Добавки в бетон Справочное пособие
ВЛИЯНИЕ ВОЗДУХОВОВЛЕЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА БЕТОНА
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.
1 2 3 4 5 Содержание Bosdym, % Рис. 5.5. Влияние воздухововлечения на морозостойкость бетона в условиях попеременного замораживания — оттаивания (N — число циклов) |
200 |
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.
Й1/1»106 |
15 |
5 |
Рис. 5.6. Связь между морозостойкостью бетона и значением фактора расстояния 1[56] |
L мм |
Ю |
О |
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.
I
I 0,6
I
1 0,4
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.