В бетонной лаборатории Норвежского технологического института было изучено влияние замораживания на прочность бетона в раннем возрасте.
Испытывались образцы из бетонов различного состава. Часть кубиков выдерживалась в нормальных условиях, т. е. на протяжении первых 24 часов после бетонирования они хранились в лаборатории при температуре около 18°; после этого образцы извлекались из форм и хранились в камере при температуре 20° и 100% относительной влажности вплоть до момента испытания.
Другая часть образцов хранилась в том же порядке, за исключением того, что в определенный период образцы помещались в камеру замораживания, где поддерживалась температура в пределах —2°. В ряде случаев температура замораживания была равна—6°, а в некоторых даже—18°. Образцы находились в камере замораживания на протяжении некоторого времени, которое не учитывалось при определении времени твердения бетона. Обычно время твердения равнялось 28 дням, одатхо в ряде случаев оно колебалось в щ делах от 3 до 60 дней.
При постанвке опытов предполагалось, что возраст бетона перед замораживанием является важным фактором. Поэтому этот фактор варьировался в широких пределах, начиная от замораживания бетона сразу после приготовления до замораживания в возрасте 12 дней. 10-804
Небольшое количество испытаний было произведено с бетонами на глиноземистых цементах, с добавкой хлористого кальция и с воздухововлекающей добавкой, однако большинство образцов было на обычном норвежском портландцементе нормального качества. В качестве заполнителей использовался речной песок и дробленый гравий.
Результаты испытаний на сжатие представлены в виде отношения прочности на сжатие образцов замороженного бетона к соответствующим образцам, не подвергавшимся замораживанию. Это отношение в процентах, называемое относительной прочностью на сжатие, показывает влияние замораживания на прочность бетона. Прочность бетона, подвергавшегося замораживанию, определялась по результатам испытания трех образцов, а прочность образцов, выдержанных в нормальных условиях,—по результатам испытания шести образцов.
Первые серии испытаний дают общее представление о снижении прочности бетона на сжатие при замораживании в относительно раннем возрасте. Результаты некоторых испытаний показаны графически на рис. 1. Как видно из графика, испытанию подвергались образцы бетонов, имеющих цементоводное отношение от 1,0 до 2,5, причем потеря прочности от замораживания всех образцов примерно одинакова и к тому же не зависит от температуры замораживания. Снижение прочности на сжатие составляет около 35% для свежеуложенного бетона и около 15%—для бетона замороженного спустя 4 часа после укладки. Замораживание бетона спустя 8 часов после укладки приводит к снижению прочности всего на 5%, а замораживание бетона через 24 часа после укладки почти не отражается на его прочности.
После испытания на сжатие Все образцы были тщательно осмотрены с целью обнаружения следов кристаллов льда. Такие следы можно было видеть на всех образцах, замороженных сразу после изготовления, и почти на всех образцах, замороженных спустя 4 часа после укладки бетона. В прочих образцах, замороженных в более позднем возрасте, следов кристаллов льда не наблюдалось, за исключением некоторых, замороженных в возрасте 8 часов. По-видимому, снижение прочности бетона находится в прямой зависимости от образования кристаллов льда при замораживании.
Когда замораживание бетона происходило спустя некоторое время (от 2 до 146 8 дней), прочность образцов на сжатие несколько возрастала против нормы. Причина этого еще не объяснена, но необходимо отметить, что увеличение прочности наблюдалось в образцах всех пяти серий и поэтому не может считаться случайным. Продолжительность замораживания образцов в этих сериях составила 48 часов, а испытание образцов на сжатие производилось через 28 дней эффективного твердения.
В следующих сериях образцов варьировали продолжительность периода замораживания, эффективное время твердения и консистенцию бетона. Результаты испытаний показаны на рис. 2 и 3. Потеря прочности слегка увеличивается с увеличением времени замораживания и количества цементного теста. Разница в относительной прочности на сжатие, однако, незначительная. Результаты испытания образцов четвертой серии (см. левую часть рис. 3) показывают, что относительная прочность бетона не зависит от продолжительности эффективного периода твердения бетона.
В пятой серии были испытаны образцы бетона на глиноземистом цементе. Снижение прочности образцов на сжатие составляет около 30% для бетона, замороженного сразу после укладки, 12%— когда бетон заморожен через 4 часа после укладки, а в случае замораживания через 8 часов снижение прочности бетона не наблюдалось.
В шестой серии испытывались образцы бетона с добавками хлористого кальция в количестве 2 и 4% от веса цемента. Эти добавки не оказали никакого влияния на прочность бетона при замораживании по сравнению с образцами, не содержащими добавки.
Поведение бетона с воздухововлекающей добавкой при однократном замораживании в раннем возрасте изучалось в седьмой серии опытов. Результаты показывают, что наличие воздухововлекающей добавки в бетоне не оказывает влияния на изменение прочности бетона при замораживании.
Казалось, что изменения в бетоне, вызванные однократным замораживанием в раннем возрасте, повлияют не только на прочность бетона на сжатие, но и на другие его показатели. Предварительные испытания показывают, что морозостойкость бетона, подвергнутого однократному замораживанию в раннем возрасте, по сравнению с образцами, не подвергавшимися замораживанию, не уменьшается.
С полной достоверностью установлено, что уменьшение прочности бетона на сжатие происходило только в тех случаях, когда находили следы кристаллов льда. Кристаллы льда формировались на поверхности частиц заполнителей, отбирая для своего образования воду от окружающего раствора. Таким образом, цементный раствор отделяется от заполнителей кристаллами льда при замораживании бетона. Этот процесс необратимый; поэтому при оттаивании бетона в местах расположения кристаллов льда остаются пустоты, отделяющие заполнители от окружающего раствора. Эти пустоты не заполняются в процессе последующего твердения бетона. Следует считать, что наличие их приводит к уменьшению прочности бетона на сжатие.
Когда замораживание бетона производилось в возрасте 8 часов после его укладки, снижение прочности на сжатие было сравнительно небольшое. Это происходило благодаря тому, что в этом возрасте количество воды в бетоне значительно меньше, чем в свежеуложенном. Кроме того, движение воды, необходимой для образования кристаллов льда, также затрудняется.
Как упоминалось выше, уменьшение прочности бетона на сжатие было почти одинаковым при замораживании до температуры—18 и —6°. Следует, однако, считать установленным, что увеличение времени замораживания (образования кристаллов) приводит к несколько большему повреждению бетона.
Меньшее повреждение бетона происходило при применении глиноземистого цемента благодаря большей скорости гидратации.
Известно, что бетон с воздухововлекающей добавкой является весьма морозостойким. Наиболее подходящее объяснение этого явления следующее. Наличие в бетоне пузырьков воздуха (в количестве около 5 % от общего объ’ема бетона и около 15%’ от объёма цементного тес га) предотвращает или во всяком случае снижает возможность образования большого внутреннего давления при замораживании отвердевшего бетона в водонасыщенном состоянии. Благоприятное влияние воздушных пузырьков становится эффективным лишь после достаточного отвердения бетона. В свежеуложенном бетоне образование кристаллов льда происходит независимо от наличия воздушных пузырьков, поэтому уменьшение прочности бетона на сжатие будет примерно такое же, как и нормального бетона. Такое объяснение находится в полном соответствии с результатами опытов.
Результаты произведенных опытов приводят к следующим заключениям:
1. Повреждение бетона, замороженного в раннем возрасте, происходит в связи с образованием кристаллов льда.
2. Величина повреждения не зависит от температуры замораживания и от состава бетона.
3. Уменьшение прочности бетона на сжатие было около 30—40% при замораживании бетона сразу после укладки в формы. Если бетон замораживался спустя 8 часов, то повреждение его было значительно меньше, а при замораживании через 24 часа после укладки снижение прочности было незначительным.
4. Бетон, поврежденный в результате замораживания, не восстанавливает прочности, эквивалентной прочности незамороженного бетона.
5. Бетон на глиноземистом цементе показывает меньшую потерю прочности, особенно когда замораживание произошло спустя 4 часа после укладки.
6. Продолжительность времени замораживания (от 2 до 28 дней) не показывает заметного влияния на снижение прочности бетона на сжатие.
7. Воздухововлекающие добавки не оказывают влияния на повреждение свежеуложенного бетона при замораживании.
