книги из ГПНТБ / Иванов И.А. Технология легких бетонов на искусственных пористых заполнителях учеб. пособие

хорошо согласуются с результатами, полученными при исследовании керамзита в Пензенском инженерно-строи­ тельном институте. Доказано положительное влияние дли­ тельного контактирования керамзита с водой, которое, вероятно, приводит к релаксации начальных напряжений и не снижает его прочности.

Прочность на растяжение легких бетонов зависит прежде всего от прочности на сжатие. Н. А. Корпев от­ мечает, что значения прочности на растяжение керамзитобетона и аглопорптобетоиа близки; в ряде случаев они несколько ниже нормируемой прочности на растяжение для тяжелого бетона тех же марок. К аналогичному вы­ воду приходят Г. Д. Цискрели и А. Б. Пирадов. По их данным прочность при растяжении бетона на плотных заполнителях с повышением марки возрастает более ин­ тенсивно, чем на пористых (рис. IV.7). Это, вероятно, объясняется влиянием дефектов, имеющихся в зернах пористых заполнителей, которые сказываются в значи­ тельно большей степени при растяжении, чем при сжатии бетона.

Предел прочности на растяжение при изгибе пример­ но на 60—80% выше прочности при осевом растяжении. Чем ниже марка бетона при сжатии, тем более высокую относительную прочность на растяжение он показывает при изгибе:

Прочность при срезе легкого бетона Rcv может быть ориентировочно вычислена по эмпирическим формулам. Рекомендуется пользоваться формулой RCp=2YRe, ис­ ходя из известной марки бетона по прочности на сжатие, или формулой / ? С р = 1,57 Rp, если известна прочность бе­ тона при осевом растяжении.

Сцепление с арматурой. Прочность сцепления легкого бетона с арматурой так же, как и тяжелого, колеб­ лется в пределах от 25 до 40 кгс/см2. По мере увеличения расхода цемента отношение RcnlRa, а следовательно, и прочность сцепления снижается. Это объясняется боль-

100

шими деформациями бетона, вызванными повышенным расходом цемента, при изменении влажности окружаю­ щей среды.

Основные механические характеристики легких бето­ нов указаны в СНиП И-А. 10-62 и СНиП П-В.1-62 (табл. IV.3).

П р и м е ч а й н е. Нормативные и расчетные значения прочности на растя­ жение для плотных легких бетонов, приготовленных на вспученном перлитовом песке, а также для беспесчаных порнзоваиных легких бетонов у м н о ж а ю т на ко­ эффициент 0,7, а для бетонов на известняках-ракушечниках — на коэффициент 0,9 При использовании песков с объемной насыпной массой менее 600 кг/м3 п перлитового песка с объемной насыпной массой менее 400 кг/м3 нормативное и расчетное сопротивление принимают по опытным данным.

3. Деформативные свойства

Легкие бетоны при одинаковой с тяжелыми прочно­ стью имеют относительно низкий модуль упругости вследствие повышенной деформативности пористых за­ полнителей. Это одна из наиболее существенных особен­ ностей легких бетонов, которая в зависимости от области их применения и условий работы в конструкциях и соору­ жениях может играть отрицательную или положительную роль.

При статически приложенной нагрузке и использова­ нии бетона в несущих конструкциях, которые рассчитаны на действие продольного изгиба (колонны, стойки), по­ ниженный модуль упругости ухудшает качество бето­ на. Так, при равных напряжениях деформативность кон­ струкций из легких бетонов, например прогиб плиты пе­ рекрытия, может превышать деформации той же конст­ рукции из тяжелого бетона в 1,5—2 раза.

101

При действии динамически приложенной нагрузки, испытываемой конструкциями, эксплуатирующимися в сейсмических районах, а также аэродромными и дорож­ ными покрытиями, надежность которых в значительной степени определяется скоростью затухания динамическо­ го импульса, пониженный модуль упругости легких бе­ тонов оказывает положительное влияние на работу со­ оружений.

Начальный модуль упругости бетонов на плотных за­ полнителях равен в зависимости от марки бетона 200 000—400 000 кгс/см2, а бетонов на пористых заполни­ телях 50 000—200 000 кгс/см2. На величину модуля упру­ гости легкого бетона, кроме прочности, существенное влияние оказывают свойства пористого заполнителя.

И.Н. Ахвердов. М. 3. Симонов, И. И. Улицкий,

Г.Д. Цискрели, Т. Хансен и другие исследователи уста­ новили, что модуль упругости легких бетонов зависит от

камня и заполнителя принимаются равными соответст­

Для расчетов по рассмотренной формуле требуется знать модуль упругости отдельных зерен заполнителя. Его определяют на образцах-призмах, выпиленных из зе­ рен аглопорита, шлаковой пемзы, или на гранулах ке­ рамзита.

Рассмотрим одну из характерных диаграмм, показы­ вающую зависимость между напряжениями и деформа­ циями аглопорита при ступенчатом приложении сжима­ ющей нагрузки (рис. IV. 8). Различное положение кривой на отдельных участках диаграммы напряжение — дефор­ мация указывает на то, что модуль упругости аглопори­ та, так же как и бетона, величина переменная.

102

сительных деформаций в продольном и поперечном нап­ равлениях и соответствующим напряжениям находят ос­ новные характеристики деформативных свойств порис­ тых заполнителей. Для аглопорнта объемной массой в куске 760—900 кг/м3 модуль упругости при сжатии сос­ тавляет от 35 ООО до 50 ООО кгс/см2 , коэффициент Пуассо­ на— от 0,18 до 0,26. Приведенная величина модуля упру­ гости в значительной степени занижена. Это объясняется наличием у аглопорнта большого числа относительно крупных пор, в том числе и выходящих на поверхность. В бетоне за счет кольматации пор цементным камнем за­ полнитель упрочняется и его модуль упругости повы­ шается.

В отличие от аглопорнта гранулы керамзита более существенно различаются по объемной массе. В зависи­ мости от свойств сырья и технологии производства объ­ емная масса зерен керамзита колеблется от 500 до 1400 кг/мъ. Соответственно изменяются и деформативные характеристики. Показатели их, по данным Н И И Ж Б и Пензенского инженерно-строительного института, приве­ дены в табл. IV.4.

103

Хотя цементный камень и пористый заполнитель име­ ют, как правило, различные модули упругости, деформа­ ции их в зоне контакта до нарушения целостности легко­ го бетона одинаковы. Таким образом, можно написать равенство

Отсюда следует

Это значит, что распределение напряжений между це­ ментным камнем и заполнителем пропорционально их модулям упругости. При прочих равных условиях напря­ жения будут перераспределяться по мере роста модуля упругости заполнителя или цементного камня. Естествен­ но, что при этом будут меньшими и суммарные деформа­ ции легкого бетона и выше его модуль упругости.

Подавляющее большинство заполнителей для легко­ го бетона имеют более пористое строение и меньший мо­ дуль упругости, чем окружающий их цементный раствор, вследствие этого в них развиваются и большие относи­ тельные деформации. Вместе с тем в зоне контакта из-за хорошего сцепления заполнителя с раствором величины их деформаций равны. Однако это не означает, что и развивающиеся напряжения в заполнителе и цементном камне равны. Поскольку напряжения пропорциональны модулям упругости материалов, то они должны быть раз­ личны, концентрация же их наблюдается в более упру­ гой растворной части. По мере удаления от по­ верхности сцепления напряжения в заполнителе и раство­ ре не остаются первоначальными, а изменяются в соот­ ветствии с криволинейным очертанием их эпюр. В связи с этим неравномерность распределения напряжений по сечению бетона еще более возрастает.

Таким образом, деформативные свойства легких бе­ тонов и деформации цементного камня и пористого за­ полнителя определяются в значительной степени соотно­ шением модулей упругости этих двух его компонентов. Как следует из рис. IV.9, а, в том случае, когда модуль упругости заполнителя значительно больше, чем у це­ ментного камня (в первую очередь это свойственно тяже-

104

лым бетонам), деформации компонентов почти во всем диапазоне напряжений носят линейный характер. Нели­ нейный же характер диаграммы самого бетона объясня­ ется многочисленными микродефектами на участке по­ верхности между крупным заполнителем и цементным камнем, а также и микродефектами последнего.

В легких бетонах модуль упругости заполнителя зна­ чительно меньше, чем у цементного камня. Как видно из рис. IV.9, б, в этом случае заполнитель деформируется сильнее, чем цементный камень. Однако, учитывая высо­ кую степень срастания цементного камня с заполните­ лем, растворная часть будет выполнять роль обоймы, в которой неизбежно возникнут растягивающие напря­ жения.

По мере возрастания сжимающей нагрузки деформа­ ции пористого заполнителя в бетоне интенсивно увеличи­ ваются. Однако его разрушение от действия растягиваю­ щих напряжений в поперечном направлении происходит

По мере увеличения растягивающего напряжения агло­ порит деформируется значительно больше, чем цемент­ ный камень. При напряжениях, близких к разрушаю­ щим, величина деформаций в поперечном направлении может различаться в 2—3 раза, а у керамзита даже больше.

По данным Р. К. Житкевич, Л. С. Пивень и И. А. Ива­ нова, при действии на керамзитобетон сжимающей осе­ вой нагрузки в контактной зоне возникают только сжи­ мающие радиальные напряжения, при которых зерно ке­ рамзита работает как всесторонне обжатое тело повы­ шенной прочности. Наиболее однородное распределение напряжений в объеме бетона достигается в идеальном случае, когда модули упругости заполнителя и цемент­

105

в) 3

—f /У - - — - -

t'.nn/м

Рис. IV.9. Зависимость между напряжениями а и относительны­ ми деформациями е для заполнителя, цементного камня и бетона.

а — т я ж е л о г о ; б — легкого; / — заполнитель; 2 — С е т о н ; 3 — цементный

камень

106

ветствии со СНиП начальный модуль упругости находят

тов отечественных и зарубежных исследований и стати­ стической обработки данных многочисленных испытаний легких бетонов разных марок, приготовленных на раз­ личных заполнителях и характеризующихся различной структурой:

величина предельных деформаций бетона под действием соответственно растягивающих или сжимающих напря­ жений (предельная растяжимость или сжимаемость), тем в большей степени может деформироваться бетон без образования трещин. Предельная растяжимость лег­ ких бетонов примерно в 2 раза больше, чем тяжелых, и колеблется от 1,1 до 0,3 мм/м. Она предопределяет повы­ шенную трещиностойкость легких бетонов. Предельная растяжимость тем выше, чем выше марка бетона и боль­ ше деформативность заполнителя. Последняя в значи­ тельной степени определяется дефектами, которые воз­ никают в процессе производства.

Микротрещины, появляющиеся при обжиге и особен­ но при резком охлаждении, дефекты в оболочке зерна снижают предельную растяжимость. керамзита. Это яв­ ляется причиной того, что между объемной массой зерна заполнителя и прочностью его на разрыв не наблюдается четкой зависимости.

В работах Г. И. Горчакова показано, что предельная растяжимость керамзитобетона зависит от расхода це­

107

цемента предельная растяжимость снижается, хотя проч­

дельная растяжимость его возрастает в 2 раза. При этом прочностные свойства существенно улучшаются, что по­ зволяет эффективно использовать легкие бетоны в произ­ водстве напорных труб.

Предельная сжимаемость легких бетонов колеблется от 1,2 до 2,1 лш/м. По данным АИСМ, с повышением марки бетона предельная сжимаемость меняется в не­ больших пределах (рис. IV.12). Предельная сжимаемость зависит также от характера структуры бетона и от соот­ ношения модулей упругости цементного камня и запол­ нителя. Армирование значительно увеличивает предель­ ную сжимаемость легких бетонов.

Коэффициент Пуассона, или отношение величины по­ перечных деформаций к продольным, для легких бетонов принимается в пределах от 0,15 до 0,25 и мало отличает­ ся от значений, нормируемых для тяжелых бетонов.

108

Границы образования микротрещин. Согласно теории трещинообразования бетона О. Я. Берга, критические моменты разрушения бетона характеризуются двумя па­ раметрическими точками: R®— нижняя граница микро­ разрушений; — верхняя граница микроразрушений.

По мере нагружения бетона и увеличения действую­ щих напряжений продольные и поперечные деформации изменяются по-разному. На первом этапе продольные деформации возрастают быстрее, чем поперечные, поэто­ му объем бетона несколько уменьшается — бетон как бы уплотняется. Окончание этого этапа характеризуется до­ стижением параметрической точки R®.

На втором этапе процесс микроразрушения резко ин­ тенсифицируется, поперечные деформации возрастают быстрее, чем продольные, и объем бетона начинает уве­ личиваться. Наступает период разуплотнения. Вскоре после достижения параметрической точки R* происхо­ дит разрушение материала.

В лёгких бетонах процесс микроразрушения начина­ ется, как правило, при более высоких относительных на­ пряжениях, чем в тяжелых. Так, М. М. Израелит отмеча­ ет, что в аглопоритобетоне параметрической точке R° соответствуют относительные напряжения 0,58 от разру­ шающих, а в бетоне на гранитном щебне — соответствен­ но 0,47 от разрушающих.

По данным Ю. Д. Нациевского и Пензенского инже­ нерно-строительного института, процесс разрушения керамзитобетона при сжатии протекает несколько иначе, чем у аглопоритобетона. По мере нагружения керамзнтобетона, а следовательно, и повышения уровья напря­ жения этапы уплотнения и разуплотнения структуры мо­ гут неоднократно чередоваться. Одной из причин этого явления может быть первоначальное напряженное состо­ яние гранул керамзита, возникающее при их резком ох­ лаждении.

4. Усадка и ползучесть

Усадка бетонов вызывается в основном уменьшени­ ем количества свободной и полусвязанной воды в це­ ментном камне. При смешивании цемента с водой обра­

109