Морозостойкость литых бетонов с добавками ПФМ

Литые непластифицированные бетоны имеют сравнительно низкую морозостойкость из-за большого объема капиллярных пор, доступных для замерзающей воды. Некоторого повышения морозостойкости литых бетонов достигают введением в их состав бентонитовой глины, способствующей, по мнению авторов работы [32], образованию микропористой структуры цементного камня и переводу большей части свободной воды в сольватное состояние. Этим обеспечивается незамерзание воды в большей части пор при температуре до —20°С. Однако при дальнейшем снижении температуры это преимущество литых бетонов с бентонитом исчезает, и морозостойкость резко снижается.

Принципиально новые возможности повышения морозостойкости литых бетонов за счет снижения водосодержания смеси и соответственно объема капиллярных пор открывают СП. Воспользовавшись известной формулой объема капиллярных пор [17], нетрудно увидеть, что при постоянной степени гидратации (например, α=0,6) для исследованных составов (см. табл. 16) введение С-3 позволяет уменьшить v_кап на 17...20%. Вывод о том, что СП, являясь эффективным средством повышения подвижности бетонных смесей, вместе с тем не повышают морозостойкости бетонов [47], следует конкретизировать. Он может быть справедлив лишь для смесей с одинаковой водопотребностыо, но не равной подвижности. Экспериментально доказано, что снижение водосодержания при введении в литые бетоны С-3 существенно повышает морозостойкость [59].

Как известно [43], существуют два основных технологических способа повышения морозостойкости: 1) увеличение плотности и уменьшение количества замерзающей воды; 2) создание системы условно замкнутых полостей, заполненных воздухом или газом. Возможности первого способа значительно более ограничены, чем второго. Введение, например, воздухововлекающих добавок, как показывает отечественный и зарубежный опыт [4], позволяет увеличить морозостойкость бетона в 3...5 раз и более. СП нафталинового типа имеют слабое воздухововлекающее действие. В опытах [47] введение С-3 в количестве 0,5% в бетонную смесь с начальной осадкой конуса 2 см вызвало вовлечение дополнительно 1,6% воздуха. В связи с этим для обеспечения высокой морозостойкости литых бетонов рекомендованы ПФМ, содержащие воздухововлекающие компоненты: нейтрализованную воздухововлекающую смолу или талловый пековый клей [47]. При содержании воздуха 4,5...5,5% литые бетоны с добавкой ПФМ после 600 циклов замораживания и оттаивания продолжали наращивать прочность, в то время как без добавок имели марку по морозостойкости Мрз 200.


Нами определена морозостойкость бетонов с добавками ПФМ, содержащими замедлители схватывания, главное назначение которых — увеличение жизнеспособности литых пластифицированных бетонных смесей. Как показано в главе 3, воздухововлекающая способность исследованных ПФМ неодинакова. Наибольшей воздухововлекающей способностью обладают гидрофобизующие добавки типа КО СЖК, меньшей — гидрофилизующие добавки, (СДБ), а затем сахаросодержащпе ПАВ. Неорганические соли — электролиты — не обладают поверхностной активностью и практически не сказываются на воздухововлечении.

Испытания бетонов на морозостойкость проводили по ГОСТ 10060—76 (ускоренный метод, температура — 50°С). Кинетику изменения прочности бетонов по мере циклического замораживания и оттаивания определяли по изменению скорости прохождения ультразвука на приборе УК-10П (табл. 28 и рис. 35). Анализ показывает, что введение в бетоны ПФМ, содержащих композиции СП и ПАВ — замедлители схватывания, приводит к заметному увеличению морозостойкости по сравнению с бетонами, содержащими добавку лишь одного СП. При этом повышение морозостойкости определенным образом коррелируется с дополнительным воздухововлечением. Вместе с тем строгой пропорциональности здесь не обнаружено, что, по-видимому, связано с особенностями модифицирования добавками ПФМ пористой структуры бетонов.


Наряду с экспериментальным определением морозостойкости литых бетонов представляет интерес их аналитическое прогнозирование на основе известных теоретических представлений о взаимосвязи этого свойства и структурных параметров бетона. Наиболее обстоятельный анализ методов прогнозирования морозостойкости бетона выполнен в [30]. Большинство исследователей, изучавших взаимосвязь морозостойкости и структурных параметров, пришли к выводу о решающем влиянии на этот показатель долговечности бетона соотношения объемов закрытых условно-замкнутых и открытых, доступных для воды пор. Одним из первых структурных параметров морозостойкости бетона является степень насыщения [67]



где v_э.в — объем замерзающей воды; v_в — объем воздуха в единице объема бетона. Установлено [67, 68], что бетон имеет высокую морозостойкость при С_н<0,88, т. е. в том случае, когда объем резервных пор превышает возможное приращение объема воды во время перехода ее в лед. При С_н>0,91 отмечено быстрое разрушение бетона в случае циклического замораживания и оттаивания.

В исследованиях [17, 64] установлено, что при постоянном воздухосодержании, кроме объема капиллярных пор, на морозостойкость определяюще влияет соотношение контракционной и капиллярной пористости. В соответствии с современными представлениями [12, 15], мельчайшие поры, обусловленные контракцией, являются составной частью гелевых пор и сами не выполняют роль демпферов, характерную для воздушных пузырьков, вовлеченных ПАВ. Имея большой капиллярный потенциал, они отсасывают воду из более крупных капиллярных пор, в результате чего часть последних обезвоживается и блокируется цементным гелем. Именно эти вторичные поры, заполненные паровоздушной смесыо, входят наряду с воздухом, эмульгированным в бетонной смеси добавками ПАВ, в общий объем резервных пор [12].

Действующим ГОСТ 10060—76 для прогнозирования морозостойкости на стадии проектирования состава бетонной смеси предложен компенсационный фактор [42]


где v_в — объем остаточного воздуха в уплотненной смеси, включая защемленный и эмульгированный виды воздуха, л/м³; v_к — объем воздушных пор в бетоне, обусловленных контракцией; v_л — объем льда в бетоне при стандартном методе испытания морозостойкости.


Отражая в целом известные теоретические предпосылки, компенсационный фактор как критерий морозостойкости бетона обладает рядом недостатков, справедливо отмеченных в литературе [23]. К таким недостаткам относят прежде всего недифференцированный учет пор, образованных вовлеченным воздухом. В [5, 10] предполагается, что на морозостойкость бетона положительно влияют не только поры, образованные воздухом, эмульгированным ПАВ, но и поры, образованные воздухом, оставшимся в бетонной смеси в результате недоуплотнения, а также засасывания в бетонную смесь в процессе уплотнения. Между тем, как показано в [23, 24, 63, 64], эти виды воздушных пор качественно разнородны. Роль демпферов, ослабляющих давление замерзающей воды, выполняют поры размером 50...500 мкм. Именно такие поры образуют воздухововлекающие микропенообразующие добавки [58]. Их удельная поверхность колеблется в интервале 1440...2090 см^-1. Положительному влиянию этих пор на стойкость бетона способствует их гндрофобизация добавками ПАВ. Гидрофобная пленка на поверхности раздела воздух—вода препятствует попаданию воды в поры и снижает степень насыщения бетона.

Воздушные включения, случайно защемленные в бетоне при недоуплотнении, имеют размер до 0,13 см и удельную поверхность менее 760 см^-1. В отличие от воздушной эмульсии, образованной ПАВ, они неупорядочены, способны легко слипаться и не гидрофобизуют стенки капилляров. Экспериментальные исследования [63, 64] убедительно показали, что поры недоуплотнения снижают морозостойкость и по своему характеру могут быть отнесены к капиллярным.

Третий вид воздушных пор в бетоне образуется воздухом, защемленным в бетонной смеси при уплотнении. Засасывание воздуха обусловлено сдвигом фаз вынужденных колебаний опалубки и бетона в процессе вибрирования. Вследствие этого между стенкой формы и бетоном образуется разреженное пространство, куда устремляется воздух. При оптимальном времени уплотнения объем этого защемленного воздуха обусловлен удобоукладываемостью бетонной смеси и максимальной крупностью заполнителя [27]. Для литых бетонов с осадкой конуса 20 см и выше он не превышает 0,5...1%. С уменьшением подвижности и крупности заполнителя объем защемленного воздуха возрастает и может достичь 2...3%, а для мелкозернистых бетонов — и более высоких значений. 70...80% пор, образованных защемленным воздухом, имеет размер 500...1000 мкм [24], т. е. находится в диапазоне неоптимальных размеров с позиций морозостойкости. При этом характерно, что введение воздухововлекающих ПАВ не изменяет количества и размеров пор, образованных защемленным воздухом.


Вторым недостатком предложенного в ГОСТ 10060—76 компенсационного фактора является неучет степени гидратации в расчетных формулах контракционной и капиллярной пористости. Объем этих пор рекомендуется соответственно вычислять по формулам (в%)


где Ц — расход цемента, кг/м³; ρ_ц, ρ_в — плотность цемента и воды кг/м³. Исключение степени гидратации загрубляет прогноз морозостойкости бетона особенно в тех случаях, когда требуется учесть возраст бетона, активность цемента и влияние различных добавок, сказывающихся на скорости гидратации цемента. Неучет степени гидратации цемента возможен, если по априорной информации можно предполагать, что в процессе стандартных испытаний морозостойкости этот показатель существенно не изменяется.

Для связи компенсационного фактора с морозостойкостью бетона в ГОСТ 10060—76 предложены специальные таблицы отдельно для бетонов без воздухововлекающих и отдельно с воздухововлекающими ПАВ. Неодинаковую морозостойкость бетонов при одинаковых составах и содержаниях воздуха подтверждает приведенный выше вывод о целесообразности дифференцирования воздушных пор при прогнозировании морозостойкости.

В [23, 63] предприняты попытки усовершенствовать структурный критерий морозостойкости. Так, для критерия морозостойкости предложено выражение [63]


где П_уз=v_к+v_в — суммарная условно-замкнутая пористость, образованная вовлеченным воздухом и контракцией; П_н — интегральная (открытая) пористость.


Физическая направленность этого критерия ясна. Он исходит из предположения, что морозостойкость бетона будет обеспечена в том случае, когда объем условно-замкнутых пор будет достаточен, чтобы компенсировать возможное приращение объема воды при переходе ее в лед. Интегральную пористость находят как разность между общей и условно-замкнутой пористостью [63], т. е. она включает собственно капиллярные поры и поры геля. В реальном диапазоне отрицательных температур вода в гелевых порах в лед не переходит [17] и гелевая пористость на морозостойкость практически не влияет. В связи с этим выражение критерия морозостойкости бетона целесообразно записывать в виде [23]


где v_э — объем воздуха, эмульгированного добавкой ПАВ; v_кап — объем капиллярных пор.

Отношение (v_к+v_э)/v_кап считают модифицированным компенсационным фактором [24, 27, 28]. Объем эмульгированного воздуха можно находить по разности' объемов суммарного вовлечения воздуха, определенного стандартным компрессионным методом, и защемленного воздуха, установленного по экспериментальным графическим зависимостям (рис. 36) [23].

Объем контракционных и капиллярных пор удобно находить по формулам Г. И. Горчакова [17]. При этом объем собственно капиллярных пор, образованных избыточно испаряемой водой, целесообразно суммировать с объемом пор, образованных в результате недоуплотнения:


где К_у — коэффициент уплотнения бетонной смеси.

В табл. 28 наряду с экспериментальными приведены расчетные значения морозостойкости, определенные по уравнению показательной функции [23]:


При расчете модифицированного компенсационного фактора значения степени гидратации принимали по данным, полученным ранее при исследовании гидратации цементного камня с добавками ПФМ. Эти данные показали, что к возрасту 28 сут степень гидратации цементов с исследованными композиционными добавками выравнивается и применительно к использованному среднеалюминатному портландцементу Здолбуновского ЦШК может быть принята α=0,6.

Обработка экспериментальных данных показала, что при одних и тех же заполнителях значения коэффициента К (5.16) оказываются различными в зависимости от вида ПФМ: для бетонов без добавок, а также с добавками С-З, C-3+Na₃PO₄ и C-3+Na₂B₄O₇ K=150; С-З+СДБ и С-З+КО СЖК К= 170; С-З+КП, С-З+МС и С-З+ИСС К=185. Это, по-видимому, можно объяснить особенностями воздушно-поровой и кристаллизационной структуры, формируемой в бетонах различной природы. При сравнительно невысоком общем воздухововлечении бетоны с сахаросодержащими ПФМ показали достаточно высокую морозостойкость, что подтверждается экспериментальными данными и других авторов [49]. В целом анализ экспериментальных и расчетных данных табл. 28 показывает их достаточно удовлетворительную сходимость.

При возможности экспериментального определения структурных параметров для прогнозирования морозостойкости бетонов с добавками различных классов эффективно использовать критерий [30]


где П_и — открытая пористость; П_р — условно-замкнутая пористость бетона; F_t и F_-10°С — объемное содержание льда при температуре испытания на морозостойкость и при —10°С.

Опыты [30] с бетонами, содержащими разные индивидуальные и комплексные добавки, показали, что между морозостойкостью образцов, определенной по ГОСТ 10060—76, и критерием КМ имеется четко выраженная линейная зависимость.