Влияние морозостойкости крупного заполнителя на морозостойкость бетона
Морозостойкость гравия, щебня, гальки, булыги, которые используют в качестве крупного заполнителя в бетоне, имеет решающее значение при их выборе для зон конструкций (сооружений), работающих в условиях многократного попеременного воздействия воды и отрицательных температур. Опыт показывает, что в одних случаях цементный камень защищает от разрушения неморозостойкий гравий (щебень), а в других разрушение бетона непосредственно связано с разрушением неморозостойких зерен крупного заполнителя, т. е. защитная роль цементного камня носит временный характер.
В каждом из указанных случаев необходимо учитывать плотность цементного камня и длительность насыщения бетона водой, которая различна для бетонов разного состава и условий твердения. Насыщение гравия (щебня) водой происходит через цементный камень. По указанным причинам при одинаковом количестве неморозостойких зерен в одном случае сначала начинают разрушаться такие зерна и морозостойкая растворная часть бетона, з другом — в начале разрушается неморозостойкий раствор, а затем неморозостойкие зерна крупного заполнителя. Следовательно, в зависимости от плотности раствора в бетонах на неморозостойком гравии (щебне) наблюдается разное разрушение.
При совместном действии воды и мороза монолитность бетона нарушается тем в большей степени и тем позднее, чем больше неморозостойких зерен и плотнее цементный раствор. Опыты показывают, что защитное действие любого слоя, наложенного на поверхность бетона, только тогда эффективно, когда сам слой непроницаем для воды (не пропускает ее). По этой причине нанесение торкретного слоя цементного раствора лишь отдаляет сроки насыщения зерен гравия (щебня) водой, следовательно, отдаляет разрушение бетона, но не предотвращает его.
Опыты по защите -бетона битумной пленкой показали, что при понижении температуры воздуха эти пленки становятся хрупкими, начинают отслаиваться и терять сплошность, что приводит к постепенному насыщению бетона водой и разрушению. Такой же отрицательный результат получен при покраске или пропитке образцов бетона этинолевым лаком.
Для определения капиллярного подсоса и испарения в цементном камне разной структуры (в данном случае с различными капиллярами) было изготовлено четыре состава цементного камня В/Ц=0,35 из мелкоалюминатного клинкера без гипса, с гипсом, без гипса со стандартным содержанием минеральных добавок и соответственно каждый яз них с 30% микроналолнителя; образцы цементного камня до испытания твердели 7 сут. в нормально влажных условиях; образцы 7-суточного твердения при температуре —20° С подвергали высушиванию до постоянной массы, последующему капиллярному насыщению и повторному высушиванию при различных температурах +20, —5, —20° С.
Опыт показал, что как при отрицательных, так и положительных температурах для образцов с крупными капиллярами одинаков эффект от испарения воды и отличается от образцов, в которых образована коагуляционная структура гидроалюмината (в этом случае быстрее испаряется вода при положительных температурах). Введение в цемент микронаполнителя увеличивает расстояние между флокулами зерен цемента любого состава, в том числе и без гипса, когда образуются коагуляционные структуры из трех-кальциевого алюмината. При любых температурах вода испаряется значительно быстрее в цементах с микронаполнителем при отсутствии в нем коагуляционных структур; капиллярный подсос протекает быстрее и полнее в образцах с микронаполнителем; при повторных циклах вследствие систематического углубления процесса гидролиза и гидратации цемента количество удаляемой из образца воды уменьшается, т. е. цементный камень постепенно уплотняется.
Указанный пример приведен для иллюстрации значения капилляров для насыщения водой влагоемких пород гравия (щебня); он не связывается нами со сроками насыщения пород при длительных многократных циклах испытания бетона. Для цементов с разными минеральными добавками (цементы № 2, 5) насыщение зерен гравия с высокой влагоемкостью произошло быстрее, чем в бетонах без минеральных микронаполнителей, следовательно, по этой причине произошло разрушение бетона в виде отслоения от образца растворной части.
Различие в скорости насыщения бетона водой связано с условиями длительного попеременного замораживания и оттаивания, вследствие того что из-за систем этического накапливания воды в неморозостойких зернах гравия (щебня) происходит разрушение бетона любого состава и на любом цементе, в данном случае по причине наличия неморозостойких разностей крупного каменного материала. Здесь надо различать условия службы материала в различных конструкциях, которые в нашем опыте не моделируются. В рассматриваемом примере образец насыщается водой после каждого цикла замораживания и оттаивания. В натуральных условиях, например в дорожных и аэродромных покрытиях, после обводнения дождевой водой из бетона перед замораживанием происходит испарение воды. В плитах откосов каналов, в гидротехнических или мостовых конструкциях, находящихся в переменном горизонте воды, а также на глубине промерзания для неморозостойкого гравия (щебня) лабораторные опыты близки к указанным случаям службы бетона, что надо учитывать при решении вопроса о допустимости использования крупного заполнителя. В бетонах для инженерных конструкций, рассчитываемых на длительный период службы, применяется плотный раствор, поэтому оба случая различия в водонасыщении неморозостойких зерен крупного заполнителя не имеют практического значения.
Действительно, в любом из случаев, в плотном растворе бетона из-за частичного испарения воды постепенно накапливается влага в неморозостойких зернах крупного заполнителя, следовательно, разрушение бетона из-за разрушения таких зерен связано лишь со скоростью водонасыщения или с числом циклов замораживания и насыщения водой после оттаивания. Итак, этот процесс для одних и тех же бетонов определяется климатическими условиями, в которых находится конструкция (сооружение).
Рассмотрим некоторые случаи разрушения растворной части при наличии в бетонах неморозостойких влагоемких включений. Были поставлены опыты по замораживанию и оттаиванию растворных образцов-кубиков: из затвердевшего гидратированного трехкальциевогб алюмината, гидросульфоалюмината, гидратированного алюмоферрита и спрессованного на основе с. с. б. молотого известняка. Для растворной части использован цемент с низким содержанием минерала С3А. Раствор готовился двух составов — 1 : 2 и 1:4, одной подвижности в 137—140 мм и с В/Ц соответственно 0,30 и 0,57. Внутрь раствора заделывались кубики размером 1X1X1, кубики из раствора имели размер ребра 7,07 см. Эталонами служили аналогичные составы раствора, но без заделанных внутрь кубиков.
Эти опыты приближенно моделируют поведение влагоемких пород (верен гравия и щебня) в плотном растворе бетонов. В этих опытах с полной очевидностью вновь подтвердилось влияние коагуляционных структур гидратированного трехкальциевого алюмината на скорость водонасыщения влагоемких и неморозостойких включений в растворе. В серии опытов с такими включениями растворные образцы изготавливались без гипса и с 3 и 5% гипса. Образцы на высокоалюминатном цементе с 5% гипса после 140 циклов не имели видимых трещин.
Для оценки состояния заделанных влагоемких кубиков после 50 и 130 циклов испытания образцы раскалывали и проверяли влажность маленьких кубиков из гидратированного трехкальциевого алюмината. Влажность этих образцов оказалась в среднем равной 5% от их массы, т. е. влагонасыщение в пределах указанных циклов испытания не изменилось, и они не потеряли прочности.
Образцы на безгипсовом цементе уже через несколько циклов испытания начали покрываться трещинами и спустя 15—25 циклов теряли форму, распадаясь на куски. Каждый кусочек такого растворного, образца был прочен и достаточный период времени не разрушался при дальнейшем испытании на совместное действие воды и мороза. Причиной разрушения кубика из раствора является во-донасыщение (доходящее до 13%) заделанного в раствор кубика, который превратился при водонасыщении в бесформенный влажный, мягкий и пластичный материал. При рассмотрении разрушенных растворных кубиков внутри оказалась разжиженная масса белого цвета из гидратированного трехкальциевого алюмината, близкая по состоянию к разрушенным образцам мягкого известняка. Разрушение кубиков на стандартных цементах происходит за больший период времени. При заделке кубиков из гидросульфо-алюмината также происходит разрушение. Однако в этом случае, как и при заделке кубиков из синтетического алюмоферрита, скорость разрушения зависит от глубины заделки такого кубика от поверхности растворного образца. Трещины на растворных образцах появились через 40—175 циклов. Эталонные растворные образцы, не содержащие влагоемких, деформирующихся при изменении влажности материалов, в зависимости от состава раствора не разрушались в течение различного по длительности периода испытаний.
Сказанное подтверждает условия, влияющие на разрушение неморозостойких зерен крупного заполнителя в бетоне; это вид цемента и состав раствора, в том числе его водоцементное отношение, размеры и число неморозостойких включений, условия формирования растворной смеси и цементного камня.
Действительно, в растворные кубики одного состава независимо от плотности и, следовательно, от его «жирности» и В/Ц включение образцов с ребрами 3 и 5 см (вместо 1 см) резко ускоряет их разрушение, также как и увеличение числа таких неморозостойких включений, но меньшего размера. И в этом случае до определенного числа циклов испытания большая морозостойкость растворных образцов связана с менее плотным составом (1 :4), когда обеспечивается большее испарение влаги, поступающей в образец при оттаивании в воде после очередных циклов замораживания. Насыщение водой наружных слоев растворного кубика до критического предела происходит ранее, чем глубоких, поэтому разрушение начинается с потери их формы, откола внешних граней.
Остановимся на кажущемся противоречии в опытах по испытанию растворных образцов с включенными в них кубиками из гидросульфоалюмината. Сказанное о резком повышении морозостойкости бетонов (растворов), содержащих рациональное количество гипса, введенного при помоле клинкера для регулирования сроков схватывания цементов, и, следовательно, для разрушения образующихся при его твердении коагуляционных структур из гидрати-рующегося трехкальциевого алюмината следует связывать с фактом разрушения гидросульфоалюмината. Характер разрушения кубиков гидросульфоалюмината позволяет судить о его морозостойкости. Безусловно, гидросульфоалюминат не обладает высокой морозостойкостью по сравнению с морозостойкостью гидратирован-ных силикатных систем. Однако различны условия образования гидросульфоалюмината из смеси гипса и трехкальциевого алюмината при затворении водой и гидросульфоалюмината при «гидролизе и гидратации цемента из сплава минералов полиминерального цемента при введении в смесь гипса. Любая структура (горных пород и технических систем) не может анализироваться без учета условий ее образования (что иллюстрируется, например, анализом строительно-технических свойств шлаков).
Гипс, разрушая коагуляционные структуры гидратирующегося трехкальциевого алюмината, улучшает, упрочняет и уплотняет образующиеся гидратированные силикатные системы (из минералов C3S, C2S и др.). Распределение в них гидросульфоалюмината имеет дисперсный характер, так как исходный продукт — минерал С3А, являющийся составной частью промежуточного вещества, находится в ультрамикроскопических образованиях в структуре цементного клинкера и распределен в нем достаточно равномерно. Следовательно, что отмечается и при анализе шлифов гидратиро-ванных соединений, эти кубики намного меньше кубиков с ребром в 1 см. Поэтому напряжения при его разрушении, если бы они произошли, были бы также во много раз меньше. Кроме этого, гидросульфоалюминаты в цементном камне всегда будут (в большей или меньшей степени) закрыты — блокированы от доступа к ним воды кристаллическими непроницаемыми оболочками из стойких соединений — новообразований из силикатных материалов и систем капилляров, амортизированных воздухом. Чем больше в цементном камне таких соединений и меньше гидросульфоалюмината, тем выше степень их закрытия от воды.
Более полное измельчение цементов для реализации возможности введения гипса в цемент в эквимолекулярном отношении к количеству минерала С3А (примерно в соотношении 2:1) при высоком содержании минерала C3S и при введении оптимальных количеств гидрофилизирующих и гидрофобизирующих добавок, которые также можно называть добавками пептизирующими, пластифицирующими, воздухововлекающими и способствующими длительности эффекта заполнения воздухом (газом) систематически образующихся контракционных объемов в твердеющем цементном тесте (добавок, диспергирующих воздух — газ в цементном камне — цементном тесте), имеет большой научный и практический интерес. Добавки в бетоне позволяют резко снижать расход воды в его составе, переводя отделившуюся при твердении цементного теста воду из цементного объема в текстуру бетона (раствора), а следовательно, и увеличивать плотность технического камня. Сказанное объясняет причину повышения морозостойкости раствора в бетонах при наличии в нем неморозостойкого материала.
Следовательно, разрушение кубиков гидросульфоалюмината в растворных образцах связано с отсутствием защитных средств для его стойкой работы. Раствор в этом случае является проводником для воды, подсасываемой в кубиках по капиллярам цементного камня. Это же происходит и в бетоне при наличии зерен заполнителя, имеющих с цементным камнем только адгезионную связь.