Способ определения морозостойкости бетона

 

Изобретение относится к испытаниям строительных материалов и может быть использовано для ускоренного определения морозостойкости бетона. Сущность изобретения заключается в том, что морозостойкость бетона определяют по результатам испытаний призматического образца на центральное осевое сжатие вплоть до разрушения, фиксируя в процессе испытания напряжение и соответствующие им продольные деформации и определяя начальный модуль упругости и модуль деформаций бетона в момент разрушения, по соотношению которых и судят о морозостойкости бетона. 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к испытаниям строительных материалов и может быть использовано для ускоренного определения морозостойкости бетона.

Известен способ определения морозостойкости бетона, включающий насыщение испытуемых образцов водой в течение 96 часов и циклическое замораживание-оттаивание испытуемых образцов, причем замораживание проводят в воздушной среде при -16 -20^оС в течение 2,5-5,5 ч в зависимости от размера образцов, а оттаивание проводят в воде при 16-20^оС в течение 1,5-5,5 ч в зависимости от размера образцов. За морозостойкость бетона принимают количество циклов замораживания-оттаивания, после которого средняя прочность на сжатие испытуемых образцов будет меньше среднего значения прочности контрольных образцов более, чем на 5 Контрольные образцы испытываются на сжатие перед началом испытаний на циклическое замораживание-оттаивание (ГОСТ 10060-87. Бетоны. Методы контроля морозостойкости).

Однако указанный способ характеризуется большой трудоемкостью и продолжительностью испытаний. Например, продолжительность испытаний бетона с ожидаемой маркой по морозостойкости F 300 составит при двухсменной работе лаборатории 150 рабочих дней, причем при вынужденных перерывах в испытаниях, например выходные и праздничные дни, образцы должны находиться в замороженном состоянии. Большая трудоемкость связана с необходимостью дважды в цикл производить перекладывание образцов (из морозильной камеры и обратно), производить смену воды-среды через каждые 50 циклов, выполнять испытания на сжатие через промежуточное число циклов.

Известен также способ ускоренного контроля морозостойкости бетонов, включающий насыщение испытуемых образцов 5-ным раствором хлорида натрия в течение 96 ч и циклическое замораживание-оттаивание в 5-ном растворе хлорида натрия, причем замораживание проводят при -50-55^оС в течение 2-3 ч, а оттаивание проводят при 16-20^оС в течение 2-3 ч. Количество циклов испытаний при реализации способа сокращается в 28,5-37,5 раз в сравнении с рассмотренным выше способом.

Данный способ, значительно сокращая продолжительность испытаний, обладает следующими существенными недостатками: применим для бетонов с наибольшей крупностью заполнителя 10 мм, так как для испытаний по способу применяются образцы-кубы с ребром 70 мм, а согласно ГОСТ 10180-90 "Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам" размер ребра образца для испытаний должен не менее чем в 4 раза превосходить размер крупного заполнителя. В связи с тем, что в строительстве применяют в основном бетоны с наибольшей крупностью заполнителя 20 мм и более, указанный способ имеет ограниченное применение; требует применения низкотемпературного оборудования, которое дефицитно и на предприятиях по производству железобетонных изделий, как правило, отсутствует.

Наиболее близким к изобретению по своей технической сути является способ определения термоморозостойкости бетона, включающий определение начальной морозостойкости бетона и модуля деформации при одноосном сжатии. Согласно способу определяют отношение модуля деформаций при уровне нагружения, равном верхней границе микротрещинообразования, к модулю деформаций, равном нижней границе микротрещинообразования, а термоморозостойкость после многоциклового нагревания-остывания расчитывают по формуле F_t F_o ˙a ˙exp (B ˙ E_v/E_o), где F_t термоморозостойкость после многоциклового нагревания-остывания; F_o начальная морозостойкость бетона; E_v модуль деформации при уровне нагружения, равном верхней границе микротрещинообразования бетона; E_o модуль деформации при уровне нагружения, равном нижней границе микротрещинообразования бетона; a, b эмпирические коэффициенты (Айрапетов Г.А. Панченко А.И. Несветаев Г. В. Черемисин В.В. Способ определения термоморозостойкости бетона. Положительное решение по заявке N 5058473/33/038547, приоритет 11.08.92).

Указанный способ предназначен для определения термоморозостойкости бетона, т.е. изменения начальной морозостойкости в результате многоциклового нагревания-остывания, и не позволяет определить начальную морозостойкость бетона. Кроме того, для определения уровней нагружения, соответствующих верхней и нижней границе микротрещинообразования, необходимо контролировать не только продольные, но и поперечные деформации, а также скорость распространения ультразвука в бетоне, что несколько усложняет испытания, затрудняя широкое применение способа в заводских лабораториях (Берг О.Я. Щербаков Е.Н. Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М. Стройиздат, 1971, с. 189).

Предполагаемое изобретение позволяет определить начальную морозостойкость бетона и упростить методику проведения испытаний.

Сущность изобретения достигается тем, что морозостойкость бетона определяют по результатам испытаний призматического образца на центральное осевое сжатие вплоть до разрушения, фиксируя в процессе испытания напряжения и соответствующие им продольные деформации и определяя начальный модуль упругости и модуль деформаций бетона в момент разрушения, по соотношению которых и судят о морозостойкости бетона.

При определении морозостойкости бетона по предлагаемому способу выполняют следующие операции: проводят испытания образца-призмы на сжатие продольной осевой нагрузкой вплоть до разрушения, обеспечивая постоянную скорость нагружения 0,2-0,7 МПа/с; фиксируют в процессе нагружения величину усилия N, по которой в дальнейшем определяют величину напряжений σ= N/A, где A площадь поперечного сечения образца, и соответствующую им величину продольных деформаций ε (методика указанных испытаний регламентирована ГОСТ 24452 "Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона" и доступна любой лаборатории завода по производству железобетонных изделий);
определяют начальный модуль упругости бетона
E_o σ₀₃ / ε₀₃ где σ₀₃ величина напряжений, МПа, при уровне сжимающей нагрузки 30 от разрушающей; ε₀₃ величина относительных продольных деформаций бетона при величине напряжений σ₀₃
определяют модуль деформаций бетона при уровне нагружения, соответствующем пределу прочности испытуемого бетона (т.е. в момент разрушения)
E_R R_b/ ε_R где R_b предел прочности испытуемого бетона при сжатии, МПа; ε_R величина относительных продольных деформаций бетона, соответствующая пределу прочности при сжатии R_b;
определяют морозостойкость испытуемого бетона при температуре замораживания -50^оС по формуле
F a ˙ exp(b˙ E_R/E_o), где a, b эмпирические коэффициенты.

Значения коэффициентов a и b определены в результате статистической обработки методом наименьших квадратов экспериментальных данных, полученных при испытаниях на морозостойкость при температуре замораживания -50^оС 65 серий образцов тяжелого и керамзитобетона, изготовленных с применением 5 различных цементов. Расход цемента изменялся в пределах 310-500 кг/м³. При этом получены значения a 21,1; b 1,4 (чертеж).

Сущность предлагаемого способа определения морозостойкости бетона состоит в том, что предлагается определять морозостойкость по соотношению модуля деформаций бетона в момент разрушения при испытаниях в условиях одноосного центрального сжатия и начального модуля упругости бетона.

Теоретическое обоснование возможности определения морозостойкости бетона указанным выше способом основано на том, что соотношение модуля деформаций в момент разрушения и начального модуля упругости используется в качестве критерия стойкости структуры бетона к образованию и развитию трещин. Известно, что при одноосном испытании на сжатие бетон характеризуется нелинейной зависимостью "напряжения-относительные деформации" ( σ ε), нелинейность характерна для всех уровней нагружения, но практическое значение имеет при уровне нагружения выше нижней границы микротрещинообразования. Нелинейность зависимости σ ε обусловлена образованием микротрещин в структуре бетона при действии механических напряжений, причем чем меньше нелинейность (например, для высокопрочных бетонов), тем выше стойкость структуры бетона к образованию и развитию микротрещин (Байков В.Н. Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс: Учеб. для вузов. М. Стройиздат, 1991, с.767; Берг О.Я. Щербаков Е. Н. Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М. Стройиздат, 1971 с.189; Бондаренко В. М. Некоторые вопросы нелинейной теории железобетона. Харьков: ХГУ, 1968, с.322; Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей. М. Высшая школа, 1991, с.288).

Известно также, что микротрещинообразование в структуре бетона является основной причиной его разрушения при температурных воздействиях, в том числе при замораживании-оттаивании, т.е. стойкость структуры к микротрещинообразованию характеризует морозостойкость бетона (Подвальный А.М. Коррозийное разрушение бетона при циклических воздействиях среды. Бетон и железобетон. 1982, N 9, с.9).

Способ основан на оценке стойкости структуры бетона к микротрещинообразованию посредством механических испытаний на одноосное сжатие, определении критерия стойкости к микротрещинообразованию в виде отношения модуля деформаций в момент разрушения к начальному модулю упругости и определении морозостойкости по установленной автором зависимости морозостойкости от указанного критерия стойкости структуры к микротрещинообразованию (чертеж).

П р и м е р. Требуется определить морозостойкость бетона в возрасте 28 сут. Состав бетона: цемент Ц=400 кг/м³; щебень известняковый Щ=1140 кг/м³; песок для строительных работ П=670 кг/м³; вода В=190 кг/м³. Условия твердения бетона нормальные. Начальная фактическая морозостойкость бетона, определенная при температуре замораживания -50^оС прямыми испытаниями, т.е. многократным замораживанием-оттаиванием, составила F_o 52 цикла.

По методике ГОСТ 24452 определяются продольные относительные деформации образца призмы размером 10х10х40 см из бетона указанного состава при испытаниях на центральное одноосное сжатие. Результаты испытаний представлены в таблице.

Начальный модуль упругости бетона
E_o σ₀₃ / ε₀₃ 0,3х31,5/24,5х10^-538,6х10³ МПа. Модуль деформаций бетона при уровне нагружения, соответствующем пределу прочности испытуемого бетона
E_R R_b/ ε_R= 31,5/147,0х10^-5 21,4х10³ МПа. Морозостойкость испытуемого бетона при температуре замораживания -50^оС по предлагаемому способу
F a ˙ exp(b_R E_R/E_o 21,1 x x exp(1,4 ˙ 21,4 ˙ 10³/38,6˙ 10³) 46. Погрешность в сравнении с истинным значением, полученном при прямых испыта- ниях, составляет Δ 100 11,5 что допустимо при испытаниях бетонов на морозостойкость. Известно, что коэффициент вариации значений морозостойкости бетона при испытаниях может превышать 20 (Свиридов Н.В. Повышение долговечности цементобетонных аэродромных покрытий. М. Транспорт. 1979, с.165).

Предлагаемый способ может быть эффективно использован для организации оперативного контроля морозостойкости бетона в промышленности сборного железобетона, а также при проведении исследовательских работ в области технологии бетонов высокой морозостойкости. Существенным достоинством способа является доступность необходимого для его реализации оборудования (по ГОСТ 24452) любой заводской лаборатории, а результат оценки морозостойкости бетона может быть получен в течение 2-3 ч.

В настоящее время не представляется возможным оценить величину экономического эффекта от реализации способа, однако организация статистического контроля морозостойкости бетона на базе заявляемого способа может дать эффект по аналогии со статистическим контролем прочности (ГОСТ 18105 Бетоны. Правила контроля прочности).

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ БЕТОНА, включающий нагружение призматического образца сжимающей нагрузкой по его торцам, определение моделей деформаций бетона и расчет морозостойкости по формуле, отличающийся тем, что определяет модуль деформации бетона при уровне нагружения, равном пределу кратковременной прочности, и начальный модуль упругости, находят их отношение, а морозостойкость бетона определяет по формуле
F a · exp(b · E_r/E_o),
где F морозостойкость бетона в циклах при температуре замораживания -50^oС;
E_r, E_o модуль деформации при уровне нагружения, равном пределу кратковременной прочности, и начальный модуль упругости бетона соответственно, МПА;
a, b эмпирические коэффициенты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2