В связи с увеличением объема применения цементных бетонов в железобетонных конструкциях зданий и сооружениях различного назначения, использованием химических и минеральных добавок в технологии производства бетонных работ возникают проблемы в получении бетонов требуемой долговечности. Из всех вопросов, связанных с обеспечением долговечности бетонных и железобетонных конструкций на территории России, большая часть которой расположена в суровых климатических условиях, особое внимание уделяют изучению и обеспечению морозостойкости/морозосолестойкости бетона, эксплуатируемого как на воздухе, так и в контакте с различными агрессивными жидкостями.

В последние годы в мировой практике строительства все чаще применяют высокопрочные и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие 60–80–100 МПа) бетоны низкой проницаемости на основе органоминеральных модификаторов. В связи с открытием и освоением громадных нефтяных и газовых месторождений в северной части Атлантического океана, обустройством Арктики перспектива значительного увеличения объемов производства конструкций из таких бетонов становится реальной, а задача придать высокопрочным бетонам с низкой проницаемостью также повышенную морозосолестойкость становится все более актуальной.

Работа, в которой проведены экспериментальные и теоретические исследования, выполнена с целью получения достоверных данных для разработки стандартизированного подхода к нормированию показателей морозостойкости и морозосолестойкости высокопрочных бетонов.

Исследований по морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочных бетонов крайне мало. Выполненный обзор технической литературы показал, что принцип испытания высокопрочных или высокофункциональных бетонов на морозостойкость в зарубежных стандартах аналогичен отечественным. Различия, в основном, имеются в продолжительности замораживания-оттаивания и оценке результатов испытаний. При этом прослеживается тенденция в различии специфики методик различных стран в зависимости от их климатических условий. Однако на сегодня в нормативной отечественной и зарубежной базе стандартный метод оценки морозостойкости высокопрочных бетонов отсутствует. В каждой стране метод испытания привязан к климатическим условиям, свойствам материалов и применяемым технологиям получения морозостойких бетонов. В России испытание высокопрочного бетона на морозостойкость выполняют при низких отрицательных температурах – до минус 50 °С по ГОСТ 10060-2012 [1], учитывая, таким образом, расширение бетона при замерзании воды в микропорах.

При этом отмечается, что морозостойкость высокопрочных бетонов в значительной степени зависит от характеристик пористости и степени насыщения бетона, количества замерзающей воды, фактора расстояния, скорости замораживания и др. Высокопрочные бетоны могут иметь высокую морозостойкость вследствие отсутствия насыщения водой до критического значения, при котором расширение замерзающей воды способно вызвать повреждение бетона. Однако реальная долговечность высокопрочного бетона в конструкции при морозном воздействии может быть как ниже, так и выше уровня, который определяется маркой бетона по морозостойкости.

На протяжении длительного времени делали попытки приблизить испытания к условиям эксплуатации. Помимо этого, необходимо было максимально ускорить испытания, сделать их методом оперативного контроля морозостойкости бетона, что позволило бы быстро корректировать состав бетона и технологию в процессе изготовления конструкций и в условиях строительства.

Существует объективное противоречие между требованием ускорения испытаний и необходимостью учитывать медленно развивающиеся процессы деструкции бетона. Ускорение испытаний достигают выполнением их в более жестких условиях при низкой температуре, высокой степени насыщения бетона водой или раствором соли. Ужесточая условия испытаний, необходимо устанавливать, в какой степени ускоряется процесс разрушения бетона, т. е. вводить переходные коэффициенты. При этом необходим эталонный метод испытаний в постоянно заданных условиях, относительно которого оценивают результаты ускоренных испытаний.

Ряд авторов предпринимал попытки максимально ускорить оценку морозостойкости бетона по показателям, получаемым без замораживания бетона. Практически все они имеют определенные недостатки.

Наиболее надежным остается метод многократного замораживания и оттаивания. При этом для определения морозостойкости высокопрочных бетонов требуется метод, в котором предусматривается доведение образцов в испытании до критических значений. В противном случае истинная морозостойкость высокопрочного бетона останется неизвестной.

В лаборатории коррозии и долговечности бетонных и железобетонных конструкций совместно с лабораторией химических добавок и модифицированных бетонов НИИЖБ им. А.А. Гвоздева выполнена научно-исследовательская работа по исследованию морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочного бетона [2]. Согласно Программе экспериментальных исследований были изготовлены образцы восьми составов высокопрочного бетона с органоминеральным модификатором, различающиеся прочностью (класс прочности В60, В80, В100) и структурой (марка по удобоукладываемости П2, П3 и П4 с воздухововлекающей добавкой и без нее). В основу выбора составов бетона положены полученные ранее результаты исследований морозостойкости тяжелых бетонов.

Как было отмечено, при испытании на морозостойкость бетонов высокой прочности и низкой проницаемости такие бетоны не насыщаются водой/растворами за стандартный срок насыщения (4 сут согласно ГОСТ 10060-2012), что приводит к увеличению сроков испытания образцов и, как следствие, завышению марки бетона по морозостойкости/морозосолестойкости. При этом на степень морозного повреждения существенное влияние оказывает скорость замораживания бетона [3].

Результаты исследований морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочных бетонов показали, что бетоны с низким водоцементным отношением имеют структурные характеристики, отличающиеся от характеристик обычных бетонов [4][5]. Вследствие снижения объема капиллярных пор и увеличения гелевой пористости эти бетоны, как правило, обладают высокой стойкостью к воздействию отрицательных температур и минерализованных вод. При этом отмечалось, что высокопрочные бетоны могут быть как высокоморозостойкими, так и с невысокой морозостойкостью [6–8]. Нужно учитывать, что поверхностные слои бетона легче насыщаются водой, чем находящиеся на большей глубине.

На первом этапе исследований уточняли возможность ускорения насыщения образцов высокопрочного бетона с целью сокращения времени испытания и повышения надежности определения марки по морозостойкости/морозосолестойкости.

Для проведения эксперимента были выбраны образцы бетона класса В80 без воздухововлекающей добавки. Ускорение насыщения высокопрочного бетона водой достигали высушиванием образцов при различной температуре (60 и 100 °С) и с вакуумированием при давлении 0,1 МПа.

Сводные результаты определения влияния высушивания и вакуумирования на степень насыщения образцов высокопрочного бетона представлены в таблице.

Масса образцов высокопрочного бетона после насыщения согласно требованиям ГОСТ 10060 увеличилась на 0,09 %. Масса образцов после вакуумирования и насыщения по ГОСТ 10060 увеличилась на 0,42 %. Предварительное длительное насыщение образцов в условиях капиллярного всасывания привело к увеличению массы образцов на 0,27 % от исходной. Полученные результаты свидетельствуют о незначительной степени насыщения образцов высокопрочного бетона.

Высушивание образцов при температуре 60 °С, также высушивание при температуре 60 °С и последующее вакуумирование незначительно сказалось на степени насыщения бетона водой. Потеря массы образцов в процессе высушивания при температуре 60 °С составила 0,54 %. Почти столько образцы поглотили воды в процессе насыщения. Прирост массы после насыщения равен 0,64 %. Вакуумирование способствовало незначительному увеличению массы водонасыщенных образцов до 0,85 %. Учитывая длительность и трудоемкость определений и небольшую степень насыщения, считаем нецелесообразным использовать указанный прием для насыщения высокопрочного бетона.

Наибольшие показатели водонасыщения бетона (4,19 %) получены после высушивания образцов при температуре 100 °С и последующего вакуумирования. При этом потеря массы при высушивании образцов составила 2,83 %.

По мнению авторов [4][9], введение в состав цементного камня микрокремнезема приводит к снижению капиллярной и увеличению гелевой пористости. Можно полагать, что при температуре высушивания 100 °С, с одной стороны, происходит дегидратация этрингита с потерей значительного количества кристаллизационной воды, а с другой – удаление воды из гелевых пор диаметром 1×10-3–5×10-3 мкм с деформацией структуры цементного камня, что может негативным образом отразиться в дальнейшем при испытании бетона на морозостойкость/морозосолестойкость. Кроме этого, перемещение воды в бетоне в зависимости от ее состава может вызывать углубление структурных недостатков и приводить к потере бетоном основных технических свойств.

В.В. Стольников [10] проводил сравнительные опыты, в которых одну серию образцов подвергали непрерывным циклам замораживания-оттаивания, а вторую – предварительно высушивали при температуре 105–110 °С. Образцы первой серии выдержали 125 циклов, образцы второй – практически полностью разрушились к 50 циклу. Автор объясняет снижение стойкости образцов, подвергающихся высушиванию при t ≥ 100 °С, возникновением в бетоне микроскопических трещин вследствие усадочных напряжений в цементном камне.

Анализ полученных данных, с учетом результатов ранее выполненных исследований, позволил сделать следующие выводы:

На следующем этапе исследования были уточнены элементы режима испытаний высокопрочного бетона на морозостойкость по скорости понижения температуры при замораживании, продолжительности периода замораживания, времени оттаивания образцов различного размера.

Согласно ранее выполненным учеными НИИЖБ работам по морозостойкости режим понижения температуры при замораживании принимали в зависимости от времени установления температуры минус 50 °С в растворе вблизи образца, находящегося в кассете, установленной в центре морозильной камеры.

Для уточнения режимов испытания высокопрочного бетона на морозостойкость/морозосолестойкость использовали измеритель температуры многоканальный «Термоизмеритель ТМ-12.2» с 12 термометрами сопротивления.

Испытание проводили на бетонных образцах размерами 100 × 100 × 100 и 100 × 100 × 400 мм при полной загрузке камеры. Результаты термометрических определений приведены на рис. 1 и 2.

Анализ полученных данных показал, что режим понижения температуры замораживания-оттаивания, указанный в Изменении № 1 к ГОСТ 10060, можно распространить и на высокопрочные бетоны. Бетонные образцы высокопрочного бетона размерами 100 × 100 × 400 мм промерзают и оттаивают дольше, чем образцы размерами 100 × 100 × 100 мм. Поэтому при испытании в одной камере образцов высокопрочных бетонов режим замораживания-оттаивания следует устанавливать по образцам наибольшего размера в зависимости от показаний датчиков, расположенных в растворе 5 % хлорида натрия вблизи образца в центре камеры.

Исследования морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочных бетонов классов по прочности В60–В100 по ГОСТ 10060 показали их высокую морозостойкость. Морозостойкость высокопрочного бетона определяли по оценке прочности и динамического модуля упругости резонансным методом. Через 37 ЦЗО соотношение ХminII ≥ 0,9ХminI сохранено во всех составах высокопрочного бетона, изготовленных как с воздухововлекающими добавками, так и без них. Бетон характеризуется маркой по морозостойкости F2300. При этом изменение массы образцов незначительно.

Исследования морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочных бетонов с оценкой динамического модуля упругости показали, что через 37 циклов замораживания-оттаивания уменьшение динамического модуля упругости в образцах-призмах составило 6,2 % по сравнению с исходной величиной динамического модуля упругости (при критическом значении 25 %), что свидетельствует о наличии значительного запаса морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочного бетона во всех исследованных составах.

Согласно техническому заданию в работе были запланированы испытания на морозостойкость/морозосолестойкость высокопрочного бетона маркой по морозостойкости не менее F2300. За период 37 циклов замораживания-оттаивания (2 месяца испытаний) образцы не доведены в испытании до критических значений. Истинная морозостойкость высокопрочного бетона без добавки и с воздухововлекающей добавкой СНВ осталась неизвестна.

Выполненный анализ технической литературы по морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочных бетонов показал, что наиболее надежным является многоцикловое определение морозостойкости таких бетонов. Однако испытания длительны, могут выполняться в течение года и не способны оценивать морозостойкость в конструкции. На сегодня в нормативной отечественной базе стандартные методы оценки морозостойкости бетона в конструкции отсутствуют.

Результаты настоящего исследования позволяют наметить программу исследований на будущее.

Целесообразно для определения морозостойкости/морозосолестойкости высокопрочных бетонов в качестве базового оставить ускоренный третий метод ГОСТ 10060, а в качестве дополнений к нему разработать методы, включающие оценку морозостойкости бетона в конструкции: по оценке шелушения поверхности бетона; по определению прочности бетона в кернах, отобранных из конструкций; по анализу структуры бетона по фактору расстояния.

Необходимо продолжить исследования по существенному уточнению установленных к настоящему времени количественных зависимостей морозостойкости бетона от характеристик его структурных составляющих.

Следует продолжить длительные испытания для установления корреляции между снижением прочности и динамическим модулем упругости с использованием резонансного метода. Решение о включении испытания по снижению динамического модуля упругости в базовые методы может быть принято после накопления экспериментальных данных и уточнения данных по замораживанию образцов различных размеров.

Учитывая длительность испытания высокопрочных и высокофункциональных бетонов на морозостойкость/морозосолестойкость, следует рассмотреть возможность при проектировании зданий и сооружений повышенного уровня ответственности заблаговременно оценивать качество исходных материалов для изготовления высокопрочного или высокофункционального бетона, осуществлять подбор бетонных смесей и выполнять испытания бетона на морозостойкость.

Необходимо отметить, что для решения поставленных задач по корректировке и дополнению отечественной нормативной базы в части развития ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» требуются длительные исследования морозостойкости бетона. Пересмотр стандарта ГОСТ 10060 целесообразен после выполнения ряда работ с разработкой и проверкой методов испытаний, что позволит установить единый подход к проблеме испытания морозостойких бетонов для конкретных зданий и сооружений с учетом жизненного цикла, а следовательно, регламентировать сроки межремонтного периода. Это позволит сократить расходы как при строительстве, так и при эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений различного назначения.