Ефект на замръзване върху втвърдения бетон
Ефектът на замръзване върху втвърдения бетон
Помислете сега за втвърдения бетон, подложен на алтернативно замразяване и размразяване в температурния диапазон, който най-често се среща в природата.
При понижаване на температурата на наситения с вода втвърден бетон, водата, проникваща в порите на циментовия камък, замръзва подобно на замръзване в капилярите на скалите и причинява разширяване на бетона.
Повторното замразяване допълнително разширява, така че повтарящите се цикли на замразяване и размразяване имат кумулативен ефект. Големите пори в бетона, образувани от недостатъчно уплътняване, обикновено са пълни с въздух и следователно не влияят значително на ефекта от замръзване.
Замръзването е постепенен процес поради ниската скорост на топлообмен през бетона, увеличаването на концентрацията на алкали във все още незамръзналата вода, както и поради промяната на точката на замръзване в зависимост от размера на порите.
Въпреки че повърхностното напрежение на ледените кристали в капилярите създава налягане в тях, колкото по-голямо е, колкото по-малък е кристалът, замразяването започва в големите пори и постепенно се разпространява към по-малките.
Порите на гела са твърде малки, за да образуват ледени кристали при температури над -78°C, така че лед обикновено не се образува в тях. С понижаване на температурата, поради различната ентропия на гел вода и лед, гел водата придобива потенциална енергия, което й позволява да се движи през капиляри, съдържащи лед. Дифузията на водата от гела води до растеж на ледени кристали и до разширяване на циментовия камък.
По този начин имаме два източника на налягане на разширение. Първо, замразяването на водата води до увеличаване на обема с приблизително 9%, така че излишната вода се отстранява от порите. Скоростзамразяването определя скоростта, с която водата се отстранява, изместена от ледения фронт. Големината на хидравличното налягане зависи от устойчивостта на филтриране, т.е. от дължината на пътя и пропускливостта на циментовия камък между замръзналата пора и пората, в която може да се движи излишната вода.
Втората експанзивна сила в бетона се дължи на дифузията на водата, водеща до растеж на относително малък брой ледени кристали. Редица изследвания са установили, че последният механизъм играе важна роля при разрушаването на бетона под действието на замръзване. Тази дифузия се причинява от осмотично налягане поради локално повишаване на концентрацията на разтвора поради отделянето на замръзнала (чиста) вода от разтвора.
Например, плоча, замръзнала отгоре, се счупва, ако водата се приближи до нейната основа и може да проникне през дебелината на плочата поради осмотичното налягане. Съдържанието на влага в бетона става по-високо, отколкото преди замръзване, а в някои случаи се наблюдава разрушаване поради разслояването на бетона от ледени кристали.
Осмотичното налягане също трябва да се спомене в друга връзка. Солите, използвани за обезледяване на пътища, се абсорбират от повърхностния слой бетон. Това създава високо осмотично налягане, придружено от движение на водата към най-студената зона, където настъпва замръзване. Експерименталните данни за този процес обаче са недостатъчни.
Когато налягането на разширение в бетона превиши неговата якост на опън, възниква повреда. Степента на p-разрушаване варира от повърхностно лющене до пълно унищожаване, тъй като ледените лещи се образуват от повърхността на бетона и се разпространяват дълбоко в него. В Англия бордюрите (които остават мокри за дълги периоди от време) са най-податливи на замръзване в сравнение с други.бетонни конструкции. Когато се използват соли за обезледяване, пътните плочи също са подложени на тежки експлоатационни условия. В страни със суров климат се наблюдават значителни щети на бетона от действието на замръзване, ако не се вземат специални мерки по време на производството му.
Мразоустойчивостта на бетона зависи от редица негови свойства: якост на циментовия камък, разтегливост, пълзене, но основните са степента на насищане и структурата на порестото пространство на циментовия камък.
Ефектът от насищането на бетона е показан на фиг. 7.10. Под критичното ниво на насищане бетонът има висока устойчивост на замръзване и сухият бетон изобщо не се срутва (Таблица 7.4). Трябва да се отбележи, че дори в проби от втвърдяване на вода, не всички пори са пълни с вода, в резултат на което тези проби не се унищожават от първото замразяване. Бетонът губи влага, когато е изложен на природни условия. Когато се намокри повторно, той вече не може да абсорбира същото количество вода, което е било загубено за него. Ето защо, преди работа при зимни условия, е препоръчително бетонът да се изсуши, ако това не бъде направено, разрушението от действието на замръзване ще бъде по-голямо.
Каква е критичната стойност на насищане? Затворен контейнер с повече от 91,7% от обема си, зает от вода, ще бъде пълен с лед, когато замръзне и ще се спука. Така 91,7% е критично насищане в затворен обем. Това не се отнася за порести тела, където критичното насищане зависи от размера на пробата, нейната хомогенност и скоростта на замръзване. Празнините, в които може да се отстрани излишната вода, трябва да бъдат разположени достатъчно близо до порите, в които се образува лед, това е основата за използването на въздушно увличане: ако циментовият камък е разделен на достатъчно тънки слоеве от въздушни мехурчета, той няма критично насищане.По същия начин зърното на агрегата няма критичен размер, ако има ниска порьозност или ако неговата капилярна система е нарушена от достатъчно голям брой макропори. Инертните зърна в бетона могат да се считат за затворен контейнер, ако ниската пропускливост на циментовия камък около него не позволява на водата да навлезе във въздушните пори с достатъчна скорост. По този начин агрегатни зърна, наситени с вода над 91,7%, ще накарат околния бетон да се счупи при замръзване.
Трябва да се отбележи, че като правило инертните материали имат порьозност от 0 до 5%, обикновено не се използват агрегати с по-висока порьозност. Но използването на последното не води непременно до разрушаване от действието на замръзване. Големите пори, налични в клетъчния бетон и безпясъчния бетон, очевидно повишават устойчивостта на замръзване на тези материали.
При използване на конвенционални агрегати също не е възможно да се установи определена връзка между порьозността на агрегата и устойчивостта на замръзване на бетона.
Ефектът от изсушаването на добавъчните материали преди приготвяне на сместа върху издръжливостта на бетона е показан на фиг. 7.11. Може да се отбележи, че при използване на наситен с вода груб агрегат бетонът може да се срути, независимо от съдържанието на увлечен въздух в него. Ако добавъчните материали не са наситени в момента на приготвяне на бетоновата смес или ако са частично дехидратирани след полагане, а циментовият камък е със затворени пори, повторното насищане е трудно, освен при продължителен престой при ниска температура.
Когато бетонът се намокри отново, циментовият камък се насища по-лесно от инертния материал, тъй като водата може да проникне в инертния материал само през циментовия камък, а също и защото фино порестият циментов камък има голямо капилярно привличане. ТакаТака циментовият камък се разрушава по-лесно, но може да бъде защитен от увлечения въздух.