Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.

    Существуют много причин разрушения бетонов при циклическом замораживании и оттаивании. Основная из них – фазовый переход находящейся в бетоне жидкости в твердое агрегатное состояние при понижении температуры окружающей среды. При замерзании вода увеличивается в объеме более чем на 9%; расширению воды препятствуют твердый скелет бетона, в котором возникают очень высокие напряжения, значительно превышающие его собственную прочность. Способность бетона противостоять разрушению при многократном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии объясняется присутствием в его структуре резервных пор, незаполненных водой, в которые и отжимается часть воды в процессе замораживания под действием давления растущих кристаллов льда. Образование в цементном камне в процессе гидратации цемента таких относительно крупных пор, из которых ушла вода и которые заполняются воздухом, происходит на стадии формирования условно дискретной системы капилляров, т.е. когда эти поры со всех сторон блокированы цементным гелем и не могут заполнятся водой даже в условиях водного твердения. Следовательно, воздушные поры становятся резервными только при условии, если они сообщаются с другими им подобными порами и капиллярами, а так же с внешней средой только через поры геля. Поры цементного геля  настолько малы, что вода через них не проходит (не смачиваются). При недостаточной плотности или прочности цементного камня в бетон поступает вода и повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и его разрушению. Сначала начинают разрушаться выступающие грани, затем поверхностные слои, и постепенно разрушение распространяется в глубь бетона. Определенное влияние будут оказывать и напряжение, вызываемые различием в температурных коэффициентах линейного расширения составляющих бетона.

    Для испытания бетона на морозостойкость применяют метод попеременного замораживания и оттаивания. Методика испытаний, в частности: температура замораживания, условия водонасыщения образца, размеры образца, продолжительность цикла - оказывают заметное влияние на показатели морозостойкости бетона. С понижением температуры замораживания, а особенно при замораживании в воде или растворах солей, разрушение бетона наступает быстрее.

    Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 5%, а его прочность снижается не более чем на 25%. Это количество циклов определяет марку бетона по морозостойкости, например        Мрз 100, Мрз200 и более, которая назначается в зависимости от условий эксплуатации конструкций.

    Существуют два основных способа повышения морозостойкости бетона. Первый – это повышения плотности бетона, т. е. уменьшения объема пор и их проницаемости для воды (снижение В/Ц, применение добавок и др.). Второй – создание в бетоне с помощью воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор, не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникания воды под давлением, возникающем при ее замерзании. Воздухововлекающие добавки повышают морозостойкость бетона при В/Ц < 0,68,  т.к. при больших значениях водоцементного отношения образующиеся воздушные пузырьки не блокируются со всех сторон цементным гелем. Для особо ответственных изделий  или работающих в тяжелых условиях назначается водоцементное отношение не более 0,4 (тротуарная плитка).

    Важнейшим фактором, влияющим на морозостойкость, является степень гидратации цемента. При низкой степени гидратации цемента бетоны будут иметь низкую морозостойкость и при малых значениях В/Ц. Значение морозостойкости бетонов одного и того же состава, но твердевших в различных условиях приведены в таблице:   

    Факторами, влияющими на степень гидратации цемента в бетоне являются: вид, активность, тонкость помола и гранулометрия цемента; возраст бетона и условия твердения до начала замораживания; наличие добавок.

    Условия твердения значительно влияют на прочность и морозостойкость бетона на ранней стадии его твердения. Установлено, что если бетон не защищен от высыхания в первые 10…12 часов, то его прочность может понизиться в 3 раза по сравнению с укрытым. Особенно сильно проявляется эффект испарения воды из бетона при его прогреве или пропаривании. Как правило, морозостойкость пропаренных бетонов, особенно при обработке их по сокращенному (жесткому) режиму меньше морозостойкости бетонов нормального твердения. Поэтому при изготовлении тротуарных плит применяют мягкие режимы ТВО (температура не выше 70⁰ С со скоростью подъема и снижения температуры не более 25⁰ С/час) .

    Тонкость помола цемента так же значительно влияет на морозостойкость бетона. Установлено, что при одной и той же активности, с увеличением тонкости помола морозостойкость существенно снижается, особенно при тонкости помола свыше 6000 см2\Г. Для морозостойких бетонов рекомендуется использовать цементы с удельной поверхностью от 2800 до 3500см2/Г.

    Для морозостойких бетонов нормируется содержание в цементе Са₃Аl (трехкальциевого алюмината) не более 6…8% (например, при изготовлении тротуарных плит – 8%).

    Известно, что изменения расхода цемента на 1 м³ бетона в определенных пределах оказывает влияние на морозостойкость бетона. Установлено, что при расходе цемента от 275 до 425 кг/м³ морозостойкость не меняется, а при расходе менее 275 и более 425 кг/м³ морозостойкость бетона понижается. Это объясняется тем, что  при малых расходах недостаточно цементного теста для заполнения межзерновых пустот. При больших расходах увеличение относительного объема цементного камня в единице объема бетона ведет к возрастанию величины усадочных напряжений в нем (образуется микротрещины). Для снижения расхода цемента на 1 м³ бетона рекомендуется применять цемент повышенной марки.