» » Прочность легких бетонов при сжатии

Прочность легких бетонов при сжатии

19.04.2016

Основным показателем, характеризующим конструктивные легкие бетоны, является их прочность при сжатии, от которой в известной степени зависят и другие физико-механические свойства бетона.
Если прочность тяжелого бетона в основном определяется прочностью цементного камня, то прочность легких бетонов зависит также и от прочности пористых заполнителей.
Прочность плотных заполнителей тяжелого бетона обычно превышает прочность растворной части; для легких конструктивных бетонов характерна обратная картина.
Многие исследователи отмечают, что каждой разновидности пористых заполнителей при определенном их содержании в бетоне (по объему) соответствует некоторое значение предельной прочности бетона.
Наиболее интересны в этом отношении исследования А.И. Ваганова, которые показали, что повышение прочности растворной части керамзитобетона при прочих равных условиях повышает прочность бетона лишь до определенного предела. Следовательно, прочность легкого бетона в большей степени зависит от прочности и деформативности гранул пористого заполнителя, чем от прочности цементного камня или растворной части.
Прочность легких бетонов при сжатии

На рис. 3 показана зависимость предела прочности при сжатии керамзитобетона (содержание керамзитового гравия по объему — 38%) от предела прочности растворной части на кварцевом песке. Из приведенных зависимостей следует, что при сравнительно невысоком содержании крупного пористого заполнителя прочность бетона может быть в 2—3 раза меньше прочности растворной части, составляющей 62% объема опытных образцов.
Для того чтобы объяснить эти парадоксальные на первый взгляд результаты, необходимо рассмотреть причины разрушения образцов из легкого бетона. Разрушение (раскалывание образцов при сжатии) всегда происходит по неровным поверхностям. При прочных заполнителях это разрушение может произойти только по цементному камню, минуя зерна заполнителей. В этом случае прочность бетона не зависит от объемного содержания заполнителей и определяется только прочностью растворной части. Такой характер разрушения легких бетонов наблюдается сравнительно редко. Чаще разрушение происходит по зернам крупного пористого заполнителя и расположенной между ними растворной части. Поверхность раскалывания проходит обычно через средины гранул, центры которых расположены вблизи этой поверхности. Суммарное сечение разрушенных гранул составляет значительно больший процент от всей площади поверхности раскалывания, чем объем крупного пористого заполнителя от общего объема бетона. Это вполне естественно, так как любая геометрическая модель бетона дает следующую зависимость относительной площади сечения гранул крупного заполнителя на поверхности разрушения от их объемного содержания в бетоне:
s = Kω2/3,

где s — относительная площадь сечения гранул;
ω — объемное содержание крупного заполнителя;
К — коэффициент пропорциональности, зависящий от взаимного расположения гранул и равный 1,1—1.2.
Приведенная зависимость показывает, что относительная площадь сечения гранул s всегда больше их объемного содержания ω, взятого в долях единицы: ω2/3≥ω, так как ω≤1, а коэффициент пропорциональности К≥1.
В бетоне значение коэффициента пропорциональности зависит, по-видимому, от гранулометрического состава и формы зерен пористого щебня или гравия, а также от соотношения прочности заполнителя и растворной части.
По мере повышения прочности растворной части этот коэффициент может несколько увеличиться.
Для приблизительной оценки прочности заполнителя в бетоне можно использовать ту геометрическую зависимость, которая справедлива при большем диапазоне значений его объемного содержания: S=1,1ω2/3. График зависимости относительной площади сечения гранул крупного заполнителя s от его объемного содержания в бетоне со приведен на рис. 4.
Прочность легких бетонов при сжатии

Объемное содержание заполнителя может быть получено по формуле ω=VK(l—П), где Vк — расход крупного заполнителя на 1 м3 бетона по объему в м3; П — межзерновая пустотность крупного заполнителя в долях единицы.
Если применяются две фракции крупного заполнителя, ω = Vк1(1—П1) + Vк2(1—П2), где Vк1, Vк2 — расход соответственно первой и второй фракций крупного заполнителя; П1 и П2 — межзерновая пустотность соответственно первой и второй фракций крупного заполнителя.
Если предположить, что прочности данного заполнителя и растворной части полностью используются в опасном сечении, проходящем преимущественно через гранулы пористого гравия, то прочность бетона будет находиться в линейной зависимости от прочности растворной части: R=sRз+(1—s)Rрч (при Rрч≥Rз), где Rз и Rрч — прочность при сжатии соответственно заполнителя и растворной части. При определенном объемном содержании данного пористого заполнителя первое слагаемое — величина постоянная.
Между тем зависимости, приведенные на рис. 3, свидетельствуют о нелинейном возрастании прочности легкого бетона при увеличении прочности растворной части. Следовательно, прочность заполнителя и растворной части используется в бетоне в разной степени — в зависимости от величин их деформативных характеристик.
Прочность всех каменных материалов зависит от однородности их строения, так как разрушение начинается в результате концентрации напряжений в наиболее слабом месте. Однородность материалов в значительно большей степени влияет на прочность, определяемую наиболее слабым сечением, чем на деформативность, характеризующую свойства материала во всем объеме испытываемого образца. Поэтому увеличение прочности бетонов и растворов, как правило, не сопровождается пропорциональным увеличением модуля деформаций.
С ростом прочности бетона уменьшается отношение модуля упругости к пределу прочности. Это отношение называется упругой характеристикой материала. Отношение модуля полных деформаций при кратковременной нагрузке к пределу прочности при сжатии по аналогии можно назвать характеристикой деформативности. Последняя всегда меньше упругой характеристики и численно равна обратной величине предельной сжимаемости.
Точное определение предельной сжимаемости материалов является сложной задачей, так как в эксперименте трудно уловить начало разрушения образца — процесса, зависящего от времени действия сжимающей нагрузки.
Экспериментальные данные по определению предельной сжимаемости различных видов бетона указывают на тенденцию ее увеличения с ростом прочности. Например, в опытах СоюздорНИИ предельная сжимаемость керамзитобетона марки 100 составила 1,38*10в-3, марки 200 — 1,8*10в-3, марки 300 — 2,4*10в-3. Эти данные показывают, что характеристика деформативности керамзитобетона прямо пропорциональна его упругой характеристике и эти характеристики мало отличаются одна от другой по величине.
Предельная сжимаемость пористых заполнителей обычно больше, чем цементного раствора на кварцевом песке той же прочности. Ho с ростом прочности растворной части предельная сжимаемость ее увеличивается и может стать больше предельной сжимаемости заполнителя. Поэтому, если прочность растворной части незначительно превышает прочность пористого заполнителя, то разрушение бетона начинается с разрушения раствора между гранулами, сразу после чего разрушаются сами гранулы. Если прочность растворной части существенно превышает прочность пористого заполнителя, то сначала разрушаются гранулы. В результате этого в сводах из цементного раствора резко возрастают поперечные усилия распора, что и приводит к разрушению бетона. В первом случае к моменту разрушения недоиспользуется прочность заполнителя, во втором — растворной части.
Таким образом, прочность бетона может быть связана с прочностью его компонентов и их деформативными характеристиками следующими зависимостями:
Прочность легких бетонов при сжатии

при αз≤αрч (предельная сжимаемость заполнителя больше, чем растворной части);
Прочность легких бетонов при сжатии

при αз≥αрч (предельная сжимаемость заполнителя меньше, чем растворной части).
В этих зависимостях αз и αрч — характеристики деформативности заполнителя и растворной части Поскольку в приведенных формулах фигурируют только их отношения, характеристики деформативности могут в приблизительных расчетах быть заменены упругими характеристиками:
Прочность легких бетонов при сжатии

где Eз и Eрч — модули упругости соответственно крупного заполнителя и растворной части.
Если прочность легкого бетона, определенная по формуле (1), превышает прочность растворной части, то, учитывая возможность разрушения бетона по поверхности, не проходящей через зерна крупного пористого заполнителя, расчетная прочность бетона должна быть принята равной прочности растворной части: R=Rрч.
Результаты проведенного сопоставления показывают достаточно близкую сходимость расчетных значений прочности легкого бетона, определенных по формулам (1) и (2), с опытными данными (см. рис. 3). Следовательно, учет деформативных свойств пористых заполнителей, их предельной сжимаемости позволяет объяснить нелинейный характер зависимости прочности легкого бетона от прочности его растворной части.
Приблизительная оценка прочности керамзита в бетоне показывает, что даже при малой плотности заполнителя она может быть значительной. Однако полное использование прочности пористого заполнителя в бетоне возможно лишь в том случае, если его предельная сжимаемость не превышает предельной сжимаемости растворной части.
Таким образом, в легком бетоне в разной степени используется прочность заполнителя и растворной части. Этим объясняется отмечаемая многими исследователями характерная особенность легких бетонов: увеличение расхода цемента, повышение его активности и соответствующее снижение водоцементного отношения после определенного предела не приводит к существенному росту прочности бетона на данном заполнителе. Это свидетельствует о том, что возможности перераспределения напряжений между заполнителем и растворной частью весьма ограничены и что полное использование прочности обоих компонентов легкого бетона достигается лишь при близких значениях их предельной сжимаемости.
Таким образом, пористые заполнители имеют повышенную хрупкость.
На повышенную хрупкость керамзита указывают также результаты опытов А. И. Ваганова по определению работы удара, необходимой для разрушения плиты, лежащей на песке. Результаты этих опытов показали, что сопротивление удару керамзитобетона на 25—30% ниже, чем тяжелого бетона такой же прочности на гранитном щебне.
Широкое разнообразие свойств пористых заполнителей и бетонов на их основе ограничивает возможности теоретических обобщений. Поэтому теория легких бетонов вполне закономерно носит эмпирический характер и направлена преимущественно на разработку методики поисков оптимальных решений поставленных задач.
Прочность тяжелого бетона довольно четко связана с водоцементным отношением, имеются достаточно точные рекомендации по назначению расхода воды затворения при заданной удобоукладываемости смеси; для легкого бетона такие рекомендации носят весьма ориентировочный характер.
Прочность легкого бетона, хотя и в меньшей степени, но тоже зависит от плотности цементного камня, а следовательно, и от водоцементного отношения. Ho здесь невозможно расчетным путем определить содержание воды в цементном тесте, так как значительная часть воды поглощается заполнителем, увлекая за собой цемент в открытые поры и капилляры.
В процессе схватывания цемента происходит обратная миграция воды из заполнителя в практически неопределимом количестве. При нагревании бетонной смеси эта миграция интенсифицируется и может привести к снижению прочности бетона, если термообработка начата до окончания схватывания цемента.
Величина поглощения воды из цементного теста зависит от размера зерен заполнителя и характера их поверхностной пористости, а также от водоцементного отношения.
Все это приводит к тому, что свойства растворной части в легком бетоне могут значительно отличаться от свойств отдельно взятой растворной части, особенно если учесть различные условия уплотнения. Это различие возрастает с увеличением пористости применяемых заполнителей. Есть основания полагать, что в результате влияния заполнителей прочность растворной части с высоким водоцементным отношением увеличивается, а с низким — уменьшается.
Следовательно, свойства крупного заполнителя могут в известной степени предопределять наибольшую прочность растворной части при заданных способе уплотнения, активности цемента и объемном содержании в бетоне пористого щебня или гравия.
Анализ и теоретическое обобщение результатов исследований позволяет на основе выявленных закономерностей наметить наиболее рациональное направление поиска нужного решения и тем самым сократить объем необходимых опытов.
Так, приведенные зависимости (1) и (2) позволяют сделать ряд важных практических выводов:
1) при необходимости повышения прочности бетона за пределы легко достижимого уровня целесообразно уменьшить предельную крупность зерен пористого щебня или гравия, используя увеличение их плотности и прочности с уменьшением размеров, и одновременно снизить объемное содержание крупного заполнителя. Относительное увеличение объема растворной части в легком бетоне уменьшает влияние крупного пористого заполнителя на ее свойства. Поэтому уменьшение до известного предела расхода крупного заполнителя обычно позволяет повысить прочность и жесткость растворной части;
2) применение пористого песка вместо кварцевого обеспечивает более полное использование прочности крупного пористого заполнителя, уменьшая таким образом влияние его объемного содержания на прочность бетона. Это объясняется тем, что при равной прочности модуль упругости растворной части на пористом песке ниже, чем на кварцевом, на 30—40%. Соответственно больше предельная сжимаемость легкого раствора. Предельная сжимаемость раствора на пористом песке, как правило, выше предельной сжимаемости крупного заполнителя, дроблением которого получен этот песок. Таким образом, при использовании пористого песка целесообразно максимальное увеличение расхода крупного заполнителя;
3) замена кварцевого песка пористым приводит к снижению предельной прочности бетона. Поэтому пористый песок целесообразно применять для получения легкого бетона прочностью, близкой к прочности крупного заполнителя. В этом случае при равной прочности бетона прочность растворной части на пористом песке может быть значительно ниже, чем на кварцевом.
Итак, прочность конструктивного легкого бетона прежде всего зависит от прочности и деформативности применяемых пористых заполнителей. Большое значение имеют также прочностные и деформативные свойства растворной части, которые зависят от вида и качества применяемого песка; активности и расхода цемента; способов уплотнения бетонной смеси, предопределяющих оптимальный расход воды затворения.
При заданном виде крупного пористого заполнителя технологическому регулированию доступны только свойства растворной части, условия уплотнения которой в значительной степени зависят от гранулометрического состава заполнителей и прежде всего — от соотношения мелких и крупных фракций.
На прочность легкого бетона большое влияние оказывает объемное содержание крупного заполнителя, от которого зависят условия уплотнения, а следовательно, и свойства растворной части.
Поэтому для обеспечения равномерного уплотнения растворной части конструктивного легкого бетона необходимо, чтобы ее объем в уплотненном состоянии на 10—20% превышал объем межзерновых пустот крупного заполнителя.
При уменьшении содержания крупного пористого заполнителя снижается его влияние на реологические свойства бетонной смеси В случае использования кварцевого песка это позволяет уменьшить водоцементное отношение и повысить прочность растворной части.
Однако увеличение прочности легкого бетона за счет уменьшения содержания пористого заполнителя вызывает перерасход цемента, приводит к повышению объемной массы бетона и снижает эффективность его применения.
Каждому виду пористого заполнителя с определенными физико-механическими свойствами соответствует оптимальная прочность конструктивного легкого бетона, которая достигается при сравнительно небольшом расходе цемента (250—350 кг/м3) и обеспечивает его высокие строительные качества. Превышение оптимальной прочности можно допустить только в исключительных случаях.
Для большинства видов пористых заполнителей плотностью 1000 кг/м3 и более оптимальная прочность бетона практически та же, что и для тяжелых плотных заполнителей. В этих случаях прочность бетона определяется почти исключительно прочностью растворной части.
По данным Ю.Е. Корниловича, прочность тяжелого бетона обусловливается двумя факторами: прочностью цементного камня и величиной его сцепления с зернами заполнителя. В легком бетоне это сцепление лучше, чем в тяжелом, что объясняется шероховатой поверхностью зерен пористого заполнителя и явлением «самовакуумирования», доказанным и исследованным проф. М.З. Симоновым. Прочность же самого цементного камня в легком бетоне в результате худшей удобоукладываемости может быть ниже, чем в тяжелом, при одинаковом расходе цемента. Это обстоятельство в известной мере компенсируется более равномерным распределением напряжений в легком бетоне, так как зерна пористого заполнителя по прочности и деформативности значительно меньше отличаются от цементного камня, чем зерна плотного заполнителя.
В тяжелом бетоне между зернами плотного заполнителя в направлении действия внешних сил возникает концентрация напряжений. При высоких нагрузках в местах наибольшего сближения крупных гранул начинается постепенное раздавливание цементного камня, что приводит к снижению модуля деформаций и объясняет нелинейный характер зависимости σ—ε тяжелых бетонов марок 150—200 со сравнительно невысокой прочностью растворной части. Для легких бетонов такой же прочности с более податливыми гранулами крупного заполнителя характерно менее интенсивное уменьшение модуля деформаций при напряжениях, близких к пределу прочности (рис. 5).
Прочность легких бетонов при сжатии

По мнению М.З. Симонова, эта особенность легких бетонов свидетельствует о более позднем начале микротрещинообразования при повышении нагрузки.
Если не затрагивать вопросы экономики производства и транспортировки заполнителей, то единственным преимуществом конструктивного легкого бетона по сравнению с тяжелым является его относительно низкая объемная масса, обеспечивающая снижение веса конструкций со всеми вытекающими из этого последствиями.
Какие же заполнители следует предпочитать для производства несущих и, в частности, изгибаемых конструкций— менее прочные, но более легкие, или более тяжелые и прочные?
Обычно при уменьшении плотности прочность заполнителей убывает значительно быстрее. Поэтому с точки зрения отношения прочности и плотности предпочтение, казалось бы, следует отдать тяжелым заполнителям, которые при плотности 2,5—2,6 г/см3 могут иметь прочность 1000 кгс/см2 и более. Однако эта высокая прочность не может быть использована в бетоне с экономичным расходом цемента марок 400—500 при обычных способах уплотнения.
Наилучшее соотношение прочности и объемной массы бетона достигается при максимальном использовании прочности заполнителя, которая всегда значительно выше, чем прочность цементного камня той же плотности. Наибольшее использование прочности обоих компонентов бетона обычно достигается, когда прочность заполнителя равна или несколько меньше прочности растворной части. Следовательно, полностью использовать прочность качественных заполнителей тяжелого бетона возможно при прочности растворной части более 1000 кгс/см2, что практически пока недостижимо. Объемная масса бетона заметно снижается при применении пористых заполнителей плотностью 1,4—1,8 г/см3 даже в высокопрочных бетонах марок 400 и 500.
Таким образом, преимущество конструктивных легких бетонов перед тяжелыми заключается в том, что в них лучше используются прочностные свойства материалов и за счет этого обеспечивается значительное снижение веса.
Специфика работы таких изгибаемых конструкций, как крупнопанельные междуэтажные перекрытия жилых зданий, обычно не требует применения высокопрочных бетонов. Целесообразное использование указанных бетонов наталкивается на трудности, связанные с обеспечением жесткости конструкций. Поэтому для ненапряженных элементов могут быть рекомендованы бетоны с плотной растворной частью, обеспечивающей хорошее сцепление с арматурой и надежную ее сохранность от коррозии, с пределом прочности при сжатии 150—200 кгс/см2. Есть основания утверждать, что подавляющее большинство пористых заполнителей, применяемых в нашей стране, при указанной прочности растворной части обеспечивает примерно такую же прочность бетона.
Гораздо труднее получить на этих заполнителях легкие конструктивно-теплоизоляционные бетоны марок 50—75 со слитной структурой.
Так, в опытах Н.Я. Спивака, проведенных на керамзите Бабушкинского завода с насыпной массой 420 кг/м3, прочность бетона 50 кгс/см2 обеспечивалась при заполнении межзернового пространства крупного заполнителя растворной частью на пористом песке при расходе цемента 70 кг/м3, а прочность 75 кгс/см2 — при расходе цемента 100 кг/м3.
В опытах, проведенных Н.Я. Спиваком и В.С. Баджагян при участии автора на керамзите Лианозовского завода с насыпной массой 400 кг/м3, прочность бетона 100 кгс/см2 получалась при расходе цемента 150 кг/м3. При нормативном расходе цемента 200 кг/м3 прочность бетона при сжатии достигала 135 кгс/см2.
Эти данные косвенно свидетельствуют о высокой прочности пористого заполнителя с малой плотностью (около 0,75 г/см3).
При использовании столь же легкого щебня с открытой пористостью расход цемента на 1 м3 бетона для достижения той же прочности примерно на 100 кг выше. Повышенный расход цемента в последнем случае объясняется необходимостью заполнения открытых пор на поверхности щебня и худшей удобоукладываемостью бетонной смеси.
Следует отметить, что указанные результаты в опытах Н.Я. Спивака получены при высоком содержании в пористом песке пылевидных частиц.
Прочность заполнителя в конструктивно теплоизоляционном бетоне марок 50—75 и даже 100 в значительной степени остается неиспользованной, так как основные усилия технологов направлены на максимальное снижение объемной массы растворной составляющей бетона при заданной прочности.
В связи с тем, что отношение прочности к плотности у крупных пористых заполнителей всегда выше, чем у растворной части, наиболее легким при заданной прочности является предельно уплотненный бетон с максимальным содержанием пористого заполнителя.
Впрочем, это правило не всегда справедливо. При использовании для получения конструктивно-теплоизоляционного бетона прочных заполнителей с малой пористостью увеличение содержания последних в бетоне приводит к повышению объемной массы бетона. Применение подобных бетонов может быть оправдано только отсутствием заполнителей необходимой кондиции.
Таким образом, в большинстве районов строительства в нашей стране главная задача совершенствования качества пористых заполнителей заключается в снижении их объемной массы, а не в организации производства специальных высокопрочных сортов для конструктивного бетона.
Выпускаемые в настоящее время пористые заполнители в большинстве случаев более пригодны для производства конструктивного бетона, чем для применения их в наружных ограждающих конструкциях. Пористые заполнители с плотностью 0,7—0,9 г/см3 с одинаковым успехом могут быть использованы для обеих целей. Оптимальная марка конструктивного легкого бетона на таких заполнителях — 150 (по прочности при сжатии). На пористых заполнителях с более высокой плотностью без особых затруднений может быть получен бетон марки 200.
Для изгибаемых конструкций весьма эффективным может оказаться и применение крупных пористых заполнителей плотностью 0,5—0,7 г/см3 при достаточно высоком их качестве. Изготовление конструктивного бетона на таких заполнителях допустимо только при прочности растворной части не менее 150 кгс/см2, что может быть достигнуто лишь при условии интенсивного виброуплотнения бетонной смеси. Марка бетона в этом случае должна быть не менее 100. Применение конструктивного бетона марки 100 на малопрочных заполнителях целесообразно только при низком значении его объемной массы (не более 1300 кг/м3).
Использование заполнителей плотностью менее 0,5 г/см3 для получения конструктивного бетона нецелесообразно.
При увеличении проектной прочности легкого бетона его технические преимущества по сравнению с тяжелым постепенно исчезают. Поэтому для производства изгибаемых конструкций наиболее целесообразно использовать легкие пористые заполнители плотностью 0,7—1,1 г/см3, свободно обеспечивающие получение конструктивного легкого бетона марок 150—200.
Применение более тяжелых пористых заполнителей может быть оправдано только местными экономическими условиями или необходимостью получения высокопрочного легкого бетона.