Определение неоднородности свойств бетона по сечению бетонных и железобетонных конструкций

Неоднородность свойств бетона в сечении бетонных и железобетонных конструкций обуславливается рядом причин. Это и композиционная структура самого бетона, как строительного материала, и особенности технологии изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций в заводских и построечных условиях, и особенности условий эксплуатации конструкций и изделий в различных областях промышленности.

В подтверждение этому приведём примеры:

неоднородность уплотнения бетона при возведении монолитных конструкций в разных областях сечения (например, основное ядро конструкции колонны и область слоёв защитного слоя),
расслоение бетонной смеси в опалубке при вибрировании, замораживание наружных слоёв бетона конструкции до набора им критической прочности,
повреждение бетона в конструкциях при высокотемпературных воздействиях,
изменение свойств бетона в конструкциях мостов, эстакад, портовых сооружений при эксплуатации в агрессивных водных и воздушных средах (коррозия).

Подобных примеров неоднородности свойств бетона по сечению конструкций можно привести большое множество, но при этом в них можно отметить некоторые общие черты. Неоднородность свойств чаще всего проявляется по направлению от наружных слоёв конструкции к её внутренней зоне. Вместе с тем отмечается снижение одного из главных свойств бетона, как строительного материала, его прочности. Одновременно снижаются и другие важные характеристики бетона – водо- газонепроницаемость, морозостойкость, защитные функции бетона по отношению к коррозионной стойкости арматуры, неоднородность упруго-деформативных свойств бетона по сечению несущих железобетонных элементов конструкций. Всё это влияет как на надёжность железобетонных конструкций, так и на их долговечность.

Для принятия адекватных мер по учёту и устранению влияния проявлений, описанных выше необходимы надёжные и доступные инструменты диагностики. Одним из таких инструментов является описанный в [1] метод испытаний бетона в отобранных из конструкций малогабаритных образцах-цилиндрах. Этот метод основан на установленной взаимосвязи прочности бетона при разных напряжённо-деформированных состояниях, а именно при переходе от прочности на растяжение при раскалывании к прочности при сжатии. Методика установления этой связи регламентирована в новой редакции стандарта [2].

В предложенном нами методе принята схема приложения нагрузки, создающая растягивающие напряжения в поперечном сечении образца-цилиндра [3]. Проведённая серия экспериментальных испытаний (испытано более 30 парных серий образцов) проявила высокую однородность коэффициентов перехода между предлагаемым методом испытаний и существующим прямым методом определения прочности в образцах кубах эталонного размера при испытании высокопрочных бетонов (В60 и выше). В соответствии с методикой [2] определения и оценки однородности полученных переходных коэффициентов результаты однородности прочности имеют коэффициенты вариации не более 15%, что соответствует требованиям стандарта. При этом следует отметить, что в отличие от традиционных методов, принятых при испытании отобранных из конструкции образцов, где дискретность определения прочности по глубине конструкции обычно не может быть (исходя из условия h ? 0,85*d) менее 34 мм, предложенная методика позволяет оценивать изменение прочности по сечению конструкции с минимальной дискретностью до 15 мм, причём при заметно меньших трудозатратах на каждую единицу испытания.

Очевидно, что как таковой факт качественного выявления признаков замораживания бетона в раннем возрасте не имеет практического применения (впрочем, как и других способов внешнего воздействия на бетон и бетонную смесь), т.к. определяющим является конечное количественное изменение (снижение) технических характеристик материала в результате этого воздействия. Выявление подобного снижения характеристик материала ниже заданных проектных значений даёт возможность проектировщику учесть это при оценке эксплуатационной пригодности и долговечности каждой конкретной конструкции.

Испытания

Прикладное применение предлагаемого метода позволило нам на практике количественно определить степень неоднородности прочности бетона в конструкции плиты перекрытия, подвергнутой замораживанию до набора им критической прочности.

Толщина испытываемой плиты перекрытия - 200 мм.
Возраст испытаний – более 28 суток.
Класс бетона – В25

Бетонная смесь с противоморозной добавкой, рассчитанной на минимальную температуру минус 15 °С. Фактическая температура наружного воздуха в первые 7 суток колебалась от минус 10 до минус 25 °С. Это привело к частичному замерзанию бетонной смеси. После 7 дней выдерживания тепловая обработка осуществлялась путём устройства тепляка (с температурой бетона до 50 °С).

Графики, отражающие изменение прочности по сечению конструкции плиты (от верхней плоскости к нижней) представлены на Рисунке 1 (а-г).

Как видно из аппроксимирующих графиков, изменение прочности от поверхности плиты к её середине сечения во всех случаях имеет возрастающую функцию, а на графиках (а), (б) и (г) отмечена тенденция к последующему снижению при испытании слоёв бетона от середины (110 мм от верхней плоскости) к нижней плоскости конструкции (140 мм от верхней или 60 мм от нижней плоскости). Этот характер распределения результатов испытаний является ожидаемым и может быть объясним совокупным влиянием следующих факторов:

наиболее значимым фактором - различной степенью промораживания (разрыхления структуры цементно-песчаной матрицы при замерзании части свободной воды) бетона по сечению плиты, как с верхней, так и с нижней плоскости;
перемещением влаги из-за возникновения температурного градиента по сечению конструкции от её середины к поверхностным слоям в начальный период твердения, что влечёт за собой некоторое изменение водоцементного отношения в бетоне на разных глубинах конструкции;
различной степенью гидратации цемента в разных слоях конструкции из-за различных температурных и влажностных условий твердения.

По характеру распределения результатов испытаний на графиках следует отметить:

высокую величину достоверности аппроксимации полиномиальным уравнением третьей степени в большинстве проведённых серий (R2 = от 0,7 до 1);
плавное возрастание прочности при изменении глубины сечения;
получение близких значений прочности на одних и тех же глубинах по сечению конструкции в образцах, отобранных в одном месте;
существенную (шестикратную) разницу между прочностью бетона наружных и внутренних слоёв бетона конструкции;

Это даёт основания рекомендовать применение изложенного метода определения неоднородности свойств бетона по сечению не только в высокопрочных, но и в традиционных для массового строительства, классах бетона.

Список литературы.

Анцибор А.В., Бруссер М.И. //Новое в методах испытания бетонов// Промышленное и гражданское строительство. 2013г. №1. с 60.
ГОСТ 10180-12 //Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам//.
Заявка на получение патента на изобретение №2012140023 от 19.09.2012г.

В статье описываются возможности новой методики определения прочностных характеристик бетонов, в том числе особо высокопрочных, при испытании на растяжение при раскалывании малогабаритных образцов цилиндров. Отличительным является возможность с высокой дискретностью шага по глубине сечения конструкции определять неоднородность прочностных характеристик бетона, в том числе и в густоармированных конструкциях.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎