Морозостойкость и проницаемость бетона на смеси пористых и плотных заполнителей

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 691.327

О.А. Залипаева

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ И ПРОНИЦАЕМОСТЬ БЕТОНА НА СМЕСИ ПОРИСТЫХ

И ПЛОТНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

Приведены результаты исследований морозостойкости, проницаемости и водопоглощения бетона на смеси шлаковой пемзы, природного щебня и гранулированного доменного шлака. Для сравнения аналогичные исследования выполнены на образцах обычного шлакопемзобетона на плотном песке и тяжелого бетона. Получены зависимости, позволяющие прогнозировать морозостойкость бетона по его воздухопроницаемости.

Морозостойкость, воздухопроницаемость, водонепроницаемость, водопоглощение, бетон.

The results of researches of frost resistance, permeability and water absorption of concrete on the mixture of slag pumice, broken natural stone and granulated blast-furnace slag are presented in the paper. For comparison, similar studies were carried out with the samples of slag pumice concrete on the dense sand and heavy concrete. Dependences that allow predicting frost resistance of the concrete according to its air permeability were obtained in the paper.

Frost resistance, air permeability, water resistance, water absorption, concrete.

Одной из актуальных проблем в строительной отрасли является проблема получения и развития энергоэффективных и в то же время достаточно прочных и долговечных композиционных материалов. Одним из перспективных представителей таких материалов являются бетоны на комбинированных заполнителях. Целенаправленное регулирование структуры бетона при рациональном совмещении в его составе пористых и плотных заполнителей позволяет получать универсальные виды конструкционных облегченных бетонов, обладающих хорошими показателями прочности, деформативности и теплозащиты [1], [6].

Для исследования долговечности таких бетонов были проведены эксперименты по определению характеристик морозостойкости, проницаемости и во-допоглощения бетона на смеси шлаковой пемзы фракции 10 - 20 мм, природного щебня фракции 5 -10 мм и гранулированного доменного шлака фракции 0 - 5 мм. Составы бетона приняты по [1]. Для сравнения аналогичные исследования выполнены на образцах обычного шлакопемзобетона на плотном песке и тяжелого бетона. Составы и свойства бетонов приведены в табл. 1.

Для изготовления бетонов использованы следующие заполнители:

- для бетона на комбинированных заполнителях: шлаковая пемза фракции 10 - 20 мм (насыпная плотность 610 кг/м3, прочность при сдавливании в цилиндре 0,84 МПа), щебень природный фракции 5 -10 мм (насыпная плотность 1380 кг/м3, дробимость -Др 1200); гранулированный доменный шлак фракции 0 - 5 мм (насыпная плотность 950 кг/м3 , модуль крупности 3);

- для обычного шлакопемзобетона: шлаковая пемза фракции 5-20 мм (насыпная плотность 670 кг/м3), прочность при сдавливании в цилиндре

0,9 МПа); песок кварцевый (насыпная плотность 1470 кг/м3 , модуль крупности 2,8);

- для тяжелого бетона: щебень природный фракции 5 - 20 мм (насыпная плотность 1370 кг/м3, дробимость - Др 1200), песок кварцевый (насыпная плотность 1470 кг/м3 , модуль крупности 2,8).

Во всех составах в качестве вяжущего компонента был использован портландцемент с активностью (прочностью на сжатие в возрасте 28 сут.) 40 Мпа. Для исследования использовали образцы: кубы

10х10х10 см и 15х15х15 см. Образцы подвергались тепловлажностной обработке и затем твердели в нормальных условиях.

Для сокращения количества циклов замораживания и оттаивания при испытаниях на морозостойкость был выбран ускоренный метод по ГОСТ 10060 [2]. Для проведения экспериментов была изготовлена серия основных и контрольных образцов. Основные образцы предназначены для замораживания и оттаивания, контрольные - для определения прочности бетона на сжатие перед началом испытания основных образцов. Были приняты следующие условия испытания для определения морозостойкости по таблице 1 ГОСТ 10060 [2]: среда насыщения и оттаивания — 5%-ный водный раствор хлористого натрия; среда замораживания — воздушная, температура замораживания - минус (18±2) °С. Контрольные образцы бетона перед испытанием на прочность, а основные образцы перед замораживанием насыщали раствором соли температурой (18±2)°С. Контрольные образцы через 2 - 4 ч после извлечения из раствора испытывали на сжатие по ГОСТ 10180 [4]. Основные образцы после насыщения подвергали испытаниям на замораживание и оттаивание и через 2 -4 ч после проведения соответствующего числа циклов замораживания и оттаивания извлекали из ванны и испытывали по ГОСТ 10180 [4]. По результатам испытаний определяли коэффициент морозостойкости (Кмрз) как отношение прочности образцов, подвергнутых соответствующему количеству циклов замораживания - оттаивания, к прочности контрольных

Таблица 1

Составы бетонов

Вид бетона Бетон на комбинированных заполнителях Обычный шлакопемзобетон Тяжелый бетон

Класс бетона В30 В35 В25 В30 В22,5 В30 В35

Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси

Цемент, кг 460 493 394 477 297 390 430

Шлаковая пемза фракции 10 - 20 мм, л 616 588 - - - - -

Щебень природный фракции 5 - 10 мм, л 409 393 - - - - -

Гранулированный доменный шлак фракции 0 - 5 мм, л 599 403 - - - - -

Шлаковая пемза фракции 5 - 20 мм, л - - 613 626 - - -

Щебень природный фракции 5 - 20 мм, кг - - - - 1151 1100 1105

Песок кварцевый, л/кг - - 650/954 635/932 517/759 541/794 505/742

Вода, л 271 218 215 250 193 199 198

ЛСТ, плотность р = 1,055 г/см3, л 7,29 8,24 6,59 7,94 - - -

Прочность при сжатии в возрасте 1 сут., МПа 30,6 34,5 22,4 26,8 20,4 29,9 32,1

Прочность при сжатии в возрасте 28 сут., Я28, МПа 41,5 47,6 35,2 41,4 29,8 44,5 48,7

Плотность в сухом состоянии в возрасте 1 сут., р[, кг/м3 1950 1980 1970 2150 2330 2305 2350

Плотность в сухом состоянии в возрасте 28 сут., р28, кг/м3 1960 1990 1970 2020 2390 2350 2370

образцов. Марка бетона по морозостойкости принималась за соответствующую требуемой, если среднее значение прочности на сжатие основных образцов после установленных (табл. 3 ГОСТ 100060.0 [2]) для данной марки числа циклов переменного замораживания и оттаивания уменьшилось не более, чем на 5 % по сравнению со средней прочностью на сжатие контрольных образцов.

Для ускорения испытаний морозостойкость бетона контролировали также по результатам измерения времени распространения ультразвука в образцах в процессе попеременного замораживания и оттаивания по ГОСТ 26134-84 [5]. Морозостойкость бетона определяли по критическому числу циклов замораживания и оттаивания, начиная с которого происходит резкое увеличение времени распространения ультразвука в контролируемом образце, соответствующее началу интенсивного разрушения материала. В соответствии с ГОСТ 26134 [5] марку бетона по морозостойкости определяли сравнением полученного значения критического числа циклов замораживания и оттаивания с установленным в стандарте его контрольным значением. По каждому контролируемому составу бетона изготавливали 6 образцов. До начала замораживания - оттаивания в каждом образце определяли время распространения ультразвука поочередно по всем каналам измерения способом сквозного прозвучивания. Число каналов измерения составляло п = 8. Направление прозвучивания было принято перпендикулярным к направлению укладки бетонной смеси. Суммарное время распространения ультразвука / в образце определяли по формуле:

;=В

г=1

где п - число каналов измерения; ^ - время распространения ультразвука по /-му каналу измерения, мкс.

Далее образцы бетона подвергали попеременному замораживанию и оттаиванию. Через указанное в табл. 1 ГОСТ 26134-84 [5] число циклов замораживания и оттаивания в образцах проводили ультразвуковые измерения и определяли суммарное время распространения ультразвука ( по формуле (1). Время распространения ультразвука измеряли после оттаивания образцов. По результатам измерений для каждого образца находили наименьшее значение суммарного времени распространения ультразвука /т, определяли значение числа циклов замораживания и оттаивания, при которых было зафиксировано время распространения ультразвука /т, и выбирали из них наибольшее Ыт.

Результаты ультразвуковых измерений по каждому образцу при числе циклов замораживания и оттаивания Ы, большем Ыт, наносили на график в координатах (Ы - Ыт) - lg (/ - (т)». На построенном

графике определяли абсциссу К точки перелома. Критическое число циклов замораживания и оттаивания для каждого образца М определяли по формуле:

М = Ыт + К.

Испытание образцов одного состава бетона продолжали до определения по двум из них критического числа циклов М1 и М2 (М < М2). Критическое число циклов замораживания и оттаивания контролируемого состава бетона Мб полагали равным значению М2. Полученное значение Мб сравнивали с контрольным значением критического числа циклов

замораживания и оттаивания для заданной марки по морозостойкости в соответствии с табл. 2 ГОСТ 26134-84 [5]. Контролируемый состав бетона считали удовлетворяющим заданной марке по морозостойкости, если значение Мб не меньше соответствующего контрольного значения критического числа циклов замораживания и оттаивания. Результаты исследований морозостойкости приведены в табл. 2.

При анализе изменения прочности образцов, подвергнутых 30 циклам замораживания - оттаивания, обращают на себя внимание повышенные значения коэффициента морозостойкости бетона на смеси шлаковой пемзы, природного щебня и гранулированного доменного шлака. Данные результаты свидетельствуют о преобладании конструктивных процессов над деструктивными в структуре бетона на комбинированных заполнителях в процессе испытания на морозостойкость.

Анализируя представленные в табл. 2 результаты, необходимо отметить, что основной целью проведенного эксперимента была оценка влияния вида заполнителя на морозостойкость и проницаемость бетона. Для обеспечения высоких показателей морозостойкости любого бетона необходимо соблюдать ряд общих требований, таких как: ограничение водоцементного отношения и обеспечение достаточного расхода цемента, наличие добавок, повышающих морозостойкость, применение щадящего режима тепловлажностной обработки, обеспечение оптимальных условий твердения монолитного бетона.

Таблица 2

Результаты определения морозостойкости бетонов

Вид бетона Бетон на комбинированных заполнителях Обычный шлакопемзобетон Тяжелый бетон

Класс бетона В30 В35 В25 В30 В22,5 В30

Кмрз по результатам испытаний на морозостойкость ускоренным методом по ГОСТ 10060, при числе циклов замораживания - оттаивания:

15 циклов 1,190 1,005 1,060 1,070 1,240 1,030

20 циклов 1,150 1,012 1,010 1,060 1,100 1,015

30 циклов 1,100 1,014 0,950 1,050 0,980 1,000

45 циклов - 0,990 - 0,950 - 0,990

Результаты ультразвуковых испытаний

Наименьшее значение суммарного времени распространения ультразвука, ґт, мкс 201,89 119,41 205,8 204,08 - -

Число циклов, при которых было зафиксировано наименьшее время распространения ультразвука, Мт, цикл 10 20 5 10 - -

Абсцисса точки перелома, К, цикл 20 30 15 20 - -

Критическое число циклов замораживания и оттаивания, Мб 30 50 20 30 - -

Контрольное значение критического числа циклов замораживания и оттаивания, Мконтр 20 47 19 28 - -

Марка по морозостойкости, определенная по результатам ультразвуковых испытаний, Fy3к Е200 Е300 И50 Е200 - -

Для исследования проницаемости бетона был использован прибор АГАМА-2Р. Ускоренный метод определения водонепроницаемости бетона по его воздухопроницаемости предусмотрен в ГОСТ 12730.5-84 [3]. Определение сопротивления бетона прониканию воздуха основано на измерении скорости радиальной фильтрации воздуха через поверхностные слои бетона внутрь вакуумированной полости камеры, герметично установленной на поверхности конструкции. Принцип действия прибора основан на создании заданного разрежения в камере прибора, ограниченной с одного торца поверхностью испытываемого материала, и измерении времени, необходимого для повышения на заданном интервале давления в камере за счет фильтрации в нее окружающего воздуха через испытываемый материал, с последующим автоматическим пересчетом измеряемых и заданных величин в сопротивление прониканию воздуха через материал. В результате были определены значения параметра воздухопроницаемости бетона

а, см3/с, для каждого образца и обратное ему значение сопротивления бетона прониканию воздуха т, с/см3. Эти данные использовались для прогнозирования марки бетона по водонепроницаемости.

Параллельно с исследованием морозостойкости и проницаемости было определено водопоглощение образцов бетона. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты определения проницаемости и водопоглощения бетонов

Вид бетона Бетон на комбинированных заполнителях Обычный шлакопем-зобетон Тяжелый бетон

Класс бетона В30 В35 В25 В30 В22,5 В30 В35

Результаты определения проницаемости

Параметр воздухопроницаемости бетона, ас, см3/с 0,128 0,115 0,161 0,154 0,145 0,098 0,093

Среднее значение сопротивления проникновению воздуха, тс, с/см3 7,8 8,7 6,2 6,5 6,9 10,3 10,7

Марка по водонепроницаемости, Ш Ш6 Ш6 Ш4 Ш4 Ш6 Ш8 Ш8

Водопоглощение бетона по массе, Шм, % 7,95 6,88 8,40 8,50 3,9 4,7 -

Из данных табл. 3 следует, что для всех исследованных видов бетона с повышением прочности (класса) наблюдается увеличение сопротивления воздухопрониканию. Значительное влияние на данную характеристику оказывает вид заполнителя. Наличие пористого заполнителя в структуре бетона способствует снижению, а наличие плотного заполнителя - увеличению сопротивления воздухопрони-канию. Наиболее низкие значения сопротивления воздухопрониканию и, соответственно, марки по водонепроницаемости, характерны для обычного шла-копемзобетона, наиболее высокие значения данных показателей получены для образцов тяжелого бетона, бетон на комбинированных заполнителях занимает промежуточное положение между обычным легким и тяжелым бетоном.

Аналогичная тенденция прослеживается при анализе значений водопоглощения различных видов бетона. Данные табл. 3 показывают, что результаты испытаний по определению водопоглощения согласуются результатами определения непроницаемости и морозостойкости. Образцы обычного шлакопемзо-бетона имели наибольшие по сравнению с другими составами значения водопоглощения и наименьшие значения сопротивления воздухопрониканию и марки по водонепроницаемости. Наиболее низкие значения водопоглощения у образцов тяжелого бетона, значения для бетона на комбинированных заполнителях занимают промежуточное положение. Однако бетон на комбинированных заполнителях, несмотря на повышенное, по сравнению с тяжелым бетоном, водопоглощение, имеет высокие показатели коэффициента морозостойкости.

Проницаемость бетона в известной мере определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред. Между полученными значениями сопротивления бетона прониканию воздуха и морозостойкостью получены зависимости:

- для бетона на смеси шлаковой пемзы, природного щебня и гранулированного доменного шлака:

F = - 666,6 + 111,1 тс;

- для обычного шлакопемзобетона:

F = - 883,5 + 166,7тс.

Данные зависимости могут быть использованы для прогнозирования морозостойкости указанных видов бетона. Исходя из полученных марок по морозостойкости (Б200 - Б300), бетон на комбинированных заполнителях может быть рекомендован для наружных стен отапливаемых зданий, эксплуатируемых в климатических условиях, характерных для г. Череповца (требуемые марки по морозостойкости в этом случае составляют Б150 - Б200).

Литература

1. Астраханкина, О.А. Конструкционные облегченные бетоны на комбинированных заполнителях: дис. ... канд. техн. наук / О.А. Астраханкина. - СПб., 1999.

2. Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования. ГОСТ 10060.0-95 - 10060.4-95. - Взамен ГОСТ 10060-87, введ. 1996-09-01. - М., 1997.

3. Бетоны. Методы определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости.

- ГОСТ 12730.0-78 - ГОСТ 12730.4.78, ГОСТ 12730.5-84.

- Изд. сент. 1984 с Изм. 1 (ИУС. 1989. № 11) - Взамен ГОСТ 12730.5-78, ГОСТ 19426-74, введ. 1985-01-07. - М., 1985.

4. ГОСТ 10180-90 (СТ СЭВ 3978-83) Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. - Взамен ГОСТ 10180-90 в части определения прочности бетона по контрольным образцам, введ. 1991-01-01. Переиздание (май 1997 г). - М., 1997.

5. ГОСТ 26134-84. Бетоны. Ультразвуковой метод определения морозостойкости, введ. 1985-01-07. - Переиздание (апрель 1994 г.) с изм. № 1 (ИУС 2-89). - М., 1994.

6. Каптюшина А.Г. Конструкционный легкий бетон на шлаковых заполнителях с повышенными эксплуатационными свойствами: дис. . канд. техн. наук / А. Г. Кап-тюшина. - Харьков, 1987.