Przy produkcji jak i obróbce betonów w minusowych temperaturach decydujące znaczenie ma zabezpieczenie mieszanki betonowej przed zamarznięciem, co ma decydujący wpływ na końcową wytrzymałość betonu.
Wpływ niskich temperatur na proces wiązania i wytrzymałość betonu.
Mechanizm niszczenia mrozowego można opisać jako destrukcję wywołaną przez parcie powiększającej swoją objętość wody na ścianki porów w betonie. Podczas zwiększania swojej objętości w kapilarach betonu obserwuje się wzrost ciśnienia, które jeśli przekroczy wytrzymałość na rozciąganie ścianek porów kapilarnych, przyczynia się do zniszczenia struktury betonu. Obserwacje tężejących mieszanek betonowych wskazują, że w przypadku temperatur poniżej +10°C następuje gwałtowne spowolnienie wiązania betonu, a w temperaturze około 0°C proces hydratacji praktycznie zanika. Stąd za temperaturę graniczną uznaje się temperaturę +10°C, która wymaga od wykonawcy przedsięwzięcia dodatkowych zabezpieczeń i ochrony. Aby scharakteryzować wpływ obniżonych temperatur na wytrzymałość betonu, wyróżnia się trzy niebezpieczne okresy wczesnego dojrzewania betonu:
- Okres przed rozpoczęciem wiązania;
- Czas pomiędzy początkiem a końcem wiązania;
- Okres od zakończenia wiązania do uzyskania tzw. wytrzymałości bezpiecznej.
Charakterystyka betonu zamarzniętego.
Beton, który zamarzł przed początkiem wiązania charakteryzuje się zamarzniętą wodą zarobową. Konsekwencją tego zjawiska jest brak wody potrzebnej do przebiegu prawidłowych reakcji chemicznych. W efekcie dochodzi do opóźnienia bądź zatrzymania procesu hydratacji. W celu wyeliminowania niekorzystnych procesów zaleca się wykonawcom, aby w sytuacji zamarznięcia mieszanki przed początkiem wiązania, tuż po odmrożeniu, ponownie zawibrować mieszankę w celu usunięcia powstałych porów. Po stwardnieniu uzyskany beton charakteryzuje się tylko nieznacznie niższą wytrzymałością spowodowaną słabszą siłą wiązania zaczynu cementowego i kruszywa. Spadek temperatury pomiędzy początkiem a końcem czasu wiązania , przyczynia się do tworzenia kryształków lodu powodując zniszczenie nowych wiązań zaczynu. Jest to bardzo niekorzystne zjawisko.
Po zakończeniu wiązania w betonie jest jeszcze dużo wolnej wody. Przy jej zamrożeniu może stanowić przyczynę niszczenia mikrostruktury betonu, powodując tym samym, nieodwracalny spadek wytrzymałości betonu. Za niekorzystne zjawisko powodujące największe straty wytrzymałości, uważa się zamarznięcie betonu w dwóch etapach:
- Po rozpoczęciu wiązania betonu, lecz przed osiągnięciem bezpiecznej wytrzymałości, czyli tzw. odporności na zamarzanie.
Norma PN-EN 13670–1 [13] określa, że temperatura powierzchni betonu nie powinna spadać poniżej 0oC dopóki wytrzymałość betonu nie osiągnie minimalnej wartości 5 MPa, przy której jest odporna na zamarzanie bez uszkodzeń. - Po uzyskaniu wymaganej odporności, zamrożony beton prawie nie traci na wytrzymałości końcowej. Uzyskuje jednak wytrzymałość końcową później, ponieważ w okresie zamrożenia jest zahamowany przyrost wytrzymałości.
Metody umożliwiające dojrzewanie betonu w obniżonych temperaturach.
Wykonywanie robót betoniarskich w warunkach zimowych jest możliwe, poprzez przedsięwzięcie koniecznych zabezpieczeń, aby beton uzyskał wytrzymałość bezpieczną przed zamrożeniem. Istotnym parametrem mającym wpływ na wczesne dojrzewanie betonu jest m.in.: temperatura otoczenia, temperatura mieszanki betonowej, jej skład, wielkość i kształt elementu oraz rodzaj deskowania i izolacji cieplnej. Od temperatury powietrza zależy minimalna temperatura świeżego betonu, która umożliwia prawidłowy przebieg procesu hydratacji cementu. Norma PN-EN 206–1 określa konieczność zapewnienia minimalnej temperatury wbudowywanego betonu na poziomie +5oC.
W trakcie projektowania składu mieszanki betonowej istotne jest, aby zapewnić po wyznaczonym czasie bezpieczną oraz wymaganą wytrzymałość dla stwardniałego betonu. Dzięki właściwemu doborowi składników, w ten sposób unika się szkód wywołanych przez mróz w młodym betonie. Zaleca się stosowanie szybkowiążących cementów portlandzkich typu: CEM I 32,5R, CEM I 42,5R oraz CEM I 52,5R. Minimalna zawartość cementu powinna być na poziomie: do 350 kg/m3. W przypadku kruszyw stosowanych do betonowań w obniżonych temperaturach, istotną cechą jest jego niska wodożądność. Stosunkowo popularnym zjawiskiem obniżania temperatur zamarzania wody, wraz z przyspieszaniem procesów wiązania, jest wykorzystywanie dodatków chemicznych określanych mianem domieszek przeciwmrozowych.
Produkcja i transport i pompowanie betonu przy niskich temperaturach.
Węzeł betoniarski produkujący mieszankę w okresie zimowym, powinien być wyposażony w instalację do podgrzewania kruszyw i wody. Wykorzystywany cement oraz pozostałe surowce powinny być składowane w ocieplanych silosach lub w ogrzewanych halach. Jeśli jest to możliwe kruszywo należy ogrzewać parą lub wodą o temp. do 80°C. Wilgotność kruszyw powinna być kontrolowana i jego ewentualna dodatkowa woda, powinna być uwzględniana w recepturze mieszanki betonowej. Wodę zarobową powinno się podgrzewać do temp. 70 ÷ 80°C. Nałożony wymóg wbudowania betonu o temperaturze +5°C lub +10°C przenosi się na konieczność wyprodukowania betonu o znacznie wyższej temperaturze. Temperatura produkowanej mieszanki betonowej nie powinna przekraczać 30°C. W czasie transportu spadek temperatury betonu powinien wynosić ok. 25% różnicy temperatur między mieszanką betonową a otoczeniem. Pompowanie betonu przy niskich temperaturach lub samo betonowanie w temperaturach niższych niż –10°C jest nie ekonomiczne i trudne technicznie do wykonania z uwagi na prace ludzi i urządzeń technicznych.