Betongs frostbeständighet - förmågan hos betong i ett vattenmättat eller mättat saltlösningstillstånd att motstå flera cykler av "frys-upptining" utan yttre tecken på förstörelse (sprickor, spån, avskalning av kanterna på proverna), hållfasthetsminskning , förändringar i vikt och andra tekniska egenskaper [1] .
Begreppet frostbeständighet och metoden för testning av frostbeständighet föreslogs först av professor N. A. Belelyubsky 1886 [2] .
För betong som drivs under förhållanden med negativa utomhustemperaturer är frostbeständighet en av de viktigaste egenskaperna som säkerställer hållbarhet [3]
Graden av frostbeständighet hos betong kan fastställas genom laboratorietester av materialprover. En indikator på frostbeständighet är antalet "frys-tina"-cykler tills materialet förlorar prover av en viss massa eller en viss grad av initial styrka.
Betong är ett poröst material, vars porositet i synnerhet beror på införandet av en mängd vatten i betongblandningens sammansättning i överskott för hydratisering av cementmineraler. Om alla porer i betongen var fyllda med vatten, borde den under den första fryscykeln ha kollapsat, eftersom när vatten fryser, på grund av den lägre tätheten av is, måste dragspänningar uppstå i betongens elastiska skelett som avsevärt överstiger dess egen styrka. Förmågan hos riktig betong att motstå förstörelse under upprepad frysning och upptining i ett vattenmättat tillstånd förklaras av närvaron i dess struktur av reservporer som inte är fyllda med vatten, i vilka en del av vattnet pressas ut under frysning under trycket från växande iskristaller [4] .
I processen med cementhärdning i det inledande skedet av bildningen av betongstrukturen bildar blandning av vatten i cementpastan ett system av sammankopplade kapillärporer som är slumpmässigt placerade i hela betongvolymen. När cementhydratiseringen fortskrider minskar den totala och kapillära porositeten hos cementstenen, eftersom volymen som upptas av produkterna från cementhydratiseringen, tillsammans med porerna mellan kristallina neoplasmer (gelporer), är ungefär 2,2 gånger större än den absoluta volymen av cement. icke-hydratiserat cement.
När en viss grad av cementhydratisering uppnås, blir systemet av kapillärporer villkorligt diskret, eftersom kapillärporerna separeras av cementgel, som också har porer, men är mycket mindre. I det här fallet minskar betongens permeabilitet kraftigt. En liknande struktur av porutrymmet i cementstenen av betong inträffar ju tidigare, desto lägre är det initiala vatten-cementförhållandet (W/C).
Samtidigt bildas porer fyllda med luft i betongen. Reaktionen av interaktionen av cement med vatten åtföljs av kemisk sammandragning, eftersom den absoluta volymen som upptas av neoplasmer är mindre än de absoluta volymerna som upptas av cement och vatten, medan volymen av cementsten bör minska. Efter bildandet av ett styvt kristallint ramverk i cementstenen kan dock krympdeformationer på grund av kemisk kontraktion inte uppstå och de minsta kontraktionsporerna uppstår i cementstenen. Dessa porer får omedelbart vatten från större porer och kapillärer, och de senare är delvis uttorkade. Luftporerna som bildas av kemisk sammandragning blir reserv, förutsatt att de kommunicerar med andra liknande porer och kapillärer och den yttre miljön endast genom gelens porer. Sådana reservporer kan inte fyllas med vatten vare sig när betongen är nedsänkt i vatten eller genom kapillärsug.
När betong mättad med vatten fryses, på grund av bildandet och tillväxten av iskristaller, kommer hydrostatiskt tryck att uppstå i den återstående vätskefasen, under påverkan av vilken vattenlösningen kan flytta in i reservporer, vilket eliminerar möjligheten för förekomst och tillväxt av dragspänningar i cementstenen. Förstörelsen av betong i ett tillstånd som är mättat med vatten under upprepad frysning och upptining kan endast ske när alla reservporer är fyllda med vatten eller is som bildas under frysningen. Ju större den relativa volymen reservporer per volymenhet betong är, desto fler frys-upptiningscykler behövs för att orsaka betongförstöring.
Stängd porositet bestämmer tvetydigt betongens frostbeständighet. Detta beror på den ojämna fördelningen av reservporer över volymen av betong, såväl som cementstenens otillräckliga hållfasthet under inverkan av hydrostatiskt tryck.
Mekanismen för gradvis förstörelse av strukturen av betong som utsätts för alternerande frysning och upptining i ett vattenmättat tillstånd är en komplex kombination av destruktiva faktorer, inklusive: istryck under fritt vattenkristallisation; hydrodynamiska effekter under dess rörelse (migrering) under påverkan av en gradient av värme och fuktinnehåll (termisk fuktledningsförmåga); hydrostatiskt tryck av vätska som fångas i återvändsgrändporer och strukturdefekter; spänningar som härrör från skillnaden i temperaturdeformationer av komponenterna i betong och cementsten; trötthet (smått ökande) strukturella defekter från upprepade upprepade alternerande deformationer; en minskning med tiden i koncentrationen av cementhydrolysprodukter lösta i "porvätskan", både på grund av bildandet av vattenolösliga kristallina hydrater (en återspegling av den pågående reaktionen mellan cement och vatten) och på grund av "sugningen" av vätskan genom att utveckla strukturella defekter under provernas upptiningsperiod, vilket ökar innehållet av fritt vatten i volymen av betong, och andra [5] [6] [7] [8] [4] .
Vid användning av kloridsalter-anti-isingsmedel (till exempel under drift av vägytor) eller testsaltlösningar (vid provning av betong för frostbeständighet i en 5% NaCl-lösning), är effekten av de angivna faktorerna på betongen kompletterat med: kristallisationstrycket hos det ackumulerade saltet som bildas som ett resultat av dess övermättnadslösning i små defekter i cementstenens struktur, såväl som i zonerna för dess kontakt med ballast i betong och i porerna (sprickorna) i aggregatkorn; intensifiering av processen för migrering av vätskefasen och en ökning av fuktkapaciteten hos betong; framväxande stressat tillstånd på nivån av cementstenens mikrostruktur på grund av den lokalt manifesterade effekten av temperaturskillnaden (gradient) som åtföljer processen med "fokal" upplösning - saltkristallisation; en minskning av saltlösningens fryspunkt jämfört med vatten, vilket bidrar till att vätskefasen tränger djupt in i strukturella defekter med ett allt mindre tvärsnitt, fördjupar utvecklingen av saltmassaöverföringsprocessen och förstärker effekten av betong förstörelse i allmänhet [9] [10] [11] [12] [13] [14] .
För närvarande tror man att betongens förmåga att motstå cykler av alternerande frysning och upptining bestäms huvudsakligen av strukturen på dess porutrymme, i synnerhet av förhållandet mellan öppna (integrerade) och villkorligt slutna porer.
Den grundläggande metoden för att bestämma frostbeständighet för konventionell betong som inte används i saltvatten är att utföra ett visst antal frys- och upptiningscykler av vattenmättade prover. Frysning utförs i luft, avfrostning - i vatten. Frostbeständighetsgraden bestäms genom att jämföra styrkan hos kontroll-, mellan- och huvudprover. Villkoret för att bevara provernas utseende och vikt [1] måste iakttas .
Den grundläggande metoden för att bestämma frostbeständighet för betong som drivs i mineraliserat vatten skiljer sig genom att mediet för mättnad och avfrostning av prover är en 5% natriumkloridlösning.
Nackdelar med grundläggande metoder för att bestämma frostbeständighetBestämning av överensstämmelse med ett givet märke av betong för frostbeständighet utförs genom att testa prover för tryckhållfasthet [1] . Men när man testar prover från verkliga strukturer som drivs vid växlande temperaturer, finns det ofta fall av nästan fullständig bevarande av den hållfasthet som bestämts vid kompression, medan böj- och draghållfastheterna minskade kraftigt. Detta indikerar att kompressionstestet av konstruktioner utsatta för frost, som används i forskningens praktik, inte alltid återspeglar den verkliga bärförmågan hos konstruktioner som förutom kompression även upplever böjnings- och dragkrafter [4] .
Förmågan att snabbt bestämma sin frostbeständighet på kort tid är avgörande för att erhålla mycket hållbar (mycket frostbeständig) betong. De flesta av de befintliga metoderna för accelererad bestämning och förutsägelse av frostbeständighet har betydande nackdelar. Framför allt är de tidskrävande, kräver speciell utrustning som inte är tillgänglig i konventionella bygglaboratorier, återspeglar inte den fysiska karaktären hos de pågående processerna, och de erhållna resultaten har en betydande avvikelse med resultaten som erhålls under testning genom direktfrysning och upptining (enligt GOST-metoden).
För konventionell betong som inte används i saltvatten, för att påskynda testningen, ersätts blandningsvattnet (och upptiningsmediet) med en 5% natriumkloridlösning (andra accelererad metod); dessutom kan frystemperaturen sänkas från -18 °C till -50 °C (tredje accelererade metoden).
För betong som drivs i mineraliserat vatten påskyndas den tredje metoden.
Nackdelar med accelererade metoder för att bestämma frostbeständighetAccelererade frostbeständighetstestmetoder ännu mindre än de grundläggande återger den verkliga bilden av betongdrift vid tecken-variable temperaturer. Omvandlingen av antalet testcykler som utförs till en frostbeständighetsklass kan göras enligt tabellerna i GOST 10060, men ett regleringsdokument kan inte ta hänsyn till mångfalden av driftsförhållanden för verkliga strukturer gjorda av specifika betongkompositioner.
Betongens frostbeständighet efter provning kan inte bara bedömas genom förändringen i provernas tryckhållfasthet. Kan användas:
- minskning av hastigheten för passage av ultraljud;
- ökning av värdet av deformation av proverna;
- minskning av medelvärdet för den relativa dynamiska elasticitetsmodulen.
Användningen av dessa utvärderingsmetoder kräver dock en preliminär testning för att få en omvandlingsfaktor från standardmetoden till alternativet.
Betongs frostbeständighet beror i första hand på betongblandningens sammansättning och kvaliteten på dess komponenter: vatten-cementförhållande, mineralsammansättning och finhet av cementslipning, gipsinnehåll i cement, kvaliteten på aggregat, egenskaper hos tillsatser som används. Den strukturella densiteten hos den nylagda betongblandningen och förutsättningarna för betonghärdning [4] har stor inverkan .
Betong är ett poröst material, vars porositet i synnerhet beror på införandet av en mängd vatten i betongblandningens sammansättning i överskott för hydratisering av cementmineraler. Om alla porer i betongen var fyllda med vatten, borde den under den första fryscykeln ha kollapsat, eftersom när vatten fryser, på grund av den lägre tätheten av is, måste dragspänningar uppstå i betongens elastiska skelett som avsevärt överstiger dess egen styrka. Förmågan hos riktig betong att motstå förstörelse under upprepad frysning och upptining i ett vattenmättat tillstånd förklaras av närvaron i dess struktur av reservporer som inte är fyllda med vatten, i vilka en del av vattnet pressas ut under frysning under trycket från växande iskristaller [4] .
Införandet av luftindragande tillsatser i betongens sammansättning bidrar till:
- indragning av luft i form av villkorligt stängda porer, dissekera kanalerna för kapillär porositet;
- minskning av värdet av kapillärsugning av betong och dess vattenabsorption;
- manifestationen av effekten av hydrofobisering av väggarna i kapillärer och andra defekter i strukturen av cementsten och betong i allmänhet.
Effektiviteten hos luftindragande tillsatser (särskilt som Sofexil 60-80; ShchSPK och SNV) visar sig endast i det inledande skedet av frostbeständighetstester och följaktligen i det inledande skedet av driften av produkter (strukturer) [5 ] .Efter 5–6 fryscykler vid t ≥ (-50...-55) °C och upptining (vilket motsvarar ≥ 75 cykler av grundläggande tester av betong), börjar hela den fysiska volymen av dess porositet att "fungera" i betong, inklusive artificiellt skapad porositet på grund av luftindragning av tillsatser. Som ett resultat börjar betongens vattenabsorption att öka, volymen vatten som tränger in i dess porer ökar med alla efterföljande destruktiva konsekvenser: ökat tryck när vattnet fryser, tillväxt av alternerande deformationer, ansamling av utmattningsfenomen och ökande saltverkan. Betong förstörs snabbt, eftersom med införandet av dessa tillsatser minskar dess hållfasthet avsevärt (upp till 5% minskning av styrkan för varje andel luft som är involverad), vilket innebär att förmågan att motstå fysiska och mekaniska destruktiva fenomen också minskar.
Luftindragande vattenavvisande tillsatser är mest effektiva i tunga betong av låg klass med en hållfasthet på mindre än 40 ... 50 MPa, dvs med en struktur med en tillräckligt hög öppen porositet, kännetecknad av vattenabsorption av betong utan tillsatser på 4,0 viktprocent eller mer. Luftindragande tillsatser i sådan betong kan ge frostbeständighet upp till F300 [5] .
Den skyddande effekten av innesluten luft ökar med minskande porstorlek. Den mest effektiva porstorleken är 0,3-0,5 mm eller mindre. Av avgörande betydelse är "tillgängligheten" för porerna: det måste finnas en luftpor nära vilken fryspunkt som helst [15] .
Gorchakov G.I. fastställt att betongens frostbeständighet är omvänt proportionell mot dess kapillära porositet, och experimentellt bevisade frostbeständighetens beroende av värdena för graden av hydratisering av cement och W/C .
Ju lägre initial W / C, desto mindre är den initiala radien för kapillärerna, och desto större är möjligheten för deras separation i processen för cementhydratisering med cementgel med bildning av villkorligt slutna porer. Vid W/C>0,68, även med fullständig hydratisering av cementen, är kapillärernas radie så stor att en villkorligt sluten struktur inte bildas - kapillärerna kommunicerar med varandra och med omgivningen. Eftersom cementens hydratiseringsgrad under verkliga förhållanden inte överstiger 90 %, är värdet på W/C, vid vilket en villkorligt diskret struktur inte bildas, 0,62 [4] .
För betong med hög frostbeständighet (F 1 600, F 2 200) bör värdet på W/C inte sättas mer än 0,34 [16] .
Vid höga värden på W / C blockeras inte porerna som bildas av luftindragande tillsatser från alla sidor av cementgel, vilket ökar betongens öppna porositet. Detta fenomen kallas hydrering av luftporer [17] . Införandet av luftindragande tillsatser i betong med hög W/C ökar inte bara frostbeständigheten hos betong, utan kan också minska den.
Användningen av aktiva mineraltillsatser för att binda portlandit till olösliga föreningar med parallell komprimering av strukturen ökar betongens frostbeständighet. Modifiering av de hydratiserade faserna av cementsten med det kombinerade införandet av kiselånga och polykarboxylatmjukgörare främjar bildningen av gelliknande lågbasiska hydratiserade faser som är mer motståndskraftiga mot cykliska temperatureffekter, vilket gör det möjligt att uppnå frostbeständighet hos betong upp till F 2500 utan speciell luftinmatning [18]
Inverkan av den mineralogiska sammansättningen av cement på betongens frostbeständighet studerades av Gorchakov G.I. och Shestoperov S.V.
En ökning av halten trikalciumaluminat C3A påverkar betongens frostbeständighet negativt. För kritiska strukturer är innehållet av C3A i cementklinker standardiserat (av olika tekniska standarder på olika sätt): enligt VSN 150-93 för betong av frostbeständighetsgraderna F200 och F300 - högst 10%, för F400 och F500 - inte mer än 8 % [19] .
Införandet av vattenavvisande tillsatser gör det möjligt att hålla porstrukturen i betong ofyld med vatten så länge som möjligt.