Строительство и ремонт

 Высокопрочный бетон

Быт. Хозяйство. Техника

Об усадке тяжелого бетона имеется не меньше экспериментальных данных, чем о его ползучести. Попытки использовать эти данные для получения общих количественных закономерностей явления содержатся в ряде работ.

При оценке возможной величины усадки бетона [94, 96, 135, 167, 199] в практических расчетах учитывают обычно влияние важнейших факторов непосредственно на величину деформаций. Наиболее полно соответствующие методы оценки разработаны в исследованиях И. И. Улицкого [94], а также в Рекомендациях Европейского комитета по бетону [96]. Эти методы построены на основе весьма широких обобщений экспериментальных результатов.

С. В. Александровский [1] предложил оценивать величину деформаций усадки исходя из рассмотрения влаго-физических свойств бетона.  Имеются попытки оценивать эту величину [52 и др.] на основании математического описания различных вариантов моделей бетона как многокомпонентного материала.

Перечисленные методы количественной оценки деформаций усадки в большинстве случаев относятся к тяжелым бетонам низкой и средней прочности (высокопрочные бетоны в этой связи специально не рассматривались).

Результаты большинства исследований, проведенных ранее, позволяют считать, что усадка бетона определяется в количественном отношении воздействием в основном тех же факторов, что и его ползучесть. Исходя из общих требований к качеству и технологии изготовления описываемых тяжелых бетонов (см. главу VI), можно ограничиться рассмотрением тех же главных факторов, которые фигурировали в оценках величины деформаций ползучести

Наряду с этим результаты анализа экспериментальных материалов, сделанного Е. Н. Щербаковым [110], указывают на то, что характер влияния одних и тех же факторов на ползучесть бетона и его усадку в общем случае неодинаков.

Прежде всего не удается обнаружить закономерной связи между величиной усадки и активностью цемента R4, использованной ранее для оценки влияния качества цемента на ползучесть бетона (см. рис. 47). На рис. 57 показаны результаты обширных опытов [47] по изучении усадки цементного раствора одинакового состава, но изготовленного с применением портландцементов, минералогические характеристики которых и активность менялись в весьма широких пределах. В отличие от рис. 47 взаимосвязь рассматриваемых величин на рис. 57 отсутствует, и наблюдаемый разброс в величине деформаций не связан с изменением прочностных характеристик цемента в широком диапазоне. Такие же примерно результаты получаются при обработке данных Дэвиса (30], Гоннермана [142].

С другой стороны, попытки непосредственно учитывать влияние компонентов минералогического состава клинкера на усадку часто приводят к противоречивым результатам [130, 142] из-за большого числа этих компонентов. При рассмотрении некоторого обобщенного параметра минералогического состава, например соотношения в цементном камне кристаллической и гелевой составляющих, предложенного А. Е. Шейкиным [105], получаемые результаты также не во всех случаях находят четкое экспериментальное подтверждение [102]. Для обычных алитовых портландцементов в большой выборке экспериментальных данных влияние минералогического состава на величину усадки находится в пределах общего разброса опытных точек. Лишь у белитовых цементов и цементов с высоким содержанием трехкальциевого алюмината усадка заметно повышена. По-видимому, по этой причине влияние минералогической характеристики портландцемента на деформации усадки бетона иногда переоценивается некоторыми авторами [32]. Но при этом упускается из вида, что белитовые и высокоалюминатные цементы все реже применяются в промышленно-гражданском и транспортном строительстве, а большинство отечественных (к зарубежных) товарных цементов имеет преимущественно алитовую минералогическую характеристику.

Е. Н. Щербаков [ПО] показал, что при практических оценках можно пренебрегать влиянием свойств цемента на величину деформаций усадки бетона, если минералогический состав и тонкость помола цемента находится в обычных пределах. При обработке результатов измерения усадочных деформаций тяжелых бетонов на современных порт-ландцементах обнаружено, что для неизменного состава смеси (принято, как и ранее, ВЩ = 0,5, содержание цементного теста рт = 0,2) и некоторых исходных условий предельные значения усадочных деформаций вне зависимости  от  индивидуальных   качеств  цемента   колеблются около величины еут = 250 • 10~6, отклоняясь в пределах ± 10%. Под исходными условиями подразумеваются в данном случае те же, что и принятые ранее для ползучести (приведенный. радиус сечения г — 2,5 см, относительная влажность воздуха 6 = 70%, твердение в начальный период — в   естественных   условиях).

Сравнение выражений (VI 1.4) и (VII.5) с соответствующими формулами для коэффициентов |3 и К (см. стр. 115) показывает, что влияние масштабного фактора на усадку бетона сказывается в большей степени, чем на его ползучесть. Это положение оговорено также в Рекомендациях ЕКБ. Что касается влияния относительной влажности среды, то такие различия наблюдаются преимущественно лишь в зонах низкой и высокой влажностей.

Существующие эмпирические методы прогнозирования деформаций усадки тяжелого бетона (методика И. И. Улицкого, ЕКБ, Иванса и Конга и др.) основываются на том, что влияние каждого из перечисленных главных факторов оценивается независимо от остальных. Все эти методы могут быть сведены в конечном итоге к оценке величин деформаций в форме (VII. 1) и различаются только рекомендуемыми значениями соответствующих коэффициентов, входящих в это выражение. В отдельных случаях принимается во внимание воздействие тепловлажностной обработки (методика Улицкого), разного рода добавок (методика Иванса и Конга). В методике Александровского по существу учитывается влияние тех же факторов, однако не на величину деформаций непосредственно, а косвенно, через влагофизические параметры  бетона.

Таким образом, перечисленные способы не отличаются в принципе от обычно применяемых для оценки деформаций ползучести (см. главу VI). Им присущи, следовательно, те же недостатки, о которых шла речь в предыдущей главе. Несмотря на заметно выраженное влияние отдельных факторов, учитываемое коэффициентами £У, по-прежнему необходимо, в частности, оценивать и учитывать в стадии проектирования большое число взаимосвязанных технологических параметров бетонной смеси.

Эти методы, кроме того, исключают возможность прямого сопоставления деформативных свойств бетонов с различными прочностными показателями. В большинстве исследований не уделялось должного внимания анализу воздействия на усадку различных сочетаний факторов (прежде всего технологического характера), определяющих индивидуальные качества бетона. Это часто приводит к явным противоречиям в оценках деформативной способности бетонов и, в первую очередь, высокопрочных (см. стр. 154).

Как и ранее (см. главу VI), обратимся к анализу так называемых нормативных значений деформаций ЕУ.Н, относящихся к бетону из смеси произвольного состава при сохранении прочих равных условий.

Выражение для ЕУ.Н В виде (VII.8), отражающее суммарное влияние технологических факторов в функции выбранных независимых параметров (В и z), позволяет проследить принципиальные связи, изображенные на рис. 58.

Как видно, при условии сохранения постоянства расхода воды в смеси В зависимость (VII.8) характеризуется незначительным изменением деформаций еу.н при любых возможных значениях цемёнтоводного отношения z (и, следовательно, расхода цемента Ц = Bz). Поскольку это вытекает из объективного характера наблюдаемых экспериментальных зависимостей (VII.2) и (VI 1.3), следует расценивать установленную закономерность, как до некоторой степени всеобщую. Возможная в определенных пределах изменчивость числовых коэффициентов (например, показателя степени Р) в выражениях] (VII.2) и (VII.3) в принципе не изменяет сделанный вывод.

Указанная закономерность в подавляющем большинстве случаев прямо подтверждается экспериментальными данными. На рис. 59 показано относительное изменение величины деформаций усадки тяжелых бетонов разных составов, но изготовленных из смесей с примерно одинаковым расходом воды в пределах каждой группы испытаний. Как видно из рис. 59, если В ^ const, деформации усадки бетонов изменяются, несмотря на колебания остальных технологических параметров в широких пределах,   как правило, не более чем на ±10% (заштрихованная область). Аналогичный вывод был сделан в Американской ассоциации портландцементов [123], а также Карлсоном [124], Левьяном  [167] и некоторыми другими исследователями.

Учитывая это экспериментально установленное положение, методы прогноза величин деформаций усадки можно в значительной степени упростить. Функция переменной z, входящей в выражение (VI 1.8), при изменении аргумента в практически возможных пределах меняется весьма незначительно, и ее числовое значение может быть принято в среднем равным 0,525.

Представляет интерес выяснить, в какой степени обнаруженные закономерности отражены в других предложениях по нормированию деформаций усадки. Для этого следует сравнивать формулы для еу.„, соответствующие одинаковым условиям, принятым за исходные.

В формуле (VII. 13) рекомендуемое значение коэффициента р = 3 • 10~2лш/лш/г/г справедливо при отсутствии градиента влажности (и деформаций) по поперечному сечению элемента, высыхающего только в направлении продольной оси. При условиях всестороннего высыхания, применительно к которым разработаны все остальные рассмотренные предложения, по данным С. В. Александровского

В (VII. 10)—(VII. 13) влияние технологических параметров бетонной смеси находит выражение в самой различной форме. И тем не менее зависимости] (VII. 10) — (VII. 13) удается сопоставить между собой, если графически представить каждую из них в координатной системе, использованной на рис. 58. Для этого следует вычислить значения еу.„ по формулам (VII. 10)—(VII. 13), соответствующие любому фиксированному расходу воды в смеси, по разным значениям цементоводного отношения z (и, следовательно, расхода цемента Ц = Bz). В качестве примера рассмотрим результаты подсчетов для случая В = 160 л 1м3 = const (рис. 60). При любом другом значении В — const картина не меняется.

Как следует из рис. 60, формулы, предложенные Цюрихской лабораторией (VII. 10) и Европейским комитетом по бетону (VII. 12), в неявном и усложненном виде по существу отражают то же принципиальное положение, что и простая зависимость (VII.9) на рис. 58: при неизменном расходе воды в смеси В величина деформаций бетона еу.н мало зависит от остальных технологических параметров (Ц и z) и практически сохраняется на одном уровне. При этом результаты вычислений по методике ЕКБ и предлагаемой простой формуле (VII.9) для одинаковых условий (включая расход воды в смеси) численно близко совпадают

В тех же условиях с ростом Ц и г деформации, рассчитанные по методике Улицкого, значительно снижаются (почти в 3 раза), а по методике Александровского, напротив, заметно возрастают (более чем в 2 раза). В первом случае получаемая зависимость обусловлена, очевидно, неправильным допущением, заложенным в формуле (VII. 11), поскольку, как отмечалось, влияние главных технологических факторов на усадку бетона и его ползучесть неодинаково. Закономерность же, обнаруживаемая при вычислениях по методике Александровского, требует более подробного анализа (см. следующий раздел).

Таким образом, рис. 60 свидетельствует о принципиальных расхождениях, создаваемых различной оценкой влияния главных технологических факторов на усадку бетона. Судя по этому рисунку, методика Улицкого недооценивает, а методика Александровского переоценивает влияние расхода цемента Ц в сравнении с В/Ц. Вследствие этого и в том и в другом случае на рис. 60 обнаруживаются связи, которые не подтверждаются большим количеством опытных результатов (см. рис. 59) и вступают в противоречие с закономерностью на рис. 58.

Эта закономерность заключается в том, что суммарное влияние на усадку бетона технологических факторов удается практически однозначно выразить через один параметр — расход воды В  независимо от дозировки остальных составляющих  бетонной  смеси.

Подтверждением служит рис. 61, на котором представлены результаты лабораторных испытаний обычных тяжелых и мелкозернистых (песчаных) бетонов на усадку. Поскольку  длительность большинства испытаний  составляла около одного года, предельные значения деформаций были вычислены путем умножения измеренных величин на постоянный коэффициент, принятый равным 1,15. В отдельных случаях использовалась экстраполяция кривых нарастания деформаций по той же методике, которая применялась при обработке данных о ползучести бетона

Предельные опытные значения деформаций приводились далее к принятым исходным размеру сечения (г = 2,5 см) и влажности воздуха (6 = 70%). Соответствующие поправочные коэффициенты й и £? принимались (в зависимости от условий опыта) по формулам (VII.4) и (VII.5).

Вычисленные таким путем величины деформаций еут — = 8у.н нанесены на рис. 61 в зависимости от фактического расхода воды в бетонных смесях. Несмотря на то что остальные технологические параметры (расход цемента, В/Ц, соотношение между крупной и мелкой фракциями заполнителя и т. д.) менялись в очень широких пределах, опытные точки закономерно расположились около кривой, построенной  по формуле  (VII.9).

Для всей совокупности точек на рис. 61 с помощью ЭЦВМ найдено корреляционное уравнение кривой регрессии, подтвердившее степенной характер зависимости между еу.н и В. Кривая, соответствующая уравнению регрессии (с показателем степени у = 1,38), мало отличается от кривой, построенной по формуле (VII.9), значительно более удобной для практического пользования.

Полученный коэффициент корреляции г = 0,818 меньше установленного ранее (см. главу VI) .при анализе нормативных величин деформаций ползучести. Однако повышенный разброс опытных точек не обнаруживает в данном случае никакой закономерной связи с колебанием таких технологических параметров, как расход цемента (в пределах от 220 до 1370 кг/м3) или водоцементное отношение смесей (в пределах от 0,27 до 1,07). Он обусловлен, вероятно, несколько большим по сравнению с ползучестью влиянием на усадку бетона характеристик применяемых материалов и методических особенностей эксперимента. Вместе с тем для практических оценок надежность установленной эмпирической связи остается удовлетворительной.

Наличие однозначной связи между еу,н и В, непосредственно выраженной в формуле (VII.9), позволяет установить простейший критерий для оценки величины деформаций усадки. Смысл расхождений между другими предложениями (см. рис. 60) сводится к тому, что существование этой связи либо признается ими только в косвенной форме (методика ЕКБ, формула Цюрихской лаборатории), либо вообще отрицается (методика Улицкого и Александровского).