Химическая реакция между цементом и водой, вызывающая его схватывание – гидратация – сильно зависит от температуры. Оптимальной температурой среды для твердения бетона, как известно, считается температура 15-20 С.
За первые трое суток при нормальных условиях(15-20 С) бетон набирает не более 30% марочной прочности.
- Через 1-2 недели (7-14 суток) бетон при нормальных условиях набирает 60-80% марочной прочности.
- Через 4 недели (28 суток) бетон при нормальных условиях набирает 100% марочной прочности.
- Через 3 месяца (90 суток) бетон при нормальных условиях набирает 120% марочной прочности.
В дальнейшем, при доступе влаги, бетон продолжит набирать прочность, но очень медленно. С понижением температуры ниже +15°С ее скорость очень сильно снижается. При +5°С она измеряется уже не часами, как летом, а сутками, а при 0°С и ниже останавливается вообще.
К примеру: в нормальных условиях (15-20 С) за неделю бетон набирает до 70% прочности. При температуре окружающего воздуха +5 градусов, срок набора 70% марочной прочности бетона может растянуться на 3-4 недели.
Строительные нормы и правила регламентируют момент перехода на зимний вариант ведения строительных работ при достижении среднесуточной температуры +5°С и ниже или минимальной суточной температуры, равной 0°С и ниже.
Кроме замедления реакции цемента с водой низкая температура приводит еще к одному нежелательному процессу. Замерзающая вода из-за значительного увеличения объема (вспомните, бутылку наполненную водой и помещенную на мороз) развивает силы внутреннего давления, которые разуплотняют структуру неокрепшего бетона; кроме того, замерзшая вода образует на поверхности заполнителей ледяные пленки, нарушающие сцепление между заполнителями и раствором. Поэтому в порах бетона развивается большое давление, приводящее к разрушению структуры еще не затвердевшего бетона и снижению его конечной прочности.
Если бетонную смесь заморозить сразу после укладки в опалубку, то она будет обладать прочностью при отрицательных температурах только за счет сил смерзания. При наступлении положительных температур гидратация цемента возобновится и бетон будет твердеть, но вследствие разуплотнения структуры прочность его значительно ниже прочности бетона того же состава, твердевшего без замораживания. Только бетон, набравший определенную прочность, может противостоять действию «морозных сил» без разрушения структуры и после оттаивания продолжить набор прочности.
Конечная прочность снижается тем больше, чем в более раннем возрасте замерз бетон. В период схватывания цемента замерзание бетона наиболее опасно. Предложен и научно обоснован способ, по которому бетон предохраняется от замерзания только на период схватывания и твердения до момента набора им некой начальной прочности — «критической». В настоящий момент во всем мире она является главенствующей в методике проведения зимних работ.
Из кривых набора прочности бетона после замораживания, построенных на основании большого количества экспериментов, следует: 1) бетон, набравший в результате предварительного твердения прочность около 70% марочной, после замораживания, при последующем оттаивании продолжает твердеть, набирая нормальную марочную прочность; замораживание не вызвало в бетоне деструктивных изменений, а только из-за замерзания воды приостановило на время его твердение; 2) при замерзании бетона, предварительно набравшего 50% марочной прочности, деструкции замораживания еще невелики; бетон при оттаивании и последующем твердении теряет около 10% прочности; 3) замораживание, бетона до набора им 50% марочной прочности вызывает значительные потери конечной прочности после оттаивания и последующего твердения.
Прочность бетона, равная 50% марочной, принята за критическую, при достижении которой бетон может быть заморожен без ощутимого воздействия замораживания на свойства конструкции (СНиП III-B 1-62). Для ответственных конструкций, например пролетных строений мостов, критическая прочность установлена в 70% марочной. За минимальное, значение критической прочности для низкомарочных бетонов принято 50 кГ/см2.
Таким образом, сущность зимнего бетонирования сводится к обеспечению набора критической прочности бетона до его замораживания.