21.01.2021

Плотность и пористость бетона


Бетон представляет собой искусственный камень, содержащий большое число различного рода пор и неплотностей. Эти дефекты структуры возникают в процессе приготовления бетонной смеси, ее уплотнения и твердения, а также эксплуатации конструкций. Поры могут быть естественного происхождения и искусственными. Последние относятся главным образом к легким бетонам и бетонам с воздухововлекающими добавками.

Характеристика пор определяет многие важные свойства бетона — водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, коррозионную стойкость и др., поэтому были предложены различные методы, в той или иной мере выявляющие как характер пористости, так и ее численное значение. Большую сложность представляют методы, предназначенные для излучения капиллярно-пористой структуры цементного камня в бетоне. Они используются главным образом в научно-исследовательских работах. Каждый из методов выявляет определенные виды пор как по размерам, так и по характеру (замкнутые, открытые). Кроме того, в процессе испытаний могут увеличиваться пористость и возникать новые дефекты при сушке образца; разрушаться стенки пор под действием давления насыщающей среды; кольматироваться поры несвязанными частицами, находящимися в бетоне, и т. д., поэтому результаты измерения пористости, полученные различными методами, часто не совпадают. На результаты исследования пористости бетона оказывает влияние находящаяся в тонких капиллярах влага.

По условным радиусам поры цементного камня подразделяют на поры геля размером (15—30)—10 м; капиллярные поры, к которым относятся микрокапилляры с радиусом менее 5*10в-9м; переходные капилляры с радиусом от 5*10в-9 до 10в-7 м и макрокапилляры с радиусом от 10в-7 до 10в-8 и некапиллярные поры с радиусом более 10в-6 м. В работе в качестве основных показателей, характеризующих структуру пор цементного камня, приняты:

- полная или истинная пористость Пп, равная отношению объема всех пор в образце к его объему;

- интегральная или кажущаяся пористость Поб, равная отношению суммарного объема всех пор, которые сообщаются с поверхностью образца и между собой, к его объему;

- интегральная кривая распределения объема пор в единице объема по их радиусам в координатах «объем пор в единице объема — радиус капилляров»;

- дифференциальная кривая распределения пор по их радиусам dV/dr=f'V(r) в координатах «dV/dr — радиус капилляров»;

- удельная поверхность порового пространства;

- средние эффективные rc и гидравлические rr радиусы капилляров;

- геометрические характеристики порового пространства.

Плотность определяют на образцах бетона, измельченных до кусков размером меньше 2 мм. После усреднения навеску с m>200 г снова размельчают, просеивают через сито № 008, высушивают и делят на две пробы для параллельных опытов.

Применяемые для измерения V прибор Ле-Шателье или пикнометр должны быть откалиброваны. При использовании прибора Ле-Шателье в него наливают керосин до нижней нулевой черты и протирают тампоном из фильтровальной бумаги стекло выше уровня керосина. После этого навеску 50 г осторожно через воронку всыпают в прибор до тех пор, пока уровень керосина не поднимется до делений в пределах верхней градуированной части прибора. Для удаления воздуха прибор поворачивают в течение 10 мин вокруг его вертикальной оси. После 10 — минутной выдержки замеряют уровень. Плотность бетона, кг/м3, вычисляют по формуле
Плотность и пористость бетона

Более точно плотность определяют с помощью пикнометра. Пикнометр вместимостью 100 мл промывают дистиллированной водой, спиртом и в конце этиловым эфиром, после чего взвешивают с точностью 0,0002 г — m1. Затем заполняют дистиллированной водой, термостатируют при 20±0,1°С и с помощью фильтровальной бумаги устанавливают уровень воды на уровне метки, определяя массу пикнометра с водой m4. Воду выливают, пикнометр просушивают и заполняют порошком пробы примерно на половину объема, определяя массу пикнометра с пробой m2. После этого в пикнометр доливают керосин на 3—5 мм выше уровня навески бетона и удаляют воздушные пузырьки, подключив пикнометр к вакуум-насосу на 30 мин. Завершив эту операцию, пикнометр полностью заполняют керосином, термостатируют при t=20+0,1°C и, установив уровень керосина на метке, навешивают — m3:

где х=1/рж (рж — плотность керосина или четыреххлористого углерода).

Значение рб определяют из двух измерений, расхождение между результатами которых не должно превышать 5 кг/м3.

Определение рб требует точности. Погрешности обусловлены главным образом представительностью пробы и тем, что применяемые жидкости не могут проникать в мельчайшие гелевые поры цементного камня.

Полный объем пор (истинную пористость), согласно ГОСТ 12730.4—78, рассчитывают по формуле

Водопоглощение по ГОСТ 12730.3—78 определяют на таких же образцах, как и применяемые для определения mV. Образцы помещают в сосуд с водой так, чтобы она покрывала образцы слоем высотой примерно на 5 см.

Измерения массы проводят на обычных или гидростатических весах через каждые сутки до тех пор пока прирост массы не станет менее 0,1% первоначальной массы.

Образцы насыщают водой после высушивания или в естественном состоянии. В последнем случае высушивание проводят после завершения водопоглощения. Водопоглощение рассчитывают пО массе w0м или по объему w'0 с погрешностью до 0,1% по формулам:

(здесь mв и mc — массы водонасыщенного и сухого образцов).

Водопоглощение серии образцов вычисляют как среднеарифметическое так же, как и для mV.

Величина w0 представляет собой объем открытых капиллярных пор бетона.

Водопоглощение при кипячении по ГОСТ 12730.3—78 определяют следующим образом. Сосуд с образцами, находящимися в воде, слой которой выше их поверхности не менее чем на 5 см, нагревают до кипения воды и кипятят в течение 4 ч. Охладившиеся до 20±2°С с водой образцы вытирают влажной тканью и взвешивают, после чего цикл кипячения повторяют. Если два последовательных взвешивания дают разницу в массе не более 0,1% массы сухого образца, водопоглощение считают законченным. Расчет проводят по тем же формулам, что и при обычном водопоглощении.

Объем открытых некапиллярных пор (Пп) по ГОСТ 12730.4—78 определяют на образцах бетона правильной и неправильной формы. После насыщения в воде в течение 24 ч образцы устанавливают на решетке и после 10-минутного выдерживания определяют с помощью объемомера объем вытесненной воды Vв. Расчет ведут по формуле

(здесь Vо — объем образца, вычисленный по ГОСТ 10180—75 или 12730.1—78).

Объем условно-закрытых пор по ГОСТ 12730.4—78 рассчитывают по формуле

Сорбционную влажность по ГОСТ 12852.6—77 и ГОСТ 12730.2—78 определяют, измеряя водопоглощение бетона за счет поглощения паров воды из воздуха. Образцы бетона массой 100—500 г (10 г — для ячеистого) высушивают до постоянной массы. Перед высушиванием образец раскалывают на 3—4 кусочка. После этого стаканчики с образцами помещают в эксикатор под насыщенным раствором соли при t=20+2°С. Выбор раствора соли зависит от заданной относительной влажности воздуха, которая равна: над MgCl2*6H2O — 33,5%; Mg (NO3)2*6Н2O — 54,5%; NaNO2 — 66%; NaCl — 75,5%; KCl — 86,5%; Na2HPO4*12H2O или KNO3 — 95%; K2SO4 — 97%; вода — 98%. Взвешивание проводят не реже раза в неделю и испытания ведут до постоянства массы. Вычисляют сорбционную влажность по массе или по объему (woc-w) по формулам (II.2). Индекс «w» в обозначениях wvc-w и woc-w заменяют значением относительной влажности, при котором проводилось испытание.

Показатель микропористости капиллярных пор по ГОСТ 12730.4—78 рассчитывают по формуле

(здесь w0c-100 — сорбционная влажность бетона по объему при относительной равновесной влажности воздуха при испытаниях w=95-100%).

Параметры поровой структуры по ГОСТ 12730.4—74 определяют для бетонов на плотных заполнителях. Для этого в процессе испытания бетонных кубов с ребром 7 см фиксируют изменение их массы (водопоглощение) путем непрерывного или дискретного взвешивания. Для непрерывного взвешивания может быть использована автоматическая установка ВНИИЖелезобетона. По результатам измерений строят кривую «водопоглощение wt, % по массе, — время t, ч». Такая кривая может быть описана уравнением

где Л — показатель среднего размера капиллярных пор, равный пределу отношения ускорения процесса поглощения к его скорости; а — показатель однородности размеров капиллярных опор; е=2,718.

По кривой водопоглощения находят точки с w't1=0,632 w'м и w't2=0,5 w'м и соответствующее им время t1 и t2. Затем с помощью номограмм находят параметры паровой структуры Л и а. В случае дискретного взвешивания в качестве узловых точек используют t1=0,25 ч, t2=1 ч и с помощью номограмм этого же стандарта определяют а и вспомогательный параметр а1, по которому рассчитывают Л.

Десорбционную влажность определяют по методике определения с тем отличием, что образцы помещают в эксикатор в состоянии естественной влажности, а высушивание до постоянной массы проводят после ее стабилизации. Согласно временным рекомендациям РИЛЕМ, десорбционную влажность (коэффициент влагоотдачи) определяют при относительной влажности воздуха 43±2; 75±2 и 98±2%, для чего используют соответственно насыщенные растворы К2СО3, NaCl и Ca(SO4)2.

Водопоглощение по ГОСТ 7025—78 определяют для легких бетонов с mV<1500 кг/м3, применяемых в стеновых конструкциях. Испытание может проводиться при t=15-20o С или насыщением образцов в кипящей воде.

Отличие от методики ГОСТ 12730—78 в том, что нормировано время водопоглощения — 48 ч. Образцы насыщают водой перед высушиванием. Бода должна покрывать образцы слоем 2-10 см.

Испытание кипячением отличается тем, что охлаждение образцов до 20-30° С после кипячения производят, непрерывно доливая в сосуд холодную воду.

Водопроницание по BCH 32-77 Госгражданстроя определяют при контроле качества однослойных панелей из бетона на пористых заполнителях на образцах 15x15 см, толщиной 5 см или непосредственно на панели. На поверхности бетонного изделия, находящегося в горизонтальном положении, устанавливают цилиндры с D=H=100 мм и герметизируют место их примыкания к бетону. На панели цилиндры устанавливают: один на перемычке и два на простенках. Цилиндры заполняют на всю высоту водой и поддерживают уровень в течение всего испытания — 48 ч. Водопроницаемость оценивают по отсутствию капельной протечки или по водопоглощению бетона.

Капиллярный подсос (по ранее действовавшему ГОСТ 12852—67) определяют на образцах ячеистого бетона размером 10x10x20 см. Бетон можно испытывать в высушенном или в естественном состоянии. Образцы взвешивают и устанавливают в вертикальном положении в ванне на сетчатых подставках и заливают водой на высоту 3 см. Уровень воды поддерживают постоянным. Наблюдая за боковыми гранями образцов, через 1, 7, 24, 48, 48 и 72 ч измеряют с точностью 1 мм высоту увлажнения на середине каждой грани.

Высоту подсоса вычисляют как среднее арифметическое измерений по четырем граням образца. Затем образцы взвешивают и подсчитывают капиллярную всасываемость.

Капиллярный подсос определяют и по методике. Ее отличие в том, что боковые стороны призмы покрывают парафином и тем самым обеспечивают подсос влаги только со стороны торца. В этой методике используют призмы размером 7х7х22 см.

При определении капиллярного подсоса по методу ЦНИИЭП жилища применяют кубы размером 10х10х10 см, у которых 4 боковые грани изолированы.

По первому варианту образец подвешивают к чаше весов непрерывного действия («Влагомер-20») и уравновешивают, поэтому в процессе водопоглощения стрелка весов будет показывать массу поглощенной воды. Нижняя (неизолированная) поверхность подвешенного образца соприкасается с водой (глубина погружения не более 5 мм). В момент касания стрелка уравновешенных весов отклоняется за счет присоса образца. В дальнейшем это показание не учитывают. По мере уменьшения уровня воды за счет подсоса образец становится тяжелее и опускается ниже.

По второму варианту образец устанавливают неизолированной поверхностью в вертикальное положение и увлажняют непрерывно эту поверхность с помощью широкой насадки, соединенной с водопроводной сетью. Указанный метод рекомендуется ЦНИИЭП жилища для исследования капиллярного водопоглощения конструкционно-теплоизоляционных бетонов.

При определении капиллярного всасывания прибором МИСИ-ВНИИФТРИ цилиндрический образец помещают в корпус прибора, закрывают крышкой и стягивают болтами (рис. II.2). Открыв кран, дают воде возможность, заполнив пространство перед образцом через колено, заполнить капилляр, ось которого совпадает с осью образца. После того, как вода начинает выливаться из цилиндра, кран закрывают и по перемещению мениска воды измеряют капиллярное всасывание во времени. В приборе предусмотрена полуавтоматическая запись при помощи самописца ЭПП-09, резистора и токосъемника с указателем. К патрубку крышки можно подсоединить вакуум-насос, что даст возможность моделировать ветровое давление.

По такому же принципу может быть определен капиллярный подсос и на довольно простой установке (рис. II.3), предложенной во ВНИИГ.


Способ термоградиентного определения водопоглощения разработан для испытаний ячеистых бетонов и позволяет ускорить процесс насыщения их водой. Образец высушивают до постоянной массы, охлаждают и определяют массу в сухом, состоянии. После этого его снова нагревают до 100—110°C, за счет чего уменьшается молекулярный объем находящегося в нем воздуха. Горячий образец опускают в ванну с водой, температура которой не более 5° С. Указанную температуру воды следует поддерживать за счет ее охлаждения в течение 1 ч. После этого взвешиванием определяют прирост массы и обычным путем рассчитывают водопоглощение.

При определении водонасыщения под вакуумом образцы помещают в сосуд вакуум-установки и заливают полностью водой. После этого закрывают сосуд, доводят в нем разрежение до 2,7 кПа (~20 мм рт. ст. ) и выдерживают образцы в течение 3 ч. Удобно проводить насыщение в стеклянном сосуде, это дает возможность наблюдать окончание выделения пузырьков воздуха из образцов.

Для определения водонасыщения под давлением могут быть использованы образцы, испытывавшиеся на водонепроницаемость, если на их поверхность не наносились изоляционные покрытия. Образцы сразу же после окончания испытания на водонепроницаемость помещают в ванну с водой, в которой выдерживают до постоянства массы. В ряде работ водонасыщение рекомендуют проводить под давлением 35 МПа или после вакуумирования под давлением .1,5 МПа. Расчет водонасыщения проводят по формуле (II.2). Разность между водопоглощением и водонасыщением характеризует «условно-замкнутые» или «резервные» поры.

Водопоглощения поверхностного слоя определяют обычно при испытаниях ячеистых бетонов. Образцы размером 20х10х5 см изготовляют в формах или выпиливают из изделия, а затем высушивают до постоянной массы. Образцы ячеистого бетона сушат в два этапа: при 60—65° С — двое суток и затем при 100—105° С до постоянной массы — это предотвращает образование трещин. Затем образец опускают в воду на глубину 1 см и выдерживают в течение 10 с. Водопоглощение определяют в % площади S увлажняемой поверхности:

Для определения размеров пор и построения дифференциальной кривой распределения применяют различные методы.

Метод ртутной порометрии довольно часто применяют для определения размеров пор в цементном камне. Образцы перед началом испытаний подвергают вакуумной сушке, после чего помещают в дилатометр, являющийся частью поромера. Из поромера откачивают воздух до достижения вакуума 1,3 Па (10в-2 мм рт. ст.) и подают из дозатора в дилатометр ртуть. С помощью вакуум-насоса в дилатометре изменяют давление, каждый раз определяя по. капилляру изменение объема ртути. Ртуть по мере увеличения давления заполняет все более мелкие поры. Диаметр пор D, см, которые заполняются ртутью при определенной высоте ртутного столба h (см рт. ст.), вычисляют по формуле

где о — поверхностное натяжение ртути (при t = 20° С о = 471,6 дин/см); 0 — угол смачивания (для силикатов 0 = 145°); р — плотность ртути, равная 13,546 г/см3; g — ускорение силы тяжести, см/с2.

С помощью поромеров низкого давления можно измерять диаметр пор в пределах 5,6*10-3—12*10в-4 см. Для измерения пор диаметром до 4*10в-4 см применяют поромеры высокого давления с максимальным давлением 1000 МПа (10 000 ат).

Метод ВНИИГ основан на выдавливании жидкости воздухом из капилляров бетонного образца, помещенного в воду. Каждому давлению воздуха соответствует определенный диаметр капилляров, по которым начинает фильтроваться газ. Повышая давление и замеряя скорость выделения воздуха, рассчитывают площадь пор соответствующего диаметра.

Для определения гидравлической дифференциальной пористости открытых пор в НИИСМИ МПСМ Украины разработан прибор ГЭДП-1-73 с автоматической записью результатов. Прибор позволяет измерять диаметры капилляров в пределах от 10в-3 до 5*10в-7 см.

Метод микроскопического количественного анализа по ГОСТ 22023—76 основан на измерении линейных размеров сечений пор в плоскости среза материала (шлифов и пришлифовок). Для измерений применяют микроскоп МБИ-6 с измерительным устройством МИУ-1. Шлифы и пришлифовки готовят общепринятыми способами (ГОСТ 22023—76) и исследуют первые в проходящем свете с увеличением от 17,5 до 2250х, а вторые — в отраженном свете с увеличением от 45 до 2375х. Минимальный замер — 0,05 мм.

Подготовленный образец в виде шлифа или пришлифовки (аншлифа) закрепляют в препаратоводителе и просматривая все поле выбирают наиболее характерный участок структуры. Перекрестия окуляра устанавливают на границе поры. Затем начинают перемещать объект, подсчитывая с помощью счетного устройства измерительного устройства длину сечений пор на шлифе. Параметры пористости (табл. II.3) вычисляют по данным не менее чем 300 результатов. С помощью фотокамеры рекомендуется фиксировать наиболее характерные участки структуры образца.

Для проведения более простых исследований пористости микроскопическими методами рекомендуется стереоскопический бинокулярный микроскоп МБС-2, можно использовать отсчетный микроскоп МПБ-2. При необходимости фотографирования с помощью переходного кольца на один из окуляров микроскопа МБС-2 надевают фотонасадку МФН-1.

Часто применяют метод линейного перемещения. На поверхность образца наносят линию. Затем, перемещая образец (или микроскоп) так, чтобы линия все время оставалась в поле зрения, определяют среднее число пор и среднюю длину хорды поры на линии.

Возможно нанесение тушью на поверхность большого числа точек (больше 200), например в шахматном порядке. После этого с помощью микроскопа подсчитывают общее число наблюдаемых точек N0 и число точек, приходящихся на сечение воздушных пор Nц. Пористость П, %, подсчитывают по формуле

Для исследовательских работ может быть рекомендована фотоэлектронная установка МИСИ.

Установка Уральского промстройниипроекта предназначена для дистанционного определения водопоглощения. Подсоединив камеру установки к вакуум-насосу, можно определить кинетику не только водопоглощення, но и водонасыщения.

Установка (рис. II.4) представляет собой камеру с водой, в которой в подвешенном на пружинах состоянии находится образец. По мере водонасыщения образец опускается в воду, перемещая соединенный с ним подвижный стержень реостата, В верхней части подвижного стержня закреплена Щетка реостата, сопротивление которого по мере водонасыщения бетона измеряется. Реостат подключен к измерительному прибору или автоматическому самописцу. Авторами прибора разработан еще один вариант установки с пластинчатыми пружинами. Зависимость «прирост массы бетона — прирост сопротивления цепи» строится по экспериментальным данным.

Метод оценки скорости водопоглощення, предусмотренный японским промышленным стандартом А-5406-1961 для стеновых бетонных блоков, состоит в следующем. Образец помещают в ванну с водой таким образом, чтобы начальный уровень воды был на 20 см выше верхней плоскости образца. За понижением уровня воды следят по градуированной трубке, опущенной в ванну. Бетон признается выдержавшим испытание, если за 2 ч уровень воды опустится не более чем на 10 см.

Следует отметить, что такое испытание зачастую довольно успешно характеризует способность стеновых блоков увлажнять под действием атмосферных осадков, так как скорость водопоглощения не всегда связана с его величиной.





Яндекс.Метрика