A beton fagyállósága - a vízzel telített vagy telített sóoldat állapotú beton azon képessége, hogy ellenálljon a többszörös "fagyás-olvadás" ciklusnak a roncsolás külső jelei nélkül (repedések, forgácsok, a minták éleinek hámlása), szilárdságcsökkenés , tömegváltozások és egyéb műszaki jellemzők [1] .
A fagyállóság fogalmát és a fagyállóság vizsgálatának módszerét N. A. Belelyubsky professzor javasolta először 1886-ban [2] .
Negatív külső hőmérséklet mellett üzemeltetett betonoknál a fagyállóság az egyik legfontosabb tartósságot biztosító tulajdonság [3]
A beton fagyállóságának mértéke anyagminták laboratóriumi vizsgálatával állapítható meg. A fagyállóság mutatója a "fagyás-olvadás" ciklusok száma, amíg az anyag bizonyos tömegű vagy bizonyos fokú kezdeti szilárdságú mintákat veszít.
A beton porózus anyag, amelynek porozitása különösen abból adódik, hogy a betonkeverék összetételébe a cementásványok hidratálása céljából többletmennyiséget viszünk be. Ha a beton minden pórusa vízzel volt feltöltve, akkor az első fagyasztási ciklusban össze kellett volna omlani, mivel a víz megfagyásakor a jég kisebb sűrűsége miatt a beton rugalmas vázában olyan húzófeszültségek kell, hogy keletkezzenek, amelyek jelentősen meghaladják a betont. saját erő. A valódi beton azon képessége, hogy ellenálljon a vízzel telített állapotban történő ismételt fagyasztás és felolvasztás során bekövetkező pusztulásnak, azzal magyarázható, hogy szerkezetében olyan tartalék pórusok vannak, amelyek nincsenek kitöltve vízzel, amelyekbe a víz egy része kipréselődik a fagyás során a víz alatt. a növekvő jégkristályok nyomása [4] .
A cement keményedési folyamata során a betonszerkezet kialakulásának kezdeti szakaszában a keverővíz a cementpépben összekapcsolt kapilláris pórusok rendszerét képezi, amelyek véletlenszerűen helyezkednek el a beton térfogatában. A cementhidratáció előrehaladtával a cementkő teljes és kapilláris porozitása csökken, mivel a cementhidratáció termékei által elfoglalt térfogat a kristályos neoplazmák közötti pórusokkal (gélpórusok) együtt körülbelül 2,2-szerese a cementkő abszolút térfogatának. nem hidratált cement.
A cementhidratáció bizonyos fokának elérésekor a kapilláris pórusok rendszere feltételesen diszkrétté válik, mivel a kapilláris pórusokat cementgél választja el, amely szintén rendelkezik pórusokkal, de jóval kisebb. Ebben az esetben a beton áteresztőképessége meredeken csökken. A beton cementkövében a pórustér hasonló szerkezete jelentkezik, minél korábban, minél alacsonyabb a kezdeti víz-cement arány (W/C).
Ugyanakkor a betonban levegővel töltött pórusok keletkeznek. A cement és a víz kölcsönhatásának reakcióját kémiai összehúzódás kíséri, mivel a daganatok által elfoglalt abszolút térfogat kisebb, mint a cement és a víz által elfoglalt abszolút térfogat, míg a cementkő térfogatának csökkennie kell. A cementkőben merev kristályos váz kialakulása után azonban a kémiai összehúzódás miatti zsugorodási alakváltozások nem jelenhetnek meg, és a cementkőben jelennek meg a legkisebb összehúzódási pórusok. Ezek a pórusok azonnal vizet kapnak a nagyobb pórusokból és hajszálerekből, az utóbbiak pedig részben kiszáradnak. A kémiai összehúzódással kialakuló légpórusok tartalékká válnak, feltéve, hogy csak a gél pórusain keresztül kommunikálnak más hasonló pórusokkal és kapillárisokkal, valamint a külső környezettel. Az ilyen tartalék pórusokat sem vízbe merítve, sem kapilláris szívással nem lehet feltölteni vízzel.
A vízzel telített beton megfagyásakor a jégkristályok képződése és növekedése következtében a megmaradt folyadékfázisban hidrosztatikus nyomás keletkezik, amelynek hatására a vizes oldat tartalék pórusokba kerülhet, ami kizárja a jégkristályok képződésének és növekedésének lehetőségét. a húzófeszültségek növekedése a cementkőben. A vízzel telített állapotban lévő beton tönkremenetele az ismételt fagyasztás és felolvasztás során csak akkor következhet be, ha az összes tartalék pórus megtelik vízzel vagy fagyás közben képződő jéggel. Minél nagyobb a tartalék pórusok relatív térfogata a beton térfogategységére vonatkoztatva, annál több fagyás-olvadás ciklusra van szükség a beton tönkretételéhez.
A zárt porozitás egyértelműen meghatározza a beton fagyállóságát. Ennek oka a tartalék pórusok egyenetlen eloszlása a beton térfogatában, valamint a cementkő elégtelen szilárdsága a hidrosztatikus nyomás hatására.
A vízzel telített állapotban váltakozó fagyasztásnak és felengedésnek alávetett beton szerkezetének fokozatos tönkremenetelének mechanizmusa destruktív tényezők összetett kombinációja, beleértve: jégnyomás a szabad víz kristályosodása során; hidrodinamikai hatások mozgása (vándorlása) során a hő- és nedvességtartalom-gradiens (hőnedvesség-vezetőképesség) hatására; a zsákutcában rekedt folyadék hidrosztatikus nyomása és szerkezeti hibák; a beton és a cementkő összetevőinek hőmérsékleti deformációinak különbségéből adódó feszültségek; fáradásos (fokozatosan növekvő) szerkezeti hibák az ismétlődő váltakozó deformációk miatt; a „pórusos” folyadékban oldott cementhidrolízistermékek koncentrációjának idővel történő csökkenése, mind a vízben oldhatatlan kristályos hidrátok képződése (a cement és a vízzel való folyamatban lévő reakciója), mind a „szívás” miatt. a minták felolvadása során szerkezeti hibák kialakulásával, ami növeli a beton térfogatának szabad víztartalmát, és egyéb [5] [6] [7] [8] [4] .
Klorid sók-jéggátlók használata esetén (például útfelületek üzemeltetésekor) vagy próbasóoldatok (a beton fagyállóságának vizsgálatakor 5%-os NaCl oldatban) esetén a feltüntetett tényezők betonra gyakorolt hatása kiegészítve: a cementkő szerkezetének kis hibáiban, valamint a beton adalékanyagaival való érintkezési zónáiban és a beton pórusaiban (repedéseiben) a túltelített sóoldat következtében keletkező felhalmozódott só kristályosodási nyomása. összesített szemek; a folyékony fázis migrációs folyamatának fokozása és a beton nedvességkapacitásának növekedése; kialakuló feszített állapot a cementkő mikroszerkezetének szintjén a hőmérséklet-különbség (gradiens) lokálisan megnyilvánuló hatása miatt, amely a "fókuszos" oldódás - sókristályosodás - folyamatát kíséri; a sóoldat fagyáspontjának csökkenése a vízhez képest, ami hozzájárul a folyékony fázis mély behatolásához az egyre kisebb keresztmetszetű szerkezeti hibákba, elmélyíti a sóanyag-átadási folyamat fejlődését és fokozza a beton hatását pusztítás általában [9] [10] [11] [12] [13] [14] .
Jelenleg úgy gondolják, hogy a beton azon képességét, hogy ellenálljon az váltakozó fagyás és felengedés ciklusainak, elsősorban a pórusterének szerkezete, különösen a nyitott (integrált) és a feltételesen zárt pórusok aránya határozza meg.
A nem sós vízben üzemeltetett hagyományos betonok fagyállóságának meghatározásának alapvető módszere a vízzel telített minták bizonyos számú fagyasztási és felengedési ciklusának végrehajtása. A fagyasztást levegőn, a leolvasztást vízben végezzük. A fagyállósági fokozatot a kontroll, a közbenső és a fő minták erősségének összehasonlításával határozzák meg. A minták megjelenésének és tömegének megőrzésének feltételét [1] be kell tartani .
A mineralizált vízben üzemeltetett betonok fagyállóságának meghatározásának alapvető módszere abban különbözik, hogy a minták telítésének és leolvasztásának közege 5%-os nátrium-klorid oldat.
A fagyállóság meghatározásának alapvető módszereinek hátrányaiEgy adott márkájú beton fagyállóságnak való megfelelőségének meghatározása minták nyomószilárdsági vizsgálatával történik [1] . Változó hőmérsékleten üzemeltetett, valódi szerkezetekből származó próbatestek vizsgálatakor azonban gyakran előfordul, hogy a nyomószilárdság szinte teljes mértékben megmarad, miközben a hajlító- és szakítószilárdság meredeken csökkent. Ez arra utal, hogy a fagynak kitett szerkezetek kutatási gyakorlatban elfogadott nyomópróbája nem mindig tükrözi azon szerkezetek valódi teherbíró képességét, amelyek a nyomóerőn kívül hajlító- és húzóerőket is megtapasztalnak [4] .
A fagyállóságuk gyors, rövid időn belüli meghatározása elengedhetetlen a rendkívül tartós (nagyon fagyálló) betonok előállításához. A fagyállóság gyorsított meghatározására és előrejelzésére szolgáló jelenlegi módszerek többsége jelentős hátrányokkal rendelkezik. Különösen időigényesek, speciális berendezéseket igényelnek, amelyek a hagyományos építőipari laboratóriumokban nem állnak rendelkezésre, nem tükrözik a folyamatban lévő folyamatok fizikai jellegét, és a kapott eredmények jelentős eltérést mutatnak a közvetlen fagyasztással végzett vizsgálatok során kapott eredményekkel, ill. kiolvasztás (a GOST módszer szerint).
A hagyományos, nem sós vízben üzemeltetett betonoknál a tesztelés felgyorsítása érdekében a keverővizet (és a kiolvasztóközeget) 5%-os nátrium-klorid oldattal helyettesítik (második gyorsított módszer); emellett a fagyasztási hőmérséklet -18 °C-ról -50 °C-ra csökkenthető (harmadik gyorsított módszer).
Ásványos vízben üzemeltetett betonoknál a harmadik módszert gyorsítják.
A fagyállóság meghatározására szolgáló gyorsított módszerek hátrányaiA gyorsított fagyállósági vizsgálati módszerek az alapoknál is kevésbé adják vissza a valós képet a betonműködésről előjel-változó hőmérsékleten. Az elvégzett vizsgálati ciklusok számának fagyállósági fokozatba való átszámítása a GOST 10060 táblázatai szerint elvégezhető, azonban egy szabályozó dokumentum nem tudja figyelembe venni a konkrét betonösszetételekből készült valódi szerkezetek működési feltételeinek változatosságát.
A beton fagyállósága a vizsgálat után nem csak a minták nyomószilárdságának változása alapján értékelhető. Használható:
- az ultrahang áthaladási sebességének csökkenése;
- a minták alakváltozási értékének növekedése;
- a relatív dinamikus rugalmassági modulus átlagértékének csökkenése.
Ezeknek az értékelési módszereknek az alkalmazása azonban előzetes tesztelést igényel, hogy a standard módszerről az alternatívra átszámítási tényezőt kapjunk.
A beton fagyállósága elsősorban a betonkeverék összetételétől és összetevőinek minőségétől függ: a víz-cement aránytól, az ásványi összetételtől és a cementcsiszolás finomságától, a cement gipsztartalmától, az adalékanyagok minőségétől, a felhasznált adalékok tulajdonságaitól. A frissen rakott betonkeverék szerkezeti sűrűsége és a beton keményedési körülményei [4] nagyban befolyásolják .
A beton porózus anyag, amelynek porozitása különösen abból adódik, hogy a betonkeverék összetételébe a cementásványok hidratálása céljából többletmennyiséget viszünk be. Ha a beton minden pórusa vízzel volt feltöltve, akkor az első fagyasztási ciklusban össze kellett volna omlani, mivel a víz megfagyásakor a jég kisebb sűrűsége miatt a beton rugalmas vázában olyan húzófeszültségek kell, hogy keletkezzenek, amelyek jelentősen meghaladják a betont. saját erő. A valódi beton azon képessége, hogy ellenálljon a vízzel telített állapotban történő ismételt fagyasztás és felolvasztás során bekövetkező pusztulásnak, azzal magyarázható, hogy szerkezetében olyan tartalék pórusok vannak, amelyek nincsenek kitöltve vízzel, amelyekbe a víz egy része kipréselődik a fagyás során a víz alatt. a növekvő jégkristályok nyomása [4] .
A levegőt magával ragadó adalékok bevezetése a beton összetételébe hozzájárul:
- levegő bevonása feltételesen zárt pórusok formájában, feldarabolva a kapilláris porozitás csatornáit;
- a beton kapilláris szívásának és vízfelvételének csökkenése;
- a kapillárisok falainak hidrofóbizálásának és egyéb hibáinak megnyilvánulása a cementkő és általában a beton szerkezetében.
A levegőt magával ragadó adalékok (különösen, mint például a Sofexil 60-80; ShchSPK és SNV) hatékonysága csak a fagyállósági vizsgálatok kezdeti szakaszában, és ennek megfelelően a termékek (szerkezetek) működésének kezdeti szakaszában nyilvánul meg [5 ] .5-6 fagyasztási ciklus t ≥ (-50...-55) °C-on és felolvasztás (ami ≥ 75 beton alapvizsgálati ciklusnak felel meg) után a porozitásának teljes fizikai térfogata „dolgozni kezd”. betonban, ideértve az adalékanyagok levegővel való beszivárgása miatt mesterségesen létrehozott porozitást. Ennek eredményeként a beton vízfelvétele növekedni kezd, a pórusaiba behatoló víz térfogata megnövekszik az összes ebből következő pusztító következménnyel együtt: a nyomás növekedése a víz megfagyásakor, a váltakozó deformációk növekedése, a fáradási jelenségek felhalmozódása és a sóhatás fokozódása. A beton gyorsan megsemmisül, mivel ezen adalékok bevezetésével a szilárdsága jelentősen csökken (akár 5%-os szilárdságcsökkenés minden egyes érintett levegő százalékában), ami azt jelenti, hogy a fizikai és mechanikai roncsoló jelenségekkel szembeni ellenállás is csökken.
A levegőt magával ragadó vízlepergető adalékok a leghatékonyabbak az alacsony osztályú, 40 ... 50 MPa-nál kisebb szilárdságú nehézbetonokban, azaz kellően nagy nyitott porozitással rendelkező szerkezeteknél, amelyeket a beton adalékanyag nélküli vízfelvétele 4,0 jellemez. tömegszázalék vagy több. Az ilyen betonokban lévő levegőelvezető adalékok F300-ig képesek fagyállóságot biztosítani [5] .
A beszívott levegő védő hatása a pórusméret csökkenésével növekszik. A leghatékonyabb pórusméret 0,3-0,5 mm vagy kisebb. Döntő jelentőségű a pórusok "hozzáférhetősége": minden fagyáspont közelében légpórusnak kell lennie [15] .
Gorchakov G.I. megállapította, hogy a beton fagyállósága fordítottan arányos a kapilláris porozitásával, és kísérletileg igazolta a fagyállóság függését a cement és a W/C hidratációs fokának értékétől .
Minél alacsonyabb a kezdeti W / C, annál kisebb a kapillárisok kezdeti sugara, és annál nagyobb a lehetőség a szétválásukra a cementgéllel történő cementhidratálás során, feltételesen zárt pórusok kialakulásával. W/C>0,68 esetén a kapillárisok sugara még a cement teljes hidratációja esetén is akkora, hogy nem alakul ki feltételesen zárt szerkezet - a kapillárisok egymással és a környezettel kommunikálnak. Mivel valós körülmények között a cement hidratáltsági foka nem haladja meg a 90%-ot, a W / C értéke, amelynél nem képződik feltételesen diszkrét szerkezet, 0,62 [4] .
Nagy fagyállóságú (F 1 600, F 2 200) beton esetén a W / C értékét legfeljebb 0,34-re kell beállítani [16] .
Magas W/C értékeknél a levegőt magával ragadó adalékok által kialakított pórusokat nem zárja el minden oldalról a cementgél, így növelve a beton nyitott porozitását. Ezt a jelenséget a levegő pórusainak hidratációjának nevezik [17] . A levegőt magával ragadó adalékok bevezetése a magas W/C-vel rendelkező betonokba nemhogy nem növeli a beton fagyállóságát, hanem csökkentheti is.
Az aktív ásványi adalékok alkalmazása a portlandit oldhatatlan vegyületekké történő megkötésére a szerkezet párhuzamos tömörítésével növeli a beton fagyállóságát. A cementkő hidratált fázisainak módosítása szilícium-dioxid füst és polikarboxilát lágyító együttes hozzáadásával elősegíti a ciklikus hőmérsékleti hatásokkal szemben jobban ellenálló gélszerű, alacsony bázisú hidratált fázisok képződését, ami lehetővé teszi a beton fagyállóságának elérését. F 2500-ig speciális légelvezető nélkül [18]
A cement ásványi összetételének a beton fagyállóságára gyakorolt hatását Gorchakov G.I. és Shestoperov S.V.
A trikalcium-aluminát C3A tartalmának növekedése hátrányosan befolyásolja a beton fagyállóságát. A kritikus szerkezetek esetében a cementklinker C3A-tartalmát szabványosítják (különféle műszaki szabványok szerint): a VSN 150-93 szerint az F200 és F300 fagyállósági fokozatú betonok esetében - legfeljebb 10%, az F400 és F500 esetében - legfeljebb 8% [19] .
A vízlepergető adalékok bevezetése lehetővé teszi, hogy a beton pórusszerkezete a lehető legtovább vízzel töltetlen maradjon.