» » Влияние структуры бетона на его свойства

Влияние структуры бетона на его свойства

20.04.2016

Исследуя различные гранулометрические составы теплоизоляционно-конструктивных легких бетонов, Н.Я. Спивак пришел к убеждению, что свойства бетонной смеси, а также структура и свойства отвердевшего бетона в наибольшей степени зависят от относительного содержания в заполнителе мелких фракций (до 5 мм). Было установлено, что, изменяя относительное содержание мелких фракций, можно в широких пределах варьировать все основные свойства легких бетонов — прочность, объемную массу, модуль упругости, теплопроводность и т. д. Различное содержание мелких фракций в заполнителях, используемых многими исследователями, обусловливает большую изменчивость получаемых результатов.
Таким образом, к расхождению основных показателей бетона, связанному с многообразием свойств пористых заполнителей и с их естественной неоднородностью, прибавляется расхождение, обусловленное различием структур бетонов равной прочности при сжатии.
По мере накопления экспериментальных данных возрастает количество противоречивых сведений, что затрудняет нормирование расчетных параметров.
Между тем для надежного использования положительных свойств легких бетонов необходимо обеспечить достаточную повторяемость получаемых результатов.
В целях направленного регулирования и обеспечения повторяемости результатов необходимо было создать четкую основу для типизации и классификации структур бетонов. Н.Я. Спивак предложил в качестве такой основы использовать отношение объема мелкой фракции (до 5 мм), т. е. песка, к сумме пофракционных объемов заполнителя (как мелкого, так и крупного): М/М+К. Значение фактора М/М+К (которое в дальнейшем мы будем обозначать m) в известной степени предопределяет относительное объемное содержание в бетоне крупного заполнителя CO.
На формирование свойств легкого бетона существенно влияют условия виброуплотнения, в зависимости от которых устанавливают жесткость или виброукладываемость бетонной смеси. Виброукладываемость принято измерять временем (сек), по истечении которого при вибрировании с заданным пригрузом или без него уменьшение объема уплотняемой смеси практически прекращается. Поэтому для оценки виброукладываемости, кроме времени, необходимо указывать и величину пригруза в г/см2. Виброукладываемость смеси назначается в соответствии с условиями ее уплотнения при производстве изделий.
Принято различать пластичные смеси с виброукладываемостью 15 сек без пригруза и виброуплотняемые — с виброукладываемостью 45—60 сек под пригрузом 50 г/см2.
Для получения конструктивного бетона одинаковой прочности содержание цемента в пластичной смеси должно быть на 20—40% выше, чем в виброуплотняемой.
Пластичные и виброуплотняемые смеси могут отличаться также оптимальным гранулометрическим составом, который в свою очередь зависит от вида крупного заполнителя (щебень или гравий).
Гранулометрический состав пористых заполнителей определяется процентным соотношением по объему зерен различной крупности, просеянных через стандартный набор сит с отверстиями 0,15; 0,3, 0,6; 1,2; 2,5; 5, 10; 20 и 40 мм.
Для производства конструктивного легкого бетона рекомендуются следующие фракции заполнителя: 0—5; 5—10 и 10—20 мм. Гранулометрический состав песка (0—5 мм) систематически контролируется просеиванием через стандартный набор сит.
Соотношение объемов крупных фракций (обычно двух) должно обеспечивать минимальную межзерновую пустотность их смеси. Как правило, оптимальное соотношение этих двух фракций различных пористых заполнителей изменяется в небольших пределах. Например, содержание фракции 5—10 мм в сумме объемов фракций 5—10 и 10—20 мм изменяется от 42 до 36%. Причем большее значение рекомендуется для щебня, меньше — для гравия.
Однако в конструктивных легких бетонах при высоких значениях структурного фактора т изменение соотношения фракций крупного заполнителя в указанных пределах не имеет большого значения и это соотношение во всех случаях может приниматься 2:3.
Гораздо большее влияние на прочность легкого бетона оказывает предельная крупность заполнителя. Пористый заполнитель предельной крупности (40 мм) в конструктивных легких бетонах и даже в конструктивно-теплоизоляционных обычно не применяется, так как его применение резко ухудшает удобоукладываемость бетонной смеси. Как правило, для этих бетонов используется заполнитель предельной крупности 20 мм, хотя известны случаи успешного применения керамзита предельной крупности 30 мм, разделенного на фракции 7—15 и 15—30 мм.
При необходимости получения бетона высоких марок на малопрочном пористом заполнителе предельная крупность последнего должна быть 10 мм. Однако этот прием приводит к повышению объемной массы бетона и может быть использован только в исключительных случаях.
На все основные свойства легкого бетона очень большое влияние оказывают вид и качество применяемого песка.
Как указывалось, большое значение имеет содержание в пористом песке пылевидных, гидравлически активных частиц крупностью до 0,15 мм. Однако в конструктивных бетонах с повышенным содержанием цемента влияние этих частиц на прочность при сжатии снижается. В пористом песке целесообразно ограничивать содержание крупных частиц.
Содержание в пористом песке частиц крупностью от 1,2 до 5 мм не должно превышать 50% по объему, причем желательно, чтобы оно составляло около 30%.
Оптимальное количество воды затворения определяется опытным путем по наименьшему выходу бетона при заданной интенсивности виброуплотнения.
Таким образом, каждая модификация легкого бетона характеризуется следующими основными параметрами:
1) видом пористого заполнителя и его насыпной массой;
2) структурным фактором m;
3) виброукладываемостью (пластичный или виброуплотняемый);
4) предельной крупностью заполнителя;
5) видом мелкозернистого составляющего (пористый песок, кварцевый или смесь этих песков в определенном соотношении);
6) расходом цемента и его маркой.
Количество задаваемых параметров можно сократить, только приняв единую предельную крупность заполнителя -20 мм.
Для повышения конструктивных качеств легкого бетона, из которых важнейшим является его объемная масса при заданной прочности, важно оптимизировать все приведенные параметры, начиная с величины структурного фактора.
Объемная масса легкого бетона в сухом состоянии складывается из расходов заполнителя и цемента (с учетом химически связанной воды), отнесенных к единице его объема. Эти расходы прежде всего являются функциями структурного фактора.
Влияние структуры бетона на его свойства

Так, в результате опыта по исследованию свойств различных модификаций виброуплотняемого керамзитобетона марки 50 с предельной крупностью заполнителя 20 мм была получена идеально четкая зависимость суммы пофракционных объемов керамзита от величины структурного фактора га (рис. 10). Эта зависимость выражается двумя почти прямыми линиями, пересекающимися в точке максимального значения суммы пофракционных объемов.
Анализ полученной зависимости показал, что расход крупного заполнителя практически постоянен до тех пор, пока его межзерновое пространство не заполнится растворной частью. При дальнейшем увеличении объема растворной части гранулы крупного заполнителя раздвигались, что приводило к уменьшению расхода этого заполнителя. Расход песка в растворной части при том малом количестве цемента, которое необходимо для получения прочности 50 кгс/см2, также был практически постоянным.
Были составлены уравнения как для левой, так и для правой части графика, выражающего исследуемую зависимость. Для левой части графика (при незаполненной межзерновой пустотности крупного заполнителя),
Влияние структуры бетона на его свойства

Для правой части графика (при объеме растворной части, превышающем межзерновую пустотность заполнителя в уплотненном состоянии, т. е Мmax/М≥П):
Влияние структуры бетона на его свойства

Легко убедиться, что при m=0 (беспесчаный крупнопористый бетон) ΣVз=Kmax, а при m=1 (мелкозернистый бетон) ΣVз=Mmax. Эти краевые значения объясняют физический смысл обозначений Кmax и Mmax.
Максимальное значение суммы пофракционных объемов заполнителя получается при Mmax/M=П. ΣVmax=Kmax+MmaxП.
Значение фактора m, соответствующее максимальному расходу заполнителей:
Влияние структуры бетона на его свойства

Отклонение расчетных значений от фактических не превышало 2% и, следовательно, находилось в пределах точности эксперимента. Однако приведенные результаты были получены при использовании в качестве мелкозернистой составляющей дробленого керамзитового песка с предельной крупностью зерен 1,2 мм и при низком расходе цемента.
Прерывистая гранулометрия заполнителя в этих опытах была принята в соответствии с рекомендациями «Указаний по подбору состава и приготовлению керамзитобетона».
Дальнейшие исследования показали, что при использовании заполнителей с непрерывной гранулометрией, т. е. с применением песка крупностью до 5 мм, характер зависимости расхода заполнителей от структурного фактора может существенно измениться. Эти исследования проводились с целью изучения влияния структурного фактора на свойства легкого бетона при изменении расхода цемента от 135—150 до 485—505 кг/м3.
Опытные образцы формовались из виброуплотняемой бетонной смеси непрерывного гранулометрического состава с предельной крупностью зерен заполнителя 20 мм. В качестве крупного заполнителя использовался керамзит Лианозовского завода с насыпной массой двух фракций (5—10 и 10—20 мм) 380—420 кг/м3. Среднее значение насыпной массы составило 404 кг/м3. Фракции 5—10 и 10—20 мм дозировались по объему в соотношении 2:3. Мелкозернистая составляющая заполнителя принималась в трех вариантах: пористый песок, полученный дроблением крупного заполнителя; кварцевый песок с насыпной массой 1550—1600 кг/м3; смесь этих песков в соотношении 1:1 по объему. Для усреднения пористый песок рассеивался на две фракции: 0—1,2 и 1,2—5 мм. Эти фракции дозировались по объему в соотношении 7:3.
Коэффициент выхода смеси этих фракций — 0,88; насыпная масса 705—730 кг/м3. В пористом песке фракции 0—1,2 около 30% составляли пылевидные частицы. При каждом значении структурного фактора изготавливали 12 серий образцов: три вида мелкозернистой составляющей при четырех различных расходах цемента. Каждая серия изготовлялась после предварительного подбора оптимального расхода воды затворения и включала шесть кубов с размерами ребер 10, 15 и 20 см, по три призмы 15x15x60 см, «восьмерки» с шейкой 10x10x40 см, балки 15x15x120 см и пластинки 25x25x5 см для определения теплопроводности. Через 4 ч после изготовления все образцы пропаривались в автоклаве без избыточного давления при температуре около 90° С. Применялся следующий режим термообработки: подъем температуры — 2 ч, изотермический прогрев — 5 ч, остывание — 10 ч. Испытание образцов начинали через 28 дней после пропаривания.
Работа проводилась инж. Баджагян В. С. при участии автора и группы сотрудников лаборатории ЦНИИЭП жилища под руководством Н.Я. Спивака.
Ввиду большого объема экспериментальных работ это исследование растянулось на несколько лет и, по существу, осталось незавершенным. Тем не менее результаты его представляют значительный интерес.
Влияние структуры бетона на его свойства

Рассмотрим прежде всего зависимость прочности бетона от расхода цемента (рис. 11, 12, 13).
Линейный характер этой зависимости наблюдается только у крупнопористого беспесчаного бетона (m=0) Однако и при расходе цемента 500 кг/м3 не обеспечивается заполнение межзернового пространства заполнителя Объем незаполненных пустот еще достаточно велик, и прочность бетона составляет всего 100 кгс/см2.
При значении структурного фактора m=0,2 и применении кварцевого песка интенсивный рост прочности с увеличением расхода цемента наблюдается лишь в процессе заполнения межзерновых пустот практически неуплотняемой растворной частью. Слитное строение бетона в этом случае достигается при расходе цемента, отнесенном к объему межзерновых пустот крупного заполнителя, около 800 кг/м3. Таким образом, возможности роста прочности растворной части при дальнейшем увеличении расхода цемента к этому моменту практически исчерпаны. Незначительное возрастание прочности бетона (от 137 до 157 кгс/см2) при повышении расхода цемента от 325 до 500 кг/м3 можно объяснить только некоторым увеличением объема растворной части и улучшением условий ее уплотнения.
Примерно такая же картина наблюдается при значении структурного фактора m=0,19 и использовании смеси кварцевого и пористого песков. Однако рассматриваемая зависимость имеет здесь более плавный характер. Это свидетельствует о том, что растворная часть с частичным применением пористого песка дольше сохраняет возможность повышения прочности при увеличении расхода цемента.
Зависимость прочности бетона от расхода цемента выглядит несколько иначе при использовании пористого песка и значении структурного фактора m=0,18.
При увеличении расхода цемента со 150 до 300 кг/м3 график рассматриваемой зависимости идет параллельно аналогичному графику, построенному для крупнопористого бетона. Это свидетельствует о плохих условиях уплотнения легкой растворной части при ее недостатке. В этом случае прочность интенсивно растет при увеличении расхода цемента от 300 до 360 кг/м3, т. е. когда уже заполнено межзерновое пространство крупного заполнителя. При дальнейшем росте расхода цемента характер зависимости становится примерно таким же, как и для бетона на смешанных песках (при m=0,19).
Интересно отметить, что при расходе цемента 500 кг/м3 прочность бетона практически одинакова во всех трех вариантах растворной части: 153—157 кгс/см2.
Влияние структуры бетона на его свойства

В бетонах с более высоким содержанием песка при m=0,28—0,50 нелинейный характер зависимости прочности от расхода цемента вполне объясняется положениями, которые изложены ранее. Оптимальная прочность бетона на данном виде крупного пористого заполнителя (150—175 кгс/см2) достигается при расходе цемента около 325 кг/м3. Дальнейшее увеличение расхода цемента малоэффективно.
С увеличением прочности бетона оптимум расхода цемента при использовании кварцевого песка смещается в сторону составов с меньшим содержанием крупного заполнителя, а при использовании только пористого песка такое смещение не наблюдается (рис. 14).
При малом расходе цемента и использовании кварцевого песка запесоченные составы показывают меньшую прочность. Однако при повышенном расходе цемента увеличение содержания кварцевого песка, а следовательно, и объема растворной части сказывается положительно.
При использовании пористого песка желательно обеспечить максимальное содержание крупного заполнителя. Превышение расхода мелкой фракции, необходимого для хорошего уплотнения растворной части, в этом случае не приводит к увеличению прочности бетона.
Результаты подбора оптимального объема воды затворения представлены в виде зависимостей водоцементного отношения от расхода цемента (рис. 15).
На рис 16. приводится зависимость водоцементного отношения от значения структурного фактора m при расходе цемента 325 кг/м3. Эта зависимость показывает, что оптимальный расход воды затворения определяется видом мелкого заполнителя и его содержанием в бетонной смеси, а также, что керамзитобетон с применением смеси пористого и кварцевого песков по оптимальному расходу воды затворения ближе к бетону на кварцевом песке, чем к бетону на пористом песке.
Одной из целей проведенного исследования было уточнение зависимости расхода заполнителя от значения структурного фактора при использовании песка предельной крупности 5 мм, а также определение влияния расхода цемента на эту зависимость.
Результаты показали, что при увеличении расхода цемента примерно до 260 кг/м3 почти во всех случаях расход заполнителей также возрастает. Это явление можно объяснить пластифицирующим влиянием цемента на бетонную смесь. Дальнейшее увеличение расхода цемента приводит к постепенному снижению объема заполнителей при всех значениях структурного фактора, за исключением крупнопористого беспесчаного бетона (m=0).
В последнем случае высокий суммарный объем обеих фракций крупного заполнителя (1200 л/м3) сохраняется и при расходе цемента 500 кг/м3
Влияние структуры бетона на его свойства

На рис. 17 и 18 показана зависимость относительного объемного содержания крупного заполнителя от расхода цемента. Объемное содержание заполнителя пропорционально его расходу в насыпном состоянии: ω=Uк1 (1—П1)+Uк2 (1—П2) = (1—Пср) ΣUкн.
Средняя межзерновая пустотность фракций крупного заполнителя Пср в рассматриваемых опытах равна 46% Пср=0,46; ω=0,04 ΣUкн; ΣUкн = 1,85ω
Смесь двух фракций керамзитового гравия (5—10 и 10—20 мм), перемешанная и уплотненная с водой и цементом, в крупнопористом бетоне имела межзерновую пустотность всего 35% (ω0=0,65). Если бы такой расход крупного заполнителя сохранялся до заполнения песком его межзернового пространства, то это заполнение было бы достигнуто при очень низком значении структурного фактора:
Влияние структуры бетона на его свойства

Однако при использовании песка предельной крупности 5 мм расход крупного заполнителя заметно уменьшается еще до заполнения его межзернового пространства. Это объясняется тем, что крупные частицы песка при увеличении его расхода все сильнее препятствуют сближению гранул керамзитового гравия.
В бетонной смеси с низким содержанием песка (m=0,18—0,20) еще сохраняется сравнительно высокая степень уплотнения крупного заполнителя: ω=0,622 0,635. Эти показатели соответствуют суммарному расходу обеих фракций керамзитового гравия —1150— 1175 л/м3.
При дальнейшем увеличении расхода песка условия уплотнения крупного заполнителя значительно ухудшаются. Поэтому график зависимости относительного объемного содержания крупного заполнителя от значений m имеет плавный и почти прямолинейный характер (рис. 19). По виду этого графика нельзя заключить, пр каком значении m заполняется межзерновое пространство крупного заполнителя.
На рис. 20 показана зависимость суммы пофракционных объемов заполнителя от значений m при различных расходах цемента.
Влияние структуры бетона на его свойства

При расходе цемента 260 кг/м3, обеспечивающем максимальное содержание заполнителя, наибольшая сумма его пофракционных объемов соответствует значениям m = 0,2—0,24. Между тем, зная пустотность крупного заполнителя, путем элементарного расчета легко убедиться, что количества песка, соответствующего указанным значениям фактора m, недостаточно для заполнения межзернового пространства керамзитового гравия. Для определения значений m, при которых достигается это заполнение, можно воспользоваться формулой (8).
Указанная формула остается справедливой, если вместо значения Kmах (суммарного насыпного объема крупного заполнителя в беспесчаном бетоне) и соответствующей ему межзерновой пустотности П подставить расход керамзитового гравия — 1 м3 и среднюю пустотность этого заполнителя Пср — 0,46. Значение Mmax также можно принять равным 1 м3, ибо к моменту заполнения межзернового пространства нельзя рассчитывать на заметное уплотнение мелкозернистой составляющей бетонной смеси. Тогда
Влияние структуры бетона на его свойства

Эта близкая к прямой гипербола построена на графике (рис. 20), где видно, что опытные значения суммарного расхода заполнителя бетона на кварцевом песке точно совпадают с теоретическими при значениях m>0,355. Для бетона на пористом песке такое совпадение не получено.
Теоретическая кривая пересекает кривую, построенную по опытным данным, при значении m=0,42. Такое несовпадение означает только то, что при значениях m≥0,42 увеличение расхода пористого песка сопровождается некоторым его уплотнением. Чтобы определить величину этого уплотнения, можно опять воспользоваться формулой (8). Величину Mmax В в этом случае можно выразить через коэффициент уплотнения или коэффициент выхода раствора из единицы объема пористого песка β:
Влияние структуры бетона на его свойства

Подставляя в эту формулу опытное значение ΣVз, и соответствующую ему величину m, можно определить коэффициент уплотнения β. В рассматриваемом случае (при m=0,47) β=0,95.
Следовательно, при изменении m от 0,42 до 0,47 пористый песок уплотняется на 5%. Совпадение теоретической кривой с опытными данными при использовании кварцевого песка объемной массой 1550—1600 кг/ж3 показывает, что такой песок в бетоне практически не уплотняется, т. е. β=1.
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1) при использовании песка крупностью до 5 мм гранулы крупного заполнителя раздвигаются до заполнения его межзернового пространства этим песком. Влияние раздвижки особенно заметно при использовании пористого песка, содержащего больше крупных частиц. Таким образом, применение заполнителя непрерывного гранулометрического состава для виброуплотняемых смесей снижает суммарный расход заполнителей и затрудняет получение слитного бетона при низких значениях структурного фактора m;
2) при высоких значениях фактора m(m≥0,36 при использовании кварцевого песка и m≥0,42 при использовании пористого песка) предельная крупность мелкого заполнителя не влияет на суммарный расход инертных.
Определение влияния повышенного содержания цемента на объем заполнителя в бетоне сводится к нахождению зависимости объема растворной части от расхода цемента.
На основании анализа имеющихся данных были получены эмпирические формулы, отражающие влияние расхода цемента на объем растворной части бетона Vрч на пористом песке
Влияние структуры бетона на его свойства

Для оценки полученных зависимостей необходимо связать расход заполнителя с расходом цемента и со значением структурного фактора m:
Влияние структуры бетона на его свойства

Заменяя теперь Vp ч приведенными выше значениями, расходом цемента и значением m. Сумма пофракционных получаем, уравнение, связывающее расход песка Vп с объемов заполнителя
Влияние структуры бетона на его свойства

Результаты расчета суммарного объема заполнителей при расходах цемента 380 и 500 кг/м3 и разных значениях m показаны на рис. 20 в виде соответствующих графиков.
На рис. 20 видно, что отклонение расчетных значений от результатов опыта не превышает 3% и, следовательно, находится в пределах точности эксперимента.
Пользуясь формулами (10) и (11), можно уточнить предельное количество цемента, при котором сохраняется наибольший расход заполнителей.
Результаты вычисления граничного значения расхода цемента Цг представлены на рис. 21. Однако при одном и том же расходе цемента объем цементного камня в бетоне может меняться в очень широких пределах в зависимости от расхода воды затворения. Поэтому показанные на графике рис. 21 значения граничного расхода цемента не могут рассматриваться вне зависимости от характера уплотнения бетонной смеси. Бетоны и со значительно меньшим содержанием цемента могут иметь вполне слитную структуру, хотя это и не означает, что при иных расходе воды и способе уплотнения, но с тем же объемом заполнителя, нельзя получить бетон с более плотным цементным камнем.
Влияние структуры бетона на его свойства

Зависимость объемной массы керамзитобетона марок 100 и 150 от значения структурного фактора m при использовании пористого и кварцевого песков, а также их смеси представлена на рис. 22, 23 и 24 в виде диаграмм расхода заполнителей и цемента. Количество не мента на этих диаграммах дано с коэффициентом 1,15, учитывающим массу химически связанной воды.
Приведенные диаграммы показывают, что при использовании пористого песка изменение соотношения мелкого и крупного заполнителя в исследованных предела мало влияет на объемную массу бетона. Однако при частичной или полной замене пористого песка кварцевым зависимость объемной массы бетона от значения m становится очевидной.
Использование этой зависимости открывает широкие возможности регулирования величины объемной массы легкого бетона. Например, из диаграммы, приведенной на рис. 24, б, следует, что, уменьшая долю кварцевого песка в суммарном расходе заполнителя (по объему) от 0,5 до 0,3, можно снизить объемную массу керамзитобетона марки 150 более чем на 14% (с 1600 до 1370 кг/м3). Сравнивая диаграммы, приведенные на рис. 24,6 и 23,6, можно заключить, что замена половины объема кварцевого песка пористым при m=0,3 позволяет снизить объемную массу бетона марки 150 еще на 10% — до 1230 кг/м3. Заменяя весь кварцевый песок пористым, можно довести значение объемной массы керамзитобетона марки 150 до 1060—1070 кг/м3 (рис. 22,б); однако такое решение не рекомендуется по причинам, которые будут изложены ниже.
Таким образом, исследования показали, что, применяя одни и те же материалы, но в разном соотношении, можно получать равнопрочный легкий бетон при изменении объемной массы до 50%. Если необходимо получить легкий бетон повышенной прочности (для данного пористого заполнителя) марки 200, диапазон возможных изменений его объемной массы значительно сужается (1420—1460 кг/м3).
С точки зрения использования легких бетонов в изгибаемых конструкциях наибольший интерес представляют результаты испытаний керамзитобетонных образцов на изгиб и осевое растяжение. Результаты этого исследования показаны на рис. 25 в форме зависимости пределов прочности при изгибе и осевом растяжении от кубиковой прочности при сжатии.
Влияние структуры бетона на его свойства

Ранее рассмотренные материалы дают, таким образом, полное представление о составе испытанных бетонов и значении их объемной массы.
Значения прочности на растяжение при изгибе, показанные на рис. 25, получены исходя из упругого момента сопротивления Wp=6/bh2. Это позволило сопоставить на одном графике значения прочности при изгибе и растяжении. Кроме того, как отмечалось выше, отношение рассчитанного таким способом значения прочности при изгибе Rр изг к значению прочности при осевом растяжении Rр в какой то степени характеризует действительную величину упругопластического момента сопротивления.
Для сопоставления полученных данных с нормативными (СНиП II-B.1-62) на график нанесены две кривые: одна соответствует приведенным в нормах значениям Rр, а другая построена по этим же значениям, умноженным на коэффициент 1,75. Таким образом, верхняя кривая служит для сравнения результатов испытаний на изгиб с нормативными величинами.
Каждая точка на графике показывает средний результат испытаний трех образцов. Значения прочности при изгибе и растяжении, полученные на образцах какой-либо серии, отложены на этом графике по одной вертикали. Принятые обозначения позволяют различать результаты, соответствующие разным вариантам мелко зернистой составляющей бетона.
Значения структурного фактора m обозначены цифровыми индексами: 2 — при m=0,18—0,2; 3 — при m = 0,28—0,3 и 5 — при m = 0,47—0,5. Точки, показывающие результаты испытаний образцов из крупнопористого беспесчаного бетона (m = 0), индексами не отмечены.
На основании приведенных результатов нельзя сделать какие-либо выводы о влиянии фактора m. Во всяком случае, это влияние не столь очевидно, чтобы о нем можно было судить без количества данных, достаточного для статистической обработки.
Зато весьма заметно влияние вида мелкозернистой составляющей бетона. Так, образцы-«восьмерки» из керамзитобетона на дробленом керамзитовом песке при расходе цемента 135—152 кг/м3 показали более высокие значения прочности при осевом растяжении, чем образцы, изготовленные при том же расходе цемента с частичной или полной заменой пористого песка кварцевым. Эти значения при m=0,18, 0,28 и 0,47 и соответствующей прочности при сжатии (Rсж=46,52 и 86 кгс/см2) лежат выше нормативной кривой, тогда как все значения прочности при осевом растяжении, полученные на образцах с применением кварцевого песка (при малом расходе цемента), лежат ниже. Самые низкие значения Rp при расходе цемента около 150 кг/м3 соответствуют составам керамзитобетона с применением только кварцевого песка.
Вместе с тем значения прочности при изгибе для этих же составов бетона расположены как раз в обратном порядке. Балки из керамзитобетона на кварцевом песке при m=0,2 и m=0,5 показали нормативную прочность, а при m=0,3 — прочность, значительно превышающую нормативную — 20,8 кгс/см2 (Rсж=85 кгс/см2, Rр изг = 1,75 Rр н = 8,5х1,75 = 15 кгс/см2).
Остальные балки при указанном расходе цемента показали прочность ниже нормативной.
Заслуживает внимания близость значений Rp и Rр изг для керамзитобетона на дробленом керамзитовом песке. При m=0,18 и m=0,28 эти значения практически сливаются. Довольно близки они и при m=0,47, особенно если учесть трудности центрирования «восьмерок». Отмеченное явление свидетельствует об отсутствии у этих образцов перераспределения напряжений при изгибе.
Опыты с балками, изготовленными с применением кварцевого и пористого песка в соотношении 1:1, показывают промежуточные результаты.
При увеличении расхода цемента до 255—260 кг/м3 прочность на растяжение (как осевое, так и при изгибе) керамзитобетона, приготовленного с применением только дробленого пористого песка, явно уменьшается.
Чрезвычайно низкая прочность на растяжение остается и при дальнейшем увеличении расхода цемента — почти до 500 кг/м3. Спорадическое расположение точек, соответствующих этому виду бетона, показывает, что полученные значения не подчинены никакой закономерности. Так, в одном случае при прочности на сжатие 150 кгс/см2 предел прочности при осевом растяжении составляет всего 5,3 кгс/см2. Причем низкие результаты, полученные при осевом растяжении, вполне подтверждаются соответствующими значениями прочности при изгибе.
При испытании образцов-«восьмерок» определяли модуль деформаций при растяжении в интервале напряжений от 0,15—0,25 Rp до 0,5—0,7 Rp. Зависимость напряжений от деформаций в этом интервале носила почти линейный характер.
Несмотря на хаотический разброс значений прочности при растяжении, значения модуля деформаций керамзитобетона на пористом песке с увеличением расхода цемента продолжали возрастать и примерно соответствовали величинам начального модуля упругости при сжатии. Следовательно, к началу испытаний образцы не имели трещин, их низкую прочность можно объяснить только высокими внутренними напряжениями растяжения в поверхностном слое.
Появление значительных внутренних напряжений при расходе цемента более 200 кг/м3 является, по-видимому, особенностью легкого бетона на пористом песке с высоким содержанием химически активных пылевидных частиц. Все повторные опыты давали такие же результаты.
Между тем исследования растворов на пористом песке, проведенные инж. Т.В. Калашниковой под руководством Н.Я. Спивака, показали высокую прочность на изгиб балочек размером 4х4х16 см при таком же содержании пылевидных частиц.
Керамзитобетон, полученный на смеси кварцевого и пористого песков, в котором, следовательно, было вдвое меньше пылевидных частиц керамзита, показал интенсивный рост прочности при растяжении с увеличением расхода цемента. Именно для этого вида бетона при расходе цемента около 500 кг/м3 была получена самая высокая прочность на растяжение при изгибе — 37 кгс/см2, что при нормативном значении момента сопротивления соответствует Rр=21 кгс/см2. Эта величина равна нормативному сопротивлению при растяжении для бетона марки 300. В данном случае прочность керамзитобетона при сжатии составляла 216 кгс/см2.
Однако в большинстве случаев прочность на растяжение при изгибе керамзитобетона на кварцевом песке выше, чем на смеси песков.
Почти все значения прочности на растяжение при изгибе керамзитобетона на кварцевом песке лежат выше нормативной кривой. Прочность при осевом растяжении обоих видов бетона примерно одинакова.
Наиболее стабильный рост прочности на растяжение (осевое и при изгибе) с увеличением предела прочности при сжатии наблюдается у керамзитобетона на кварцевом песке со значением фактора m=0,5. В этом случае прочность при растяжении почти пропорциональна прочности при сжатии.
Отношение Rр изг/Rp в зависимости от вида керамзитобетона оказалось различным. В среднем для керамзитобетона на пористом песке это отношение составляет 1,41; для керамзитобетона на смеси керамзитового и кварцевого песков—1,66; для керамзитобетона на кварцевом песке — 2,11. При оценке этих показателей следует учитывать невысокую точность центрирования образцов-«восьмерок», особенно при низкой их прочности. Для первых двух видов керамзитобетона отношение Rp изг/Rp зависит от значения фактора m.
В случае использования керамзитового песка при изменении m от 0,18 до 0,47 указанное отношение возрастает от 1,28 до 1,65. Для керамзитобетона с использованием смеси песков изменение m в тех же пределах приводит к увеличению рассматриваемого отношения от 1,42 до 1,93. В керамзитобетоне на кварцевом песке такое изменение не наблюдается.
Влияние структуры бетона на его свойства

Приведенные данные свидетельствуют об уменьшении доли пластических деформаций растяжения при использовании пористого песка. Это можно объяснить тем, что предельная растяжимость легкого бетона мало зависит от вида применяемого песка и, следовательно, снижение модуля упругости при растяжении приводит к увеличению доли упругих деформаций, уменьшая тем самым возможности пластического перераспределения напряжений.
Результаты исследований прочности керамзитобетона при растяжении показали, что не следует рекомендовать его составы, полученные без применения кварцевого песка, для производства несущих конструкций, жесткость которых в значительной степени зависит от работы бетона в растянутой зоне. Для выявления причин низкой трещиностойкости такого бетона необходимы дальнейшие исследования.
В процессе исследования было получено большое количество значений модуля упругости керамзитобетона при сжатии и растяжении.
При максимальном расхождении отдельных значений в пределах от -9% до +11% в среднем модули упругости при растяжении оказались всего на 0,12% больше, чем при сжатии, что свидетельствует о практически полном их совпадении.
Полное совпадение отмечается и по отдельным видам бетона. Для керамзитобетона на пористом песке среднее отклонение составляет 0,24%; на смеси песков +1,96%; на кварцевом песке -1,22%.
Отдельные расхождения между величинами модулей упругости при сжатии и растяжении в основном можно отнести за счет значительно меньшей точности определения последних. Поэтому при дальнейшем анализе полученных данных использованы только более достоверные значения модулей упругости, определенные по результатам испытаний призм.
На рис. 26 показаны графики зависимости модуля упругости от кубиковой прочности бетона при сжатии и объемной массы в сухом состоянии. Эти графики показывают, что при одинаковой прочности при сжатии и использовании одних и тех же материалов значения модулей упругости могут отличаться в больших пределах. Более высокие значения модулей упругости при одинаковой прочности, как правило, соответствуют большим значениям объемной массы.
Ho так как объемная масса бетона зависит от структурного фактора m, то и значения модуля упругости могут быть представлены в функции от m. Графики, пред ставленные на рис. 27, показывают, что такую важную характеристику бетона определенной прочности, как модуль упругости, нельзя связывать только с видами крупного и мелкого заполнителя и что определенную роль играет также строение бетона, характеризуемое значением фактора m.
Для нахождения зависимости модуля упругости бетона от свойств крупного заполнителя и растворной части можно воспользоваться моделью бетона, которая рассмотрена ранее.
Ho поскольку деформативность бетона не связана с наиболее слабым сечением, проходящим через центры гранул, а характеризуется свойствами материалов во всем объеме рассматриваемого тела, то сферическую форму заполнителя в этом случае можно заменить равным по объему цилиндром с усредненными сечением и высотой, или даже призмой того же объема. Тогда расчетная схема бетонного образца может быть представлена в виде призмы из раствора высотой Н, с площадью сечения F, внутри которой расположена подобная призма из материала заполнителя (рис. 28). Высота этой Полное совпадение отмечается и по отдельным видам бетона. Для керамзитобетона на пористом песке среднее отклонение составляет 0,24%; на смеси песков +1,96%; на кварцевом песке -1,22%.
Отдельные расхождения между величинами модулей упругости при сжатии и растяжении в основном можно отнести за счет значительно меньшей точности определения последних. Поэтому при дальнейшем анализе полученных данных использованы только более достоверные значения модулей упругости, определенные по результатам испытаний призм.
На рис. 26 показаны графики зависимости модуля упругости от кубиковой прочности бетона при сжатии и объемной массы в сухом состоянии. Эти графики показывают, что при одинаковой прочности при сжатии и использовании одних и тех же материалов значения модулей упругости могут отличаться в больших пределах. Более высокие значения модулей упругости при одинаковой прочности, как правило, соответствуют большим значениям объемной массы.
Ho так как объемная масса бетона зависит от структурного фактора m, то и значения модуля упругости могут быть представлены в функции от m. Графики, пред ставленные на рис. 27, показывают, что такую важную характеристику бетона определенной прочности, как модуль упругости, нельзя связывать только с видами крупного и мелкого заполнителя и что определенную роль играет также строение бетона, характеризуемое значением фактора m.
Для нахождения зависимости модуля упругости бетона от свойств крупного заполнителя и растворной части можно воспользоваться моделью бетона, которая рассмотрена ранее.
Ho поскольку деформативность бетона не связана с наиболее слабым сечением, проходящим через центры гранул, а характеризуется свойствами материалов во всем объеме рассматриваемого тела, то сферическую форму заполнителя в этом случае можно заменить равным по объему цилиндром с усредненными сечением и высотой, или даже призмой того же объема. Тогда расчетная схема бетонного образца может быть представлена в виде призмы из раствора высотой Н, с площадью сечения F, внутри которой расположена подобная призма из материала заполнителя (рис. 28). Высота этой
Влияние структуры бетона на его свойства

Таким образом, в ранее рассмотренной модели площадь сечения крупного пористого заполнителя в наиболее слабом сечении элемента принималась больше усредненной на 10%, что в общем вполне оправдано.
Используя модель, изображенную на рис. 28, можно модуль упругости бетона Eб представить в виде функции от модуля упругости растворной части Ерч, модуля упругости крупного заполнителя Eз и от его объемного содержания в бетоне ω:
Влияние структуры бетона на его свойства

При изменении модуля упругости заполнителя от 0 до ∞ модуль упругости бетона имеет вполне определенное конечное значение. Если же модуль упругости растворной части равен 0, то, согласно приведенной формуле, модуль упругости бетона также будет равен 0. Таким образом, эта формула вполне отражает роль каждого компонента в бетоне при отсутствии в нем незаполненных межзерновых пустот.
В связи с тем, что в рассматриваемых опытах используется крупный заполнитель одной партии с более или менее постоянной плотностью и в результате испытаний получена большая и разносторонняя информация о прочности и модулях упругости бетона с его применением, вполне разрешимой становится задача определения таких параметров этого заполнителя в бетоне, как прочность и модуль упругости.
Знание этих параметров позволяет оценить свойства растворной части в бетоне, которые по рассмотренным выше причинам могут значительно отличаться от свойств отдельно взятой растворной части.
Для решения этой задачи можно воспользоваться формулами (1), (2) и (12).
Зная модуль упругости этого бетона, из формулы (12) можно получить еще одно уравнение с теми же неизвестными Eз и Eрч. Таким образом, получаем два уравнения с тремя неизвестными.
Используя данные испытаний бетона другого состава, например с другим объемным содержанием крупного заполнителя, можно получить еще два уравнения, но только с одним новым неизвестным — модулем упругости растворной части бетона второго состава.
Бетоны, результаты испытаний которых могут быть использованы для составления этих уравнений, должны отвечать трем условиям:
1) иметь слитное строение; все межзерновое пространство гравия должно быть заполнено растворной частью,
2) прочность растворной части в бетоне должна быть выше прочности самого бетона,
3) отношение модуля упругости к прочности у растворной части должно быть меньше, чем у крупного заполнителя (αрч≤αз).
Всем этим условиям отвечает керамзитобетон на пористом песке с высоким содержанием цемента.
В проведенном исследовании бетона таких составов было достаточно не только для составления указанных уравнений, но и для неоднократной проверки получаемого решения.
Согласно этим уравнениям, модуль упругости керамзитового гравия плотностью 0,75 г/см3 и насыпной массой около 400 кг/м3 составляет 100 000 кгс/см2, а прочность при сжатии в бетоне — 163 кгс/см2.
В керамзитобетоне на пористом песке предельная сжимаемость растворной части больше, чем заполните ля. Поэтому разрушение начинается с раздавливания гранул керамзитового гравия. В этом случае полностью используется прочность крупного заполнителя.
Прочность растворной части к моменту начала раз рушения остается недоиспользованной. Следовательно, определив по формуле (12) после соответствующих преобразований модуль упругости растворной части, приготовленной на пористом песке, можно затем только указать минимальное значение ее прочности из условия
Влияние структуры бетона на его свойства

Это минимальное значение, кроме того, не должно быть меньше прочности бетона Rрч=Rб. Если же расчетная прочность бетона больше фактической, то это означает, что Rрч=Rб.
Таким образом, за исключением последнего случая, прочность растворной части на пористом песке остается неопределенной
Для остальных видов бетона на кварцевом песке и на смеси кварцевого и пористого песков, пользуясь найденными значениями Rз и Eз, по формулам (1) и (12) удается определить как модуль упругости, так и прочность растворной части.
Результаты этих расчетов в виде графика зависимости модуля упругости растворной части от ее прочности при сжатии представлены на рис. 29.
Для сопоставления на этом графике приведена кривая нормативных значений модуля упругости для мелкозернистых бетонов по СНиП II-B.1-62.
Влияние структуры бетона на его свойства

На первый взгляд расчетное значение прочности керамзитового гравия в бетоне представляется несколько завышенным. Ho если учесть, что на этом же керамзите при расходе цемента около 400 кг/м3 и выдержке перед пропаркой около двух суток была получена прочность бетона более 250 кгс/см2, то указанная прочность заполнителя уже не кажется слишком высокой. Прочность керамзитобетона 250 кгс/см2 при использовании цемента марки 400 близка к теоретическому пределу для заполнителя прочностью около 160 кгс/см2.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что содержание крупного заполнителя в бетоне влияет на условия уплотнения растворной части, а также на интенсивность деструктивных процессов, связанных с миграцией воды затворения из цементно-водной суспензии в зерна заполнителя и обратно в начальный период структурообразования. Чем ниже относительное содержание крупного пористого заполнителя, тем меньше его влияние на свойства растворной части в бетоне. Вместе с тем увеличение объема растворной части приводит к повышению объемной массы бетона. Для конструктивных бетонов оптимальное значение фактора m находится в пределах 0,4—0,5, что соответствует относительному объемному содержанию крупного заполнителя 0,45—0,3. Если заданная прочность бетона ниже прочности применяемого пористого заполнителя, целесообразно принимать меньшее значение m—0,4; если заданная прочность бетона выше прочности заполнителя, m следует принимать равным 0,5.
При проведении описанного исследования каждая серия образцов включала в себя по шесть кубов с размерами ребер 10, 15 и 20 см. По три куба каждого размера испытывалось по достижении 28-дневного возраста после пропарки и по три куба — еще через 5—10 дней после завершения испытаний остальных образцов: призм, «восьмерок» и балок. Результаты испытаний кубов не показали закономерного изменения прочности за этот небольшой период времени.
Для анализа соотношения прочности кубов различного размера кроме результатов данного исследования были привлечены результаты аналогичных исследований, проведенных в отделе легкобетонного домостроения ЦНИИЭП жилища (рук. отдела к.т.н. Н.Я. Спивак), — преимущественно по изучению теплоизоляционно-конструктивных бетонов марок 50 и 75. Таким образом, общее количество частных результатов, использованных для определения влияния масштабного фактора при различных модификациях керамзитобетона, составило более 1000.
В настоящее время марка легкого бетона по прочности при сжатии устанавливается по результатам испытания кубов размером 15x15x15 см. Поэтому прочность кубов с ребрами размерами 20 и 10 см была отнесена к прочности кубов с ребрами размером 15 см
При анализе результатов испытаний было установлено, что отношение прочности кубов с ребром 20 см R20 к прочности кубов с ребром 15 см R15 для керамзитобетона марки 50 (преимущественно на пористом песке) при различных значениях структурного фактора m составляет в среднем R20/R15=0,92.
Во всех остальных случаях (при испытании бетона марок от 75 до 200) при использовании как пористого, так и кварцевого песка это отношение было примерно одинаковым: R20/R15=0,97.
По отношению R10/R15 полученные результаты группируются иначе:
- для керамзитобетона марок от 50 до 200 на пористом песке R10/R15=0,95;
- для керамзитобетона тех же марок на смешанном песке (пористом и кварцевом) и для керамзитобетона марки 75 на кварцевом песке R10/R15=1;
- для керамзитобетона марок от 100 до 200 на кварцевом песке R10/R15=1,05, т. е. примерно такое же, как и для тяжелого бетона (R10/R15=0,9:0,85=1,06).
Таким образом, для керамзитобетона на пористом песке, особенно низких марок, наибольшую прочность показывают кубы с размером ребра 15 см.
Размеры кубов, не оказывая большого влияния на средний показатель прочности при сжатии, в значительной степени определяют величину изменчивости получаемых результатов. Кубы с большими размерами ребер показывают более высокую однородность результатов испытаний. Так, внутригрупповая изменчивость в сериях из шести кубов с размером ребра 20 см составляет в среднем 5,8%, тогда как для кубов с меньшими размерами ребер (15 и 10 см) эта изменчивость значительно выше — соответственно 7,7 и 9,1%.