book_23313

В некоторых случаях разрушение бетона нельзя оценить визуально и эффективна совместная оценка состояния образцов по внешнему виду и, например, результатам ультразвукового прозвучивания.

Разработаны также расчетные методы прогнозирования морозостойкости бетона, основанные на эмпирических уравнениях между числом циклов замораживания и оттаивания и структурными критериями.

Например, предложен критерий морозостойкости (КМ), линейно связанный с критическим числом циклов:

где П0 = Поп – Пр – открытая пористость (Поп – общая пористость; (Пр – условно-замкнутая (резервная) пористость); Іt и І-10 – объемное содержание льда при температуре замораживания образцов t°С и при –10°С.

Уравнение, связывающее число циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживает бетон без значительного снижения прочности (F) и КМ, полученное Т.И. Розенберг и О. В. Кунцевичем, имеет вид:

Предложен также другой параметр морозостойкости (С), связан-

где F0 и Со – некоторые предельные значения параметров F і С. Для определения содержания льда в бетоне предлагаются раз-

личные экспериментальные методы. Наибольшей популярностью 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.

Структурный критерий морозостойкости бетона был предложен Т. Уайтсайд и Х. Свитом. Этот критерий, известный как "степень насыщения" (СН), равен:

181

где Vз.в. и Vвв – объемы замерзающей воды и вовлеченного воздуха на единицу объема бетона.

Установлено, что при СН <0,88 бетон обладает высокой морозостойкостью, а при СН> 0,91 быстро разрушается. Морозостойкость (F) связана с величиной степени насыщения обратной зависимостью:

А.Е. Шейкиным предложен критерий морозостойкости (КF), который базируется на гипотезе о том, что условно-замкнутая пористость (Пу.з) бетона для предотвращения его разрушения при замораживании и оттаивании должна быть не менее возможного увеличения объема воды, заполняющего поровое пространство бетона:

где Пі – интегральная или открытая пористость, которая равна объемному водонасыщению бетона.

Интегральная пористость бетона (Пи) рассчитывается по разности общей пористости (По) и контракционного объема (Пкон), т.е. она равна сумме капиллярной и гелевой пористости:

Пи = По-Пкон = (В – 0,23αЦ) – 0,041αЦ = В-0,271αЦ. (2.131)

где В; Ц –соответственно расходы воды и цемента, кг/м3; α -степень гидратации цемента.

Выносливость. Выносливость бетона характеризует его способность сохранять прочность при многократном повторении нагрузки. Испытания бетона на выносливость проводят на образцах-призмах размерами 70 × 70 × 280, 100 × 100 × 400, 150 × 150 × 600, 200 × 200 × 800 мм. Как базовый принимают образец - призму с размерами 150 × 150 × 600 мм. В состав серии входят 6 образцов, 3 из которых подвергают многократной нагрузке, а 3 испытывают на призменную прочность.

Испытания выполняют на испытательных машинах и установках, которые работают в режиме многократного повторного нагружения согласно ГОСТ 24545-81. До испытаний на выносливость определяют призменную прочность.

182

Испытания на выносливость выполняют при постоянных уровнях нагрузки (0,9; 0,8; 0,7 и 0,6 от разрушающей) на образцах в возрасте не менее 28 суток. Рост напряжения при нагружении образцов осуществляют непрерывно с постоянной скоростью - 0,05 ... 0,02 МПа/с.

Схема испытательной машины приведена на рис. 2.59.

1

2

3

3

4

5

К пульсатору

Рис. 2.59. Схема машины для испытания бетона на выносливость 1 – рама машины; 2 – верхняя винтовая опора; 3 – образец; 4 – гидродомкрат; 5 – маслопровод

По результатам испытаний отдельных образцов при заданных параметрах нагружения вычисляют среднее значение числа циклов повторной нагрузки п по формуле:

n

∑ni

где ni – значение числа циклов для отдельного образца; m – число

образцов в серии.

Для проведения испытаний с целью построения уравнения регрессии выносливости серия должна состоять из 15 образцов, из которых 12 образцов подвергают многократно повторному нагружению, а на 3 образцах определяют призменную прочность

Уравнение регрессии имеет вид:

183

где σmax – максимальное напряжение, МПа; R – призменная прочность, МПа; А и В – коэффициенты регрессии.

Линия регрессии строится в виде диаграммы, на оси абсцисс которой откладывают в логарифмическом масштабе число циклов нагрузок до разрушения образцов, а по оси ординат σmax/R.

Пример 2.18. Построить линию регрессии и определить выносливость бетона.

Результаты испытаний приведены в табл. 2.34.

184

Линия регрессии по результатам испытаний бетона на выносливость приведена на рис. 2.60.

Рис.2.60. Линия регрессии по результатам испытаний бетона на выносливость

2.6.Теплофизические свойства бетона

Вгруппу теплофизических свойств бетона можно отнести тепловыделение, теплопроводность, теплоемкость, коэффициенты температуропроводности и линейного температурного расширения, термостойкость и др. Показатели этих свойств учитывают при расчетах ограждающих конструкций на термическое сопротивление, температурных полей и трещиностойкости массивных сооружений, режимов тепловой обработки конструкций, их твердения в

условиях низких температур, поведения при нагревании и др. Температура бетона. Для определения температуры на поверх-

ности или внутри бетона применяют контактные или бесконтактные приборы.

К первой группе относятся термометры: ртутные, термоэлек-

трические - термопары, сопротивления в т.ч. термисторы (термо-

метры сопротивления полупроводниковые). Для определения температуры бетонной поверхности применяют термощупы, которые состоят из измерительной части (щупа) и регистрирующего блока. Термочувствительным элементом щупа является термометр сопротивления, который вмонтирован в медную или алюминиевую кап-

185

сулу. Регистрирующий блок включает мостовую схему с пределами измерения от 0 до 1000С.

В тело бетона термометры устанавливают в специальные скважины.

К бесконтактным приборам для измерения температуры относятся инфракрасные пирометры и тепловизоры. Их принцип действия основан на фотоэлектрической или фотографической регистрации теплового излучения от нагретых тел, которое пропорционально их температуре.

Наиболее высокая точность достигается при контактных методах измерения температуры. Бесконтактный метод служит для измерений высоких температур, когда невозможно применять контактные методы и не требуется высокой точности.

Теплопроводность. Теплопроводность определяют преимущественно для легких и теплоизоляционных бетонов. Мерой теплопроводности является количество теплоты, передаваемой за единицу времени через единицу поверхности при градиенте температур

10/м (коэффициент теплопроводности).

Теплопроводность (λ) рассчитывают по формуле, которая базируется на законе Фурье:

где Q – количество теплоты, Дж; δ – толщина материала, м; F – площадь сечения, которая перпендикулярна направлению теплового потока, м2; ∆Т – разность температур,0С; τ – время, с.

Справочные значения λ для газобетонов приведены в табл. 2.35. Для расчета ориентировочного значения теплопроводности (Вт/(мּ0С)) воздушно-сухих материалов (влажность 1 ... 7%) применяют ряд эмпирических зависимостей, например, формулу В.П.

Некрасова:

где d –относительная плотность.

Расчетные значения теплопроводности линейно изменяются с изменением влажности W:

где λс – теплопроводность сухого материала; ∆λ – прирост теплопроводности, %, на каждый процент изменения влажности (для минеральных материалов ∆λ=0,0023 при положительных температурах).

186

Теплопроводность бетона также линейно изменяется с повыше-

где в=0,0025 при температуре до 100°С, при температуре выше

С теплопроводностью однозначно связано термическое сопротивление RТ, которое характеризует сопротивление материалов теплопередаче:

где δ – толщина материала.

Теплопроводность бетонов может определяться по ГОСТ 3029094 поверхностным преобразователем или по ГОСТ 7076-99 при стационарном тепловом режиме.

Метод определения теплопроводности поверхностым преобра-

зователем распространяется на строительные материалы и изделия с теплопроводностью от 0,02 до 1 Вт/(м·0С) в интервале температур 5...40°С. Метод заключается в создании теплового импульса на поверхности образца и регистрации изменения температуры на этой поверхности.

Для испытаний применяют измерительный комплекс (рис. 2.61), который состоит из:

- первичного преобразователя, предназначенного для преобразования импульса электрической энергии в тепловую и создания элек-

187

трического сигнала, который характеризует изменение температуры поверхности материала под действием теплового импульса.

-вторичного измерительного прибора для регистрации электрического сигнала;

-импульсного источника тока с таймером теплового импульса, обеспечивающего нагрев пластины первичного преобразователя.

Вкачестве вторичного измерительного прибора применяют вольтметр чувствительностью не ниже 1•10-6В с цифропечатающим автономным или встроенным устройством и таймером.

При проведении испытаний первичный преобразователь устанавливают на поверхность бетона, которая должна быть плоской и обеспечивать необходимый тепловой контакт. После подачи теплового импульса регистрируется изменение электрического сигнала пропорционального температуре поверхности исследуемого материала. Замеры проводят до появления практически одинаковых значений. Обработка результатов экспериментов и расчетов теплопроводности выполняется в соответствии с рекомендациями ГОСТ

30290-94.

Рис. 2.61. Схема измерительного комплекса для определения теплопроводности поверхностным преобразователем:

1 - исследуемый материал, 2 - первичный преобразователь 3 - вторичный измерительный прибор для регистрации электрического сигнала, 4 - импульсный источник тока с таймером теплового импульса, 5 - основание

188

Метод определения теплопроводности при стационарном тепловом режиме заключается в создании теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца.

Для проведения испытаний применяют приборы, имеющие нагреватель и холодильник, а также тепломер и датчики температуры (рис. 2.62).В процессе испытаний обеспечивают разность температур лицевых граней образца 10...30°С. Через каждые 300С проводят замеры сигналов тепломера и датчиков температур лицевых граней образца. Тепловой поток считается стационарным, если значения термического сопротивления образца отличаются друг от друга менее чем на 1%. Обработка результатов испытаний выполняется согласно ГОСТ 7076-99.

Рис. 2.62. Схема прибора для определения теплопроводности при стационарном тепловом режиме: 1 – нагреватель; 2 – тепломеры; 3 – холодильник; 4 – исследуемый образец

Тепловыделение (экзотермия) бетона. Тепловыделение бетона является результатом экзотермических реакций, происходящих при гидратации и твердении цемента. Экспериментальное определение

189

тепловыделения возможно в калориметрах термосного, изотермического и адиабатического типов. В термосных калориметрах сохраняется теплота, выделяемая при гидратации цемента, и устанавливается некоторый переменный температурный режим твердения образцов. В изотермических калориметрах поддерживается постоянная температура твердения, а в адиабатических температура в камере устанавливается такая же температура как и внутри образца и при твердении последнего она постепенно повышается.

Для бетонов стандартизирован (ГОСТ 24316-80) метод определения тепловыделения цемента в бетоне, твердеющем в адиабатических условиях, путем измерений подъема температуры во времени и последующего проведения необходимых расчетов. Данный метод в определенной степени моделирует условия твердения бетона внутри бетонных массивов. Для установления показателя подъема температуры твердеющего бетона применяют калориметр (рис. 2.63), в состав которого входит камера из материала низкой теплопроводности, которая снабжена устройствами для подогрева и охлаждения воздуха и автоматического поддержания адиабатического режима твердения бетонного образца (с допустимым отклонением температуры среды от температуры бетона не более чем на 0,2°С). Бетонную смесь укладывают в форму образца-куба или цилиндра, размер которых устанавливают с учетом крупности заполнителя, вводят датчики температуры и подвергают вибрации. Температуру в камере доводят до температуры бетонной смеси. Форму с бетонной смесью закрывают кожухом и помещают в адиабатическую камеру, которую затем плотно закрывают и включают автоматическое регулирующее устройство и регистрирующий прибор, записывающий температуру твердеющего бетона. Замеры температуры выполняют до тех пор пока ее рост не будет превышать 1 °С за 5 суток.

Удельное тепловыделение цемента в бетоне q, кДж / кг за дан-

ный промежуток времени определяют по формуле:

где С0 = Сб.с. + Сф – теплоемкость бетонной смеси (Сб.с) и формы (Сф), кДж/К; mц – масса цемента; t0 – начальная температура бетонной смеси, К; t– температура бетона в конце данного промежутка времени.

190