Уязвимыми для мороза оказываются железобетонные конструкции как в районах с суровым климатом и низкими отрицательными температурами в течение зимы, так и в более теплых районах с высокой влажностью и частыми переходами температуры через О °С.
Морозостойкость бетона можно определить как способность выдерживать попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии. Именно замерзание воды и расширение образующегося льда являются основой деструктивных процессов, происходящих в бетоне при действии мороза.
Марка по морозостойкости характеризуется количеством циклов, при котором снижение прочности не превышает определенной величины (в действующем ГОСТ — 5%).
Для дорожных бетонов насыщение образцов производится не водой, а 5% раствором NaCl, в этом же растворе они и оттаивают. Поэтому их марки по морозостойкости имеют большой «вес», так как один такой цикл соответствует нескольким циклам для обычных бетонов.
Механизм действия мороза
Первопричиной разрушения бетона морозом является образование льда, сопровождающееся увеличением объема на 9%. В отношении механизма разрушения существуют две основные гипотезы:
1. Разрушение вызывается давлением льда на стенки пор, что приводит к образованию в них микротрещин. Эту гипотезу иногда называют «аналогией бутылки», так как замкнутый сосуд, заполненный водой, разрывается при замораживании. Но при заполнении сосуда менее чем на 0,9 объема разрушения не произойдет, так как резервный объем достаточен для расширения образующегося льда.
Эта наиболее простая гипотеза не подтверждается, однако, известными экспериментальными фактами. Хотя давление льда играет определенную роль, оно не является главной причиной разрушения бетона.
2. Разрушение происходит вследствие гидравлического давления, возникающего при отжатии образовавшимся льдом избытка воды от фронта замерзания. Эта гипотеза учитывает, что поры в бетоне сообщаются, а влага под давлением льда может перемещаться по ним. В то же время капилляры, по которым происходит отток воды от фронта замерзания, оказывают ему сопротивление. В их стенках возникают напряжения, которые могут приводить к образованию микротрещин. Гипотеза гидравлического давления, предложенная Т. Пауэрсом, поддерживается сегодня большинством ученых и часто называется теорией.
Давлением льда нельзя объяснить некоторые экспериментальные факты:
- почему с ростом скорости замораживания разрушение бетона ускоряется;
- почему воздушные поры защищают бетон от разрушения морозом.
Эти факты объясняются теорией гидравлического давления:
- при повышении скорости замораживания увеличиваются скорость отжатая воды и напряжения в стенках капилляров;
- воздушные поры при насыщении бетона водой остаются заполненными воздухом, поэтому служат «резервными» пространствами для воды, оттесняемой при замораживании.
Кроме гидравлического давления и в определенной степени давления льда, возможны и дополнительные механизмы разрушения. Так, заполнители и цементный камень могут иметь различные коэффициенты температурного расширения. Поэтому уже само систематическое изменение температуры приводит к внутренним напряжениям в бетоне.
При отрицательных температурах в бетоне появляется еще один твердый компонент — лед. Дополнительная деструкция происходит на стадии повышения температуры замороженного бетона: лед, заполняющий капиллярные поры, расширяется в значительно большей степени, чем бетон, и изнутри дополнительно растягивает скелет бетона.
Таким образом, при замораживании бетона протекают сложные процессы. При образовании лада в отдельной поре возникает либо гидростатическое давление, если отток воды затруднен (заполнение пор водой приближается к 100%), либо гидравлическое, если отток может происходить (что более вероятно в реальных бетонах). Напряжения, возникающие при этом, суммируются с напряжениями за счет термической несовместимости компонентов и вызывают образование микротрещин.
Дальнейший процесс разрушения бетона является более однозначным. При оттаивании микротрещины заполняются водой, а повторное замораживание приводит к их росту, объединению и постепенному разрушению бетона.
Разрушение бетона морозом в присутствии солей. В присутствии солей, применяемых для таяния льда на поверхности бетона), его разрушение морозом ускоряется. При этом наиболее опасными являются концентрации солей 3-5%.
Механизм разрушения в этом случае остается недостаточно ясным. В воде соли распадаются на ионы, которые «мешают» молекулам воды перестроиться в кристаллическую решетку льда. Поэтому они понижают температуру замерзания воды. Кроме того, ионы соли имеют большие размеры, чем мол екулы воды, поэтому вязкость солевого раствора в порах увеличивается.
Вероятно, и в этом случае основным фактором разрушения является гидравлическое давление. Оно больше, чем при замерзании чистой воды, в связи с повышением вязкости отжимаемого раствора. В то же время при высоких концентрациях соли температура замерзания раствора существенно снижается, что уменьшает деструкцию.
Разрушение бетона, насыщенного раствором соли средней концентрации, ускоряется в 3-5 раз.
