Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью бетона понимают его способность сохранять или изменять в ограниченных пределах свои свойства под действием попеременного замораживания и оттаивания. Теоретические основы морозостойкости бетона и механизма его разрушения в условиях попеременного замораживания и оттаивания рассматривались в многочисленных работах, например. Хотя еще отсутствует общепризнанная теория этого воздействия, существующие взгляды в той или иной мере связывают разрушение бетона с напряжениями, возникающими при замерзании воды в его порах, а также с напряжениями, вызванными изменением температуры.

Морозостойкость основным методом по ГОСТ 10060—76 определяют при испытаниях тяжелого бетона и бетона (с mV > 1500 кг/м3) на пористых заполнителях. Стандарт распространяется также на гидротехнический И дорожный бетоны. Критерием морозостойкости является число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают кубы без снижения Rсж более чем на 15%, а для дорожного бетона, кроме того, вез потери массы более чем на 5%.

Для определения морозостойкости бетона Мрз 50 изготовляют три основных образца для замораживания И три контрольных образца, а для бетонов с более высокой Мрз (от 75 до 500) по шесть основных и девять контрольных образцов.

Кубы (с ребром 10, 15 или 20 см) изготовляют, хранят и испытывают по ГОСТ 10180—78. Испытания образцов на морозостойкость начинают через 7 сут после тепловой обработки, а для бетона нормального твердения — через 28 сут. Основные образцы, предназначенные для попеременного замораживания и оттаивания, перед началом испытаний насыщают 96 ч в воде с t-15—20° С (слой воды над образцами >20 мм). Кубы тщательно осматривают, фиксируя замеченные дефекты.

Если бетон предназначен для эксплуатации в минерализованных водах, то насыщение и оттаивание образцов проводят в такой же воде (разрешается применять синтезированную воду). Для бетона дорожных и аэродромных покрытий применяют 5%-ный раствор NaCl.

Замораживание можно проводить в морозильной установке любой конструкции. При этом должны соблюдаться следующие основные условия:

1) замораживать образцы следует при — 15—20°С; если при загрузке кубов температура повысится выше -15° С, за начало замораживания следует принимать время, когда t снова опустится до -15° С;

2) при загрузке камеры расстояние между верхом кубов и низом полок вышележащего ряда, а также между кубами должно быть не менее 2 см; к кубам должен быть обеспечен свободный доступ воздуха со всех сторон.

Цикл испытания состоит из замораживания кубов в течение не менее 4 ч для кубов с ребром 10 и 15 см и не менее 6 ч для кубов с ребром 20 см и оттаивания их в ванне с водой при t=15-20° С не менее 4 ч. Расстояние между кубами при замораживании и оттаивании должно быть не менее 2 см. При проведении испытаний перед взвешиванием кубы, извлеченные из воды, протирают влажной тканью. Число циклов в зависимости от заданной Мрз принимают по табл. VI.1.

Контрольные образцы хранят в камере нормального хранения и испытывают в водонасыщенном состоянии в эквивалентном возрасте (табл. VI.2), а три образца — перед началом замораживания основных образцов. Контрольные образцы автоклавного твердения, испытываемые на морозостойкость до 50 циклов, должны испытываться на прочность только перед началом замораживания. Время водонасыщения включают в общий и эквивалентный возраст образцов.

Если при контрольном осмотре основных образцов будет установлено разрушение более 15% поверхности двух из трех или четырех из шести кубиков, испытания прекращают. Поврежденную поверхность выравнивают быстротвердеющим составом (b меньше 2 мм) и через 3 сут (1 сут хранение во влажной среде и 2 сут в воде) испытывают. Если при этих испытаниях или при испытаниях после про, межуточных циклов будет установлено снижение Rcm > 15% (для дорожного бетона Rсж > 15%,или m > 5%) по отношению к бетону в эквивалентном возрасте, испытания прекращают, а оставшиеся образцы испытывают для подтверждения правильности оценки. Потерю массы следует вычислять с точностью до 0,1% как среднеарифметическое результатов взвешивания трех образцов.

Морозостойкость ячеистого бетона по ГОСТ 12852.4—77 (основной метод) определяют на кубах с ребром 10 см (допускается 7 см) или цилиндрах с H=D=10 см с учетом следующих особенностей. Основные и контрольные образцы насыщают водой (8 ч — залиты на высоту h/3+8 ч залиты на высоту 2h/3+24 ч залиты на высоту h+2 см), после чего контрольные образцы хранят в камере при ф=95±2% и t=15-20°С, а основные начинают замораживать при t=-(15-20)°С. Продолжительность замораживания при указанной температуре не менее 4 ч, затем оттаивание на воздухе в камере с ф=95±2% и t=20°С. Изменение марки по морозостойкости определяется снижением Rсж основных образцов на 15% и более от Rсж контрольных. Назначают марку по морозостойкости Мрз в соответствии с «Руководством по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов», составленным в развитие СНиП Н-21-75.

Морозостойкость ячеистого бетона по низкотемпературным деформациям по ГОСТ 12852.4—77 (ускоренный метод) определяют на выпиленных призмах размером 14x14x25 или цилиндрах с H=14 мм и D=25. С помощью прецизионного среднетемпературного оптико-механического дилатометра ДС (конструкции ВНИИФТРИ) определяют приведенное относительное удлинение et как разность относительных деформаций влажного и воздушно-сухого образцов. По результатам определения Мрз основным методом и измерения et строят градуировочную зависимость «еt—Мрз», которую (при коэффициенте корреляции r > 0,8) используют для ускоренного определения Мрз.

Морозостойкость по ГОСТ 7025—78 (при объемном замораживании) определяют при испытании легких бетонов с mV меньше 1500 кг/м3, предназначенных для стеновых конструкций. Методика отличается от ГОСТ 10060—76 следующим.

Испытывают образцы с максимальным размером 15 см. Испытанию подвергают 5 основных образцов, а 5 контрольных хранят в воздушной среде. Насыщают основные образцы в течение 48 ч. Расстояние между образцами при оттаивании не менее 20 мм (при четырех и более рядах по высоте — 50 мм). Продолжительность замораживания для бетонов с 1200 кг/м3 4 ч для образцов с ребром до 10 см и 6 ч — с ребром 15 см; для бетонов с mV меньше 1200 кг/м3 на образцах с ребром 15 см — 8 ч. Время оттаивания в воде — не менее половины времени замораживания. Морозостойкость можно оценивать (в зависимости от требований стандартов на изделия) по внешним признакам повреждения, по потере массы и по потере прочности AR. Значение AR вычисляют по формуле

Существенным недостатком описанных методов является их длительность и трудоемкость. Так, при одном цикле за сутки для определения Мрз 50 потребуется более двух месяцев, Мрз 150 дорожного бетона — более 6 месяцев, а бетона Мрз 500 — около двух лет. Увеличение числа циклов до 2 в сутки (в результате возрастают штаты испытателей) все равно оставляет сроки определения Мрз бетонов, особенно высоких марок, достаточно длительными. В производственных условиях часто результаты испытаний на морозостойкость получают тогда, когда они представляют лишь познавательный интерес. Длительность испытаний влечет за собой и повышенную их трудоемкость и стоимость: по данным Г.И. Горчакова и Л.П. Орентлихер, подбор состава морозостойкого бетона обходится 4—5 тыс. руб. ГОСТ 10060—76 предусматривает применение трех методов ускоренных испытаний. Они допускаются для оперативного контроля, при корректировке составов, при приемке готовых изделий и сооружений (но не из гидротехнических бетонов). При этом не реже одного раза в квартал следует определять морозостойкость основным методом, результаты которого считают решающими.

При методе остаточных деформаций по ГОСТ 10060—76 в качестве образцов применяют призмы размером 7х7х21(28) или 10х10х30(40) см, в торцах которых при бетонировании установлены упоры (репера) из нержавеющей стали, латуни или бронзы. За 4 сут до начала испытания образцы помещают в ванну с водой, после чего начинают проводить попеременное замораживание и оттаивание по обычной методике ГОСТ 10060—76. Каждые 2—3 цикла измеряют остаточные деформации образцов еN.

Измерение производят с помощью настольного (для призм сечением 7х7 см) или переносного (для призм сечением 10х10 см) деформометра; погрешность измерения не превышает 0,005 мм. Перед началом и в конце измерений серии образцов настройку прибора контролируют эталонным стержнем (d=8—12 мм) из инвара или той же стали, что и прибор. Прибор и эталонный стержень должны храниться при t=20° С. Если температура воздуха или воды, из которой извлечены образцы (замеры проводят в конце цикла оттаивания), отличается от 20° С, вводят поправки на температурные деформации прибора Alп и образца Al0, которые вычисляют по формулам с точностью 0,001 мм:

где а — температурный коэффициент (для стали равный 12*10в-6); tп и to — температуры соответственно воздуха в помещении и воды оттаивания, °С; l0 — база измерения мм; Alo =Alн/Atн.

Для определения Alн и Atн образцы подвергают двукратному нагреву до 40° С и охлаждению в воде до 15° С. При каждой конечной температуре бетон выдерживают 2 ч, замеряют его длину loбр, точную температуру среды tcp и вычисляют:

Длину каждого образца перед началом испытаний L0 определяют как среднее арифметическое трех измерений. Значение еN вычисляют по формуле

Здесь Li=L±Alп±Al0; L — длина образца, измеренная деформометром. Каждые 10±2 цикла анализируют полученные значения eN. После некоторого числа циклов N0 закономерность связи между eN и N представляет собой прямую в логарифмических осях. Для ее построения и определения фактической морозостойкости все полученные после N0 результаты, содержащие еN*10в5 больше 1 сводят в табличную форму (табл. VI.3) для удобства расчета коэффициента корреляции r и коэффициентов уравнения: lgeN*10в5 = К+algN;

Если r меньше 0,8, испытания продолжают; если r больше 0,8, рассчитывают коэффициенты К и а по уравнениям:

Затем вычисляют еN при N=10(lgN=1) и N=100 (lgN=2) и на график (рис. VI.1) наносят прямую до пересечения с границей предельных деформаций бетона с соответствующим (округленно) расходом цемента. Проекция точки пересечения на горизонтальную ось определяет морозостойкость бетона. Фактическую морозостойкость вычисляют как среднеарифметическое трех результатов с округлением в сторону меньшей стандартной марки.

Если оценивается соответствие бетона по морозостойкости проектной марке, то минимальное значение морозостойкости определяют по табл. VI.4, сопоставляя с данными этой таблицы фактически полученную деформацию. Последнюю вычисляют как среднее арифметическое трех измерений деформаций после N—2(3), N и N+2(3) циклов. N принимают равным 10, 20, 30 и т. д. циклов. По полученным значениям Мрз для каждого из трех образцов вычисляют среднее и округляют в сторону меньшей марки. Вычисленная таким образом минимальная морозостойкость должна быть не меньше проектной марки, в противном случае испытания образцов продолжают.

Метод замораживания при t=-50±2°С по ГОСТ 10060—76 применяют только для тяжелого бетона конструкций, работающих в пресной воде. Испытания проводят на таких же образцах, как и при испытании основным методом. Аналогичны изготовление и подготовка кубов.

Цикл испытания заключается в следующем. Кубы загружают в холодильную камеру морозильной установки и в течение 3—4 ч снижают в ней температуру до -50±2° С, выдерживают при этой температуре 1 ч (2 ч для кубов с ребром 20 см) и затем в течение двух часов повышают температуру до -10°С; при этой температуре извлекают кубы и помещают их в ванну с водой при 15—20° С. Оттаивание производят не менее четырех часов. Можно проводить один или два цикла в сутки. Число циклов испытаний определяют по табл. VI.5.

Кроме того, испытывают в водонасыщенном состоянии контрольные образцы, твердевшие в нормальных условиях, в возрасте 28, 45 (60) и 90 сут и строят график — возраст бетона», по которому определяют прочность бетона в эквивалентном возрасте. Значение Tэ рассчитывают по формуле

где T — возраст, сут, образцов, подвергнутых замораживанию ко времени испытания; N — число циклов; т — продолжительность цикла: для кубов с ребром 10—15 см — 0,33 сут; с ребром 20 см — 0,38 сут.

Для определения марки бетона по морозостойкости сопоставляют фактическое число циклов, после которых снижение Rсж не превысило 15% прочности контрольных образцов в эквивалентном возрасте, и требуемое число циклов, приведенное для соответствующих марок в табл. VI.5.

Расчетно-экспериментальный метод определения морозостойкости по «компенсационному фактору» (ГОСТ 10060—76) прогнозирует морозостойкость бетона по испытаниям проб бетонной смеси, отобранных при бетонировании конструкции.

«Компенсационный фактор» — Фк представляет собой отношение суммы процентного содержания пор в уплотненной смеси, заполненных воздухом или газом (как естественного, так и искусственного вовлечения), Vв, %, и контракционных пор Vк, %, к объему (в %) свободно замерзающей при t=-20°С воды в насыщенном при атмосферном давлении бетоне:

где рц и рв — плотности соответственно цемента и воды принимают равными 3100 и 1000 кг/м3. Vв определяют при помощи поромера (рис. VI.2) по следующей методике. Часть уплотненной бетонной смеси массой 1,2—1,5 кг помещают на дно нижнего сосуда, устанавливают верхний сосуд, осторожно вставляют рыхлитель и заливают поромер до верха горловины. Струю воды направляют осторожно вдоль рыхлителя, чтобы не размыть пробу смеси. Рыхлитель представляет собой металлическую полосу длиной 30 см и сечением 2х20 см. Затем смесь разрыхляют до прекращения понижения уровня воды, после чего доливают воду до верха горловины. Объем долитой воды V1 измеряют с точностью до 0,5 см3. Образующуюся при перемешивании пену удаляют.

Значение Vв определяют по формуле

где mVсм — объемная масса бетонной смеси, г/см3; mсм — масса пробы смеси, г.

Марку по морозостойкости определяют в зависимости от Фк:

Данный метод фактически прогнозирует морозостойкость как функцию состава бетона при условии соблюдения всех требований технологии бетона, поэтому изменение Мрз вследствие нарушения технологии, применения исходных материалов с разной морозостойкостью не может быть выявлено. Нельзя также учесть влияние условий твердения (режимы естественного вызревания или тепловой обработки) и различного рода обработки (например, пропитку) затвердевшего бетона. К достоинствам метода следует отнести то, что для его осуществления не требуется морозильной установки. Данный метод предназначен только для бетонов на плотных заполнителях.

Ускоренные испытания по методу Добролюбова — Ромера (Швейцария) проводятся на призмах малых размеров (3х3х6 см). Образцы насыщают в воде в течение 5 сут, а затем герметизируют, например в резиновых мешках. Замораживание проводят в 32%-ном растворе CaCl2, а оттаивание — в воде. Продолжительность цикла: 32 мин при -20° С; 16 мин при 20° С и 2 мин на перемещение образцов из холодной ванны в ванну оттаивания и обратно.

Аналогичная схема испытаний была принята в ЦНИЛ Главкиевгорстроя, где создана автоматическая установка для ускоренных испытаний на морозостойкость. Испытанию подвергают балочки 4х4х16 см, отформованные из смеси или выпиленные из бетона. Одновременно испытывают 24 балочки. Замораживание (при -20° С) и оттаивание (при 20° С) образцов, упакованных в полиэтиленовую пленку, проводят в 50%-ном растворе этиленгликоля, имеющем температуру замерзания -37,2° С. Продолжительность цикла 1 ч. Установка позволяет изменять продолжительность цикла.

Морозостойкость при замораживании в жидкой среде по методике НИИЖБ определяют с использованием специальных контейнеров, на которых установлены ванны с образцами. Поскольку замораживание осуществляют в жидкой среде, образцы все время находятся в ваннах. Контейнер вместе с ваннами вкатывают в холодильную камеру морозильной установки, где он находится в течение 16 ч при температуре — 20±2° С. После этого контейнер перемещают в камеру подогрева, в которой с помощью электропечей поддерживают температуру воздуха 30—35° С. Обогрев ведут в течение 8 ч, т. е. продолжительность одного цикла составляет 24 ч.

Такой метод замораживания создает более жесткие условия испытания. Для ответственных конструкций, которые в процессе эксплуатации подвергаются попеременному замораживанию и оттаиванию в воде, испытания описанным методом позволяют более реально оценить морозостойкость бетона.

Применение метода одностороннего замораживания бетона ставит целью более полно моделировать работу легкого бетона в ограждающих конструкциях. Готовят образцы к испытанию так же, как и при объемном методе. Водонасыщенные образцы устанавливают в теплоизолирующей кассете, которую помещают в морозильную камеру для замораживания. После окончания цикла замораживания кассету вынимают, извлекают из нее кубы и оттаивают их в воде. Время замораживания и оттаивания такое же, как и при объемном методе. Теплоизолирующая кассета выполнена таким образом, что кубы замораживают только с одной стороны. Боковые стороны образцов окружены пластинами из пористой резины, а на тыльной стороне образца (противоположной стороне замораживания) находятся металлический экран, электронагреватели и теплоизоляция. В процессе замораживания внутри металлического экрана поддерживается температура 15—20° С, в то время как открытая поверхность образца находится в воздухе с t=-(15/20) ° С.

После выполнения заданного числа циклов кубы разрезают перпендикулярно к направлению теплового потока на две равные части. Половинки кубов, подвергавшиеся действию отрицательной температуры, считаются основными образцами, а находившиеся в тепле — контрольными.

Известны методы одностороннего замораживания, когда образцы устанавливают в виде стенки морозильной камеры.

Для большинства методов основным критерием морозостойкости является изменение Rcж или Rсж и m после определенного числа циклов.

С.В. Шестоперов предложил оценивать результаты испытания бетона на морозостойкость по балльной системе (табл. VI.6). Предложенная им шкала оценки морозостойкости бетона по его внешнему виду, по мнению ее автора, призвана не полностью заменить механические испытания кубов, а лишь уменьшить их число, оставляя определение Rсж для самых важных этапов повреждения бетона. В ряде случаев оценка морозостойкости бетона по его внешнему виду может более верно выявить значимость происшедших измерений. Например, если повреждения носят только поверхностный характер, a Rсж не уменьшилось ниже допускаемого предела, то критерием остается лишь уменьшение массы. Ho при толщине плиты покрытия 80—100 мм допускаемое уменьшение массы связано с повреждением слоя толщиной 4—5 мм, что вряд ли допустимо. В то же время дополнительное нормирование морозостойкости по шкале внешнего вида предотвратит применение такого бетона в конструкциях, для которых предъявляются требования к состоянию поверхности.

Эффективным методом контроля за изменением структурных свойств бетона в процессе попеременного замораживания и оттаивания является определение его упругих и неупругих характеристик с помощью резонансного метода.

Этот метод описан в Инструкции, где также приведена формула для расчета изменения Rри после определенного числа циклов:

где индекс «о» обозначает характеристики перед началом испытаний, а индекс «i» — те же характеристики после n циклов испытаний.

К определяют после завершения испытаний по формуле

Когда после n циклов снижение прочности составляет 15% и более, т. е. Rр.иn/Rр.и0 < 0,85, следует построить график изменения величины Rр.иi/Rр.и0 в зависимости от числа циклов и по этому графику при отношении Rр.иi/Rр.и0 = 0,85 определить число циклов, соответствующее фактической марке бетона по морозостойкости.

Для всех методов важно строго соблюдать предусмотренный соответствующим методом порядок насыщения образца перед началом испытаний на замораживание. С увеличением степени водонасыщения для одного и того же бетона морозостойкость его снижается. Добиваясь почти полного насыщения (под вакуумом), можно значительно снизить число циклов, которые выдерживает бетон.

Получаемые при испытаниях результаты зависят также от скорости замораживания бетона. Чем быстрее падает температура в бетоне, тем скорее идет его разрушение. В то же время имеется мнение, что увеличение температуры и времени оттаивания несколько понижает скорость разрушения вследствие эффекта самозалечивания.

Для испытания на морозостойкость большинством методов требуются морозильные установки. Промышленность выпускает холодильные машины и компрессорноконденсаторные агрегаты, которые используются для оснащения морозильных установок. В ряде лабораторий на основе оборудования и приборов, выпускаемых промышленностью, созданы автоматические и автоматизированные морозильные установки.

Все камеры холода, тепла, тепла и холода с объемом не менее 0,05 м3 должны подвергаться поверке по ГОСТ 20497—75.