Материалы, предназначенные для устройства несущих конструкций, должны обладать каким-то запасом долговечности. Вообще, долговечность - это свойство конструкции, а не материала. Но для материалов тоже есть критерии оценки применимости для устройства ответственных зданий с большим расчетным сроком службы.

Для определения долговечности металлических конструкций применяют понятие коррозионной стойкости. Для металлов предусматривают способы защиты от коррозии: покрытия, легирование, защитные слои бетона вокруг арматурных стержней. Для полимеров иногда нормируют стойкость к деполимеризации и охрупчиванию. Однако полимеры в качестве элементов несущих конструкций почти не применяются, поэтому их долговечность на безопасную эксплуатацию влияет мало. Для каменных конструкций в качестве критерия долговечности используют марку по морозостойкости материала наружного слоя кладки.

Основной механизм старения камней - исчерпание ресурса морозостойкости внешними слоями кладки, подвергающимися воздействию дождей и мороза. Нормируется морозостойкость материала наружных 12 см однослойной каменной кладки или морозостойкость наружного слоя слоистой стены, а также морозостойкость материала верхней части каменных фундаментов - на всю толщину кладки (требования изложены в СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции»).

Если каменная конструкция спроектирована правильно - с учетом недопустимости влагонакопления в толще стены в отопительный период - то морозостойкость слоев, не подвергающихся прямому воздействию осадков, становится не важным фактором.

Нормируется морозостойкость через марку по морозостойкости. Для стен жилых и офисных зданий с расчетным сроком эксплуатации 100 лет и более, морозостойкость камня должна быть не ниже марки F35. Для зданий, которые строятся на побережье Северного Ледовитого океана - не ниже F50. Для тонких каменных облицовок требования жестче - F75.

Что такое марка по морозостойкости? Это количество лабораторных циклов замораживания водонасыщенного материала до температуры –18 °С с последующим оттаиванием без высушивания, при котором не происходит снижения эксплуатационных свойств материала. Критерии проверки качества циклически промороженных материалов отличаются. У бетонов проверяется потеря прочности (должна быть не более 15%). У кирпича проверяется сохранение внешнего вида.

Для оценки применимости материалов и долговечности конструкций из них следует понимать, что численное значение марки никак не связано с ожидаемым количеством лет безаварийной эксплуатации. Просто в первой половине ХХ века, когда разрабатывали методы оценки применимости камней для кладки ответственных конструкций, определили опытным путем, что камни, в лаборатории показывающие 35 циклов, в натурных условиях европейской части России обеспечивают более ста лет неизменности свойств наружных стен.

Для примера возьмем знакомые нам здания из массовой застройки Ленинграда: кирпичные 12 этажные точечные дома со стенами в 2 щелевых кирпича, строившиеся в 1970-х гг., построены из кирпича морозостойкостью по большей части F25–35; газобетонные панельные «корабли» серии 600.11 - из газобетона марки F25. И те и другие эксплуатируются по полвека без признаков разрушения. Их ресурс далек от исчерпания.

Заключение: практически все каменные материалы, из представленных на современном рынке, обладают достаточной морозостойкостью для строительства домов, которые прослужат не одному поколению жильцов. Важно обеспечивать их грамотную эксплуатацию: водоотвод с подоконников и парапетов, наружная отделка, не запирающая влагу в толще стены, нормальный влажностный режим помещений, ограждаемых каменными стенами или пароизоляция на их внутренней поверхности.

Что такое морозостойкость и каковы методы ее определения? Какие требования по морозостойкости предъявляют к керамическим стеновым и облицовочным материалам

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений - трещин, выкрашивания (потеря массы не более 5%).

От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды. Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений. Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку 50, 100 и 200, а гидротехнический бетон - до 500.Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т.п.) перед испытанием образцы насыщают водой. После этого их замораживают в холодильной камере от -15 до -20С, чтобы вода замерзла в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15-20С, которая обеспечивает водонасыщенное состояние образцов. Базовые - первый (для всех видов бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий) и второй (для бетонов дорожных и аэродромных покрытий); ускоренные при многократном замораживании и оттаивании - второй и третий;ускоренные при однократном замораживании - четвертый (дилатометрический) и пятый (структурно-механический).

Для оценки морозостойкости материала применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод. С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замораживания и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности или модуля упругости.

По морозостойкости насыщенный водой глиняный обыкновенный кирпич должен выдерживать без каких-либо внешних признаков разрушения (расслоение граней, выкрашивание ребер и углов, растрескивание) не менее 15 повторных циклов попеременного замораживания при температуре -75°С и ниже с последующим оттаиванием в воде при температуре 15±5°С.

Легковесный кирпич должен выдерживать без каких-либо временных признаков разрушения не менее 10 повторных циклов попеременного замораживания при температуре -15°С и ниже с последующим оттаиванием при температуре 15 ±5°С.

Лицевой кирпич должен выдерживать без каких-либо признаков видимых повреждений не менее 25 повторных циклов попеременного замораживания с последующим оттаиванием в воде.

Способ определения морозостойкости строительных материалов относится к области испытаний строительных изделий, в частности кирпича, камней силикатных и керамических. Способ определения морозостойкости строительных материалов включает насыщение образцов в воде или растворе хлористого натрия, поверхностное цикличное замораживание и оттаивание образцов и визуальную оценку морозостойкости, при этом замораживание осуществляют в течение 5-10 мин, а оттаивание 3-5 мин 0,1-0,2 части испытуемой поверхности, смену режимов замерзания и оттаивания ведут со скоростью 30-40 град/мин, а образцы погружают в воду и раствор хлористого натрия на 90-95% от их объема. Изобретение обеспечивает сокращение длительности испытаний, снижение трудоемкости, повышение достоверности результатов испытаний.

Изобретение относится к области испытания строительных материалов, в частности к определению их морозостойкости. Известен способ определения морозостойкости строительных материалов, включающий насыщение образцов в воде или растворе хлористого натрия, замораживание образцов в воздушной среде при температуре минус 20 o C в течение 2 - 4 ч и оттаивание образцов в водной среде или растворе хлористого натрия при температуре 20 o C в течение 1,5 - 2 ч, регистрацию числа циклов замораживания - оттаивания до достижения 25%-ной потери прочности образцов или 5%-ной потери массы или до появления внешних признаков разрушения, по которым судят о морозостойкости строительных материалов (1). Недостатком способа является значительная трудоемкость и продолжительность испытания и необходимость применения сложного и громоздкого оборудования. Известен способ ускоренного определения морозостойкости строительных материалов путем насыщения водой образцов с вмонтированным в него стальным стержнем, замораживания и оттаивания и фиксации резкого возрастания начального электрического потенциала стального стержня, по которому и судят о морозостойкости материала (2). Известен способ определения морозостойкости образцов строительного материала по соотношению структурной и прочностной характеристик, отличающийся тем, что за структурную характеристику принимают капиллярную и контракционную пористости, а за прочностную - работу разрушения образцов (3). Недостатками известных способов (2, 3) является косвенность методов определения морозостойкости и вследствие этого невысокая точность результатов. Кроме того недостатками способов (1, 2, 3) является то, что определения морозостойкости в условиях прямого объемного замораживания не соответствует фактическим эксплуатационным условиям строительного материала, подвергающегося попеременному воздействию отрицательных и положительных температур только с одной стороны. Поэтому результаты испытания строительного материала приводят к большому разбросу значений морозостойкости материала. Известен способ определения морозостойкости строительных материалов путем одностороннего замораживания в морозильной камере в специальном контейнере, обеспечивающем отвод тепла с одной стороны испытуемых образцов, оттаивания в ванне с водой, определения структурной и прочностной характеристики образцов с последующим расчетом морозостойкости по формуле (4). Известен способ определения морозостойкости строительных материалов, включающий насыщение образца водой, путем циклического ввода под давлением порций воды, рассчитанных по эмпирической формуле (5). Недостатками известных способов (4, 5) является недостаточно высокая достоверность результатов испытания из-за применения в них расчетных формул с использованием эмпирических коэффициентов. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения морозостойкости, включающий одностороннее замораживание кладки из кирпича или камней при температуре воздуха - 15 - 20 o C в течение 8 ч, оттаивание замороженной стороны кладки дождеванием при температуре воды 15 - 20 o C в течение 8 ч, регистрацию числа циклов замораживания и оттаивания до появления на поверхности кладки видимых признаков разрушения (шелушение, расслоение, растрескивание, выкрашивание), либо по потере массы и прочности, по которым судят о морозостойкости образцов строительных материалов (6). Недостатками известного способа является его высокая трудоемкость, стоимость и большая продолжительность испытания, что не позволяет осуществлять оперативный контроль выпускаемой продукции, значительные энергетические затраты на создание условий замораживания. Технический результат предлагаемого изобретения - сокращение длительности испытания, снижение трудоемкости, повышение достоверности результатов испытаний. Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, включающем предварительное насыщение образцов в воде или растворе хлористого натрия, одностороннее цикличное замораживание и оттаивание образцов, и визуальную оценку морозостойкости, ведут направленное, точечное замораживание в течение 5 - 10 мин и оттаивание в течение 3 - 5 мин 10 - 20% открытой поверхности испытываемых образцов, причем смену режимов замораживания и оттаивания осуществляют со скоростью 30 - 40 o в минуту, а образцы погружают в воду или раствор хлористого натрия на 90 - 95% их объема. Способ осуществляли следующим образом. Образцы, предназначенные для испытания на морозостойкость, предварительно насыщали в воде или растворе хлористого натрия. Затем устанавливали три образца Т-образно в емкость лицевой поверхностью вверх. После этого заливали в емкость воду или раствор хлористого натрия до погружения образцов на 90 - 95% их объема. Потом направленным потоком холодного воздуха при температуре минус 15 - 20 o C обрабатывали стык трех образцов, т.е. 10 - 20% их поверхности в течение 5 - 10 мин. Затем со скоростью 30 - 40 o C в мин переходили на режим нагревания и обрабатывали тот же стык теплым потоком воздуха с температурой 15 - 20 o C в течение 3 - 5 мин и регистрировали число циклов замораживания и оттаивания до появления видимых признаков разрушения (расслоения, растрескивания, выкрашивания, шелушения), по которым судили о морозостойкости строительных материалов. Использование в предлагаемом техническом решении приема точечного, направленного замораживания в течение 5 - 10 мин и оттаивания в течение 3 - 5 мин 10 -20% открытой поверхности испытываемых образцов позволяет создать в короткое время условия протекания процессов близких к фактическим при эксплуатации. За счет резкого (30 - 40 o C в мин) изменения режимов замораживания и оттаивания создается напряженное состояние в порах материала, обусловливающие деструктивные процессы, а именно разрыхление структуры, интенсификации микротрещинообразования и соответственно увеличение проницаемости. Погружение образцов в воду или раствор хлористого натрия на 90 - 95% от объема образца обеспечивает условия постоянной миграции влаги к открытой лицевой поверхности испытываемого образца через капилляры и микротрещины. Все эти приемы позволяют проводить скоростное определение морозостойкости, близкое к фактическому. Незначительные энергетические затраты, низкая трудоемкость, доступность и достоверность результатов позволяют осуществлять текущий контроль выпускаемой продукции и своевременно выявлять нарушения технологического процесса. Источники информации 1. ГОСТ 10090.1-95, ГОСТ 10090.2-95 "Бетоны. Методы определения морозостойкости. 2. А.С. СССР N 482676 М. кл. C 01 N 33/38, 1975 г. 3. А.С. СССР N 435621 М. кл. C 01 N 25/02, 1975 г. 4. А.С. СССР N 828849 М. кл. C 01 N 33/38, 1982 г. 5. А.С. СССР N 1255921 М. кл. C 01 N 33/38, 1986 г. 6. ГОСТ 7025-91 Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения и водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости.

Формула изобретения

Способ определения морозостойкости строительных материалов, включающий насыщение образцов в воде или растворе хлористого натрия, цикличное замораживание и оттаивание открытой поверхности образцов и визуальную оценку морозостойкости, отличающийся тем, что замораживают и оттаивают 10 - 20% поверхности испытуемого образца в течение соответственно 5 - 10 мин и 3 - 5 мин, а смену режимов замораживания и оттаивания ведут со скоростью 30 - 40 град. /мин, при этом образцы погружают в воду или раствор хлористого натрия на 90 - 95% от их объема.

Определение пористости и пустотности материала

С этими показателями связанны такие важные свойства, как прочность, водопоглощение, водопроницаемость, теплопроводность, морозостойкость.

Пористость – степень заполнения объема материала порами.

Величину пористости П 0 материала вычисляют в процентах по формуле

П=(1-ρ 0 /ρ)*100%

где ρ 0 - средняя плотность материала, г/см 3 ;

ρ - истинная плотность материала, г/см 3 .

По величине пор материалы подразделяют на мелкопористые (размер пор – сотые и тысячные доли миллиметра) и крупнопористые (до 1-2мм).

Более крупные поры в изделиях или полости между кусками рыхлого насыпанного материала (песок, щебень, гравий) называют пустотами.

Величину пустотности П материала (в %) вычисляют по формуле

где γ 0 – объемная масса, г/см 3 ;

γ о.н – объемная насыпная масса, г/см 3 .

Полученные данные заносят в таблицу по прилагаемому образцу.

Морозостойкими называются такие материалы, которые выдержали определенное количество циклов попеременного замораживания и оттаивания без снижения пределов прочности при сжатии не более 25% (для гидротехнического бетона не более 15%) или без потери веса не более 5%.

Показателем морозостойкости служит коэффициент морозостойкости, который определяют по формуле

где R мрз – предел прочности при сжатии после испытания при заданном количестве циклов переменного замораживания и оттаивания, кГ/см 2 ;

R нас – предел прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии, кГ/см 2 .

Морозостойкость определяют на специальных холодильных установках, обеспечивающих температуру ниже -15˚С (Рисунок 3.1.5).

Продолжительность циклов замораживания (4-6 ч) и оттаивания (4-6 ч) зависит от вида материала и от размера образцов. Замораживание производят при температуре -15-20˚С, а оттаивание – при +15-20˚С.

Коэффициенты размягчения и морозостойкости определяют в лабораторной работе при изучении естественных каменных материалов. На данном занятии необходимо ознакомиться с методикой и оборудованием, применяемым для определения морозостойкости строительных материалов.

Задание. Зарисовать схемы приборов (определение удельной и объемной массы). Зарисовать схему холодильной установки, описать ее действие. Выполнить заключение по работе.

Рисунок 1. 5 Современная холодильная установка для испытания образцов

Контрольные вопросы:

1. При помощи какого прибора определяют истинную плотность каменных материалов.

2. Что такое средняя плотность материала и как ее определяют у образцов правильной геометрической формы?

3. Изложите последовательность определения средней плотности материала методом гидростатического взвешивания.

4. Каким образом определяется насыпная плотность сыпучих материалов.

5. Что такое водопоглощение материала?

6. Какова методика определения предела прочности при сжатии природных каменных материалов?

7. Что такое коэффициент размягчения и как его вычисляют?

8. Какова форма и размеры образцов различных материалов при определении пределов прочности при изгибе и растяжении?

От водонасыщения бетона зависит его прочность и устойчивость к деформации. Также на эти параметры влияют воздействия температур воздуха и её перепады. Если в бетоне есть излишнее содержание воды, то при низкой температуре она кристаллизуется. Льду некуда деваться, в результате чего образуется избыточное внутреннее давление.
Оно приводит к предельному растягивающему напряжению в стенках пор. Такие изменения способствуют снижению прочности бетона. После оттаивания образовавшегося льда в порах, это приведёт к снижению прочности бетона только в случаях переизбыточного содержания воды.
Снижение прочности бетона также может произойти при неравномерном распределении воды в порах при изготовлении или при замерзании образовавшегося в нем водных паров. С увеличением насыщения водой бетона прочность охлаждённых образцов до 400 и до 600 сначала возрастает до определённой величины, а затем значительно снижается. Максимальным значением прочности бетона является функция степени понижения температуры и количества воды, содержащейся в порах. Отметим, что после оттаивания прочность бетона снижается. Также стоит подчеркнуть, что длительное воздействие низких температур (даже при их колебаниях) приводит к постепенной потере прочности бетона. Известно, что если бетон обладает меньшей влажностью и большей прочностью перед замораживанием, то при длительном воздействии низких температур в зимний период сопротивляемость бетона гораздо выше. Возможность водонасыщения бетона зависит от его строения, точнее от образовавшейся в пространстве цементного камня системы капилляров. Улучшить структуру бетона можно за счёт уменьшения пористости бетона и формирования закрытой системы пор. Опыты показали, что микротрещины, которые возникли при предварительной нагрузке, при цикле оттаивания и замораживания значительно ускоряют разрушение бетона.
Бетон высокой прочности изготавливается по определённой технологии, и имеет более ровную структуру, благодаря чему обладает повышенной морозостойкостью. Понижение водопроницаемости такого бетона достигается за счёт уменьшения пористости. В бетонную смесь добавляют органические структурообразующие добавки в виде смолы, которые нейтрализованы воздухововлекающей СНВ. Благодаря применению ГКЖ-94 воздух вовлекается в бетонную смесь, и образуются замкнутые поры очень малого диаметра.
Искусственное образование таких пор значительно увеличивает прочность бетона при многократном размораживании и замораживании. Применение добавок повышает водопроницаемость и морозостойкость, но уменьшает прочность бетона. Бетоны с добавкой СНВ и ГКЖ-94 используются в суровых климатических условиях. Такой бетон обладает повышенной прочностью и морозостойкостью.