Стойкость бетона к воздействию повышенных и высоких температур


Стойкость бетона к кратковременному и длительному, стационарному и циклическому воздействию повышенных и высоких температур имеет большое значение для ряда конструкций и сооружений. Сюда относятся не только традиционные области применения жароупорных бетонов в различного рода тепловых агрегатах, где температура нагрева достигает 1000°C, а иногда и превышает ее. Это также многочисленные изделия, конструкции и сооружения, выполняемые из обычных бетонов, где температура в каком-либо из вышеназванных режимов воздействия повышается до 200—350° С. Сюда относятся элементы каркаса ряда промышленных цехов, фундаменты коксовых батарей и прокатных станов, полы некоторых производств, покрытия аэродромов, изделия и конструкции при сварке или прорезании огневым способом в бетоне отверстий и т. д.

Основные технические требования в части обеспечения стойкости бетона в условиях воздействия повышенных и высоких температур регламентированы СНиП II.-B.7-67.

В соответствии с требованиями нормативных документов, стойкость бетона к указанным температурным воздействиям определяется и контролируется путем проведения испытаний по измерению остаточной прочности на сжатие, огневой усадки, термической стойкости и температуры деформации под нагрузкой. Значения этих параметров нормированы.

Для проведения испытаний готовят бетонные образцы, твердение которых проводят в тех же условиях и по тому же режиму, что и бетон в конструкции. Если предусмотрено естественное вызревание бетона, то образцы помещают на 7 сут в камеру нормального хранения.

После тепловой обработки или естественного вызревания образцы высушивают при 100—110° С до постоянной массы. Скорость подъема температуры не должна превышать 50° С/ч.

Остаточную прочность на сжатие по CH 156-67 определяют на кубах с размером ребра 10 см. Одну серию (3 шт.) кубов после высушивания испытывают для определения Rсж100, а остальные две нагревают до 800° С. Если температура эксплуатации бетона в конструкции ниже 800° С, то образцы нагревают до этой температуры. При заданной температуре нагрева проводят изотермическую выдержку в течение 4 ч, а затем печь отключают и она остывает вместе с образцами до 15—20° С. Одну серию кубов испытывают сразу же после охлаждения (Rсж800(с)), вторую — после дополнительной выдержки в течение 7 сут над емкостью с водой (Rсж800(в)). Для бетонов с шамотным заполнителем и бетонов на высокоглиноземистом цементе выдержку над водой допускается заменять 7-ч выдерживанием над паром.

После каждого этапа обработки образцов их осматривают. В случае появления трещин Rсж не определяют, так как считается, что данный бетон не выдержал испытание. Допускаются поверхностные волосные трещины.

Остаточную прочность в % рассчитывают по формулам:

P'ост определяют при подборах состава бетона и оценке его составляющих; для контроля за качеством достаточно определения R'ост.

Во всех случаях за Rмж принимают среднее арифметическое по серии. Если наименьшее R сж отличается от следующего более чем на 20%, расчет Rмж производят по двум наибольшим результатам.

Определение прочности жаростойкого бетона (на цементном вяжущем) по ГОСТ 10180—78 имеет следующие отличия от испытания других видов бетона. Для определения R в возрасте, соответствующем сроку, достижения проектной марки, образцы хранят в нормальных условиях до испытаний, а для определения контрольной прочности Rк хранят до 7 сут в нормальных условиях, а затем подвергают термообработке. Бетон на глиноземистом цементе во всех случаях выдерживают до испытания в нормальных условиях в течение 3 сут. Термообработку проводят, нагревая образцы за 2 ч до 105± ±5° С, выдерживают при 105° С 32 ч охлаждают в отключенном сушильном шкафу.

Для определения Rt после нагрева образцы подвергают дальнейшему нагреву в камерной электропечи до требуемой температуры, выдержке 4 ч и охлаждению вместе с печью, после чего образцы испытывают.

Для определения остаточной прочности R't образцы нагревают со скоростью At до предельно допустимой температуры tмакс (для бетонов классов 8—18 до 800° С), выдерживают 4 ч и охлаждают вместе с печью (образцы не должны иметь повреждений). После этого одну серию образцов испытывают, а вторую выдерживают в течение 7 сут на решетке в баке над водой. Расстояние от поверхностей образца до воды (слой > 10 см) и до крыши 4± 1 см. После выдержки образцы не должны иметь повреждений.

Относительная прочность после нагрева: mбt=Rl/Rк и остаточная прочность m'бt=R't/Rк (Rк — прочность контрольных образцов).

Остаточную прочность, по методике НИИЖБ, рекомендуется определять при испытании тяжелых бетонов, работающих в условиях воздействия температур от 51 до 350° С. Из бетона по технологии, принятой для формования конструкций, изготовляют 6 кубов с ребром 100 мм. После завершения цикла (периода) твердения три образца испытывают на сжатие для определения начальной прочности Rсжн, а три образца нагревают в печи со скоростью 50°С/ч до рабочей температуры, выдерживают при ней 24 ч и охлаждают в печи до 15/20° С. Затем образцы обрабатывают в автоклаве по режиму 4—8—4 ч и испытывают для определения конечной прочности Rсжк. Остаточную прочность Rсж0, %, вычисляют по формуле

Значение Rсж0 определяют как среднеарифметическое трех результатов, отличающихся от среднего не более чем на ±15%. В противном случае испытание повторяют. Полученное значение Rсж0 не должно быть меньше значений. Если на образцах появились глубокие раскрывшиеся (не поверхностные волосные) трещины, считают, что образцы не выдержали испытания.

Огневую усадку по CH 156-67 определяют на призмах размером 3х3х9,5 см. После окончания срока твердения, а для бетона, предназначенного для сборных изделий и подвергающихся предварительной сушке, после высушивания измеряют длину призм. Замеры выполняют микрометром с фиксирующим устройством, с помощью которого обеспечивается центрирование образца. На каждой призме проводят 4 замера и вычисляют среднюю длину призмы l1. Затем, если измерения проводились до сушки бетона, образцы высушивают при 100—110°C до постоянной массы.

Затем со скоростью 600° С/ч до температуры 800° С, а далее со скоростью 300° С/ч призмы нагревают в муфельной печи до температуры службы данного бетона. Изотермический прогрев при этой температуре — 2 ч, после чего образцы вместе с печью охлаждают до 15—20° С.

Если на призмах отсутствуют трещины, повторно замеряют их длину l2 и вычисляют огневую усадку по каждой призме как среднее арифметическое трех призм:

Термическую стойкость по CH 156-67 определяют на кубах с ребром 7 см. Образцы помещают в предварительно разогретую муфельную печь, где выдерживают в течение 40 мин при 800±10° С. Время от момента падения температуры в печи после установки образцов до достижения 790° С не учитывают. Затем образцы вынимают из печи и сразу же опускают в резервуар с водой (15—20° С) на 5 мин. При этом температура воды не должна повышаться выше 30° С.

После охлаждения в воде кубы вынимают и выдерживают на воздухе в течение 10 мин, после чего их осматривают и весовым методом определяют потерю массы. При осмотре отколовшимися считают также куски бетона, которые отделяются от образца при легком надавливании пальцем.

Перечисленные операции составляют одну теплосмену. Теплосмены повторяют до тех пор, пока потеря массы образцов не достигнет 20% первоначальной массы или до их полного разрушения. Число теплосмен, которые выдержат образцы, принимают за термическую стойкость бетона, при этом последнюю теплосмену, при которой суммарная потеря массы превысит 20%, не учитывают.

Если образцы испытывают до получения заданной проектом (нормами) термической стойкостью бетона и после требуемого числа теплосмен Am/m100 менее 20%, определяют относительную прочность:

где индексы «н» и «т» относятся к прочностям соответственно начальной и конечной, после определения термической стойкости.

Термическую стойкость тяжелого бетона при воздействии нагрева и увлажнения, по методике НИИЖБ, рекомендуется определять при испытании бетонов, работающих в условиях воздействия температур от 51 до 350° С. Изготовление и твердение кубов с ребром 100 мм проводят так же, как и бетона конструкций. Определяют начальную прочность Rсжн по испытаниям на прессе трех кубов. Оставшиеся три куба помещают в печь, имеющую температуру эксплуатации конструкции, и выдерживают при ней 60 мин (допустимые колебания ±10°С). Затем кубы вынимают из печи и помещают в воду с t=15—20° С, при этом в процессе остывания бетона температура воды не должна превышать 50° С. Охлаждение в сосуде с водой длится 5 мин, затем образцы в течение 10 мин выдерживают на воздухе и снова помещают в печь, начиная следующий цикл. Число циклов должно соответствовать числу теплосмен конструкции, но не превышать 50.

После каждого цикла образцы осматривают, отделяют слабосвязанные частицы бетона и определяют массу образцов. Если потеря массы превышает 20%, испытание прекращают. После заданного числа циклов (если Am<20%) определяют конечную прочность Rсжк и вычисляют термическую стойкость Rсжт.с по формуле

Значение Rсжт.с должно быть не менее 50%.

Для ускорения этих испытаний в НИЛФХММ и ТП Главмоспромстройматериалов предложена методика, состоящая в проведении 4—5 циклов с одновременным измерением деформаций в дилатометре (на образцах 10х10х30 мм). По остаточным деформациям прогнозируют термическую стойкость.

Деформацию под нагрузкой по ГОСТ 23283—78 определяют на образцах-цилиндрах с H=50 мм и D=36 мм (S=10 см2). Образцы могут быть выпилены из изделия или отформованы отдельно.

Образец устанавливают между двумя стержнями в зоне наивысшей температуры электрической криптоловой печи. На торцы образца стержня опираются через круглые прокладки с D=50 мм и Н=10 мм. Прокладки и стержни изготовляют из электродного угля. Они не должны обнаруживать деформации при холостой работе установки до 1700° С и нагрузке, соответствующей 0,02 МПа. Вертикальная зона равномерного нагрева в печи, в которой размещают образец, должна иметь D больше 10 см и Н больше 12 см. Нагрузка на образец через стержень должна передаваться точно по оси образца. Нагрузка должна обеспечивать напряжение 0,1—0,2 МПа в зависимости от mV бетона.

Температуру в печи до 1300° С измеряют платиноплатинородиевой термопарой, от 1000 до 1300° С — термопарой и оптическим пирометром, выше 1300°С — оптическим пирометром (термопару вынимают). Нижний конец термопары, установленный вертикально, должен находиться на середине высоты образца. Замеры пирометром проводят, визируя его на боковую поверхность образца через горизонтальную трубку со специальной оправой и заслонкой, которую открывают на время замера. Деформацию замеряют с погрешностью до ±0,1 мм. Внешний вид образца после испытаний должен свидетельствовать о равномерном нагреве и деформации образца со всех его сторон.

После установки образца и измерительных приборов начинают подъем температуры в печи со скоростью от 10° С/мин до 800° С и 4—5° С/мин выше 800° С. В процессе подъема температуры каждые 10 мин регистрируют время, температуру и деформации. Испытание проводят до достижения образцом сжатия на 40% (20 мм) его первоначальной высоты. По измеренным результатам строят диаграмму «температура — деформация» (рис. VI.7). Температуру откладывают на оси абсцисс, деформации — по оси ординат в масштабе 1:10.

По диаграмме определяют следующие характеристики:

1) HP — температуру начала размягчения, соответствующую точке, лежащей на 3 мм ниже наивысшей точки кривой;

2) точку «4%» — температуру, соответствующую точке, лежащей на 20 мм ниже наивысшей точки кривой;

3) точку «40%» — температуру, соответствующую точке, лежащей на 200 мм ниже наивысшей точки кривой;

4) «температуру разрушения», при которой наблюдается внезапная потеря бетоном прочности;

5) «интервал размягчения», представляющий собой разность температур; «40%» — HP или «температура разрушения» — HP.

Испытания проводят на одном образце, который после испытания и внешнего осмотра признается соответствующим ГОСТ 23283—78.





Яндекс.Метрика