Измерение и прогнозирование морозостойкости

Стандартизированный метод оценки морозостойкости бетона характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания образцов при нормированных условиях испытания без существенного снижения прочности. Этот метод предложен в 1886 г. Н.А. Белелюбским и позволяет оценить стойкость бетона при некотором условном экстремальном режиме его работы: полном водонасыщении и непрерывном циклическом замораживании при общей длительности одного цикла 4,5-6,5 ч. При основном стандартном способе испытаний замораживание производится при -15 - -20°С на воздухе, а оттаивание при +20°С в воде. Для ускорения испытаний температуру замораживания снижают до -40 - -60°С, насыщают образцы водным солевым раствором, уменьшают их размеры и сокращают длительность циклов.  Часто при испытании морозостойкости для определения фактического изменения прочности через заданное число циклов используют коэффициент морозостойкости Кмрз =Rмрз / Rк , где Rмрз - прочность бетона после принятого числа циклов испытаний; Rк - прочность контрольных образцов. Марка бетона по морозостойкости считается обеспеченной через требуемое число циклов, если Кмрз > 0,95.  Наряду с определением морозостойкости путем прямого испытания прочности бетона через определенное число циклов замораживания и оттаивания применяют неразрушающие методы: 

• определение скорости ультразвуковых волн; 

• измерение динамического модуля упругости, 

• измерение остаточных деформаций (относительного удлинения образцов после испытания).

Ультразвуковые испытания продолжаются до характерного перелома на кривой времени прохождения ультразвука от числа циклов (в логарифмическом масштабе). Этот перелом обусловлен образованием и развитием микротрещин в бетоне при его циклическом замораживании.  Динамический модуль упругости измеряют прозвучиванием образцов продольными (реже поперечными) ультразвуковыми волнами. Снижение динамического модуля упругости на 40-45% свидетельствует об интенсивном морозном разрушении бетона.  Дополнительным показателем стойкости бетона при морозном разрушении служат потери массы. Этот показатель более приемлем, когда деструкция бетона носит характер поверхностного шелушения, например, для дорожных бетонов. Потери массы при определении морозостойкости бетона ограничивают не более 5%.  С. В. Шестоперов для экспрессной оценки степени повреждения материалов при попеременном замораживании и оттаивании предложил 5-балльную шкалу для растворов и 10-бальную для бетонов. Качество бетона на 1ой подготовительной стадии разрушения оценивается от 10 баллов, когда образцы не имеют никаких изменений, до 7 баллов, когда начинается шелушение граней и ребер и образуются лунки при наличии неморозостойких зерен заполнителей. На второй завершающей стадии разрушения состояние образцов по мере разрушения может быть охарактеризовано последовательно в убывающем порядке от 6 до 1 балла. Предложено также балльную оценку состояния образцов производить по нескольким критериям в зависимости от степени их влияния на развитие деструктивных процессов.  В ряде случаев глубокое разрушение бетона нельзя оценить визуально и эффективна совместная оценка состояния образцов по внешнему виду и, например, результатам прозвучивания.  В зависимости от числа циклов замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов бетона до 5%-ного снижения прочности устанавливают т.н. марку бетона по морозостойкости (Р). 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.  В соответствии со стандартом предлагается 11 марок бетона по морозостойкости с градацией 25- 100 циклов от Р50 до Р1000. На практике при лабораторных подборах составов бетона задача сводится обычно к обеспечению морозостойкости не в пределах заданной марки, а не менее ее нормированного значения.  Высокая степень условности марок бетона по морозостойкости и несовершенство методики их назначения часто приводит к неэффективности трудоемких усилий технологов по обеспечению проектных значений Р. Например, марка бетона по морозостойкости в бетонных облицовках каналов Украины в соответствии с принятой методикой назначалась Р50 - Р100. Однако опыт эксплуатации показал, что во многих случаях облицовка разрушалась уже через 2-7 лет.  До настоящего времени не разработана научно обоснованная методика для установления численного критерия морозостойкости и назначения его при проектировании бетона. Существующая практика назначения числа циклов замораживания и оттаивания,  которое должен выдержать бетон в конструкциях и сооружениях, основана, главным образом, на опыте проектантов, проанализировавших долговечность бетона различного состава в определенных климатических условиях. Рекомендации, имеющиеся в нормативной литературе, весьма неполны. Например, рекомендуется назначать число циклов, основываясь только на количестве переходов через 0°С и наиболее низкой температуре холодного периода года. При этом не учитываются такие существенные факторы, влияющие на морозостойкость, как степень водонасыщения, изменчивость отрицательных температур, характер напряженного состояния бетона и ряд других. Нельзя считать достаточно надежными и методики назначения числа циклов замораживания и оттаивания с помощью предложенных эмпирических формул. Однако при проектировании состава бетона необходимое число циклов замораживания и оттаивания остается удобным численным критерием морозостойкости бетона. В ряде стран, например в США и Канаде, при проектировании составов бетонов принято указывать не конкретное число циклов замораживания и оттаивания, а режим работы бетона. Для каждого режима работы рекомендуется определенная область допустимых В/Ц.  Известен ряд методик назначения марки бетона по морозостойкости с учетом как климатических, так и эксплуатационных факторов, влияющих на развитие деструктивных процессов.  Известный исследователь морозостойкости С.В. Шестоперов предложил оценивать морозостойкость некоторой условной маркой (М), равной произведению проектного срока эксплуатации сооружения, среднегодового числа циклов замораживания и оттаивания и коэффициента запаса прочности. Для обоснования 8 условных марок (от М-25 до М-6000) им даны рекомендации по 25 параметрам, учитывающим качество исходных материалов, составы бетона и технологию работ. Однако современные представления теории морозостойкости и практический опыт не позволяют согласиться в достаточной мере как с критерием М, так и рядом рекомендаций по его обеспечению. Попытки имитационного моделирования для расчета длительности безремонтной эксплуатации бетона в зависимости от марки по морозостойкости даже с учетом многих дополнительных факторов пока нельзя считать успешными.  Рациональной является предложенная авторами система нормирования морозостойкости, в соответствии с которой указывается не заданное число циклов замораживания и оттаивания лабораторных образцов, а класс бетона по морозостойкости, например: 

• 1-ый класс -умеренной (Р = 50- 150),

• 2-ой - повышенной (Р =150 - 300),

• 3-ий - высокой (Р = 300 -500),

• 4-ый - особо высокой морозостойкости (Р > 500).

При такой системе существенно уменьшается число нормируемых ступеней морозостойкости бетона, становятся излишними при соответствующих ограничениях составов (В/Ц, содержание вовлеченного воздуха) длительные и трудоемкие лабораторные подборы составов бетонов с необходимой маркой по морозостойкости, которые часто носят запоздалый характер.  Различные методы прогнозирования морозостойкости основаны на зависимостях ее от параметров, характеризующих структуру бетона, степень деструктивных изменений при циклическом замораживании, а также регрессионных уравнениях, связывающих морозостойкость с другими свойствами и составом бетонной смеси.  Все методы прогнозирования морозостойкости бетона можно разделить на экспериментально-расчетные и расчетные. Экспериментально-расчетные методы предполагают определение 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 относительный предел выносливости, водопоглощение и др. Существуют корреляционные зависимости между морозостойкостью и льдистостью бетона.  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 «а 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.