja betonin kovettumisolosuhteilla [4] on suuri vaikutus .
Betoni on huokoinen materiaali, jonka huokoisuus johtuu erityisesti siitä, että betoniseoksen koostumukseen lisätään ylimäärä vettä sementtimineraalien hydratoitumiseksi. Jos kaikki betonin huokoset täyttyisivät vedellä, niin sen olisi pitänyt romahtaa ensimmäisen jäätymisjakson aikana, koska veden jäätyessä jään pienemmän tiheyden vuoksi betonin elastiseen runkoon tulee syntyä vetojännitykset, jotka ylittävät sen huomattavasti. omaa voimaa. Aidon betonin kyky vastustaa tuhoutumista toistuvan jäätymisen ja sulatuksen aikana vedellä kyllästetyssä tilassa selittyy sillä, että sen rakenteessa on varahuokosia, jotka eivät ole täytetty vedellä, joihin osa vedestä puristuu jäätymisen aikana. kasvavien jääkiteiden paine [4] .
Ilmaa kuljettavien lisäaineiden lisääminen betonin koostumukseen edistää:
- ilman kuljettaminen ehdollisesti suljettujen huokosten muodossa, leikkaamalla kapillaarihuokoisuuskanavat;
- betonin kapillaariimuarvon ja sen veden imeytymisen arvon lasku;
- kapillaarien seinämien hydrofobisoinnin vaikutuksen ja muiden sementtikiven ja betonin rakenteiden vikojen ilmentymä yleensä.
Ilmaa kuljettavien lisäaineiden (erityisesti, kuten Sofexil 60-80; ShchSPK ja SNV) tehokkuus ilmenee vasta pakkasenkestotestien alkuvaiheessa ja vastaavasti tuotteiden (rakenteiden) käytön alkuvaiheessa [5 ] .5-6 jäädytysjakson jälkeen t ≥ (-50...-55) °C:ssa ja sulatuksen jälkeen (joka vastaa ≥ 75 betonin peruskokeen sykliä) alkaa sen huokoisuuden koko fysikaalinen tilavuus "toimia". betonissa, mukaan lukien keinotekoisesti luotu huokoisuus, joka johtuu lisäaineiden ilman mukana kulkeutumisesta. Tämän seurauksena betonin veden imeytyminen alkaa lisääntyä, sen huokosiin tunkeutuvan veden tilavuus kasvaa kaikista siitä aiheutuvista tuhoisista seurauksista: paineen noususta veden jäätyessä, vuorottelevien muodonmuutosten kasvusta, väsymisilmiöiden kertymisestä ja suolan vaikutuksen lisääntymisestä. Betoni tuhoutuu nopeasti, koska näiden lisäaineiden käyttöönoton myötä sen lujuus heikkenee merkittävästi (jopa 5 %:n lujuuden lasku jokaista mukana olevaa ilmaprosenttia kohden), mikä tarkoittaa, että myös kyky vastustaa fyysisiä ja mekaanisia tuhoisia ilmiöitä heikkenee.
Ilmaa kuljettavat vettä hylkivät lisäaineet ovat tehokkaimpia matalaluokkien raskaissa betoneissa, joiden lujuus on alle 40 ... 50 MPa, eli rakenteessa, jonka avoin huokoisuus on riittävän korkea ja jolle on ominaista betonin veden imeytyminen ilman lisäaineita 4,0 painoprosenttia tai enemmän. Tällaisten betonien ilmaa kuljettavat lisäaineet pystyvät tarjoamaan pakkaskestävyyden F300 asti [5] .
Kuljetetun ilman suojaava vaikutus lisääntyy huokoskoon pienentyessä. Tehokkain huokoskoko on 0,3-0,5 mm tai pienempi. Ratkaisevaa on huokosten "saatavuus": jokaisen jäätymispisteen lähellä on oltava ilmahuokos [15] .
Gorchakov G.I. todettiin, että betonin pakkaskestävyys on kääntäen verrannollinen sen kapillaarihuokoisuuteen, ja osoitti kokeellisesti pakkaskestävyyden riippuvuuden sementin ja W/C :n hydraatioasteen arvoista .
Mitä pienempi alkuperäinen W / C, sitä pienempi on kapillaarien alkusäde ja sitä suurempi on mahdollisuus niiden erottamiseen sementtihydrataatioprosessissa sementtigeelillä, jolloin muodostuu ehdollisesti suljettuja huokosia. W/C>0,68, jopa sementin täydellisellä hydratoitumisella, kapillaarien säde on niin suuri, että ehdollisesti suljettua rakennetta ei muodostu - kapillaarit kommunikoivat keskenään ja ympäristön kanssa. Koska todellisissa olosuhteissa sementin hydrataatioaste ei ylitä 90%, W/C:n arvo, jossa ehdollisesti erillistä rakennetta ei muodostu, on 0,62 [4] .
Korkean pakkasenkeston (F 1 600, F 2 200) betonille W / C:n arvo ei saa olla suurempi kuin 0,34 [16] .
Suurilla W/C-arvoilla ilmaa sisältävien lisäaineiden muodostamat huokoset eivät tukkeudu kaikilta puolilta sementtigeelillä, mikä lisää betonin avointa huokoisuutta. Tätä ilmiötä kutsutaan ilmahuokosten hydratoitumiseksi [17] . Ilmaa sisältävien lisäaineiden lisääminen betoneihin, joissa on korkea W/C, ei ainoastaan lisää betonin pakkaskestävyyttä, vaan voi myös vähentää sitä.
Aktiivisten mineraalilisäaineiden käyttö portlandiitin sitomiseksi liukenemattomiksi yhdisteiksi rakenteen rinnakkaistiivistymisellä lisää betonin pakkaskestävyyttä. Sementtikiven hydratoituneiden faasien modifiointi silikahöyryn ja polykarboksylaattipehmitteen yhdistettynä lisäämällä edistää geelimäisten matalaemäksisten hydratoituneiden faasien muodostumista, jotka kestävät paremmin syklisiä lämpötilavaikutuksia, mikä mahdollistaa betonin pakkaskestävyyden saavuttamisen. F 2500:een ilman erityistä ilmanpoistoa [18]
Sementin mineralogisen koostumuksen vaikutusta betonin pakkaskestävyyteen tutki Gorchakov G.I. ja Shestoperov S.V.
Trikalsiumaluminaatti C3A pitoisuuden kasvu vaikuttaa haitallisesti betonin pakkaskestävyyteen. Kriittisten rakenteiden C3A-pitoisuus sementtiklinkkerissä on standardoitu (erilaisten teknisten standardien mukaan eri tavoin): VSN 150-93:n mukaan pakkaskestävyysluokkien F200 ja F300 betonille - enintään 10%, F400 ja F500 - enintään 8 prosenttia [19] .
Vettä hylkivien lisäaineiden käyttöönotto mahdollistaa betonin huokosrakenteen pitämisen vedellä täyttämättömänä mahdollisimman pitkään.