СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ МАРКИ ПО МОРОЗОСТОЙКОСТИ БЕТОНА ОТ ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯ
METHOD TO DETERMINE DEPENDENCE OF CONCRETE FROST RESISTANCE GRADE ON WATER-CEMENT RATIO

Изобретение относится к способам исследования свойств строительных материалов и предназначено для выбора максимально допустимого водоцементного отношения по требуемой марке морозостойкости на стадии проектирования бетона [1 Баженов Ю.М. Технология бетона: Уч. пособие для строительных вузов. 2 изд. - М: Высшая школа, 1987. - с.237 и табл.11.8].
Известны способы расчетно-экспериментального определения зависимости марки по морозостойкости бетона от факторов, которые являются функцией водоцементного отношения и некоторых экспериментально-определяемых параметров бетона. В частности, ГОСТ 10060-76 предусматривает определение морозостойкости бетона по компенсационному фактору, учитывающему объем конструкционных пор в бетоне и объем замерзшей при -20°С воды в бетоне, зависящие от водоцементного отношения. Морозостойкость тяжелого бетона, вычисленная по компенсационному фактору, оказывается в три или четыре раза меньше фактической [Сизов В.П. Бетон и железобетон, 1979 №10].
Другой способ [Лифанов И.И. Вопросы прогнозирования морозостойкости бетона. - Сб. трудов МИСИ им Куйбышева, №141, М., 1977] предлагает искать зависимость марки по морозостойкости F от водоцементного отношения по формуле
0
0
F=F+1/(C-C),
где F - марка по морозостойкости;
0
1/3
C - коэффициент, равный i/(В/Ц);
0
I - объемная льдистость при -10°C, определяемая экспериментально;
0
0
F и C - предельные значения F и C, определяемые экспериментально;
В/Ц - водоцементное отношение.
Недостаток метода - низкая прочность связи между значениями морозостойкости и водоцементного отношения.
Известен способ определения зависимости марки по морозостойкости от водоцементного отношения бетона [2 Барабанщиков Ю.Г. Материаловедение и технология конструкционных материалов «Вяжущие вещества и бетоны: Уч. пособие, - СПб: изд-во Политехнического университета, 2008. - с.71, 137, 138], включающий изготовление нескольких образцов бетона при неизменных виде цемента, его расходе и зерновом составе заполнителя, но с разными значениями водоцементного отношения, и непосредственное определение марки по морозостойкости этих образцов. Под маркой по морозостойкости подразумевают число циклов замораживания насыщенного водой образца бетона до -20°C и оттаивания при +20°C (стандартных термоциклов), необходимых для снижения предела прочности R камня на оговоренную стандартом величину ΔR. Например, для тяжелого бетона допустимое относительное снижение прочности ΔR/R составляет 0,05, а для легкого 0,15. Способ [2] допускает использование любых методов определения марки F как стандартизированных [ГОСТ 10060.0-95], так и не стандартизированных. При этом способ [2] включает операции по определению марки F, например, насыщение образцов водой, термоциклирование, оценку поврежденности образцов тем или иным образом (в частности по относительному снижению прочности ΔR/R) и т.д. В силу этого, преимущества и недостатки способа [2] обуславливаются методами, использованными для определения марки F бетона. Для бетона попытки повысить точность определения марки F путем испытаний выборки образцов вместо одного малоперспективны из-за большого разброса свойств отдельных образцов, изготовленных из одного замеса. Этот разброс свойств увеличивает разброс результатов испытаний и не позволяет значительно сузить доверительный интервал выборочных средних.
o
Наиболее близок к предполагаемому способ определения морозостойкости камня [3 - RU 2380681 C1, МПК G01N 33/60, 33/38. опубл. 27.01.2010], заключающийся в том, что насыщенный водой образец естественного или искусственного камня (кирпича, бетона) замораживают до нормативной температуры, размораживают и замеряют остаточные деформации. Перед замораживанием неразрушающим методом определяют пороговую нагрузку L, отвечающую пределу R длительной прочности при сжатии. После ряда термоциклов измеряют остаточную деформацию размороженного образца в направлении, перпендикулярном предшествующему сжатию. Добиваются не меньшей остаточной деформации циклическим сжатием образца в прежнем направлении от нулевой до нагрузки, превышающей пороговую не более чем на треть. Повторяя эти операции, определяют количество термоциклов, необходимых для снижения предела длительной прочности до требуемого стандартом значения.
o
o
o
o
Недостаток прототипа - невозможность определения с его помощью зависимости марки F бетона от водоцементного отношения - обусловлен тем, что при определении пороговой нагрузки L случайную погрешность ΔL не удается свести ниже 1% [3 с 2.]. Так как знаки случайных погрешностей ΔL перед началом и после термоциклирования могут быть противоположными, то при действительном снижении пороговой нагрузки L всего на 3% может быть зарегистрировано снижение на 5%. Следовательно, возможная ошибка в определении относительного снижения прочности ΔR/R достигает 66% и приблизительно такого же значения в определении марки F при заданном водоцементном отношении. Эти случайные ошибки в определении марки F при разных водоцементных отношениях могут изменить знак приращения марки F по морозостойкости при переходе от одного значения водоцементного отношения к другому, т.е. исказить даже вид зависимости F от водоцементного отношения.
Задача, решаемая изобретением - расширение арсенала технических средств определения зависимости марки морозостойкости бетона от водоцементного отношения, технический результат заключается в реализации этого назначения.
o
М
М
Решение поставленной задачи достигают тем, что, как и в прототипе, насыщенный водой образец бетона замораживают до нормативной температуры; размораживают (термоциклируют) и замеряют при этом деформацию, перед замораживанием неразрушающим методом определяют пороговую нагрузку L, отвечающую пределу R длительной прочности образца при сжатии, измеряют остаточную деформацию размороженного образца в направлении, перпендикулярном предшествующему сжатию, добиваются не меньшей остаточной деформации циклическим сжатием образца в прежнем направлении от нулевого значения до нагрузки, превышающей пороговую не более чем на треть и повторяют эти операции. Но в отличие от прототипа, предварительно изготавливают, по крайней мере, два образца с разными водоцементными отношениями, чередуют термоциклирование и циклическое сжатие образца с наименьшим водоцементным отношением до нарушения пропорциональности между относительной остаточной деформацией и общим числом циклов, рассчитывают отношение относительного снижения пороговой нагрузки к относительной остаточной деформации, марку бетона по морозостойкости образца с наименьшим водоцементным отношением, а также относительную остаточную деформацию ε, соответствующую снижению предела прочности, оговоренному стандартом для марки по морозостойкости исследуемого бетона, чередуют термоциклирование и циклическое сжатие остальных образцов до достижения остаточной деформации ε, а необходимое для этого количество циклов принимают за марку по морозостойкости бетона, по полученным результатам определяют параметры функции, аппроксимирующей экспериментальные результаты.
Экспериментально установлены следующие особенности деградации бетона:
I - для образцов бетона, изготовленных из одной и той же сухой смеси по одинаковой технологии, но с разными водоцементными отношениями, мера поврежденности z, определяемая как отношение относительного снижения предела прочности ΔR/R к относительной остаточной деформации ε:z=(ΔR/R):ε не зависит от значений водоцементного отношения, относительной остаточной деформации е, прочности R; но зависит от вида цемента, заполнителя и доли песка в заполнителе;
II - при водоцементном отношении меньше 0,45 пропорциональность между относительным снижением предела прочности ΔR/R образца и общим числом термоциклов и циклов сжатия сохраняется до значения относительного снижения предела прочности ΔR/R не менее 0,45; это граничное значение резко снижается при увеличении водоцементного отношения и уже при водоцементном отношении больше 0,55 пропорциональность между относительной остаточной деформацией е и числом циклов сжатия и термоциклов может отсутствовать с первых циклов.
С учетом I особенности марку F образца бетона с водоцементном отношением меньше 0,45 можно оценить на основании опытных данных по формуле
<mrow><mtext>F</mtext><mo>=</mo><mtext>c[ΔR/R]/(ΔR/R)</mtext><mtext>,                                                       (1)</mtext></mrow>
где [ΔR/R] - допустимое относительное снижение предела прочности, оговоренное стандартом, в частности [ГОСТ 10060. 1-95 п.7.1], например 0,05, для тяжелого бетона;
«c» - число циклов до нарушения пропорциональности между относительным снижением предела прочности ΔR/R и числом термоциклов и циклов сжатия.
o
В этом случае наибольшая относительная погрешность ΔF/F нахождения марки F определяется погрешностью определения относительного снижения предела прочности ΔR/R. А при ΔR/R больше 0,6 и определении пороговой нагрузки L с точностью до 1% значение ΔF/F не превышает 4%. Таким образом, чередование термоциклирования и циклического сжатия образцов до нарушения пропорциональности между относительной остаточной деформацией е и числом циклов позволяет снизить погрешность определения марки F по морозостойкости при заданном водоцементном отношении с 66% до 4%. С другой стороны, такое циклирование позволяет определить меру поврежденности z. Затем рассчитать относительную остаточную деформацию, отвечающую допустимому относительному снижению предела прочности, оговоренному стандартом, по формуле:
М
ε=[ΔR/R]:z,
М
где ε - относительная остаточная деформация;
[ΔR/R] - допустимое относительное снижение предела прочности, оговоренное стандартом, в частности [ГОСТ 10060.1-95 п.7.1].
Тогда, определив экспериментально зависимость относительной остаточной деформации s от числа циклов, можно, даже при отсутствии ее линейности, найти соответствующие число циклов, т.е. марку F и при высоком значении водоцементного отношения. Таким образом, можно найти ряд значений марки F по морозостойкости бетона при различных водоцементных отношениях, необходимый для аппроксимации зависимости F от водоцементного отношения либо графически, либо функцией с тем или иным количеством параметров. В частности, для аппроксимации можно использовать известную [5 - 344 с.- Воронцова. Е.A. XL неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции Ч.I. - СПб.: Изд. Политехн. ун-та, 2011. - 430 с.] двухпараметрическую функцию:
<mrow><mtext>F</mtext><mo>=</mo><msup><mrow><mtext>A(В/Ц)</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mtext>λ</mtext></mrow></msup><mtext>                                                                       (2)</mtext></mrow>
где F - марка по морозостойкости,
А - марка по морозостойкости при водоцементном отношении, равном единице,
λ=const,
Для уточнения значений А и λ в этой зависимости достаточно выяснить марки F только при двух значениях водоцементных отношений.
1
2
1
1
1
M
M
2
M
2
2
<mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mtext>ΔL</mtext></mrow><mtext>0</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>0</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mtext>ΔR</mtext></mrow><mtext>R</mtext></mfrac></mrow>
Предложенный способ реализуют следующим образом. Готовят сухую смесь цемента и заполнителя, входящих в исследуемый бетон. Смесь делят на несколько частей, используя их для изготовления бетонных смесей с разными водоцементными отношениями, например, двумя: B/Ц и В/Ц, и укладывают в формы для изготовления образцов. Образцы могут изготавливаться, например, согласно изобретению по патенту [RU 2370767 C1, МПК G01N 33/38, опубликован 20.10.2009]. После необходимого твердения образцов неразрушающим методом определяют пороговую нагрузку, отвечающую пределу длительной прочности образца при сжатии. Насыщенный водой образец бетона с наименьшим водоцементным отношением B/Ц замораживают до нормативной температуры, размораживают (термоциклируют) и замеряют при этом деформацию. После ряда термоциклов измеряют остаточную деформацию размороженного образца в направлении, перпендикулярном предшествующему сжатию, добиваются не меньшей остаточной деформации циклическим сжатием образца в прежнем направлении от нулевой до нагрузки, превышающей пороговую не более чем на треть. Повторяют операции термоциклирования и циклического сжатия до нарушения пропорциональности между относительной остаточной деформацией и числом циклов. После нарушения этой пропорциональности испытания прекращают, определяют наибольшее значение числа циклов «с» до которого она еще сохранялась, соответствующие значения относительного снижения пороговой нагрузки
, равной относительному снижению прочности
, и значение относительной остаточной деформации ε. Рассчитывают отношение относительного снижения пороговой нагрузки к относительной остаточной деформации, марку F образца с наименьшим водоцементным отношением B/Ц по формуле (1), а также относительную остаточную деформацию ε, соответствующую снижению предела прочности, оговоренному стандартом для марки по морозостойкости исследуемого бетона по формуле: ε=[ΔR/R]:z. Затем испытывают образец с наибольшим водоцементным отношением В/Ц, чередуя термоциклирование и циклическое сжатие до достижения остаточной деформации ε. Определяют необходимое для этого общее число циклов и принимают его за марку F по морозостойкости второго образца бетона с водоцементным отношением В/Ц.
По полученным результатам рассчитывают параметры функции, аппроксимирующей экспериментальные результаты. Например, вытекающее из (2) равенство
<mrow><msub><mtext>F</mtext><mtext>1</mtext></msub><msub><mrow><mtext>/F</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><msup><mrow><msub><mrow><mtext>(В</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mtext>/Ц)</mtext></mrow><mtext>λ</mtext></msup><msub><mrow><mtext>/(В</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><msup><mrow><mtext>/Ц)</mtext></mrow><mtext>λ</mtext></msup></mrow>
,
1
2
1
2
где F и F - марки по морозостойкости образцов соответственно с водоцементными отношениями B/Ц и В/Ц;
1
2
1
2
позволяет после подстановки в него значений марок F и F по морозостойкости и соответствующих им водоцементных отношений B/Ц и В/Ц рассчитать λ по формуле
<mrow><mtext>λ</mtext><mo>=</mo><mtext>ln(</mtext><mfrac><mrow><msub><mtext>F</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>F</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow></mfrac><mtext>)/ln</mtext><mfrac><mrow><msub><mrow><mtext>(В</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>/Ц)</mtext></mrow><mrow><msub><mrow><mtext>(В</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><mtext>/Ц)</mtext></mrow></mfrac><mtext>,т                                                                      (3)</mtext></mrow>
а зная λ, рассчитать и марку А по морозостойкости при водоцементном отношении В/Ц, равном единице
<mrow><mtext>А</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>F</mtext><mtext>1</mtext></msub><msup><mrow><msub><mrow><mtext>(В</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mtext>/Ц)</mtext></mrow><mtext>λ</mtext></msup><mtext>.                                                                               (4)</mtext></mrow>
Полученные выше λ и А из формул (3) и (4), соответственно, подставляем в формулу (2) и получаем искомую зависимость для расчета максимально допустимого значения водоцементного отношения по требуемой марке бетона по морозостойкости.
1
2
3
3
3
o
o
1
2
t
o
t
Проверку способа проводили на образцах-кубах с ребром 15 см в возрасте 88 дней, изготовленных из сухой смеси портландцемента (1 весовая часть) марки 400, песка (2 весовых части), гранитного щебня от 5 до 20 мм (4 весовых части), с водоцементным отношением B/Ц равным 0,45, с водоцементным отношением В/Ц, равным 0,7 и с водоцементным отношением В/Ц, равным 0,6. Для образцов с водоцементным отношением В/Ц, равным 0,6 базовым методом [ГОСТ 10060.1-95] была определена марка F по морозостойкости, оказавшаяся равной 38. Образцы-кубы, используемые в опытах, в точках пересечения диагоналей двух отформованных противоположных граней имели выступы до 1,5 мм (реперные точки). Расстояние l между реперными точками каждого образца измеряли при 20±2°C до и после циклирования с помощью скобы с переменной базой и с измерительной головкой часового типа (цена деления 1 мкм, а также с помощью мерных плиток). Пороговую нагрузку L водонасыщенного образца определяли, регистрируя сигналы акустической эмиссии (АЭ) с помощью прибора АФ-15 при циклическом нагружении и разгружении образца до 0. в первом цикле нагрузку L доводили до 11 т., при отсутствии АЭ в конце разгружения L увеличили на 5%, и так до тех пор, пока при окончании разгружения не возникала АЭ. За L принимали среднее L двух последних циклов. Термоциклирование от -20 до 20°С образцов с водоцементными отношениями B/Ц 0,45 и В/Ц 0,7 проводили по 10 раз подряд (декадами), после чего измеряли остаточную деформацию ΔL Затем образец циклически сжимали до нагрузки l,33 L в течение одной, двух минут и разгружали. Механические циклы повторяли до тех пор, пока остаточная деформация Δl между реперными точками не превышала Δl (от 12 до 19 циклов). После чего проводили очередную декаду термоциклов.
1
0
0
0
0
1
M
2
M
2
3
3
Для образца с меньшим водоцементном отношением B/Ц определение пороговой нагрузки, термоциклирование и циклическое сжатие повторяли до нарушения пропорциональности между относительной остаточной деформацией е и числом циклов, которое зарегистрировали при относительной остаточной деформации s, равной 0,07, ΔL/L, равном 0,71 и «c», равном 1990. Значение меры поврежденности z=(ΔR/R):ε составило 10,1, а число циклов, необходимых для относительного снижения прочности ΔR/R, соответствующего относительному снижению пороговой нагрузки ΔL/L на 0,05 оказалось равно 280, что определяет марку F образца с наименьшим водоцементным отношением. Относительная деформация ε, отвечающая допустимому относительному снижению предела прочности [ΔR/R] на 0,05, составила 0,00495 и при цитировании образца с большим водоцементным отношением В/Ц, равным 0,7 была достигнута после 12 термоциклов (циклическое сжатие после декады термоциклов не проводилось из-за близости ε к ε), следовательно марку F приняли равной 12. По полученным результатам рассчитали параметры функции, аппроксимирующей экспериментальные результаты. По формуле (3) λ равно 7,13; по формуле (4) А равно 0,94378254. По полученным параметрам по формуле (2) для водоцементного отношения 0,6, определили марку F, составившую 36. Последний результат близок к определенной базовым методом марке F равной 38 при водоцементном отношении В/Ц равном 0,6, что подтверждает корректность предложенного способа.
Из приведенных результатов видно, что достаточно испытаний всего двух образцов с разными водоцементными значениями и использования известных зависимостей по аппроксимации для достижения задачи изобретения.
Предложенный способ расширяет арсенал технических средств определения зависимости морозостойкости бетона от водоцементного отношения, что позволяет оперативно с большой точностью находить максимально допустимое водоцементное отношение по требуемой марке F бетона по морозостойкости в процессе его проектирования.