Betons frostbestandighed - betonens evne i en vandmættet eller mættet saltopløsningstilstand til at modstå flere cyklusser af "fryse-tø" uden ydre tegn på ødelæggelse (revner, spåner, afskalning af prøvernes kanter), styrkereduktion , ændringer i vægt og andre tekniske egenskaber [1] .
Begrebet frostbestandighed og metoden til at teste for frostbestandighed blev først foreslået af professor N. A. Belelyubsky i 1886 [2] .
For beton, der drives under forhold med negative udendørstemperaturer, er frostbestandighed en af de vigtigste egenskaber, der sikrer holdbarhed [3]
Graden af frostbestandighed af beton kan bestemmes ved laboratorietest af materialeprøver. En indikator for frostbestandighed er antallet af "fryse-tø"-cyklusser, indtil materialet mister prøver af en vis masse eller en vis grad af initial styrke.
Beton er et porøst materiale, hvis porøsitet især skyldes indførelsen af en mængde vand i sammensætningen af betonblandingen i overskud til hydrering af cementmineraler. Hvis alle porerne i betonen var fyldt med vand, så skulle den under den første frysecyklus være kollapset, da når vandet fryser, på grund af den lavere tæthed af is, skal der opstå trækspændinger i betonens elastiske skelet, der væsentligt overstiger dets egen styrke. Ægte betons evne til at modstå ødelæggelse under gentagen frysning og optøning i vandmættet tilstand forklares ved tilstedeværelsen i dens struktur af reserveporer, der ikke er fyldt med vand, hvori en del af vandet presses ud under frysning under tryk af voksende iskrystaller [4] .
I processen med cementhærdning i den indledende fase af dannelsen af betonstrukturen danner blanding af vand i cementpastaen et system af indbyrdes forbundne kapillære porer, der er tilfældigt placeret i hele betonvolumenet. Efterhånden som cementhydratiseringen skrider frem, falder cementstenens totale og kapillære porøsitet, da det volumen, der optages af produkterne fra cementhydratiseringen, sammen med porerne mellem krystallinske neoplasmer (gelporer), er ca. 2,2 gange større end det absolutte volumen af cement. ikke-hydreret cement.
Når en vis grad af cementhydrering er nået, bliver systemet af kapillarporer betinget diskret, da kapillærporerne er adskilt af cementgel, som også har porer, men er meget mindre. I dette tilfælde falder betonens permeabilitet kraftigt. En lignende struktur af porerummet i cementstenen af beton opstår jo tidligere, jo lavere er det oprindelige vand-cementforhold (W/C).
Samtidig dannes der porer fyldt med luft i betonen. Reaktionen af interaktionen af cement med vand er ledsaget af kemisk sammentrækning, da det absolutte volumen optaget af neoplasmer er mindre end de absolutte volumener optaget af cement og vand, mens volumenet af cementsten bør falde. Efter dannelsen af en stiv krystallinsk ramme i cementstenen kan der dog ikke opstå svinddeformationer på grund af kemisk sammentrækning, og de mindste kontraktionsporer opstår i cementstenen. Disse porer modtager straks vand fra større porer og kapillærer, og sidstnævnte er delvist dehydreret. Luftporerne dannet ved kemisk sammentrækning bliver reserve, forudsat at de kun kommunikerer med andre lignende porer og kapillærer og det ydre miljø gennem gelens porer. Sådanne reserveporer kan ikke fyldes med vand, hverken når beton nedsænkes i vand eller ved kapillarsugning.
Når beton mættet med vand fryses, på grund af dannelsen og væksten af iskrystaller, vil der opstå hydrostatisk tryk i den resterende væskefase, under påvirkning af hvilken den vandige opløsning kan bevæge sig ind i reserveporer, hvilket eliminerer muligheden for forekomst og vækst af trækspændinger i cementstenen. Ødelæggelsen af beton i en tilstand mættet med vand under gentagen frysning og optøning kan kun forekomme, når alle reserveporerne er fyldt med vand eller is dannet under frysningen. Jo større det relative volumen af reserveporer pr. volumenenhed beton er, jo flere fryse-tø-cyklusser er nødvendige for at forårsage betondestruktion.
Lukket porøsitet bestemmer tvetydigt betonens frostbestandighed. Dette skyldes den ujævne fordeling af reserveporer over volumenet af beton, såvel som cementstenens utilstrækkelige styrke under påvirkning af hydrostatisk tryk.
Mekanismen for gradvis ødelæggelse af betonstrukturen udsat for skiftevis frysning og optøning i vandmættet tilstand er en kompleks kombination af destruktive faktorer, herunder: istryk under frit vandkrystallisation; hydrodynamiske effekter under dens bevægelse (migrering) under påvirkning af en gradient af varme og fugtindhold (termisk fugtledningsevne); hydrostatisk tryk af væske fanget i blindgyde porer og strukturdefekter; spændinger som følge af forskellen i temperaturdeformationer af komponenterne i beton og cementsten; træthed (gradvist stigende) strukturelle defekter fra gentagne gentagne vekslende deformationer; et fald over tid i koncentrationen af cementhydrolyseprodukter opløst i "pore"-væsken, både på grund af dannelsen af vanduopløselige krystallinske hydrater (en afspejling af den igangværende reaktion mellem cement og vand) og på grund af "sugning" af væsken ved at udvikle strukturelle defekter under prøvernes optøningsperiode, hvilket øger indholdet af frit vand i betonvolumenet og andre [5] [6] [7] [8] [4] .
Ved brug af chloridsalte-anti-isningsmidler (f.eks. under drift af vejbelægninger) eller testsaltopløsninger (under test af beton for frostbestandighed i en 5% NaCl-opløsning), er effekten af de angivne faktorer på beton suppleret med: krystallisationstrykket af det akkumulerede salt dannet som et resultat af dets overmætningsopløsning i små defekter i cementstenens struktur, såvel som i zonerne for dens kontakt med tilslag i beton og i porerne (revnerne) i aggregerede korn; intensivering af processen med migrering af væskefasen og en stigning i betonens fugtkapacitet; ny stresset tilstand på niveau med cementstenens mikrostruktur på grund af den lokalt manifesterede effekt af temperaturforskellen (gradient), der ledsager processen med "fokal" opløsning - saltkrystallisation; et fald i saltopløsningens frysepunkt sammenlignet med vand, hvilket bidrager til den flydende fases dybe indtrængning i strukturelle defekter med et stadigt mindre tværsnit, uddyber udviklingen af saltmasseoverførselsprocessen og forstærker effekten af beton ødelæggelse generelt [9] [10] [11] [12] [13] [14] .
På nuværende tidspunkt menes det, at betonens evne til at modstå cyklusser med skiftevis frysning og optøning hovedsageligt bestemmes af strukturen af dets porerum, især af forholdet mellem åbne (integrerede) og betinget lukkede porer.
Den grundlæggende metode til bestemmelse af frostbestandighed for konventionel beton, der ikke anvendes i saltvand, er at udføre et vist antal fryse- og optøningscyklusser af vandmættede prøver. Frysning udføres i luft, afrimning - i vand. Frostbestandighedsgraden bestemmes ved at sammenligne styrken af kontrol-, mellem- og hovedprøver. Betingelsen for at bevare prøvernes udseende og vægt [1] skal overholdes .
Den grundlæggende metode til bestemmelse af frostbestandighed for beton, der drives i mineraliseret vand, adskiller sig ved, at mediet til mætning og afrimning af prøver er en 5% natriumchloridopløsning.
Ulemper ved grundlæggende metoder til bestemmelse af frostbestandighedBestemmelse af overensstemmelse med et givet betonmærke for frostbestandighed udføres ved at teste prøver for trykstyrke [1] . Men når man tester prøver fra virkelige strukturer, der opereres ved vekslende temperaturer, er der ofte tilfælde af næsten fuldstændig bevarelse af styrken bestemt ved kompression, mens bøjnings- og trækstyrkerne faldt kraftigt. Dette indikerer, at kompressionstesten af konstruktioner udsat for frost, som anvendes i forskningspraksis, ikke altid afspejler den sande bæreevne af konstruktioner, der udover kompression også oplever bøjnings- og trækkræfter [4] .
Evnen til hurtigt at bestemme deres frostbestandighed på kort tid er afgørende for at opnå meget holdbar (meget frostbestandig) beton. De fleste af de eksisterende metoder til accelereret bestemmelse og forudsigelse af frostbestandighed har betydelige ulemper. De er især tidskrævende, kræver særligt udstyr, der ikke er tilgængeligt i konventionelle byggelaboratorier, afspejler ikke den fysiske karakter af de igangværende processer, og de opnåede resultater har en betydelig uoverensstemmelse med resultaterne opnået under test ved direkte frysning og optøning (ifølge GOST-metoden).
For konventionel beton, der ikke anvendes i saltvand, erstattes blandingsvandet (og optøningsmediet) med en 5% natriumchloridopløsning (anden accelereret metode) for at fremskynde testningen; desuden kan frysetemperaturen sænkes fra -18 °C til -50 °C (tredje accelereret metode).
For betoner, der drives i mineraliseret vand, accelereres den tredje metode.
Ulemper ved accelererede metoder til bestemmelse af frostbestandighedAccelererede frostmodstandstestmetoder endnu mindre end de grundlæggende gengiver det virkelige billede af betondrift ved fortegnsvariable temperaturer. Konverteringen af antallet af testcyklusser udført til en frostbestandighedsklasse kan udføres i henhold til tabellerne i GOST 10060, dog kan et regulatorisk dokument ikke tage højde for mangfoldigheden af driftsbetingelser for rigtige strukturer lavet af specifikke betonsammensætninger.
Betonens frostbestandighed efter prøvning kan vurderes ikke kun ved ændringen i prøvernes trykstyrke. Kan bruges:
- fald i hastigheden af passage af ultralyd;
- stigning i værdien af deformation af prøverne;
- fald i gennemsnitsværdien af det relative dynamiske elasticitetsmodul.
Brugen af disse evalueringsmetoder kræver dog en foreløbig test for at opnå en konverteringsfaktor fra standardmetoden til den alternative metode.
Betonens frostbestandighed afhænger primært af sammensætningen af betonblandingen og kvaliteten af dens komponenter: vand-cementforhold, mineralsammensætning og finhed af cementslibning, gipsindhold i cement, kvalitet af tilslag, egenskaber af anvendte tilsætningsstoffer. Den strukturelle tæthed af den nylagte betonblanding og betingelserne for betonhærdning [4] har stor indflydelse .
Beton er et porøst materiale, hvis porøsitet især skyldes indførelsen af en mængde vand i sammensætningen af betonblandingen i overskud til hydrering af cementmineraler. Hvis alle porerne i betonen var fyldt med vand, så skulle den under den første frysecyklus være kollapset, da når vandet fryser, på grund af den lavere tæthed af is, skal der opstå trækspændinger i betonens elastiske skelet, der væsentligt overstiger dets egen styrke. Ægte betons evne til at modstå ødelæggelse under gentagen frysning og optøning i vandmættet tilstand forklares ved tilstedeværelsen i dens struktur af reserveporer, der ikke er fyldt med vand, hvori en del af vandet presses ud under frysning under tryk af voksende iskrystaller [4] .
Introduktionen af luftindtagende additiver i betonsammensætningen bidrager til:
- medbringelse af luft i form af betinget lukkede porer, dissekere kapillær porøsitetskanaler;
- fald i værdien af kapillarsugning af beton og dets vandabsorption;
- manifestationen af effekten af hydrofobisering af væggene i kapillærer og andre defekter i strukturen af cementsten og beton generelt.
Effektiviteten af luftindtagende additiver (især såsom Sofexil 60-80; ShchSPK og SNV) manifesterer sig kun i den indledende fase af frostbestandighedstest og følgelig i den indledende fase af driften af produkter (strukturer) [5 ] .Efter 5-6 frysecyklusser ved t ≥ (-50...-55) °C og optøning (hvilket svarer til ≥ 75 cyklusser af grundlæggende test af beton), begynder hele det fysiske volumen af dets porøsitet at "arbejde" i beton, herunder kunstigt skabt porøsitet på grund af luftinddragning af additiver. Som et resultat begynder betonens vandabsorption at stige, mængden af vand, der trænger ind i porerne, øges med alle de efterfølgende ødelæggende konsekvenser: øget tryk, når vandet fryser, vækst af vekslende deformationer, ophobning af træthedsfænomener og øget saltvirkning. Beton ødelægges hurtigt, da dens styrke reduceres betydeligt med introduktionen af disse tilsætningsstoffer (op til 5% reduktion i styrke for hver involveret procentdel af luft), hvilket betyder, at evnen til at modstå fysiske og mekaniske ødelæggende fænomener også falder.
Luftindtrængende vandafvisende additiver er mest effektive i tung beton af lave klasser med en styrke på mindre end 40 ... 50 MPa, dvs. med en struktur med en tilstrækkelig høj åben porøsitet, karakteriseret ved vandabsorption af beton uden additiver på 4,0 vægtprocent eller mere. Luftindtagende additiver i sådanne betoner er i stand til at give frostbestandighed op til F300 [5] .
Den beskyttende effekt af medført luft øges med faldende porestørrelse. Den mest effektive porestørrelse er 0,3-0,5 mm eller mindre. Af afgørende betydning er "tilgængeligheden" af porerne: der skal være en luftpore nær ethvert frysepunkt [15] .
Gorchakov G.I. fastslået, at betonens frostbestandighed er omvendt proportional med dens kapillære porøsitet, og eksperimentelt bevist frostbestandighedens afhængighed af værdierne for hydratiseringsgraden af cement og W/C .
Jo lavere den indledende W / C er, jo mindre er kapillærernes indledende radius, og jo større er muligheden for deres adskillelse i processen med cementhydrering med cementgel med dannelse af betinget lukkede porer. Ved W/C>0,68, selv med fuldstændig hydrering af cementen, er kapillærernes radius så stor, at der ikke dannes en betinget lukket struktur - kapillærerne kommunikerer med hinanden og med miljøet. Da cementens hydratiseringsgrad under virkelige forhold ikke overstiger 90%, er værdien af W/C, hvor der ikke dannes en betinget diskret struktur, 0,62 [4] .
For beton med høj frostbestandighed (F 1 600, F 2 200) bør værdien af W/C højst sættes til 0,34 [16] .
Ved høje værdier af W / C blokeres porerne dannet af luftindtagende additiver ikke fra alle sider af cementgel, hvilket øger betonens åbne porøsitet. Dette fænomen kaldes hydrering af luftporer [17] . Introduktionen af luftindtagende additiver i beton med høj W/C øger ikke kun betonens frostbestandighed, men kan også reducere den.
Brugen af aktive mineraladditiver til at binde portlandit til uopløselige forbindelser med parallel komprimering af strukturen øger betonens frostbestandighed. Ændring af de hydratiserede faser af cementsten med den kombinerede introduktion af silica-røg og polycarboxylatblødgører fremmer dannelsen af gel-lignende lav-basiske hydratiserede faser, der er mere modstandsdygtige over for cykliske temperaturpåvirkninger, hvilket gør det muligt at opnå frostbestandighed af beton op. til F 2500 uden særlig luftmedrivning [18]
Indflydelsen af den mineralogiske sammensætning af cement på betonens frostbestandighed blev undersøgt af Gorchakov G.I. og Shestoperov S.V.
En stigning i indholdet af tricalciumaluminat C3A påvirker betonens frostbestandighed negativt. For kritiske strukturer er indholdet af C3A i cementklinker standardiseret (af forskellige tekniske standarder på forskellige måder): ifølge VSN 150-93 for beton af frostbestandighedsgrader F200 og F300 - ikke mere end 10%, for F400 og F500 - ikke mere end 8 % [19] .
Indførelsen af vandafvisende tilsætningsstoffer gør det muligt at holde betonens porestruktur ufyldt med vand så længe som muligt.