| 5. СКОРОСТЬ ТВЕРДЕНИЯ И ПРОЧНОСТЬ БЕТОНОВ ИЗ ЖЕСТКИХ СМЕСЕЙ
При изучении скорости твердения и прочности бетонов из жестких смесей прежде всего следует выяснить, подчиняются ли бетоны из жестких смесей известным в технологии бетона зависимостям для бетонов из малоподвижных смесей.
Установленная Абрамсом еще в 1918 г. закономерность предполагает наличие определенной связи между прочностью бетона и водоцементным отношением и независимость прочности бетона при данном В/Ц от состава бетонной смеси. Эта закономерность является общепринятой в технологии бетона; она неоднократно проверялась и подтверждалась для литых, пластичных и малоподвижных смесей.
Имеется ряд эмпирических формул, связывающих прочность бетона со значениями Ц/В и активностью цемента. Формула Боломея, как показывают последние исследования пластичных и малоподвижных смесей, дает, как правило, завышение против получаемой в действительности прочности бетона. Разница между фактической и теоретической (рассчитанной по формуле) прочностью бетона может достигать по этим данным 50% и более. Для жирных смесей с большим расходом цемента возможно и занижение результатов при расчете по формуле.
В описанных ниже опытах не ставилось целью найти новые эмпирические зависимости прочности бетонов из жестких смесей от свойств материалов и состава смеси. Цель этих опытов заключалась в том, чтобы проверить наличие прямолинейной зависимости Rб = f(Ц/В) для бетонов из жестких смесей и сравнить ее с аналогичными зависимостями для бетонов из пластичных и малоподвижных смесей.
На существование прямолинейной зависимости между прочностью бетона из жестких смесей и цементноводным отношением указывают многие авторы [18, 20, 31, 38, 87]. По данным Г. И.
Горчакова, зависимость прочности бетона от цементноводного отношения для жестких смесей сохраняет свой обычный вид
где Rб — прочность бетона в данном возрасте;
Rц — активность цемента;
a и b — эмпирические коэффициенты, изменяющие свое значение в зависимости от продолжительности и условий твердения.
Для определения Rб могут быть приняты коэффициенты: после одних суток твердения в нормальных условиях: а = 0,5; b = 1,6; после пропаривания по режиму 2—6: а = 0,63; b = 1. Условием применения этой формулы является испытание стандартных кубов из цементно-песчаного раствора, т. е. определение величины Rц в возрасте, равном возрасту бетона.
Для изучения зависимости Rб = f (Ц/В) при коротких сроках твердения были поставлены опыты с бетонными смесями на гравии с предельной крупностью 20 мм, тучковском песке и цементе № 3. Для каждого из четырех принятых значений Ц/В подбирались смеси трех степеней жесткости (20—25, 100—120 и 500—600 сек). Изготовленные образцы испытывались после пропаривания по режиму 2—2—0 и суточного нормального хранения (табл. 13).
На рис. 18 показаны результаты вышеописанных опытов.
Для смесей различной жесткости сохраняется обычная прямая зависимость Rб = f (Ц/В). По мере увеличения жесткости смеси (т. е. с уменьшением расхода цемента) прочность бетона при том же В/Ц возрастает. Этот рост особенно велик при высоких значениях В/Ц; при более низких В/Ц разница в прочности малоподвижного и жесткого бетонов уменьшается.
Аналогичные зависимости были получены и при испытаниии бетона в более поздние сроки (рис. 19). В этом случае увеличен:
жесткости смеси (сокращение расхода цемента) оказало меньше влияние на повышение прочности бетона при том же значении B/Ц (см, табл. 14).
Примерно такие же данные были получены Б. Г. Скрамтаевым и А. А. Будиловым. Полученные ими результаты в обработанном виде представлены в табл. 15.
Опыты проводились на цементе активностью 433 кг/см2, гранитном щебне с наибольшей крупностью 40 мм, при водосодержание смесей 110 и 150 л/м3. Жесткие смеси укладывались с вибропригрузкой 100—150 г/см2. В табл. 15 за 100% принята прочность бетона, приготовленного при водосодержании 150 л/м3.
Из приведенных данных видно, что по мере уменьшения водосодержания (увеличения жесткости) смеси и, следовательно, уменьшения количества цементного теста прочность бетона при том же В/Ц возрастает. В то же время интенсивность роста прочности уменьшается по мере снижения значения В/Ц и увеличения сроков твердения бетона.
На рост прочности бетона при уменьшении жирности смеси указывают А. Е. Десов [29, 31], В. В. Стольников, Фритч и другие исследователи [110, 98, 109]. На основании проведенных опытов можно сделать вывод, что для жестких смесей сохраняется обычная прямолинейная зависимость Rб = f (Ц/В) и что при неизменном водоцементном отношении прочность бетона возрастает с увеличением жесткости смеси (снижением расхода цемента), причем интенсивность этого роста уменьшается по мере снижения В/Ц и перехода к более, длительным срокам твердения. Приведенные выше и другие аналогичные опыты с бетонными смесями на различных цементах и заполнителях позволили ориентировочно охарактеризовать отмеченный эффект повышения прочности (табл. 16).
В табл. 16 показана прочность бетона при различных значениях В/Ц и сроках твердения для смесей трех степеней жесткости (50—60, 100—120 и 250—300 сек.) в процентах от прочности бетона малоподвижной смеси (25—30 сек.)
Как видно из табл. 16, особенно большой эффект повышения прочности бетона при том же В/Ц дают смеси с жесткостью 250— 300 сек. Дальнейшее повышение жесткости вызывает еще большее возрастание прочности бетона, хотя оно сопровождается лишь незначительными изменениями жирности бетонной смеси.
Вместе с тем зачастую прямолинейный характер зависимости Rб=f(Ц/B) для жестких смесей нарушается. По мере уменьшения величины В/Ц (увеличение величины Ц/В) в некоторых случаях наблюдалось падение прочности бетона. Это позволило некоторым исследователям сделать вывод о наличии двухветвевой зависимости прочности бетона от водоцементного отношения.
Падение прочности бетона при уменьшении В/Ц объясняется лишь недостаточным уплотнением смеси. Использование более мощных средств уплотнения позволит и в этих случаях повысить прочность бетона и восстановить нарушенную зависимость. Для устранения таких ошибок необходимо как в теоретических исследованиях, так и при подборах состава бетона строить зависимости Rб=f(Ц/B) при постоянной жесткости смеси, позволяющей при данных средствах получить полное уплотнение бетона. Следует отметить, что формулировка зависимости прочности от В/Ц включает упоминание о применении удобообрабатываемой бетонной смеси, т. е. смеси, позволяющей достигнуть полного уплотнения.
Нарушение зависимости Rб=f(Ц/B) может носить несколько иной характерен а рис. 20 показаны результаты опытов с бетонными смесями на гравии и цементе № 4. В этих опытах, как и в предыдущих, каждая кривая строилась при постоянной жесткости смеси; зерновой состав заполнителей для всех смесей оставался неизменным. Для малоподвижной смеси (с жесткостью около 30 сек.) зависимость Rб=f(Ц/B) сохраняет прямолинейный характер для всех сроков испытания (вплоть до 28-дневного возраста); для жестких смесей по мере увеличения срока твердения в интервале Ц/В=2,5—3,5 зависимость Rб=f(Ц/B) все более нарушается.
Это явление можно объяснить применением недостаточно прочного и плохо сцепляющегося с цементным камнем заполнителя. По мере твердения бетона и увеличения относительной прочности цементного камня сцепление окатанного малопрочного гравия с цементным камнем оказывается недостаточным, разрушение происходит по контакту, что не позволяет получить прочность бетона выше некоторого предельного значения (в данном случае ~500 кг/см2).
Чем объяснить увеличение прочности бетона с повышением жесткости смеси при том же В/Ц и отмеченный выше больший прирост прочности по мере возрастания В/Ц и сокращения времени твердения?
Можно было предположить, что это вызвано тем, что в проведенных опытах не учитывалось количество воды, поглощаемое крупным заполнителем. По данным Ньюмена и Тейшенэ, при учете воды, адсорбированной заполнителем, прочность бетона из смесей различной жирности (от 1 : 1,5 до 1:6) ложится на графике Rб=f(Ц/B) на одну кривую (рис. 21), если зависимость Rб=f(Ц/B) построена с использованием фактического значения В/Ц, равного:
где k — абсорбция заполнителя (по весу) в долях единицы;
п — отношение веса заполнителей к весу цемента в бетоне.
По мере увеличения жесткости смеси (уменьшения ее водосодержания) при том же В/Ц возрастает количество крупного заполнителя как за счет уменьшения расхода цемента, так и за счет меньшего содержания песка.
Поэтому по мере увеличения жесткости смеси (благодаря большему количеству крупного заполнителя и большему количеству поглощаемой им воды) истинное В/Ц уменьшается, что приводит к большей плотности и прочности цементного камня и бетона. Зависимость прочности бетона Ц/В, по данным табл. 13, откорректированная с учетом количества воды, поглощаемой заполнителем, приведена на рис. 22.
Несмотря на завышенное при расчете количество поглощенной воды (которое определялось методом кипячения до полного насыщения), кривая для бетона из жесткой смеси располагается значительно выше, чем кривая для бетона из малоподвижной смеси. Примерно такие же результаты получаются и при корректировке других приведенных выше данных.
Таким образом, поглощение воды заполнителями не может являться основной причиной большей прочности бетонов из жестких смесей. К тому же это обстоятельство совершенно не объясняет больший прирост прочности для бетонов с высокими значениями В/Ц и короткими режимами твердения. Более того, повышение жесткости смеси (особенно смесей с жесткостью более 200 сек.) вызывает очень незначительное увеличение количества крупного заполнителя и, следовательно, количества поглощаемой воды. В то же время именно у таких смесей и наблюдается интенсивный рост прочности с повышением жесткости смеси.
Вряд ли можно объяснить полученный эффект повышения прочности увеличением общей плотности бетона за счет меньшего его водосодержания.
Как известно, снижение плотности бетона оказывает чрезвычайно большое воздействие на его прочность. Однако в данном случае изменение плотности бетона чрезвычайно мало (1—1,5%) и не может вызвать отмеченных повышений прочности. К тому же в растворных образцах, несмотря на аналогичное уменьшение водосодержания, эффекта повышения прочности соответственно увеличению плотности обнаружено не было (табл. 17).
Не объясняет возрастания прочности бетона и факт использования для уплотнения жестких смесей интенсивной и продолжительной вибрации в сочетании с пригрузкой, хотя некоторые исследователи указывают на то, что пригрузка способствует повышению прочности бетона. Наши опыты показали, что при одинаковом способе и продолжительности уплотнения бетоны из жесткой смеси при одинаковом В/Ц дают более высокую прочность, чем бетоны из малоподвижных смесей. Одновременно в растворных образцах, несмотря на использование более продолжительной вибрации с пригрузкой, роста прочности с увеличением жесткости не наблюдалось.
Повышение прочности бетона при увеличении жесткости смеси значительно достовернее может быть объяснено наличием скелета из крупного заполнителя и уменьшением толщины прослоек цементно-песчаного раствора в бетоне. Еще Боломей указывал на то, что при усиленном трамбовании достигается непосредственный контакт отдельных зерен гравия; при этом заполнитель принимает большее участие в работе бетона на сжатие. Како, рассматривая роль заполнителя в бетоне, отмечает, что передача усилий через заполнители может восприниматься или цементным тестом или контактами между отдельными зернами. В последнем случае бетоны быстрее набирают прочность благодаря повышенной сопротивляемости сжатию, обусловленной этой непосредственной передачей усилий.
По мере увеличения жесткости смеси при неизменном значении В/Ц уменьшается количество цементного теста, сопровождающееся, как правило, уменьшением количества песка. Это вызывает сокращение количества раствора в бетонной смеси и насыщение ее крупным заполнителем. При этом в бетоне увеличивается объем скелета из крупного заполнителя, который по мере увеличения жесткости смеси оказывает все большее влияние на прочность бетона. Относительно небольшое увеличение содержания крупного заполнителя в бетоне приводит к возникновению новых контактов между зернами крупного заполнителя, что вызывает значительное увеличение прочности бетона. Образовавшийся скелет как бы разгружает цементный камень, поэтому влияние его особенно сказывается при относительно низкой прочности последнего, т. е. при высоких значениях В/Ц и коротких сроках твердения. Некоторые проведенные опыты выявили также тенденцию увеличения относительного прироста прочности в жестких смесях при снижении активности цемента.
Наличие скелета из крупного заполнителя может иметь положительный эффект лишь при достаточно высокой его прочности по сравнению с прочностью цементного камня. Поэтому при использовании низкопрочного или окатанного заполнителя, а также высокой прочности цементного камня (при низких В/Ц и длительных режимах твердения) прочность бетонов из жестких смесей практически не повышается с уменьшением В/Ц и увеличением продолжительности твердения (рис. 20).
Приведенное объяснение эффекта повышения прочности бетона при увеличении жесткости смеси является гипотетическим и, возможно, спорным и должно быть проверено при дальнейших исследованиях жестких бетонных смесей.
* * *
Выявленные выше особенности твердения бетонов из жестких бетонных смесей не могут не повлиять и на скорость твердения бетона. Обычно принято считать бетоны из жестких смесей быстротвердеющими, так как их прочность при очень коротких режимах твердения (суточное нормальное хранение или 4—5-часовое пропаривание) и одинаковом расходе цемента намного превосходит прочность бетонов из пластичных смесей, достигая за эти сроки твердения проектной марочной прочности бетона, приготовленного из подвижных смесей.
В табл. 18 показаны результаты опытов с малоподвижными и жесткими бетонными смесями на обычном портландцементе Белгородского завода (№ 3 по табл. 8).
Уже в 7-дневном возрасте бетон из жесткой смеси достигает той же прочности, которую бетон из подвижной смеси имеет в возрасте 28 дней. 70% 28-дневной прочности бетона из подвижной смеси достигается менее чем за 3 дня при применении жестких смесей. Это объясняется тем, что бетон из жесткой смеси при том же расходе цемента характеризуется более низким значением В/Ц, чем пластичный, и, следовательно, является более высокопрочным.
Аналогичное явление происходит и при пропаривании. На рис. 23 показаны зависимости прочности бетона от величины В/Ц для различных режимов пропаривания, т. е. при различной степени использования вяжущих свойств цементов.
При построении этой зависимости не принималось во внимание отмеченное ранее повышение прочности бетона с увеличением жесткости смеси при том же В/Ц. Примем (см. табл. 9), что водосодержание смеси с жесткостью 50—60 сек. уменьшается на 10% по сравнению с малоподвижными смесями (20—25 сек.), а для смесей с жесткостью 100—120 сек. и 250—300 сек. — соответственно на 17 и 23%. Тогда, как следует из рис. 23 (пунктир), отпускная прочность бетона 200 кг/см2 может быть достигнута при сокращении режима пропаривания с 14 час. для малоподвижных смесей до 10 час. для смесей с жесткостью 50—60 сек., до 7 час. для смесей с жесткостью 100— 120 сек. и до 6 час. для смесей с жесткостью 250—300 сек. При учете подчеркнутой выше особенности твердения жестких смесей продолжительность пропаривания может быть сокращена еще больше (особенно для смесей с жесткостью 250—300 сек.). Следует иметь в виду, что при этом фактическая прочность бетона, которая может быть достигнута при нормальном твердении или полноценном режиме пропаривания, будет значительно выше расчетной. Если же запроектировать полное использование прочности жестких смесей, то возможно некоторое увеличение скорости твердения в результате особенностей структуры жестких бетонов.
Бетоны из жестких смесей хорошо удерживают воду при нагревании (факт, установленный еще Фрейссинэ). Это объясняется мелкопористой структурой, являющейся следствием их меньшего водосодержания. Такая структура позволяет при пропаривании жестких бетонов ускорять скорость подъема температуры (или вообще отказаться от постепенного подъема), повышать температуру изотермического периода, уменьшать влажность среды. По данным Г. И. Горчакова, жесткий бетон допускает и прогрев сухим воздухом.
На рис. 24 показаны кривые скорости твердения бетона из жесткой (400 сек.) и малоподвижной (25—30 сек.) смесей на гравии и цементе № 3 при твердении в нормальных условиях и после пропаривания по режиму 3—6—1.
Расход цемента в обоих случаях составлял 300 кг/м3. Жесткая смесь характеризовалась величиной В/Ц, равной 0,39, малоподвижная — 0,48. За 100% принималась прочность бетона из малоподвижной смеси после 28-дневного твердения в нормальных условиях, равная 400 кг/см2.
Такая же прочность бетона из жесткой смеси достигается за 8 дней, а 70% этой прочности—за 3 дня. Пропаривание жесткой смеси позволяет получить более 80% 28-дневной прочности малоподвижной смеси уже в первый день, в то время как при малоподвижной смеси для получения 70% 28-дневной прочности необходимо или 8-дневное твердение в нормальных условиях, или пропаривание с последующим твердением в течение 5—7 дней.
Так как бетоны из жестких смесей при неизменном расходе цемента имеют более высокую прочность, это позволяет значительно сократить продолжительность твердения бетона для достижения заданной прочности. Вместе с тем интересно проследить, изменяется ли фактическая скорость твердения бетона из жестких смесей по сравнению со скоростью твердения бетона из подвижных смесей? Обычно полагают, что скорость твердения бетона зависит только от вида, минералогического состава и тонкости помола цемента, а также от введения различных ускорителей твердения.
Однако опыты показывают, что на скорость твердения бетона известное влияние оказывает и состав бетона: в первую очередь величина Ц/В и жирность бетонной смеси.
С. А. Миронов и Г. А. Аробелидзе указывают, что с увеличением Ц/В интенсивность нарастания относительной прочности бетона при твердении в нормальных условиях или при тепловой обработке повышается. Ускорение твердения бетона в сроки 1—3 дня при снижении В/Ц следует из анализа данных Б. Г. Скрамтаева и А. А. Будилова (рис. 25), А. Е. Десова и др. Аналогичные результаты были получены и в наших опытах (табл. 19).
Значительное повышение прочности бетона в раннем возрасте при увеличении жесткости смеси и неизменном В/Ц также обусловливает большую скорость твердения бетона из жестких смесей. Об этом свидетельствуют данные табл. 20, построенные на основании опытов со смесями с жесткостью 20, 75 и 250 сек., и рис. 25.
Таким образом, бетоны из жестких смесей всегда твердеют быстрее, чем бетоны из малоподвижных или пластичных смесей. При неизменном расходе цемента разница в скорости приобретения бетоном заданной прочности из-за меньшей величины В/Ц для жестких смесей и эффекта повышения прочности за счет большего количества крупного заполнителя является наибольшей.
При неизменном В/Ц или при одинаковой конечной прочности разница в скорости твердения жестких и подвижных смесей уменьшается или вообще пропадает. При этом, однако, возможно сокращение расхода цемента. На рис. 26 в виде кривых показаны характеристики скорости твердения бетона из смесей различной жесткости на цементе Белгородского завода марки 500 при неизменной конечной прочности бетона и неизменном расходе цемента. За 100% в каждом случае принята прочность бетона из жестких или малоподвижных смесей в 28-дневном возрасте. Эта прочность равна 300 кг/см2 для случая а, а для случая б — 250 кг/см2 для смеси жесткостью 30 сек., 340 кг/см2 — для жесткости 120 сек. и 400 кг/см2 — для жесткости 300 сек. Расход цемента при постоянной конечной прочности (случай а) составил 300 кг/м3 для смеси с жесткостью 30 сек., 230 кг/м3— для жесткости 120 сек. и 200 кг/м3 для жесткости 300 сек., для случая б расход цемента был равен 250 кг/м3 для всех смесей.
Примерно такие же кривые могут быть построены и для бетонов, подвергающихся пропариванию. В этом случае при неизменном расходе цемента бетоны из жестких смесей достигают более высокой прочности, но при последующем твердении, так же как и бетоны из малоподвижных смесей, достигают лишь 80—90% от 28-дневной прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях. Кривые показывают, что бетон из жесткой смеси характеризуется не только большей абсолютной прочностью в раннем возрасте, но повышенной скоростью нарастания относительной прочности. Это важное свойство бетонов из жестких смесей следует учитывать при проектировании состава бетона.
Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона
д-р техн. наук В.И.Сорокер, инж. В.Г.Довжик
Москва 1958
|
