Rezistența la îngheț a betonului - capacitatea betonului într-o stare de soluție de sare saturată cu apă sau saturată de a rezista mai multor cicluri de „îngheț-dezgheț” fără semne externe de distrugere (fisuri, așchii, exfolierea marginilor probelor), reducerea rezistenței , modificări de greutate și alte caracteristici tehnice [1] .
Conceptul de rezistență la îngheț și metoda de testare a rezistenței la îngheț au fost propuse pentru prima dată de profesorul N. A. Belelyubsky în 1886 [2] .
Pentru betoanele operate în condiții de temperaturi exterioare negative, rezistența la îngheț este una dintre cele mai importante proprietăți care asigură durabilitatea [3]
Gradul de rezistență la îngheț al betonului poate fi stabilit prin testarea în laborator a probelor de materiale. Un indicator al rezistenței la îngheț este numărul de cicluri „îngheț-dezgheț” până când materialul pierde mostre de o anumită masă sau un anumit grad de rezistență inițială.
Betonul este un material poros, a cărui porozitate se datorează, în special, introducerii unei cantități de apă în compoziția amestecului de beton în exces pentru hidratarea mineralelor de ciment. Dacă toți porii din beton au fost umpluți cu apă, atunci în timpul primului ciclu de înghețare ar fi trebuit să se prăbușească, deoarece atunci când apa îngheață, din cauza densității mai mici a gheții, trebuie să apară tensiuni de tracțiune în scheletul elastic al betonului care depășesc semnificativ puterea proprie. Capacitatea betonului real de a rezista distrugerii în timpul înghețului și dezghețului repetat într-o stare saturată de apă se explică prin prezența în structura sa a porilor de rezervă care nu sunt umpluți cu apă, în care o parte din apă este stoarsă în timpul înghețului sub presiunea cristalelor de gheață în creștere [4] .
În procesul de întărire a cimentului în stadiul inițial de formare a structurii de beton , amestecarea apei formează în pasta de ciment un sistem de pori capilari interconectați, localizați aleatoriu în volumul de beton. Pe măsură ce trece hidratarea cimentului, porozitatea totală și capilară a pietrei de ciment scade, deoarece volumul ocupat de produsele de hidratare a cimentului, împreună cu porii dintre neoplasmele cristaline (porii de gel), este de aproximativ 2,2 ori mai mare decât volumul absolut al cimentului. ciment nehidratat.
Când se atinge un anumit grad de hidratare a cimentului, sistemul de pori capilari devine condiționat discret, deoarece porii capilari sunt separați de gel de ciment, care are și pori, dar este mult mai mic. În acest caz, permeabilitatea betonului scade brusc. O structură similară a spațiului porilor din piatra de ciment a betonului apare cu cât mai devreme, cu atât raportul inițial apă-ciment (W/C) este mai mic.
În același timp, în beton se formează pori umpluți cu aer. Reacția interacțiunii cimentului cu apa este însoțită de contracție chimică, deoarece volumul absolut ocupat de neoplasme este mai mic decât volumele absolute ocupate de ciment și apă, în timp ce volumul pietrei de ciment ar trebui să scadă. Cu toate acestea, după formarea unui cadru cristalin rigid în piatra de ciment, deformațiile de contracție datorate contracției chimice nu pot apărea și în piatra de ciment apar cei mai mici pori de contracție. Acești pori primesc imediat apă din porii mai mari și capilarele, iar acestea din urmă sunt parțial deshidratate. Porii de aer formați prin contracție chimică devin rezervă, cu condiția să comunice cu alți pori și capilare similare și cu mediul extern doar prin porii gelului. Astfel de pori de rezervă nu pot fi umpluți cu apă nici atunci când betonul este scufundat în apă, nici prin aspirație capilară.
Când betonul saturat cu apă este înghețat, din cauza formării și creșterii cristalelor de gheață, în faza lichidă rămasă va apărea presiune hidrostatică, sub influența căreia soluția apoasă se poate muta în porii de rezervă, ceea ce elimină posibilitatea apariției și creșterea tensiunilor de tracțiune în piatra de ciment. Distrugerea betonului în stare saturată cu apă în timpul înghețului și decongelarii repetate poate avea loc numai atunci când toți porii de rezervă sunt umpluți cu apă sau gheață formată în timpul înghețului său. Cu cât este mai mare volumul relativ al porilor de rezervă pe unitatea de volum de beton, cu atât sunt necesare mai multe cicluri de îngheț-dezgheț pentru a provoca distrugerea betonului.
Porozitatea închisă determină în mod ambiguu rezistența la îngheț a betonului. Acest lucru se datorează distribuției neuniforme a porilor de rezervă pe volumul betonului, precum și rezistenței insuficiente a pietrei de ciment sub acțiunea presiunii hidrostatice.
Mecanismul distrugerii treptate a structurii betonului supus înghețului și dezghețului alternativ în stare saturată de apă este o combinație complexă de factori distructivi, printre care: presiunea gheții în timpul cristalizării apei libere; efecte hidrodinamice în timpul mișcării sale (migrare) sub influența unui gradient de căldură și conținut de umiditate (conductivitate termică a umidității); presiunea hidrostatică a lichidului prins în porii fundiți și defecte de structură; tensiuni rezultate din diferența de deformări de temperatură a componentelor betonului și pietrei de ciment; oboseală (creștere treptat) defecte structurale de la deformații alternante repetate în mod repetat; o scădere în timp a concentrației de produse de hidroliză a cimentului dizolvate în lichidul „por”, atât datorită formării de hidrați cristalini insolubili în apă (o reflectare a reacției continue a cimentului cu apa), cât și datorită „aspirației” a lichidului prin dezvoltarea defectelor structurale în perioada de dezgheț a probelor, ceea ce crește conținutul de apă liberă în volumul betonului, și altele [5] [6] [7] [8] [4] .
În cazul utilizării de săruri clorurate-antigizer (de exemplu, în timpul exploatării suprafețelor de drum) sau a soluțiilor de săruri de testare (în timpul testării betonului pentru rezistența la îngheț într-o soluție de NaCl 5%), efectul factorilor indicați asupra betonului este completată de: presiunea de cristalizare a sării acumulate formată ca urmare a soluției sale de suprasaturare în mici defecte în structura pietrei de ciment, precum și în zonele de contact a acesteia cu agregatele din beton și în porii (fisurile) cereale agregate; intensificarea procesului de migrare a fazei lichide și creșterea capacității de umiditate a betonului; stare de stres emergentă la nivelul microstructurii pietrei de ciment datorită efectului manifestat local al diferenței de temperatură (gradient) care însoțește procesul de dizolvare „focală” - cristalizare a sării; o scădere a punctului de îngheț al soluției de sare în comparație cu apa, care contribuie la pătrunderea profundă a fazei lichide în defectele structurale cu o secțiune transversală tot mai mică, adâncește dezvoltarea procesului de transfer al masei de sare și sporește efectul betonului distrugerea în general [9] [10] [11] [12] [13] [14] .
În prezent, se crede că capacitatea betonului de a rezista la cicluri alternative de îngheț și dezgheț este determinată în principal de structura spațiului său poros, în special de raportul dintre porii deschiși (integrali) și închiși condiționat.
Metoda de bază pentru determinarea rezistenței la îngheț pentru betoanele convenționale care nu funcționează în apă salină este efectuarea unui anumit număr de cicluri de îngheț și dezgheț ale probelor saturate cu apă. Congelarea se realizează în aer, dezghețarea - în apă. Gradul de rezistență la îngheț este determinat prin compararea rezistenței probelor de control, intermediare și principale. Trebuie respectată condiția de păstrare a aspectului și greutății probelor [1] .
Metoda de bază pentru determinarea rezistenței la îngheț pentru betoanele operate în apă mineralizată diferă prin aceea că mediul de saturare și dezghețare a probelor este o soluție de clorură de sodiu 5%.
Dezavantajele metodelor de bază pentru determinarea rezistenței la înghețDeterminarea conformității cu o anumită marcă de beton pentru rezistența la îngheț se realizează prin testarea probelor pentru rezistența la compresiune [1] . Cu toate acestea, atunci când se testează epruvete din structuri reale operate la temperaturi alternante, există adesea cazuri de păstrare aproape completă a rezistenței determinate la compresiune, în timp ce rezistențele la încovoiere și la tracțiune au scăzut brusc. Aceasta indică faptul că testul de compresiune al structurilor expuse la îngheț, adoptat în practica cercetării, nu reflectă întotdeauna adevărata capacitate portantă a structurilor care, pe lângă compresiune, suferă și forțe de încovoiere și tracțiune [4] .
Capacitatea de a-și determina rapid rezistența la îngheț într-un timp scurt este esențială pentru obținerea de betoane foarte durabile (foarte rezistente la îngheț). Majoritatea metodelor existente pentru determinarea și predicția accelerată a rezistenței la îngheț au dezavantaje semnificative. În special, sunt consumatoare de timp, necesită echipamente speciale care nu sunt disponibile în laboratoarele convenționale de construcții, nu reflectă natura fizică a proceselor în curs, iar rezultatele obținute au o discrepanță semnificativă cu rezultatele obținute în timpul testării prin congelare directă și decongelare (după metoda GOST).
Pentru betoanele convenționale nefuncționate în apă salină, pentru a accelera testarea, apa de amestecare (și mediul de dezghețare) se înlocuiește cu o soluție de clorură de sodiu 5% (a doua metodă accelerată); în plus, temperatura de îngheț poate fi redusă de la -18 °C la -50 °C (a treia metodă accelerată).
Pentru betoanele operate în apă mineralizată, a treia metodă este accelerată.
Dezavantajele metodelor accelerate de determinare a rezistenței la înghețMetodele de testare a rezistenței la îngheț accelerate chiar mai puțin decât cele de bază reproduc imaginea reală a funcționării betonului la temperaturi variabile în semn. Conversia numărului de cicluri de testare efectuate într-un grad de rezistență la îngheț se poate face conform tabelelor GOST 10060, cu toate acestea, un document de reglementare nu poate lua în considerare varietatea condițiilor de funcționare pentru structurile reale realizate din compoziții specifice de beton.
Rezistența la îngheț a betonului după testare poate fi evaluată nu numai prin modificarea rezistenței la compresiune a probelor. Poate fi folosit:
- scăderea vitezei de trecere a ultrasunetelor;
- cresterea valorii deformarii probelor;
- scăderea valorii medii a modulului dinamic relativ de elasticitate.
Cu toate acestea, utilizarea acestor metode de evaluare necesită testare preliminară pentru a obține un factor de conversie de la metoda standard la cea alternativă.
Rezistența la îngheț a betonului depinde în primul rând de compoziția amestecului de beton și de calitatea componentelor acestuia: raportul apă-ciment, compoziția minerală și finețea măcinarii cimentului, conținutul de gips în ciment, calitatea agregatelor, proprietățile aditivilor utilizați. Densitatea structurală a amestecului de beton proaspăt pus și condițiile de întărire a betonului [4] au o mare influență .
Betonul este un material poros, a cărui porozitate se datorează, în special, introducerii unei cantități de apă în compoziția amestecului de beton în exces pentru hidratarea mineralelor de ciment. Dacă toți porii din beton au fost umpluți cu apă, atunci în timpul primului ciclu de înghețare ar fi trebuit să se prăbușească, deoarece atunci când apa îngheață, din cauza densității mai mici a gheții, trebuie să apară tensiuni de tracțiune în scheletul elastic al betonului care depășesc semnificativ puterea proprie. Capacitatea betonului real de a rezista distrugerii în timpul înghețului și dezghețului repetat într-o stare saturată de apă se explică prin prezența în structura sa a porilor de rezervă care nu sunt umpluți cu apă, în care o parte din apă este stoarsă în timpul înghețului sub presiunea cristalelor de gheață în creștere [4] .
Introducerea de aditivi care antrenează aer în compoziția betonului contribuie la:
- antrenarea aerului sub formă de pori închiși condiționat, disecând canalele porozității capilare;
- scaderea valorii aspiratiei capilare a betonului si a absorbtiei de apa a acestuia;
- manifestarea efectului de hidrofobizare a pereților capilarelor și a altor defecte în structura pietrei de ciment și a betonului în general.
Eficacitatea aditivilor care antrenează aer (în special, cum ar fi Sofexil 60-80; ShchSPK și SNV) se manifestă numai în stadiul inițial al testelor de rezistență la îngheț și, în consecință, în stadiul inițial de funcționare a produselor (structurilor) [5] ] .După 5–6 cicluri de înghețare la t ≥ (-50...-55) °C și dezgheț (care corespunde la ≥ 75 de cicluri de încercări de bază ale betoanelor), întregul volum fizic al porozității sale începe să „lucreze” în beton, inclusiv porozitatea creată artificial datorită antrenării de aer a aditivilor. Ca urmare, absorbția de apă a betonului începe să crească, volumul de apă care pătrunde în porii săi crește cu toate consecințele distructive care decurg: creșterea presiunii atunci când apa îngheață, creșterea deformațiilor alternante, acumularea fenomenelor de oboseală și creșterea acțiunii sării. Betonul este distrus rapid, deoarece odată cu introducerea acestor aditivi, rezistența sa este semnificativ redusă (până la 5% reducere a rezistenței pentru fiecare procent de aer implicat), ceea ce înseamnă că scade și capacitatea de a rezista fenomenelor distructive fizice și mecanice.
Aditivii hidrofugă care antrenează aer sunt cei mai eficienți în betoanele grele de clase joase, cu o rezistență mai mică de 40 ... 50 MPa, adică cu o structură cu o porozitate deschisă suficient de mare, caracterizată prin absorbția de apă a betonului fără aditivi de 4,0 % sau mai mult din greutate. Aditivii care antrenează aer în astfel de betonuri sunt capabili să ofere rezistență la îngheț până la F300 [5] .
Efectul protector al aerului antrenat crește odată cu scăderea dimensiunii porilor. Cea mai eficientă dimensiune a porilor este de 0,3-0,5 mm sau mai puțin. De o importanță decisivă este „accesibilitatea” porilor: în apropierea oricărui punct de îngheț trebuie să existe un por de aer [15] .
Gorchakov G.I. a stabilit că rezistența la îngheț a betonului este invers proporțională cu porozitatea sa capilară și a demonstrat experimental dependența rezistenței la îngheț de valorile gradului de hidratare a cimentului și W/C .
Cu cât W / C inițial este mai mic, cu atât raza inițială a capilarelor este mai mică și cu atât este mai mare posibilitatea de separare a acestora în procesul de hidratare a cimentului cu gel de ciment cu formarea de pori închiși condiționat. La W/C>0,68, chiar și cu hidratarea completă a cimentului, raza capilarelor este atât de mare încât nu se formează o structură închisă condiționat - capilarele comunică între ele și cu mediul. Deoarece în condiții reale gradul de hidratare al cimentului nu depășește 90%, valoarea W/C, la care nu se formează o structură condiționat discretă, este de 0,62 [4] .
Pentru betonul cu rezistență ridicată la îngheț (F 1 600, F 2 200), valoarea W / C ar trebui setată nu mai mult de 0,34 [16] .
La valori mari ale W/C, porii formați de aditivii care antrenează aer nu sunt blocați din toate părțile de gel de ciment, crescând astfel porozitatea deschisă a betonului. Acest fenomen se numește hidratare a porilor de aer [17] . Introducerea de aditivi care antrenează aer în betoanele cu W/C mare nu numai că nu mărește rezistența la îngheț a betonului, dar o poate și reduce.
Utilizarea aditivilor minerali activi pentru a lega portlandita în compuși insolubili cu compactarea paralelă a structurii crește rezistența la îngheț a betonului. Modificarea fazelor hidratate ale pietrei de ciment cu introducerea combinată de fum de silice și plastifiant policarboxilat promovează formarea de faze hidratate cu conținut scăzut de bază, asemănătoare gelului, care sunt mai rezistente la efectele ciclice ale temperaturii, ceea ce face posibilă obținerea rezistenței la îngheț a betonului. până la F 2500 fără antrenare specială a aerului [18]
Influența compoziției mineralogice a cimentului asupra rezistenței la îngheț a betonului a fost studiată de Gorchakov G.I. și Shestoperov S.V.
O creștere a conținutului de aluminat tricalcic C3A afectează negativ rezistența la îngheț a betonului. Pentru structurile critice, conținutul de C3A în clincher de ciment este standardizat (prin diferite standarde tehnice în moduri diferite): conform VSN 150-93 pentru beton cu gradele de rezistență la îngheț F200 și F300 - nu mai mult de 10%, pentru F400 și F500 - nu mai mult de 8% [19] .
Introducerea aditivilor hidrofugă face posibilă menținerea structurii porilor betonului neumplut cu apă cât mai mult timp posibil.