Морозостойкость бетона: оцениваем поведение материала при низких температурах

Морозостойкость бетона: оцениваем поведение материала при низких температурах

Многие из тех, кто строит дома в климатическом поясе с регулярными похолоданиями, интересуются, как повысить морозостойкость бетона. Данный вопрос является весьма актуальным, поскольку сильные понижения температуры, а тем более – ее резкие перепады приводят к повышенному износу конструкций и ускоряют процесс их разрушения.

Ниже мы рассмотрим, что происходит с бетоном при его замерзании, и как предотвратить негативные последствия этого процесса.

Если оставить материал без защиты, то после нескольких зим он будет выглядеть примерно так

Процессы в материале

Чтобы понять, от чего зависит устойчивость цементного раствора к низким температурам и как можно ее улучшить, следует изучить процессы, которые протекают в самом материале. И здесь нужно отметить, что при длительном воздействии холода бетон стремительно теряет прочность, особенно в поверхностной части.

На сегодняшний день существует две гипотезы, объясняющие это явление:

• Согласно одной точки зрения, причиной разрушения материала изнутри становятся кристаллы льда. Влага, которая просачивается в поры материала, под воздействием низких температур замерзает, увеличиваясь в объеме примерно на 10-12%. Ледяные включения воздействуют на стенки пор, разрушая их и снижая плотность раствора.
• Согласно другим утверждениям, основным вредоносным фактором является не лед сам по себе, а та жидкость, которая остается в капиллярах при замерзании. Лед давит на остатки воды, которые практически не сжимаются, и они разрушают каналы диаметром от 5 до 100 нанометров.

Фото пор, увеличившихся при замерзании воды

Обратите внимание! Несмотря на то, что в среде специалистов большим авторитетом пользуется вторая гипотеза, обе они не противоречат друг другу. В любом случае основной причиной называют увеличение объема жидкости при превращении в лед.

• Важным в данном случае является и тот факт, что расширяющаяся жидкость и лед заполняют поры фиксированного, и при этом достаточно малого объема. Именно по этой причине морозостойкость газобетона будет выше, чем у полнотелых составов из цемента аналогичной марки: резервный объем полостей позволяет компенсировать возникающие нагрузки.

Нужно отметить, что разрушение конструкций за счет возникающих внутренних напряжений происходит неравномерно:

• Вначале нарушается форма выступающих граней, отмечается также скалывание углов.
• Затем возникают микротрещины на плоских участках открытых поверхностей, которые вскоре объединяются в большие поврежденные участки. Это может привести как к шелушению бетона, таки к образованию крупных выбоин.
• На третьей стадии жидкость проникает в глубинные структуры конструкции, и ее накопление в крупных трещинах провоцирует сильные разрушения.

Разрушение, начинающееся с острых граней

Отдельно стоит отметить, что интенсивность воздействия усиливается и за счет того, что разные компоненты бетона имеют разный коэффициент температурной деформации. Отличия в изменении объема цементного монолита, минерального заполнителя и стальной арматуры приводят к тому, что со временем в местах их контакта формируются зоны с пониженной плотностью.

Анализ материала

Показатели устойчивости к холоду

Под морозостойкостью обычно понимают способность материала выдерживать низкие температуры без разрушения и необратимых деформаций. Для цифрового обозначения этого параметра используется такая величина как класс бетона по морозостойкости (F) – количество циклов замерзания/размерзания, которое может выдержать бетон данной марки до того момента, когда его прочность на сжатие не снизится на 5 %.

Динамика трещины при многократном оттаивании

Таким образом, морозостойкость бетона F200 означает, что до начала ощутимой потери прочности материал может замерзнуть и оттаять не менее 200 раз, что является достаточно существенным показателем. Такие бетоны можно с успехом применять в средней полосе России, для которой зимой характерны частые перепады температуры.

Обратите внимание! Морозостойкость асфальтобетона и дорожного покрытия на цементном связующем определяется несколько иначе: материал должен утратить не более 5% массы.

Поскольку способность сопротивляться низким температурам во многом зависит от того, насколько прочным является само основание, существует прямая связь между классом материала и таким показателем как марка бетона по морозостойкости. Наиболее распространенные составы и их характеристики приводятся в таблице:

Как видите, зависимость вполне очевидна. Чем выше прочность материала (соответственно, больше будет и его цена), тем дольше и эффективнее он будет противостоять замерзанию.

Определение характеристик

Определение морозостойкости бетона по ГОСТу (ГОСТ 10060.0) осуществляется таким способом:

• Из партии бетона отбирается проба средней структуры (т.е. без добавления или удаления наполнителя).
• Из данной пробы в формы отличаются образцы – кубы с ребром 100или 200 мм.
• Образец просушивается в течение 28 суток для набора прочности, после чего в течение 4 суток насыщается водой.
• Затем бетонные кубы помещают в морозильную камеру, где их подвергают попеременному замораживанию ( — 18 0 С) и оттаиванию (+18 0 С).
• После требуемого количества циклов выполняется исследование механических свойств материала с использованием пресса.
• На основании изменения показателя прочности на сжатие в зависимости от продолжительности температурного воздействия делается вывод о степени холодостойкости материала.

Обратите внимание! Также допускается ускоренное тестирование при многократном или однократном замораживании с последующим расчетным определением параметров.

Устройство для тестирования образцов после заморозки

Для облегчения работы можно использовать специальный прибор для определения морозостойкости бетона. Подобные устройства комплектуются измерительными камерами и эталонными образцами, что позволяет получать информацию об эксплуатационных свойствах материала с минимумом трудозатрат.

Также для определения холодостойкости можно применять ультразвуковой метод по ГОСТ 26134-84. Он менее трудоемок в реализации, но предполагает использование довольно сложного оборудования, потому своими руками здесь справиться не получится – придется обращаться к специалистам.

Повышение сопротивления низким температурам

Состав с противоморозными характеристиками

При необходимости можно изготовить морозостойкий бетон своими руками.

Для этой цели применяются такие методики:

• Во-первых, следует качественно уплотнять раствор при заливке. При уплотнении уменьшается пористость материала, а значит, снижается и объем жидкости, которая попадет внутрь бетона при его насыщении.

Обратите внимание! Для этой цели штыкования недостаточно – желательно использовать виброуплотнитель большой мощности.

• Во-вторых, повышение морозостойкости бетона осуществляется за счет формирования дополнительных внутренних полостей. При этом в раствор добавляется газообразующий или порообразующий компонент, который обеспечивает закладку в материале микроскопических пузырьков.

Совет! Оптимальный объем вовлеченного воздуха при этом составляет от 4 до 6% от общего объема бетона.

• В-третьих, можно использовать специальные добавки, которые повышают устойчивость уже полимеризованного бетона к низким температурам. К таким добавкам относят соли кальция, а также карбамид (мочевину) – они снижают льдистость материала за счет уменьшения плотности замерзающей воды. Образовавшийся при замерзании концентрированного солевого раствора чешуйчатый лед оказывает менее разрушительное воздействие на стенки пор.
• Наконец, в ряде случаев достаточно просто защитить поверхность от прямого контакта с влагой. Здесь могут применяться как полимерные пропитки-силинги, так и фасадные краски, образующие плотную пленку.

Нанесение покрытия, снижающего водопоглощение

Вывод

Приведенная в статье информация о том, что происходит в растворе при его замерзании, как определяется морозостойкость бетона по ГОСТу, и что можно сделать, чтобы ее повысить, является весьма актуальной. Длительное воздействие низкой температуры, а также многократное замораживание и оттаивание способно буквально за несколько лет снизить прочность конструкции из бетона практически вдвое.

Если вы хотите знать, как это предотвратить — внимательно изучите приведенные выше рекомендации, а также просмотрите видео в этой статье.

Морозостойкий бетон: каким он бывает, как его делают и проверяют

В холодное время года стройматериалы с пористой структурой, в том числе бетон, подвергаются повышенным нагрузкам. Под воздействием отрицательных температур бетонный монолит пропитывается водой, которая проникает в поры и, становясь льдом, расширяется при замерзании. Длительное пребывание бетонных изделий на морозе, повторное оттаивание и замерзание существенно снижают эксплуатационные характеристики материала. Поэтому одним из ключевых технических характеристик бетона является класс его морозостойкости.

Морозостойкость — показатель, характеризующий способность бетона противостоять многократному замораживанию и размораживанию без потери прочности.

Эксперт о морозостойкости бетона

Классы морозостойкости бетона и сферы его применения

Класс (в просторечии марка) бетона по морозостойкости имеет буквенно-числовое обозначение. ГОСТ выделяет следующие классы морозоустойчивости по областям эксплуатации.

• Низкий (ниже F50). Под воздействием отрицательной температуры такой материал трескается и рассыпается. Возможности его применения значительно ограничены. В России этот бетон практически не используется.
• Умеренный (F50 – F100). Самая популярная марка бетона по морозостойкости. Изделия и фундаменты из него эксплуатируются во всех климатических зонах России, где четко выделяются четыре сезона.
• Повышенный (F150 – F300). Выдерживает экстремальные температурные перепады, полностью сохраняя первоначальные эксплуатационные характеристики. Находит применение в районах с вечной мерзлотой, в Сибири и на Крайнем Севере.
• Высокий (F300 – F500). Используется в особых случаях. Например, в зонах периодическими колебаниями уровня воды и многослойным промерзанием грунтов.
• Сверхвысокий (выше F500). Находит штучное, сугубо индивидуальное применение в ответственных конструкциях, возводимых на очень длительный срок.

Как определяется морозостойкость бетона?

Ключевой критерий при определении морозоустойчивости бетона — установление максимального количества циклов заморозки-разморозки, при которых сохраняются первоначальные характеристики материала, а растрескивания и шелушения не определяются.

Лабораторные испытания материала имеют своей целью подробно продемонстрировать его поведение в естественных условиях эксплуатации. Результаты испытаний подтверждают либо не подтверждают реакцию материала на влияние внешних факторов. Условия испытаний на морозостойкость бетона подробно расписаны в ГОСТ 10060-95.

Морозостойкость бетона — способность сохранять физико-механические свойства при многократном переменном замораживании и оттаивании.

Морозостойкость бетона характеризуют соответствующей маркой по морозостойкости F.

Марка бетона по морозостойкости F — установленное нормами минимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона, испытанных по базовым методам, при которых сохраняются первоначальные физико-механические свойства в нормируемых пределах.

Цикл испытания — совокупность одного периода замораживания и оттаивания образцов.

Основные образцы — образцы, предназначенные для замораживания и оттаивания (испытания).

Контрольные образцы — образцы, предназначенные для определения прочности бетона на сжатие перед началом испытания основных образцов.

Лабораторные и альтернативные способы определения морозостойкости бетона

Для лабораторного исследования берутся основные (подверженные многократному замораживанию – размораживанию) и контрольные (новые, абсолютной прочности) образцы бетонного монолита.

Контрольные образцы бетона перед испытанием на прочность, а основные образцы перед замораживанием насыщают водой/раствором соли температурой (18±2) °С.

Для насыщения образцы погружают в жидкость на 1/3 их высоты на 24 ч, затем уровень жидкости повышают до 2/3 высоты образца и выдерживают в таком состоянии еще 24 ч, после чего образцы полностью погружают в жидкость на 48 ч таким образом, чтобы уровень жидкости был выше верхней грани образцов не менее чем на 20 мм.

Образцы помещают в морозильную камеру. После этого образцы размораживаются, и оценивается их состояние.

Существуют способы определения морозостойкости бетона подручными средствами. Для оценки показателя исследуются:

• Внешний вид материала. Крупная зернистая структура, наличие трещин, пятнистости, шелушащихся и расслаивающихся зон — все это свидетельствует о низкой морозоустойчивости бетона.
• Уровень водопоглощения. Когда показатель находится в диапазоне 5 — 6%, можно говорить о плохой устойчивости к низким температурам.

Еще один экспресс-метод определения морозоустойчивости реализуется по следующей схеме. Образцы исследуемого монолита погружаются в серно-кислый натрий и выдерживаются в нем в течение 24 часов. По истечении этого времени они подвергаются четырехчасовой сушке при 100 ºС. Цикл вымачивания и высушивания пятикратно повторяется аналогичным образом. По завершении эксперимента материал исследуют на предмет наличия трещин, сколов и других поверхностных дефектов.

Как повысить морозостойкость бетона?

Известно несколько способом повышения морозостойкости бетона. В их основе лежит то, что устойчивость материала к воздействию низких температур определяется количеством и величиной пор, а также исходным качеством и составом цементной основы.

• Уменьшение макропористости. Самый простой и доступный способ повышения уровня морозоустойчивости. Использование спецдобавок и создание особых условий для быстрого отвердевания цементного раствора минимизирует потребность продукта в воде. Результатом этого становится уменьшение пористости.
• Уменьшение количества воды в исходном растворе. Чтобы уменьшить потребность начального раствора в воде, в него добавляются специальные заполнители.
• Поздняя заморозка. Если заморозить бетон в позднем возрасте, это сократит его пористость.
• Гидроизоляция. С помощью специальной обмазки, окраски или пропитки на поверхности монолита создается защитная пленка, препятствующая проникновению в него атмосферной влаги.

Как заливают бетон в мороз

Бетон применяется в холодное время года, если строительные работы запоздали или идут на территории с высокой насыщенностью грунта влагой. Чтобы заливка бетонной смеси была успешной, стройплощадку предварительно прогревают тепловой пушкой или термоэлектрическими матами. Последние выполняют сразу две функции — гидроизоляции и обогрева.

Чтобы обогреть площадку можно применить и стандартную термоизоляцию. Самый простой вариант — использовать двухстороннюю пленку, которая растягивается в 2-3 см от основания. На пленку накладывают изоляцию и устанавливаются теплогенератор. На отвердевание бетона зимой обычно уходит не менее 4 дней.

Добавление в раствор прогретых инертных материалов и противоморозных добавок при зимних работах обязательно. Оно позволяет уменьшить размер больших пор (изменить структуру за счет увеличения числа микропор) и максимально удалить воду из раствора.

Подробный рассказ о том, как заливается бетон в холодное время года

Вывод

Морозостойкость — одно из важнейших свойств бетона как основного строительного материала, характеризующее его способность долговременно противостоять колебаниям температур от сезона к сезону. В условиях умеренного, а тем более арктического климата, когда годовая температурная амплитуда достигает 80 и более градусов, использование морозостойкого бетона не имеет альтернативы. Однако универсальной марки бетона, подходящей для всех случаев, не существует. Морозостойкий бетон покупается индивидуально для каждого объекта с учетом его назначения и местных условий.

Морозостойкий бетон: классификация, состав, свойства

Одна из важных характеристик бетона, используемого для строительства в регионах с холодными зимами и температурными перепадами, – морозостойкость. Она определяет свойство материала выдерживать многократное замораживание и оттаивание.

Показателем морозостойкости бетона является марка, равная количеству циклов замораживания и оттаивания до возникновения видимых признаков разрушения, уменьшения прочности более чем на 5%, изменения физических характеристик.

Марка обозначается буквой F и числом, равным максимальному количеству циклов до состояния, обозначенного в нормативе. Эта величина важна для смесей, применяемых при сооружении фундаментов, наружных стен, объектов гидротехнического назначения, опор мостов и других строительных конструкций ответственного назначения.

Классификация морозостойкости бетонов

Виды бетонных смесей по морозоустойчивости регламентируются ГОСТом 25192-2012. Помимо показателя F, морозостойкость могут определять следующие характеристики:

• F1 – марка, установленная при исследовании материала, находящегося в водонасыщенном состоянии;
• F2 – марка бетонных смесей, производимых для устройства покрытий дорог и аэродромов или эксплуатации в контакте с минерализованными водами, образцы для исследований насыщают 5% раствором NaCl.

Требования к морозостойкости бетона зависят от запланированной области его применения:

• ДоF50. Это низкий уровень устойчивости к знакопеременным температурам. Такая смесь применяется для внутренних работ, в подготовительных строительных мероприятиях.
• F50-F150. Этот материал со средним уровнем морозоустойчивости широко применяется в рядовом строительстве объектов, расположенных в регионах с умеренным, устойчивым климатом.
• F150-F300. Такие бетоны востребованы при строительстве в регионах с холодным климатом.
• ВышеF300. Смеси с высокой стойкостью к температурным перепадам применяются для сооружения объектов специального назначения, а также сооружений, эксплуатируемых в тяжелых климатических условиях.

Прочность и показатель морозостойкости всех видов бетона находятся в прямой зависимости: чем выше прочность, тем больше морозоустойчивость материала.

Таблица зависимости класса прочности и морозостойкости бетона

От каких факторов зависит морозостойкость бетона?

Основной параметр, влияющий на способность материала противостоять замораживанию и оттаиванию, – количество пор. Чем оно выше, тем большее количество воды проникает в бетонный элемент.

При отрицательных температурах вода меняет агрегатное состояние, превращаясь в лед с увеличением объема примерно на 10%. Поэтому с каждым циклом бетонная конструкция постепенно деформируется, утрачивая прочностные характеристики.

Вода, проникающая вглубь конструкции, разрушает не только сам бетон, но и вызывает коррозию стальной арматуры.

Способы определения морозостойкости бетона

Способы определения морозоустойчивости регламентирует ГОСТ 10060-2012. Методика актуальна при разработке новых рецептур и передовых технологий, контроле качества при купле-продаже. Для испытаний изготавливают образец кубовидной формы со сторонами 100-200 мм. Циклы замораживания и оттаивания осуществляются в диапазоне -18…+18°C. В соответствии с ГОСТом существует несколько вариантов вычисления этого показателя:

• базовый многократный;
• ускоренный многократный;
• ускоренный однократный.

Если результаты ускоренных испытаний отличаются от результатов базовых, то эталонными считаются показатели базовых исследований.

Основные этапы базовых испытаний водонасыщенных образцов, проводимых в соответствии с ГОСТом:

• Бетонные кубики насыщают водой и обтирают влажной тканью. Испытывают на сжатие.
• Исследовательский материал помещают в морозильную камеру для замораживания. Выдерживают заданный режим.
• Оттаивание производят в специальных ваннах.
• После оттаивания с образцов щеткой удаляют отслаивающийся материал.
• Кубики обтирают ветошью, определяют массу и исследуют на сжатие.
• Обрабатывают результаты испытаний.

Пониженную морозостойкость материала можно определить и подручными методами. Конечно, результаты таких исследований не могут использоваться при составлении проектной документации.

• Визуальный осмотр. О низкой устойчивости к знакопеременным температурам свидетельствует наличие трещин, бурых пятен, расслаивания, шелушения.
• Определение водопоглощения. Если этот показатель равен 5-6%, то устойчивость к низким температурам будет пониженной.
• Высушивание влагонасыщенного образца на солнце. Его растрескивание сигнализирует о пониженной морозостойкости.

Способы повышения морозостойкости

Повысить морозоустойчивость бетона можно несколькими способами:

• Изолировать бетонный элемент от неблагоприятного внешнего воздействия с помощью обмазочных и окрасочных материалов, пропиток.
• Использовать цемент более высоких марок. Чем прочнее вяжущее, тем выше морозоустойчивость готового бетонного элемента.
• Получить плотную структуру материала путем тщательного уплотнения различными способами и создания благоприятных условий твердения бетонной смеси
• Изготовить морозостойкий бетон можно путем введения в его состав специальных присадок.

Подробнее рассмотрим виды и принцип действия добавок:

• Поверхностно-активные вещества. Обеспечивают образование плотной структуры.
• Присадки, способствующие появлению шаровидных пор. Вода, проникшая в бетонную конструкцию, при замерзании выталкивается в эти пустоты, поэтому структура материала при изменении агрегатного состояния воды не повреждается.
• Суперпластификаторы. Увеличивают плотность, повышают водонепроницаемость, а следовательно, показатели морозостойкости.
• Добавки, улучшающие водонепроницаемость бетонного элемента и его внутреннюю структуру. К ним относятся «Дегидрол», «Пенетрон Адмикс», «Кристалл».

Присадки для бетона с глиноземистым цементом обычно не применяются, поскольку они могут не улучшить, а снизить характеристики материала.

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

Морозостойкость бетона

Морозостойкость — параметр, указывающий на способность бетона в насыщенном водой состоянии противостоять многократным замораживаниям и оттаиваниям без потери прочности на сжатие и образования трещин, сколов и пр.

В редакциях ГОСТ морозостойкость маркируется буквой F (“frost” — мороз) и цифрой (от 25 до 1000), которая означает количество циклов замерзания-оттаивания.

Класс морозостойкости материала и его сфера применения

Низкая морозостойкость снижает несущую способность конструкции и приведет к ее быстрому поверхностному износу. Низкие температуры расширяют воду в порах материала: чем выше объём пор, доступных для воды, тем ниже морозостойкость. Бетоны М100, М150 обычно относят к классу морозостойкости F50, а бетоны М300, M350 — от F200.

Морозостойкость материала увеличивается с вводом различных цементных смесей, а также газообразующих, воздухововлекающих, пластифицирующих либо иных добавок, снижающих макропористость. Максимальной морозоустойчивостью обладают плотные материалы с качественным гранитным щебнем.

Измерение морозостойкости

Морозостойкость бетона определяют в соответствии с ГОСТ 10060-2012 следующими методами:

ускоренный при многократном замораживании и оттаивании;

ускоренные при однократном замораживании – дилатометрический и структурно-механический;

ультразвуковой (по ГОСТ 26134).

Самый трудоёмкий метод – базовый. В этом случае бетонные образцы в форме куба 100-200 мм насыщают водой по определенному режиму в течение 4-х сут. Затем их помещают в морозильную камеру, где подвергают попеременному замораживанию и оттаиванию (плюс и минус 18±2) °С в течение 2 — 5 часов. Число циклов испытания в течение суток должно быть не менее одного. Если после определенного количества циклов значение прочности на сжатие уменьшилось не более чем на 5 % , то марку бетона по морозостойкости принимают за соответствующую требуемой.