Прочность и деформации напрягающего керамзитобетона

Результаты исследований показали эффективность применения легких бетонов на напрягающем цементе для изготовления элементов безрулонной кровли и объемных блоков. Плотная структура и самонапряжение легких напрягающих бетонов, приготовленных на НЦ-20, исключает образование усадочных трещин и обеспечивает повышенные показатели прочности, водонепроницаемости и трещиностойкости конструкций.

Авторы исследовали физико-механические характеристики легкого напрягаюшего бетона с использованием наиболее распространенного пористого заполнителя — керамзита. Для приготовления бетонной смеси применяли НЦ-20 Усть-Каменогорского цементного завода с активностью 43,5 МПа и энергией самонапряжения МСН = 1,7 МПа. В качестве заполнителей использовали керамзитовый гравий фракций 5–10 и 10–20 мм с прочностью соответственно 3,6 и 3 МПа, с объемной насыпной массой 550 кг/м3 и мелкий песок МКР = 1,7.

В табл. 1 приведены оптимальные составы бетонных смесей, подобранных с предельным насыщением объёма бетона крупным заполнителем. Такой подход к подбору состава позволил получить напрягающий керамзитобетон сравнительно высокой прочности без перерасхода цемента благодаря созданию более прочного контакта между его составляющими и улучшению совместной работы растворной составляющей и крупного заполнителя, а также специфическим свойствам напрягающего цемента.

Прочностные и деформативные характеристики напрягающего керамзитобетона при кратковременном сжатии и растяжении изучали на образцах-кубах с размером ребра 10 см и образцах-призмах с размерами 10х10х40 см связанного расширения, Образцы твердели в динамометрических кондукторах, обеспечивающих сопротивление расширению бетона, эквивалентное армированию с μ = 1%. Испытания на осевое растяжение проводились по методике. Образцы до испытаний хранили при постоянной температуре (20±2°С) и влажности среды (80±5%). Результаты испытаний образцов в различном возрасте, показаны в табл. 2, из которой видно, что прочность напрягающего керамзитобетона в возрасте 7 сут соответствует 70–75% 28-суточной прочности и продолжает интенсивно увеличиваться в более поздние сроки твердения. Так в возрасте 360 сут рост кубиковой прочности составил 18–30% по отношению к 28-суточной, а призменной прочности25–32%. Коэффициент призменной прочности напрягающего керамзитобетона превышает значения, регламентированные СНиП 11-21-75.

Анализ экспериментальных данных показал, что так же как и для обычного керамзитобетона, существует достаточно тесная связь между прочностью и предельными деформациями напрягающего керамзитобетона, с ростом которой пропорционально растут предельная сжимаемость и предельная растяжимость. Эти величины у напрягающего керамзитобетона разработанных составов примерно на 10–12% выше, чем у равнопрочного обычного керамзитобетона.

Повышенная предельная сжимаемость образцов в возрасте 7 и 14 сут является результатом благоприятного внутреннего напряженного состояния, обусловленного процессами расширения.

Данные табл. 2 показали, что различие теоретических и экспериментальных значений обусловлено, вероятно, структурными особенностями напрягающих бетонов, связанными с внутренним самонапряженным состоянием. Это свидетельствует о том, что начальный модуль упругости напрягающего керамзитобетона должен быть связан не только с объемной массой и прочностью, но и с удельным содержанием цементного теста в бетонной смеси, характеристикой заполнителя и его объёмным содержанием, величиной связанного расширения к моменту испытания и др. Зависимость продольных и поперечных деформаций от уровня напряжений при осевом сжатии напрягающего керамзитобетона (рис. 1) показывает, что его предельные деформации находятся в тесной связи с прочностью и отличаются от наблюдаемых для обычных тяжелых бетонов.

Линейная зависимость наблюдается вплоть до 0,6–0,65 RПР.

Этому моменту соответствует начало искривления диаграммы и достижение бетоном предельной растяжимости что свидетельствует о появлении микроразрушений бетона. При дальнейшем росте напряжений диаграмма принимает криволинейное очертание и максимум кривой соответствует предельной сжимаемости напрягающего керамзитобетона.

Представлены зависимости средних значений параметрических уровней – от призменной прочности бетона вычисленные по результатам ультразвуковых измерений, изменения дифференциального коэффициента поперечной деформации, объёма и его приращений.

Сравнение результатов исследований с аналогичными характеристиками обычного керамзитобетона подтверждает несколько большую (на 10–15%) трещиностойкость напрягающего керамзитобетона что объясняется высокой плотностью структуры напрягающего керамзитобетона и хорошим сцеплением его составляющих.

Повышенная трещиностойкость напрягающего керамзитобетона является следствием также повышенного содержания крупного заполнителя в бетоне, которое приводит к увеличению удельной поверхности контактной зоны и, следовательно, к лучшему распределению в ней внутренних напряжений.

При нагружении бетона образование первых микротрещин происходит на участках соприкосновения гранул заполнителя с проникающими внутрь зернами. При дальнейшем увеличении внешней нагрузки трещины развиваются в заполнителях с последующим выходом в растворную составляющую бетона направлены параллельно усилиям сжатия. Повышение параметрических уровней микротрещинообразования напрягающего керамзитобетона в основном наблюдается с RПР ≈ 20 МПа и более, так как с увеличением RПР, а следовательно, и содержания цемента в бетоне, овышается благоприятное влияние самонапряжения. При этом повышаются долговременная прочность, выносливость, морозостойкость‚ водонепроницаемость и другие физико-механические характеристики напрягающего керамзитобетона по сравнению с керамзитобетоном на портландцементе.

Выводы
При использовании напрягающего цемента и широко распространенного керамзита можно получить конструктивный керамзитобетон с прочностью 35 МПа при относительно низкой объемной массе без перерасхода вяжущего.

Прочностные и деформативные свойства напрягающего керамзитобетона соответствуют требованиям СНиП 11-21-75 или выше, что позволяет рекомендовать его к использованию в несущих конструкциях.