Деформации бетона при замораживании — оттаивании

Если все тела при охлаждении сжимаются, то бетон, насыщенный водой, при отрицательных температурах имеет аномальное расширение. Оно может происходить при разных отрицательных температурах.

Образование льда в бетоне начинается при температуре —1 ...—2 °С. При этом замерзание воды в капиллярных порах происходит в определенном диапазоне отрицательных температур. Чем меньше размеры капиллярных пор, тем при более низких температурах замерзает в них вода (возрастают капиллярные силы, действующие на воду и мешающие перестройке ее структуры в структуру льда). Основная масса воды замерзает при температурах до—10 ...-12 °С.

Для неморозостойкого бетона давление отжимаемой льдом воды, приложенное к стенкам пор «изнутри», вызывает расширение бетона. Оно продолжается, пока идет образование льда во все более тонких капиллярах (участок 0—1). Сначала происходит растяжение стенок капилляров, при дальнейшем росте давления в них могут возникать микротрещины.

В диапазоне температур -10...-20 °С замерзает уже небольшое количество воды. Если принять всю воду, замерзшую при -20 "С за 100%, на этот интервал придется порядка 20%.

В бетоне, замороженном до —20 °С, все капиллярные поры заполнены льдом, а гелевые — водой. При повышении температуры такого бетона лед в капиллярных порах расширяется в большей степени, чем скелет бетона, и дополнительно растягивает бетон (участок 2-3). При этом могут быть образованы новые микротрещины. При температуре порядка -10 °С капиллярный лед начинает таять сначала в тонких капиллярах, потом в более крупных (температура таяния льда соответствует температуре замерзания). Силы, растягивающие скелет бетона, уменьшаются и исчезают, поэтому происходит сокращение размеров образца (участок 3-4). Тем не менее при температуре 0 °С они оказываются больше первоначальных. Величина остаточного расширения (отрезок 0-4) характеризует степень повреждения структуры и интенсивность разрушения бетона морозом. При последующих циклах замораживания — оттаивания она увеличивается.

Стандартному разрушению бетона соответствует остаточное расширение порядка 0,1 %.

Деформации, наблюдаются для бетона низкой морозостойкости. Для бетонов со средними В/Ц расширения при первых циклах замораживания — оттаивания не происходит. Их деформации близки к таковым для сухого бетона. Часто такие бетоны имеют деформации сжатия большие, чем сухой бетон (линия в). Лед, образующийся в капиллярных порах, имеет больший коэффициент температурного расширения, поэтому сокращается в большей степени. Вода из гелевых пор мигрирует в капиллярные. Этот процесс невозможен при положительных температурах, так как капиллярный потенциал гелевых пор гораздо выше. Но при отрицательных температурах нормальное состояние воды — лед. Поэтому она перемещается в туда, где имеет возможность замерзнуть. Гель, теряя воду, уменьшается в размерах, а бетон дополнительно сжимается.

Отсутствие расширения при первых циклах замораживания—оттаивания не свидетельствует об «абсолютной» морозостойкости бетона. При их продолжении структура бетона постепенно «расшатывается». В ней появляются микротрещины, заполняемые водой. Новые циклы замерзания воды приводят к их росту, расширению бетона и постепенному его разрушению.

В пропаренных бетонах, приобретающих микроструктурные дефекты уже при тепловой обработке, расширение происходит в той же последовательности. Но оно начинается раньше и является более значительным. Такие бетоны имеют более низкую морозостойкость.

Деформации при низких отрицательных температурах. В ряде случаев бетон подвергается действию температур, значительно более низких, чем стандартная (до -35.. .-50 °С). В этом их диапазоне наблюдается второй пик температурного расширения, превышающий первый по величине. Для морозостойких бетонов это расширение также происходит, но начинается после некоторого числа циклов. При их продолжении оно постепенно распространяется на всю область отрицательных температур.

Казалось бы, при этих температурах в бетоне нечему замерзать: вода в капиллярных порах уже превратилась в лед, а в гелевых порах она начинает замерзать при температурах ниже —70 °С. Вероятной причиной расширения является замерзание воды в микротрещинах, которые образовались при предыдущих циклах замораживания.

Разрушение бетона при действии низких отрицательных температур существенно — в 5—10 раз — ускоряется. Это происходит в регионах с низкими зимними температурами, а также используется в одном из методов ускоренного определения морозостойкости бетона.