И.Е. СЕСЬКИН, канд. техн. наук (Самарский государственный ун-т путей сообщения), ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ПРЕССОВАННОГО БЕТОНА
Уплотнение бетона прессованием является техническим приемом, используемым при изготовлении некоторых бетонных и железобетонных конструкций и изделий. Он позволяет наряду с решением основной технологической задачи существенно интенсифицировать процесс твердения бетона и одновременно значительно улучшить его физико-механические свойства.
Режим прессования и условия твердения бетона в разных конструкциях значительно отличаются между собой, и поэтому они не одинаково влияют на формирование его прочностных и деформативных характеристик.
При уплотнении бетона давлением большое влияние на его прочность оказывает продолжительность прессования и величина опрессовочного давления. Кратковременное прессование позволяет увеличить оборачиваемость опалубки, а при продолжительном - достигается значительное повышение прочности. Следует, однако, отметить, что до настоящего времени единого мнения о продолжительности прессования не выработано. В существующих в настоящее время технологиях используется достаточно широкий диапазон длительности прессования - от кратковременного, по аналогии с режимом изготовления кирпича, и до 7.8 ч, как это имеет место при производстве напорных виброгидропрессованных труб. При этом экспериментально обоснованных рекомендаций, позволяющих учитывать режим прессования в формировании прочности бетона в конструкциях, до настоящего времени не предложено.
В настоящей работе для установления влияния продолжительности прессования на прочность бетона были проведены специальные экспериментальные исследования, в которых продолжительность прессования изменялась от 15 с до 24 ч, а интенсивность прессования составляла 5 и 10 МПа.
Установлено, что при изменении времени прессования в указанном выше интервале наибольший прирост прочности достигается при продолжительности прессования от 15 с до 2 ч (рис.1). Более длительное твердение бетона под давлением не приводит к существенному увеличению его прочности.
Выявлено, что максимальный эффект от прессования достигается при твердении бетона под давлением в течение 7 ч. При продолжительности прессования свыше 7 ч наблюдается даже некоторое снижение прочности бетона и соответственно коэффициента упрочнения.
Следует, однако, заметить, что при более высоких давлениях (10 МПа) двукратное увеличение прочности наблюдается уже при 15-минутной выдержке под давлением. Такого же приращения прочности можно достичь менее интенсивным прессованием, но продолжительность прессования при этом увеличивается примерно до 4 ч.
Величина опрессовочного давления является одним из основных технологических факторов, способствующих существенному повышению прочности исходного бетона. В настоящее время среди исследователей, занимающихся вопросами уплотнения бетона давлением, выработалось единое мнение о том, что такая технология уплотнения является эффективным способом повышения прочности бетона и способствует более полному использованию потенциальных прочностных свойств его составляющих. В то же время в вопросе количественной оценки эффективности прессования имеются существенные разногласия. Это связано с тем, что на формирование прочности прессованного бетона одновременно влияет достаточно большое количество факторов. Часть из них относится и к обычному бетону, а часть - присуща только прессованному. И наиболее существенным фактором среди последних является величина раздвижки зерен крупного заполнителя. Известно, что при уплотнении бетона прессованием увеличение прочности бетона в основном связано с повышением прочности цементного камня. И поэтому для получения максимального эффекта от прессования расстояние между зернами крупного заполнителя следует принимать таким, чтобы цементное тесто имело возможность свободно сжиматься на необходимую величину, обусловленную прессующим давлением.
Енукашвили И.Р., исследуя влияние величины опрессовочного давления на прочность бетона при достаточно широком диапазоне расхода цемента (от 350 до 900 кг/м3), установил [1], что при уплотнении бетона давлением увеличение прочности наблюдается до интенсивности прессования 15.20 МПа. Дальнейшее повышение давления не только не приводит к росту прочности, но даже способствует её снижению. Это подтверждается и результатами работы [2].
Таким образом, основываясь на результатах уже выполненных исследований, можно констатировать, что область рационального применения данной технологии, с точки зрения максимального использования потенциальных прочностных свойств составляющих бетона, находится в интервале давлений 15...20 МПа. Однако следует заметить, что создание давления такой интенсивности при производстве большеразмерных конструкций представляется технически сложным и экономически нецелесообразным, такие давления можно создавать только при изготовлении мелкоштучных изделий.
В существующих технологиях изготовления большеразмерных конструкций из уплотненного прессованием бетона (трубы, пресс-бетонная тоннельная обделка) величина опрессовочного давления составляет порядка 3 МПа. Твердение бетона под таким давлением способствует более быстрому набору прочности, по сравнению с исходным бетоном (рис.3), и ее увеличению примерно в 1,5 раза. Особенно интенсивный набор прочности прессованного бетона наблюдается в первые дни твердения, что следует связывать с более ранним процессом образования первичной структуры в прессованном цементном камне бетона.
Если представить кинетику нарастания прочности прессованного бетона естественного твердения в виде коэффициента упрочнения (рис. 4), то можно заметить, что закономерность изменения его величины носит затухающий во времени характер. На начальном этапе набора прочности коэффициент упрочнения имеет максимальное значение, а со временем оно уменьшается, асимптотически приближаясь к некоторой постоянной величине. Снижение во времени коэффициента упрочнения следует связывать, по-видимому, с постоянным увеличением внутренних напряжений в прессованном цементном камне, которые вызывают в нем деструктивные процессы. Указанные процессы в прессованном цементном камне и в обычном смещены во времени. Они гораздо раньше протекают в прессованном цементном камне, чем в непрессованном, ускоряя тем самым процессы формирования прочности самого бетона.
При длительном прессовании предварительно вибрированного бетона, с одновременной термообработкой, происходит значительная интенсификация процесса формирования прочности бетона и соответственно существенное изменение его физико-механических и деформативных характеристик.
В представленных в настоящей работе исследованиях физико-механических характеристик вибропрессованного бетона величина опрессовочного давления принималась равной 3 и 6 МПа. Параллельно, для сопоставления, из бетона того же состава изготавливали образцы по обычной технологии (т. е. твердеющие при атмосферном давлении). Все образцы проходили термообработку по режиму, принятому при производстве напорных труб: 2 ч подъем температуры до 850С, затем 8-часовая выдержка при этой температуре, по окончании термообработки - равномерное остывание в течение 2 ч и распалубка. В качестве крупного заполнителя в бетоне использовали гранитный щебень и шлак фосфорного производства, имеющий прочностные характеристики, близкие к гранитному щебню, а его модуль упругости примерно на 20% выше, чем у гранита.
Связь между прочностью исходного и вибропрессованного бетона проще всего устанавливать через переходный коэффициент KR. Использование такого коэффициента позволяет прогнозировать прочность вибропрессованного бетона в конструкции как в момент распалубки, так и в любой момент времени t. Для этого необходимо знать прочность исходного бетона к этому же времени, которую легко определить, используя стандартные методы контроля прочности обычного бетона.
Статистический анализ экспериментальных данных показал (см. таблицу), что нижний доверительный интервал величины переходного коэффициента для 5%-ного уровня значимости составляет 1,62 для бетона, твердеющего под давлением 3 МПа, и 1,79 - для твердеющего под давлением 6 МПа.
Установлено также, что при твердении под давлением основной прирост прочности бетона приходится на интервал давлений от 0 до 3 МПа. В этом интервале прочность бетона возрастала в среднем на 56%. При последующем повышении опрессовочного давления на 100% (с 3 до 6 МПа) увеличение прочности наблюдалось только на 18% (по сравнению с прочностью бетона, твердеющего под опрессовочным давлением 3 МПа).
Статистическая обработка результатов эксперимента показывает, что между прочностью и величиной опрессовочного давления существуют тесная корреляционная связь. Парный коэффициент корреляции составляет порядка 0,9.
Прочность бетона при растяжении предопределяется в основном прочностью цементного камня и сцеплением крупного заполнителя с растворной частью. При вибропрессовании свойства цементного камня претерпевают значительные изменения. Его прочность при твердении под давлением, принятым при производстве напорных труб, повышается более чем в 1,5 раза [3], что, в свою очередь, способствует росту прочности при растяжении как цементного камня, так и бетона в целом.
Данные экспериментальных исследований показывают, что прочность при растяжении вибропрессо- ванного бетона выше примерно на 25.30%, чем исходного (рис.5). Рост прочности при растяжении следует связывать как с увеличением прочности цементного камня при его твердении под давлением, так и с повышением прочности контакта между крупным заполнителем и растворной частью бетона.
Виброгидропрессование, наряду с повышением прочности бетона, способствует и увеличению его начального модуля упругости. Однако это увеличение не пропорционально росту его прочности. При повышении опрессовочного давления от 0 до 3 МПа наблюдалось увеличение прочности в среднем в 1,62 раза, а модуля упругости - в 1,28 раза, т.е. рост модуля упругости бетона несколько отстает от роста его прочности. Основной прирост модуля упругости достигается, так же, как и прочности, - в интервале опрессовочного давления от 0 до 3 МПа. При дальнейшем увеличении давления рост модуля упругости заметно замедляется.
В инженерных расчетах нормирование величины модуля упругости вибропрессованного бетона может осуществляться двумя независимыми методами: первый - через переходной коэффициент, второй - путем использования тесной корреляционной зависимости между призменной прочностью и модулем упругости, как это принято в нормативных документах.
Связь между модулем упругости виброгидроп- рессованного бетона EBg и модулем упругости исходного бетона Eg по первому методу записывается в виде
Статистическая обработка более чем 100 экспериментально полученных данных показывает, что нижний доверительный интервал численного значения переходного коэффициента КЕ при 5%-ном уровне значимости составляет: для бетона, твердеющего под давлением 3 МПа, - 1,28; для бетона, твердеющего под давлением 6 МПа, - 1,43.
На рис. 6 показано изменение модуля упругости вибропрессованного бетона с ростом его прочности. Из рисунка следует, что большое количество результатов близко укладываются на нормативную кривую изменения модуля упругости обычного бетона. Это свидетельствует о возможности использования тесной корреляционной связи между призменной прочностью вибропрессованного бетона и его модулем упругости. Исключение составляют образцы из бетона на шлаковом заполнителе. Модуль упругости указанного бетона примерно на 10% выше, чем бетона на гранитном заполнителе
Предельные деформации обычного бетона в нормах проектирования приняты при сжатии 200х105, а при растяжении 15х10-5 независимо от прочности бетона.
Для оценки предельной рессованного бетона была мость вида [4]
Предельные деформации по приведенной формуле определяли путем подстановки в нее фактических значений призменной прочности и модуля упругости отдельно для каждого испытанного образца. Результаты, полученные экспериментально-теоретическим путем, приведенные на рис. 7, показывают, что значения предельной деформации обычного бетона на гранитном заполнителе достаточно плотно укладываются вокруг теоретической кривой, построенной по приведенной зависимости.
Предельные же деформации вибропрессованного бетона выше обычного. Это следует объяснить тем, что рост прочности прессованного бетона происходит более интенсивно, чем модуль упругости, что и приводит к некоторому увеличению его предельной сжимаемости.
Бетоны на шлаковом щебне имеют меньшую деформативность, по сравнению с бетонами на гранитном заполнителе. Снижение предельной сжимаемости указанного бетона вызвано более высоким, чем у гранитного щебня, модулем упругости шлака, что способствует увеличению модуля упругости и самого бетона.
Таким образом, совокупность полученных данных показывает, что характеристики исходного бетона при прессовании претерпевают значительные изменения, на которые существенное влияние оказывают режим прессования и условия твердения. Учет фактических свойств позволит эффективнее использовать материалы при проектировании и точнее учитывать действительную работу конструкций из прессованного бетона.
Бетон и железобетон, 2008 №2