Л. Б. ГОЛЬДЕНБЕРГ, канд. техн. наук, С. Л. ОГАНЕСЯНЦ, инж. (НИЛ ФХММ и ТП), Масштабный фактор в мелкозернистых бетонах
Для испытаний образцов из мелкозернистого бетона на сжатие в соответствии с ГОСТ 10180—78 применяют образцы-кубы с ребром 70, 100, 150, 200 и 300 мм. В качестве базового принимают образец с ребром 150 мм. При использовании образцов иного размера следует вводить масштабные коэффициенты, минимальные значения которых даны в соответствующих нормативных документах. Допускается определять значения масштабного коэффициента экспериментально для каждой марки и вида бетона, испытательной машины, комплекта форм, используемых для изготовления образцов небазового размера.
На практике это испытание очень тяжело и трудоемко, поэтому на предприятиях пользуются обычно нормативными масштабными коэффициентами, составляющими 0,95 при испытании кубов с ребром 100 мм и 0,85 — с ребром 70 мм. Фактическая прочность бетона при этом часто занижается. Применение Действительных масштабных коэффициентов позволяет точно оценить прочность бетона и сократить расход цемента не менее чем на 50 кг/м3.
В НИЛ ФХММ и ТП был проведен сбор материалов о масштабном эффекте в мелкозернистых бетонах. Было проанализировано 11 источников, в которых приведены результаты испытаний более 700 образцов. Эти работы были выполнены в 1963—1977 гг. в НИИЖБ [1,2], Военно-икженерной академии нм. В В. Куйбышева [3, 4, 5], МИСИ [6, 7], ВНИИЖелезобетоне [8], НИЛ ФХММ и ТП и в других организациях. Результаты испытаний представлены в таблице. В большинстве этих работ в качестве базового образца был принят куб с ребром 200 мм. что соответствовало действующим до 1974 г. нормам. Нами полученные масштабные коэффициенты были привязаны к базовому образцу с ребром 150 мм.
Обработка опытных данных показала, что средние значения масштабных коэффициентов для мелкозернистых бетонов близки к единице. Оценка масштабных коэффициентов по критерию Стьюдента подтвердила их достоверность при уровне значимости а = 0,05. Как видно, полученные средние значения масштабных коэффициентов существенно выше нормативных.
Влияние различных факторов, связанных с подготовкой к испытаниям бетонных образцов на сжатие, условно можно разделить па три группы: статистические, технологические.
С позиции статистическом теории хрупкого разрушения материалом, » том числе и бетонов, зависимость среднего предела прочности R от объема образца V можно представить в виде [1$]:
Исходя из этого следует, что чем больше образец, тем выше вероятность появления в нем различных дефектол, снижающих прочность материала. К статистическим факторам, по-видимому, следует отнести влияние крупности заполнителя и соотношение между ребром образца и крупностью заполнителя.
Н. В. Свечин и Г В. Сизов [I], исследуя зависимость масштабного коэффициента от соотношения размера ребра куба к диаметру зерна заполнителя, выявили, что с увеличением этого соотношения масштабный коэффициент увеличивается.
М. М. Холмянскин [13], анализируя процесс разрушения хрупких материалов, определил, что размер структурной Ячейки для мелкозернистого бетона равен 4...8 мм. В масштабах от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в зависимости от градиента напряжений мелкозернистый бетон можно рассматривать как однородный материал.
К. Рао [14], рассматривая бетон как двухфазную систему, состоящую из матрицы (раствора) и включений (крупный заполнитель), считает, что размер ребра куба должен в 8 раз превышать диаметр зерна заполнителя. В этом случае материал можно рассматривать как однородный. Такая картина, по-видимому, характерна для куба из мелкозернистого бетона с размером ребра, в 10...20 раз превышающим диаметр крупной фракции песка.
Это свидетельствует о том, что мелкозернистые бетоны имеют повышенную однородность структуры. Размер дефектов структуры, вызывающих разрушение образца, достаточно невелик, а их число в образцах принятых размеров довольно большое, поэтому образец любого размера содержит в себе их полный набор.
Из технологических факторов наибольшее влияние на масштабный коэффициент оказывает подвижность и жесткость бетонной смеси, степень уплотнения бетона, условия твердения и др.
Для производства изделий из тяжелого крупнозернистого бетона применяют в основном подвижные или малоподвижные смеси. При этом возможно проявление седиментации под зернами крупного заполнителя. По мере увеличения размеров образцов вероятность появления седиментационных дефектов будет возрастать. У мелкозернистых вибропрессованных бетонов, формуемых в основном из жестких или особо жестких смесей, седиментация практически от сутствует.
Существенно влияет на прочность бетонов и масштабный коэффициент степень уплотнения бетонной смеси. Уплотнение образцов большего размера осуществляется труднее. В НИЛ ФХММ и ТП [9] испытывали образцы различного размера, изготовленные из особо жестких цементно-песчаных смесей. Коэффициент уплотнения в опытах поддерживали постоянным, равным 0,97. Опыты показали, что при одинаковом коэффициенте уплотнения прочность мелкозернистого бетона в образцах разного размера одинакова. Аналогичные результаты были получены во ВНИИФТРИ [15] при опенке влияния коэффициента уплотнения на прочность тяжелого крупнозернистого бетона.
Исследования, выполненные Б. Г. Скрамтаевым и И. А. Якуб [3], показали, что условия твердения мелкозернистого бетона влияют на масштабный коэффициент (с.м, таблицу). Если для бетона нормального твердения Ri5/R7= =0.98, то для пропаренного бетона это отношение составляет 0,89.
Однако в работах, выполненных во ВНИИФТРИ [15], достаточно убедительно показано, что при тепловлажностной обработке структура бетона нарушается, особенно сильно это проявляется у образцов меньшего размера. При соответствующем подборе режима ТВО деструкцию бетона можно исключить, тогда масштабный коэффициент приближается в единице.
К методическим факторам относятся такие, как центрирование образцов, проявление эффекта обоймы, жесткость опорных плит пресса и др.
При испытании образцов небольшого размера их центрирование по геометрической оси осуществить труднее Кроме того, физическая ось образцов не всегда совпадает с геометрической. Могут не совпадать силовая и геометрическая оси пресса. В этом случае образцы испытывают на внецентренное сжатие. Прочность бетона в образце малого размера меньше, чем большего.
Проявление эффекта обоймы в значительной мере связано с конструкцией пресса и жесткостью его опорных плит. В работах [2, 4, 10, 16] четко обосновано, что при достаточной жесткости опорных плит пресса, когда их толщина равна не меиее половины ребра образца, эффект обоймы минимальным Кубиковая прочность в этом случае не зависит от размеров образца.
Таким образом, обработка многочисленных опытных данных по испытанию образцов различного размера из мелкозернистого бетона показала, что значение масштабного коэффициента практически равно единице. Анализ проявления масштабного эффекта в мелкозернистых бетонах подтверждает это В ГОСТ 10180—78 по мере накопления опытных данных рекомендуется дополнение о масштабном коэффициенте для мелкозернистых бетонов. На заводах ЖБИ следует определять масштабный коэффициент опытным путем.
Бетон и железобетон, 1987