§ 3. Прочностные свойства бетонов

Ниже приводятся сравнительные прочностные, деформативные и другие свойства неармированных и армированных шлакощелочных и портландцементных бетонов при кратковременном и длительном загружении.

Наиболее широко в строительстве применяются бетоны марок 300-500. В исследованиях использованы шлакощелочные бетоны марки 300на мелкозернистом и марок 300 и 500 - на крупном заполнителе.

По составу эти бетоны не являются оптимальными, так как главной задачей являлось определение возможных пределов свойств бетонов и факторов их определяющих.

Поэтому в виде дисперсных заполнителей использовали некондиционные мелкие пески с содержанием пылеватых и глинистых частиц, превышающим требования ГОСТ, и применяли пластичные бетонные смеси.

Для приготовления мелкозернистого шлакощелочного бетона состава 1 применяли следующие материалы: овражный песок с содержанием глинистых и пылевидных частиц 13,3%; днепродзержинский гранулированный шлак, размолотый до тонины, характеризующейся удельной поверхностью по ПСХ-2— 3000см²/г; в виде щелочного компонента использо­вали кальцинированную техническую соду по ГОСТ 10689—70 в виде водного раствора с р= 1,2 г/см^г.

В качестве вяжущего для крупнозернистых шлакощелочных бетонов применяли запорожский домен­ный гранулированный шлак с тонкостью помола 3000—3500 см²/г и щелочной компонент: для соста­вов 2, 4, 5 —кальцинированная сода с той же плотностью, а для состава 3— силикат натрия (натрий кремнекислый мета) по ГОСТ 4239—66 с плотностью раствора р—1,08 г/см³.

Вяжущим для обычных бетонов составов 6 и 7 служили портландцемент марки 500 бахчисарайско­го комбината «Стройиндустрия».

Для крупнозернистых бетонов обоих видов запол­нителями использовали: песок кварцевый с М_кр = = 0,985 и карбонатный щебень крупностью 10— 20 мм.

Таблица 9. Расход материалов на 1 м³ бетонной смеси

Вид бетона и номер состава	Проектная марка бетона	Расход материалов на 1м3 бетонной смеси, кг
		Цемент	Шлак	Песок	Щебень	Раствор щелочного компонента (сода), л	Вода, л	Сода
Шлакощелочной бетон
1*	300		530	1430		240		65
2	300		300	530	1342	180		36
3	300		500	530	1320	160
4	500		500	540	1280	170		34
5**	500		530	540	1280	170		34
Цементный бетон
6	300	3001		530	1342		180
7**	500	530	1	540	1280		170

* 1-й состав шлакощелочног обетона изготовлен на комбинате про­изводственных предприятий «Киевметростроя» и в управлении произ­водственных предприятий комбината «Ворошиловградхимстрой»,

** 5 йи 7-й составы шлакощелочного и цементного бетонов изготов­лены на заводе ЖБИ объединения «Крымжелезобетон».

Для определения физико-механических свойств бетонов испытаниям подвергались в основном неизолированные образцы: для получения «чистых» характеристик часть из них была покрыта изоляцией.

Для определения прочности при сжатии использовали образцы кубов разных размеров.

Данные, полученные при испытании мелкозернистого шлакощелочного бетона состава J,указывают на то, что частные результаты отклоняются от сред­них в следующих пределах: для кубов с ребром 7 см от 3 до 10%, в отдельных случаях до 20%, для кубов с ребрами 10 и 20 см — 3—10%.

Марку (кубиковую прочность) шлакощелочного мелкозернистого бетона рекомендуется определять на кубах с ребром 10 см, исходя из того, что бетон мелкозернистый и отклонения прочностных показателей для кубов с ребром 10 и 20 см находятся приблизительно в одном пределе. Предел прочности при сжатии кубов с ребрами, отличными от 10 см, должен быть приведен в соответствие с пределом прочности образцов кубов с ребром 10 см умножением на коэффициенты, приведенные в табл. 10.

Таблица 10. Переводные коэффициенты дли определения марки шлакощелочных бетонов

Кубы с раз­мерами ребер, мм	Переводные коэффициенты	Кубы с размерами ребер, мм	Переводные коэффициенты
70	0,90	150	1,05
100	1,00	200	1,10

Кроме кубов с ребром 10 см и призм ЮХЮХ Х40 см (п/а=4) были испытаны образцы сечением 10x10 и высотой 20 и 30 см. В результате определено влияние высоты (h/a=l+4)образца на проч­ность. В табл. 11 приводятся средние данные.

Таблица11. Влияние высоты образца на его прочность

Л/а	1	2	3	4
R кгс/см2	291
Rпр кгс/см2		286	235	204
Rпр/R	1,00	0,92	0,81	0,70.

Необходимо также отметить, что с увеличением возраста разница в прочности кубов (образцов) различных размеров выравнивается, т. е. отношение их прочностей с возрастом стремится к единице. Чем меньше размеры образца, тем раньше стабили­зируется их прочность. Так, например, в кубах с ребром 7 см прекратился интенсивный рост прочности уже в возрасте 120 суток, а у кубов с ребром 10 и 20 см он наблюдался в течение 360 суток.

Отношение сопротивления растяжению восьмерок сечением 7х10см к призменной прочности находится в пределах 0,116—0,131. Прочность при изгибе близка к прочности при растяжении стандартных восьмерок и составляет 0,125—0,167, а при центральном растяжении 0,08—0,125 от предела прочности при сжатии (при марках шлакощелочного бетона 200—800).

Призменную прочность можно определять по формуле Б. Г. Скрамтаева

Р_нр*= 0,7 R (10)

Для практических расчетов можно принимать со­противление шлакощелочного бетона растяжению по формуле

R_р = 0,1R (11)

Характер роста прочности шлакощелочного бетона естественного твердения и пропаренного при атмосферном давлении изображен соответственно на рис. 17 и 18.

Однородность мелкозернистого шлакощелочного бетона. Оценку однородности мелкозернистого шлакощелочного бетона по прочности на сжатие производили по ГОСТ 18105—72 с применением статистического метода. Был испытан 51 куб с ребром 7 см из мелкозернистого бетона состава 1 и столько же из крупнозернистого соответственно на кубах с ребром 10 см.

Относительную изменчивость свойств (прочности) оценивали с помощью коэффициента изменчивости (вариации) v.

Результаты расчетов коэффициента однородно­сти по ГОСТ 10180—74 для шлакощелочных бето­нов, изготовленных в условиях опытного производ­ства на комбинате производственных предприятий «Киевметростроя», в управлении производственных предприятий комбината «Ворошиловградхимстрой», приведены в табл. 12

Таблица 12. Техническая характеристика шлакощелочного бетона

Вид бетона	Прочность при сжатии, кгс/см2			Среднее отклонение S, кгс/см2	Коэффициент вариации, v=S/Rho	Коэффициент однородности, К
	Средняя R	Максимальная R	Минимальная R
Мелкозернистый	309	376	191	35,5	0,115	0,655

Оценивая результаты вычислений показателя однородности по испытанию кубов с ребром 7 и 10 см, можно отметить, что он выше, чем у портландцементных бетонов.

Отношения между сопротивлениями растяжению и сжатию для шлакощелочного бетона оказываются большими, чем соответствующие отношения для портландцементного бетона.

4. УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ

Для выявления первичных деформаций бетонов при кратковременном однократном действии нагрузки устанавливались закономерности изменения деформаций и определялись упругие константы. В процессе испытаний определяли предельные деформации бетонов при сжатии и растяжении.

Упругопластические свойства при сжатии и рас­тяжении для мелкозернистого бетона состава (обобщены на рис. 20 и 21).

Как видно из рис. 20, шлакощелочной бетон (как и портландцементный) не обладает совершенной упругостью; даже при малых кратковременных на­пряжениях полная деформация состоит из двух слагаемых,

т. е. упругой части е_упр и пластической е_пл. Соотношение этих частей деформаций приблизительно та­кое же, как и для обычного бетона.

Значения модуля упругости и показатели его роста при сжатии и растяжении, в зависимости от возраста, определенные статическим и резонансным методами по изгибными продольным колебаниям, приведены в табл. 13.

Установленные экспериментальные значения и характер изменения коэффициентов упругости Vo и Пуассона (поперечных деформаций) µ с достаточной надежностью описывается уравнением и показаны на рис.21

Значения коэффициента Пуассона с увеличением напряжений изменяются незначительно, в основном они близки к 0,2. Используя закон Гука, выражение и сделав незначительные преобразования, можно записать формулу для полных относительных деформаций

где e_б —полные относительные деформации; n = σ/R — относительное напряжение; е₀ — удельный модуль упругости; Е₀—модуль упругости бетона; R — прочность бетона, соответствующая напряженному состоянию (сжатию или растяжению, т. е. призменная прочность или прочность при растяжении).

Таблица 13. Рост модуля упругости мелкозернистого шлакощелочного бетона состава 1 во времени

Возраст, сутки	Статический модуль упругости, Eб·105 кгс/см2	Модуль упругости, определенный резонансным методом Eб·105 кгс/см2			Расхождение, проц.	Коэффициент Пуассона, определенный резонансным способом	Статический модуль упругости при растяжении Ер*105 кгс/см2
		По изгибным колебаниям	По продольным колебаниям	Среднее время
3	1,311	1,46	1,36	1.41	7,1	0,154	1,33
7	1,459	1,52	1.54	1,53	4,6	0,151	1,31
28	1,570	1,73	1,70	1,72	4,1	0,163	1,51
360	2,075	2,09	2,17	2,13	2,6	0,187	2,18

Величину модуля упругости мелкозернистого шлакощелочного бетона при напряжениях 0,2 R_np в зависимости от кубиковой прочности можно опре­делять по эмпирической формуле типа Графа — Роша

которая дает хорошие результаты при К=1800. По этой же формуле можно определять модуль упругости и для крупнозернистых бетонов, для которых коэффициент К находится в пределах 800— 1200. Расхождения экспериментальных значений с теоретическими составляют 5,2—10,8%. Необходи­мо также отметить, что с ростом прочности (марки).

Таблица 14. Средние значения модуля упругости Е_б, бетонов (шлакощелочного — составов 2-4, цементного

Возраст, сутки	Условия твердения	Шлакощелочной бетон
		2				3
		Eб·105 кгс/см2	µ	V0	Eб·105 кгс/см2по СНиП 11-21-75	Eб·105 кгс/см2	µ	V0
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Проп.	4,46	0,218	0,73	2,4	2,6	0,19	0,725
		4,07		0,255		2,39		6,265
4		4,18	0 221	0,73	2,52	3,44	0,21	0,74
		3,79		0,258		3,3		0.3
7		3,21	0,225	0,81	2.56	4,76	0.23	0,78
		3,03		0,37		3,96		0,32
14		3.37	0,230	0,81	2,55	4,76	0,25	0,79
		3,17		0,274		4,0		0,55
28	*Естеств.	3,25	0,22	0,75	2.65	4,76	0.22	0.85
		2.95		0.26		5,96		0,352
		3,4	0,24	0,73	2,7	3,6	0.23	0,79
		3.1		0,28		3,25		0,29

Примечания: 1. В числителе — значения модуля упругости при 2. Значения коэффициента Пуассона приняты средние в пределах 1)=0.5, в знаменателе — при разрушении.

удельный модуль е₀ уменьшается, как и для портландцементного бетона.

Таким образом, зная значения модуля упругости и коэффициента Пуассона для шлакощелочного бетона, можно вычислить модуль сдвига G, воспользовавшись известным соотношением из теории упругости

Таблица 15. Коэффициентов Пуассона µ и упругости Vo крупнозернистых состава

состава						Цементный бетон состава
		4				7
Eб·105 кгс/см2по СНиП 11-21-75	Eб·105 кгс/см2		µ	V0	Eб·105 кгс/см2по СНиП 11-21-75	Eб·105 кгс/см2	µ	V0	Eб·105 кгс/см2по СНиП 11-21-75
10	11		12	13	14	15	16	17	18
2,0	2.95		0,21	0,895	2.92	3,42	0,186	0,645	2,05
	2,55			0.521		2,9		0,207
2,05	3,01		0.22	0,86	3,04	3,23	0,22	0.63	2.5
	2.67			0.515		3,26		0,222
2,1	3,03		0,24	0,89	3,06	3,38	0,24	0,687	2,54
	2,99			0,502		2,53		0,277
2,2	4,11		0,23	0.725	3,04		0.25	0.81	2,55
	3,415			0,402				0,386
2,3	2,82		0,241	0.89	3,12	3,02	0,255	0,84	2.7
	2,69			0,524		2,93		0,41
2.2	3.09		0.25	0,81	3,13	3,25	0,23	0.81	2.95
	2,79			0,51		2.9		0,37" '

1.1=0,2, в знаменателе — при µ=0,3.

µ =0.2÷0.6. 3. В числителе значения коэффициента упругости v₀

Подставляя значения µ из табл. 13, 14, получим, что модуль сдвига изменяется в пределах (0,4- 0,433) E_б.

При армировании призм 406А = I удалось определить деформативность, модуль упругости, разрушающую нагрузку и другие параметры в различных возрастах.

На рис. 22 для сравнения приведены деформации неармированных и армированных призм. Армирование повышает упругие свойства призм и модуль их упругости примерно на 26—58%.