Изменение границ микротрещинообразования бетона при отрицательных температурах
В Центральной лаборатории коррозии НИНЖБа в 1966— 167 гг. были проведены исследования граничных областей микротрещинообразования бетона при воздействии температур. Цель исследования — определить степени понижения температуры бетона при его замораживанни, а также влияние многократного попеременного з и оттаивания бетона на изменение величин, соответствующих границам микротрещинообразования.
Учитывая решающее влияние степени водонасыщения бетона на его морозостойкость, предусматривалось зависимость от этого фактора прочностных характерн- тик бетона.
Верхняя условная граница образования микротрещин R? определялась величиной напряжений осевого сжатия, при которой Av достигал значения 0,5, т. е. наибольшего теоретически возможного для сплошного тела. Определение Rr контролировалось в свою очередь прогрессирующим увеличением времени прохождения ультразвукового импульса через бетон.
Исследования проводились на бетонных призмах размером 15X15X55 см. Образцы изготовлялись из бетонной смеси состава по весу 1:1,5:3.5 на портландцементе активностью 553 кг/см2, с расходом цемента 400 кг/м3. Заполнители — гранитный щебень фракций 5—10 мм — 50% п 10—20 мм — 50%. песок кварценый с модулем крупности 2,0.
Образцы испытывали в возрасте 4—5 мес. До этого пх хранили при влажности окружающего воздуха 50±5% и температуре 20 i Г С. Испытывались 2 серии образцов: естсст- ценной влажности (весовая влажность (о,= 2,5-4- 2,8%) и водонасыщенные (весовая влажность со2 = З.С-г 3,9%).
Для определения величин напряжений, соответствующих границам микротрещинообразования замороженного бетона, бетонные образцы обоих серий замораживали до i —2 ГС. —37° С и —54 С, а затем испытывали на кратковременную нагрузку с осевым сжатием.
Для исследования влияния попеременного замораживания и оттаивания бетона на изменение величин напряжений, образцы обоих серий подвергались 10 и 30 циклам замораживания до t= —70° С и оттаивания при <=+20°С. Оттаивание образцов первой серии производилось на воздухе, второй — в воде. Затем бетонные призмы испытывались на кратковременную нагрузку с осевым сжатием. Образцы 2-й серим испытывались в гндроизолнропанном состоянии. На каждом этапе нагружения призмы измерялись се поперечные и продольные деформации, а также время прохождения через образец ультразвуковых волн в направлении, строго поперечном по отношению к сжимающей силе.
Как следствие отмеченного изменения деформативных характеристик, замораживание бетона увеличивает его призменную прочность при отдаляет начало процесса микротрещинообразования бетона и сторону более высоких напряжений (рис. 3). При этом, чем ниже температура замораживания бетона, тем значительнее увеличение напряжений, соответствующих Rр и границам микротрещинообразования. Па рис. А,а показано изменение коэффициентов прочностных характеристик бетона в зависимости or температуры испытания. Коэффициенты определяются отношением величин и величин напряжений, соответствующих нижней I\Jr (/+) и верхней Г1 (К3) границам микротрещинообразовании бетона, подверженного различным температурным воздействиям, к соответствующим характеристикам бетона контрольного образца, испытываемого на осевое сжатие при положительной температуре.
Из рис. 4,а видно, что понижение температуры испытания бетона естественной влажности с —21 до —54° С увеличивает коэффициенты прочностных характеристик бетона от 1,08 до 1,20. Замораживание водонасыщенного бетона приводит к более существенному увеличению указанных коэффициентов. Так, при тех же температурах испытания, что н для бетона естественной влажности, эти значения возрастают с 1,12 до 1,46.
Замораживание бетонных образцов естественной (равновесной) влажности в значительно меньшей степени изменяет и линейные, и объемные деформации.
С увеличением степени бетона нее эти синя, естественно, должны проявляться в большей степени, становится попятным более существенное понижение соответственно более значительное прочностных характеристик замораживании бетона по сравнению с бетоном естественной влажности.
При испытании на осевое сжатие образцов, подвергнутых многократному попеременному , было установлено, что линейные деформации бетонных призм, званные равными по абсолютной величине напряжениями сжатия, существенно больше соответствующих контрольных образцов. С увеличением количества замораживания и оттаивания бетона эта разница. На рис. 1 видно, что объемные деформации бетонного образца, подвергнутого 10 циклам оттаивания, вызванные напряжениями сжатия 7=200 кг/сж2, превышают соответствующие бетона контрольного образца па 26,С°/о, а при 80 — уже на 225%- Из анализа изменения коэффициента поперечной (см. рис. 2) следует, что попеременное замораживание ослабляет сопротивляемость бетона развитию очередь поперечных деформаций. Так величина водонасыщенных образцов, подвергнутых 10 и 30 циклам замораживания и оттаивания при напряжении сжатия о=200 ке/сж2, превышает v бетона контрольного насыщенного образца соответственно па 12,5% и на 5%.
Согласно отмеченному изменению деформатнвных характеристик многократное попеременное замораживание водонасыщенного бетона приводит к резкому уменьшению призменной прочности и величин напряжений, границам микротрещинообразования бетона (см. с. 3). Так, коэффициенты прочностных характеристик бетона, подвергнутого 10 н 30 циклам замораживания и оттаивания, снижаются соответственно:
Ki до 0,775 и 0,035;
Кг до 0.735 и 0,601:
К, до 0,700 и 0,565 (рис. 4,6).
Деформативные н прочностные характеристики бетона ес- ствениой влажности, подвергнутого таким же температурам воздействиям, изменяются в значительно меньшей степе- 1. Так, объемные деформации образцов этой серии, прошедших 30 циклов замораживания и оттаивания, вызванные натяжениями сжатия сг=200 кг/сж2, превышают соответствуют деформации контрольных образцов всего лишь на 9%, а эффинненты изменения прочностных характеристик остаются близкими к 1.
Характер изменения деформативных и прочностных характеристик бетона, подверженного попеременному замораживанию и оттаиванию, можно объяснить доминирующим лпяннем деструктивных процессов.
Величины уровней напряжений ~р определяющих границы микротрещинообразования бетона естественной влажности, подвергаемого 10 и 30 циклам попеременного замораживания и оттаивания, практически почти не отличаются от характеристик бетона контрольного образца.
Это объясняется определенной пропорциональностью в изменении величин. Последнее хорошо прослеживается по картине изменения коэффициента прочностных характеристик бетона разница между которыми в данном случае очень невелика (см. рис. -4,6). Пропорциональное изменение величин АП1, и Rr объясняется в свою очередь тем, что величины напряжений, соответствующие границам микротрещинообразования бетона, так же как н величина призменной прочности бетона, определяются одним и тем же характером развития поперечных деформаций при осевом сжатии. Последний факт, установленный для обычных условий работы бетона, имеет силу н в данном случае, поскольку структура бетона естественной влажности после 30 циклов замораживания н оттаивания (судя по результатам ультразвуковых измерений) нарушена в очень малой степени.
Величины уровнен напряжений, определяющих границы микротрещннообразовании водонасыщенного бетона, после многократного попеременного замораживания и оттаивания все же снижаются, хотя и незначительно. Так величина после 30 циклов снижается 0,810, а величина т с 0,58 до 0,55. Это объясняется более нарушенной в результате температурных воздействий структурой водонасыщенного бетона по сравнению с бетоном естественной влажности. В таком бетоне понижение величин напряжений, определяющих Ях и Rr, как характеристик более чувствительных к структуры бетона, чем RIW, должно, видимо, опережать снижение величины призменной прочности.
Выводы
При замораживании бетона уменьшаются его линейные н объемные деформации, вызванные напряжениями осевого сжатия; снижается величина коэффициента поперечной деформации; возрастают величины напряжений, определяющие границы микротрещннообразования бетона; при этом, чем ниже температура замораживания, тем больше величины этих напряжений.
При многократном попеременном замораживании и оттаивании бетона: увеличиваются сто линейные н объемные деформации, вызванные напряжениями осевого сжатия; повышается величина коэффициента поперечной деформации; снижаются величины напряжений, определяющие границы микротрещинообразования бетона.
Установлено, что коэффициент поперечной деформации, величины напряжений, определяющие границы микротрещин образования бетона, отражают кинетику развития деструктивных процессов, происходящих в бетоне при многократном попеременном замораживании — оттаивании и могут служить физическими критериями морозостойкости бетона.