Прочность бетона
Марка бетона. Прочность бетона зависит от возраста бетона и условий его твердения; формы и размера испытываемых образцов; вида и характера напряженного состояния. Прочность бетона может быть различной при одной и той же технологии производства. У бетона иные прочности на сжатие, растяжение или срез. В силу неоднородной структуры и неодинаковых условий испытаний наблюдается различие в показателях прочности бетона. Наиболее достоверная прочностная характеристика — прочность его на осевое сжатие, которая принимается за марку бетона.
В соответствии с требованиями Указаний прочность мелкозернистого бетона армоцементных конструкций контролируется испытанием кубов размером 70 х 70 х 70 или 100 х 100 х 100 мм в возрасте 28 суток.
Прочность на сжатие. Многочисленными исследованиями установлено, что прочность бетона зависит, в основном, от активности цемента и водоцементного отношения или цементно-водного отношения. Ю. М. Баженов приводит следующую зависимость для определения прочности мелкозернистого бетона:
Исследованиями, проведенными в ВИА имени В. В. Куйбышева, установлено, что при низких значениях водоцементного отношения наиболее прочен цементный камень. С увеличением значения водоцементного отношения самую высокую прочность приобретают бетоны оптимальных составов 1:1,5 - 1:3, у которых пустоты между зернами песка заполнены цементным тестом с некоторым избытком. На прочность мелкозернистого бетона влияют также форма и размер испытываемых образцов. В исследовании автора прочность мелкозернистого бетона по результатам испытания кубов 70 х 70 х 70 мм была на 30% выше, чем в кубах 100 х 100 х 100 мм. На это указывает также Ю. М. Баженов, отмечая, что условия твердения и работы мелкозернистого бетона в кубах 70 х 70 х 70 мм, а тем более больших размеров, не идентичны условиям этих процессов в армоцементных конструкциях. Учитывая тонкостенность армоцементных конструкций, следует придерживаться подобия между размерами сечения конструкции и испытываемых образцов. В этом случае теоретические данные расчета сечений будут наиболее близки к несущей способности конструкции.
Прочность ряда конструкций, сечения которых испытывают изгиб, осевое или внецентренное сжатие, определяется призменной прочностью бетона. Ю. М. Баженов исследовал призменную прочность мелкозернистого бетона на образцах 40 х 40 х 160 мм в возрасте 1 месяца и 8—9 месяцев и установил, что призменная прочность мелкозернистого бетона ниже кубиковой прочности и находится в пределах — 0,8 — 0,95. С увеличением марки бетона это соотношение уменьшается.
Нарастание прочности бетона во времени. Известно, что в течение длительного времени прочность бетона увеличивается. Наиболее интенсивное повышение прочности наблюдается в начальный период твердения. В бетонах обычных, при положительной температуре и наличии влажной среды, прочность может нарастать до 10 и более лет и увеличиться почти вдвое. Объясняется это длительностью процесса твердения геля и постепенным ростом кристаллов.
По данным автора прочность мелкозернистого бетона в кубах и призмах, определенная в возрасте 7 суток и 28 суток, увеличилась соответственно на 23% и 28%. К 60 суткам кубиковая прочность возросла всего на 11,5%, а призменная — на 6%. В дальнейшем (до 120 суток) прочность мелкозернистого бетона существенно не увеличилась (рис. 4). Быстропроходящий рост прочности мелкозернистого бетона в армоцементных конструкциях объясняется применением жестких бетонных смесей, которые подвергались виброактивации, высокой частотой вибрации при укладке и уплотнении бетона и тонкостенностью армоцементных конструкций.
Прочность мелкозернистого бетона на растяжение во много раз меньше его прочности на сжатие, но несколько выше прочности на растяжение обычного бетона той же марки.
По данным Н. А. Попова, Г. Д. Цискрели, Ферэ, Пробста и других исследователей прочность на растяжение цементного раствора выражается зависимостью
Прочность на растяжение мелкозернистого бетона выше, чем у обычного бетона. Это объясняется тем, что с уменьшением крупности зерен заполнителя вероятность появления микродефектов в структуре бетона снижается, а это обусловливает уменьшение концентрации напряжений.
Ю. М. Баженов установил, что прочность бетона на растяжение на мелком песке выше прочности бетона на крупном песке более чем в 1,5 раза. Но при этом наблюдается относительное снижение прочности на сжатие первого.
Прочность мелкозернистого бетона на растяжение зависит от степени оптимальности зернового состава песка. Наибольшие прочностные значения показывают бетоны с соотношением крупных и мелких зерен кварцевого песка 1:4, 1:3.
Прочность на растяжение при изгибе мелкозернистого бетона выше, чем при осевом растяжении. Объясняется это упруго-пластическими свойствами мелкозернистого бетона и криволинейным характером эпюры нормальных напряжений в поперечном сечении бетонной балки, в действительности отклоняющейся от прямой (рис. 5). Прочность мелкозернистого бетона на растяжение при изгибе зависит от крупности песка, водоцементного отношения, возраста бетона н других факторов, идентично влияющих на прочностные характеристики мелкозернистого бетона.
Прочность динамическая мелкозернистого бетона зависит от скорости нагружения. Специальные исследования, проведенные Ю. М. Баженовым и В. С. Удальцевым, показали, что уменьшение времени нагружения способствует увеличению прочности мелкозернистого бетона. Так, при времени нагружения t = 0,001 сек динамическая прочность мелкозернистого бетона оказалась на 26—31 % выше его прочности при статическом нагружении. Объясняется это тем, что быстрое нагружение меньше, чем длительное, способствует развитию пластических деформаций и трещинообразованию. Бетон при этом разрушается при более высоких напряжениях.
На динамическую прочность мелкозернистого бетона особенно влияет вид заполнителя. Например, песок керамзитовый не снижает динамической прочности бетона, а известняковый песок повышает ее на 30—40%. На динамическую прочность бетона влияет также контактная зона между заполнителем и цементным камнем.
Выносливость. В некоторых конструкциях (мосты малых пролетов, напорные трубопроводы, резервуары при их мгновенном опустошении) мелкозернистый бетон может периодически испытывать нагружение и разгрузку. Прочность бетона при циклическом нагружении ниже, чем при статическом.