С. А. МИРОНОВ, проф., заслуженный деятель науки и техники РСФСР, Основные виды разрушения бетона морозом

При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений в различных погодно-климатических условиях бетон часто подвергается вредному воздействию мороза, как в раннем возрасте после укладки, так и после затвердевания.

В технической литературе и строительной практике применяют такие термины, как морозное разрушение, морозная деструкция, морозостойкость. морозоустойчивость, морозная деформация и др. Они не всегда соответствуют механизму разрушения и нормативным характеристикам, поэтому целесообразно принять классификацию основных видов морозного разрушения и деформативности бетона.

Первым видом морозного разрушения является его однократное замораживание в раннем возрасте, т. е. до сформирования необратимой структуры, когда в порах и капиллярах замерзает содержащаяся свободная вода (испаряемая при 105°С). Степень разрушения характеризуется снижением прочности, деформативности и изменением внешнего вида. Вторым видом разрушения является нарушение структурной стойкости затвердевшего бетона при многократном, циклическом замораживании-оттаивании в водонасыщенном состоянии. Третьим видом является грещинообразование в конструкциях вплоть до полного нарушения сплошности из-за деформаций при линейном укорочении или объемном сжатии под воздействием низких отрицательных температур (—30...—70 °С).

Первый вид разрушения бетона морозом обусловлен переходом содержащейся в нем воды из жидкого состояния в твердое (объем ее при этом увеличивается на 9,7%), вследствие чего происходят раздвижка твердых составляющих и разуплотнение бетона. Чем раньше происходит замораживание, тем больше нарушается структура и снижается потенциальная прочность бетона.

Для характеристики происходящих процессов при начальном твердении бетона до замерзания условно выделим три периода. Первый — до начала схватывания цемента (бетона), когда он обладает тиксотропными свойствами, с коагуляционной структурой. Второй период — в конце схватывания, когда формируется кристаллизационная структура, происходят интенсивная гидратация и тепловыделение цемента. Поскольку у бетона B/U больше, чем у цементного теста нормальной густоты, истинные сроки схватывания у него увеличиваются.

На первой Всесоюзной конференции по бетону и железобетону в 1930 г. проф. И. А. Киреенко назвал прочность схватившегося бетона критической, зависяший от марок применяемых цементов и классов бетонов, В/Ц, температуры, применяемых заполнителей, химических добавок и др. Позднее И. А. Киреенко, как и американские специалисты, считал возможным допускать замораживание после 36 ч выдержки.

В третьем периоде бетон приобретает необратимую структуру и прочность без нарушения внешнего вида — макроструктуры. Однако в микроструктуре наблюдаются негативные явления, приводящие к некоторому снижению достигаемой им прочности. Чем раньше допустимого срока наступает замерзание бетона в третьем периоде, тем больше недобор его марочной прочности в последующем. Прочность же, при которой после замерзания не наблюдается недобора ее проектной величины, можно назвать критической.

В технических условиях на производство бетонных и железобетонных работ в зимнее время, изданных Главстройпромом Наркомтяжпрома в 1933 и 1934 гг., было установлено, что бетон до замораживания должен приобрести не менее 50 % проектной прочности и не менее 5 МПа. Последнее было связано с тем, что в то время в строительстве применяли бетон марок 70 и 90.

В 1939 г. технические условия по зимнему бетонированию были переработаны, дополнены иллюстративным материалом по назначению режимов тепловлажностной обработки бетонов на цементах различных марок. В 1942 г. с небольшими изменениями они были изданы. В них замораживание бетона ранее достижения им 50% проектной прочности запрещалось независимо от классов. Отмечалось, что более раннее замораживание за счет применения бетонов классов выше указанных в проектах не допускается. Это важное требование актуально до сих пор в связи с дефицитом цемента.

Установленная нормами и практикой степень достаточности выдерживания бетона до замораживания претерпела изменения при составлении СНнП III. 15—76


При бетонировании в вечномерзлых грунтах к моменту полной расчетной нагрузки конструкций бетон должен приобретать 100 % марочной прочности. Бетонирование следует производить по предложенному автором методу термоса с небольшим количеством химических добавок. Устройство монолитных буронабивных свай выполняют без предварительной выдержки и тепловлажностной обработки.

При подборе состава н расчете набора прочности учитывается твердение бетона при температурах, близких к 0 °С. Данный метод оправдал себя при строительстве многоэтажных жилых зданий, здания драматического театра и фундаментов железобетонных дымовых труб в Норильске.

Второй вид морозного разрушения (деструкция второго вида) происходит из-за многократного замораживания-оттаивания бетона в насыщенном водой состоянии. Этот вид разрушения является относительной мерой определения долговечности, стойкости бетона зданий и сооружений, подвергающегося замерзанию и оттаиванию. Способность бетона противостоять многократному замерзанию и оттаиванию характеризует его морозостойкость. Согласно ГОСТу за марку бетона по морозостойкости принимается наибольшее число циклов, которое выдерживает испытываемые образцы установленных размеров без снижения прочности на сжатие более 5 % по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорожного бетона без потери массы — более 5 %. На морозостойкость образцы испытывают не ранее, чем в возрасте 28 сут после выдерживания в камере нормального твердения.

По основному методу у нас в стране замораживание бетона производят при ..температуре —15... —20 °С, а по ускоренному при —50 °С.. Применительно к условиям Крайнего Севера и Дальнего Востока бетон испытывают на морозостойкость при —50 °С, когда вода замерзает в микропорах (до 0,1 мкм), контракционных порах (менее 1000 А). Деструкция второго вида характеризуется, в основном, деформацией бетона из-за многократного замораживания с фазовым переходом воды из жид кого состояния в твердое. Многократные изменения объема воды в порах и капиллярах бетона постепенно расшатывают его структуру. Деформация расширения бетона в этом случае связана также с тем пературным расширением и сжатием цементного камня, льда, со свойствами цемента, В/Ц, введением в бетон химических добавок, особенно воздухововлекающих.

Общепризнанно, что основными факторами влияния на степень морозостойкости бетона являются В/Ц и глубина гидратации цемента. В нормативных документах, учебниках и пособиях обычно рекомендуется для достижения высокой морозостойкости применять бетоны с В/Ц не более 0,35...0,4. Опыты и строительная практика показывают, что с увеличением В/Ц независимо от степени гидратации цемента морозостойкость снижается.

До 50-х годов при проектировании зданий и сооружений основ ное внимание уделяли установлению требуемой прочности бетона,

которая обязательно указывается в проектах. По ней подбирали состав бетона, при этом мало внимания уделяли требованиям к морозостойкости, которая устанавливалась в пределах 35... 150 циклов. Многочисленные случаи морозного разрушения бетона показали, что требования по морозостойкости часто являются определяющими. В современных условиях развития гидротехнического, дорожного, промышленного строительства в зимнее время, особенно в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, требования к бетону по морозостойкости непрерывно повышаются (до 300...400 циклов, а во многих случаях до 500 и более). Для достижения этих целей традиционные способы повышения морозостойкости бетона недостаточны, поэтому рекомендуются различные химические добавки к бетону. Это прежде всего воздухововлекающие добавки отдельно и в комплексе с противоморозными и пластифицирующими, понижающими водопотребность бетона. Делаются попытки разработать методы подбора составов бетона с прогнозированием не только прочности, но и морозостой кости.

Ко второму виду деструкции бетона следует отнести и воздействие циклического замораживания в пределах отрицательных температур от —1...—60 °С и более, без перехода через нуль. В процессе изменения температуры происходит увеличение и уменьшение объема воды (льда), а следовательно, и передвижение их в порах и капиллярах, вплоть до замерзания воды в геле цементного камня. Деструктивные процессы усиливаются с повышением влажности бетона, В/Ц и уменьшением его плотности.

Третий вид разрушений происходит при линейном укорочении протяженных конструкций с появлением сильных морозов (до —30... —60 °С), когда образуются трещины вплоть до нарушения сплошности. Этот вид разрушения характерен для таких конструкций, как ростверки свайных фундаментов, оголовки свай, жестко защемленные конструкции, мостовые балки, бетонные покрытия (аэродромов, дорог) н др.

Во избежание разрушения таких конструкций проектировщики должны предусматривать устройство швов и свободного укорочения элементов конструкций в местах вероятных деформаций по время сильных морозов, иначе конструкции разрушатся по длине или в местах жесткого защемления.

Линейные деформации бетонных и железобетонных конструкций могут происходить и независимо от влагоиасыщения бетона. С этим видом морозного разрушения приходится часто сталкиваться в процессе строительства каркасных зданий и отдельных конструкций монолитных сооружений. При насыщении бетона водой на морозе происходит его расширение, в то время как стальная арматура испытывает температуриое сжатие. В связи с различной деформативностью этих компонентов железобетона, особенно при многократном замерзании н оттаивании, происходит отслаивание бетона защитного слоя арматуры.

От деформации бетона в высушенном состоянии, как и стали марки Ст.З, с понижением температуры до —196 °С практически выражаются прямыми линиями. Замерзание бетона в насыщенном водой состоянии нарушает закон прямолинейной зависимости. Нарушение наблюдается в интервалах —3...—5 °С (иногда до —10 °С и --30...—60 °С. Нарушение в первом интервале, как показали опыты ВНИИФТРИ, происходят при замерзании в самом раннем возрасте. Второй вид нарушения появляется при замерзании затвердевшего бетона в увлажненном состоянии, и чем больше водонасыщение, тем существеннее отклонение от прямолинейной зависимости. Такой характер изменения деформаций обусловлен структурой бетона, свойствами льда. «замерзшей воды и их количественным соотношением. При температуре ниже —60 °С деформации бетонов вновь принимают прямолинейный характер. Вся вода, в том числе и в геле (в контракциониых порах), переходит в лед. Все составляющие бетона находятся в твердофазовом состоянии, поэтому с дальнейшим понижением температуры деформации происходят прямолинейно, в соответствии с коэффициентом температурного сжатия (расширения).

Бетон и железобетон, 1992