
В области строительной техники бетон является широко используемым строительным материалом, и от его характеристик напрямую зависит безопасность и долговечность всей конструкции здания. Однако в холодных регионах или во время зимнего строительства часто происходит повреждение бетона от мороза, что вызывает множество проблем в строительстве. Глубокое понимание причин морозного разрушения бетона и принятие эффективных профилактических мер имеют решающее значение для обеспечения качества строительных проектов.
Понимание опасностей и последствий повреждения бетона морозом
Повреждение бетона от мороза — это не просто поверхностная проблема. Оно может оказывать глубокое воздействие на внутреннюю структуру и эксплуатационные характеристики бетона. На микроскопическом уровне повреждение от мороза приводит к изменению структуры пор в бетоне. Поры, которые изначально были равномерно распределены, разрушаются, образуя неравномерные трещины и отверстия. Эти микроскопические изменения непосредственно влияют на прочность, долговечность и непроницаемость бетона. С макроскопической точки зрения, повреждение бетона морозом может вызвать деформацию и растрескивание конструкции здания и даже привести к структурным повреждениям, ставя под угрозу безопасную эксплуатацию здания и нанося огромный экономический ущерб. Поэтому исследование и предотвращение морозного разрушения бетона имеет большое практическое значение.
Анализ причин повреждения бетона морозом

(1) Расширение воды, связанной со льдом
Вода играет важную, но сложную роль в системе состава бетона и является одним из основных факторов, вызывающих морозное разрушение бетона. Вода в бетоне существует в основном в двух формах: свободная вода и адсорбированная вода. Свободная вода — это вода, находящаяся в порах бетона. Она обладает сильной подвижностью и имеет лишь простую физическую связь с окружающими частицами цемента, заполнителями и т.д. Адсорбированная вода — это молекулы воды, адсорбированные на поверхности цементных частиц, которые сдерживаются поверхностными силами и обладают относительно слабой подвижностью.
Когда температура окружающей среды опускается ниже точки замерзания (0°C), свободная вода в бетоне сначала претерпевает фазовые изменения из-за своего относительно свободного состояния, превращаясь из жидкости в твердый лед. Когда вода замерзает, ее объем увеличивается примерно на 9 %. Такое значительное изменение объема приведет к возникновению огромного напряжения расширения в узком поровом пространстве внутри бетона. С точки зрения механики, бетон — хрупкий материал с относительно низкой прочностью на растяжение. Когда напряжение расширения превышает предел прочности бетона, это подобно закладке «бомбы замедленного действия» внутри бетона, что приводит к образованию трещин внутри бетона.
Когда температура окружающей среды продолжает снижаться, относительно стабильной адсорбированной воде также становится трудно противостоять воздействию низких температур, и она постепенно начинает замерзать. Процесс образования льда в адсорбированной воде еще больше усугубляет напряжение расширения внутри бетона. Поскольку адсорбированная вода изначально была плотно адсорбирована на поверхности цементных частиц, ее объемное расширение при замерзании оказывает более прямое и интенсивное экструзионное воздействие на окружающую структуру цементного камня, в результате чего существующие трещины продолжают расширяться и увеличиваться, а ширина и длина трещин постепенно увеличиваются, серьезно нарушая целостность внутренней структуры бетона.
(2) Влияние реакции гидратации цемента
Реакция гидратации цемента — это ключевой процесс, в ходе которого бетон превращается из пластичной суспензии в твердое вещество с определенной прочностью и стабильностью. Этот процесс, по сути, является экзотермической реакцией. При нормальной температуре окружающей среды после контакта частиц цемента с водой быстро происходит ряд сложных химических реакций, в результате которых образуются различные продукты гидратации, такие как гидроксид кальция и гидрат силиката кальция. Эти продукты гидратации переплетаются и сливаются друг с другом, постепенно образуя цементный камень с определенной прочностью и структурой, так что бетон постепенно твердеет и набирает прочность.
Однако при понижении температуры окружающей среды до низких значений, особенно ниже 0°C, реакция гидратации цемента сильно замедляется. Это происходит потому, что реакция гидратации цемента требует определенных температурных условий для обеспечения энергии, необходимой для реакции. Низкие температуры снижают активность частиц цемента и замедляют движение молекул воды, что приводит к значительному снижению скорости химических реакций между цементом и водой. Когда температура опускается ниже 0°C, реакция гидратации цемента практически прекращается. В этот момент внутри бетона образуется очень мало продуктов гидратации, и рост прочности бетона становится крайне медленным, а может и вовсе остановиться.
В этом случае внутренняя структура бетона формируется далеко не полностью, его внутренняя микроструктура относительно рыхлая, пористость относительно высокая, и он не обладает достаточной компактностью и прочностью, чтобы противостоять воздействию морозного пучения. В это время бетон похож на незрелый саженец, который очень уязвим к повреждениям от мороза и легче повреждается, что приводит к возникновению феномена морозного повреждения бетона.
(3)Неразумное соотношение бетонной смеси
Научное и разумное соотношение бетонной смеси — это как чертеж здания, напрямую определяющий различные свойства бетона, особенно его морозостойкость. Среди множества факторов, влияющих на морозостойкость бетона, водоцементное соотношение является ключевым контрольным показателем. Водоцементное отношение — это отношение количества используемой воды к количеству цемента в бетоне, и оно напрямую влияет на количество свободной воды в бетоне.
Если водоцементное отношение слишком высокое, это означает, что в бетон было добавлено слишком много воды. Этот избыток свободной воды с большей вероятностью достигнет точки замерзания и замерзнет при низких температурах. Расширение объема после замерзания приведет к увеличению напряжения морозного пучения внутри бетона, что значительно увеличит вероятность повреждения бетона морозным пучением. Кроме того, слишком большое количество воды приводит к образованию в бетоне крупных пор в процессе затвердевания, что снижает плотность бетона и еще больше ослабляет его морозостойкость.
Помимо водоцементного отношения, качество и сорт заполнителя также оказывают значительное влияние на морозостойкость бетона. Заполнитель образует скелет бетона, и его качество и сорт напрямую влияют на плотность и прочность бетона. Если заполнитель содержит слишком много глины, частицы глины заполняют промежутки между заполнителями, не только уменьшая сцепление между заполнителем и цементной пастой, но и увеличивая пористость бетона, обеспечивая больше места для скопления и замерзания воды. При плохом гранулометрическом составе заполнителя он не может сформировать компактную структуру укладки, что приведет к увеличению количества пустот внутри бетона и сделает его более уязвимым для морозного разрушения.
(4) Неправильная технология строительства
При строительстве бетона каждое звено подобно звеньям цепи. Неправильная работа любого звена может стать скрытой опасностью, провоцирующей повреждение бетона от мороза. Изоляционные мероприятия после заливки бетона являются ключевым шагом для обеспечения надлежащего затвердевания бетона в условиях низких температур. Если после заливки бетон своевременно не укрыть и не утеплить, он будет быстро обмениваться теплом с холодной внешней средой, что приведет к резкому снижению температуры поверхности бетона.
Пока бетон не достиг определенной прочности, его внутренняя структура еще недостаточно стабильна. Если он подвергается воздействию холодной среды, вода в бетоне легче замерзает, вызывая морозное пучение и провоцируя повреждения от мороза. Кроме того, процесс вибрирования бетона имеет решающее значение для обеспечения его компактности. Если бетон вибрируется не плотно, это приведет к увеличению количества пустот внутри бетона. В условиях низких температур эти пустоты станут местом скопления воды. Когда вода замерзнет, объемное расширение сдавит окружающую структуру бетона, что приведет к морозному пучению и снижению общего качества и морозостойкости бетона.
(5) Влияние факторов окружающей среды
Факторы окружающей среды являются внешними триггерами для повреждения бетона морозом, среди которых диапазон и продолжительность изменений температуры окружающей среды оказывают наиболее прямое и значительное влияние на повреждение бетона морозом. Когда температура окружающей среды резко падает, вода внутри бетона не может вовремя мигрировать в окружающую среду из-за теплопроводности и температурного градиента и быстро замерзает на месте. Этот быстрый процесс замерзания приводит к возникновению больших напряжений расширения, поскольку вода превращается из жидкости в твердое тело за короткий промежуток времени, и не хватает места и времени для резкого изменения объема, чтобы снять напряжение, что приводит к большому воздействию на внутреннюю структуру бетона.
Повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания также являются важным фактором, ускоряющим разрушение бетона. Во время каждого цикла замораживания-оттаивания вода в бетоне проходит два процесса: замораживание и таяние. Напряжение, вызванное расширением объема при замерзании, может привести к образованию микротрещин внутри бетона. Когда вода тает, она заполняет эти трещины, а когда она снова замерзает, трещины еще больше расширяются. После многих циклов замораживания-оттаивания эти микротрещины постепенно соединятся друг с другом и образуют макротрещины, что значительно снизит прочность и долговечность бетона.
Кроме того, такие факторы окружающей среды, как влажность воздуха и скорость ветра, также влияют на степень повреждения бетона морозом. При повышенной влажности воздуха бетон впитывает больше воды из окружающей среды, в результате чего содержание влаги в бетоне становится относительно высоким, и он с большей вероятностью получит повреждения от мороза при низких температурах. При высокой скорости ветра ускоряется испарение воды на поверхности бетона и потеря тепла, что приводит к быстрому снижению температуры бетонной поверхности, уменьшению морозостойкости бетонной поверхности и увеличению риска повреждения бетона морозом.