Высокопрочный бетон прочностью 60... 100 МПа получают на основе цемента высоких марок, промытого песка и щебня прочностью не ниже 100 МПа. Высокопрочный бетон приготовляют с низким В/Ц = 0,3... 0,35 и ниже (смеси жесткие или малоподвижные) в бетоносмесителях принудительного действия. Для укладки смесей и формования изделий используют интенсивное уплотнение: вибрирование с пригрузом, двойное вибрирование.

Высокопрочный бетон

Основное положение теории деформирования и прочности бетона состоит в том, что изменение различных участков диаграммы состояний при нагружении бетона связано с появлением новых особенностей деформирования или изменением прочности материала. До границы микроразрушений Rr наблюдается в основном упругая деформация бетона (главным образом кристаллического скелета цементного камня и заполнителей). Деформация ползучести бетона обусловлена временем действия нагрузки, а следовательно, и скоростью ее подъема, без учета деформаций начальной области. Линейная ползучесть характеризуется небольшим искривлением диаграммы сжатия бетона. Последующее нагружение выше R? связано с развитием микроразрушений материала и нарушением его целостности в микрообъемах.

Для приготовления высокопрочного бетона применяют различные способы повышения активности цемента и качества бетонной смеси (домол и виброактивация цемента, виброперемешивание, применение суперпластификаторов) и принимают высокий расход цемента. Большие перспективы в получении высокопрочных бетонов связаны с применением вяжущего низкой водопотребности (ВНВ), которое получают совместным помолом высокомарочного цемента и суперрластификатора С- При бетонировании массивных сооружений целесообразно применить цементы с пониженным содержанием алита (трех кальциевого силиката) и особенно целита (трех кальциевого алюмината), лучше всего белитовые (двух кальциевый силикат). Максимально допустимый расход белитового портландцемента составляет 450 кг/ куб.м. В качестве крупного заполнителя следует применять фракционированный щебень из плотных и прочных горных пород. Предел прочности при сжатии - у изверженных не менее ЮОМПа и у осадочных 80 Мпа. Песок для высокопрочных бетонов должен иметь пустотность менее 40%. Марки высокопрочных бетонов М 500 - 1000.

Длительное действие нагрузки с напряжениями, превышающими Rr, вызывает разрушение структуры, что отмечается при ультразвуковых наблюдениях. Если напряжения ниже RT, то при длительном воздействии нагрузки такой интенсивности непрерывно снижается время распространения ультразвукового импульса, что указывает на уплотнение материала структуры. При напряжении

Граница определяет наступление нелинейности ползучести за счет наложения на деформации собственно ползучести деформаций, связанных с нарушением структуры материала. Именно превышение обусловлено развитием нелинейной ползучести. Это выражается в том, что удельные деформации ползучести (деформации) отнесенные к единице напряжений) не сохраняют примерно постоянного значения, а начинают возрастать по мере превышения уровня границы микроразрушений.

При уровне напряжений выше на крайней кромке сжатой зоны бетона изгибаемого или внецентренно сжатого железобетонного элемента нейтральная ось заметно смещается в связи с искривлением эпюры сжимающих напряжений бетона вследствие развития пластических деформаций 2-го рода. Это явление отмечено в исследованиях В. В. Дегтерева и Ю. А. Гагарина.

выше уровня R® обнаруживаются признаки микроразру-шенйя структуры материала. В этом случае по ультразвуковой кривой наблюдается возрастание времени прохождения импульса через материал. Однако если величина напряжений от длительно действующей нагрузки не более то через некоторое время процесс разуплотнения прекращается, а затем наблюдается уменьшение времени распространения импульса, т. е. наступает упрочнение материала. Это упрочнение связано с активизацией процессов гидратации в цементном камне в зонах, где ранее происходило нарушение структуры. Впервые такие явления были обнаружены Ю. Н. Хромцем и О. Я. Бергом. С упрочнением материала прекращается развитие нелинейной ползучести и деформации не переходят в линейную ползучесть.

Граница RT определяет область выносливости бетона под действием многократно повторяющейся нагрузки. При уровне напряжений выше RT ее образец разрушается при многократно повторяющейся нагрузке. Это положение было установлено при повторении нагрузки до 14 • 106, а затем и до 40 • 10 Во время испытания образцов многократно повторяющейся нагрузкой с верхним пределом напряжений ниже не обнаруживаются те изменения в деформациях и в структуре, которые наблюдаются в процессе испытания бетона в области больших напряжений.

При длительно действующих напряжениях, величина которых превышает JRT, процесс образования дефектов структуры непрерывно развивается и увеличивается время прохождения ультразвукового импульса. Через некоторое время, если величина напряжений оставалась более Rr (с учетом ее повышения в период выдержки нагрузки), образец разрушался.

Связь явлений выносливости с изменением границы Rr наблюдается как при одноосном сжатии бетона, так и при внецентренном сжатии и изгибе. В последних случаях абсолютная величина R® выше, чем при одноосном сжатии. В такой же степени повышается предел выносливости.

При больших амплитудах изменения многократно повторяющейся нагрузки Ю. Н. Кардовский наблюдал отклонения ультразвуковых кривых, свидетельствующие о разуплотнении материала. Данных о достижении предела выносливости в этих условиях испытания бетона не имеется. Наблюдается разница в величине остаточных деформаций, которые накапливаются в условиях испытания длительной и многократно повторяющейся нагрузки.

Следует обратить внимание на компоненты полной деформации бетона, которая состоит из упругой деформации е1, деформации ползучести е11, пластических деформаций 2-го рода еш (выше границы #?), псевдопластических деформаций. Имеется еще одна важная особенность диаграммы сжатия бетона» которая заключается в том, что при первом приложении нагрузки на образец, который до этого не нагружался, обнаруживается существенная остаточная деформация е0, характеризуемая низкими величинами модуля деформаций. Обычно при испытании бетонных образцов эти деформации не фиксируются, так как они проявляются в процессе центрирования образца перед последующим испытанием. Между тем на работу конструкции, особенно статически неопределимой, эти деформации оказывают влияние.

Остаточные напряжения, развивающиеся в области уровней напряжений от Rr до R^ при монотонном подъеме нагрузки и не связанные собственно с деформациями ползучести (линейная ползучесть), отличаются от пластических деформаций металла, и их следует рассматривать как пластические деформации 2-го рода. Пластические деформации 2-го рода отражают процесс микроразрушений структуры материала и вызывают появление выраженной нелинейной ползучести. Выше границы R^ наблюдаются выраженные нарушения структуры бетона, и поэтому можно говорить об остаточных деформациях в этой области только как о псевдопластических. Псевдопластические деформации связаны с появлением больших поверхностей разрушения и развитием самоускоренных процессов деформации, приводящих к разрушению образца при длительном действии нагрузки этой интенсивности.

Полный вид диаграммы сжатия позволяет объяснить противоречия в оценке величины рассматриваемой деформации бетона. Если принимать за предельную деформацию ту ее величину, которая соответствует моменту достижения наибольшей нагрузки, то с ростом прочности бетона величина предельной деформации растет. Если считать за предельную деформацию ту, которая соответствует наибольшей достигнутой величине в конце диаграммы, то предельная деформация падает с ростом прочности бетона.

В условиях постоянной скорости роста деформаций диаграмма такого рода может быть получена без затруднений. Указанный участок диаграммы используется при расчете комбинированных изгибаемых и внецентренно сжатых элементов конструкций, в которых последующие элементы бетонируются на ранее установленных элементах, находящихся под нагрузкой.

Характер деформирования бетона в этих условиях в большой степени зависит от особенностей распределения пустот в материале, гелевых образований цементного камня, количества адсорбционно связанной и свободной воды. Данные о морозостойкости бетона обстоятельно анализировались В. М. Москвиным, М. М. Капкиным, Б. М. Мазуром и А. М. Подвальным. Они отмечают, что в пропаренном бетоне образуются крупные связанные между собой поры. Поэтому морозостойкость бетонов нормального хранения значительно выше. Замерзанием повышенного количества воды, адсорбционно связанной гидравлическими добавками, можно объяснить снижение морозостойкости бетонов на пуццолановых цементах и шлакопортландцементах по сравнению с бетонами на алитовых портландцементах.

В условиях изменения температуры в сложной структуре цементного камня и в контактных зонах заполнителя возникают деформации, которые могут оказать решающее влияние на процессы зарождения разрушений и их развития.

Подобно многократно повторяющимся нагрузкам, попеременное замораживание и оттаивание воздействует на структуру бетона с большей интенсивностью, чем постоянная отрицательная температура. Кроме того, оказывает влияние форма образца. По данным Н. Н. Губонина и В. М. Каган, в призмах наблюдается большее снижение прочности после циклических воздействий низких температур, чем в кубиках. Во всех случаях в бетонах марки 700 прочность снижалась намного меньше, чем в бетонах марок 300 и 500.

Морозостойкость бетонов характеризуется также деформацией образцов с изменением температуры. Накопление остаточных деформаций вследствие неоднородного изменения материала приводит в конечном итоге к его разрушению.

А. А. Гончаров, исследуя совместное действие напряженного состояния и попеременного замораживания и оттаивания, пришел к выводу, что приложение сжимающих напряжений интенсивностью около Rl К бетону повышает его сопротивление попеременному замораживанию и оттаиванию. Это влияние прослеживается на рис. 1 Кривые соответствуют наступлению разрушения образца после определенного количества циклов нагрузки. Закономерность изменения стойкости образца при изменении прочности бетона наблюдается на рис. 1 Кривая наибольшей стойкости бетона совпадает с уровнем RT, изменение которого описывается приведенным ранее уравнением в зависимости от прочности бетона.

Приведенные результаты были получены при испытании бетона с попеременным нагружением и оттаиванием, но без воздействия внешней нагрузки. Эксплуатируемые конструкции из бетона и железобетона, как правило, находятся под воздействием силовых факторов и одновременного Воздействия внешней среды, с характерными для нее изменениями температуры, влажности и химического состава. В этих условиях сопротивление материала зависит от напряженного состояния его в конструкции по отношению к параметрическим точкам R? и R^.

При действии растягивающих напряжений наблюдается существенное снижение морозостойкости, особенно в растянутой зоне бетона изгибаемых элементов, что было установлено в исследованиях В. М. Москвина и А. М. Подвального. Это явление связано с процессами микроразрушения структуры бетона при растяжении, начиная с некоторой границы напряженного состояния.

С дальнейшим ростом интенсивности напряжений морозостойкость снижается и при уровне напряжений, морозостойкость становится такой же, как у ненагруженного бетона. Эти явления имеют прямую связь с диаграммой состояний бетона. При напряжениях выше уровня Rr наблюдается снижение морозостойкости бетона за счет его дополнительного разуплотнения.

С целью оценки свойств материала диаграмма состояний строится на основании результатов испытания незагружавшегося ранее образца-призмы (отношение сторон желательно 4:1) монотонно возрастающей нагрузкой до разрушения. Диаграмма состояний обобщенно отображает многочисленные параметры материала в условиях напряженного состояния. Естественно, что бетоны, имеющие разные начальные структуры цементного камня, разные характеристики бетонной смеси и условия твердения, будут иметь разные диаграммы состояний. Но бетоны одинакового состава и структуры, подвергнутые извне воздействию длительной или многократно повторной нагрузки, агрессивной среды, попеременного замораживания и оттаивания, температуры, будут иметь различные диаграммы состояний. Анализ этих диаграмм дает более широкую информацию, чем, например, анализ только величин динамического модуля упругости, предела прочности бетона.

Границы, соответствующие параметрическим точкам, следует рассматривать как зоны определенной ширины, что обусловлено природой материала.

В. С. ДЕМЬЯНОВА, канд. техн. наук, проф. И. Е. ИЛЬИНА, аспирант (Пензенская гос. архит.стромт. академия)

Высокопрочные бетоны с органоминеральными добавками

Ранее было показано использование в качестве наполнителей высокопрочных бетонов многотоннажных отходов литейной промышленности, переработанных отходов бетона, различных песков и карбонатов, которые широко представлены практически во всех регионах РФ [1,2].

Современный зарубежный опыт производства высокопрочных бетонов показывает широкое применение тонкодисперсных комплексных органоминеральных добавок (ОМД). Микрокремнезем (МК), металлургические шлаки, зола-унос, гидроксид алюминия в комплексе с суперпластификаторами произвели переворот в технологии получения высокопрочных супербетонов марок 1300— 140 Но, несмотря на все положительные характеристики МК, его стоимость равна стоимости самого цемента, а в зависимости от условий поставки может превышать последнюю в несколько раз [1]. Сегодня важен поиск многотоннажных минеральных добавок, в том числе тех-ногенного происхождения, которые в комплексе с суперпластификаторами позволяют повысить физико-технические свойства бетонов.

Высокопрочный бетон получали в результате модифицирования его комплексной ОМД, состоящей из пластификатора и тонкомолотого минерального компонента. Содержание ОМД принималось 12,5 % расхода цемента. Доля суперпластификатора С-3 при этом в комплексной ОМД составляла 1 % расхода цемента. С целью повышения ранней суточной прочности бетона дополнительно с водой затворения в бетонную смесь вводился ускоритель процесса твердения Маз304 в количестве 1 %. Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси для контрольного состава был принят следующий: цемент — 620 кг, песчано-гравийная смесь — 560 кг, щебень — 1250 кг; для составов с ОМД: цемент - 543 кг, ОМД - 77 кг, песчано-гравийная смесь — 560 кг, щебень — 1250 кг. Расход цемента для составов с дисперсными носителями был снижен на 12,5 %. Бетонные смеси подбирались умеренно подвижные с осадкой конуса 1—2 см и подвижные с осадкой конуса 5—6 см. Опытные образцы формовали на стандартной виброплощадке при уплотнении в течение 1 мин. Образцы хранились в нормально-влажных условиях при температуре 20° С.

В настоящих исследованиях расширена группа дисперсных наполнителей цемента техногенного происхождения и предложено использовать автоклавированные отходы от срезки «горбуши» при производстве газобетона и отходы «боя» силикатного кирпича. Указанные отходы в результате предшествующего автоклавного процесса содержат в своем составе низкоосновные гидросиликаты кальция (газобетон) или смесь последних с дисперсным кварцем, представляющие собой готовые центры кристаллизации при твердении цемента. Отходы измельчались до удельной поверхности Sуд = 6000 ± 20 м2 /кг. Для сравнения использовался МК Челябинского металлургического комбината с 8 — 3500 м2 /кг, выпускаемый в соответствии с ТУ 14-139-121-89.

Потребность в высокопрочных бетонах растет по мере совершенствования методов расчета и возведения большепролетных и сильно нагруженных несущих конструкций. Высокопрочные бетоны в этих случаях позволяют перейти на более эффективные сечения элементов, уменьшить расход бетона и существенно снизить собственный вес конструкций, что может повысить конкурентоспособность железобетона с другими современными конструкционными материалами и расширить область его применения.

К высокопрочным относятся бетоны марок 600-800 и выше. Пределы прочностных характеристик таких бетонов условны, они зависят от уровня развития науки и техники в области производства цемента, бетона и железобетона. Еще сравнительно недавно к высокопрочным относились бетоны марки 400, сейчас эта марка бетона широко вошла в практику и стала обычной, надо полагать, с повышением активности выпускаемых цементов и увеличением объема их производства к высокопрочным бетонам будут относиться бетоны марки 800 и выше.

Усадка высокопрочных бетонов, несмотря на высокий расход цемента, не больше, а в ряде случаев и несколько меньше усадки обычных бетонов, что может быть объяснено малыми значениями В/Ц и высокой концентрацией щебня в бетоне.

Высокопрочные бетоны, отличаясь высокой плотностью микро- и макроструктуры, характеризуются повышенной, долговечностью и стойкостью по отношению к атмосферным и другим агрессивным воздействиям. Вместе с тем, поскольку высокопрочные бетоны получаются на основе цементов высоких марок и при малых значениях В/Ц они являются одновременно и бетонами, быстротвердеющими. Заданная прочность достигается в течение месяца нормального твердения или спустя 7 - 10 суток после тепловой обработки. Дальнейший прирост прочности, например, в течение первых трех месяцев незначителен и может не приниматься во внимание при расчете конструкций. Относительный рост прочности бетона на растяжение отстает от роста прочности на сжатие и тем в большей степени, чем выше марка бетона по сжатию. Так, для бетонов марок 800 - 900 предел прочности бетона на осевое растяжение составляет всего 3,5 - 4% прочности на сжатие. Коэффициент призменной прочности на сжатие высокопрочных бетонов составляет 0,75 - 0,78, что является их преимуществом перед обычными, у которых этот коэффициент принимается равным 0,

Основой технологии бетонов высокой прочности является получение высокоплотного бетона с максимальным его насыщением прочным крупным заполнителем, образующим непрерывный жесткий каркас (контактное размещение заполнителя), благодаря которому прочность бетона может быть повышена на 15 - 20%. Достижение высокой прочности и плотности цементного камня обеспечивается возможно малыми значениями В/ Ц в пределах 0,3-0,4 с обязательным при этом ограничением верхнего предела расхода цемента -600- 650 кг/м3, что позволяет получить бетон с высокой плотностью микро- и макроструктуры.

Особенности технологии высокопрочного бетона обусловлены необходимостью получения бетонов с прочностью, равной марке примененного цемента, а в ряде случаев превышающей эту марку. Это может быть обеспечено не только применением материалов, отвечающих повышенным требованиям к ним, но и созданием благоприятной структуры бетона, при которой наиболее целесообразно используются свойства составляющих материалов.

Для уменьшения начального водосодержания и водопотребности бетонной смеси высокопрочных бетонов следует:

применять жесткие и умеренно жесткие бетонные смеси;

применять хорошо фракционированный предварительно промытый крупный заполнитель (из двух-трех фракций) с минимальной межзерновой пустотностыо (в пределах 37-38%);

уменьшать максимально возможно, благодаря оптимальному зерновому составу крупного заполнителя и снижению Кизб до 1,2, относительное содержание растворной составляющей в бетоне, в результате чего увеличивается насыщение бетонной смеси крупным заполнителем (до 0,85-0,9%);

одновременно с этим уменьшать содержание песка в смеси заполнителей, применяя предварительно промытый крупнозернистый фракционированный песок; применять чисто клинкерные цементы наиболее высоких марок с нормальной густотой цементного теста не выше 25-25,5%;

в тех случаях, когда это допустимо, следует применять пластифицирующие поверхностно-активные добавки.