Kinetika nárůstu pevnosti betonu během mrznutí a tání

Kinetika nárůstu pevnosti betonu během mrznutí a tání

Kandidát technických věd O. S. IVANOVÁ

Výzkum provedený v posledních letech v PPIZhB ukázal, že vliv záporných teplot na beton v raném stáří nejen zastavuje růst pevnosti, ale má také destruktivní vliv na jeho strukturu. Betony zmrazené bezprostředně po přípravě nevykazovaly prakticky žádný nárůst pevnosti v mrazu při teplotě -5 °C, přičemž po 8 hodinách rozmrazování získaly 28 % R4. Podobné betony tříd 200 a 300, připravené s použitím cementu Novozdolbunovského a Belgorodského MG00 s mobilitou směsi 1-3 cm, skladované po dobu 28 a 90 dnů při teplotách -10, -20 a -50 °C po 4 hodinách rozmrazování, měly pevnost v rozmezí 1,5-4,5 kg/cm1, což odpovídalo 2-0,46 % R1,4 (obr. 28).

Výsledky experimentů jsou v dobré shodě s dříve získanými údaji o skupenství vody, které ukázaly, že při -5 °C v betonu zmrazeném bezprostředně po přípravě přechází více než 92 % vody na led. Při -20 °C tato hodnota dosahuje 94 % a při -45 °C se zvyšuje na 97 %. V důsledku toho nemůže dojít k vytvrzení mrazem, pokud beton nemá dostatečné množství vody v kapalné fázi.

Jiný je obraz při mrazení betonu, který v době mrazu dosáhl určité pevnosti.

Množství kapalné fáze v betonech zmrazených s vyšší pevností se při stejné záporné teplotě zvyšuje (tabulka 1). Lze předpokládat, že čím větší je pevnost betonu před zmrazením, tím výrazněji by se měla zvýšit. Experimenty však ukázaly, že hypotéza platí pouze do určité míry.

Největší nárůst pevnosti během zkoušek po 4 hodinách rozmrazování byl pozorován u betonu zmrazeného z 15 na 45 % z 28. Po 28 dnech při teplotě -5 °C a 4 hodinách rozmrazování byla jejich pevnost o 23-28 % vyšší než před zmrazením (viz obr. 1). Beton s pevností 70-80 % a více dané třídy neměl po 28 dnech stárnutí při stejné teplotě prakticky žádný nárůst pevnosti.

Podobný obraz je pozorován při skladování betonu v chladicích komorách s teplotami -20 a -50 °C. Absolutní a relativní hodnoty nárůstu (pevnosti) betonu stejného stáří však s klesající teplotou klesají (tabulka 2).

Důvodem významného rozdílu v povaze nárůstu pevnosti betonu zmrazeného v různých fázích tvrdnutí jsou jeho relaxační vlastnosti. Během prvních 3 dnů se v betonu intenzivně hromadí gel, což mění jeho pórovitost. Během této doby, jak vyplývá z výpočtu podle vzorců Dr. technických věd.

Přítomnost hustých skořápek novotvarů, které brání přenosu vlhkosti do hloubky cementového zrna, zpomaluje nárůst pevnosti betonu za chladu, který v době mrznutí dosáhl 70 % nebo více Rss. Kromě toho se s klesající teplotou výrazně zvyšuje viskozita vody. Podle Powerse je viskozita vody při průchodu cementovým gelem s póry o průměru 2 x 10-7 cm přibližně 50 000krát vyšší než viskozita vody za normálních teplot [1].

Betony s nižší pevností (ve stáří 1-3 dny) dosud neprošly tak významnými strukturálními změnami. To umožňuje rychlejší procesy tvrdnutí a zvýšení jejich pevnosti v mrazu při teplotách blízkých 0 °C. To zřejmě vysvětluje největší nárůst pevnosti po rozmrazení u betonů ve stáří 1-3 dny před mrazem.

Přítomnost procesů tvrdnutí při záporných teplotách, zejména při -5 °C, potvrzují výsledky experimentů zaměřených na studium stupně hydratace cementu, které společně provedly laboratoře metod urychleného tvrdnutí a zkoušení betonu Výzkumného ústavu železobetonu. Stupeň hydratace cementu byl stanoven metodami chemické a diferenční termické analýzy ve vzorcích cementové pasty normální hustoty (Belgorodský cement M600 dle GOST 310-41) ve stáří 1, 3, 7 a 28 dnů.

Gelové obaly kolem dehydratované části cementového zrna zůstávají po dlouhou dobu propustné a voda, difundující póry gelu, zapojuje do hydratační reakce nové části cementu. Rychlost této reakce závisí na pevnosti betonu před mrazem. Čím vyšší je tato pevnost, tím nižší je rychlost hydratace cementu za chladu, za jinak stejných podmínek. Zároveň při záporných teplotách zřejmě neexistují žádné příznivé podmínky pro vznik krystalického srůstu, jehož pevnost určuje pevnost cementového kamene.

Výsledky studií ukazují, že pevnost betonu, který byl dlouhodobě skladován při teplotách pod bodem mrazu, byla po 4 hodinách rozmrazování vyšší než pevnost před mrazem.

Z našeho pohledu však není zcela správné vyvozovat závěry o tvrdnutí betonu při teplotách pod bodem mrazu na základě těchto údajů.

Beta zmrazování prochází 3 fázemi: ochlazováním na 0 °C, zmrazováním a rozmrazováním. Úloha každé fáze ve zvyšování pevnosti je velmi zajímavá z teoretického i praktického hlediska.

Z betonu třídy 10 bylo vyrobeno několik sérií vzorků o rozměrech 10X10X300 cm, které byly po dosažení pevnosti 28, 106, 190 a 236 kg/cm2 (doba předběžného vytvrzování byla 12, 24 a 72 hodin) umístěny do chladicí komory s teplotou -20 °C.

Jedna sada vzorků byla ochlazena pouze na -1 °C, poté byla za normálních podmínek rozmrazena v komoře na 2 °C a ihned testována, zatímco jejich dvojčata pokračovala v rozmrazování po dobu 4–5 hodin, dokud beton nedosáhl okolní teploty. Další vzorky byly ochlazovány na -10 a -20 °C různou rychlostí. Po stanovení pevnosti byly ze vzorků odebrány vzorky, dehydratovány alkoholem a odeslány do chemické laboratoře ke stanovení stupně hydratace cementu.

Analýza dat (tabulka 3) ukazuje, že role každé ze tří fází při zvyšování pevnosti betonu po rozmrazení se zvyšuje nebo snižuje.

Nejzajímavější otázkou je další nárůst pevnosti, když jsou vzorky rozmrazeny na pokojovou teplotu.

Jak je patrné z tabulky 3, tato fáze se vyznačuje intenzivním nárůstem pevnosti bez ohledu na teplotu mrazu a zpravidla platí, že čím nižší je pevnost betonu před mrazem a čím méně hluboce je ochlazen, tím větší pevnost získá během stejných 4-5 minut.

Betony, které v době mrazu dosáhly více než 50 % R2&, při rozmrazení na +2 °C nejenže nedošlo ke zvýšení pevnosti, ale téměř ve všech případech se ukázala být o 1–6 % nižší než pevnost před mrazem. Po 4–5 hodinách rozmrazování však dosáhly počáteční hodnoty nebo ji dokonce mírně překročily.

Údaje o pevnosti betonu jsou v dobré shodě s údaji z chemické analýzy pro stanovení stupně hydratace betonu v různých fázích tuhnutí.

Obzvláště zajímavá je otázka zvyšování pevnosti za přirozených zimních podmínek.

Z některých studií je známo, že pevnost betonu se v přirozených zimních podmínkách zvyšuje ještě intenzivněji než v chladicích komorách.

Rozdíl mezi přirozenými zimními podmínkami a chladicími komorami spočívá ve výjimečné nestabilitě teploty venkovního vzduchu, jejíž výkyvy i během dne v oblastech východní Sibiře a Dálného severu dosahují 30 °C. Počet denních výkyvů teploty venkovního vzduchu v letech 1965 a 1966 byl například v Jakutsku -119, Norilsku – 45 a Krasnojarsku – 42, přičemž v druhém zmíněném městě ve 27 případech teplota klesla z kladných hodnot na -5 °C [4].

Porovnání nárůstu pevnosti za přirozených podmínek a v chladicích komorách bylo provedeno na vzorcích o rozměrech 10x10x10 cm vyrobených z betonu složení 1:1,8:3,0 s W/C = 0,46 a složení 1:3,1:4,5 s W/C = 0,72, tří shodných směsí s pohyblivostí, charakterizovaných sedáním kužele 1–3 cm.

Vzorky byly rozděleny do 2 šarží. Jedna z nich byla uchovávána v přirozených podmínkách po dobu 3 měsíců. Teplota venkovního vzduchu během této doby kolísala od -32 do 6 °C. Ostatní vzorky byly po stejnou dobu umístěny do chladicí komory s teplotou /=-20 °C.

Výsledky (tabulka 4) ukazují, o kolik rychleji se zvyšuje pevnost betonu v přirozených zimních podmínkách ve srovnání s náročnými teplotními podmínkami chladicích komor.

Při záporných teplotách nedochází ke zvýšení pevnosti betonu. Dochází k němu hlavně během procesu rozmrazování betonu při kladných teplotách. Beton získává pevnost před mrazem i po rozmrazení a v mrazu ji prakticky nezvyšuje.

Největší nárůst pevnosti po rozmrazení je pozorován u betonu zmrazeného při 15-50% D28 a při skladování betonu při zápornějších teplotách je tento nárůst vyšší. S poklesem teploty tuhnutí se nárůst pevnosti po rozmrazení snižuje.

V přirozených zimních podmínkách s častými teplotními výkyvy a dokonce i teplotami klesajícími pod 0 °C je nárůst pevnosti betonu poměrně znatelný. Největší nárůst pevnosti (o 35–50 %) je zaznamenán také u betonů zmrazených s pevností 20–50 %.

Každý rok, s příchodem zimy a nástupem chladného počasí, se naši klienti ptají: „Jak správně betonovat při teplotách pod nulou?“ Na tuto a další oblíbené otázky odpoví Dmitrij Dobrynsky, technolog z řetězce betonáren Vega.

1. Koncem září – začátkem října je teplota přes den stále kladná a v noci mrazy až -3 C°, -5 C°. Je možné nalít pásový základ, zamrzne beton?

— Je to možné, dodržujte pravidlo: před zmrazením musíte získat minimální počáteční pevnost do 10 % projektované pevnosti. Chcete-li to provést, před nástupem chladné noci je nutné položit beton co nejdříve, dokud zůstane teplo dne, a po položení jej zakrýt fólií a tepelně izolačním materiálem (izolon, geotextilie, penoplex atd.).

To pomůže betonu „přežít“ noc, udržet si vnitřní teplo a pokračovat v nabírání síly další den. Tvrdnutí betonu a jeho připravenost je nutné posoudit vizuálně: povrch zbělal, při oddělení bednění se materiál neláme na velké kusy, pokud je poškrábán hřebíkem nebo výztuží, nezůstávají hluboké rýhy; .

2. Co když už je konec října a průměrná denní teplota nevystoupí nad -3 C°, -7 C°? Jak v tomto případě nalít beton?

— Zde potřebujete beton s mrazuvzdornými přísadami s dávkováním určeným pro teploty do -15C°. Stejně jako v případě popsaném v první otázce je nutné čerstvě položený beton izolovat. Pokud ale pro teploty do -5 C° stačí jedna vrstva izolace, pak zde budete potřebovat 2-3 vrstvy nebo speciální vyhřívané rohože, které se dají koupit nebo zapůjčit. Pro jejich použití je potřeba zajistit, aby na staveništi byla elektřina.

Také při dodržení požárních bezpečnostních opatření můžete použít ohřívače ventilátorů. Pokládají se na betonový povrch nebo okraj bednění, z výztuže je vyroben rám, který je pokrytý přístřeškem izolace, který ji zvedá v místě výstupu horkého vzduchu. Taková stavba se nazývá „teplárna“. Připravenost betonu u tohoto způsobu ohřevu je určována i vizuálně podle znaků, které jsem již naznačil.

Tato doporučení platí pro základové konstrukce. U sloupů, stěn a podlahových desek při teplotách vzduchu -3 C°, -7 C° je již zapotřebí elektrické vytápění.

3. Pokud má beton přísadu proti mrazu, zaručuje to, že jej lze v zimě vylévat? Jaký je účinek doplňku?

— Nemrznoucí přísada především zabraňuje zamrzání betonové směsi při dodávce a pokládce. A po betonáži je bezpodmínečně nutné provést opatření k zahřátí betonu, aby nezmrzl.

4. Jak se správně betonuje v zimě? Co je třeba udělat, aby beton získal požadovanou pevnost?

— První a asi nejdůležitější věcí je příprava bednění. Bednění a vyztužený rám musí být chráněny před sněhem, k čemuž je rám ihned po montáži pokryt fólií nebo geotextilií. Před betonáží se bednění zkontroluje a v případě sněhu se odfoukne stlačeným vzduchem nebo přenosnou „foukačkou“ (batohové plynové nářadí na zametání listí), v případě námrazy se polije. s horkou vodou.

Přejímka betonové směsi musí být provedena co nejrychleji. V zimě se používá mrazuvzdorný beton – materiál s protimrazovými přísadami, které zabraňují jeho vytvrzení při přepravě a montáži. Při teplotě vzduchu -10 C°, -15 C° bude vyžadována dávka vypočítaná při -25 C°.

Ploché desky a stěny po betonáži vyžadují drátový elektrický ohřev a prvky pásových základů, mříží a sloupů vyžadují ohřev elektrodou. K tomu se beton zakryje a zahřeje připojením k topným transformátorům. Metoda termos (zakrytí betonu bez elektrického ohřevu) při teplotách pod -10C°, -15C° není povolena. Jedinou výjimkou zde mohou být masivní krychlové konstrukce z vysoce kvalitní betonové směsi třídy nad B25 o objemu více než 20 m³, zcela skryté v zemi.

5. V jakém stavu by měl být beton před zapnutím topení?

— Betonová směs musí zůstat pohyblivá a její povrch musí být bez námrazy a ledu a musí mít šedý, šedohnědý odstín. Pokud je barva betonu blíže černé, znamená to, že je zmrzlý. Takový materiál lze ještě „posílit“ drátovým elektrickým ohřevem (ale s nevyhnutelnou ztrátou kvality povrchu, stejnoměrnosti a pevnosti), ale elektrodová metoda již nebude fungovat. Faktem je, že při elektrodovém ohřevu slouží voda betonové směsi jako vodič (princip kotle), a pokud zamrzne, nebude elektrická vodivost a nedojde k ohřevu.

6. Jak dlouho trvá zahřátí betonu?

— Beton třídy B15 až B30 na základech a svislých konstrukcích (sloupy, stěny) při průměrné denní teplotě -10C°, -15C° a teplotě ohřevu +40C° k dosažení 80-90% návrhové pevnosti, je zahřátí trvá 1-2 dny (v závislosti na kvalitě izolace bednění, přístřešku, větru). Podlahové desky – od 2 do 4 dnů.

Pokud je teplota vytápění nižší, prodlouží se čas o „stupeň“: u sloupů a základů při +40 C° to bude trvat 2 dny, +30 C° – 4 dny, +20 C° – 8 dní, +10 C° – 16 dní. Zahřívání na teploty pod +10 °C se nedoporučuje.

Betonování kritických nosných konstrukcí z betonu třídy pod B15 v zimním období se nedoporučuje. Problémem je i provádění betonářských prací neprofesionálními stavebníky při teplotách pod -20C°.

7. Jak dlouho lze beton přepravovat v zimě?

— V zimě (-10°C, -15°C) není doporučená doba přepravy betonové směsi pro udržení standardní teploty pokládky (+5°C) delší než 1 hodina. Převzetí jednoho autodomíchávače betonu trvá do 30 minut. Pokládka betonové směsi před připojením elektrického topení netrvá déle než 30 minut. Celkově by od namíchání betonu ve výrobě do umístění a připojení elektrického topení (za předpokladu použití nemrznoucí přísady určené pro teplotu -2C°) nemělo uplynout více než 25 hodiny. Pokud se doba zvýší na 2,5 -3 hodiny, betonová směs ztratí svou pohyblivost s delším zpožděním, struktura ztratí kvalitu, její konstrukční vlastnosti se sníží.

8. Jakou teplotu má mít betonová směs v době vykládky do konstrukce? Pokud dorazil studený, lze jej vzít do bednění?

— Standardní teplota betonové směsi při pokládce není nižší než +5 C° (SP 70.13330.2012). Skladby s teplotami pod touto hodnotou nejsou povoleny pro instalaci.

9. Jakým zařízením by měla být betonárna vybavena pro výrobu betonu v zimě?

— Pro výrobu betonové směsi v závodě s teplotou alespoň +20 C° je zapotřebí následující vybavení:

• zásobní zásobníky, kde se horkým vzduchem nebo párou zpracovává drť, štěrk a písek (inertní materiály). Takto se materiál zahřívá, taje v něm sníh a led;
• přístřešky ve skladu na ochranu inertních materiálů před zamrznutím v zimě;
• zařízení na ohřev vody pro betonovou směs.

Pamatujte, že neexistuje nic takového jako nadměrná údržba betonu, zvláště v zimě.

Práce s horkovzdušnými pistolemi a topnými tělesy by měli provádět pouze zaměstnanci s povolením a potřebnou kvalifikací.

Ohřívací zařízení nesmí být ponecháno bez dozoru; A je třeba dbát na požární bezpečnost – zajistit staveniště hasicími prostředky.

Pro kvalitní betonování v zimě nabízí závod Vega směsi s protimrazovými přísadami a dodává je po celém Permu a regionu Perm.

Podrobné informace o našich přísadách pro záporné teploty naleznete na našich webových stránkách v sekci „Mrazuvzdorný beton“. V katalogu jsou také uvedeny všechny druhy betonu, které vyrábíme, a jejich ceny.