Физико-химические процессы в бетоне монолитных конструкций

В настоящее время одним из самых экономичных, быстрых и перспективных, с точки зрения решения архитектурно-строительных задач, является монолитное домостроение. Строительство зданий монолитным способом завоевало заслуженную популярность за рубежом. Свыше 70% зданий возводится этим способом. В нашей же стране монолитное домостроение применяется в три раза реже. Энергичное развитие монолитного домостроения в ряде случаев сдерживается тем, что на значительной части территории страны в течении 6 и более месяцев преобладают отрицательные температуры воздуха, и проведение строительных работ в этих условиях требует использования различных проти-воморозных добавок, или одного из методов зимнего бетонирования с прогревом бетона, или применения специальных вяжущих.

Задачей исследования было с помощью комплексных физико-химических методов изучить влияние различных способов выдерживания в зимнее время на структуру и свойства цементного камня и бетона.

Известно, что при температуре +5оС бетонные смеси резко снижают набор прочности. Все реакции гидратации замедляются. При температуре ниже 0оС химически несвязанная вода превращается в лед и увеличивается в обьеме на 9,7%. В результате в бетоне возникают напряжения, разрушающие его структуру. Замерзший бетон обладает высокой прочностью, но только за счет сцепления замерзшей воды. При оттаивании процесс гидратации возобновляется, но из-за нарушений структуры бетон не может набрать проектной прочности, т.е. его прочность значительно ниже, чем прочность бетона, не подвергавшегося замерзанию. Зкспериментами установлено, что на процесс набора прочности бе- тона существенно влияют условия твердения. Если бетон до замерзания наберет 30-50% прочности от проектной, то дальнейшее воздействие низких температур не влияет на его физико-механические характеристики.

При визуальном осмотре и при изучении образцов с помощью бинокулярной лупы МБС-2 можно видеть, что контакт разных заполнителей с цементным камнем различный. У крупных обломков с ровными гладкими краями, как правило, наблюдается плохое сцепление с цементным камнем, вокруг них развиваются трещины отслоения, на поверхности заполнителя можно видеть светлые известковые пленки. Обломки, имеющие неровные, зубчатые края, обладают более хорошим сцеплением с цементным камнем, контакт между ними плотный. При изучении прозрачных шлифов при увеличении 56*, 72* можно наблюдать, что трещины развиваются по контакту крупного заполнителя, затем переходят в цементирующую массу, используя наиболее ослабленные места контакта мелкого заполнителя с цементным камнем. При возведении монолитных конструкций в зимнее время в целях предотвращения преждевременного замораживания бетона применяют различные виды опалубки, утепления и греющие элементы. Однако влияние их при всех прочих равных условиях на характер охлаждения бетона мало изучено.

Экспериментальные исследования характера охлаждения бетона проводились на образцах- моделях в зависимости от вида опалубки на строительной площадке в зимнее время. Температура смеси в момент укладки составляла 10-20оС. Бетонные образцы-модели отличались между собой типом опалубки и утепления. Анализ распределения температуры в бетоне образцов-моделей с воздушной прослойкой показывает, что в течение 7 ч после укладки бетонной смеси в холодную опалубку и на холодное основание температура ее резко понижается: достигает 4оС вблизи основания, 11,5оС в средней части опалубки, 10оС в верхней части образца модели. После 13 ч с момента укладки температура бетона в центре понижается до 13оС, а в метеллической опалубке в этот момент температура понижается до 7оС и в некоторых точках наблюдается процесс последовательного замерзания по сечению образца, и уже после 23 ч выдерживая при температуре наружного воздуха 11оС в образце модели полностью замерзает.

В результате тщательного обследования микроскопом ПМБ-2 были выявлены вертикальные трещины на поверхности образца. Образование трещин можно обьяснить замерзанием образца модели на раннем этапе, когда твердые частицы, составляющие бетон, еще не соеденены в единое целое и фактически разобщены тонкими водяными пленками. При действии отрицательной температуры на свежий бетон вода начинает замерзать, тем самым разобщенные твердые частицы соединяются в единую монолитную систему льдом. Процесс замерзания происходит постепенно от периферии к ядру конструкции, замыкая внутренний обьем. Дальнейшее замерзание вследствие расширения материала приводит к повышению давления, могущего достигнуть величины, равной 250 МПа во внутреннем замкнутом обьеме. Наружные замерзшие слои бетона вследствие этого начинают работать на растяжение, в результате чего образуются трещины в поверхностных слоях образца. Температура бетона после укладки у холодного основания остается пониженной по сравнению с температурой в средней и верхней части образца, хотя скорости дальнейшего охлаждения в них практически одинаковы.

В металлической опалубке с воздушной прослойкой полное замерзание наступает после 31 ч выдерживания, причем в период остывания бетона в образце-модели наблюдается выделение экзотермического тепла.Воздушная прослойка опалубки создает благоприятные условия твердения бктона. Тем самым способствует росту его прочности и влияет на сроки распалубки конструкций в зимнее время. Прочность бетона на поверхности образца, выдержанного в металлической опалубке определялась склерометрическим методом после 47 ч выдерживания (в замороженном состоянии) и составляла 53% от R-28, а прочность бетона на поверхности образца, выдержанного в металлической опалубке с воздушной прослойкой, соответственно 61% от R-28.

Изучение характера формирования температурного поля в бетоне и продолжительность остывания образца-модели в фанерной опалубке показывает, что скорость изменения температуры значительно понижается. Продолжительность охлаждения увеличивается, и создаются более благоприятные условия для твердения бетона при положительных температурах. Градиент температуры по сечению образца в фанерной опалубке маленький и значительно отличается от такого в образцах, выдерживавшихся в металлических опалубках, особенно на начальном этапе наблюдения. Тепловыделение бетона увеличивает продолжительность охлаждения образца. Полное замерзание бетона об- разцов в фанерной опалубке происходит через 40 ч. После укладки смеси. Прочность бетона после 47 ч. Выдерживания составила 43% от R-28.

Анализ продолжительности остывания и характера формирования температурного поля в бетоне образцов, выдерживавшихся в фанерной опалубке с воздушной прослойкой, показывает, что изменение температуры несколько замедляется, особенно в средней и верхней части образца. Первые 2 ч после укладки у холодного основания наблюдается интенсивное охлаждение, после чего скорость уменьшается. Бетон в образце даже после 46 ч выдерживания имеет низкую положительную температуру, и прочность бетона в таком состоянии составила 16% R-28 толщиной 5 см.

Экспериментальные данные показали, что наиболее благоприятные условия твердения бетона создает фанерная опалубка с утеплителем из стекловаты толщиной 5 см. Утепленная опалубка не только замедляет скорость охлаждения, но и благоприятствует тепловыделению бетона. Наиболее интенсивное выделение тепла имеет место в средней части образца: в течение 27 ч температура достигает максимального значения 22,5oС. Прочность бетона в поверхностном слое образца после 47 ч. Выдерживания составила более 50% от R-28.

Выводы

Применение металлической опалубки для конструкций средней массивности приводит к быстрому охлаждения бетона. Ранее замораживание его может являться причиной возникновения трещин.

Использование опалубок с воздушной прослойкой удлиняет продолжительность остывания бетона.

Утепленная опалубка является более эффективной, создает благоприятные условия твердения бетона, способствует сокращению срока распалубки конструкций в условиях отрицательных температур.