Россия отличается крайне богатым разнообразием природно-климатических факторов, которые зачастую являются «агрессивными» по отношению к самому распространенному конструкционному материалу — бетону. Данное обстоятельство подтолкнуло нас к выбору темы, связанной с обеспечением морозостойкости бетонов как основному критерию долговечности бетонных и железобетонных конструкций.
Почему же частые смены температуры при переходе через 0°C столь критичны для всех строительных материалов, изделий, конструкций?
Не углубляясь в теорию, можно сказать, что разрушение происходит вследствие расшатывания структуры при увеличении объема воды при её переходе в лед при замерзании, то есть мы имеем дело с деструктивными процессами, вызванными морозной коррозией.
Для контроля и оценки этого важнейшего показателя в настоящее время действует ГОСТ 10060-2012, который регламентирует методы определения морозостойкости бетона.
К сожалению, в настоящее время можно констатировать факт того, что нормативные документы далеки до идеала и в них можно найти довольно большое количество недостатков и нестыковок, которые могут противоречить накопленному практическому опыту и научной базе. Попробуем проиллюстрировать это.
Во многих методических указаниях и учебных пособиях, в том числе и в ГОСТ 26633–2015 (п. А.2.9) находит отражение тот факт, что марка по морозостойкости крупного заполнителя (как основного компонента, наравне с цементом обеспечивающего прочностные и деформативные характеристики бетона) должна быть не ниже марки по морозостойкости бетона, особенно уделяется внимание бетону для дорожных и аэродромных покрытий и оснований. Но если сравнивать ГОСТ 26633-2015, в котором нормируется максимальная марка бетона по морозостойкости F11000 (F2500), и ГОСТ 8267-93, где предъявляется требование к максимальной марке по морозостойкости щебня (и гравия) F400, то можно сделать вывод, что в рамках стандартизированного (основанного на применяемых в стандартах) подхода невозможно получить бетоны повышенных марок по морозостойкости, так как есть ограничения по «долговечности» применяемого заполнителя. Такая ситуация является характерным примером нормативной коллизии! Но отсюда возникает вопрос: нужно ли отталкиваться от морозостойкости крупного заполнителя, если, собственно, заполнитель работает в бетоне и испытания, и оценку необходимо проводить в неразрывной связи с бетоном, а не самостоятельно?
Несомненно, необходимо разрабатывать адекватную модель работы заполнителя в композите при знакопеременных температурах. Логично предположить, что температурные воздействия (особенно, с учетом водонасыщенности) будут влиять на зерна заполнителя внутри бетона и вне его по-разному.
Известно, что цементно-песчаный раствор, обволакивая зерна крупного заполнителя, существенно снижает его водопоглощение, то есть проявляет функцию защитного барьера и приводит к увеличению циклов замораживания и оттаивания непосредственно зерен щебня без существенного снижения его характеристик.
Тогда возникает закономерный вопрос: можно ли для высокоморозостойких бетонов применять щебень неморозостойких или маломорозостойких пород?
Анализ научной литературы не выявил наличие широких исследований этого вопроса, но Добшиц Л.М. приводит результаты испытаний на морозостойкость известнякового и доломитового щебня (неморозостойкие карбонатные заполнители). При этом бетоны были получены на составах Ц:П:Щ = 1:2,03:3,03 при водоцементном отношении (В/Ц), равном 0,37, а испытания проводились в «жестком» режиме: при достижении образцами температуры минус 50°C их выгружали из морозильной камеры и немедленно помещали в воду с температурой плюс 18…20°C. После такого воздействия определялась прочность бетона на сжатие и был сделан вывод о том, что бетон на известняковом щебне показал морозостойкость, которая оценивается 50 циклами, что было соотнесено с маркой по морозостойкости бетона по основному (первому базовому) методу F300. У образцов на доломитовом щебне после 170 циклов замораживания и оттаивания было выявлено снижение прочности менее 10% по сравнению с контрольными образцами.
Такой эксперимент наглядно показал возможность использования доломитового (неморозостойкого) щебня для изготовления высокоморозостойкого бетона маркой F600 и более.
Но это единичный пример научного обоснования возможности применения щебня различных марок морозостойкости для получения высокоморозостойких бетонов. Хотя, по всей видимости, именно эти результаты были положены в основу Методических рекомендаций по подбору составов цементобетонов для дорожного строительства в различных климатических зонах и с учетом эксплуатационных условий работы дорожных покрытий (ОДМ 218.3.081-2016).
Кроме того, в методическом пособии «Рекомендации по подбору составов бетонных смесей для тяжелых и мелкозернистых бетонов» в п. А.2.2 постулируется, что для бетона морозостойкостью F1300 может применяться крупный заполнитель морозостойкостью F200.
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие основные выводы:
1) Очевидно, что стойкость к морозной деструкции зерен щебня в бетоне зависит как от их собственной морозостойкости, так и от морозостойкости «экранирующего» барьера цементного или цементно-песчаного камня на границе раздела фаз (то есть его толщины и особенностей капиллярно-пористого строения), что, несомненно, необходимо учитывать в разрабатываемых математических моделях и адаптировать к методикам испытаний. Здесь необходимо особо обратить внимание на то, что для получения современных (высокофункциональных) бетонов широко применяются различные «сильные» пластификаторы и водоредуцирующие добавки, равно как и разнообразные наполнители, что обеспечивает оптимизацию структуры цементного камня и приводит к формированию плотных цементных оболочек вокруг зерен заполнителя. Это, в свою очередь, способствует пролонгированному эффекту снижения насыщения зерен заполнителя, то есть при морозном воздействии деструктивные процессы будут проявляться не столь интенсивно.
2) Возможность применения неморозостойких заполнителей для изготовления сравнительно высокоморозостойких бетонов должна определяться не только посредством реализации методики ГОСТ 8269.0, но и учитывать реальную работу зерен заполнителя в бетоне. То есть методы контроля должны уточняться и дополняться, а по потере массы пробы щебня при попеременном замораживании и оттаивании судить не совсем корректно.
Так, по нашему мнению, необходимо оценивать морозостойкость щебня не только через потерю массы, но и по критерию снижения марки по дробимости через заданное число циклов замораживания-оттаивания, а также, вероятно, необходимо проводить испытания не в полностью водонасыщенном, а регулируемом увлажненном состоянии зерен.
3) Некоторыми исследователями установлена возможность использования щебня карбонатных пород (имеющего согласно действующим норм низкую морозостойкость) для получения высокоморозостойких бетонов. Это позволяет при проведении аналогичных исследований и получении положительных результатов значительно расширить сырьевую базу заполнителей для изготовления высокоморозостойких бетонов