Морозостойкость

Морозостойкость бетона - способность его сохранять прочность и работоспособность при действии попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. Разрушение бетона в водонасыщенном состоянии при циклическом действии положительных и отрицательных температур, а также переменных отрицательных температур обусловлено комплексом физических коррозионных процессов, вызывающих деформации и механические повреждения изделий и конструкций. Наиболее интенсивно разрушение бетона при замораживании и оттаивании происходит в водонасыщенном состоянии.

Таблица 1.22

Нормирование морозостойкости бетона гидротехнических сооружений

Климатические

условия

Марка бетона по морозостойкости при числе циклов попеременного замораживания и оттаивания в холодный период года

<50

51-75

76-100

101-150

>151

умеренные

F50

F100

F150

F200

F300

суровые

F100

F150

F200

F300

F400

особенно суровые

F200

F300

F400

F500

F600

В зависимости от числа циклов замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов бетона до 5%-ного снижения прочности устанавливают т.н. марку бетона по морозостойкости (F). Последняя при проектировании конструкций назначается, в основном, в зависимости от числа переходов через 0°С в регионе эксплуатации конструкций и сооружений с поправкой на среднюю температуру холодного периода года и условий эксплуатации (табл. 1.22, 1.23).

Таблица 1.23

Нормирование морозостойкости конструкционного бетона для зданий и сооружений

Расчетная зимняя температура наружного воздуха

Марка бетона по морозостойкости для конструкций (кроме наружных стен отапливаемых зданий) зданий и сооружений класса по степени ответственности

I | II | III

Попеременное замораживание и оттаивание в водонасыщенном

состоянии

Ниже - 40°С

F300

F200

F150

-20oC>t>-40°C

F200

F150

F100

-5oC>t>-20oC

F150

F100

F75

-5° С и выше

F100

F75

F50

продолжение табл. 1.23

Расчетная зимняя температура наружного воздуха

Марка бетона по морозостойкости для конструкций (кроме наружных стен отапливаемых зданий) зданий и сооружений класса по степени ответственности

I | II | III

Попеременное замораживание и оттаивание в условиях эпизодического водонасыщения

Ниже - 40°С

F200

F150

F100

-20oC>t>-40°C

F100

F75

F50

-5oC>t>-20oC

F75

F50

F35

-5° С и выше

F50

F35

F25

Попеременное замораживание и оттаивание в условиях отсутствия эпизодического водонасыщения

Ниже - 40°С

F150

F100

F75

-20oC>t>40oC

F75

F50

F35

-5°C>t>-20°C

F50

F35

F25

-5° С и выше

F35

F25

F15

Существует ряд зависимостей, которые предлагают связать марку бетона по морозостойкости по результатам испытания лабораторных образцов с реальными условиями работы строительных конструкций и нормативным сроком их эксплуатации. Одна из таких наиболее простых формул приводится ниже:

где Т - нормативный срок эксплуатации, годы; п - количество циклов перехода температуры через 0°С в холодный период года в районе эксплуатации конструкции; к! - коэффициент, учитывающий соотношение степени влияния на бетон замораживания и оттаивания в условиях стандартного цикла испытаний и в условиях эксплуатации конструкции (ориентировочно ki = 0,1 ... 1,0; k2 - коэффициент, учитывающий "самозалечивание" структуры бетона в процессе эксплуатации (k2 = 1 ... 3,5).

Для бетона установлены следующие марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000.

Применение этой и других зависимостей затруднено сложностью определения коэффициентов, учитывающих особенности работы бетона в конкретной конструкции.

Все методы прогнозирования морозостойкости бетона можно разделить на экспериментально-расчетные и расчетные.

Экспериментально-расчетные методы предполагают определение сначала соответствующих экспериментальных параметров, а затем с помощью уравнений связи или графически нахождение ожидаемого критического числа циклов. Наряду с прочностью, модулем упругости и остаточными деформациями бетона, испытанного в солевом растворе, при повышенной скорости замораживания и оттаивания, а также сверхнизких температурах экспериментальными параметрами для ускоренного прогнозирования могут служить время прохождения ультразвука (рис. 1.26)

Зависимость изменения времени прохождения ультразвука в бетоне от числа циклов замораживания- оттаивания

Рис.1.26. Зависимость изменения времени прохождения ультразвука в бетоне от числа циклов замораживания- оттаивания

Морозостойкость бетона обусловлена, прежде всего, строением его порового пространства. В цементном камне образуются три вида пор: поры цементного геля, размер которых лежит в пределах (15...40) 10‘10м, капиллярные поры 0,01 - 1 мкм и условно замкнутые поры 10...500 мкм.

Капиллярные поры, образующиеся в бетоне водой, не вступающей в химическое взаимодействие с цементом, являются основным дефектом структуры цементного камня. В свежеприготовленном тесте можно считать капиллярными порами все пространство, заполненное водой. При твердении часть его заполняется гелем. Чем больше степень гидратации цемента (а), тем больше образуется геля и тем меньший объем остается на капиллярные поры.

Зависимость морозостойкости бетона от капиллярной пористости (по Г.И.Горчакову)

Рис.1.27. Зависимость морозостойкости бетона от капиллярной пористости (по Г.И.Горчакову)

Одна из первых попыток связать морозостойкость с величиной капиллярной пористости была сделана Г.И.Горчаковым

(рис. 1.27). Для бетона нормального твердения, изготовленного на стандартных материалах, им предлагалась зависимость вида:

где F - число циклов замораживания (вызывающее определенную степень разрушения); К, п, П|ИЧ - параметры, зависящие от качества материалов, состава бетона, производственных факторов; Пк - капиллярная пористость в %.

Показатель п для испытанных бетонов и цементно-песчаных растворов колебался в пределах от 2,7 до 3. Статистическая обработка позволила конкретизировать приведенную выше зависимость эмпирическим уравнением:

Формулу (1.130) предлагается использовать с учетом отношения контракционной пористости (ПКН) к капиллярной (Пк) не менее 0,25...0,3. С увеличением этого отношения морозостойкость растет (рис. 1.28).

Зависимость морозостойкости бетона от отношения контракционной пористости П к капиллярной П

Рис.1.28. Зависимость морозостойкости бетона от отношения контракционной пористости Пкн к капиллярной Пк

Существуют корреляционные зависимости между морозостойкостью и льдистостью бетона. Например, предложен крите

рий морозостойкости (КМ), линейно связанный с критическим числом циклов:

где открытая пористость П0 = Поб- Пр0б - общая пористость; Пр - условно-замкнутая (резервная) пористость); It и 1_ю - объемное содержание льда при температуре замораживания образцов t°C и —10°С.

Уравнение, связывающее величину F и КМ, полученное Т.И.Розенберг и О.В. Кунцевичем, имеет вид:

Предложен также другой параметр морозостойкости (С), связанный с льдистостью бетона I_i0:

Зависимость морозостойкости бетона F от параметра С предлагается в виде уравнения:

где F0 и Со - некоторые предельные значения параметров F и С.

Для определения содержания льда в бетоне предлагаются различные экспериментальные методы. Наибольшей известностью пользуется калориметрический метод, в основе которого лежит зависимость между изменением температуры при переходе воды в лед и массой образовавшегося льда. Применяют также метод сверхвысоких частот, ультразвуковой и сорбционный методы.

Расчетные методы позволяют ориентировочно прогнозировать морозостойкость бетона "a priori" т.е. без проведения предварительных опытов. Такие методы представляют особенный интерес при проектировании составов морозостойких бетонов. Вместе с тем, расчетные составы при нормировании морозостойкости также как и прочности необходимо проверять экспериментально.

Первый структурный критерий морозостойкости бетона, который можно отнести к данной группе расчетных зависимостей, был предложен Т. Уайтсайдом и X. Свитом. Этот критерий, известный как “ степень насыщения” (СН), равен:

где - объемы замерзающей воды и воздуха на единицу

объема бетона.

Было установлено, что при СН < 0,88 бетон обладает высокой морозостойкостью, а при СН > 0,91 быстро разрушается. Морозостойкость (F) связана с величиной степени насыщения обратной зависимостью:

Расчет величины СН на стадии проектирования составов стал возможным после разработки теоретических представлений о пористости цементного камня и бетона и обосновании соответствующих формул.

Г. Фагерлундом для определения количества замерзающей воды (W3), предложена следующая формула:

где Kt - коэффициент, учитывающий температуру замерзания (для t = -20 °С, Kt=0,96); а - степень гидратации цемента.

Для стандартной температуры (t = -20°С) А.Е. Шейкиным предложен критерий морозостойкости (KF), основанный на гипотезе о том, что условно-замкнутая пористость (Пу 3) бетона для предотвращения его разрушения при замораживании и оттаивании должна быть не менее возможного приращения объема воды, наполняющей поровое пространство бетона:

где Пи - интегральная или открытая пористость, равная объемному водонасыщению бетона.

По существу критерий А.Е.Шейкина основан на той же концепции, что и степень насыщения СН. Под условно-замкнутой пористостью в критерии KF предлагается рассматривать лишь контракционный объем твердеющего цементного камня.

Интегральная пористость бетона (Пи) рассчитывается по разности общей пористости (П0б) и контракционного объема (Пкн), т.е. по существу она равна сумме капиллярной и гелевой пористости. По А.Е. Шейкину:

(

т

стоянии и не переходит в лед при низких температурах порядка -40 °С, и даже -78 °С.

Очевидная необходимость включения в критерий морозостойкости объема вовлеченного воздуха обусловила появление ряда соответствующих расчетных параметров. К наиболее известным расчетным параметрам этого типа относится компенсационный факторк). Первоначально он был предложен в виде выражения:

где VBX - объем воздуха в уплотненной бетонной смеси, %; VKH - объем контракционных пор в бетоне, %; Ул - объем воды в бетоне, замерзающей при -20 °С.

В выражении (1.140) было отражено ошибочное мнение о положительной роли как эмульгированного воздуха, так и воздуха, защемленного в бетонной смеси в процессе уплотнения. Защемленный в капиллярах бетонной смеси воздух принципиально отличается от воздушной эмульсии, образующейся при введении добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ), тем, что является неупорядоченным, может легко коалесцировать, не гидрофобизует поверхности стенок капиллярных ходов, не способствует переводу открытой пористости в замкнутую. Пузырьки случайно защемленного воздуха образуют в бетоне поры размером до 0.13 см (удельная поверхность менее 760 см'1). Размер пузырьков воздуха, эмульгированного, например добавкой СНВ, колеблется от 25 до 250 мкм (1440-2090 см'1).

Выполнены экспериментальные исследования, позволившие прогнозировать объем защемленного воздуха, вовлекаемого при вибрировании в бетонные смеси типовых составов, и предложено модифицированное выражение компенсационного фактора

(FK):

где V^x - объем резервных пор, образованных эмульгированным воздухом.

При качественной оценке морозостойкости, очевидно, должно быть справедливым условие:

Раскрыв объем пор в выражении (1.141) с помощью зависимостей, связывающих их со степенью гидратации а и расходом цемента, окончательно получим выражение FK:

где Ку - коэффициент уплотнения бетонной смеси;а - степень гидратации цемента.

Для расчета показателей пористости необходимо знание степени гидратации цемента. Возможно нахождение степени гидратации цемента а по справочным данным, которые, однако, недостаточно полны.

Для расчета степени гидратации цемента может быть использована установленная различными авторами взаимосвязь ее с прочностью цементного камня при сжатии. Например, Т.Пауэрс представил эту зависимость в виде формулы:

где Кп к - предел прочности при сжатии (МПа) цементного камня.

Степень гидратации цемента можно также определить по формулам А.Е. Шейкина, связывающим прочность цементного камня Ru к. и активность цемента R„ при испытании стандартных образцов цементно-песчаного раствора с относительной плотностью d этих материалов:

где рц-плотность цемента (рц =3,1...3,2 г/см3).

Расчетные и экспериментальные значения морозостойкости бетона

Рис.1.29. Расчетные и экспериментальные значения морозостойкости бетона:

1 - по экспериментальным данным; 2 - по формуле (1.148) при а = 0,7, К= 170, Ц = 400 кг/м3, В = 200 л/м3

Известные регрессионные уравнения для прогнозирования морозостойкости учитывают основные влияющие факторы как дифференцированно, так и через некоторые интегральные параметры или критерии.

В одной из наших работ после статистической обработки экспериментальных результатов было установлено, что зависимость морозостойкости бетона от критерия FK описывается показательной функцией вида:

где К - коэффициент, зависящий от вида цемента (для рядового среднеалюминатного цемента К=170).

На рис. 1.29 приведено сопоставление расчетных значений морозостойкости по формуле (1.148) и экспериментальных значений по данным Portlandcement Association. Американские данные отличаются более высокими значениями F при ,

что можно объяснить более высоким нормируемым снижением прочности - 25% вместо 5%.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >