Высокопрочный бетон должен обладать большой плотностью, обеспечивающей достаточную его водонепроницаемость и морозостойкость. Высокие эксплуатационные характеристики таких бетонов основываются на правильно рассчитанных составах бетонной смеси с применением качественных заполнителей и достаточно вязкого цементного клея. В то же время только при невысоких расходах тонкомолотого (высокомарочного) цемента и воды можно получить одновременно и прочный и стойкий бетон.

Как известно, повышение расхода цемента приводит к некоторому снижению капиллярной пористости, наиболее нежелательной для долговечных бетонов, но способствует росту усадочных деформаций. В связи с этим рекомендуется, чтобы расход цемента для конструкций, подверженных действию суровых климатических условий, не превышал 400-450 кг/м3 настоящее время расход цемента для бетонов повышенных марок составляет, как правило, более 650-600 кг/м3, что несомненно может отразиться на их стойкости.

Для оценки морозостойкости и водонепроницаемости высокопрочных бетонов на тонкомолотых высокомарочных цементах был проведен ряд экспериментов.

Морозостойкость бетонов прочностью 700-900 кгс/см2 определялась на образцах-кубах с ребром 10 см, а цементного камня – на образцах-балочках размером 4х4х16 см. В качестве вяжущего использовали высокоалитовый среднеалюминатный портландцемент марки 700 (удельная поверхность 5000 см2/г) Коркинского завода. Мелкозернистыми заполнителями были известняковый и кварцевый пески. В качестве крупнозернистого заполнителя использовали гранодиоритовый, кварцитовый, известняковый щебень, а также портландцементный клинкерный гравий (табл. 1).

Вид крупного заполнителяРасход материалов в кг/м3В/ЦТехническая вязкость в секОбъёмный вес бетона через 28 сут. в кг/м3
цементпесокЩебень фракциивода
5-10 мм10-20 мм
Кварцит 545 440 382 1053 135 0,25 80 2440
Гранодиорит 568 455 422 1014 145 0,26 70 2455
Известняк 535 430 419 1036 140 0,26 80 2450
Клинкер 558 450 260 1250 155 0,28 70 2590

Результаты испытаний на переменное замораживание и оттаивание цементного камня и бетонов водного, нормального хранения и пропаренных представлены на рис. 1 и 2 и табл. 2 и 3. Как видно из графиков, через 400 циклов цементный камень водного хранения из тонкомолотого цемента марки М700 по сравнению с камнем из цемента марки М500 одинакового химико-минералогического состава имел меньший коэффициент морозостойкости по пределу прочности при сжатии.

Коэффициент морозостойкости цементного камня по прочности на изгиб, сохраняя ту же зависимость, был на 18% ниже ранее вычисленного коэффициента.

Пропаривание образцов-балочек снижало морозостойкость цементного камня, особенно сильно это отразилось на показателях прочности при изгибе. Нужно отметить, что уже через 150-200 циклов испытаний основная масса цементных баночек была расколотой на две, реже – три части, которые в дальнейшем (к 400 циклам) практически не изменили своего внешнего вида и имели очень высокие величины предела прочности при сжатии, что подтверждает результаты опытов С. В. Шестоперова. При внешнем осмотре поверхностей разлома (очень ровной фактуры) во всех без исключения случаях обнаруживались небольшие раковины диаметром 2-4 мм. Можно предполагать, что цементный камень такой структуры рвала расширившаяся при замерзании вода, которая со временем получила возможность просачиваться через стенки микропор в воздушные полости (это стало возможным благодаря частичному вымыванию гидроокиси кальция и, как следствие его, увеличившейся открытой пористости). Над поверхностях всех испытываемых образцов выделялся серо-белый налет кристаллической гидроокиси кальция.

Коэффициент морозостойкости при

ЦементВ/ЦПрочность в кгс/см2 через 400 циклов замораживания и оттаивания приКоэффициент морозостойкости при
сжатииизгибесжатииизгибе
Портландский М500, водного тевердения 0,25 850 84,1 0,95 0,79
Портландский М500, пропаренный 697 29 0,81 0,52
Портландский М700, водного тевердения 0,28 1092 73 0,90 0,67
Портландский М700, пропаренный 944 34 0,77

0,49

Измерение динамического модуля упругости отдельных уцелевших цементных балок к 400 циклам замораживания и оттаивания показало снижение данной величины (до 25%) по сравнению с исходной (перед испытаниями на морозостойкость).

Вид заполнителя в бетонеВ/ЦПрочность в кгс/см2 при сжатии через 400 циклов замораживания и оттаивания приКоэффициент морозостойкости при
нормальном твердениипропариваниинормальном твердениипропаривании
Кварцит, кварцевый песок 0,28 801 788 0,84 0,81
Кварцит, известняковый песок 809 761 0,86 0,84
Гранодиорит, кварцевый песок 0,29 772 777 0,83 0,83
Гранодиорит, известняковый песок 782 750 0,87 0,81
Известняк, кварцевый песок 0,285 703 670 0,86 0,84
Известняк, известняковый песок 726 684 0,89 0,83
Клинкер, кварцевый песок 0,32 734 759 0,79 0,84
Клинкер, известняковый песок 780 727 0,88 0,81

Результаты исследования цементного камня из вяжущего различной активности, твердевшего в водных условиях и в пропарочной камере, в достаточной мере подтверждают ранее полученные данные о высокой степени морозостойкости цементного камня плотной структуры. Можно также предположить, что на величину напряжений, возникающих в цементном камне при циклическом замораживании и оттаивании, влияет комплекс факторов, из которых решающими являются неравномерность распределения температур и влажности по сечению образца, а также увеличивающаяся в агрессивных условиях пористость из-за выщелачивания гидроокиси кальция.

Оценивая долговечность проверенных цементов, ряд исследователей считает, что при правильно выбранных режимах твердения возникающие структуры с преобладанием микрокапилляров не менее морозостойки, чем цементный камень нормального твердения. Вполне определенную роль при этом играет пониженное содержание гидроокиси кальция (в случае пропаривания) – как следствие меньшей степени гидратации цемента по сравнению с твердением в нормальных условиях.

Эксперименты с гидратированным цементом (рис. 3) свидетельствуют о меньших количествах Са(ОН)2 при пропаривании. Так, по дериватограммам цементного камня из вяжущего марки М500 содержание гидрата окиси кальция в образцах нормального твердения было на 0,4% выше, чем в пропаренных по оптимальному режиму; для цемента марки М700 это превышение составило 0,5%. И все же морозостойкость пропаренного цементного камня была всегда наименьшей (см. табл. 2).

Сравнивая морозостойкость высокопрочных бетонов нормального твердения на кварцевых и известняковых песках, можно отметить вполне определенное увеличение морозостойкости (до 12%) при замене естественного песка карбонатным (причем у пропаренных бетонов этот эффект не отмечали).

Во всех остальных случаях тепловлажностная обработка по оптимальному режиму не ухудшила морозостойкость. Потери веса образцов через 400 циклов замораживания и оттаивания не превышали, как правило, 1,5%, причем наибольшая величина потерь наблюдалась у бетонов на клинкерном заполнителе. Из четырех использованных видов заполнителя лучшую морозостойкость имели бетоны на известняке, что подтверждают опыты, ранее проводившиеся с обычными бетонами.

Определение водонепроницаемости бетонов при давлении в 12 атм по ГОСТ 4800-59 показало что ни в одном из образцов не обнаружилось признаков фильтрации воды.

Степень водонепроницаемости бетонов оценивали по показателю гидравлического градиента. В результате испытаний установлено, что по сравнению с бетонами на кислых породах (кварците, гранодиорите) карбонатный бетон имел наибольшую величину гидравлического градиента (3,76).

Сравнение водонепроницаемости бетонов в возрасте 1 и 6 мес. показало, что длительная выдержка при благоприятных условиях положительно повлияла на дальнейшее формирование структуры. Проницаемость бетонов различных составов снизилась от 40 до 60%. Пропаривание бетонов на природных кварцевых песках мало сказалось на их проницаемость тогда как пропаривание бетонов на искусственном известняковом песке увеличивало проницаемость на 8-15% по сравнению с бетоном нормального хранения.

Выводы
Испытания на водонепроницаемость и морозостойкость бетонов марок М600-800 на тонкомолотом высокоактивном цементе с повышенным расходом крупного заполнителя подтвердили высокую структурообразующую роль карбонатов. А также принципиальную возможность получения плотного и долговечного материала при пропаривании бетонов и сравнительно большом расходе цемента (до 550 кг/м3).