Морозостойкость кернов из цементобетона

В статье авторы рассматривают проблемы морозостойкости кернов и методы их решения в вопросе испытания кернов из цементобетона на морозостойкость.

Ключевые слова: цементобетон, воздухововлекающая добавка, хлорид натрия, методика.

Существуют нормативные методики испытания образцов бетона. Однако, стандартной методики испытания цилиндрических образцов бетона (кернов), как таковой, не существует. Марка бетона по этому параметру показывает способность бетона сопротивляться попеременному замораживанию-оттаиванию в зависимости от условий эксплуатации сооружения. Государственные стандарты устанавливают базовые и ускоренные методы определения морозостойкости, однако не обеспечивают высокую точность полученных результатов. Наряду с ними есть нестандартные методики, благодаря которым есть возможность изучения новых свойств бетона. Использование воздухововлекающих добавок и соблюдение В/Ц раствора бетонной смеси позволяет получить высокие значения прочности на сжатие/растяжение и морозостойкости.

В сфере дорожного строительства ученые давно говорят о перспективах использования цементобетона в роли дорожного полотна. Ежегодно из государственного бюджета выделяются колоссальные средства на строительство и ремонт асфальтобетонных дорог, в виду их быстрой изнашиваемости [2, 3].

Одним из негативных факторов бетона в роли дорожного покрытия является весьма длительное определение его морозостойкости и, соответственно, не способность своевременной корректировки состава в случае необходимости.

Стандартной методики испытания цилиндрических образцов бетона (кернов), как таковой, не существует. На сегодняшний день методики ГОСТ не позволяют с достаточной точностью испытывать керны на морозостойкость, а рассматривают только кубические.

Методы исследования

Керны испытывались на растяжение при раскалывании, затем переводными коэффициентами, отработанными в течение нескольких лет при обследовании покрытий, производился переход к сжатию и изгибу, а далее эти образцы подвергались испытанию на морозостойкость.

За основу была взята методика американских ученых. Они делали бортик вокруг керна, поливали рассолом, далее подвергали температурному воздействию и наблюдали за результатом (шелушение площади поверхности) [4, 6, 14].

Стоит отметить другую интересную методику, в которой керн был перевернут на боковую сторону и помещен в противень из нержавеющей стали с пятипроцентным раствором NaCl на решётку, предотвратив прилегание к металлическому каркасу. В отличии от испытаний по ГОСТ [5], где образцы либо полностью погруженные в раствор при оттаивании при базовом методе (замораживается в сухом воздушно-влажностном состоянии) либо замораживаются и оттаиваются полностью погруженные, в данной методике предполагается, что образцы не полностью погруженные.

Результаты и анализ

В ходе проведения эксперимента через 10–20 циклов начал разрушаться бетон (рисунок 1). Это сопровождалось значительными визуальными деформациями [8, 17]. Водопоглощение небольшое 5–6 %, открытая пористость 10–12 %, в рамках рекомендуемых значений [14, 15, 7]. Несмотря на это, в некоторых образцах, при замешивании, не учитывалась воздухововлекающая добавка. Это показало косвенно-закрытая пористость меньше нормативных значений.

Рис. 1. Образец керна после испытания в морозильной камере через 20 циклов

Большинство образцов выдержало по базовому методу 200 циклов с запасом. Проблем по испытанию образцов не было. При 50–100 циклах, наблюдалось шелушение кернов, но они не разрушались, при условии, что контролировалась прочность образца [5]. Это происходит при недостаточном количестве воздуха [9, 12, 16]. Состав цементобетонной смеси, которая применялась в исследовании, представлен в таблице 1.

Таблица 1

Начальный состав бетонных кернов

В результате учета этой особенности в ходе эксперимента был получен следующий результат: значения по предложенной методике оказались в 1,5 раза более заниженными, чем в испытаниях, по ГОСТ 10060–2012.

Были получены результаты по прочности на раскалывание, изгиб и сжатие. Первый момент, низкая закрытая пористость говорит о том, что не было вовлеченного воздуха (рисунок 2а) [7,10, 11]. Или воздухововлекающая добавка не сработала. И второй момент, это биотит — содержание слюды больше нормы [12, 15]. То есть можно сделать вывод, когда нет вовлеченного воздуха, морозостойкость бетона имеет низкий показатель. Были проверены керны, в которых вовлеченный воздух был — и картина была благоприятная. При правильной методике бетон без морозостойких добавок быстро разрушился (рисунок 2а). Высоко-морозостойкий бетон выдержал около 200 циклов (рисунок 2б) [13, 9].

Рис. 2. Результат испытания керна (а — при отсутствии вовлеченного воздуха; б — при добавлении вовлеченного воздуха)

Были проведены эксперименты по замене среды. Вместо 5 % раствора хлорида натрия использовалась пресная вода. Как результат, получилась та же самая картина. Отсюда следует, что важным фактором морозостойкости является не только поровая структура, (связь с капиллярно-поровой структурой), но и щебенка [1].

Следуя рекомендациям ГОСТ, образцы помещались в большую морозильную камеру. Керны замораживаются, потом достаются. Далее помещаются в NaCl 5 % и образцы оттаиваются. По предложенной методики керны разрушились через 15–20 циклов, а по ГОСТ — через 20–30 циклов. Есть вероятность влияния микротрещин на результат. Образцы, которые стояли на верху, в сухом состоянии, не разрушились [18].

Заключение

Предложенная методика хорошо проявляет себя для неморозостойкого бетона. Однако рассматривает явление как свойство, а не разделение по маркам морозостойкости. Используемые керны хорошо выстояли 200–300 циклов. Если правильно испытывать керны, то вечного бетона не получается. Сегодня система контроля качества требует придерживаться определённых стандартов испытания кернов [14]. Морозостойкость — многофакторное свойство. Если образец будет идентичен эталону, или лучше него, это сравнимо по долговечности как свойство. Если оно снижается после длительного числа циклов и керн разрушается, то свойство (не марка) не обеспечивается.

В качестве среды для насыщения образов для испытаний используется пресная вода. Результат показал отличия в уменьшении выдерживаемых циклов попеременного замораживания-оттаивания в 1,5 раза. Возможно использование ускоренного метода, который позволяет уменьшить сроки испытаний: вместо, допустим, 150 200 и 300 циклов по 2-ому базовому методу испытаний, 10, 20 и 37 циклов по ускоренному. Необходимы дальнейшие исследований по данному вопросу.

Литература:

1. Алексеев С. И. Установки для ускоренных испытаний морозостойкости // Сб. науч. тр. / НИИЖБ. 1959. — Вып. 12: Морозостойкость бетона. -Под ред. Н. А. Мощанского. — С. 113–124.
2. Бунин М. В., Грушко И. М., Ильин А. Г. Структура и механические свойства дорожных цементных бетонов. Изд-во Харьковского ун-та, Харьков. -1968. — 199 с.
3. Власов О. Е. Физические основы теории морозостойкости // Сб. науч. тр. / НИИСтройфизика. -1967.-Вып. 3.
4. Гладков В. С. О разрушении гидротехнического бетона при многократном замораживании и оттаивании в нестационарном режиме // Тр. ' координац. совещ. по гидротехнике / ВНИИГ им. Веденеева.-1972. -Вып.73. -С. 13.143.
5. ГОСТ 10060–2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости.
6. Ерофеев В. Т., Митина Е. А. // Известия вузов. Строительство. -1997. -№ 9. -С. 72.76.
7. Кунцевич О. В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружения Крайнего Севера. — Л.: Стройиздат, 1983, — 132 с.
8. Методические рекомендации по испытанию дорожного бетона на коррозионную стойкость против совместного действия хлористых солей и мороза. — М., Союздорнии, 1975, 10 с.
9. Методические указания по определению морозостойкости бетона поверхностного слоя покрытий аэродромов. — М, Министерство обороны РФ, 2000, 15 с.
10. Морозостойкость бетонов с противоморозными добавками / В. Б. Грапп, А. С. Каплан, Т. И. Розенберг, С. В. Шестопёров // Бетон и железобетон. -1975. -№ 9. -С. 26.21.
11. Назначение проектной марки бетона по морозостойкости при строительстве объектов на Дальневосточном побережье / Паленых Ю. Г., Коломиец В. И., Черепанов Ю. П. и др. // Бетон и железобетон. -1975. -№ 9. -С. 10.11.
12. Пирадов К. А., Гузеев Е. А. Физико-механические основы долговечности бетона и железобетона // Бетон и железобетон.-1998.-№.1. -С. 25.26.
13. Уорсинг А., Геффнер Дж. Методы обработки экспериментальных данных / Пер. с англ. -М.: Иностранная литература. -1953. -С. 294.299.
14. Шейнин А. М., Эккель С. В. Проблемы контроля качества строительства цементобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. — Автомобильные дороги. 2009г., № 3, с. 53–56.
15. Ерофеев В. Т., Митина Е. А. // Известия вузов. Строительство. -1997. -№ 9. -С. 72.76.
16. Kanda M. Studies on freezing damage in fresh concrete and the required hardening time to prevent freezing damage / The Cem. Ass. Japan, Review of the 17thgeneral meeting. May, 1963. P. 73. 87.
17. Meyr A. Herstellung und Nachbehandling von Beton bei niedrigen Temperaturen. Baumarkt/1961, Nov. — P. 19.27.
18. Nykanen A. RILEM Symposium Winter Concreting // Theory and Practice. -Copenhagen, February, 1956. Proceeding Copenhagen. -P. 1162.