3 декабря 2014 года

Дилатометрический* метод определения морозостойкости бетонов

Одной из работ по выборочному инструментально-техническому обследованию зданий, сооружений, дорог, строительных изделий и конструкций на предмет выполнения требований безопасности, выполняемых специалистами ГБУ «ЦЭИИС», является определение морозостойкости бетона.

Долговечность конструкций и сооружений из бетона и железобетона, которые в период эксплуатации подвергаются циклическим процессам замораживания и оттаивания зависит от морозостойкости бетона. Известно, что морозостойкость строительных материалов - это характеристика временного процесса, сопровождающегося изменением их структуры в процессе многократного замораживания.

При проведении экспериментальных исследований объемных деформаций бетонов с различной проектной морозостойкостью было установлено, что деформации бетона в течение многих циклов практически не меняются, т.к. макроразрушений не происходит. Резкое увеличение объемных деформаций происходит после количества циклов Nкрит, когда образец претерпевает структурные изменения, сопровождающиеся ростом деформаций и потерей прочности.

Морозостойкость не является физической величиной, поэтому современные методы определения морозостойкости должны быть основаны на измерении физических характеристик - например, деформаций бетона, зависящих от его структурного состояния.

При использовании ускоренного метода определения морозостойкости с применением современной измерительной техники, компьютерной обработки данных необходимо выбрать такой физический параметр, который, во-первых, связан со структурными изменениями, происходящими в бетоне при замораживании и оттаивании, в конечном счете и определяющими морозостойкость, и, во-вторых, измерение которого можно было бы провести сравнительно простыми техническими средствами, учитывая возможность применения метода при контроле.

В основу работы дилатометра положен дифференциальный принцип измерения температурных объемных деформаций материала. При этом эталоном сравнения является стандартный образец из алюминия CO, имеющий размеры и форму образцов испытуемого материала. Принцип действия дилатометра основан на преобразовании объемных деформаций при замораживании исследуемого образца и эталона в линейные перемещения. Деформации алюминиевого образца (эталона) происходят линейно, а деформации водонасыщенного бетонного образца имеют аномальные пики.

Работа прибора осуществляется следующим образом. В одну из рабочих камер дилатометра помещают стандартный образец, в остальные камеры - водонасыщенные образцы исследуемого материала. 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 в течение определенного времени измерения разностных объемных деформаций образца материала и стандартного образца при динамическом замораживании со скоростью порядка~ 0,3ºв минуту. Продолжительность цикла измерения - 3-4 ч.

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 том, что потеря прочности - критерий при определении морозостойкости бетона стандартными методами, отсюда возможна связь между величиной деформации и значением морозостойкости, определенной при циклическом замораживании-оттаивании. Требованием к методу является надежное прогнозирование проектного уровня морозостойкости на стадии лабораторных испытаний - гарантия предотвращения наиболее распространенной причины разрушения бетонных и железобетонных конструкций и сооружений. При этом важнейшими факторами являются оперативность и достоверность полученных результатов лабораторной проверки.

Полученные результаты позволяют утверждать, что разность величины объемных деформаций между двумя последовательными измерениями остается для водонасыщенных образцов бетона практически постоянной на протяжении многих циклов измерений, меньших Nкрит. Это делает обоснованным выбор измеряемого физического параметра - величины объемных деформаций, так как они являются объективным показателем структурных изменений, происходящих в бетоне при замораживании, причем величина объемных деформаций, измеренных в первом цикле, коррелирует с величиной деформаций после Nкрит числа циклов.

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 бетона воздействию замораживания, классифицированной по циклам морозостойкости.

В объемной дилатометрии деформации бетона при измерениях вызваны давлением замерзающей в порах воды, причем величина давления в незамкнутых порах может достигать сотен атмосфер.

При таких давлениях зависимость между напряжениями Т и относительными объемными деформациями dV/V0, возникающими в образце при измерениях, нелинейная и в квадратичном приближении выражается уравнением:

dV/V0 = К×Ɛ + K1 × Ɛ², где

первый член - упругая деформация,

К- коэффициент объемного сжатия (растяжения), зависящий от модулей упругости второго порядка (модуля Юнга и коэффициента Пуассона).

Второй член связан со структурной составляющей цементного камня.

K1(α,β,μ) – коэффициент при (Ɛ)², зависящий от эффективных модулей упругости третьего порядка, характеризующих свойства замерзшей матрицы.

На рис. 1 приведена кривая развития аномальных объемных деформаций в процессе охлаждения при полной компенсации деформаций керосина, используемого в качестве передающей среды.

Основываясь на сравнении многочисленных испытаний по морозостойкости бетона с испытаниями по измерению объемных деформаций, проведенными лабораториями ВНИИЖелезобетона, ЦМИППКСиспытания совместно с лабораторией №458 Министерства обороны СССР, были установлены соответствующие соотношения, которые графически представлены на рис. 2.

Отдельным направлением дилатометрического метода являются измерения объемных деформаций бетонов дорожных и аэродромных покрытий.

При измерении объемных деформаций одним из важнейших методологических вопросов являлся выбор среды насыщения образцов: пятипроцентный водный раствор хлористого натрия или вода. Для этого разработчиками метода совместно с ОАО ЦНИИС были проведены сопоставительные дилатометрические измерения бетонов трех составов, насыщенных в воде и параллельно пятипроцентном водном растворе хлористого натрия.

Практические данные свидетельствуют о том, что объемные деформации водонасыщенных образцов в 1,5-2 раза выше, чем у образцов, насыщенных в 5%-ном водном растворе хлористого натрия. Это обусловлено тем, что солевой раствор полностью не замерзает при температуре испытания до минус 18ºC.

Связь между объемными деформациями и числом циклов замораживания-оттаивания по второму базовому методу представлена на рис. 3.

Для экспрессного определения морозостойкости бетона дорожных и аэродромных покрытий установлена зависимость между результатами многоцикловых испытаний замораживания и оттаивания по второму базовому методу и объемными деформациями, измеряемыми дилатометрическим методом. Данная зависимость распространяется на бетоны дорожных и аэродромных покрытий с марками по морозостойкости F150-F400.

Известно, что морозостойкость бетона, определяемая методом попеременного многократного замораживания и оттаивания, не является физической величиной, т.к. не имеет размерности и не может быть измерена физическими методами.

Разработанный в конце ХХ века отечественный дилатометрический метод основан на обосновании связи между объемными деформациями и процессами замораживания и оттаивания с возможностью использования одноцикловых измерений.

Таким образом 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 70х70 мм и пластинах 100х100хS мм.

Дилатометрический метод является экспресс-методом, дающим информацию о структурных изменениях бетона при замораживании и получении достоверных результатов простыми техническими средствами в лабораторных и строительных (полевых) условиях одновременно с результатами прочностных испытаний бетона.

Лабораторные испытания образцов бетона дилатометрическим методом в ГБУ «ЦЭИИС»

В Лаборатории испытаний строительных материалов и конструкций ГБУ «ЦЭИИС» для проведения испытаний по определению морозостойкости бетона используются приборы ДОД-101 К/3(объемные дифференциальные). В июле 2014 года специалистами лаборатории совместно со специалистами лаборатории «УМИПКС испытания» и представителями фирмы-разработчика приборов ДОД - «Силуар» был разработан технологический регламент на лабораторные испытания образцов бетона дилатометрическим методом ускоренного определения морозостойкости. В регламенте представлена экспериментальная градуировочная зависимость между I базовым методом и дилатометрическим, определены базовые коэффициенты для основных марок бетона по морозостойкости.

Практика показывает, что применение дилатометров ДОД и разработанной методики испытаний позволяет сократить срок проведения испытаний и получить достоверные результаты благодаря применению современных вычислительных средств.

ceiis.ru

* Дилатометрия (от лат. dilato - расширяю и греч. metreo - измеряю) - раздел физики и измерительной техники, изучающий зависимость изменения размеров тела от температуры, давления, электрических и магнитных полей, ионизирующих излучений и т.д. Дилатометрические исследования основаны на определении теплового расширения тел и его различных аномалий (при фазовых переходах и др.).