О.Л.ДВОРКИН, канд. техн. наук (Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина), О едином физическом подходе к проектированию составов тяжелых и легких бетонов
Проектирование составов тяжелого бетона основано на зависимости прочности бетона от водоцементного отношения (В/Ц). Д. Абрамс, обработавший более 50 тысяч результатов испытаний бетонов в Американской лаборатории исследования строительных материалов, сформулировал в 1918 г. эту зависимость как “закон водоцементного фактора". Закон В/Ц, по Абрамсу, заключается в том, что “прочность бетона при данных материалах и условиях обработки, определяется единственно отношением объема взятой для смеси воды к объему цемента".
Последующие многочисленные исследования и практический опыт показали, что утверждение о “единственном" влиянии В/Ц на прочность бетона даже при прочих одинаковых исходных условиях является преувеличенным. На прочность бетона влияет множество факторов, в том числе и факторы состава бетонной смеси, из которых В/Ц при применении плотных и достаточно прочных заполнителей имеет решающее значение.
Однозначная связь прочности бетона с В/Ц является следствием универсальной физической закономерности, заключающейся в зависимости прочности твердых тел от их относительной плотности или пористости, и в этом смысле точнее считать ее не самостоятельным законом, а одним из базовых правил для проектирования составов бетонных смесей.
Анализ известных эмпирических формул (по К.К.Стрелову, их более 50 [2], по нашим данным, не менее 100) показывает, что в наиболее общем виде для твердых тел зависимость прочности от пористости можно выразить степенной функцией
С.М. Ицкович считает [3], что для материалов ячеистой структуры п примерно равен 2, зернистой - 3...6. Имеются данные о линейном увеличении п с увеличением размера пор [3]. При расчете прочности тяжелых бетонов в зависимости от В/Ц показатель п принимают обычно 0,5...2.
Для бетонов все формулы, выражающие правило В/Ц, вытекают в явной или неявной форме из формул Р.Фере [4], установленных в 1891 г. и впервые определивших связь прочности бетона с плотностью цементного камня. Р.Фере первоначально предложил линейную зависимость прочности бетонов от цементно-водного отношения с учетом объема воздушных пор где С, В и VBn - абсолютные объемы цемента, воды и воздушных пор; К- коэффициент, зависящий от качества исходных материалов, условий изготовления и твердения бетона. Позднее Р.Фере заменил формулу (3) другой, однозначно связывающей с прочностью бетона относительную плотность цементного теста в свежеизготовленной бетонной смеси
В последующем Т. К. Пауэрс и ряд других исследователей [5] уточнили зависимость (4) как прочность от плотности цементного камня, введя в выражение его плотности степень гидратации цемента а. Для практических расчетов, однако, из-за неопределенности а на стадии подбора составов более приемлемыми являются зависимости, учитывающие влияние на прочность бетона активности цемента как его стандартизованной характеристики.
Для подборов составов более удобным оказался также не сам показатель плотности цементного теста или камня в бетонной смеси, а однозначно связанные с ним водоцементное или цементно-водное отношения. Действительно, легко видеть, что
Исследования Р.Фере оказались в свое время невостребованными практикой, и лишь после известных работ Д.Абрамса и М.Боломея, выполненных значительно позже (1918-1925 гг.), а затем и ряда других исследователей эмпирические зависимости прочности бетона от В/Ц и Ц/В стали широко применяться в расчетах составов тяжелого бетона. Объем воздушных пор при этом учитывается обычно лишь при введении воздухововлекающих добавок.
Ю.М.Баженов показал [1], что прочность бетона на тяжелых и легких заполнителях определяется обобщенным критерием L, равным отношению объемной концентрации цементного камня в бетоне к его суммарной пористости. Для нахождения критерия L предлагается рассчитывать объемную концентрацию цементного камня при определенном значении "истинного” водоцементного отношения, физически обоснованный расчет которого, однако, является затруднительным.
При определенной степени гидратации цемента (а) В/Ц и Ц/В можно интерпретировать как параметры состава бетона, пропорциональные соответственно отношению объема пор бетона (без учета пористости заполнителя, степени уплотнения и вовлеченного воздуха а также объема пор заполнителей) к объему гидратированного цемента, и наоборот. По Пауэрсу [5], объем гидратированного цемента гц равен
По рекомендованной в справочных руководствах методике [6] было рассчитано 54 состава керамзитобе- тонов с 28-суточной прочностью при сжатии (R6) 5...30 МПа, плотностью (рб) 800...1800 кг/м3 при использовании керамзитового гравия с насыпной плотностью (рн) 300...800 кг/м3. Для конструктивных керамзитобетонов классов В12...В22.5 в качестве мелкого заполнителя применяли кварцевый песок, для конструктивно-теплоизоляционных - пористый керамзитовый песок с рн = 500...700 кг/м3. Полученные расчетные данные позволили аппроксимировать зависимость R6=f(Z) линейными уравнениями:
Формулы (12,13) являются достаточно универсальными, учет пористости и водопоглощения заполнителей позволяет косвенно учитывать их прочность и особенности пористой структуры.
При одинаковой степени гидратации и равном отношении объемов гидратированного цемента к общему объему пор прочность легкого бетона, рассчитанная по формулам (12,13), оказывается выше прочности тяжелого бетона, найденной при соответствующем Ц/В. Это можно объяснить более высокой адгезией цементного камня к пористым заполнителям и большей его плотностью в легких бетонах в результате самова- куумирования.
Формулы (11,12) предполагают совместную работу цементного камня и пористого заполнителя и справедливы для первого линейного участка кривой R6 = f(Rp) (Rp — прочность растворной составляющей бетона).
В соответствии с теорией А.И.Ваганова, подтвержденной многими исследованиями [7], на определенном пористом заполнителе при неизменном его содержании можно приготовить легкий бетон лишь с определенной предельной прочностью, значение которой практически не увеличивается с ростом прочности растворной составляющей и соответственно Ц/В. Для определения предельной прочности керамзитобетона используют уравнение
Использование параметра Z в формулах прочности легких бетонов открывает возможность разработки достаточно простых методик расчета их составов, основанных на тех же основных физических предпосылках, которые используются в расчетах составов тяжелых бетонов.
Ниже излагается одна из таких методик, разработанных нами применительно к конструктивному керамзитобетону. Она последовательно включает определение водопотребности бетонной смеси (В,л) для достижения требуемых значений подвижности (ОК, см) или жесткости (Ж, с), нахождение коэффициента раздвижки (Кр) крупного пористого заполнителя цементно-песчаным раствором (см.таблицу), расчет объемной концентрации (ф) и расхода керамзита (К, кг/м3), расходов цемента (Ц, кг/м3) и песка (П, кг/м3) по формулам (16-21).
Значения коэффициента раздвижки, приведенные в таблице, определены экспериментально по результатам подборов составов плотного керамзитобетона из формулы
При получении формул (16,17) статистически обработаны известные справочные данные. Они справедливы при приготовлении плотных легкобетонных смесей на пористых заполнителях крупностью до 20 мм и среднезернистом кварцевом песке. При уменьшении крупности заполнителя до 10 мм расчетный расход воды увеличивают, а при увеличении до 40 мм уменьшают на 10...20 л/м3.
Бетон и железобетон, 2003 №6