Оперативный способ определения морозостойкости образцов пористого камня

Существующие методы определения морозостойкости бетона и других пористых материалов обладают высокой трудоемкостью и малой оперативностью. В результате исследования было доказано, что использование относительной остаточной деформации в качестве меры разрушения значительно снижает погрешность определения морозостойкости материала. Выявлено, что отношение относительного снижения предела прочности R к относительной остаточной деформации ε в направлении, перпендикулярном сжатию, является постоянным для конкретного состава. На основе этого был обоснован и запатентован новый метод определения морозостойкости с высокой оперативностью, малой трудоемкостью и высокой точностью

Цель работы – обоснование надежного оперативного способа определения F пористого камня; разработка метода реализации этого способа и необходимых новых устройств; статистическая оценка надежности этого метода.
Решаемые задачи:
1) Оценка точности существующих методов определения морозостойкости;
2) Аналитическое обоснование использования относительной остаточной деформации в качестве меры разрушения материала;
3) Разработка метода и его технологии реализации;
4) Экспериментальная проверка корректности предлагаемого метода.

Успешное решение инженерной задачи в значительной мере зависит от уровня метрологического обеспечения необходимого эксперимента. Аналитически была доказана низкая надежность и высокая трудоемкость определения морозостойкости F заложенных в нормативных документах базовых методов, а следовательно, и их непригодность для выяснения корректности других методов. Кроме того, оценка деградации прочности по относительному изменению прочности R в результате термоциклирования, используемая в базовых методах, затрудняет дисперсионный анализ, т.е. разделение существующего разброса F и ошибок измерения этого показателя. А эта информация необходима для повышения надежности оценки R и F, а также для совершенствования технологии материалов.

Основные шаги реализации нового метода:

1. Изготовление образцов, насыщение их водой;
2. Термоциклирование, замораживая и размораживая каждый образец до нормативных температур;
3. Регистрация относительных остаточных деформаций ε_т образцов после размораживания;
4. Определение пределов кратковременной прочности образцов в условиях одноосного сжатия и перпендикулярные ему остаточные деформации после термоциклирования;
5. Определение отношения z - относительного снижения предела прочности к относительной остаточной деформации  в направлении, перпендикулярном сжатию;
6. Расчет относительной остаточной деформации ε_м, соответствующей допускаемому стандартом относительному снижению предела прочности;
7. Определение морозостойкости F каждого образца, по значениям относительной остаточной деформации ε_т и относительной остаточной деформации ε_м, соответствующей допускаемому стандартом относительному снижению пределу прочности;

Необходимые аппараты и материалы:

• дифференциальный объемный дилатометр ДОД-100-К
• АЭ-комплекс АФ-15 Кишеневского завода
• гидравлический пресс с графопостроителем
• морозильная камера
• сушильный шкаф
• ванна с водой для насыщения образцов
• портландцемент М400 (зависит от эксперимента)
• песок
• гранитный щебень
• вода
• формы для изготовления образцов

Бетонные образцы следует изготавливать в формах, соответствующих требованиям ГОСТ 22685-89.   Пробы бетонной смеси отбирают по ГОСТ 10181-2014, образцы изготавливают и хранят по ГОСТ 10180-2012.

Бетон – один из самых распространённых строительных материалов, его применяют для строительства гражданских и промышленных зданий, гидротехнических сооружений и дорог. Оперативное определение его характеристик с высокой точностью и пониженными трудозатратами – одна из наиболее важных задач строительной индустрии. Выявлено,  для достижения высокой точности определения морозостойкости бетона с помощью существующих методов требуется  испытать неприемлимо большое количество образцов.   Более того, такая проблема существует и в области определения морозостойкости других пористых материалов.

В поисках новых методов определения морозостойкости было предложено и запатентовано два ускоренных метода определения морозостойкости пористых материалов. Предложенные способы были реализованы с целью подтверждения его корректности на следующем составе: портландцемент (1 в.ч.) марки 400, песок (2 в.ч.), гранитный щебень 5…20 мм (4,5 в.ч.) и воду (0,6 в.ч.).

Аналитически доказано, что использование относительной остаточной деформации в качестве меры разрушения позволяет значительно снизить погрешность определения морозостойкости. С помощью математического аппарата выяснена зависимость относительного снижения предела прочности δR/R с относительной остаточной деформации Ԑ_ост. Экспериментально исследована зависимость относительного снижения предела прочности δR/R с относительной остаточной деформации Ԑ_ост, которая является постоянной для конкретного сотава бетона и не чувствительна к замене части термоциклов механическими, а также к исходным и текущим значениям  R₀ . 

Обоснованный новый метод, основанный на измерении относительных остаточных деформациях и замене термоциклов более оперативными циклами механического нагружения позволяет довести величину погрешности определения F до 3%.

Область применения предлагаемого ускоренного метода распространяется на тяжелые мелкозернистые, легкие и плотные силикатные бетоны. На данном этапе вопрос о применении метода для определения морозостойкости бетонов дорожных и аэродромных покрытий, а также для определения морозостойкости в солях не прорабатывался. Теоретически, для этих случаев метод может использоваться. Например, для определения морозостойкости в солях возможно использование образцов, насыщенных соответствующими растворами солей, но данная теория не проверялись практически. Следовательно, после проведения необходимых экспериментов область применения предлагаемого ускоренного метода определения морозостойкости пористых материалов может быть расширена.

Таким образом, была решена задача расширения арсенала технических средств в области оперативного определения морозостойкости бетона и других пористых материалов, которая позволяет определить морозостойкость с низкой погрешностью при низкой трудоемкости испытаний. 

 

1. ГОСТ 10060-2012. Бетоны. Методы определения морозостойкости.
2. Никольский С.Г., Перцева О.Н., Иванова В.И. Обоснование экспресс-метода определения морозостойкости пористых материалов // Инженерно-строительный журнал. 2015. №8(60). С. 7–19
4. Никольский С.Г., Перцева О.Н. Способ определения морозостойкости пористых материалов// Заявка на патент № 2014116713/20 от 5.06.2014.
5. Ахвердев И.Н. Основы физики бетона – М. Стройизат 1981-464с.
6. Никольский С.Г. Экспресc-метод контроля эрозии бетона // Инженерно-строительный журнал. 2008. №2. С. 40–44.
7. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин.-Л,: Наука, 1985, 112с.
8. Кунцевич О.В. Бетон высокой морозостойкости для сооружений крайнего севера. Л: Стройиздат, 1983. 132 с.
9. Никольский С.Г., Перцева О.Н. Способ определения марки бетона по морозостойкости// Патент RU 2543669.

In present article exspress method for the determination of freeze-thaw resistance of cellular materials was offered and reasoned. The proposed measurement technology of concrete frost resistance is based on computation of quantity z - ratio of relative decreasing of compression resistance R to relative permanent set ε in the direction which is perpendicular to pressure. It was found that this ratio is constant for a given composition of the concrete and does not depend on values of R and ε. It is also proved that the values are not sensitive to the replacement of the mechanical thermal cycles. These aspects will decrease the time for the determination of freeze-thaw resistance of concrete and reduce labor intensity of tests conducted. The proposed method has been implemented on 10 samples of concrete with the following composition: portland cement 400 (12,3%), sand (24,7%), granite macadam of dimensions 5 - 20 mm (55,6%), water (7,4%). Specimens cubes, according to the proposed method, saturated with water, measured, subjected to alternate freezing and thawing and axial compression to achieve extreme loads. Then calculated for each sample frost resistant and average value F of sampling. The resulting value was compared with freeze-thaw resistance, which was prepared for the mixture by the basic method. Thus, a new accelerated method for the determination of freeze-thaw resistance of cellular materials has been proved. It is high efficiency, low complexity and cost. Also it has been issued and submit an application for an invention.