Морозостойкость ячеистых бетонов

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
В настоящее время для ячеистых бетонов морозостойкость является единственным нормируемым показателем их долговечности. Это представляется по ряду соображений весьма спорным, далеким от реальных условий службы бетона.
Особенность ячеистого бетона большое количество замкнутых пор, заполняющихся водой лишь при особых условиях. Вследствие этого даже после нескольких месяцев выдерживания кубов размером 0x 0x 0 см в воде середина образцов остается относительно сухой. Система замкнутых, не заполняемых водой пор в ячеистом бетоне, образует буферные емкости, в которые перемешается избыток замораживаемой воды. Таким образом, структура ячеистого бетона создает предпосылки для его высокой морозостойкости. С другой стороны, влажность ячеистого бетона непосредственно после изготовления составляет 0,3—0,6 его влажности при стандартных испытаниях и 0, 5—0,3 его водопоглощения при кипячении. В нормальных эксплуатационных условиях влажность ячеистого бетона всегда ниже его влажности непосредственно после запаривания. Следовательно, в настоящее время образцы ячеистого бе.тона при лабораторных испытаниях на замораживание и оттаивание имеют такую влажность, которую не должна иметь реальная конструкция из этого бетона в эксплуатационных условиях.
Исследования морозостойкости автоклавных ячеистых бетонов, проведенные в нашей стране, позволили выявить ряд зависимостей этого показателя от технологических параметров изготовления и порядок величин, характеризующих морозостойкость ячеистого бетона с оптимальным составом, подобранным по прочности при сжатии.
Исследуя индивидуальные гидросилнкаты кальция автоклавного твердения, Ю.М. Бутт с сотрудниками пришли к выводу о том, что среди низкоосновных гидросиликатов с наибольшей морозостойкостью отличается ксонотлит 7. В их последующих работах приведены показатели прочности и морозостойкости образцов из индивидуальных гидросиликатов (табл. Ю).
Все.эти данные показывают, что, несмотря на низкую прочность высокоосновные гидросилнкаты обладают значительно более высокой морозостойкостью, нежели иижоосмогшые. Это объясняют тем, что гидросилнкаты кальция группы CSH (B) и тпберморит имеют сложную кристаллическую структуру с меняющимся количеством молекул воды, размешенной между слоями кристаллической решетки. Кристаллический сросток этих гидросиликатов отличается повышенной плопюстыо. Кристаллы двухкальциевых гидросиликатов представляют собой призматические пластинки или орторомбические таблички. У кристаллического сростка этих гидросилнкагов открытая пористость на 20 35% выше, чем у сростка низкоосновных гидросиликатов. Возможно, именно это обстоятельство обусловливает свободную миграцию влаги при ее замораживании и расширение ее объема без возникновения напряжений и, как следствие, высокую морозостойкость гидросиликатов повышенной основности.
Многочисленные исследователи пытались установить зависимости между основными технологическими параметрами, определяющими фазовый состав новообразований цементного камня, и его морозостойкостью. К этим параметрам относится вид вяжушего, состав шихты и режим автоклавирования. Во всех исследованиях при одинаковом фазовом составе новообразований в бетоне фиксируется влияние на морозостойкость бетона вида вяжущего. Наименьшую морозостойкость имеют бетоны на основе извести. Добавки цемента или шлаков повышают морозостойкость бетонов.
Что касается состава шихты и режима автоклавной обработки, то зти параметры подбираются по максимальной прочности при минимальном расходе вяжушего. Следовательно, критерием оптимизации технологии служит уровень связывания извести, содержащейся в шихте, в гидросиликаты возможно меньшей основности. Несмотря на то, что морозостойкость низкоосновных гидросиликатов ниже, чем гидросиликатов повышенной основности, все же морозостойкость ячеистого бетона, в котором новообразования цементирующего вещества представлены низкоосновными гидросиликатами, остается на достаточно высоком уровне (25 и более циклов замораживания и оттаивания) по сравнению с традиционными стеновыми материалами.
Изменения фазового состава гидросиликатов, наблюдающиеся при увеличении длительности запаривания сверх необходимой для достижения бетоном заданной прочности, мало влияют на морозостойкость бетонов. Об этом свидетельствуют, например, результаты опытов А.П. Меркина с сотрудниками 44. Они исследовали влияние обычных (3+6+3 при МПа) и пиковых режимов н= морозостойкость ячеистого бетона. Коэффициент морозостойкости газосиликата, запаренного по режиму 3+6+3 при МПа, после 5 циклов замораживания и оттаивания составил 0,77—0,87, а газосиликата, запаренного по пиковому режиму. — 0,6 —0,85. В исследовании Х.И. Муст изотермическая выдержка газосиликата в рьировалась от 3 до 5 ч с интервалом 3 ч 53. Получены математические модели, описывающие связи между технологическими параметрами и свойствами газосиликата.. Существенными в отношении морозостойкости газосиликата явились характеристики физической структуры, т.е. характер пористости, размеры пор и др. Эти характеристики предопределяются технологическими параметрами, оказывающими влияние на структурообразование и реологические свойства смеси в доавтоклавный период, а именно: количеством и свойствами вяжущего, условиями формования и выдержки смеси при вспучивании, водотвердым отношением.
Среднее квадратичное отклонение относительно линии регрессии для уравнения (2.) составляет 7,2 цикла. По данным И.Х. Муст и У. И. Крейса, для обеспечения морозостойкости 25 циклов с учетом доверительных интервалов водопоглощение газосиликата плотностью 500—600 кг м3 должно быть не выше 68% по массе, т.е. около половины объема пор и капилляров бетона должно оставаться незаполненными водой.
Анализ данных 4,, 4, 8, 38, 40, 4, 46,48, 53, 55, а также результатов проведенных автором исследований показал, что морозостойкость различных ячеистых бетонов плотностью 600— 800 кг м3, приготовленных по обычной технологии, довольно высока и значительно превышает морозостойкость традиционных стеновых материалов (рис.) .В чем причина сравнительно высокой морозостойкости ячеистых бетонов?
Авторы, изучавшие причины и механизм разрушения каменных материалов при замораживании и оттаивании, в числе важнейших факторов, обусловливающих стойкость материала при этом воздействии, как правило, называют параметры структуры пористости. Сравним структуру пористости кирпича и ячеистых бетонов (табл.) . Объем пор в ячеистом бетоне в зависимости от их размеров определялся по капиллярной конденсации паров поды, по капиллярному всасыванию и статистическим подсчетом с помощью фотографий.А.С. Беркман и И.Г. Мельникова предложили делить все поры в кирпиче по их влиянию на морозостойкость на гри вида: резервные (более 200 мкм), опасные (от 200 до 0, мкм) и безопасные (менее 0, мкм). Экспериментально они установили, что если отношение объема пор с диаметром более 200 мкм к объему пор с диаметром от 200 до 0, мкм будет больше 0.0°, т кирпич будет иметь достаточную морозостойкость. Ии гаОл. видно,что это отношение для ячеистых бетонов на порядок выше. Хотя это и не является основанием для суждения об абсолютной величине морозостойкости ячеистых бетонов, однако показывает их преимущества в сопротивлении замораживанию по сравнению с кирпичом.
Изменение удельного объема опасных пор при введении в силикатный ячеистый бетон добавок портландцемента является одной из основных причин положительного влияния этой добавки на морозостойкость силикатного бетона. Например, по данным Х.И. Муст, добавка в газосиликат плотностью 500 600 кг м * портландцемента в количестве 20—25% по массе сухих веществ уменьшает вдвое объем опасных пор диаметром 0, 0,2 мкм. При этом морозостойкость газосиликата резко повышается до 25 циклов 53.
Морозостойкость материала может оцениваться также по степени насыщения (отношение водопоглощения при обычном испытании к водопоглошению при кипячении). Уменьшение степени насыщения бетона путем создания разобщенной пористости при введении воздухововлекающих добавок широко применяющийся способ повышения морозостойкости бетонов. Об эффективности этого способа свидетельствуют данные о том, что уменьшение пористости на 0,8 и, 2% за счет дополнительно вовлеченного в бетон воздуха при использовании поверхностно активных добавок уменьшило деформации расширения бетона после 00 циклов замораживания и оттаивания соответственно на 5 и 25% по сравнению с бетоном без добавок 75.
По многочисленным опубликованным данным и по результатам проведенных опытов можно заключить, что водонасыщсние ячеистых бетонов заводского приготовления при стандартных испытаниях составляет около 0,5 водопоглощения этих же бетонов при кипячении. Это говорит о том, что не только особенности распределения пор по размерам, но и низкое соотношение сообщающихся и разобщенных пор у ячеистых бетонов создает предпосылки для повышенной морозостойкости по сравнению с традиционными стеновыми материалами.Как показано в гл., установившаяся влажность ячеистого бетона в ограждениях в зависимости от вида бетона составляет 5 0% по массе. Между тем при испытаниях на замораживание и оттаивание влажность бетона равна 40 60% по массе. В связи с этим представляло интерес исследование влияния влажности бетона в период замораживания и оттаивания на его морозостойкость.
Содержание глинистых в песке 4%. Песок размалывали до удельной поверхности 2700—3000 см2 г. Пенообразователь применяли смолосапониновый плотностью, 02 кг м3. Скорость гашения извест 8 мин, температура гашении 4 «С. Известь размалывали в шаровой мельнице до удельной поверхности (Ю0 2000 см~ г, а затем домалывали совместно с небольшим количество молотого песка в вибромслышце до удельной поверхности 5000 см г. В молотую негашеную известь вводили добавку гипса 2% и сахара 0, % но содержанию в ней активных СаО + gO. Добавки вводились с таким количеством воды, при котором происходило гашение 0% извести. Эти меры обеспечивали гидратационное твердение извести при температуре пеносиликатной массы не более 30°С. Запаривание образцов осуществлялось по режиму 4+2+естествен ный спуск при МПа. Плотность пеносиликата 695 кг м3, прочность при сжатии 7,4 МПа, а плотность пенобетона 545 кг м3, прочность при сжатии 4,2 МПа. Образцы балочки размером 4x4x 6 см после водонасыщения до нужной влажности выдерживали в эксикаторах над водой в течение 4 сут. При этом влажность по сечению образца выравнивалась.
Для сохранения при испытаниях нужной влажности серию образцов по 5 шт. на каждый срок испытаний помешали в полиэтиленовый мешочек и заклеивали. Испытывали бетоны с влажностью 7, 5— 7, 25—27 и 35—37% по массе. Кроме того, испытывали образцы после 4 суточного хранения в воде (влажность бетона 52,8%) и образцы близнецы, водонасыщенные кипячением (влажность бетона 04%).Замораживание проводили в течение 8 ч при 7 9°С. Оттаивание образцов, помещенных в мешочки, производили на воздухе при 8—22°С в течение 8 ч.
При влажности бетона 53% изменения предела прочности при изгибе в течение первых 50 циклов испытаний не обнаружено. На рис. 2 показан внешний вид пеносиликатных образцов после испытаний; образцы с влажностью 04% сфотографированы после 5 циклов, образцы с влажностью 53% после 2 цикла, а остальные после 800 циклов замораживания и оттаивания. Характер разрушения пеносиликатных образцов плотностью 700 кг м3 аналогичен разрушению образцов из обычных плотных бетонов.Пенобетонные образцы после кипячения имели влажность 48% и разрушились после 5 циклов испытаний. На поверхности этих образцов было заметно лишь небольшое вспучивание. Но при попытке поднять их они разваливались на мелкие кусочки. Аналогично разрушались образцы, водонасыщенные 4 дневным хранением в воде после 53 циклов замораживания и оттаивания. Образцы с меньшей влажностью выдержали 500 циклов испытаний без признаков разрушения (табл. 5, рис. 3).Известно, что при длительном водном хранении прочность цементного ячеистого бетона увеличивается, а бетона на извести уменьшается. Учитывая влияние этого фактора, сказывающегося при многолетних испытаниях на замораживание и оттаивание, можно прийти к выводу, что 800 циклов замораживания и оттаивания не привели к уменьшению прочности ячеистого силикатного бетона влажностью 7 37%. Прочность цементного ячеистого бетона при длительном хранении во влажной среде увеличивается. Это увеличение превышает возможное снижение прочности от действия чередующегося замораживания и оттаивания. Необходимо отметить, что водопоглощение бетонов после длительных испытаний не изменилось по сравнению с начальным, составив у силикатного бетона 50, а у цементного 58% по массе.По внешнему виду образцы, испытывавшиеся при влажности от 7 до 37%, после 500 800 циклов замораживания и оттаивания не имеют дефектов, появляющихся у образцов, водонасышенных 4 суточным замачиванием после 50— 00 циклов испытаний (табл. 6).В.А. Пинскер использует для анализа зависимости морозостойкости ячеистого бетона от его влажности общее уравнение долговечности материала, включающее энергию разрушения ненапряженной связи и среднее напряжение в материале. Принимая количество льда, образующегося в бетоне, пропорциональным его
обьемному влагосолержанию. и исходя из условия совместности деформаций, В.А. Пинскер теоретически получил экспоненциальный характер зависимости морозостойкости ячеистого бетона от его влажности 68. При влажности ячеистого силиката 49с по массе (эта влажность, как показывают натурные исследования, характерна для поверхностных слоев стен в нормальных температурно влажност пых условиях) первые признаки начала разрушения появятся на Петоне после 2000—3000 циклов замораживания и опаивания. Обработка метеорологических данных свидетельствует, что, например, для Среднего Урала ежегодное количество замораживаний и оттаиваний стен на глубину (0, 0,2) ч, где R термическое сопротивление, может быть принято равным 20. Следовательно, дефекты, вызванные замораживанием и оттаиванием ячеистого бетона, могут появиться в зданиях лишь после 00 лет эксплуатации.Приведенные данные говорят о том, что по сравнению с другими стеновыми материалами автоклавные ячеистые бетоны имеют повышенную морозостойкость, причем этот уровень морозостойкости ячеистых бетонов обеспечивается при наименее благоприятном с точки зрения морозостойкости фазовом составе новообразований цементного камня. Высокую морозостойкость автоклавных ячеистых бетонов обусловливают особенности их структуры пористости. С уменьшением влажности ячеистого бетона морозостойкость его резко возрастает. В частности, при влажности 8% по массе лишь у 20% образцов отмечены признаки появления дефектов к 200 му циклу замораживания и оттаивания. Это делает понятным тот факт, что при натурных обследованиях зданий с нормальным температурно влажностным режимом, несмотря на эксплуатацию этих зданий в течение 35—40 лет, в стенах из мелких ячеистобетон ных блоков, не было обнаружено ни одного дефекта, который бы являлся следствием влияния чередующегося замораживания и оттаивания.Для крупноразмерных изделий влияние чередующегося замораживания и оттаивания может быть более ощутимым вследствие наличия трещин на изделиях и напряжений в бетоне, вызванных действием механических нагрузок, поэтому рассмотрим влияние на морозостойкость трещин и напряженного состояния ячеистого бетона. Состав пеносиликата — тот же, что и в табл. 2, состав газозо лобетона и пенобетона приведен в табл. 7.
Внешние изменения на образцах с трещинами (шелушение бетона, вздутие поверхностного слоя и др.) при их замораживании и оттаивании начинают появляться раньше нежели у образцов без трещин (рис. 5). Снижение морозостойкости бетона, вызванное трещинами, при оценке и по изменению внешнего вида образцов составляет 25—30%. Однако нарушения внешнего вида образцов с трещинами начинаются всегда после того, как они выдержат нормативное количество циклов замораживания и оттаивания. Если же морозостойкость ячеистого бетона невысока, трещины могут привести к разрушению бетона раньше срока, предусмотренного нормами, т.е. ранее 25 циклов замораживания и оттаивания.Исследование влияния напряженного состояния ячеистого бетона на его морозостойкость проводились по методике, разработанной В.М. Москвиным и A.. Подвальным 5. Испытывались образцы балочки размером 5x5x2 см из пеносиликата плотностью 700 кг м3 и прочностью при сжатии 6,9 МПа. Образцы перед испытанием выдерживали в воде в течение 4 сут. После этого определяли начальные характеристики и проводили загружение образцов нагрузкой 0,2; 0,35; 0,5; 0,65 и 0,8 по разрушающей. На каждый срок испытания было приготовлено три сжатых и четыре изгибаемых близнеца. Загружение контролировали по величине сжатия пружин (рис. 6).Динамический модуль упругости и массу определяли после каждых 5 циклов, а остальные показатели после 5, 25, 35 и 50 циклов замораживания и оттаивания образцов.При сжатии усилием, составляющим менее половины разрешающего, динамический модуль упругости образцов изменяется примерно одинаково как у нагруженных, так и у ненагруженных образцов (рис. 7). Конец кривых 4 к 5 соответствует моменту разрушения хотя бы одного из трех образцов. Нагружениё образцов усилием более половины разрушающего приводит к резкому усилению действия агрессивного фактора и разрушению образцов после первых циклов испытаний.В табл. 9 приведены коэффициенты стойкости образцов, испы тывающихся в напряженном состоянии. Коэффициент стойкости определяется как отношение суммы циклов испытаний, которые прошли образцы данной серии до разрушения, к сумме циклов, которые выдержали их ненапряженные близнецы при одинаковом числе образцов в серии. Нагрузка менее 0,35 разрушающей не влияет на стойкость ячеистых бетонов при замораживании и оттаивании. Поскольку нагрузка на самонесущие панели стен жилых и промышленных зданий менее 0,35 разрушающей, напряженное состояние панелей таких стен при оценке их стойкости при действии атмосферных факторов можно не учитывать.А.А. Федин с сотрудниками отметили несколько большее влияние напряженного состояния ячеистого силиката на его морозостойкость 98. Но в этой работе не приводятся данные о прочности испытанных бетонов, в связи с чем нельзя сравнить ее результаты с полученными в наших опытах.Особенности поровой структуры ячеистых бетонов и фазовый состав гидросиликатов, образчющийся при технологических параметрах производства ячеистого бетона, регламентируемых нормами, обеспечивают высокую его морозостойкость. Даже наличие трещин и механическое нагружение не меньшают морозостойкость ячеистого бетона сверх допустимого предела. Однако из этого не следует, что при оценке долговечности ячеистого бетона его морозостойкость не должна приниматься во внимание и что она не л ужинает дальнейшего изучения.
Среди обобщенных нами экспериментальных данных и резуль. l собственных опытов недостаточно сведений о морозостойкости ячеистых бетонов плотностью 500 кг м3 и ниже. Между тем уменьшение плотности ячеистых бетонов является основным на ирлилением технического прогресса в их технологии. Для этих бейтом морозостойкость может быть фактором, контролирующим допустимое по условиям долговечности уменьшение плотности.
При использовании конструкций из ячеистого бетона в районах Крайнего Севера, в производственных сельскохозяйственных п.тнмих. в промышленных зданиях с повышенной влажностью мо ююстойкость ячеистых бетонов является одним из основных ф. К оров, определяющих долговечность конструкции. Поэтому необходимо дальнейшее углубленное исследование механизма p. (рушения ячеистого бетона в зависимости от характера его микро и макроструктуры и интенсивности замораживания и от ыннапия и выяснения надежных путей повышения его морозо сюпкости при особых условиях эксплуатации.