Свойства бетона

Объем макропор в бетоне колеблется от 0 до 40%. Макропористость бетона уменьшается при понижении В/Ц, увеличении степени гидратации цемента, уменьшении воздухововлечения в бетонную смесь, применении химических добавок, уплотняющих структуру бетона.

При увлажнении бетона мельчайшие поры и капилляры заполняются водой, которая под действием физических поверхностных сил значительно теряет свою подвижность и как бы закупоривав ет эти капилляры. Наступает, как говорят, «кольматация» пор и капилляров, что приводит к уменьшению проницаемости бетона.

С увеличением возраста бетона изменяется характер его пористости, постепенно уменьшается объем макропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации цемента, и в результате уменьшается проницаемость бетона.

Плотные бетоны обычно не фильтруют воду, поэтому для их оценки используют другое понятие - марка по водонепроницаемости, например W2, W4 и т. д. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды.

Большое значение для повышения непроницаемости бетона имеют его однородность и сохранение сплошности материала в процессе его твердения и эксплуатации. Появление микротрещин вследствие усадки бетона при попеременном увлажнении и замораживании или высыхании может существенно снизить непроницаемость бетона.

Рассмотренное выше справедливо и при воздействии на бетон других жидкостей: растворов солей и кислот, нефтепродуктов и т.д. В ряде случаев подобное воздействие может сопровождаться физико-химическими процессами взаимодействия цементного камня и заполнителя с проникающей жидкостью, что чаще всего приводит к постепенному повышению проницаемости бетона, но иногда при кольматации пор продуктами взаимодействия проницаемость бетона может уменьшиться.

Объем и характер пористости оказывают решающее влияние и на газопроницаемость бетона. Кольматация пор влагой или продуктами химических реакций существенно понижает газопроницаемость бетона. Газопроницаемость играет существенную роль при протекании процессов коррозии бетона и стали под воздействием атмосферных факторов.

Морозостойкость. Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Основной причиной, вызывающей разрушение бетона в этих условиях, является давление на стенки пор и устья микротрещин, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме более чем на 9%. Расширению воды препятствует твердый скелет бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрушению. Сначала начинают рушиться выступающие грани, затем поверхностные слои и постепенно разрушение распространяется в глубь бетона. Некоторое влияние будут оказывать и напряжения, вызываемые различием в коэффициентах температурного расширения составляющих бетона и температурно-влажностным градиентом. [1, с. 141-156]

1.1.9 Мелкозернистый бетон

Для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций применяют мелкозернистый бетон, не содержащий щебня. Армируя этот бетон стальными ткаными сетками, получают армоцемент - высокопрочный материал для тонкостенных конструкций. Мелкозернистый бетон можно также использовать для изготовления железобетонных конструкций в районах, где отсутствуют щебень и гравийно-песчаная смесь.

Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что и обычного бетона. Однако мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенные пористость и удельная поверхность твердой фазы.

На рис. 16, а приведены зависимости прочности песчаного бетона от его состава. При В/Ц=0,3 зависимость прочности от расхода цемента прямолинейна: уменьшение расхода цемента приводит к резкому понижению прочности бетона, так как при малом содержании цемента смесь становится все менее удобообрабатываемой, хуже уплотняется, а ее плотность и соответственно прочность постепенно уменьшаются. Наивысшую прочность показывает в этом случае цементный камень.

Рисунок 16 - Зависимость прочности песчаного бетона от состава бетона (а) и В/Ц (б): 1 - В/Ц = 0,3; 2 - В/Ц = 0,4; 3 - В/Ц = 0,5;

4 - Ц/П = 1:1; 5 - Ц/П = 1:2; 6 - Ц/П = 1:4; 7 - обычный бетон (для сравнения)

При более высоких значениях водоцементного отношения (В/Ц=0,4 и выше) наивысшая прочность бетона достигается при определенном оптимальном соотношении между цементом и песком. При этом соотношении достигается максимальная плотность бетонной смеси. При меньших расходах цемента удобообрабатываемость смеси постепенно снижается, что затрудняет ее укладку и приводит к постепенному понижению прочности и плотности бетона. При более высоком содержании цемента возрастает количество избыточной воды в бетоне, соответственно увеличивается пористость и понижается прочность.

Для каждого состава бетона имеется оптимальное значение В/Ц, при котором получаются наивысшие прочность и плотность бетона (рис. 16, б). Если построить обобщенную зависимость прочности песчаного бетона разного состава от В/Ц для оптимальных или средних значений прочности, достигаемых при разных соотношениях между песком и щебнем, то кривые, выражающие эти зависимости, будут иметь более крутой наклон и будут пересекаться с подобными кривыми для обычного бетона при В/Ц, близких к 0,4. В случае более низких В/Ц при обеспечении хорошего уплотнения можно получить песчаные бетоны с прочностью выше, чем у обычных бетонов на крупном заполнителе. Однако такие бетоны требуют большого расхода цемента и могут применяться только для специальных конструкций при соответствующем технико-экономическом обосновании. При более высоких В/Ц песчаные бетоны обычно имеют прочность ниже, чем обычные бетоны на прочном крупном заполнителе. Степень понижения прочности зависит от качества применяемых материалов и технологии уплотнения бетонной смеси.

В ряде случаев при приготовлении цементно-песчаной смеси и уплотнении ее обычным вибрированием в нее вовлекается воздух, распределенный в виде мельчайших пузырьков по всему объему смеси. Вовлечение воздуха, которое может достигать З...6% и более, повышает пористость бетона и снижает его прочность. Воздухововлечение увеличивается с повышением жесткости смеси. Поэтому при необходимости получить плотные и прочные песчаные бетоны следует применять такие методы их уплотнения, которые сводили бы воздухововлечение к минимуму.

Песок обладает более высокой пустотностью, чем смесь песка и щебня. При невысоком содержании цемента в смесях более тощих, чем 1:3, цементного теста может не хватить для обмазки зерен песка и заполнения всех пустот. В этом случае возникает дополнительный объем пор, обусловленный нехваткой цементного теста, что вызывает увеличение общей пористости бетона и снижение его прочности. Этим обстоятельством объясняется сложность получения достаточно прочных песчаных бетонов при невысоких расходах цемента (200...300 кг/м3), характерных для обычного бетона. Учитывая изложенные выше особенности влияния различных факторов на прочность песчаного бетона, обобщенную зависимость его прочности от различных факторов можно представить в виде следующего выражения:

где В, Ц - соответственно расходы воды и цемента, кг/м3; ВВ - объем вовлеченного воздуха, л; А - эмпирический коэффициент, для материалов высокого качества А = 0,8, среднего качества - 0,75 и низкого качества - 0,65.

Коэффициент А целесообразно определять путем испытаний, так как качество материала, в частности песка, может значительно повлиять на его значения. В песчаном бетоне применение мелкого песка с повышенными удельной поверхностью и пустотностью приводит к необходимости увеличения расхода воды с целью сохранения заданной подвижности бетонной смеси и заметно снижает прочность бетона (рис. 17), в том числе заметно снижает максимально достижимую прочность бетона для определенного состава. Степень снижения прочности бетона зависит как от качества песка, так и от состава бетона, увеличиваясь с уменьшением расхода цемента.



Рисунок 17 - Влияние мелкого песка на прочность песчаного бетона:

1 - снижение максимально достижимых значений прочности бетона (при оптимальных В/Ц); 2 - снижение прочности равноподвижных смесей (расплыв конуса на встряхивающем столике 130 мм)

Если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5...10%, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25...30%, а максимальная прочность песчаного бетона состава 1:2...1:3, которую можно достигнуть при определенной интенсивности уплотнения, иногда снижается в 2...3 раза. Поэтому для мелкозернистых бетонов желательно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более крупными высевками от дробления камня, мелким гравием.

Состав мелкозернистого бетона и качество песка определяют эффективность использования цемента в бетоне. На рис. 18 приведен удельный расход цемента на единицу прочности в мелкозернистых бетонах разных составов на песке средней крупности. Наиболее экономичными в этом случае являются составы 1:2...1:3, обладающие, как правило, и наибольшей плотностью. Для мелкозернистого бетона на мелком песке оптимальными оказываются составы 1:1...1:1,5, а минимальный удельный расход цемента увеличивается до 12 кг/МПа.

Рисунок 18 - Удельный расход цемента в мелкозернистых бетонах различных составов: 1 - сравнение при оптимальных В/Ц;

2 - сравнение при одинаковой консистенции; 3 - зона оптимальных составов

Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью при изгибе (рис. 19), водонепроницаемостью и морозостойкостью. Поэтому его можно использовать для дорожных покрытий в районах, где нет хорошего щебня, для труб и гидротехнических сооружений.

Меньшая крупность и повышенная удельная поверхность заполнителя (песка) увеличивают водопотребность бетонной смеси (рис. 20), способствуют вовлечению в бетонную смесь воздуха при вибрировании. Водопотребность цементно-песчаной смеси определяется не только требуемой подвижностью, как у обычного бетона, но и ее составом. Например, для получения бетонной смеси с осадкой конуса 2 см при применении песка средней крупности расход воды для состава бетона 1:3 равен 260 л/м3, а для состава бетона 1:2 - 300 л/м3.

Рисунок 19 - Зависимость прочности бетона при изгибе и растяжении от его прочности при сжатии: 1 - Rизг для песчаного бетона;

2 - Rизг для обычного бетона; 3 - Rр для песчаного бетона

Рисунок 20 - Водопотребность бетонной смеси с осадкой конуса 2…4 см:1 - цементно-песчаная смесь разного состава на песке средней крупности; 2 - обычная бетонная смесь на гравии с предельной крупностью 10 мм

В результате для получения равнопрочного бетона и равноподвижной бетонной смеси в мелкозернистом бетоне на 20...40% возрастает расход цемента по сравнению с обычным бетоном. Для снижения расхода цемента следует применять химические добавки, эффективное уплотнение песчаных бетонных смесей и крупные пески с оптимальным зерновым составом. В цементно-песчаных смесях с высоким содержанием цемента полезно использовать ССБ, комплексную добавку, состоящую из СДБ и ускорителя твердения цемента, суперпластификаторы.

Хорошее уплотнение цементно-песчаной смеси достигается прессованием, трамбованием, вибрированием с пригрузом, вибровакуумированием, роликовым уплотнением. Например, при обычном вибрировании образцов мелкозернистого бетона на цементе М400 состава 1:2 в одном из опытов в возрасте 28 сут была достигнута максимальная прочность 55 МПа при плотности 2,3 т/м3, а при трамбовании прочность бетона повысилась до 77 МПа при плотности 2,4 т/м3.

Для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций обычно применяют цементно-песчаную смесь малоподвижной консистенции составов 1:3...1:4, а для изготовления армоцемента - более жирные составы 1:2. При формовании изделий в двусторонней опалубке используют литые цементно-песчаные смеси, а при прессовании или вибрировании с пригрузом - жесткие бетонные смеси.

Испытания мелкозернистого бетона целесообразно проводить на образцах малого размера. Его прочность можно оценить испытанием половинок балочек 4х4х16 см, а подвижность бетонной смеси - расплывом конуса на встряхивающем столике, как при испытании цемента в пластичном растворе, или по удобоукладываемости при вибрировании малого конуса (ОК =10 см) в форме 10х10х10 см (по аналогии со способом Б. Г. Скрамтаева для обычного бетона). Испытания на встряхивающем столике позволяют оценить подвижность мелкозернистых смесей, наиболее употребительных при изготовлении тонкостенных конструкций, с большей степенью точности, чем другие методы.

Большое значение при определении состава цементно-песчаного бетона для армоцементных конструкций имеет правильная оценка поведения цементно-песчаной смеси в условиях густого армирования стальной тканой сеткой. Такая оценка может быть сделана путем определения формуемости армоцемента, под которой подразумевается способность цементно-песчаной смеси плотно укладываться в данных условиях и которая, по существу, характеризует длительность процесса изготовления армоцементной конструкции.

Формуемость армоцемента определяют на приборе, показанном на рис. 21. Она зависит от подвижности цементно-песчаной смеси и схемы армирования. Прибор состоит из нижней и верхней прижимных рамок 4, соединяемых на болтах, между которыми может набираться любая схема армирования 3. Нижняя рамка имеет лапки 5 для крепления к обычной металлической форме. На верхнюю рамку с помощью кронштейнов крепится металлический полый цилиндр 1. Нижнее отверстие цилиндра закрывается задвижкой 2. Формуемость армоцемента определяют двумя способами: на проход и на расплыв; в последнем случае под нижней прижимной рамкой укладывают пластинку 6 из оргстекла.

Для определения формуемости прибор закрепляют с помощью лапок на обычной форме размером 15х15х15 см, установленной на вибростоле. В металлический цилиндр помещают навеску цементно-песчаной смеси 300 г, которая позволяет определить формуемость на проход и по расплыву при различном армировании (при толщине пакета до 5 см). Смесь предварительно уплотняют штыкованием или вибрированием, закрывая нижнее отверстие цилиндра. После этого задвижку вынимают и включают вибратор. Отрезок времени (с), необходимый для вытекания навески цементно-песчаной смеси из цилиндра, что соответствует моменту, когда уровень цементно-песчаной смеси выравнивается с нижним краем цилиндра, определяет формуемость армоцемента. В зависимости от того, каким способом проводилось испытание, можно получить два значения формуемости: на проход и на расплыв. [1, с. 246-252]

Рисунок 21 - Схема прибора для определения формуемости армоцемента:

1 - стальной цилиндр; 2 - задвижка; 3 - арматурная сетка;

4 - фиксирующие рамки; 5 - захваты для крепления прибора к стандартной форме 15х15х15 см; 6 - пластинка из оргстекла

1.2 Морозостойкость бетона

1.2.1 Теория морозного разрушения бетона

Рассмотрим бетон, подвергаемый попеременному замораживанию и оттаиванию в интервале температур, наиболее часто встречающемся в природе.

С понижением температуры насыщенного водой затвердевшего бетона вода, проникая в поры цементного камня, замерзает аналогично замерзанию в капиллярах горных пород и вызывает расширение бетона. При повторном замораживании происходит дальнейшее расширение, так что повторяющиеся циклы замораживания и оттаивания имеют куммулятнвный эффект. Большие поры в бетоне, образуемые при недостаточном уплотнении, обычно заполнены воздухом и поэтому не оказывают существенного влияния на действие мороза.

Замораживание - процесс постепенный вследствие небольшой скорости теплопереноса через бетон, увеличения концентрации щелочей в еще не замерзшей воде, а также вследствие изменения температуры замерзания в зависимости от размера пор.

Хотя поверхностное натяжение кристаллов льда в капиллярах создает в них давление, тем большее, чем меньше кристалл, замораживание начинается в больших порах и постепенно распространяется на меньшие.

Поры геля слишком малы для образования кристалликов льда при температуре выше минус 78° С, поэтому обычно лед в них не образуется. С понижением температуры вследствие разной энтропии воды, геля и льда вода геля приобретает потенциальную энергию, позволяющую ей двигаться по капиллярам, содержащим лед. Диффузия воды геля приводит к росту кристаллов льда и к расширению цементного камня.

Таким образом, мы имеем два источника давления расширения. Первый: замерзание воды вызывает увеличение объема приблизительно на 9% так, что избыток воды из пор удаляется. Скорость замораживания определяет скорость, с которой удаляется вода, вытесняемая фронтом льда. Величина гидравлического давления зависит от сопротивления фильтрации, т. е. от длины пути и проницаемости цементного камня между замерзшей порой и порой, в которую может переместиться избыток воды.

Вторая расширяющая сила в бетоне возникает вследствие диффузии воды, приводящей к росту относительно небольшого количества кристаллов льда. Рядом исследований установлено, что последний механизм играет важную роль в разрушении бетона под действием мороза. Эта диффузия вызывается осмотическим давлением из-за местного увеличения концентрации раствора вследствие отделения замерзающей (чистой) воды от раствора.

Например, плита, замораживаемая сверху, разрушается, если вода подходит к ее основанию и может проникать сквозь толщу плиты вследствие осмотического давления. Влажность бетона становится выше, чем до замораживания, и в ряде случаев наблюдаются разрушения вследствие расслоения бетона кристаллами льда.

Когда давление расширения в бетоне превышает предел его прочности при растяжении, происходит разрушение. Степень разрушения варьирует от шелушения поверхности до полного разрушения, так как линзы льда образуются, начиная с поверхности бетона и распространяясь в глубь его. [4, с. 246,247]

Таким образом, существуют две точки зрения на причины, вызывающие морозное разрушение бетона.

1) Разрушение бетона вследствие многократного попеременного замораживания-оттаивания связано с давлением льда на стенки пор и устья микротрещин. При замерзании вода увеличивается в объеме на 9 %. Расширению воды препятствует твердый скелет бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрушению. Сначала начинают разрушаться выступающие грани, затем поверхностные слои, и постепенно разрушение распространяется вглубь бетона. Определенное влияние будут оказывать напряжения, вызываемые различием в температурных коэффициентах линейного расширения составляющих бетона и температурно-влажностным градиентом.[1, с. 154]

2) Вторая точка зрения основана на аналогии между морозным разрушением и морозным вспучиванием почвы. Это связано с миграцией воды из незамерзших участков с образованием льда в крупных порах, созданием линз льда, что вызывает большие давления. Напряжения, приводящие к деструкции, возникают при перемещении воды из замораживаемых областей, в то время, как структура сопротивляется этому перемещению. Соответственно если содержание воды выше критической точки насыщения, то должна быть и критическая величина пути истечения или критическая толщина, выше которой гидравлическое давление превышает прочность материала, поскольку сопротивление истечения пути пропорционально длине пути истечения. Было установлено, что критическая величина должна быть около 0,25мм, поэтому для обеспечения морозостойкости в бетон необходимо вовлекать воздух. Пузырьки воздуха являются резервуарами, в которые может мигрировать избыток воды, образующийся при замораживании, не вызывая давления.

Рисунок 22 - Зависимость морозостойкости F:

1 - бетона с вовлеченным воздухом; 2 - обычного бетона

Эта гипотеза была модифицирована Пауэрсом и Хельмутом. Ими были сделаны выводы о том, что большая часть эффектов при замораживании является результатом движения незамерзшей воды к замораживаемым участкам и колебаний давления, генерируемого на замораживаемых участках и зависящих от того, чем заполнены пустоты (льдом или водой). Было принято во внимание, что в присутствии растворов солей давление может генерироваться осмотическими силами вследствие различия концентрации солей в цементной пасте, вызванного, замораживанием воды в крупных порах. [5, с. 120,121]

1.2.2 Методы определения морозостойкости

Существуют следующие методы определения морозостойкости:

стандартные (базовые) - первый (для всех видов бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий) и второй (для бетонов дорожных и аэродромных покрытий);

ускоренные при многократном замораживании и оттаивании - второй и третий;

ускоренные при однократном замораживании - четвертый (дилатометрический) и пятый (структурно-механический).

Условия испытания для определения морозостойкости в зависимости от метода и вида бетона принимают по таблице 6.

Таблица 6 - Условия испытания для определения морозостойкости в зависимости от метода.

Метод	Условия испытания	Вид бетона
	Среда насыщения	Среда и температура замораживания	Среда оттаивания
Базовые
Первый	Вода	Воздушная, -18±2°С	Вода	Все виды бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных Покрытий
Второй	5%-ный водный раствор хлористого натрия	То же	5%-ный водный раствор хлористого натрия	Бетоны дорожных и аэродромных покрытий
Ускоренные при многократном замораживании и оттаивании
Второй	5%-ный водный раствор хлористого натрия	Воздушная, -18±2°С	5%-ный водный раствор хлористого натрия	Все виды бетонов, кроме дорожных, аэродромных и легких со средней плотностью менее D1500
Третий	То же	5% - ный водный раствор хлористого натрия, -50±5°С	То же	Все виды бетонов, кроме легких со средней плотностью менее D1500
Ускоренные при однократном замораживании
Четвертый	Вода	Керосин, -18±2°С	-	Все виды бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий
Пятый	Вода	Воздушная, -18±2°С	Воздушная	Все виды бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий

Образцы, подвергающиеся испытаниям на морозостойкость, должны быть без внешних дефектов. Средняя плотность образцов бетона в серии не должна различаться более чем на 50 кг/мі. Массу образцов определяют с погрешностью не более 0,1%.

Все образцы, в том числе и контрольные перед испытанием насыщают водой или 5% водным раствором хлористого натрия при температуре (18±2) єС. Для этого образцы сначала погружают в воду (или солевой раствор) на 1/3 их высоты и выдерживают 24 ч; затем уровень жидкости доводят до 2/3 высоты образцов и также выдерживают 24 ч. После образцы полностью погружают в жидкость таким образом, чтобы она окружала их со всех сторон слоем не менее 20 мм, и в таком состоянии выдерживают не менее 48 ч.

1) Первый метод

Образцы бетона, подлежащие испытанию, после насыщения водой в течение 96 ч загружают в морозильную камеру в контейнерах или устанавливают на сетчатые стеллажи камеры так, чтобы расстояние между образцами, стенками контейнеров и вышележащими стеллажами было не менее 50 мм. Если после загрузки камеры температура в ней повысилась выше -16 єС, то началом замораживания считают момент установления в камере температуры -16 єС. В течение всего цикла замораживания температуру в камере поддерживают в интервале -16…-20 єС, измеряя ее в центре объема камеры в непосредственной близости от образцов.

Продолжительность одного замораживания и оттаивания зависит от размера образцов.

Таблица 7 - Режим испытаний образцов разного размера

Размер образца	Замораживание	Оттаивание
	Время, не менее, ч	Температура, °С	Время, ч	Температура, °С
100х100х100	2,5	-18±2	2,0±0,5	18±2
150х150х150	3,5		3,0±0,5
200х200х200	5,5		5,0±0,5

При одновременном замораживании в морозильной камере образцов разных размеров, время замораживания принимают таким как для образцов с наибольшими размерами.

Число циклов замораживания и оттаивания основных образцов бетона должно быть не менее одного в сутки. При вынужденных (технически обоснованных) перерывах в испытании на морозостойкость образцы должны находиться в замороженном состоянии.

Через 2…4 ч после проведения соответствующего числа циклов замораживания и оттаивания основные образцы, извлеченные из ванны, осматривают и взвешивают, после чего испытывают на сжатие.

Для установления соответствия марки бетона по морозостойкости требуемой (проектной) марке среднюю прочность серии основных образцов сравнивают со средней прочностью на сжатие серии контрольных образцов.

В том случае, если среднее значение прочности серии основных образцов бетона после промежуточных циклов замораживания и оттаивания будет меньше среднего значения прочности на сжатие серии контрольных образцов более чем на 5%, то испытание следует прекратить марку строительного раствора по морозостойкости считать не соответствующей требуемой.

Марку бетона по морозостойкости принимают за соответствующую требуемой, если среднее значение прочности на сжатие основных образцов, после установления для данной марки числа циклов замораживания и оттаивания уменьшилось менее чем на 5%, по сравнению со средним значением прочности на сжатие контрольных образцов. Если среднее значение прочности на сжатие основных образцов снизилось более чем на 5%, то морозостойкость испытуемого строительного раствора не соответствует требуемой.

Испытание бетона на морозостойкость классическими (базовыми) методами имеет особенность, связанную с поведением цементной составляющей в процессе испытаний. В строительном растворе, даже после набора им марочной прочности, остается заметное количество зерен цемента, не полностью прореагировавших с водой, т.е. способных к твердению. Гидратация этой части цемента при испытаниях на морозостойкость может происходить в период оттаивания образцов воде.

Таким образом, в процессе испытаний одновременно протекают два конкурирующих процесса: деструктивный - разрушение цементного камня при замораживании и структурирующий - рост прочности цементного камня во время нахождения образцов в воде. В начале испытаний суммарный эффект может быть положительным, т.е. прочность бетона даже и увеличивается. Затем начинает превалировать процесс деструкции и прочность снижается

Поэтому при испытании бетона на морозостойкость по базовым методам нормативная потеря прочности, указывающая на окончание испытаний, составляет всего 5% от начальной прочности бетона.

Однако, стандартный метод дает достаточно большие разбросы результатов, по которым сложно вести сравнение влияния производственных факторов на морозостойкость, предусматривает чрезвычайно большие затраты времени и труда, а также высокую материалоемкость.

2) Второй метод

Отличие этого метода от первого состоит в том, что образцы бетона, подлежащие испытаниям на морозостойкость в процессе насыщения и оттаивания находятся 5%-ном растворе хлорида натрия. Для конструкционных бетонов этот метод является ускоренным. Температурные и временные режимы испытаний по второму методу и оценка результатов испытаний такие же, как и при испытаниях по первому методу.

3) Третий метод

По этому методу бетоны всех видов перед испытаниями насыщают 5%-ным водным раствором хлорида натрия и в нем же проводится размораживание. Особенность испытания по этому методу - замораживание в растворе хлорида натрия. Морозильная установка, применяемая для испытаний, не должна охлаждаться до температуры -60 єС. Режим замораживания образцов в камере принят следующий: загрузка при температуре -10 єС; снижение температуры до -50…-55 єС в течении 2…3 ч; выдержка при этой температуре 2…3 ч; повышение температуры до -10 єС в течении 1…2 ч.

Режим оттаивания следующий: кубы с ребром 100 мм оттаивают в течении 2…3 ч, с ребром 70 мм - 1…2 ч.

Резкое и глубокое охлаждение образцов, находящихся в среде солевого раствора, и последующее размораживание в таком же растворе в течении 2…3 ч при температуре (18±2) єС создает условия для быстрого разрушения структуры бетона. Так одна и та же степень разрушения структуры бетона с морозостойкостью F200 при базовом методе испытания достигается после 200 циклов замораживания-оттаивания, а при низкотемпературном методе всего после 5 циклов.

Контроль прочности бетона по морозостойкости при испытании низкотемпературным методом ведут так же, как другими методами, по снижению прочности на сжатие образцов. [6]

4) Четвертый метод

В основе данного ускоренного метода определения морозостойкости лежит использование природного явления расширения тела при переходе воды в лед - «аномального скачка», что предопределило дилатометрический метод измерения.

Рисунок 23 - «Аномальный скачок»

В дилатометрических измерениях величина "аномальных" деформаций является информативным показателем состояния бетона при замораживании и его способности сопротивляться деструктивным повреждениям при попеременном многоразовом замораживании и оттаивании. Таким образом, при дилатометрических измерениях доступными для производственных условий средствами обеспечивается не только оперативная информация, но и устанавливается объективное фактическое состояние бетона. Потребитель получает данные не о проектной марке морозостойкости бетона, а о фактической сопротивляемости воздействию замораживания бетона, классифицированной по циклам морозостойкости.

В основу работы дилатометра положен дифференциальный принцип измерения температурных объемных деформаций материала. При этом эталоном сравнения является стандартный образец из алюминия, имеющий размеры и форму образцов испытуемого материала.

Работа прибора осуществляется следующим образом. Водонасыщенный образец исследуемого материала помещают в одну из рабочих камер дилатометра. Во вторую камеру помещают стандартный образец, свободное от образцов пространство камер заполняют рабочей жидкостью, в качестве которой используют керосин. После этого камеры герметизируют. Дилатометр с размещенными в нем образцами устанавливают в морозильную камеру и проводят непрерывно не менее 2,5 часов измерения разностных объемных деформаций образца материала и стандартного образца при динамическом замораживании со скоростью ~ 0.3°C в минуту до минус 18±2°С. Изменение объема испытуемого образца происходит практически линейно, но имеет зону аномальных изменений, связанных с переходом воды в лед, которые на графике отображаются резким скачком. Для вычисления величины объемных деформаций, характеризующих замерзание воды, после испытания проводится обработка графиков и построение дифференциальной кривой - кривой разности объемных деформаций бетонного и стандартного образцов. Величина максимальной относительной разности кривых бетонного и стандартного образца, разделенная на начальный объем бетонного образца, корреляционно связана с маркой морозостойкости бетона, которая может быть определена по [7, т. 1]. Достоинствами такого способа являются обеспечение оперативности определения морозостойкости бетона и невысокая трудоемкость измерения.

Таким образом, в соответствии с [7], отечественная строительная индустрия обладает методом ускоренного, за 3-4 часа, определения морозостойкости тяжелых и легких бетонов. [7]

5) Пятый метод

Для испытаний бетона на морозостойкость структурно-механическим методом используют либо образцы-кубы или образцы-керны.

Образцы-кубы предпочтительны для заводской технологии и монолитного бетонирования, а образцы-керны предпочтительны для оценки ресурса бетона в интенсивно эксплуатируемых строительных объектах (аэродромы, дороги, гидросооружения и др.).

Перед изготовлением образцов определяют:

водопоглощение щебня и песка по ГОСТ 8269 в течение 1 ч;

водоотделение бетонной смеси по ГОСТ 10180.4 для случая, когда бетонную смесь уплотняют центрифугированием или вакуумированием.

Основные и контрольные образцы в количестве 6 шт. изготавливают и отбирают по [6] (образцы-керны в количестве 7 шт. отбирают из конструкции и хранят по ГОСТ 28570).Далее образцы-кубы насыщают водой, определяют капиллярно-открытую пористость в проектном возрасте, которая зависит от объема воды затворения на 1 л бетонной смеси, массы заполнителя (мелкого и крупного) на 1 л бетона, водопоглощения заполнителей.

Насыщенные водой контрольные образцы непосредственно после извлечения из ванны испытывают на прочность при сжатии по ГОСТ 10180.

Основные образцы сразу после извлечения из ванны помещают в морозильный шкаф и подвергают однократному замораживанию в течение 5 ч при температуре минус (18 ± 2) °С. После извлечения образцов из холодильника (морозильного шкафа) в замороженном состоянии незамедлительно испытывают на прочность при сжатии и вычисляют коэффициент повышения прочности бетона.

Из [8, прил. А, т. А.1, т. А.2] для установленного значения капиллярно-открытой пористости испытываемого бетона находят соответствующие значения морозостойкости, а также коэффициентов повышения прочности и рассчитывают морозостойкость бетона в циклах.

Испытанному бетону устанавливают марку по морозостойкости F равную меньшему, ближайшему значению F, приведенному в [6]. [8]

1.2.3 История дилатометрического метода определения морозостойкости

Надежное прогнозирование требуемого проектного уровня морозостойкости на стадии лабораторных испытаний - гарантия предотвращения наиболее распространенной причины разрушения бетонных и железобетонных конструкций и сооружений. При этом важнейшим фактором является оперативность и достоверность полученных результатов лабораторной проверки.

Метод прогнозирования морозостойкости бетона впервые был предложен в конце IX века (1884 г.) в Санкт-Петербургском Институте Путей Сообщения проф. Н.А. Белолюбским, основан на попеременном замораживании и оттаивании бетона. Данный метод действует и в настоящее время, являясь при этом продолжительным, энергоемким и трудоемким. Инструментальное обеспечение метод - пресс и весы. Одновременно с предложением о прогнозировании морозостойкости бетона путем многократного замораживания и оттаивания проф. Н. А. Белолюбский отмечал: «Замораживание камней не дает никакого указания на абсолютное сопротивление действию мороза. Значение вышеприведенного исследования только относительное, так как оно позволяет только узнать, какие из камней скорее всего могут пострадать от действия мороза».

Спустя 100 лет наш современник, д.т.н. А.М. Подвальный, высказал подобную мысль: «Если действительно результаты, которые мы получаем при испытаниях на морозостойкость и считаем количественными и достаточно строгими, реально являются относительными или качественными, следует подумать, есть ли смысл тратить столько времени, сил и средств на их получение. Качественные же характеристики, по-видимому, могут быть получены более простым, быстрым и эффективным образом. Следовательно, должны быть предложены ускоренные методы определения морозостойкости, в которых показателями явятся, например, деформации замораживаемых образцов или другие характеристики изменений структуры материала».

В отечественной практике выполнено значительное число исследований и разработок по созданию метода и устройств прогнозирования морозостойкости бетона.

При разработке ускоренного метода определения морозостойкости, использующего современную измерительную технику, компьютерную обработку данных необходимо было выбрать такой физический параметр, который, во первых, связан со структурными изменениями, происходящими в бетоне при замораживании-оттаивании, в конечном счете и определяющими морозостойкость. Известно, что морозостойкость строительных материалов - это характеристика временного процесса, сопровождающегося изменением их структуры в процессе многократного замораживания. В связи с этим принятый параметр морозостойкости должен был оцениваться по степени изменения его величины в условиях многократного попеременного замораживания и оттаивания. В итоге было принято решение использовать в качестве такого параметра деформации бетона при замораживании. Во-вторых, необходимо было обеспечить возможность провести измерения сравнительно простыми техническими средствами, учитывая дальнейшее использование метода на производстве.

Перспективным направлением создания ускоренного метода определения морозостойкости являлось использование природного явления расширения тела при переходе воды в лед - «аномального скачка», что предопределило дилатометрический метод измерения.

В создании дилатометрического метода в связи с его перспективностью для прогнозирования морозостойкости бетона принимали участие и содействовали работам проф., д.т.н. Г.И. Горчаков, А.П. Меркин (МИСИ), проф. д.т.н. Н.Н. Долгополов (ВНИИЖелезобетон), профессор д.т.н. Б.М. Красновский (ГАСИС).

Творческие поиски коллективов сотрудников ВНИИЖелезобетона, ВНИИФТРИ, лаборатории №458 Минобороны СССР, ЦМИПКС были направлены на создание приборного обеспечения метода, объемного дилатометра, и установления соотношения между морозостойкостью бетона по первому базовому методу и его объемными деформациями. С 1994г. все работы по созданию дилатометрического метода и приборов ДОД-100 сосредоточились в испытательной лаборатории «ЦМИПКСиспытания» академии ГАСИС с участием специалистов Госстроя России.

В основу работы дилатометра положен дифференциальный принцип измерения температурных объемных деформаций материала. При этом эталоном сравнения является стандартный образец из алюминия, имеющий размеры и форму образцов испытуемого материала.

Конструктивно прибор выполнен по блочному принципу и состоит из двух камерных блоков: рабочего и опорного, блока датчиков перемещений, пятиканального контроллера для ввода измеряемой информации в компьютер через последовательный интерфейс.

Работа прибора осуществляется следующим образом: водонасыщенный образец исследуемого материала помещают в одну из рабочих камер дилатометра. Во вторую камеру помещают стандартный образец, свободное от образцов пространство камер заполняют рабочей жидкостью, в качестве которой используют керосин. После этого камеры герметизируют. Дилатометр с размещенными в нем образцами устанавливают в морозильную камеру и проводят непрерывно не менее 2,5 часов измерения разностных объемных деформаций образца материала и стандартного образца при динамическом замораживании со скоростью ~ 0.3°C в минуту до минус 18±2°С.

Создание дилатометрических приборов началось в 1997г. Двухкамерные приборы ДОД-100 выпускали с измерением одного образца и записью объемных деформаций на графопостроителе Н-307. С 2000г. перешли на приборы ДОД-100К и ДОД-100К/3, с измерением, соответственно, одного образца или трех образцов одновременно с выводом информации на компьютер.

Таблица 8 - Характеристики ДОД-100К (ДОД-100К/3)

Название параметра	Значение
Внутренние размеры камер, мм	105х105х105
Габариты камерного блока (lxbxh), мм	112х112х233
Вес пустого камерного блока, кг	Не более 3
Продолжительность цикла измерения, ч	3ч4
Диапазон температуры, °С	-20ч20
Диапазон измерения относительных объемных температурных деформаций	(0,05ч3,5)х10-3
Погрешность измерения объемных деформаций, %	Не более 10
Погрешность измерения температуры, °С	±0,1
Питание прибора от сети переменного тока: напряжением, В частотой, Гц	220 50
Размер испытываемых образцов - кубов (цилиндров), мм	100х100х100 (70х70)
Потребляемая мощность, Вт	Не более 10
Связь с ПЭВМ	COM или USB-порт

Прибор ДОД-100К состоит из двух камерных блоков: опорного и рабочего, на которых установлены датчики перемещений. Прибор ДОД-100К/3 (рис. 24) состоит из одного опорного и трех рабочих камерных блоков. В комплект приборов входит контроллер серии RC для связи с компьютером и термодатчик для измерения температуры. Дифференциальные объемные дилатометры (ДОД) разработаны в блочном исполнении с единым контроллером. Это дает возможность потребителю двухкамерных приборов ДОД-100К при необходимости доукомплектовать его до прибора ДОД-100К/3.



Рисунок 24 - Дифференциальный объемный дилатометр ДОД-100К/3

При создании отечественного дилатометрического метода ускоренного прогнозирования морозостойкости бетона изначально были поставлены требования установления соотношения деформаций с традиционно принятой в России классификацией морозостойкости по циклам испытаний. При этом, основываясь на многочисленных испытаниях, проведенных лабораториями ВНИИ Железобетона, ЦМИПКС испытания совместно с лаб.№ 458 на морозостойкость бетона по первому базовому методу и измерением объемных деформаций были установлены соответствующие соотношения, которые вошли в ГОСТ 10060.3-95, и графически представлены на рис. 25.



Рисунок 25 - График зависимости «объемные деформации - морозостойкость»

В дилатометрических измерениях величина "аномальных" деформаций является информативным показателем состояния бетона при замораживании и его способности сопротивляться деструктивным повреждениям при попеременном многоразовом замораживании и оттаивании. Таким образом, при дилатометрических измерениях доступными для производственных условий средствами обеспечивается не только оперативная информация, но и устанавливается объективное фактическое состояние бетона. Потребитель получает данные не о проектной марке морозостойкости бетона, а о фактической сопротивляемости воздействию замораживания бетона, классифицированной по циклам морозостойкости.

Экспериментальными исследованиями установлено, что разность величины объемных деформаций между двумя последовательными измерениями остается для водонасыщенного бетона практически постоянной на протяжении многих циклов измерений, меньших Nкр Физическое обоснование использования величины объемной деформации, измеренной в первом цикле замораживания для определения морозостойкости бетона, приводится в статье «Прогнозирование морозостойкости бетонов» журнала «Строительные материалы», 2003г, №11.

Отечественный дилатометрический метод прогнозирования морозостойкости бетона по одному циклу замораживания существенно превосходит стандарт АSТМ-С671-94, принятый в США и других странах, основанный на измерениях линейных деформаций "аномального" скачка при многоразовом замораживании - оттаивании образца с доведением количества циклов до "С критического", после которого происходит резкое, более чем в два раза, увеличение разности линейных деформаций между последовательными измерениями.

Таким образом, в соответствии с ГОСТ 10060.3-95, отечественная строительная индустрия обладает методом ускоренного, за 3-4 часа, определения морозостойкости тяжелых и легких бетонов, тротуарных и фасадных плиток, бордюрных камней на образцах кубах 100х100х100 мм, кернах 70х70мм, 100х100, отобранных из эксплуатируемых конструкций, и плитках 100х100хS мм. Дилатометрический метод определения морозостойкости бетона может применяться лабораториями предприятий стройиндустрии и промышленности сборного монолитного железобетона, а также подразделениями научно-исследовательских и технологических институтов и сертификационными центрами (лабораториями) строительного комплекса России.

Сравнительная энергоемкость процессов рассматривается на примере непрерывных испытаний на морозостойкость вторым методом ГОСТ 10060.2-95 в течении 13,5 суток, что соответствует 37 циклам в климатической камере SGS-300/1000 в автоматическом режиме с дилатометрическими измерениями по ГОСТ 10060.3-95 (табл. 9). [9]

Таблица 9 - Сравнение ускоренных методов определения морозостойкости

Метод	Морозильная камера	Мощность двигателя, кВт	Продолжительность испытаний, час	ПВ, %	Время работы, час	Расход электроэнергии, кВт-час
ГОСТ 10060.2-95	SGS-300/1000	9	324	60	194,4	1749,6
ГОСТ 10060.3-95	Морозильный прилавок	0,2	4	100	4	0,8

1.2.4 Способы регулирования морозостойкости бетона

Морозостойкость бетона зависит от ряда его свойств: прочности цементного камня, растяжимости, ползучести, но главными среди них являются степень насыщения и структура порового пространства цементного камня.

Водонасыщение. Влияние насыщения бетона на морозостойкость показано на рис. 26. Ниже критического уровня насыщения бетон обладает высокой морозостойкостью, а сухой бетон вообще не разрушается (табл. 10). Следует заметить, что даже в образцах водного твердения не все поры заполнены водой, вследствие чего эти образцы не разрушаются от первого же замораживания. Бетон при эксплуатации в естественных условиях теряет влагу. При повторном увлажнении он уже не может поглотить то же количество воды, какое было им потеряно. Поэтому перед эксплуатацией в условиях зимы бетон целесообразно высушивать, если этого не сделать, разрушения от действия мороза будут больше.

Рисунок 26 - Влияние степени насыщения бетона водой на его морозостойкость

Таблица 10 - Влияние влажности образцов перед замораживанием на прочность бетона на сжатие

Количество циклов замораживания и оттаивания	Прочность при сжатии в % к прочности образцов в возрасте 7 суток
	Замороженных во влажном состоянии	Замороженных в сухом состоянии	Хранившихся при нормальной температуре
0	100	100	100
10	141	165	189
20	137	189	240
30	119	201	263
40	99	211	304
50	63	220	332
60	0	228	354

Критическая величина насыщения в замкнутом объеме составляет 91,7%. Это не относится к пористым телам, где критическое насыщение зависит от размера образца, его однородности и скорости замораживания. Пустоты, в которые может удаляться избыточная вода, должны быть расположены достаточно близко к порам, в которых образуется лед, на этом основано использование воздухововлечения: если цементный камень разделен на достаточно тонкие слои пузырьками воздуха, у него нет критического насыщения. [4, с. 248,249]

Воздухововлечение. Воздух, вовлеченный в бетон при помощи специальных веществ, является полезным компонентом. Этот воздух следует отличать от случайно защемленного воздуха. Он отличается по величине образуемых воздушных пор: поры от вовлеченного воздуха имеют размер порядка 0,05 см, а случайно защемленный воздух образует значительно большие поры, почти такие же, как раковины на поверхности бетона.

Вовлеченный воздух образует замкнутые поры в цементном камне вследствие отсутствия сквозных каналов для пропуска воды. Проницаемость бетона не меняется. Поры не заполняются продуктами гидратации цемента, так как гель может образоваться только в воде.

Повышенная морозостойкость бетона с воздухововлекающими добавками была открыта случайно, когда заметили, что при помоле цемента с добавкой гидролизованной крови в качестве интенсификатора помола бетон получался более долговечным, чем при помоле без интенсифнкаторов.

Основные группы воздухововлекающих добавок:

а)животные и растительные жиры и масла и их жирные кислоты;

б)природные древесные смолы, которые, реагируя с известью цемента, образуют растворимые соединения. Смолы могут быть предварительно нейтрализованы Na(OH) с образованием водорастворимого мыла (например, винсол);

в)смачивающие вещества, такие, как щелочные соли сульфатов и сульфонатов органических соединений (например, дарекс). Существует большое количество фирменных названий воздухововлекающих добавок, но применению их должна предшествовать проверка в бетонной смеси.

Воздухововлекающие добавки обычно образуют устойчивую пену, пузырьки которой не коагулируют. Эта пена не должна оказывать вредного химического действия на цемент. Воздухововлекающие добавки вводятся или в бетонную смесь - непосредственно в бетономешалку или в цемент в определенной пропорции.

В начальный период замораживания поры воспринимают гидравлическое давление, возникающее в капиллярах цементного камня, а в последующий период замораживания поры препятствуют росту микроскопических кристалликов льда в цементном камне или ограничивают этот рост. Каждая пора защищает только свою тонкую стенку, поэтому при слишком большом расстоянии между порами происходит расширение цементного камня.

Если все стенки пор защищены, цементный камень устойчив к действию мороза, и вследствие поглощения порами свободной воды замерзающий цементный камень уменьшается в объеме при понижении температуры, как и любое твердое тело при охлаждении. При оттаивании вода возвращается из пор в цементный камень, поэтому защитное действие вовлеченного воздуха продолжается при попеременном замораживании и оттаивании.

Однако одновременно с положительным влиянием на морозостойкость вовлеченный воздух оказывает отрицательное влияние на прочность бетона, которая прямо пропорциональна плотности, а поры, образованные вовлеченным воздухом, снижают прочность, как и любые другие поры. На рис. 27 показано, что при введении воздухововлекающей добавки в бетонную смесь без изменения ее состава снижается прочность бетона пропорционально объему воздуха в бетоне. Общая потеря прочности на сжатие составляет 5,5% на каждый процент содержания воздуха. Влияние на предел прочности при изгибе значительно меньше. [4, с. 259-261]

Рисунок 27 - Влияние вовлеченного и защемленного воздуха на прочность бетона: 1 - вовлеченный воздух; 2 - воздух, защемленный в результате неполного уплотнения

Снижение водоцементного отношения. Повышение морозостойкости возможно также путем применения бетонных смесей с водоцементным отношением, достаточно низким для получения мелкопористой структуры цементного камня и с малым количеством замерзающей воды. При этом следует, чтобы в основном процесс гидратации прошел до того, как бетон будет подвергнут замораживанию. Такой бетон имеет низкую проницаемость и не поглощает влагу в сырую погоду.

Рисунок 28 - Влияние В/Ц на морозостойкость бетона 28-суточного влажного твердения: 1 - бетон с воздухововлекающими добавками; 2 - бетон без добавок

На рис. 28 показано В/Ц на морозостойкость бетона 28-суточного твердения во влажных условиях. Эта закономерность справедлива для бетона с воздухововлекающими добавками и без них, так как В/Ц влияет на размер и количество воздушных пор в цементном камне. Влияние В/Ц на морозостойкость видно из рис. 29.

Рисунок 29 - Влияние В/Ц на морозостойкость бетона, твердевшего 14 суток во влажной среде, а затем 76 суток при относительной влажности 50%: 1 - бетон с воздухововлекающими добавками; 2 - бетон без добавок

На рис. 29 даны также результаты испытании бетона без воздухововлекающих добавок. Из сопоставления этих результатов с данными рис. 28 видно, что высушивание перед замораживанием повышает стойкость бетона с высоким водоцементным отношением, но если В/Ц смеси ниже 0,45, преобладающее значение имеет различие в степени гидратации: бетоны с более коротким периодом влажного твердения имеют меньшую морозостойкость. [4, с. 250,251]

Качественное уплотнение бетонной смеси. Вопрос о влиянии на морозостойкость крупных пор, образованных защемленным воздухом при уплотнении бетона, еще неясен, но их присутствие нежелательно, так как они располагаются случайно и увеличивают неоднородность структуры бетона.

При проектировании морозостойких бетонов необходимо получать наиболее плотный скелет заполнителей, уменьшающий возможность расслоений и седиментационных явлений в микрообъемах и способствующий уменьшению количества цементного теста-камня в бетоне. При хорошем уплотнении можно избежать технологических дефектов в структуре бетона, а объем защемленного воздуха при этом не превысит 1--2% объема бетона.