Mrazuvzdornost betonu - schopnost betonu ve stavu vodou nasyceného nebo nasyceného solného roztoku odolat vícenásobným cyklům "zmrazování-rozmrazování" bez vnějších známek destrukce (trhliny, třísky, odlupování okrajů vzorků), snížení pevnosti , změny hmotnosti a další technické vlastnosti [1] .
Koncept mrazuvzdornosti a způsob testování mrazuvzdornosti poprvé navrhl profesor N. A. Belelyubsky v roce 1886 [2] .
U betonů provozovaných v podmínkách negativních venkovních teplot je mrazuvzdornost jednou z nejdůležitějších vlastností zajišťujících trvanlivost [3]
Stupeň mrazuvzdornosti betonu lze zjistit laboratorním testováním vzorků materiálů. Ukazatelem mrazuvzdornosti je počet cyklů "zmrazení-rozmrazení", dokud materiál neztratí vzorky určité hmotnosti nebo určitého stupně počáteční pevnosti.
Beton je porézní materiál, jehož pórovitost je způsobena zejména přiváděním množství vody do složení betonové směsi v přebytku pro hydrataci cementových minerálů. Pokud by byly všechny póry v betonu vyplněny vodou, pak by se měl během prvního zmrazovacího cyklu zbortit, protože při zamrzání vody musí v důsledku nižší hustoty ledu vznikat v pružném skeletu betonu tahová napětí, která výrazně převyšují jeho vlastní sílu. Schopnost skutečného betonu odolávat destrukci při opakovaném zmrazování a rozmrazování ve stavu nasyceném vodou se vysvětluje přítomností rezervních pórů, které nejsou vyplněny vodou, do kterých je část vody vytlačena při zmrazování pod vodou. tlak rostoucích ledových krystalků [4] .
V procesu tvrdnutí cementu v počáteční fázi tvorby betonové struktury tvoří záměsová voda v cementové pastě systém vzájemně propojených kapilárních pórů náhodně umístěných v celém objemu betonu. Jak postupuje hydratace cementu, celková a kapilární pórovitost cementového kamene klesá, protože objem, který zaujímají produkty hydratace cementu, je spolu s póry mezi krystalickými novotvary (gelové póry) přibližně 2,2krát větší než absolutní objem nehydratovaný cement.
Při dosažení určitého stupně hydratace cementu se systém kapilárních pórů stává podmíněně diskrétním, protože kapilární póry jsou odděleny cementovým gelem, který má také póry, ale je mnohem menší. V tomto případě propustnost betonu prudce klesá. Podobná struktura pórového prostoru v cementovém kameni betonu nastává, čím dříve, čím nižší je počáteční vodní součinitel (W/C).
Zároveň se v betonu tvoří póry naplněné vzduchem. Reakce interakce cementu s vodou je doprovázena chemickou kontrakcí, protože absolutní objem obsazený novotvary je menší než absolutní objem obsazený cementem a vodou, zatímco objem cementového kamene by se měl snížit. Po vytvoření tuhé krystalické struktury v cementovém kameni se však nemohou projevit smršťovací deformace v důsledku chemické kontrakce a v cementovém kameni se objevují nejmenší smršťovací póry. Tyto póry okamžitě přijímají vodu z větších pórů a kapilár a ty jsou částečně dehydratovány. Vzduchové póry vzniklé chemickou kontrakcí se stávají rezervou za předpokladu, že komunikují s dalšími podobnými póry a kapilárami a vnějším prostředím pouze přes póry gelu. Takové rezervní póry nelze zaplnit vodou ani při ponoření betonu do vody, ani kapilárním sáním.
Při zmrznutí betonu nasyceného vodou vzniká v důsledku tvorby a růstu ledových krystalků ve zbylé kapalné fázi hydrostatický tlak, pod jehož vlivem se vodný roztok může přesunout do rezervních pórů, čímž se eliminuje možnost vzniku a růst tahových napětí v cementovém kameni. K destrukci betonu ve stavu nasyceném vodou při opakovaném zmrazování a rozmrazování může dojít pouze tehdy, když jsou všechny rezervní póry vyplněny vodou nebo ledem vzniklým při jeho zmrazování. Čím větší je relativní objem rezervních pórů na jednotku objemu betonu, tím více cyklů zmrazování a rozmrazování je zapotřebí k destrukci betonu.
Uzavřená pórovitost nejednoznačně určuje mrazuvzdornost betonu. Je to způsobeno nerovnoměrným rozložením rezervních pórů v objemu betonu a také nedostatečnou pevností cementového kamene při působení hydrostatického tlaku.
Mechanismus postupné destrukce struktury betonu vystaveného střídavému zmrazování a rozmrazování ve stavu nasyceném vodou je komplexní kombinací destruktivních faktorů, včetně: tlaku ledu při krystalizaci volné vody; hydrodynamické účinky při jeho pohybu (migraci) vlivem gradientu obsahu tepla a vlhkosti (tepelná vodivost vlhkosti); hydrostatický tlak kapaliny zachycené ve slepých pórech a strukturních defektech; napětí vznikající rozdílem teplotních deformací složek betonu a cementového kamene; únavové (postupně narůstající) strukturální vady z opakovaně opakovaných střídavých deformací; časem pokles koncentrace produktů hydrolýzy cementu rozpuštěných v „pórové“ kapalině, a to jak v důsledku tvorby ve vodě nerozpustných krystalických hydrátů (odraz probíhající reakce cementu s vodou), tak v důsledku „sání“ kapaliny rozvojem strukturních defektů během rozmrazování vzorků, což zvyšuje obsah volné vody v objemu betonu a další [5] [6] [7] [8] [4] .
V případě použití chloridových solí-protinámrazových prostředků (například při provozu vozovek) nebo zkušebních solných roztoků (při zkoušení mrazuvzdornosti betonu v 5% roztoku NaCl) je vliv uvedených faktorů na beton doplněno o: krystalizační tlak nahromaděné soli vzniklý v důsledku jejího přesycení v malých defektech ve struktuře cementového kamene, jakož i v zónách jeho kontaktu s kamenivem v betonu a v pórech (trhlinách) betonu zrna kameniva; zintenzivnění procesu migrace kapalné fáze a zvýšení vlhkosti betonu; vznikající namáhaný stav na úrovni mikrostruktury cementového kamene v důsledku lokálně se projevujícího vlivu teplotního rozdílu (gradientu), který doprovází proces „fokálního“ rozpouštění – krystalizace solí; snížení bodu tuhnutí solného roztoku ve srovnání s vodou, což přispívá k hlubokému pronikání kapalné fáze do strukturních defektů stále menšího průřezu, prohlubuje rozvoj procesu přenosu solné hmoty a zvyšuje účinek betonu ničení obecně [9] [10] [11] [12] [13] [14] .
V současnosti se má za to, že schopnost betonu odolávat cyklům střídavého zmrazování a rozmrazování je dána především strukturou jeho pórového prostoru, zejména poměrem otevřených (integrálních) a podmíněně uzavřených pórů.
Základní metodou pro stanovení mrazuvzdornosti u konvenčních betonů neprovozovaných ve slané vodě je provedení určitého počtu cyklů zmrazování a rozmrazování vzorků nasycených vodou. Zmrazování se provádí na vzduchu, rozmrazování - ve vodě. Stupeň mrazuvzdornosti se stanoví porovnáním pevnosti kontrolních, středních a hlavních vzorků. Musí být dodržena podmínka zachování vzhledu a hmotnosti vzorků [1] .
Základní metoda stanovení mrazuvzdornosti u betonů provozovaných v mineralizované vodě se liší tím, že médiem pro sycení a rozmrazování vzorků je 5% roztok chloridu sodného.
Nevýhody základních metod stanovení mrazuvzdornostiStanovení shody s danou značkou betonu na mrazuvzdornost se provádí zkušebními vzorky na pevnost v tlaku [1] . Při zkoušení vzorků z reálných konstrukcí provozovaných při střídavých teplotách však často dochází k případům téměř úplného zachování pevnosti stanovené v tlaku, přičemž pevnost v ohybu a v tahu prudce poklesla. To naznačuje, že tlaková zkouška konstrukcí vystavených mrazu, přijatá v praxi výzkumu, ne vždy odráží skutečnou únosnost konstrukcí, které kromě tlakových působí také ohybové a tahové síly [4] .
Pro získání vysoce odolných (vysoce mrazuvzdorných) betonů je nezbytná schopnost rychlého stanovení jejich mrazuvzdornosti v krátké době. Většina existujících metod pro urychlené stanovení a predikci mrazuvzdornosti má značné nevýhody. Jsou zejména časově náročné, vyžadují speciální vybavení, které není k dispozici v běžných stavebních laboratořích, neodráží fyzikální podstatu probíhajících procesů a získané výsledky mají značný rozpor s výsledky získanými při testování přímým zmrazením a rozmrazování (podle metody GOST).
U konvenčních betonů, které se nepracují ve slané vodě, je pro urychlení testování záměsová voda (a rozmrazovací médium) nahrazena 5% roztokem chloridu sodného (druhá zrychlená metoda); navíc lze teplotu mrazení snížit z -18 °C na -50 °C (třetí zrychlená metoda).
U betonů provozovaných v mineralizované vodě je zrychlen třetí způsob.
Nevýhody zrychlených metod stanovení mrazuvzdornostiZrychlené zkušební metody mrazuvzdornosti ještě méně než ty základní reprodukují skutečný obraz provozu betonu při znaménkově proměnných teplotách. Přepočet počtu provedených zkušebních cyklů na stupeň mrazuvzdornosti lze provést podle tabulek GOST 10060, avšak jeden regulační dokument nemůže brát v úvahu různé provozní podmínky pro skutečné konstrukce vyrobené ze specifických betonových kompozic.
Mrazuvzdornost betonu po testování lze posoudit nejen změnou pevnosti vzorků v tlaku. Může být použito:
- snížení rychlosti průchodu ultrazvuku;
- zvýšení hodnoty deformace vzorků;
- pokles průměrné hodnoty relativního dynamického modulu pružnosti.
Použití těchto metod hodnocení však vyžaduje předběžné testování, aby se získal konverzní faktor ze standardní metody na alternativní.
Mrazuvzdornost betonu závisí především na složení betonové směsi a kvalitě jejích složek: vodní poměr, minerální složení a jemnost mletí cementu, obsah sádry v cementu, kvalita kameniva, vlastnosti použitých přísad. Velký vliv má strukturní hustota čerstvě položené betonové směsi a podmínky tvrdnutí betonu [4] .
Beton je porézní materiál, jehož pórovitost je způsobena zejména přiváděním množství vody do složení betonové směsi v přebytku pro hydrataci cementových minerálů. Pokud by byly všechny póry v betonu vyplněny vodou, pak by se měl během prvního zmrazovacího cyklu zbortit, protože při zamrzání vody musí v důsledku nižší hustoty ledu vznikat v pružném skeletu betonu tahová napětí, která výrazně převyšují jeho vlastní sílu. Schopnost skutečného betonu odolávat destrukci při opakovaném zmrazování a rozmrazování ve stavu nasyceném vodou se vysvětluje přítomností rezervních pórů, které nejsou vyplněny vodou, do kterých je část vody vytlačena při zmrazování pod vodou. tlak rostoucích ledových krystalků [4] .
Zavedení provzdušňovacích přísad do složení betonu přispívá k:
- strhávání vzduchu ve formě podmíněně uzavřených pórů, disekujících kanálky kapilární pórovitosti;
- snížení hodnoty kapilárního sání betonu a jeho nasákavosti;
- projev vlivu hydrofobizace stěn kapilár a jiných poruch ve struktuře cementového kamene a betonu obecně.
Účinnost provzdušňovacích přísad (zejména Sofexil 60-80; ShchSPK a SNV) se projevuje pouze v počáteční fázi zkoušek mrazuvzdornosti, a tedy v počáteční fázi provozu výrobků (konstrukcí) [5 ] .Po 5–6 zmrazovacích cyklech při t ≥ (-50...-55) °C a rozmrazování (což odpovídá ≥ 75 cyklům základních zkoušek betonů) začíná „pracovat“ celý fyzikální objem jeho pórovitosti. v betonu, včetně uměle vytvořené pórovitosti v důsledku provzdušnění přísad. V důsledku toho se začíná zvyšovat nasákavost betonu, zvětšuje se objem vody pronikající do jeho pórů se všemi z toho plynoucími destruktivními důsledky: zvyšujícím se tlakem při zamrzání vody, růstem střídavých deformací, hromaděním únavových jevů a zvyšujícím se působením solí. Beton se rychle ničí, protože zavedením těchto přísad se jeho pevnost výrazně snižuje (až 5% snížení pevnosti na každé procento obsaženého vzduchu), což znamená, že se také snižuje schopnost odolávat fyzikálním a mechanickým destruktivním jevům.
Provzdušňovací vodoodpudivé přísady jsou nejúčinnější v těžkých betonech nízkých tříd s pevností menší než 40 ... 50 MPa, tedy se strukturou s dostatečně vysokou otevřenou pórovitostí, vyznačující se nasákavostí betonu bez přísad 4,0 % nebo více hmotnostních. Provzdušňovací přísady v takových betonech jsou schopny zajistit mrazuvzdornost až F300 [5] .
Ochranný účinek strhávaného vzduchu se zvyšuje se zmenšující se velikostí pórů. Nejúčinnější velikost pórů je 0,3-0,5 mm nebo méně. Rozhodující význam má „dostupnost“ pórů: blízko jakéhokoli bodu mrazu musí být vzduchový pór [15] .
Gorčakov G.I. prokázali, že mrazuvzdornost betonu je nepřímo úměrná jeho kapilární pórovitosti, a experimentálně prokázali závislost mrazuvzdornosti na hodnotách stupně hydratace cementu a W/C .
Čím nižší je počáteční W / C, tím menší je počáteční poloměr kapilár a tím větší je možnost jejich oddělení v procesu hydratace cementu cementovým gelem s tvorbou podmíněně uzavřených pórů. Při W/C>0,68 je i při úplné hydrataci cementu poloměr kapilár tak velký, že nevzniká podmíněně uzavřená struktura - kapiláry komunikují mezi sebou i s okolím. Protože v reálných podmínkách stupeň hydratace cementu nepřesahuje 90 %, je hodnota W/C, při které nevzniká podmíněně diskrétní struktura, 0,62 [4] .
Pro beton s vysokou mrazuvzdorností (F 1 600, F 2 200) by měla být hodnota W/C nastavena maximálně na 0,34 [16] .
Při vysokých hodnotách W/C nejsou póry tvořené provzdušňovacími přísadami ze všech stran blokovány cementovým gelem, čímž se zvyšuje otevřená pórovitost betonu. Tento jev se nazývá hydratace vzduchových pórů [17] . Zavádění provzdušňovacích přísad do betonů s vysokým W/C nejen že nezvyšuje mrazuvzdornost betonu, ale může ji i snižovat.
Použití aktivních minerálních přísad k navázání portlanditu do nerozpustných sloučenin s paralelním zhutněním struktury zvyšuje mrazuvzdornost betonu. Úprava hydratovaných fází cementového kamene kombinovaným přidáním křemičitého úletu a polykarboxylátového změkčovadla podporuje tvorbu gelovitých nízkobazických hydratovaných fází, které jsou odolnější vůči cyklickým teplotním vlivům, což umožňuje dosáhnout mrazuvzdornosti betonu. do F 2500 bez speciálního strhávání vzduchu [18]
Vliv mineralogického složení cementu na mrazuvzdornost betonu studoval Gorchakov G.I. a Shestoperov S.V.
Zvýšení obsahu trikalciumhlinitanu C3A nepříznivě ovlivňuje mrazuvzdornost betonu. Pro kritické konstrukce je obsah C3A v cementovém slínku standardizován (různými technickými normami různými způsoby): podle VSN 150-93 pro beton třídy mrazuvzdornosti F200 a F300 - ne více než 10%, pro F400 a F500 - ne více než 8 % [19] .
Zavedení vodoodpudivých přísad umožňuje udržet strukturu pórů betonu nenaplněnou vodou po co nejdelší dobu.