Что такое морозостойкость строительных материалов. Морозостойкость. Как определяется морозостойкость различных строительных материалов (бетона, щебня)? От чего зависит? Определение пористости и пустотности материала

Морозостойкость и определяющие ее факторы.

Морозостойкость - это способность материала в водонасыщенном состояние противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию. Морозостойкость материала зависит от его структуры, степени заполнения пор водой, формы и размера пор, наличия защемленного воздуха в порах после водонасыщения, ионного состава, температуры и тд. Морозостойкость материала определяется числом циклов замораживания(-18(-\+2)) и оттаивания в воде (+20(-\+2)), после которых образци снижают прочность не более чем на 5% или массу не более чем на 5%/

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.

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.

В строительном материаловедении понятие морозостойкость связывают с воздействием на материал двух основных факторов:

– влияние низких температур (для абсолютно плотных материалов, таких как стекло, металлы полимерные материалы и др.);

– совокупное влияние низких температур и воды (для материалов мелкопористой структуры, таких как природные и искусственные каменные материалы, в том числе строительная керамика, бетоны, растворы и др.).

Таким образом, для плотных материалов морозостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при низких температурах. К таким материалам предъявляются требования в зависимости от условий их эксплуатации. В большинстве случаев основным требованием является сохранение целостности структуры.

Механизм разрушения структуры материала при перепадах температуры связан с явлением расширения – сжатия и изменением упругих свойств материала. При низких температурах материал становится более хрупким, ломким, резко снижается ударная прочность. Это в большей степени относится к полимерным материалам и металлам.

Для оценки морозостойкости полимеров на практике часто используют условный коэффициент морозостойкости, который определяют по формуле

Кмрз= RТ / R20,

где Кмрз –коэффициент морозостойкости, ед.;

RT и R20 – предел прочности при изгибе образцов, соответственно, при температуре эксплуатации и при 20ºС, МПа.

Морозостойкость природных и искусственных каменных материалов – способность материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности.

Разрушительное воздействие мороза на ограждающую конструкцию можно условно разделить на три основных периода: водонасыщения, промерзания и, собственно, разрушения.

В наиболее влажный период года происходит водонасыщение поверхностного слоя ограждающей конструкции.

При понижении температуры окружающей среды наружные слои конструкции постепенно охлаждаются, направляя фронт распространения низких температур внутрь конструкции.

Тем временем, водяной пар, находящийся в противоположной зоне конструкции, перемещается от тепла к холоду, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Попадая в зону низких температур, водяной пар конденсируется в порах, вблизи наружной поверхности ограждающей конструкции (рис. 4.29).

При наступлении даже небольших морозов (-5 ÷ -8 ºС) вода, находящаяся в крупных порах, замерзая и превращаясь в лед, создает напряженное состояние в материале.

Рис. 4.29. Распределение температуры в наружной стене здания (а) и заполнение пор водой (б) вблизи наружной поверхности: 1 – адсорбированная вода; 2 – конденсат; 3 – устье; 4 – дождевая вода

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.

Под морозостойкостью понимают способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, т. е. без образования трещин, выкрашивания, расслаивания и без значительной потери прочности и веса.

Вода, находящаяся в порах материала, превратившись в лед, увеличивается в объеме примерно на 10%. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно его разрушают. Поэтому необходимо наружные поверхности стен и крыш делать из морозостойких материалов.

Морозостойкими являются материалы плотные или с малым водопоглощением (до 0,5%).

Морозостойкость материалов зависит не только от водопоглощения, но и от коэффициента размягчения. Материалы с коэффициентом размягчения ниже 0,7 практически неморозостойки.

Для определения морозостойкости материал замораживают до температуры — 15 °С, а затем погружают в воду комнатной температуры для оттаивания. Число циклов попеременного замораживания и оттаивания материала при условии, что прочность его в результате этого понизится не более чем на 30%, и характеризует морозостойкость материала.

«Материаловедение для штукатуров,
плиточников, мозаичников»,
А.В.Александровский

В строительстве понятие вязкости употребляется только применительно к материалам, находящимся в жидком состоянии. Вязкость — это свойство жидкостей оказывать сопротивление при перемещении одной их части относительно другой. Вязкость любой жидкости зависит от ее температуры и давления. С понижением температуры она резко возрастает, так же как и при повышении давления до нескольких сотен атмосфер. Вязкость принято…

Теплопроводность — это способность материала передавать тепло от одной своей поверхности к другой. Величина теплопроводности учитывается при подборе материалов для ограждающих конструкций — наружных стен, верхнего перекрытия жилых зданий. В жилых помещениях с наружными стенами из теплопроводных материалов зимой будет холодно, а стены промерзнут, будут мокнуть и отделка (штукатурка, окраска) разрушится. Чтобы избежать этого, стены…

Теплоемкость — свойство материала поглощать определенное количество тепла при нагревании и выделять его при охлаждении. Теплоемкость характеризуется коэффициентом теплоемкости (обозначается латинской буквой с), который равен количеству тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 °С. В таблице приведены значения коэффициентов теплоемкости для некоторых материалов. Коэффициент теплоемкости некоторых материалов Наименование материала Коэффициент теплоемкости в ккал…

Звукопроводность — это свойство материала пропускать звук. Для изоляции помещений от шумов важно, чтобы строительные конструкции имели низкую звукопроводность. Оштукатуривают стены, в частности, и для того, чтобы уменьшить их звукопроводность. Различают два рода шумов, передаваемых стенами и перекрытиями: ударные и воздушные. Ударные шумы хорошо поглощаются пористыми материалами, для погашения воздушных шумов (от радиоприемников, громкой речи)…

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия внешних нагрузок или других факторов. Внешние воздействия, которым подвергаются строительные материалы, могут вызывать у них напряжения сжатия, растяжения, изгиба, сдвига. Чаще всего строительные материалы работают на сжатие или изгиб. Прочность строительных материалов при сжатии, растяжении и т. п. характеризуется пределом…

→ Определения структурных характеристик

Морозостойкость

Морозостойкость

Многие строительные конструкции (стены и фундаменты зданий, устои мостов, покрытия дорог) подвергаются совместному действию влаги и знакопеременных температур, которые постепенно приводят их к разрушению. Причина разрушения - расширение (примерно на 9%) воды при замерзании.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Испытание строительных материалов на морозостойкость заключается в цикличном попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и определении потери материалом массы и прочности. Замораживание и последующее оттаивание образца составляет один цикл; продолжительность цикла не должна превышать 24 ч. Количество циклов испытания принимают в соответствии с ГОСТом на материал. Так, бетон, применяемый для сооружения стен зданий, должен выдерживать 35…50 циклов, а бетон для гидротехнических сооружений – 300 циклов и более.

Выдержавшими испытание на морозостойкость считаются те материалы, которые после установленного для них ГОСТом числа циклов замораживания - оттаивания не имеют видимых признаков разрушения (не крошатся, не растрескиваются, не расслаиваются). Кроме того, потери прочности и массы образцов не должны превышать значений, установленных ГОСТом на данный материал. Например, для бетона потеря прочности при испытании на морозостойкость не более 5%, для кирпича и строительных растворов не более 25%; потеря массы при испытании кирпича не должна превышать 5%.

Испытывают материалы на морозостойкость на установках с холодильными машинами, создающими низкие температуры за счет испарения сконденсированных (сжатых и переведенных в жидкое состояние) газов: аммиака, фреона и т. п.

Во фреоновой компрессорной холодильной установке (рис. 3.5) жидкий фреон под давлением 0,5…0,8 МПа из ресивера через дроссель поступает в испаритель. Сечение труб испарителя значительно больше, чем сечение дросселя, в результате давление фреона в испарителе резко падает (до 0,05…0,1 МПа) и фреон, испаряясь, переходит в газообразное состояние. Этот процесс происходит с поглощением теплоты, поэтому в холодильной камере, где помещен испаритель, температура понижается до -16…-20°С. Из испарителя пары фреона поступают в компрессор, где они вновь сжимаются до 0,5…0,8 МПа, при этом температура фреона повышается. Затем в конденсаторе фреон охлаждается окружающим воздухом или водой, конденсируется и в жидком виде поступает в ресивер.

Морозостойкость различных материалов определяют как на целых изделиях, так и на образцах, специально изготовленных или высверленных из изделий. Форма и размеры образцов различных материалов определяются ГОСТами на эти материалы.

Образцы измеряют и взвешивают в состоянии, которое предусматривается стандартом, и укладывают в ванну для насыщения водой. Насыщенные водой образцы слегка обтирают тканью, повторно взвешивают и помещают в холодильную камеру при температуре не выше -16 °С. В камере образцы укладывают на металлический поддон с интервалами между ними для лучшего охлаждения. Если образцы размещают в несколько рядов по высоте, то их укладывают на подкладках толщиной не менее 20 мм. Общий объем загруженных в камеру образцов должен составлять не более 50% объема камеры.

Замороженные образцы вынимают из камеры и укладывают для оттаивания в ванну с водой при температуре 18…20°С. После полного оттаивания образцы вынимают из ванны, обтирают мягкой тканью, осматривают и вновь помещают в холодильную камеру. Через установленное стандартом для данного материала число циклов образцы после очередного оттаивания в воде взвешивают и испытывают на прочность.

Морозостойкость материала может быть определена ускоренными методами, заключающимися, например, в насыщении образцов материала в растворе сульфата натрия (п. 10.6) или путем глубокого (до -60 °С) их замораживания (п. 12, 13).