В отличие от большинства других свойств бетона, для морозостойкости решающее значение имеет не объем пор, а их характер. Для ее обеспечения в водонасыщенном бетоне должны оставаться «резервные» воздушные пространства, которые могли бы, сжимаясь, вмещать избыток воды, возникающий при ее замерзании. Такие условно замкнутые поры могут представлять собой:
- контракционный воздух;
- воздух, защемляемый в капиллярных порах при насыщении «подсушенного» при эксплуатации бетона;
- воздушные поры, естественные или образованные при искусственном воздухововлечении.
Из этих трех видов воздушных пространств «управляемыми» и регулируемыми в широких пределах являются искусственные воздушные поры. Сегодня введение воздухововлекающих добавок — основной способ обеспечения морозостойкости бетона.
Открытие защитного действия искусственных воздушных пор явилось одним из важных достижений технологии бетона. В 30-х годах прошлого столетия в США было случайно обнаружено, что бетонные дорожные покрытия, не разрушившиеся при действии мороза, содержат повышенное количество воздушных пор. Причиной их присутствия оказались некоторые органические вещества, вводимые для улучшения помола цемента (интенсификаторы помола) и обладающие воздухововлекающим действием.
Воздухововлекающие добавки также несколько пластифицируют бетонную смесь. Поэтому снижение прочности из-за дополнительного количества воздушных пор оказывается относительно небольшим, так как одновременно удается несколько сократить расход воды в смеси. Но для сохранения прочности обычно все же приходится несколько увеличивать расход цемента (подбор состава бетона рассмотрен ниже).
Вовлечение в смесь дополнительного количества воздушных пузырьков уменьшает ее расслоение. Этот эффект также существенен в обеспечении морозостойкости бетонов из высокоподвижных и литых смесей.
Защитное действие воздушных пор
Защитное действие крупных пор мало (их можно рассматривать как безвредные), и лишь при размерах пор менее 0,3 мм оно существенно возрастает. Таким образом, речь не идет о емкости резервных пор. Даже для объема замерзающей воды 100 л/м3 (что соответствует очень высокой капиллярной пористости порядка 10%) количество оттесняемой воды составит только 9 л/м3. Для его размещения достаточно 1% воздушных пор. Решающим является их «доступность»: вблизи от любой точки замерзания должна находиться воздушная пора. Это достигается уменьшением размеров и увеличением количества пор. Так, уменьшение размера в 10 раздаст 1000-кратное увеличение числа пор, которые просто «вынуждены» более равномерно распределиться в цементном камне.
С этих позиций можно оценить и роль естественных воздушных пор. Они содержатся в бетонах из подвижных и малоподвижных смесей в количестве 1 -2% и имеют преимущественные размеры 0,05-2 мм. Поэтому их защитное действие невелико. Но в ряде случаев их содержание заметно возрастает, увеличивается и объем мелких пор (0,05-0,3 мм), что приводит к росту морозостойкости бетона.
Наиболее известный пример — мелкозернистые бетоны. Содержание воздушных пор составляет в них 3-6% и более. При том же В/Ц их плотность и прочность оказываются ниже, но морозостойкость — заметно выше, чем у обычного бетона. Следует отметить , что повышению морозостойкости способствует и менее дефектная поверхность сцепления цементного камня с заполнителем в мелкозернистом бетоне, с увеличением крупности заполнителя степень ее дефектности возрастает.
В бетоне с крупным заполнителем содержание воздушных пор может быть повышено увеличением доли песка в смеси. Морозостойкость бетона при этом также возрастает. Но в общем случае возможности ее повышения при помощи естественных воздушных пор весьма ограничены.
