Прочностные характеристики бетона

 

Результаты опытов [3] В.И. Мухи по определению кубиковой и призменной прочности бетонов первой серии приведены в табл. 4.1.1, а в табл. 4.1.2 — результаты испытаний на осевое растяжение.

Таблица 4.1.1

Кубиковая и призменная прочность бетона, приготовленного на известняковом щебне в зависимости от его температуры (над чертой - прочность в кг/см2, под чертой - в %)

Температура бетона	Кубиковая прочность бетона состава	Призменная прочность бетона состава
+20
-20
	' 146
-35
-45
						£91
-60

 

Таблица 4.1.2

Прочность на осевое растяжение бетона в зависимости от его температуры (над чертой - прочность в кг/см 2, под чертой - в %)

	Прочность тяжелого бетона состава	Прочность керамзитобетона состава
					I |
+20
-20
-35
-45
-60

 

Из представленных данных видно, что с понижением температуры прочность бетона заметно возрастает. При температуре -60°С призменная прочность тяжелого бетона увеличилась на 85—136%, керамзитобетона— 54—114%. Анализ данных показывает, что на величину прироста прочности большое влияние оказывает состав бетонной смеси. Максимальный прирост прочности у обоих видов бетона соответствует составу с максимальным удельным расходом цементного камня, или бетоном, обладающим большим количеством растворной части, приходящейся на единицу объема заполнителя. Действительно, призменная прочность бетона первого состава верной серии с расходом цементного камня на единицу заполнителя, равного 0,64 при температуре -60°С, увеличилась на 353 кг, в то время как у пятого состава показателем цементного камня, равным 0,23, увеличение прочности при той же температуре составило 184 кг. Аналогичное явление отмечено и для керамзитобетона.

Увеличение прочности бетона с понижением температуры может быть объяснено с позиций теории центральных сил. М. Борн, один из основоположников этой теории, принял следующую запись энергии взаимодействия двух частиц:

где φ0 – энергия диссопиации системы в положении её равновесия;

r – расстояние между взаимодействующими частицами;

r0 – расстояние между частицами в положении их равновесия;

m, n – коэффициенты, характерные для частиц данного материала.

Выражение силы взаимодействия двух частиц получается из основного закона /4.1/ дифференцированием по расстоянию:

Рис. 4.1.1 Зависимость силы взаимодействия от расстояния.

1 — марка бетона R; 2 — марка бетона kR, где k меньше единицы.

 

Расстояния между взаимодействующими частицами в положении их равновесия для бетонов различных марок будут неодинаковыми. Поэтому графически сила взаимодействия для бетонов различных марок изобразится в виде семейства кривых (рис. 4.1.1), так как расстояние r0 увеличивается по мере снижения марки бетона. Это объясняется влиянием качества среды, в которой эти частицы взаимодействуют на стадии структурообразования цементного камня.

Из представленных кривых видно, что бетон большей прочности имеет и больший модуль упругости:

При этом относительное термическое расширение бетона при определенной температуре также увеличивается. С понижением температуры амплитуда колебаний частицы около положения своего равновесия уменьшается, что ведет к уменьшению термического расширения системы. Кроме того расстояние (r0) между взаимодействующими частицами уменьшается из-за качественного изменения среды. Все это приводит к повышению прочности материала при охлаждении.

Наличие свободной влаги в бетоне после его охлаждении способствует упрочнению структуры за счет появления сил смерзания льда с поверхностью цементного камня, что приводит к увеличению его прочности тем большей, чем выше его влажность. Естественно, что увеличение влажности выше предельного водонасыщения вызовет разрушение бетона, а не рост его прочности.

Изменение прочностных характеристик бетона при отрицательных температурах зависит не только от степени водонасыщения, рост прочности наблюдается и при высушенных до постоянного веса бетона.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что температурный фактор существенно сказывается на улучшение физико-механических показателей бетона. Например, снижение температуры бетона состава 3—1 до - 60 °С способствует увеличению прочности в два раза. Такого же увеличения прочности можно добиться при положительных температурах путем изменения соотношения и расхода составляющих, увеличив расход цемента до 600 кг/см3 (табл. 4.1.1). Иными словами, для состава 3—1 увеличение прочности на каждые 10% требует увеличения расхода цемента на 4 % или снижения температуря бетона на 7°С.

Влияние температурного фактора на керамзитобетон примерно в два раза слабее, увеличение прочности на каждые 10% требует увеличения расхода цемента на 9 % или снижения температуры на 13°С.

Характер разрушения образцов (рис. 4.1.2) при температуре испытываемого бетона —45°С и ниже наблюдается хрупкое разрушение с четко выраженным расколом призм по оси образца, сопровождаемое характерным для высокопрочных материалов резким «хлопком-выстрелом». При этом уровень шума максимальный для образцов, состав бетона которых имеет наибольшую величину удельного объема растворной части и максимальный расход цемента. При испытании образцов с температурой —60°С наблюдается особое хрупкое разрушение. Это значит, что конструкции, выполненные из высокопрочных бетонов с повышенным расходом цемента (500 и более кг/м3), при низких отрицательных температурах могут иметь мгновенный отказ, т. е. будут разрушаться при очень высокой границе микро-трещинообразования.

На рис. 4.1.3 приведена динамика прочностных показателей для бетонов первой и второй серий. Из этих графиков видно, что каждой марке бетона соответствует вполне определенный диапазон призменной прочности в пределах температуры бетона от 20° до —60 °С. При этом хорошо прослеживается, что этот диапазон возрастает с повышением марки бетона. Однако процент прироста прочности с повышением марки бетона убывает. Кроме того эти графики дают представление о коэффициенте призменной прочности для бетона любых марок в зависимости от температуры.

Рис. 4.1.2 Характер разрушения бетонных образцов с отрицательной температурой

 

Проведенные эксперименты В.И. Мухи по определению прочности при изгибе показали, что с понижением температуры эта характеристика также изменяется в сторону увеличения.

На табл. 4.1.2 представлены прочность образцов на осевое растяжение в зависимости от температуры. Анализ этих данных показывает, что прирост прочности на осевое растяжение при изменении температуры идентичен приросту призменной прочности.

Графическая интерпретация нормативных сопротивлений в процентном выражении представлена на рис. 4.1.4. Эти данные справедливы для бетонов марочной прочности, т. е. для тех случаев, когда загружение конструкции происходит не ранее, чем бетон приобретает 100 % прочность. Для бетона, не достигшего марки, процент прироста прочности от температуры будет несколько выше. Причем наибольшее различие характерно для; низких марок бетона; при марках 500 и 600 это различие сводится к нулю. Переходной коэффициент, определяемый отношением прочностей бетона разных возрастов при определенной температуре оценивается величиной, равной 1,00—1,20.

Таким образом, из изложенного следует, что температуру необходимо рассматривать как фактор, влияющий на прочностные характеристики бетона, аналогично водоцементному отношению, удельному расходу цементного теста и, вообще, как любому компоненту составляющих бетонную смесь.

Рис. 4.1.3 Динамика прочностных показателей бетона, приготовленного на обычном тяжелом заполнителе (а) и на керамзитовом гравии (б) при температуре 20°С(1), -10°С(2), -20°С(3), -30°С(4), -40°С(5), -50°С(6), -60°С(7),

Рис. 4.1.4 Динамика прироста прочности бетона, приготовленного на обычном тяжелом заполнителе, на осевое сжатие и растяжение в зависимости от его температуры.

1 – Марка бетона 100; 2—150; 3 — 200; 4 – 250; 5 – 300; 6 – 400; 7 – 500; 8 — 600.