Бетон в Симферополе
от производителя

+7(978)703-2749
+7(978)703-2769

Высокопрочные бетоны в Англии

В ряде случаев, когда важен небольшой вес конструкции или архитектурные соображения диктуют использование более тонких и гибких элементов, нужно применять бетон с более высокой прочностью. Современное состояние науки и техники позволяет без особых трудностей получать бетоны с прочностью на сжатие до 700 кгс/см2 (70 Мн/м2).

Экспериментальная работа, описанная в статье, указывает на возможность получения бетона с 28-дневной кубиковой прочностью, равной 800 кгс/см2 на разных заполнителях. Такой бетон может уплотниться с помощью обычных методов вибрации как в стационарных условиях, так и на стройплощадке. Проектирование его состава не представляет трудностей.

При использовании современных цементов и техники приготовлении бетонных смесей вполне возможно получение бетона обычным способом с кубиковой прочностью на сжатие 1000 кгс/см2 и выше.

Использование высокопрочных бетонов несколько затрудняется отсутствием информации об их свойствах, особенно при больших напряжениях. Поэтому приведенные ниже данные должны заинтересовать инженеров-конструкторов.

Общие замечания. В настоящей статье под термином «высокопрочный бетон» подразумевается бетон на портландцементе, имеющий прочность на сжатие 815 кгс/см2. Наибольшая прочность, полученная во время испытаний, составила 1125 кгс/см2. Это предел, переступить который можно только путем применения специально подобранных цементов и заполнителей, а также особых способов приготовления бетонов.

Определение физических свойств было произведено на бетонах со средней прочностью от 890 до 1020 кгс/см2. Свойства бетонов с прочностью от 700 до 1125 кгс/см2 могут быть получены простой экстраполяцией. Прочность бетона в 1020 кгс/см2 может быть получена в 28-дневном возрасте. Достигнуть более высоких прочностей можно при более длительной выдержке бетона.

Главные требования к материалам для высокопрочных бетонов сводятся к следующему. В случае высокопрочных бетонов уже нельзя руководствоваться только тем, чтобы цемент отвечал условиям Британского стандарта (BS 12:1958 ap.D).

В каждом случае необходимо предварительно провести дополнительные испытания с пробным-и замесами бетона, особенно для бетонов прочностью 900 кгс/см2 и выше. То же касается и крупного заполнителя из прочных горных порол с шероховатой поверхностью. Окатанный гравий, даже высокой прочности, для высокопрочных бетонов не пригоден. Песок может применяться обычный или полученный в результате дробления горных пород, цементное тесто – по возможности с низким водо-цементным отношением. Практически это означает примерно В/Ц = 0,28. При более высоком В/Ц прочность бетона снижается из-за чрезмерной капиллярной пористости; при более низком значении В/Ц прочность бетона также снижается в силу недостаточной степени уплотнения бетона.

Для получения смеси приемлемой удобоукладываемость с сохранением правильного водо-цементного отношения, цементное тесто не должно быть чрезмерно ослаблено избыточным количеством заполнителей и для получения прочности в возрасте 28 дней 815 кгс/см2 отношение заполнителя к цементу должно быть примерно 2:1.

Высокопрочный бетон будет применяться в основном в тонких конструкциях, поэтому заполнители, частицы которых проходят через сито с отверстиями от 1,91 до 0,95 см предпочтительнее для его приготовления. Ввиду высокого содержания цемента в смеси количество мелких фракций должно быть ниже обычного и удовлетворительный грануло-метрический состав для большинства случаев должен состоять из 10% мелких заполнителей, проходящих через сито с отверстиями 0,16 см в комбинации с 90% крупных заполнителей размером от 0,95 до 0,16 см.

Бетонная смесь может приготовляться на обычном бетонном заводе, однако из-за отсутствия необходимых данных в настоящее время затруднительно судить о том, годятся ли для приготовления такого бетона смесители с чрезмерно высокой скоростью перемешивания. Большое количество цемента в бетоне вероятно будет требовать увеличения времени перемешивания смеси, скажем, до 4 мин вместо 2 или 3 мин. Вследствие повышенной вязкости смесь будет прилипать к барабану смесителя и это потребует применения принудительного перемешивания её, в остальном же процессе приготовления смеси у высокопрочных бетонов ничем не отличается от бетонов обычной прочности.

В данной статье за основу принят показатель удобоукладываемости по прибору Вебе – 15 сек, который должен быть получен спустя 15 мин после начала перемещения, что позволяет хорошо уплотнить смесь умеренной вибрацией на вибростоле или с помощью внутреннего вибратора.

В таблице приводится сравнительная характеристика материалов, составов и свойств бетонов.

Образцы высокопрочного бетона, выдержанные во влажных условиях в течение 7, 14 и 28 дней в дальнейшем, хранились в сухо-воздушных условиях (65% влажности). При этом образцы имели кубиковую прочность равную соответственно 90, 95 и 100% от прочности контрольных образцов, твердевших только во влажных условиях (рис. 1).

Изменение с возрастом прочности бетона на сжатие

Отношение прочности цилиндра (d = 100 мм, l = 200 мм) к прочности кубика с ребром равным 100 мм составило примерно 0,8 для бетона с кубиковой прочностью 406 кгс/см2. И возросло до 0,9 для бетона, имевшего кубиковую прочность 1015 кгс/см2.

Прочность на растяжение. Результаты испытаний показывают, что при увеличении прочности на сжатие у высокопрочных бетонов увеличивается прочность и на растяжение. Отношение прочности на растяжение и прочности на сжатие для высокопрочных бетонов с заполнителями из дробленых горных пород примерно такое же, как и в последних практических нормах Британского института стандартов для бетонов обычной прочности.

Отношение 7-дневной прочности на растяжение к 28-дневной для высоко прочных бетонов и бетонов обычной прочности составляют 0,9 и 0,8 соответственно.

Пределы прочности на сжатие, изгиб и растяжение балок 100х100х500 мм и цилиндров от d = 150 мм, l = 300 мм показаны на рис. 2.

Зависимость между прочностями бетона на сжатие и растяжение

Динамический модуль упругости по результатам испытаний прямоугольных балок составил 101500 кгс/см2, т. е. значение совпавшее с вычисленным по формулам проектных норм (рис. 3).

Зависимость между динамическим модулем и прочностью бетона на сжатие

Хранение образцов высокопрочного бетона на воздухе с относительной влажностью 65% после 7, 14 и 28-дневного выдерживания во влажных условиях обычно препятствует росту модуля упругости для образцов, которые хранятся непрерывно во влажных условиях.

Усадка высокопрочного бетона измерялась по результатам измерений образцов призм 75х75х250 мм, хранившихся на воздухе с относительной влажностью 65% и содержанием двуокиси углерода 0,065%. Некоторые из результатов приведены на рис. 4. Высокопрочный бетон имеет большую усадку, чем обычный бетон.

Усадочные деформации в бетоне при твердении на воздухе

Свойства ползучести у высокопрочных бетонов были исследованы на призмах размером 60х95х500 мм, загруженных постоянным одноосным напряжением величиной в 30% от 28-дневной кубиковой прочности при t = 20°С и относительной влажности 65…95%. Деформации образцов систематически измерялись (рис. 5).

Деформации в бетоне при длительных нагрузках

Длительные деформации, развивающиеся в течение времени нахождения образца под напряжением, относятся к зафиксированным в 0,01 дня (14 мин) после приложения нагрузки. При этом деформация, выраженная в долях от первоначальной деформации в возрасте 0,01 дня, одинакова как для высокопрочного, так и для обычного бетона, находящихся во влажной среде.

Деформации ползучести в сухо-воздушных условиях (влажность 65%) больше, чем во влажных условиях (влажность 95%) как для высокопрочного, так и обычного бетона, даже без учета деформации усадки. Однако высокопрочный бетон показывает меньшее увеличение деформации ползучести в сухих условиях, чем обычный бетон.

Полные длительные деформации высокопрочного бетона при напряжении в 30% их кубиковой прочности в суховоздушных и влажных условиях были соответственно на 15 и 65% выше, чем деформации у обычных бетонов в аналогичных условиях и при тех же относительных напряженных измерения поперечных деформаций указывали на то, что коэффициент Пуассона был в пределах 0,14…0,25 для высокопрочного и обычного бетонов.

Экзотермия одного из цементов, использованного для работы, была измерена при В/Ц = 0,28 для высокопрочного и В/Ц = 0,50 для обычного бетонов. Как видно на рис. 6, при более низком В/Ц эффективная отдача тепла на кг цемента меньше, чем при более высоком В/Ц.

Выделение тепла в процессе гидратации бетона

Так как содержание цемента в высокопрочных бетонах примерно в два раза больше, чем у обычных, то выделение тепла на единицу веса бетона у них значительно больше, чем у обычных, что предопределяет больший подъем температуры.

Линейное тепловое расширение у высокопрочных бетонов (при подводном их хранении во избежание капиллярного натяжения), взятое в интервале температур 10…40°С, было на 12% выше, чем у обычных.

Объемная масса высокопрочных бетонов колеблется от 2430 до 2540 кгс/см2 в зависимости от примененных заполнителей. Объемная масса соответствующих им обычных бетонов колеблется от 2370 до 2530 кгс/см2.

Результаты исследований. Экспериментальная работа по выявлению свойств высокопрочных бетонов подвела базу для общей дискуссии о преимуществах и недостатках высокопрочных бетонов, как конструктивного материала.

У высокопрочных бетонов имеется два главных недостатка:

  1. полные прогибы, вызванные нагрузкой, у них больше, чем у обычных бетонов и
  2. температуры и соответствующие им тепловые деформации в раннем возрасте также больше, чем у обычных бетонов.

Следует указать так же на то, что высокие внутренние температуры вызовут быстрое нарастание прочности бетона, что весьма желательно для сборных конструкций.

Большие полные прогибы являются отражением больших прогибов от кратковременных нагрузок. Без учета усадки и упругой деформации деформации ползучести у высокопрочных и у обычных твердеющих бетонов под воздействием рабочего напряжения равноценны по величине. Величина роста температур у высокопрочных бетонов в раннем возрасте зависит от размеров элемента, типа цемента, изоляционных свойств опалубки, температуры окружающей среды и других факторов. В случае полного защемления очень большие растягивающие напряжения могут возникнуть во время охлаждения элементов. Если элементы вообще не защемлены, то растягивающие напряжения не могут проявиться, чем и предупреждается трещинообразование.

У монолитных конструкций элементы обычно защемлены. Вероятность трещинообразования зависит от степени увеличения температуры, процента армирования, степени защемления. Если существует опасность трещинообразования при применении высокопрочного бетона, необходимо принять одну или несколько из следующих предосторожностей: уменьшить степень защемления; снизить экзотермию применением низкотермических цементов, использованием опалубки с низкими изоляционными свойствами (при условии, что распределение результирующей температуры не явится причиной внутреннего трещинообразования), использованием массивных конструкций или бетонированием при теплой погоде; использовать соответствующие конструктивные швы, обеспечивающие свободные деформации.

Применение высокопрочного бетона конструкторами может быть обосновано тремя основными положениями: заменой обычных бетонов высокопрочными; улучшением существующих типов конструкций; созданием новых типов конструкций.

Замена обычного бетона высокопрочным оправдывается возможностью снижения стоимости при условии, что величина прогиба или другие деформации являются лимитирующими для конструкций из этого бетона.

Увеличение несущей способности на 100% будет сопровождаться увеличением стоимости бетона на 50%, если и высокопрочный бетон использован в элементах, работающих на сжатие – колонны или сжатые зоны тавровых балок при условии, что гибкость не является лимитирующим фактором. Поперечные сечения колонн в нижней части высоких зданий бывают обычно массивными, при использовании высокопрочного бетона они могут быть без всякого ущерба уменьшены. Это даст возможность получить дополнительное полезное пространство.

Важной особенностью высокопрочных бетонов является то, что плотность у них не намного больше, чем у обычных бетонов. Отсюда следует, что для конструкций, у которых собственный вес является большей частью нагрузки, может быть более эффективно использован высокопрочный бетон.

Высокопрочные бетоны или бетоны с высоким отношением прочности к весу возможно использовать для изготовления существующих типов конструкций, в которых имеющиеся ограничения бетона делают необходимым переход на другой вид материалов или конструкций. Например, с помощью конструкций из высокопрочного бетона можно практически увеличить отношение длины пролета к высоте в предварительно напряженных мостах.

Третье преимущество высокопрочного бетона заключается в расширении сферы действия конструктора. Он может проектировать новые элементы и конструкции, которые невозможно осуществить из обычных материалов.

Выводы

Дальнейшие исследования высокопрочных бетонов рекомендуется вести в следующих направлениях: определение влияния величины напряжений и возраста на ползучесть под нагрузкой; определение перемещений в раннем возрасте у свободных и защемленных элементов; краткие и долгосрочные испытания под нагрузкой элементов конструкций; полевые испытания для отражения стоимости укладки и уплотнения.

Ещё не оценен
  • Share