Добавки в бетон Справочное пособие

ВЛИЯНИЕ ВОЗДУХОВОВЛЕЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА БЕТОНА

5.6.1. Истинная плотность.

Воздухововлечение изменяет истинную плотность бетона; роль этого фактора очевидна, поэтому отсутствие воздуха считают одним из недостатков качества бетона.

5.6.2. Морозостойкость бе­тона. Главная цель воздухо­вовлечения в бетон — повыше­ние его морозостойкости в ус­ловиях попеременного замора­живания и оттаивания. Низ­кая морозостойкость может быть связана как с цементным камнем, так и с заполнителем. Воздухововлечение, в сильной степени повышая морозостой­кость цементного камня [4] (рис. 5.5), не влияет на моро­зостойкость заполнителя. Как
видно из рис. 5.5, морозо­стойкость бетона растет с уве­личением содержания в нем воздушной фазы. Однако в слишком большом воздухо - вовлечении нет необходимо­сти.

5.6.2.1. Механизм морозо­стойкости бетона. Гидрав­лическое давление. Ра­нее пытались объяснить разру­шение бетона при его замора­живании увеличением на 9 % объема воды при ее превраще­нии в лед. Давление, требуемое для предотвращения заморажи­вания, может быть рассчитано по уравнению Клаузиуса—Кла­пейрона [35, 36]. Оно состав­ляет 12 МПа/°С, поэтому бетон прочностью при растяжении примерно 7 МПа не может, противостоять напряжениям, возникающим при превраще­нии воды в лед.

Эти представления приво­дят к концепции критического насыщения пористых материа­лов водой при их заморажива­нии. Объем свободных воздуш­ных пор должен быть пример­но 9 %, чтобы изменение объе­ма при замораживании воды не приводило к деструкции бето­на. Исследования [37, 38] под­тверждают обоснованность этих представлений. Однако следует отличать локальное на­сыщение пористых тел от об­щей степени их насыщения. Согласно [39], почти всегда бетон имеет достаточный объем свободного порового простран­ства за счет вовлеченного воз­духа, чтобы противостоять дав­лению, возникающему вследст­вие изменения объема при за-

N 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400

Мораживании насыщенной во­дой поровой системы.

В результате избыточная вода выжимается во всех на­правлениях, но преимуществен­но в ту сторону, где гидравли­ческое сопротивление меньше. Эти представления носят на­звание гипотезы гидравличес­кого давления [39]. Согласно гипотезе, разрушение вызыва­ет не непосредственно образо­вавшийся лед, а давление вы­жимаемой им воды в тех ка­пиллярах, где оно превышает критическое, соответствующее прочности бетона при растя­жении.

Величина этого давления связана и с длиной капилляров, и с проницаемостью бетона. Предельная длина капилляров не должна превышать 200 мкм. Ее уменьшение обеспечивает получение бетона с особо высо­кой непроницаемостью, равной 10~16 см2 [40]. Следовательно, главная задача, которую необ­ходимо решить с помощью воз­духововлечения в бетон,— соз­дание системы из большого числа маленьких пузырьков, куда может выжиматься часть воды при замораживании.

Если расстояние между пу­зырьками в цементном камне не превышает предельного, то давление остается ниже разру­шающего и бетон характеризу­ется как морозостойкий.

«О смотическая» ги­потеза. Авторы работы [4] предложили другой механизм морозного разрушения бетона и роль воздушной фазы в этом процессе. В его основе лежит наблюдение за кинетикой раз­вития деформации цементного камня при низкой температуре. Обнаружено, что если в насы­щенном водой цементном камне без воздуха при заморажива­нии происходит расширение, то в таком же камне с вовлечен­ным воздухом — усадка, при­чем усадочные деформации пре­вышают требуемые согласно коэффициенту термической усадки.

Объяснение этому факту можно дать исходя из следу­ющего. Вода в тонких капилля­рах замерзает при более низкой температуре, чем в крупных, поскольку давление пара в них тем ниже, чем меньше их ра­диус. Величина этого пониже­ния давления (и соответствен­но температура замерзания воды) может быть рассчитана по уравнениям Кельвина и Клат узиуса—Клапейрона. Из рас­четных данных следует, что при радиусе пор порядка 10 нм (крупные поры геля) темпера­тура замерзания воды пони­зится на 10 °С. Если вода пере­охлаждена, т. е. не замерзает при температуре ниже нормаль­ной температуры ее замерза­ния, то ее свободная энергия иная, чем у льда при той же температуре, поскольку энтро­пия воды больше энтропии льда. Следовательно, посколь­ку льдообразование начинает­ся в крупных порах, то в ре­зультате разной энтропии и свободной энергии системы воз­никает давление жидкости, ко­торое Пауэре [42] предпочи­тает называть «осмотическим» или иногда «давлением расту­щих кристаллов»; оно обуслов­ливает растягивающие напря­жения, которые могут вызвать разрушение материала. Меха­низм диффузии гелевой воды во многом близок своему ма­кроскопическому аналогу — росту ледяных линз в грунтах, вызывающих разрушение до­рожных покрытий. Серьезным подтверждением описанного ме­ханизма может служить тот факт, что морозные поврежде­ния наблюдаются и при замора­живании жидкостей, которые при этом не расширяются, на­пример бензола, и,следователь­но, в них не возникает гидрав­лическое давление.

Вторая часть этой гипотезы действительно осмотического происхождения. Поровая жид­кость представляет собой раст­воры в основном едких натра и калия концентрацией до 0,6 М [44, 45]. Поскольку при охлаж­дении замерзает вода, раствор становится все более концен­трированным и возникает ос­мотический потенциал между более концентрированным рас­твором в тех порах, в которых произошло частичное льдооб­разование, и менее концентри­рованным в порах, где лед от­сутствует. В результате появ­ляется дополнительный источ­ник давления расширения, ко­торый дополняет другие про­цессы, приводящие к разруше­нию бетона. Осмотический ме­ханизм—один из важнейших при объяснении шелушения бе­тона в случае использования противогололедных солей: они повышают концентрацию раст­вора в поверхностной части по - рового пространства бетона. Тот факт, что подобный эффект не зависит от химической природы противогололедного реагента [46], подтверждает существен­ную роль указанного физиче­ского процесса.

Согласно гель-диффузион­ному механизму, воздух, вовле­ченный в бетон в виде пузырь­ков, предохраняет его от по­вреждения при замораживании благодаря сохранению части незамерзающей воды, так как в их присутствии образуется лишь очень небольшое коли­чество льда, перенесенного за счет гидравлического давления воды в цементном камне, по­скольку эти пузырьки никогда полностью не заполнены водой. Следовательно, незамерзшая вода может мигрировать в воз­душные пузырьки, что не при­ведет ни к повышению давле­ния, ни к увеличению свобод­ной энергии. Если же вода в порах замерзнет, то это приве­дет к росту и давления, и сво­бодной энергии. В результате термодинамически более пред­почтительным оказывается пе­ренос воды к воздушным пу­зырькам. Таким образом, оба рассмотренных механизма поз­воляют сделать один и тот же вывод: воздухововлечение предохраняет бетон от разру­шения при замораживании.

Поскольку вода переносит­ся из пор геля в воздушные пузырьки, цементный камень подвергается усадке, что при­водит к его высушиванию. Аналогично этому происходит обезвоживание камня незави­симо от его причины. Этим объ­ясняется сильное уменьшение объема при замораживании цементного камня, содержа­щего вовлеченный воздух.

Отмеченную ранее зависи­мость температуры замерзания от радиуса капилляров (пор) трудно перенести непосредст­венно на процессы, происхо­дящие в цементном камне из - за возможного переохлаждения воды [47]. Последние работы [48, 49] отмечают сложный характер льдообразования при снижении температуры с двумя или тремя пиками на кривой, зависящими от водоцементного отношения. Последний из них не наблюдается до тех пор, по­ка температура не достигнет — 40 °С. С другой стороны, кривые замораживания — от­таивания имеют гиперболичес­кий характер (см. гл. 1).

В работе [50] механизм действия мороза на бетон рас­сматривается с позиций, позво­ляющих объединить обе изло­женные выше гипотезы. По-ви­димому, в разных условиях мо­гут проявляться в большей мере те или иные процессы. Сегодня нет такой количественной тео­рии, которая связала бы рас­ширение цементного камня при замораживании со многими факторами, влияющими на его поведение в этих условиях.

5.6.2.2. Влияние заполни­теля на морозостойкость бето­на. Разрушение бетона при по­переменном замораживании и оттаивании может произойти и из-за использования неморо­зостойкого крупного заполни­теля. Этот процесс в большой степени независим от цемент­ного камня и сравнительно хо­рошо изучен, во всяком случае его качественные стороны [51, 52]. Воздухововлечением нель­зя улучшить морозостойкость бетона, содержащего неморозо­стойкий крупный заполнитель.

5.6.3. Определение парамет­ров вовлеченного воздуха в за­твердевшем бетоне. Исследова­ния системы воздушных пор в затвердевшем бетоне проводят­ся с применением микроскопи­ческих методов согласно стан­дарту ASTM С457 [53]. Хотя существуют две методики, ин­формация, получаемая с их по­мощью для оценки долговечно­сти бетона, одинакова.

5.6.3.1. Подготовка образ­цов для исследования по этим методикам ничем не отличается. Образцы, выпиливаемые из объема бетона, должны быть представительными. Для их обработки используют обычные статистические методы, чтобы обеспечить получение надеж­ных данных. Образцы подвер­гают визуальному осмотру, а затем поверхность полируют, например, с помощью полиро­вального круга, приводимого в действие вручную, или стеклян­ной плиты. Нормально подго­товленная поверхность должна отражать свет подобно зеркалу.

5.6.3.2. Метод линейных из­мерений основан на представле­ниях об эквивалентности слу­чайных измерений длин хорд и объемов пузырьков одной и той же фазы. Так, если La — длина хорд, полученная при проведе­нии произвольной прямой че­рез воздушные пузырьки, по­павшие в поле зрения микро­скопа, a Lt — общая длина линии измерения, то

La/Lt=Va/V,,

Где Va/Vi — отношение соответствую­щих объемов пузырьков в общем объеме материала.

Измерения проводят с помо­щью бинокулярного микроско­па; образец закрепляют на по­движной подставке, перемеща­емой с помощью специального механизма. Увеличение можно изменять от 50 до 125-кратно­го[14]. Общая длина измеряемого участка, обеспечивающая ста­тистически надежные результа­ты, тоже может варьироваться в зависимости от максималь­ного размера крупного запол­нителя, однако для традицион­ного бетона она составляет примерно 2,5 м.

Если параметры воздушных пузырьков отличаются от обыч­ных, то следует получить допол­нительную информацию путем проведения большего числа за­меров, причем не только в про­дольном, но и в поперечном направлении.

5.6.3.3. Метод точечных из­мерений основан на эквивалент­ности объема фазы вероятно­сти ее обнаружения при слу­чайных многократных измере­ниях. Следовательно, если Sa — количество удачных случаев (в поле зрения микроскопа попала воздушная фаза), a Si — общее число измерений, то

Sa/S,= Va/Vl,

Где Va/Vi — отношение объема воз­душной фазы к объему материала [54].

Сама методика состоит в то­чечных дискретных замерах по­верхности образца (см. выше), перемещаемого вдоль и поперек по заранее спланированному пути. Типичная длина пути в каждом направлении составля­ет 2,5 мм. Регистрация данных заключается в простой записи каждого замера в виде «воз­дух» или «не воздух», если тре­буется определить лишь его со­держание. Из перечисленных двух методов предпочтителен второй. Общее число измерений при его использовании зави­сит от максимального размера заполнителя и лежит в преде­лах 1500 для традиционного бетона. Общее число измерений важно для повышения надеж­ности данных и для качествен­ного определения параметров воздушной фазы.

Наибольшие затруднения при использовании перечислен­ных методов возникают в опре­делении самых маленьких пу­зырьков. В этом случае очень важно обеспечить хорошо от­полированную поверхность об­разцов и соответствующую вы­сокую квалификацию опера­тора.

5.6.4. Параметры воздушной фазы. К наиболее важным па­раметрам воздушной фазы, по­лучаемым с помощью описан­ных методов, относятся общее содержание воздуха, число пу­зырьков, их удельная поверх­ность и фактор расстояния меж­ду ними.

Содержание воздуха А вы­числяют по формуле

A = Va/Vc = La/L, = Sa/S, = nl

Где V а, Vс — соответственно объем воздуха и бетона; La, L, — длина ли­нии, проходящей через воздушную фазу, и общая длина линии; Sa, Si — число измерений, приходящихся на воздушную фазу, и общее число изме­рений; I — среднее значение длины всех хорд;

L = La/N,

Где N — общее число воздушных пу­зырьков; n = N/Lt — повторяемость (частотность) обнаружения воздушной фазы.

При проведении микроско­пического анализа воздушной фазы часто отделяют пузырьки воздуха, вовлеченные в бетон­ную смесь, от остальной воз­душной фазы в бетоне. Эта последняя состоит из больших несферических полостей диа­метром более 1 мм. Кроме того, различают воздух, появивший­ся в бетоне в результате свя­зывания части воды в гидрат - ные фазы, и направленные сквозные поры, образовавшие­ся в результате расслоения бе­тонной смеси. Эти различия в целом введены без достаточных оснований, поскольку любой воздух, содержащийся в бето­не, предохраняет его от дейст­вия мороза'. Речь может идти лишь о степени эффективно­сти воздушных полостей: ма­ленькие воздушные пузырьки превосходят в этом отношении более крупные.

Объем вовлеченного возду­ха зависит от максимального размера заполнителя и лежит обычно в интервале 4—8%, что соответствует 9—10 % воз­духа в его растворной части.

Частотность обнаружения пузырьков (n = N/Lt) —число пузырьков, зафиксированных на единице длины измерения с помощью линейного или точеч­ного метода. Чем их больше, тем большей дисперсностью ха­рактеризуется поровая струк­тура бетона, поскольку при за­данном значении воздухововле­чения пузырьки тем мельче, чем выше п.

Согласно рекомендации [4], число п, приходящееся на 2,5 мм, соответствует 1,5—2- кратному содержанию воздуха в бетоне. Так, обычно на 1 м длины образца бетона п = = 300—600.

Удельную поверхность (а) определяют из соотношения

A = A„/Va = 4/I=4n/A,

Где А а — площадь поверхности воз­душных пузырьков; Va — объем пу­зырьков.

Поскольку средняя длина хорд не может быть определе­на методом точек, используют зависимость а = 4п/А.

Обычно ОС 24 — 48 мм ') Очевидно, что величины А, п и а взаимосвязаны.

Фактор расстояния (L). Со­гласно [55], этот параметр по­зволяет оценить критическое расстояние между пузырьками воздуха в бетоне. В методике ^ASTM С457 фактор расстояния L определяют для решения двух задач.

А. Если в цементном камне отношение р/А<_4,342, т. е. если содержание воздуха срав­нительно велико, то значение L рассчитывают по формуле

~L = p/4n — p/Aa,

Где р — содержание цементного кам­ня, т. е. его объемная доля в бетоне.

Методы определения содер­жания цементного камня ана­логичны методам определения воздушной фазы (изучение ан - шлифов микроскопическими ме­тодами).

Анализ изложенной выше зависимости показывает, что при использовании таких мето­дов измерения L представляет собой по существу толщину оболочек из цементного кам­ня вокруг воздушных пузырь­ков, т. е. -*-L = Vp/Aa. Таким образом, согласно этой модели, цементный камень морозостоек, если величина L меньше крити­ческой.

Б. Если отношение р/А> > 4,342, что случается ча­ще (для обычного бетона зна­чение р/А лежит в интервале 3,7...6), то расчет ведут по формуле

£ = (3/а)[1,4(р/Л +1)'/3— 1].

Этот расчет - выполнен для модели кубической матрицы с одинаковыми размерами пу­зырьков воздуха. Для нее фак­тор L — половина расстояния, проведенного по диагонали ку­ба через пузырьки.

Для бетона с вовлеченным воздухом фактор расстояния составляет примерно 100— 200 мкм. Морозостойкость бе­тона повышается в большей степени, если фактор расстоя­ния изменяется до 250 мкм (рис. 5.6) [561.

Значение L зависит от со­держания цементного камня в бетоне. Если известен состав бетона или он может быть рас­считан, то удается определить и содержание в нем цементного камня. Для этой же цели мож­но использовать и усредненное значение 0,25 для ориенти­ровочного определения величи­ны L.

В реальных условиях разме­ры пузырьков воздуха неодина­ковы; они характеризуются раз­ными кривыми распределения и соответственно различными значениями отрезков хорд [57].

Пауэровский фактор рас­стояния не принимает это во внимание.

Данные, учитывающие ха­рактер распределения воздуш­ных пузырьков по размерам, удается обработать с исполь­зованием ЭВМ, что делает по­добную методику более точной.

В работах [58, 59] установ­лена зависимость между кривой распределения воздушных пу­зырьков по размерам и так называемым защитным объе­мом цементного камня. В этих исследованиях найдена коли­чественная связь между содер­жанием воздуха, концентра­цией воздушных пузырьков (под которой понимают числен­ное содержание их в единице объема цементного камня) и расстоянием между пузырь­
ками. Если это расстояние рав­но критическому, то цементный камень в бетоне защищен от действия мороза.

Указанное значение факто­ра расстояния между пузырь­ками воздуха называют Фил- лео-фактором; некоторые при­знают его более удачной ха­рактеристикой вовлеченной воздушной фазы, чем фактор расстояния L Пауэрса [61]. Для одного и того же бетона он в среднем составляет 2/з от значения L.

Пока еще данных для окон­чательного суждения о досто­инствах Филлео-фактора недо­статочно; на сегодня большин­ство специалистов считают, что для сравнительной оценки мо­розостойкости бетона их удов­летворяет фактор расстояния Пауэрса[15]. В целом считается, что он должен быть менее 0,2 мм, а в некоторых условиях, включая действие солей, еще ниже. С другой стороны, если бетон находится в сравнитель­но мягких условиях эксплуата­ции, т. е. подвергается менее жестким режимам заморажи­вания и оттаивания, то значе­ние фактора L может быть выше [62], что соответствует теории гидравлического дав­ления.

Если фактор расстояния в бетоне с вовлеченным воздухом достаточно мал, то бетон стоек к действию мороза, включая его морозосолестойкость. Ис­ключение составляют лишь те случаи, когда бетон в течение длительного времени находился под действием горячей воды, что привело к оводнению воз­душных пор.

В последние годы в неко­торых работах высказывается сомнение относительно той роли, которая отводится воз - духововлечению в решении проблемы долговечности бето­на. Эти вопросы обсуждены в порядке дискуссии [60]. В ка­честве одного из доводов при­водили высокую морозостой­кость бетона, не содержащего вовлеченного воздуха. Этот бе­тон имел низкое водоцементное отношение, достаточное содер­жание цемента и был хорошо уплотнен; за ним организовали правильный уход, что обеспе­чило высокую непроницаемость. Тем не менее такой бетон потен­циально неморозостоек.

5.6.5. Влияние типа возду­хововлекающих добавок на систему воздушных пор. На формирование системы воздуш­ных пор оказывают влияние химическая природа и моле­кулярная масса воздухововле­кающих добавок. Эти вопросы все еще недостаточно изучены. В некоторых работах с цемент­ным камнем установлено, что преимущество следует отдать анионактивным добавкам, пре­восходящим по воздухововле - кающему действию катионак - тивные и неионогенные [23], однако еще неясно, можно ли перенести эти результаты на бетон.

Согласно [56], кривая рас­пределения воздушных пузырь­ков по размерам хуже в слу­чае использования неионоген - ных веществ. В связи с тем, ЧТО многие технические добавки со­стоят из компонентов разного состава и молекулярной массы, их, по-видимому, нельзя оце­нить теоретически, не прибегая к опытам.

5.6.6. Другие подходы к мо­розостойкости бетона. Кроме воздухововлечения, представ­ляющегося главным направ­лением в повышении морозо­стойкости бетона, известны и другие. Наиболее очевидные из них — снижение водоцементно- го отношения и соответствен­но сильное повышение непро­ницаемости бетона. При этом в нем остается настолько ни­чтожное число макропор, что бетон не достигает критического насыщения. Однако многие проблемы, связанные с необ­ходимостью повысить морозо­стойкость бетона, возникают именно потому, что приходится для достаточной удобоуклады - ваемости бетонной смеси идти на некоторое повышение содер­жания воды. Последние иссле­дования в области добавок сде­лали возможным производство так называемых низкопористых бетонов при хорошей удобо - укладываемости смеси [63, 64] (см. гл. 4).

Другое направление — вве­дение в бетон пористых мате­риалов, включая золу-унос, размером фракции менее 1 мм. При этом морозостойкость по­вышается без снижения проч­ности бетона, что неизбежно при введении воздухововлекаю - щих добавок. По-видимому, поры в подобных материалах играют ту же роль, что и воз­духововлечение при использо­вании воздухововлекающих до­бавок.

5.6.7. Влияние воздухово­влечения на механические свой­ства бетона. Обычно каждый процент вовлеченного воздуха снижает прочность при­мерно на 5 %. Однако эта ве­личина лишь ориентировочная. По данным [66], основанным на большом экспериментальном материале, зависимость проч­ности бетона от воздухововле­чения подчиняется той же экс­поненциальной зависимости, которая характерна для любого хрупкого материала (рис. 5.7) и описывается уравнением

Яо™ = 10-3'5Л где У?0тн — относительная прочность, т. е. частное от деления прочности бетона с воздухом на прочность бе­тона, не содержащего воздуха; А — доля воздушных пор в бетоне.

Аналогичным образом сни­жается и прочность бетона при изгибе[16]. Это снижение может быть компенсировано уменьше­нием водоцементного отноше­ния вследствие пластифици­рующего действия воздушных пузырьков. Для тощих бетонов или для бетонов со сравнитель­но невысокой прочностью ком­пенсация может быть почти полной, а для прочных бетонов подобного результата удается достичь лишь за счет дополни­тельного введения цемента.

1.0

0,8

I

I 0,6

I

1 0,4

2 §

I M " I

0,05 0,10 0,15 Содержание Воздуха A

Рис. 5.7. Влияние содержания воздуха в бетоие на его относительную проч­ность

Модуль упругости бетона в результате воздухо­вовлечения снижается в такой же степени, как и прочность при сжатии, поэтому в бетоне с воздухововлекающими добав­ками отношение этих величин не изменяется.

Усадка и ползу­честь в результате воздухо­вовлечения существенно не изменяются [67], хотя в отдель­ных работах получены сведе­ния о повышенной ползучести бетона.

5.6.8. Влияние воздухово­влечения на проницаемость бетона. Понятие «проницае­мость» относится к тому со­противлению капиллярно-по­ристого тела, которое оно ока­зывает при проникании через него жидкости или газа. Это понятие не совпадает с капил­лярным подсосом жидкости и степенью адсорбции.

Влияние воздухововлечения на эти показатели определя­ется, с одной стороны, срав­нительно большим количеством воздушной фазы, с другой — изменением состава бетонной смеси в результате воздухо­вовлечения. Проницаемость флюидной фазы через капил­лярно-пористое тело пропор­циональна объему доступных пор и квадрату их размеров. Поэтому при прочих равных ус­ловиях вовлечение в матрицу сравнительно большого коли­чества воздуха должно повы­сить ее проницаемость, тогда как абсорбция может и не измениться в заметной степени, поскольку система крупных воздушных пузырьков не обла­дает свойствами капиллярных пор.

Однако воздухововлечение изменяет состав бетонной сме­си: уменьшение водоцементного отношения существенно пони­жает проницаемость бетона, причем этот фактор становится определяющим. В этом же на­правлении изменяется и капил­лярный подсос. Кроме того, в результате улучшения удобо - укладываемости бетонной сме­си повышается ее гомогенность и снижаются возможные де­фекты текстуры. Как следствие воздухововлечение в конечном счете приводит к росту непро­ницаемости бетона.

5.6.9. Влияние воздухово­влечения на химическую стой­кость бетона. Воздухововлече­ние улучшает сульфатостой - кость бетона [69, 70], по-види­мому, вследствие уменьшения водоцементного отношения и
проницаемости, т. е. не нахо­дится в прямой зависимости от содержания воздушной фазы. Относительно больше повы­шается сульфатостойкость то­щих бетонов.

Специальные исследования, касающиеся влияния воздухо­вовлечения на щелочную кор­розию бетона, не проводились. Однако, по данным [71, 72], воздухововлекающие добавки снижают объемные расширения в бетоне, хотя и не влияют на саму реакцию. Их эффект, по-видимому, обусловлен по­явлением резервных объемов для продуктов реакции.