ГНМЦ ГП «ВНИИФТРИ»

ОТДЕЛ МЕТРОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

РЕКОМЕНДАЦИЯ
ГСИ. Материалы цементные. Методики ускоренного
определения морозостойкости бетона (раствора) по
структурно-механическим характеристикам

МИ 2489-98

Москва, 1998 г.

Информационные данные

Разработана Государственным научным метрологическим центром ГП ВНИИФТРИ, Отделом метрологии в строительстве

Исполнители: А. И. Марков, М. П. Польяникова

Метрологическая экспертиза проведена Отделом общих и теоретических проблем метрологии ГП ВНИИФТРИ

Утверждена ГП ВНИИФТРИ «19» июля 1998 г.

Зарегистрирована ВНИИМС «26» июля 1998 г.

Вводится с «01» августа 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Область применения

Настоящая рекомендация распространяется на все виды бетона и раствора, кроме ячеистого, на цементном вяжущем с различными добавками, в т.ч. полимерного вяжущего. Методика предназначена для ускоренного определения состава бетона с заданной морозостойкостью и для постоянного контроля морозостойкости бетона и раствора при серийном изготовлении и эксплуатации изделий и конструкций на любых строительных объектах и воздействиях водной и водно-солевой среды.

Рекомендация разработана в развитие и дополнение МИ 1353-93 «ГСИ. Материалы цементные. Методика выполнения измерений при определении характеристик на дифференциальных контрактометрах» и ГОСТ 10060.4-95 «Бетоны. Структурно-механический метод ускоренного определения морозостойкости».

2 Определения

В настоящих рекомендациях приняты следующие термины с определениями:

2.1. Морозостойкость бетона (раствора) - способность бетона (раствора) сохранять физико-механические свойства при многократном замораживании и оттаивании. Морозостойкость бетона характеризуется его маркой по морозостойкости F (ГОСТ 10060.0).

2.2. Основные образцы - образцы, предназначенные для замораживания.

2.3. Контрольные образцы - образцы, предназначенные для определения прочности бетона на сжатие перед началом замораживания основных образцов.

2.4. Марка бетона (раствора) по морозостойкости F - минимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона (раствора), при которых сохраняются первоначальные физико-механические свойства в нормальных пределах (среднее значение прочности бетона на сжатие в основных образцах по сравнению со средней прочностью в контрольных образцах не должно уменьшиться более, чем на 5 %, а для легких бетонов марки до F 50 - не более, чем на 15 %).

2.5. Капиллярно-открытая пористость - объем пор в долях (процентах) от объема бетона, в которых вода переходит в лед при замораживании до минус 20 °С.

2.6. Контракция - уменьшение абсолютного объема материала в результате гидратации цемента. Размерность контракции см³.

2.7. Удельная текущая контракция цемента - контракция 1 г цемента к требуемому времени. Размерность - см³/г.

3 Средства испытаний и вспомогательные устройства

3.1. Оборудование для изготовления, хранения и испытания бетонных образцов, соответствующей ГОСТ 10180 и ГОСТ 28570.

3.2. Морозильный шкаф или бытовой холодильник с морозильной камерой, обеспечивающие достижение и поддержание температуры минус (18 ± 2) °С.

3.3. Переносной контракциометр КД-07 (конструкции ГП ВНИИФТРИ) по МИ 1353-93 и ГОСТ 10060.4

3.4. Электрошкаф сушильный, обеспечивающий температуру нагрева до 105 °С и автоматическое регулирование температуры с пределом допустимой погрешности ±5 °С.

3.5. Весы, имеющие предел допустимой погрешности измерений массы 1 г по ГОСТ 24104.

3.6. Ванна для насыщения водой шести образцов.

3.7. Вода по ГОСТ 23732 в количестве, достаточном для насыщения шести образцов.

4 Порядок подготовки к проведению испытаний

Для испытаний бетона (раствора) на морозостойкость используют либо образцы-кубы или образцы-керны.

Образцы-кубы предпочтительны для заводской технологии и монолитного бетонирования, а образцы-керны предпочтительны для оценки ресурса бетона в интенсивно эксплуатируемых строительных объектах (аэродромы, дороги, гидросооружения и др.).

4.1. Перед изготовлением образцов определяют:

· водопоглощение щебня и песка по ГОСТ 8269 в течение 1 ч;

· водоотделение бетонной смеси по ГОСТ 10180.4 для случая, когда бетонную смесь уплотняют центрифугированием или вакуумированием.

4.2. Основные и контрольные образцы в количестве 6 шт. изготавливают и отбирают по п.п. 4.5-4.10 ГОСТ 10060.0.

4.3. Образцы-керны в количестве 7 шт. отбирают из конструкции и хранят по ГОСТ 28570.

4.4. Контрольные и основные образцы насыщают водой по ГОСТ 10060.0.

4.5. Перед испытаниями образцов-кернов из бетона неизвестного состава или образцов, изготовленных из жестких бетонных смесей со значительным недоуплотнением, один из них подвергают следующим испытаниям:

· определяют массу m_во одного керна (образца), г;

· определяют объем V керна (образца), см³;

· раскалывают керн (образец) и отбирают только куски ориентировочным объемом 20-30 см³ и определяют массу т_вi полученной пробы, г;

· кипятят пробу в течение 5 ч, охлаждают до температуры плюс (20 ± 2) °С, охлажденную воду сливают и определяют массу пробы m_ki, г;

· высушивают пробу в сушильном шкафу при температуре (105 ± 5) °С до постоянной массы т_ci.

4.6. Определяют капиллярно-открытую пористость П_ki бетона в проектном возрасте, %:

а) для образцов (кернов) из бетона с известным составом

 %                                    (1)

где

W_i - объем воды затворения в 1 л уплотненной смеси образца бетона за вычетом водоотделения в процессе уплотнения, см³;

П_i, Щ_i - масса заполнителей в 1 л бетона, соответственно мелкого и крупного, г;

β₁, β₂ - водопоглощение заполнителей, в долях от их массы за время перемешивания и уплотнения смеси, соответственно мелкого и крупного, см³/г. Для пористых заполнителей допускается в формуле 1 вместо β₁Пi - β₂Щ_i + ν_o использовать ν_o/2.

Примечание.

Для заполнителей плотных пород (гранит, базальт, кварц) водопоглощение β₁ и β₂ допускается принимать равным 0,01 см³/г.

ν_о - объем открытых пор пористых заполнителей (объем воды, поглощаемый пористыми заполнителями за 1 ч), см³;

ΔV¢_i - удельная текущая контракция применяемого цемента к моменту испытаний материала на морозостойкость, см³/г.

Значение ΔV¢_i определяют заранее по мере поступления цемента, используя методику, изложенную в МИ 2486-98:

K₅ - стехиометрический коэффициент контракции, принимаемый по таблице 1;

С_i - масса цемента в 1 л бетонной смеси, г.

Таблица 1

б) для образцов (кернов) из бетона с неизвестным составом:

,                                              (2)

где

m_ki; m_ci; m_вi; m_вo; V - величины по п. 4.5 настоящей рекомендации.

γ_w - плотность воды при температуре (20 ± 2) °С, принимаемая равной 1 г/см³;

Д - коэффициент, отражающий объем пор в бетоне керна, в котором вода не переходит в лед при замораживании до минус (18 ± 2) °С (определяют по таблице 2), отн.

Таблица 2

В числе приведены значения Д для мелкозернистого бетона (раствора). Их корректируют по примечанию МИ 2625 (стр. 87).

Примечание.

Капиллярно-открытую пористость тощих бетонов с большой межзерновой пустотностью (изготовленных из жестких бетонных смесей) определяют по формуле 1, где вместо W_i подставляют W_j из выражений 2а или 2б.

W_f = W_i + 1000 · (0,97 - γ_ф / γ_p),                                               (2а)

здесь

γ_ф, γ_p - объемная масса свежеуплотненной бетонной смеси в образцах испытываемого на морозостойкость бетона соответственно фактическая (определяют путем взвешивания) и расчетная (определяют при расчете состава бетона по методу абсолютных объемов):

,                                                 (2б)

5 Порядок проведения испытаний

5.1. Насыщенные водой контрольные образцы непосредственно после извлечения из ванны испытывают на прочность при сжатии по ГОСТ 10180.

5.2. Основные образцы сразу после извлечения из ванны помещают в морозильный шкаф и подвергают однократному замораживанию в течение 5 ч при температуре минус (18 ± 2) °С.

5.3. Основные образцы после извлечения из холодильника (морозильного шкафа) в замороженном состоянии незамедлительно испытывают на прочность при сжатии и вычисляют коэффициент повышения прочности и бетона К_i по формуле

,                                                                  (3)

где

,  - средние арифметические значения прочности бетона соответственно в контрольных и основных образцах, МПа.

5.4. Из таблиц А.1 и А.2 Приложения А для установленного значения капиллярно-открытой пористости испытываемого бетона находят соответствующие значения морозостойкости М_тах и М_min, а также коэффициентов повышения прочности K_тах и K_min и рассчитывают морозостойкость бетона М_i в циклах по формуле

,                                     (4)

где

К_i - фактический коэффициент повышения прочности бетона, отн.;

М_max, М_min - соответственно максимальная и минимальная морозостойкость бетона, циклы;

K_max, K_min - соответственно максимальный и минимальный коэффициенты повышения прочности бетона, отн.

Если значение К_i для данной капиллярно-открытой пористости меньше К_min, то морозостойкость М_i определяют по формуле

,                                                          (5)

где

.

Если значение К_i для данной капиллярно-открытой пористости больше K_max, то морозостойкость М_i определяют по формуле

,                                                          (6)

где

.

Значения чисел N₁ и N₂, возведенных в степень 1/3, приведены в таблице Б.1 Приложения Б.

6 Правила обработки результата испытания

6.1. Результат определения морозостойкости представляют формулой

М_i = М · (1 - Δ_o),                                                           (7)

где

,                                               (8)

К_M для тяжелого бетона, раствора и легкого бетона принимают соответственно 0,004; 0,005; 0,006.

Значения средних квадратических отклонений  и  находят по формулам

,                                                      (9)

,                                                      (10)

6.2. Испытанному бетону устанавливают марку по морозостойкости F равную меньшему, ближайшему к М_i значению F, приведенному в ГОСТ 10060.

6.3. Определение морозостойкости бетона (раствора) при минус (18 ± 2) °С в солевой среде, а также при использовании золоцементных вяжущих, содержании в вяжущем минеральных добавок свыше 50 % (по массе), применении новых видов суперпластификаторов и заполнителей типа гравия осуществляют по вышеизложенной методике, а результат умножают на понижающий коэффициент А.

Методика определения коэффициента А приведена в приложении В.

6.4. Методика ускоренного определения морозостойкости бетона неизвестного состава без применения однократного замораживания приведена в приложении Г.

6.5. Методика ускоренного определения морозостойкости бетона в возрасте 28 сут путем испытаний образцов непосредственно после их тепловлажностной обработки (ТВО) приведена в Приложении Д.

6.6. Методика экспрессной корректировки состава бетона в целях обеспечения требуемой морозостойкости приведена в приложении Е.

6.7. Исходные данные и результаты определения морозостойкости бетона заносят в журнал по форме, приведенной в Приложении Ж.

Приложение А

Таблица А.1 - Показатели шкалы морозостойкости тяжелого бетона и раствора

Таблица А.2 - Показатели шкалы морозостойкости легкого бетона

Приложение Б

Taблица Б.1 - Значение чисел N, возведенных в степень 1/3

Пример 3,5^1/3 = 1,52

Приложение В

Методика определения переводного коэффициента А

1. Для определения коэффициента А проводят предварительные испытания на морозостойкость бетона одного состава с особенностями компонентов и условиями эксплуатации, указанными в п. 6.3. настоящей рекомендации, вышеизложенным ускоренным методом (находят M_i), а также определяют по ГОСТ 10060.1 (в водной или водно-солевой среде) при температуре минус (18 ± 2) °С.

В целях сокращения объемов работ состав бетона выбирают с наибольшим применяемым в конкретном производстве водоцементным отношением.

2. При испытаниях по ГОСТ 10060.1 количество образцов n в серии для испытаний должно быть не менее:

для водной среды                              n = 3 (1 + М_i / 2f),                                     (B.1)

для водно-солевой среды                   n = 3 (1 + М_i / 4f),                                   (В.2)

где

f - количество циклов, через которые периодически испытывают по 3 образца на прочность (значения f в зависимости от М_i приведены в табл. В.1).

Результаты расчетов по формулам В.1 и В.2 всегда округляют до ближайшего большего целого числа.

Таблица В.1

3. Мерные испытания образцов на прочность при водной среде производят через М_i/2 циклов, а при водно-солевой среде - через М_i/4 циклов. Заканчивают испытания по достижению критерия по ГОСТ 10060.1, определяя при этом фактическую морозостойкость М_фi.

4. Значение коэффициента А вычисляют по формуле

А = М_фi / М_i                                                           (В.3)

и в дальнейшем используют для ускоренного определения морозостойкости бетона других составов с особенностями компонентов, указанными в п. 6.3 настоящей рекомендации. При водно-солевой среде значения коэффициента А находятся в пределах от 0,3 до 0,6. Ориентировочные значения коэффициента А для некоторых общих случаев таковы: при заполнителях из гранита и кварцевого песка и Г = 0; Г ≤ 1; 1 < Г ≤ 3; 3 < Г < 5 соответственно 0,6; 0,55; 0,45; 0,4; при использовании дробленого гравия и гравия для указанных значений Г, приведенные значения А необходимо умножить соответственно на 0,85 и 0,75.

Приложение Г

Методика ускоренного определения морозостойкости бетона неизвестного состава без применения однократного замораживания

1. Откалывают 3 пробы бетона от изделия (конструкции). Ориентировочный объем каждой пробы не менее 0,5 л при максимальной крупности щебня до 40 мм.

2. Насыпают пробы бетона водой при температуре от 18 до 27 °С в течение 24 ч и определяют их суммарную массу в водонасыщенном состоянии т_n.

Одновременно определяют (по вытесненному объему воды) суммарный объем проб V_n.

3. Раскалывают водонасыщенные пробы на куски и отбирают из них куски ориентировочным объемом 20 ÷ 30 см³ каждый, определяют их суммарную массу в водонасыщенном состоянии т_no (m_no должно быть не менее 2/3 т_n).

4. Набор кусков насыщают водой кипячением в течение 5 ч. охлаждают до (20-25) °С и определяют взвешиванием их массу после кипячения m_ko.

5. После охлаждения и взвешивания набор проб высушивают при температуре (100 ± 5) °С до постоянной массы m_co.

6. Вычисляют капилляро-открытую пористость бетона по формуле

,                                         (Г.1)

где

Д - коэффициент, принимаемый по таблицы 2, п. 4.6 настоящей рекомендации;

γ_w - плотность воды в свободном состоянии при температуре 20 °С, принимаемой равной 1 г/см³.

7. Вычисляют коэффициент K_i повышения прочности водонасыщенного бетона на сжатие при однократном замораживании

,                      (Г.2)

Если имеются сведения о прочности испытываемого бетона, то коэффициент 0,9 в формуле (Г.2) заменяют на значения коэффициента В, приведенного в таблице Г.1.

8. Морозостойкость бетона М_i далее определяют в соответствии с п.п. 5.4-5.5 настоящей рекомендации.

Приложение Д

етодика ускоренного определения морозостойкости бетона в возрасте 28 сут путем испытаний образцов непосредственно после их тепловлажностной обработки (ТВО) или возрасте 7 сут нормального твердения

1. После ТВО бетона 6 образцов одного состава охлаждают до комнатной температуры, выдерживают в течение одних суток в естественных лабораторных условиях при температуре (20 ± 5) °С и затем подвергают стандартному водонасыщению в течение четырех суток.

2. Определяют, как и по п.п. 5.1-5.3 настоящей рекомендации, коэффициент K_i = K_m, повышения прочности бетона при однократном замораживании водонасыщенных образцов.

3. Определяют капиллярно-открытую пористость П_Т бетона после ТВО по формуле (1), где вместо ΔV¢_i подставляют ΔV¢_T (см. МИ 2486-98). Удельную текущую контракцию цемента в бетоне после ТВО определяют по формуле

,                                                 (Д.1)

где

R_T, R₇ - пределы прочности бетона после ТВО и в возрасте семь суток изначального твердения в нормальных условиях (для определения необходимо дополнительно изготовить 3 образца и испытать их в возрасте семи суток).

Примечание.

Методика определения ΔV¢_T приведена в приложении А МИ 2486-98.

4. По капиллярно-открытой пористости П_Т бетона, подвергнутого ТВО, находят из таблицы А.1 соответствующие ей значения K_max = K_Tmax и K_min = K_Tmin.

5. Определяют капиллярно-открытую пористость П₂₈ бетона в возрасте 28 сут по формуле (1), вместо ΔV¢_i подставляют ΔV¢₂₈, взятую из табл. 2 МИ 2486-98.

6. По капиллярно-открытой пористости П₂₈ находят из табл. А.1 соответствующие ей значения K_max = K_28max и K_min = K_28min, а также M_max = M_28max и M_min = M_28min.

7. Прогнозирует коэффициент К₂₈ повышения прочности бетона при однократном замораживании водонасыщенных образцов в возрасте 28 суток по формуле

,                                  (Д.2)

8. Морозостойкость бетона в возрасте 28 сут рассчитывают по формуле

,                              (Д.3)

9. При проведении испытаний бетона в возрасте 7 сут вместо ΔV¢_T используют ΔV¢₇, взятое из табл. 2 МИ 2486 К_i = К₇, далее производят расчеты по формуле (Д.2) используя K_7max, K_7min и К₇ взамен K_Тmax, K_Тmin и К_Т.

Приложение Е

Методика экспрессной корректировки состава бетона в целях обеспечения требуемой морозостойкости

Корректировку состава бетона производят, если в результате его испытаний фактическая морозостойкость М_i оказывается меньше требуемой F.

1. Для осуществления методики необходимо предварительно построить график зависимости морозостойкости бетона от его капиллярно-открытой пористости.

График строят по данным табл. А1 (Приложение А), при этом для каждого значения пористости выбирают соответствующие значения только M_max и M_min. Диапазон пористости принимают в соответствии с ее возможными значениями в каждом конкретном случае. Например, для высокоморозостойких бетонов 1,5 ≤ П_ki £ 5, для среднеморозостойких £ 5 < П_ki ≤ 10, маломорозостойких П_ki > 10. Возможны и сочетания типа 3 ≤ П_ki ≤ 12 и т.д. В качестве примера, на рис. E.1 и приведен такой график.

Желательно график строить на размеченном листе («миллиметровке»), используя масштаб пористости с ценой деления не более 0,1 %. На графике строят и кривую усредненной морозостойкости М, по точкам, вычисляемым для каждого значения пористости по зависимости (М_max + М_min) / 2.

2. Если полученная в результате испытаний морозостойкость бетона M_i < F_i, то поступают следующим образом. Наносят на график полученное значение М_i для соответствующей пористости П_ki. Анализируют положение M_i на графике. При этом возможны три случая: M_min ≤ M_i < M, M_i = M, M < M_i ≤ M_max.

В приводимом примере (см. рис. E.1) пористости П_k1, П_k2 и П_k3 соответствуют фактические значения M₁, M₂ и M₃, которые отвечают случаям, первому, второму и третьему.

Рис. E.1. Зависимость морозостойкости бетона от его капиллярно-открытой пористости

Во всех случаях из точек M₁, M₂ и M₃ проводят кривые (указаны стрелками) до их пересечения с горизонтальными линиями, исходящими из значений требуемой морозостойкости F₁, F₂ и F₃ (см. ось ординат и пунктирные линии). Кривые в первом и третьем случае ведут параллельно кривым соответственно М_min и M_max, а во втором - по кривой .

Из точек пересечения кривых с пунктирными, прямыми опускают перпендикуляры на ось ординат и отсекают на ней значения пористости П¢_k1, П¢_k2 и П_k3, обеспечивающие требуемую морозостойкость соответственно F₁, F₂ и F₃.

3. Корректировку состава бетона осуществляют по нескольким вариантам.

Первый - в формуле 1 (п. 4.6), сохраняя расход воды W_i, изменяют расход цемента в сторону его увеличения, уменьшают на соответствующий абсолютный объем суммарный расход заполнителей или расход песка до тех пор пока расчет П_ki не приведет к установленному значению П¢_ki.

Возможен второй вариант варьирования показателей в формуле (1) - с помощью увеличения расхода добавки-пластификатора (если она применяется) до допустимого практикой и рекомендациями уровня. Для этого можно воспользоваться Программой экспресс-определения состава бетона (ЭСПБУ), задаваясь требуемой прочностью и удобоукладываемостью и увеличивая расход добавки до достижения П_ki (отдельно считая ее по формуле 1). Недостающее при этом уменьшение пористости дополняют с помощью первого варианта.

Оба варианта рекомендуют, когда воздухововлекающая добавка либо не применяется, либо дозируется в количестве, обеспечивающем оптимальный эффект.

Третий вариант - введение в бетонную смесь воздухововлекающей добавки, после того как первый и второй варианты (если воздухововлекающую добавку не применяли) не позволяют достигнуть установленного значения П_ki.

Этот вариант реализуют только экспериментальным путем, используя составы, скорректированные по двум предшествующим вариантам. Однако, при этом следует помнить, что 1 % вовлеченного в смесь воздуха приводит к снижению прочности бетона на 4 ÷ 6 %.

Для того, чтобы требуемая прочность бетона была также обеспечена необходимо вернуться к ЭСПБУ и снова рассчитать состав бетона по условию прочности и удобоукладываемости с учетом дополнительного объема вовлеченного воздуха.

Если в этом расчете отношение суммы объема воды и воздуха к массе цемента будет не больше, чем после корректировки по третьему варианту, то поставленная задача считается решенной.

Третий вариант можно реализовать и проверить, не дожидаясь 28 суток, по методике Приложения Д.

Необходимо помнить, что эффективность воздухововлечения снижается с повышением пластичности бетонной смеси. Изначально содержащийся в смеси воздух теряется при ее транспортировании в миксерах, подаче по трубопроводам и последующем уплотнении. Например содержанию вовлеченного воздуха 4 % в смеси с пластичностью П4, определенным компрессионным методом непосредственно после ее приготовления, соответствует объемная масса 2280 ÷ 2290 г/л (заполнители: щебень гранитный и кварцевый песок). Фактическая же объемная масса этой бетонной смеси после транспортировки и уплотнения на месте (в изделии), как правило, составляет 2350 ÷ 2360 г/л, что соответствует воздухосодержанию 1,5 ÷ 2 %. Во избежании заблуждений и ошибок по определению повышения морозостойкости бетона за счет воздухововлечения его необходимо обеспечивать в изделии и определять одновременно с укладкой в него бетонной смеси. Для этого целесообразно использовать известную методику, приведенную в МИ 2488 (стр. 8).

Приложение Ж

Таблица Ж.3 - Форма журнала ускоренного определения морозостойкости бетона

Начальник подразделения              ______________               ________________

(лаборатория)                                           подпись                            и.о. фамилия

Лицо, проводившее                         ______________               ________________

испытания                                                подпись                            и.о. фамилия