КРАСОВСКИЙ_УП

То есть предел прочности бетона при растяжении составляет примерно 0,1 предела прочности при сжатии. В действительности же вследствие большего влияния вида заполнителей и характера их поверхности на прочность бетона при растяжении, чем при сжатии, прочность бетона при сжатии в 8–20 раз больше прочности на растяжение.

Прочность бетона является интегральной характеристикой, так как зависит примерно от 50 факторов. Для правильного проектирования бетонных и железобетонных конструкций необходимо хорошо представить себе особенности его поведения под нагрузкой, роль методики испытаний структуры бетона при определении его прочности.

Поведение бетона под нагрузкой существенно важно для определения надежности работы материала в условиях эксплуатации, оценки его долговечности, трещиностойкости и других свойств бетона.

Установлено два вида разрушения структуры. В первом случае, когда прочность заполнителя при растяжении выше прочности раствора или цементного камня, разрушение происходит по раствору в обход зерен заполнителя. Во втором случае, когда прочность заполнителя ниже прочности раствора, разрушение происходит по раствору и по зернам заполнителя. Может быть и смешанный характер разрушения при соизмеримых по прочности компонентах бетона (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Характер разрушения бетона: а – по цементному раствору без разрушения заполнителя; б – с разрывом зерен заполнителя; в – смешанное разрушение

Обобщая результаты и выводы ряда исследований и современные представления о процессе разрушения бетона, можно выделить следующее.

1. Прочность и деформативность бетона определяется главным образом его структурой и свойствами цементного камня, которые в свою очередь зависят от минералогического состава, В/Ц, тонкости помола цемента, возраста, условий приготовления и твердения, добавок. Свойства бетона существенно зависят от

61

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

вида и качества заполнителя, а также от его состава. Прочности бетонов на разных заполнителях при прочих равных условиях могут отличаться в 1,5…2 раза.

2.Разрушение бетона происходит постепенно. Вначале возникают перенапряжения, а затем микротрещины в отдельных микрообъемах. Развитие этого процесса приводит к перераспределению напряжений и вовлечению в трещинообразование все больших объемов материала вплоть до образования сплошного разрыва, зависящего от формы образца или конструкции, ее размеров и других факторов. На последней стадии процесс носит лавинный характер.

3.Разрушение бетона при сжатии обусловлено развитием микротрещин отрыва, направленных параллельно действующему усилию, при этом увеличивается объем образца, но в действительности нарушается сплошность материала. Развитие микротрещин определяется числом дефектных мест в структуре, с видом и режимом приложенной нагрузки.

4.Большое влияние на процесс разрушения оказывает жидкая фаза в бетоне. Облегчая развитие пластических деформаций, деформаций ползучести и микротрещин, ослабляя структурные связи в бетоне, вода снижает его прочность, в зависимости от скорости приложения нагрузки.

Конечно, в реальной жизни все сложнее, и поэтому некоторые положения спорны, требуют уточнения и т. д. Теория прочности должна сегодня учитывать не только структуру материала, но и статистические закономерности, так как разрушение бетона – многофакторное явление, и конечный результат может изменяться в зависимости от сочетания дефектов структуры, погрешностей испытаний и других факторов, а вероятность тех или возможных сочетаний управляется законами статистики. Таким образом, поведение бетона при нагружении обусловливается рядом структурных и статистических факторов.

Уже отмечалось, что бетон представляет собой искусственный конгломерат,

вкотором отдельные зерна заполнителя скреплены в монолит цементным камнем. При нагружении бетона вследствие различных свойств, размеров компонентов и наличия в них дефектов в компонентах возникают различные концентрации напряжений. Наибольшие концентрации создаются на границах дефектов и компонентов с разными свойствами, т. е. преимущественно в контактной зоне между заполнителем и цементным камнем толщиной 20…40 мкм, которую можно рассматривать как самостоятельный элемент структуры.

Как известно, напряжение вызывают упругие и пластические деформации. Упругая деформация обусловливается изменением межатомных расстояний и может происходить мгновенно, т. е. абсолютно упругое тело не меняет свойств

взависимости от времени нагружения.

Но реальные тела имеют большое количество различных несовершенств структуры: вакансии, дислокации и более крупные дефекты. Движения дислокаций под нагрузкой обусловливают пластические деформации тела.

Перемещение дислокаций зависит от вида и режима нагрузки и наиболее интенсивно происходит в местах концентрации напряжений, где наблюдается ско-

62

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

пление вакансий и дислокаций, приводящее к образованию микрообъемов материала с разрыхленной структурой. С повышением напряжения или увеличением времени его действия здесь могут возникнуть микротрещины, в свою очередь вызывающие концентрацию напряжений и дальнейшее интенсивное движение дислокаций, т. е. как бы генерирующие процессы разрушения. Таким образом, движение дислокаций создает предпосылки к образованию микротрещин.

С другой стороны, движение дислокаций, вызывая пластические деформации, способствует перераспределению напряжений и снижению их концентрации и тем самым предотвращает образование или развитие микротрещин. Микротрещины появляются только в наиболее слабых местах. При соответствующих условиях (повышении нагрузки; расположении трещин, параллельных действующему сжимающему усилию; сохранении концентрации напряжений) микротрещины увеличиваются, соединяются между собой и с ранее существовавшими и превращаются в трещины больших размеров.

Каждому напряжению соответствует свой уровень развития процесса давления дислокаций и образования разрыхленных мест и микротрещин. Чем выше напряжение, тем больше дефектных мест и больше вероятность разрушения материала. Когда количество дефектов, существовавших до нагружения и вновь образовавшихся, станет достаточным для образования сплошной трещины или многих трещин отрыва, бетон разрушается.

В работах Ю.М. Баженова, А.Ф. Шурова и В.Н. Мамаевского показано, что возможно два механизма возникновения и развития микротрещин скола: они образуются в результате скола по плоскостям спайности при переходе трещин в кристаллит с другой ориентацией, либо в результате пластических сдвигов по плоскости легкого скольжения, которые содержат молекулы подвижной воды. Оба эти механизма приводят к тому, что величина эффективной энергии разрушения становится функцией не только общей пористости и степени гидратации, но и характеристик дисперсно-кристаллической структуры. Наблюдения указанных исследователей показали, что в цементном камне возникшие трещины скола останавливаются границами кристаллов, особенно в тех местах, где ориентация плоскостей спайности при переходе в соседний кристаллит скачкообразно меняется.

Именно с этой точки зрения можно отметить положительное влияние комплексных добавок на трещиностойкость и прочность цементного камня. Модифицирующее действие комплексных добавок состоит в улучшении микропластических свойств слоисто-кристаллитной структуры, уменьшении размеров зерен и пор цементного геля, а также более равномерном их распределении в микрообъемах.

Процесс движения дислокаций, образования и развития микротрещин и передислокации жидкой фазы связан с переходом отдельных атомов, молекул, блоков на новые места и поэтому зависит от времени действия нагрузки. Чем короче время действия нагрузки и выше скорость нагружения, тем с меньшей относительной полнотой протекает этот процесс и меньше вероятность появления микротрещин

63

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

и трещин отрыва. Внешне это выражается в уменьшении относительной деформации бетона, соответствующей определенному напряжению (за счет «запаздывания деформации» или уменьшения пластической деформации).

Для разрушения бетона, т. е. образования сплошной трещины отрыва, требуется достаточное развитие процесса микротрещинообразования и достижения определенной предельной деформации. Чем короче время нагружения, тем большее напряжение необходимо приложить для образования трещин отрыва и разрушения материала. То есть предел прочности бетона зависит от времени и скорости приложения нагрузки.

Большое значение для прочности бетона имеет сцепление цементного камня с заполнителем, т. е. прочность контактной зоны. В ней по разным причинам (недостаточного сцепления, седиментации и др.) количество дефектов больше, чем в остальном объеме бетона, да и свойства контактирующих слоев материала резко меняются. Поэтому в контактной зоне при нагрузке происходит непрерывное движение дислокаций, разрыхление материала и образование микротрещин. Разрушение бетона начинается с контактного слоя, и поэтому ухудшение его свойств резко повышает возможность разрыва по дефектным местам и снижает прочность бетона.

Серьезное влияние на прочность может оказать влажность бетона. При медленном нагружении жидкая фаза, передвигаясь по капиллярам и проникая в устья микротрещин, облегчает деформирование бетона, развитие трещинообразования и разрушение. При высокой скорости нагружения жидкая фаза практически не успевает попасть в устье вновь образующихся микротрещин и повлиять на процесс их развития (обычно это наблюдается при времени нагружения до разрушения меньше 0,2…0,3 с).

С повышением скорости нагружения уменьшается отрицательное действие жидкой фазы, и прочность бетона повышается. Степень этого повышения определяется и скоростью приложения нагрузки, и содержанием жидкой фазы в бе-

тоне (рис. 6.2).

Чем выше степень водонасыщения, тем больше жидкая фаза влияет на свойства бетона. При быстром нагружении водонасыщенный бетон оказывается прочнее сухого. В этой ситуации передислокация жидкой фазы начинает отставать от скорости трещинообразования, и повышается сопротивление жидкой фазы нагрузке, т. е. жидкая фаза не только не передает давление от нагрузки на стенки пор и капилляров, но и частично воспринимает ее сама, как бы разрушая твердую фазу.

64

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

При большой длительности нагружения бетона в раннем возрасте цемент способен вступать в химическое взаимодействие с водой в процессе самого приложения нагрузки. Происходит так называемое самозалечивание микротрещин и постепенное упрочнение структуры. При быстром нагружении (менее 1 с) такое взаимодействие можно не учитывать. Тем более, что вода не успевает поступить к вновь образовавшимся поверхностям, способным к реакции.

Все перечисленные факторы указывают на необходимость принятия общей методики испытаний бетона.

6.2. Методика испытаний

В силу зависимости прочности бетона от большого количества факторов образцы, изготовленные даже из одного замеса, твердевшие в одинаковых условиях и испытанные на одном и том же прессе, показывают различные значения прочности бетона. Если к тому же допустить отклонения в методике испытаний, то различия в прочности могут стать очень значительными. Поэтому необходимо строго придерживаться соответствующих рекомендаций по методикам испытания и добиваться постоянного воспроизведения одних и тех же операций с высоким постоянством.

При испытании бетонного образца в плитах пресса, как и в образце, возникают напряжения. Так как модуль упругости стали намного выше модуля упругости бетона, то даже при одинаковых напряжениях деформации, возникающие в плитах пресса, в том числе поперечные деформации от действия растягивающих напряжений, оказываются меньше, чем деформации бетона. Между плитами пресса и образцом обычно действуют силы трения, в результате чего поверхность бетонного образца, прилегающая к плитам пресса, имеет одинаковые с последним деформации. Эти деформации значительно меньше деформаций в других сечениях. Образец же разрушается тогда, когда деформации достигают предельных значений, при которых возникают сплошные трещины. Действие плит пресса, уменьшающих деформации слоев бетона, прилегающих к ним, оказывает на них поддерживающее влияние и предохраняет от разрушения. Это явление называют «эффектом обоймы». Поэтому кубы бетона имеют характерную форму разрушения (рис. 6.3, а), когда наибольшие деформации и разрушения наблюдаются в среднем сечении образца, а образец после испытания представляет собой две сложенные вершинами пирамиды.

Если с помощью смазки изменить характер взаимодействия плит пресса и образца, изменится его напряженное состояние и характер его разрушения (рис. 6.3, б). Он раскалывается системой вертикальных трещин на отдельные пластины, причем прочность его при этом снижается на 20–30 %. Однако обеспечить равномерное и полное снижение силы трения очень трудно, и поэтому при испытаниях был принят другой прием, исключающий влияние «эффекта обоймы» – испытание призм (образцов, высота которых в 4 раза больше размера ребра основания) (рис. 6.4).

65

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ся. Поэтому в легких бетонах низкой прочности можно приближенно считать прочность одинаковой, независимой от размера куба.

В итоге, влияние масштабного фактора можно выразить соотношением Rпр/Rкуб, которое для тяжелого бетона изменяется в пределах от 0,6 до 0,9, а для легкого – 0,65…1.

Таблица 6.1

Масштабные коэффициенты для испытаний бетона

Технологические факторы оказывают влияние на прочность при изготовлении образцов разных размеров. В таких образцах возможны различная степень уплотнения структуры, неодинаковые условия твердения, различные напряжения от усадки и действия внешних факторов и т. д. Все это влияет на формирование структуры бетона и прочность контрольных образцов.

Сказывается на прочности и организация технологического процесса, причем чем лучше организован процесс, чем он стабильнее, тем ниже коэффициент вариации прочности бетона.

Заметное влияние на результаты испытаний может оказывать конструкция пресса, а также жесткость опорных плит пресса. Меньшую прочность могут показать кубы из-за недостаточной толщины и жесткости опорных плит пресса.

Рассмотренные выше факторы показывают большое влияние методики испытаний на результаты определения прочности бетона. Поэтому для получения достоверных результатов следует организовывать и проводить испытания в точном соответствии с государственными стандартами и рекомендациями других нормативных документов.

67

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6.3. Закон водоцементного отношения

Прочность бетона определяется многими факторами, в частности активностью цемента, качеством заполнителей, степенью уплотнения бетонной смеси, условиями твердения (температура и влажность окружающей среды), возрастом и др. Русский ученый И.Г. Малюга в конце XIX в. установил зависимость прочности бетона Rб от величины соотношения массы воды и массы цемента В/Ц – закон водоцементного отношения:

Этой зависимости подчиняются бетоны одного возраста, твердевшего в одних и тех же температурно-влажностных условиях, приготовленные из бетонных смесей при одной и той же степени их уплотнения и при расходе цемента от 200 до 450 кг/м3.

Впервые числовые характеристики для отечественных цементов в эту зависимость предложил русский ученый Н.М. Беляев, окончательно сформулировав закон

где А – эмпирический коэффициент, равный 3,5 для щебня и 4 – для гравия; n = 1,5 (но может меняться).

При замене щебня гравием прочность бетона понижается примерно на 10…15 %, что объясняется меньшим сцеплением цементного раствора с гравием вследствие окатанной его поверхности.

На рис. 6.5 приводится кривая зависимости Rб = f(В/Ц). Положение максимума может смещаться влево – в область более низких значений В/Ц – при применении более совершенных способов укладки, позволяющих плотно уложить бетонные смеси с пониженным расходом воды; при этом прочность бетона, соответствующая максимуму кривой, суще-

ственно повышается.

С увеличением В/Ц отношения (правая ветвь кривой) прочность бетона понижается вследствие уменьшения плотности цементного камня и бетона, так как только часть воды затворения входит в состав новообразований, а другая участвует в формировании пор и неплотностей различных размеров. Понижение прочности бе-

Рис. 6.5. Зависимость прочности бетона от В/Ц тона при уменьшении В/Ц отношения

68

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

(левая ветвь кривой) вызывается тем, что при этом снижается удобоукладываемость бетонной смеси и не представляется возможным уложить ее достаточно плотно. При этом в бетоне появляются крупные пустоты – каверны.

Для получения удобоукладываемых бетонных смесей обычно принимают водоцементные отношения, превышающие значения, соответствующие максимуму на кривой

Кривая Н.М. Беляева хорошо описывает изменение прочности бетона от В/Ц, но в силу ряда причин (дробности степенного показателя n) была неудобна для практиков. Швейцарский ученый Боломей предложил выражать прочность бетона в зависимости от цементно-водного отношения Ц/В в виде

Правда, и в этом случае зависимость является криволинейной, но при условии использования ее в пределах от В/Ц = 0,4 до В/Ц = 0,7 (т. е. при Ц/В = 1,4 до Ц/В = 2,5) ее можно заменить прямолинейной, что и позволило Боломею упростить формулу, сделав ее более удобной для практического применения.

При Ц/В > 2,5 прямолинейная зависимость между прочностью бетона и Ц/В нарушается и чем выше Ц/В, тем больше расхождение между расчетным и практическими значениями прочности. При Ц/В = 3,33 (В/Ц = 0,3) среднее снижение прочности составило 12 % [1].

Для практического использования криволинейной зависимости при Ц/В > 2,5 рекомендуется заменить кривую прямой с меньшим углом наклона и свести отклонения прочности до 2–4 % (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Прочность бетона как функция Ц/В и Rб: а – фактическая зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения; б – то же от марки бетона; 1 – Rц = 60 МПа;

2 – Rц = 55 МПа; 3 – Rц = 50 МПа; 4 – Rц = 40 МПа

69

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таким образом, сложную кривую можно заменить двумя прямыми и для расчета состава бетона использовать две эмпирические формулы:

где А – коэффициент, зависящий от ряда факторов, в том числе от величины Ц/В, пластичности и жесткости бетонной смеси, крупности песка и щебня, нормальной густоты цементного теста и прочности исходной породы заполни-

телей; d = 0,5.

Необходимость уточнения коэффициентов А и d в зависимости от Ц/В обусловлена фактической нелинейностью функции Rб = f(Ц/В) при постоянной активности Ц. Упрощенно для расчетов можно принять значения коэффициента А, приведенные в табл. 6.2.

Высококачественными материалами принято считать щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлических добавок. Заполнители – чистые, промытые, фракционированные с оптимальным зерновым составом смеси фракций.

К рядовым материалам относятся заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент.

Материалы пониженного качества: заполнители низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой активности.

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются марки по прочности на растяжение при изгибе, которые определяются путем испытания балочек квадратного сечения при приложении нагрузки в 1/3 пролета.

Предел прочности на растяжение при изгибе Rизг , МПа, вычисляют по формуле

где Р – разрушающая сила, кН; b – ширина образцов, см; h – высота образца, см; к – коэффициент для балочек сечением 10×10 см к = 31,5; 15×15 см к = 45; 20×20 см к = 57.

70

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com