Стандарт ГОСТ 10060-87 подвергся критике. В работе [3] было указано, что использование критерия «снижение прочности бетона после заданного числа ЦЗО на 5 %» при существующем разбросе результатов определения прочности контрольных и основных образцов не дает надежной оценки морозостойкости. Отмечено, что по мере увеличения числа ЦЗО коэффициент вариации прочности увеличивается и превышает значения, характерные для контрольных образцов. Указано, что при повышенных коэффициентах вариации прочности бетона критерий «потеря прочности 15 %» более оправдан.

В статье [4] отмечено, что основным недостатком нормированных методов является недоведение испытаний образцов до критического состояния, т. е. образцы могли разрушиться после следующих нескольких ЦЗО или были способны еще длительно сопротивляться разрушению. В итоге конструкции изготавливаются из бетона с неопределенной морозостойкостью. Это не позволяет, анализируя состояние бетона в дорожных и аэродромных покрытиях, корректировать требования к бетону. При 5%-ном критерии прочности образцов после испытаний любой бетон может быть признан неморозостойким. Предельно допустимое снижение прочности после требуемого числа циклов замораживания и оттаивания рекомендовалось принять равным 10 %, что позволит определять соответствие бетона требуемой марке по морозостойкости с доверительной вероятностью 0,90–0,95. Для сокращения объема испытаний при неизвестной однородности прочности бетона предложено дополнительно определять динамический модуль упругости или скорость ультразвука.

Лабораторные испытания показывают, что разрушение образцов в процессе замораживания-оттаивания происходит с поверхности. Это означает, что по сечению образца прочность бетона после ЦЗО различна, а при испытании образца на прессе определяется некоторая условная усредненная прочность. Из практики испытаний бетонных образцов на прочность известно, что даже небольшая непараллельность рабочих граней сильно искажает результаты испытаний. В равной степени это относится к испытаниям образцов после ЦЗО, когда рабочие грани повреждаются (шелушение или скалывание наружного слоя).

При испытании кернов, выбуренных из конструкций Красноярской ГЭС, авторы [5] отметили необходимость выполнять тщательную пришлифовку торцов. Подливка и другие подобные методы выравнивания рабочих поверхностей недопустимы.

В действующем ГОСТ 10060-2012 не прописана процедура выравнивания поверхности образцов, о чем следует ввести уточнение и дополнение в стандарт.

Опыт применения ГОСТ 10060-2012 показал, что в ряде случаев бетон выдерживает испытания по ГОСТ 10060-2012 при использовании приведенного в нем критерия ХminII ≥ 0,9ХminI, но прочность бетона при этом снижается на 5–10 % и более.

В статье С. Л. Нерубенко и В. А. Гвоздева [4] рассмотрены свойства случайных величин при их нормальном распределении и сделан вывод, что количество параллельных образцов в каждый срок испытаний должно быть 3–6 штук в зависимости от внутрисерийного коэффициента вариации прочности. При 5%-ном критерии прочности образцов после испытаний любой бетон может быть признан неморозостойким. Предельно допустимое снижение прочности после требуемого числа циклов замораживания и оттаивания предложено принять равным 10 %. Это позволит определять соответствие бетона требуемой марке по морозостойкости с доверительной вероятностью 0,9–0,95.

Аналогичные результаты были получены и в наших исследованиях. Целесообразно вернуться к критерию «снижение прочности основных образцов на 10 или 15 % по сравнению с прочностью контрольных образцов». При этом следует прочность бетона в серии контрольных образцов определять с учетом внутрисерийного коэффициента вариации прочности. Серию образцов, внутрисерийный коэффициент вариации прочности которых превышает 9 %, не принимать к испытаниям. Требуются дальнейшие исследования.

При разработке бетона с повышенными требованиями при определении морозостойкости испытание образцов целесообразно выполнять до числа ЦЗО, превышающего критическое значение показателя, принятого в методе испытаний. Это позволит сравнивать морозостойкость бетонов различных составов и технологии изготовления. В дальнейшем в процессе производства разработанного бетона достаточно выполнять контрольные испытания по оценке морозостойкости с количеством ЦЗО, соответствующим проектной марке бетона по морозостойкости.

Авторы [6][7] указывают, что при медленном замораживании со скоростью изменения температуры 2 °C в час наиболее существенно изменяется прочность бетона, но не модуль упругости. Авторами сделан вывод, что только измерение остаточных продольных деформаций позволяет выявить небольшие повреждения бетона. В работе О. В. Кунцевича в качестве максимально допустимых значений при испытании бетона на морозостойкость названы остаточные деформации 0,25 % и снижение прочности на 15 %.

В работе [8] при испытании на морозостойкость образцов, выпиленных из центрифугированного бетона, определяли остаточные деформации бетона. В качестве критерия были приняты относительные деформации – не более 0,1 %. Кроме того, применялось сквозное прозвучивание; погрешность измерения составляла 0,08 %. При испытании бетона на морозостойкость при температуре –50 °C с замером остаточных деформаций следует иметь в виду, что при расширении 0,85–1,1 % происходит полное разрушение бетона [1].

В [9] рассмотрены работы четырех независимых лабораторий. Проверялась надежность критерия «фактор расстояния» по Пауэрсу. Варьировались вид и дозировка воздухововлекающих добавок, оценивалась роль длительности виброуплотнения, давления на бетонную смесь при уплотнении. Определялась роль общего объема вовлеченного воздуха, фактора расстояния, удельной поверхности воздушных пор при многократном замораживании в растворе соли и оттаивании. Величина фактора расстояния находилась в пределах 0,07–0,25 мм, удельная поверхность воздушных пор – 500–3800 м²/м³ бетона. Определяли количество бетона, отделившегося (scaling) от образцов. Установлено, что в исследовании морозостойкости бетона в растворе соли удельная поверхность воздушных пор более точно характеризует морозостойкость бетона. Высокая морозостойкость бетона наблюдалась в случаях, когда удельная поверхность пор превышала 1000 м²/м³. Полученный результат объясняют следующим. Разрушение бетона происходит при замерзании воды в капиллярах и не происходит при замерзании в воздушных порах, где остается некоторый объем воздуха. При увеличении удельной поверхности пор большее количество капилляров имеет выход в воздушные поры и меньшее количество капилляров такого выхода не имеет, что в конечном счете повышает морозостойкость бетона.

Однако следует иметь в виду, что критерий оценки по фактору расстояния сформулирован Пауэрсом для обычных бетонов. Современные бетоны имеют существенные структурные отличия. По мнению А. В. Шейнфельда [10], введение комплексных модификаторов вместе с воздухововлекающими добавками изменяет параметры условно-замкнутой пористости мелкозернистого бетона, повышая концентрацию мелких пор и уменьшая значение «фактора расстояния». При этом важную роль наряду с фактором расстояния играют суммарный объем пор и их численное содержание в единице объема. Определение фактора расстояния и удельной поверхности воздушных пор не позволяет определить марку бетона по морозостойкости.

Для изделий и конструкций для дорожного и аэродромного строительства важным показателем является стойкость к разрушению рабочей поверхности при воздействии растворов противогололедных реагентов и мороза. Соответствующие методики испытаний разработаны в СоюздорНИИ, НИИ 26 Министерства обороны, V. J. Setzer в работе [11] изложил метод СDF. Указанный метод введен в стандарты СТБ ЕН 1339-2007, СТБ ЕН 1138-2007, ГОСТ 17608-2017. Отечественный и зарубежный методы различаются деталями. Общим является то, что образцы замораживают и оттаивают при одностороннем контакте с соответствующим раствором.

Специалистами НИИЖБ разработана методика по определению шелушения поверхности бетона тротуарных плит. Морозостойкость бетона в плитах определяют на образцах размерами 100 × 100 мм и толщиной от 40 до 100 мм, изготовленных специально или выпиленных из изделий после достижения бетоном проектного возраста. Перед выполнением испытаний на боковые грани образцов наклеивают бортики, что позволяет в конце испытаний собрать отделившийся материал и после сушки взвесить. Образцы замораживают в 5%-ном растворе хлорида натрия при температуре минус (50 ± 5) °C и оттаивают в том же растворе при температуре плюс (20 ± 5) °C.

Режим испытаний:

Критерии:

Ученые НИИЖБ провели испытания тротуарных плит на морозостойкость с контролем шелушения рабочей поверхности бетона и подтвердили возможность его использования в качестве второго дополнительного метода оценки морозостойкости тротуарных плит согласно ГОСТ 17608. В настоящее время метод успешно применяется на предприятиях, выпускающих тротуарные плиты. Целесообразно его включение как дополнительного метода в стандарт ГОСТ 10060 для оценки шелушения поверхности бетона дорожных и аэродромных покрытий, а также бетонов, к которым предъявляют требования по декоративности.

Наш опыт применения стандарта показал, что в ряде случаев значения морозостойкости, найденные методами определения динамического модуля упругости и скорости ультразвука, не совпадают [12]. Одной из причин этого несоответствия является поврежденная поверхность бетонных образцов под воздействием циклов замораживания-оттаивания, что затрудняет качественный контакт ультразвуковых датчиков с бетоном.

Исследование морозостойкости, выполненное НИИЖБ совместно с АО «ЯкутПНИСС» [12][13], показало отсутствие корреляции при испытании бетонных образцов на морозостойкость по второму и третьему ускоренным методам с определением морозостойкости по изменению скорости прохождения ультразвука. По результатам испытаний по всем режимам четко определено, что ультразвуковой метод завышает оценку морозостойкости бетона. Выполненные исследования по оценке морозостойкости бетона по изменению скорости ультразвука при сквозном продольном прозвучивании с помощью экспоненциальных преобразователей 54 кГц (предназначенных для работы на грубых поверхностях и без применения контактной жидкости) указывают на необходимость корректировки допускаемого нормативного значения данного показателя, например понизить с 15 до 5 %. Требуются дальнейшие исследования.

Исследование по уточнению критерия определения морозостойкости бетона по величине снижения динамического модуля упругости показало, что для указанных целей оптимальным решением является выполнение испытаний резонансным методом. Ранее в НИИЖБ были выполнены обширные исследования морозостойкости неразрушающим резонансным методом с использованием прибора ИЧМК-3. Принцип работы на ИЧМК был достаточно прост.

Резонансный метод основан на возбуждении в образце вынужденных изгибных колебаний. При приближении частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний возникает явление резонанса. Момент достижения максимальной амплитуды колебаний соответствует частоте собственных колебаний образца.

Достоинство резонансного метода отмечено в работах многих исследователей. Отмечается, что измерение резонансных характеристик обнаруживает повреждение в бетонах при замораживании-оттаивании раньше, чем при определении скорости ультразвука.

В настоящее время аналогичные приборы в России не выпускаются, что исключает применение резонансного метода для оценки морозостойкости бетона.

Увеличение объемов производства конструкций из высокопрочных бетонов низкой проницаемости поставило задачу придания таким бетонам повышенную морозостойкость. При испытании на морозостойкость бетонов высокой прочности и низкой проницаемости такие бетоны не насыщаются водой/растворами за стандартный срок насыщения (4 суток по ГОСТ 10060), что приводит к увеличению сроков испытания образцов и, как следствие, завышению марки бетона по морозостойкости

В работе [14] были проверены способы увеличения водонасыщения высокопрочного бетона. Длительная выдержка образцов в условиях капиллярного всасывания воды, их вакуумирование, высушивание при температурах 60 и 100 °C, в том числе с последующим вакуумированием при давлении 0,1 МПа, не показали удовлетворительных результатов. Апробированные способы трудоемки и требуют дополнительного оборудования, увеличивают период испытания бетона на морозостойкость и, самое главное, в дальнейшем могут привести к занижению истинной морозостойкости бетона.

За 37 низкотемпературных циклов замораживания-оттаивания образцы не доведены до критических значений. Истинная морозостойкость высокопрочного бетона без добавки и с воздухововлекающей добавкой осталась неизвестна. Результаты позволили наметить программу исследований на будущее в части дополнения третьего ускоренного метода ГОСТ 10060 методами по оценке шелушения поверхности, определения прочности бетона в кернах, отобранных из конструкций.

Недавними исследованиями АО «ЯкутПНИИС» показано, что при особо низких отрицательных температурах (до минус 60–65 °C) разрушение бетона происходит быстрее, чем при температуре до минус 50 °C. Однако потребность в бетонах, стойких в указанных жестких морозных условиях, существует. Соответственно необходимы методы испытаний бетона, учитывающие подобные воздействия.

В нашей стране марка бетона по морозостойкости назначается на основании опыта эксплуатации конструкций для конкретных условий согласно СП 28.13330.2017. Единицей измерения морозостойкости является стандартный цикл замораживания-оттаивания, что требует проведения испытаний в строго нормируемых условиях. Различия методики проведения испытаний бетона на морозостойкость могут стать причиной недостоверной оценки качества бетона, что может в реальных условиях снизить безопасность зданий и сооружений. При реализации цикла замораживания и оттаивания необходимо в испытании гарантировать, что действительная температура в образцах будет соответствовать заданной стандартом.

В исследованиях [12][14][15] было показано, что время замораживания образцов зависит от их вида и размера, а также от степени загрузки и характеристик климатических камер. В испытаниях образцов размерами 100 × 100 × 100 мм время понижения температуры от 20 до минус 50 °C по датчикам, установленным в бетоне и хлоридном растворе в кювете, составило 4 ч. В то же время датчик климатической камеры, установленный в воздушной среде камеры, показал температуру минус 50 °C уже через 2 ч. При этом допускаемая скорость понижения температуры 5%-го раствора хлорида натрия должна быть не более 15 °C/ч.

Полученные результаты стали основой для разработки изменения № 1 к ГОСТ 10060-2012, в котором установлены новые правила контроля температуры режима третьего ускоренного метода по приборам контроля температуры 5%-го раствора хлорида натрия в емкости вблизи образца, расположенной в центре камеры. Перед началом испытания следует установить режим замораживания по контролю температуры раствора 5%-го хлорида натрия в емкости с образцом, который будет зависеть от размеров испытуемых образцов и объема загрузки камеры – не более 50 % ее полезного объема.

Анализ нормативной документации, приведенный в статье [16], показал, что основной принцип испытания материала на морозостойкость в зарубежных странах такой же, как в отечественных стандартах. Различия в методах отдельных стран имеются в основном в продолжительности замораживания-оттаивания и отчасти в оценке результатов испытания. При этом прослеживается различие методик в отдельных странах в зависимости от их климатических условий.

В зарубежных стандартах в качестве критериев используются динамический модуль упругости, критическое расширение замороженных образцов, количество отделившегося при замораживании материала. Рядом зарубежных авторов показано, что в сравнительных испытаниях образцов, изготовленных в лаборатории и вырезанных из конструкций, отсутствует корреляция результатов. Используют критерий «уменьшение динамического модуля упругости бетона» на 20 [17], 25 [18], 40 % [19].

Образцы, изготовленные в лаборатории и отобранные из конструкций, изготовленные из номинально одинакового бетона, могут в действительности существенно различаться. Это обусловлено различными влажностными и температурными условиями твердения, разным напряженным состоянием в процессе твердения в лабораторных образцах и в армированной железобетонной конструкции.

Другая проблема состоит в том, что условия замораживания и оттаивания бетона в лабораторных условиях и в реальных конструкциях существенно различаются. Если в лаборатории назначенный режим замораживания и оттаивания образцов может быть четко реализован, то в реальной конструкции он может изменяться по многим причинам. К числу этих причин относятся:

В опубликованных работах [20][21] показано, что растягивающие напряжения, вызывая образование трещин, понижают морозостойкость бетона, а сжимающие напряжения сначала повышают, затем по мере увеличения понижают морозостойкость в сравнении с ненапряженным бетоном. Причиной такого поведения бетона является сложение (вычитание) напряжений, возникающих в бетоне при замораживании, с напряжениями, вызванными другими причинами (механической нагрузкой, образованием в бетоне новых продуктов с увеличением объема, например при реакции щелочей с реакционноспособным кремнеземом заполнителей, поздним образованием эттрингита и таумасита, разностью деформаций стальной арматуры и бетона при замораживании, деформациями усадки, другими причинами).

Исследования В. М. Москвина [1] показали, что напряжения при изгибе более 0,35 Rtb сильно ускоряют морозное разрушение бетона, а при 0,5–0,65 Rtb разрушение бетона происходит уже после нескольких ЦЗО. При осевом растяжении разрушение бетона при замораживании и оттаивании еще сильнее ускоряется. Авторы отмечают, что при расчете конструкций принимают, что коэффициенты термического расширения бетона и арматуры при положительной температуре практически равны: для бетона – 10·10-6 град-1, для стальной арматуры – (9–12)·10-6 град-1. В действительности в зависимости от вида цемента и заполнителя, а также В/Ц значения этого коэффициента для бетона изменяются в пределах (8–16)·10-6 град-1. Компоненты бетона тоже имеют различные коэффициенты термического расширения: цементный камень – (8–18)·10-6 град-1, заполнитель – (5–14)·10-6 град-1. На это различие накладывается также нелинейная зависимость от температуры расширения влажного и водонасыщенного бетонов в области отрицательных температур.

В работе [22] предложен подход к исследованию долговечности бетона, согласно которому долговечность должна исследоваться именно в конструкциях, подчеркнута необходимость выявлять механизмы деструкции.

Натурными испытаниями на морозостойкость бетона на морском стенде ЦНИИС, выполненными с участием Ф. М. Иванова, было показано, что в условиях периодического насыщения бетона морской водой, замораживания обдувом морозным воздухом с помощью вентилятора и оттаивания в морской воде бетон образцов в течение зимнего периода понижал динамический модуль упругости. В летний период величина динамического модуля упругости восстанавливалась. Объяснялось это самозалечиванием трещин в бетоне, образующихся в зимний период. По-видимому, это явление имеет большое значение для долговечности железобетонных конструкций и отчасти объясняет наблюдающуюся стойкость высококачественных бетонов в морских сооружениях. Нами наблюдалось полное зарастание трещин шириной раскрытия до 0,2 мм, специально организованных в попарно изогнутых армированных балках, находившихся несколько лет в приливно-отливной зоне на стенде в Кольском заливе. При этом коррозия стальной арматуры в этих трещинах была незначительной.

Представляет интерес опыт длительной эксплуатации железобетонных конструкций из бетона c проектной прочностью 40 МПа марки по морозостойкости F1000 в здании приливной электростанции (ПЭС), возведенной в губе Кислая Баренцева моря и сданной в эксплуатацию в 1968 г. После 15 лет эксплуатации бетон имел прочность при сжатии 70–86 МПа.

В последующем состояние бетона в конструкциях ПЭС неоднократно обследовалось [23][24]. После 50 лет эксплуатации бетон в конструкциях не имел повреждений. Образцы-спутники, изготовленные в период строительства станции и находившиеся на морском стенде в зоне прилива-отлива, к этому времени приобрели шарообразную форму. Состояние их оценивалось баллом 1 по классификации С. В. Шестоперова [25]. Кроме того, в приливно-отливной зоне отдельно от здания станции испытывалась изготовленная из того же бетона железобетонная плита. На момент обследования конструкция не имела повреждений, прочность бетона превышала проектную. Обследование стен здания ПЭС после 50 лет эксплуатации не показало повреждений бетона.

Столь различное состояние бетона в образцах и в конструкциях можно объяснить:

Сделан вывод: состояние стандартных бетонных образцов и железобетонных конструкций из того же бетона в приливно-отливной зоне Баренцева моря существенно различается. Вероятно, бетон образцов, выдержавших натурные испытания, будет заведомо стойким в морском сооружении.

На том же стенде были установлены образцы бетона, подобранного для возведения морских платформ восточнее острова Сахалин (бетоны подобранного состава при строительстве платформ не были использованы). Бетон изготовлен с применением современных эффективных пластификаторов и микрогазообразующих добавок. За время наблюдения образцы, находившиеся на стенде Кислогубской ПЭС более 15 лет, претерпели более 6000 циклов замораживания и оттаивания и не имели повреждений: шелушения поверхности, трещин и скругления углов.

Высокую морозостойкость показали бетонные массивы, изготовленные с микрогазообразующей добавкой ГКЖ-94 [26]. Массивы были установлены в приливно-отливной зоне Кольского залива и через 10 лет не имели повреждений. Далее наблюдение не проводилось. Аналогичные массивы из бетонов без добавки имели сколы ребер и углов через 4 года испытаний.

Следует учитывать, что лабораторный метод замораживания и оттаивания образцов не может полностью воспроизвести процессы, происходящие в бетоне при воздействии реальных нестабильных условий эксплуатации бетона в конструкциях. Лабораторные испытания бетона на морозостойкость следует дополнять натурными испытаниями лабораторных образцов и конструкций в конкретных условиях эксплуатации. Для этого следует восстановить и создать новые стенды для натурных испытаний в районах с суровыми климатическими условиями.

Существенно важной представляется большая работа, выполненная в Новосибирском институте железнодорожного транспорта И. З. Актугановым [27]. В работе освещены результаты исследований, выполненных НИИЖТ МПС в 1969–1999 гг. Предложена методика оценки влияния климатических температурно-влажностных воздействий на эксплуатационную надежность и долговечность бетонных и железобетонных конструкций. Работа прервана в 1991 г. в связи с прекращением финансирования.

Выполненный анализ стандартных лабораторных методов испытаний бетона на морозостойкость показал, что испытание бетона на морозостойкость для железобетонных сооружений, предназначенных для эксплуатации в суровых климатических условиях, следует выполнять только с многоцикловым замораживанием и оттаиванием водонасыщенного бетона. Следует продолжить исследования с целью уточнения численных значений и выбора критериев оценки результатов испытаний из следующего перечня:

Целями таких исследований должно быть сопоставление результатов и выбор критериев оценки состояния бетонных образцов. Сравнение, обоснование и выбор критериев позволит повысить надежность получаемых результатов, уменьшить длительность и трудоемкость испытаний.

Следует поставить вопрос о воссоздании приборов для определения динамического модуля упругости бетонных образцов резонансным методом.

Важно возобновить длительные натурные испытания образцов и конструкций, наблюдения за состоянием железобетонных сооружений в суровых климатических условиях с анализом информации об использованных материалах и технологиях, с оценкой климатических условий и агрессивности среды.

Назрела необходимость в разработке пособия по производству и оценке качества морозостойких бетонов, в котором должны быть отражены вопросы технологии, начиная от вида и выбора исходных материалов (цемента, заполнителей, добавок), состава бетона (В/Ц, расход цемента, соотношение количества мелкого и крупного заполнителя, содержание вовлеченного воздуха, воды), технологии приготовления, уплотнения, режима твердения/выдерживания, заканчивая методами оценки коррозионной стойкости и морозостойкости бетона в конструкции.