УСКОРЕННАЯ ПРОВЕРКА МАРКИ ЦЕМЕНТА В БЕТОНЕ И НАЗНАЧЕНИЕ ФАКТОРА ЕГО ПРОЧНОСТИ

Задача получения требуемой прочности тяжелого бетона на портландцементе возникла с самого начала внедрения этого материала в практику строительства. Ряд исследователей добивался установления аналитической связи между прочностью бетона и параметрами бетонной смеси. При этом зависимость точности бетона от главного фактора её в бетонной смеси, установленная проф. Абрамсом, имеет вид: R_б = f(R_C, В/Ц) и графически изображается кривой типа гиперболы.

Боломей, приняв в качестве аргумента величину, обратную В/Ц, т. е. Ц/В функции R_б линейную форму. По М. Боломею в переработке А. И. Яшвили связь Ц/В с прочностью бетона имеет вид: R₂₈ = K R_Ц(Ц/В — в), где К и в – постоянные, R_Ц – активность цемента.

Поскольку величина R_Ц зависит от метода испытаний, а коэффициенты К и в не могут не отражать свойств применяемых материалов, проф. Б. Г. Скрамтаев уточнил эти коэффициенты как для ранее применявшегося метода испытания цемента в жестких растворах, так и для применяющегося в настоящее время метода испытания цемента в пластичных растворах.

Ранее, в связи с широким применением жестких бетонных смесей особенно в бетонах с малым значением В/Ц и с относительно невысоким расходом цемента, а также рядом трудностей, связанных с уплотнением таких смесей, возникло сомнение в линейности функции на всем диапазоне практически применяемых значений Ц/В от 1,43 (В/Ц = 0,7) до 3,3 (В/Ц = 0,3). Появились предложения рассматривать эту функцию как кусочнолинейную имеющую точку перелома при абсциссе 2,5.

О том, что функция R_б – Ц/В при очень больших и очень малых значениях Ц/В перестает быть линейной, хорошо известно.

Бетонные смеси с высокими расходами цемента и большими величинами Ц/В плохо уплотняются и, более того, по окончании уплотнения самопроизвольно разуплотняются‚ если у отформованного изделия имеется хотя бы одна свободная поверхность.

Бетонные смеси с малым расходом цемента и малым Ц/В не удерживают внесенной в смесь воды, которая легко отделяется и вытекает из смеси. Естественно, что в обоих случаях нарушится характер изменения прочности, установленный в вышеупомянутых нами границах значений В/Ц.

Применение величин Ц/В больших, чем 3,8, или меньших, чем 1,25, явление редкое и важно отметить, что бетоны с высокими расходами цемента являются невыгодными, они испытывают большие внутренние напряжения, приводящие и деструктивным явлениям; нормальной гидратации всей массы цемента в них обычно не происходит и, следовательно, потенциальные возможности введенного цемента нужным образом не используются.

Таким образом, не ожидая возможности нарушения лине ото характера функции R_б - Ц/В‚ авторы этой статьи не подтверждают предлагаемого в этом случае значения Ц/В =2,5‚ при котором имеется перелом в линейной зависимости R_б - Ц/В.

Л. А. Кайсером (ВНИИжелезобетон) была разработана новая формула расчета прочности бетона, имеющая следующий вид:

R_б = (А + R_Ц f) Ц/В + m, где А, f, m – постоянные.

После сопоставительной проверки формул в НИИЖБе установлено, что формулы для высокомарочных цементов и бетонов дают одно и то же значение Ц/В, а при цементах и бетонах низких паров формула (3) дает меньшее значение Ц/В, что увязывается с практикой бетонных работ..

Ввиду этого НИИЖБ в своих инструкциях наряду с формулой (2) приводит также формулу (3) для предварительных расчетов состава бетона – его фактора прочности – Ц/В для умеренных марок.

Все расчетные формулы являются результатом усреднения многих данных, связывающих прочность бетона с активностью цемента и водо-цементным (цементно-водным отношением. При этом имеется в виду 28-суточная прочность бетона. Для случаев, когда требуется обесточить прочность в более ранние или более поздние сроки, приходится прибегать, опять-таки, к усредненным коэффициентам и, естественно, погрешности могут не только нивелироваться, но и накладываться, что в ряде случаев совершенно недопустимо.

Кроме того, в связи с массовым изготовлением конструкций на заводах ЖБИ с применением тепловой обработки пользование формулами приобретает характер условного ориентира и ‚не может обеспечить необходимой степени приближения к заданным условиям.

Главным недостатков всех приведенных формул является необходимость Знать истинное значение прочности цемента и вести ориентировку на 28-суточную прочность бетона. Поэтому на заводах ЖБИ в соответствии с рекомендациями НИИЖБа используется прямой опыт построения зависимости R_б - Ц/В на бетонах материалов заводов, работающих с тепловой обработкой, не вызывающей деструкции бетона. При этом устанавливаемый фактор прочности бетона Ц/В гарантирует как нужную прочность после пропаривания – отпускную прочность, – так и достижение к 28 суткам в нормальных условиях полной проектной прочности.

Новые нормы расхода цемента в бетоне СН 386-68, которые не должны быть превышены, накладывают дополнительные требования: цемент должен полностью соответствовать его марке. Поэтому потребовалось найти способ оценивать марку декана по результатам испытания его в бетоне.

В НИИЖБе закончен первый этап работы, позволяющий предложить строителям прием быстрой приблизительной оценки активности цемента и назначения фактора прочности Ц/В в бетонах разных марок.

В течение 3 лет производились испытания портландцементов по ГОСТ 3106-0 и одновременно в бетоне сначала при четырех значениях Ц/В (1,43; 4,67; 2,26 и 3,8), а затем при трех: 1,43; 2,0; 3,3 по 9 шт. на каждое значение Ц/В. Изготовленные бетонные образцы с крупным заполнителем из гранитного щебня подвергались разным условиях хранения до испытания на сжатие, а именно: 6 образцов с каждым Ц/В после 2-часового выдерживания пропаривались по разработанному в лаборатории методов ускорения твердения бетона НИИЖБа режииу 3-6-2 при изотерме 80-85˚; три из шести проверенных образцов испытывались на сжатие через 4-6 ч остывания, три других образца-близнеца хранились 27 сут. в камере нормальных условий. Кроме того, три образца-близнеца не подвергались пропариванию и испытывались в возрасте 28 сут. После хранения в нормальных условиях.

Таким образом, в результате опытов были получены следующие данные:

1. активность и марка цемента по ГОСТ 310-60 (в пластичных растворах при Ц/В = 2,5)‚ которую мы обозначим R_Ц;
2. прямая прочности бетона в зависимости от Ц/В, построенная по результатам испытаний пропаренных образцов сразу после остывания. Прочность такого бетона обозначим R₁;
3. прямая прочности бетона, хранившегося после пропаривания о нормальных условиях в течение 27 сут. Прочность этого бетона обозначим R₂;
4. прямая прочности бетона, хранившегося с момента приготовления в нормальных условиях и испытанного в возрасте 28 сут. Прочность этого бетона обозначим R₃.

Результаты испытания 25 цементов представили следующие важные для практики данные:

R₂ = f(R₁); R₃ = f(R₁); R₁ = f(R_Ц); R₂ = f(R_Ц); R₃ = f(R_Ц); R₁ = f(R₃); R₂ = f(R₃);

Статистические подсчеты сводились к определению средних величин М, средних квадратических отклонений σ и изменчивости С_V (коэффициентов вариации).

Результаты работы представлены в табл. 1, пользование которой легко уясняется из следующего положения и подкрепляющих его примеров.

1. На строительстве или из заводе ЖБИ с использованием имеющихся там качественных стандартных материалов – цемента и заполнителей, должна быть построена функция R = f(Ц/В). Для её построения необходимо затворить 3 бетонные смеси по составам, приведенным в табл. 2.

Из каждой бетонной смеси при тщательном уплотнении должно быть изготовлено 3 кубика с ребром 10 см и заполнителем 5-20 мм.

Изготовленные кубики в количестве 9 шт. 2 ч выдерживаются в формах при t ≈ 20˚, после чего в тех же формах подвергаются пропариванию на заводе ЖБИ, а также и на стройплощадке – по стандартному режиму 3-6-2 ч. После 4-6-часового остывания кубики распалубливают, обмеряют, взвешивают и испытывают на сжатие. Из каждых трех кубиков соответственно требованиям ГОСТ 10180-67 «Бетон тяжелый, методы определения прочности» выводят среднее, приводят его помножением на К к прочности кубика ребром 20 см, и по этим прочностям в координатной системе R_б - Ц/В откладывают три точки, которые при правильном приготовлении кубов и правильном их испытании лягут на одну прямую. На этом заканчивается эксперимент.

Пусть, например, в результате проведенного опыта для построения R_б - Ц/В были получены следующие результаты (в пересчете на куб с ребром 20 мм).

Если для пропариваемого бетона марки М600 нужно назначить фактор прочности Ц/В, при котором после пропаривания обеспечивается 70% прочности, т. е. 210 кГ/см², то, как видно из рисунка, требуемая величина Ц/В составит 1,76. Если бы после пропаривания следовало иметь полную марочную прочность, пришлось бы Ц/В = 2,28.

Последующее твердение в нормальных условиях пропаренного бетона может быть выяснено из построения функции R₂ = f(R₁). Из табл. 1 имеем: R₂ при Ц/В = 333 составляет 133% от R₁; R₂ при Ц/В = 1‚43 составляет 177% от R₁. Следовательно крайние точки прямой R₂, будут иметь ординаты: 160 кГ/см²*1,77 = 285 кГ/см²; 380 кГ/см²*1,33 = 642 кГ/см². Аналогично может быть удостоена прямая R₃ по данным R₃ = f(R₁) табл. 1.

Построенная на рисунке прямая R₂ ‚показывает, что твердение пропаренного бетона дает большую прочность, нежели твердение его в нормальных условиях без предварительного пропаривания по стандартному режиму.

Для выяснения приблизительной активности по портландцемента также обращаемся к табл. 1. В колонке R₁ = f(R_Ц) замечаем, что наименьшая изменчивость относится к Ц/В = 3,3 и составляет 15%.

Отсюда заключаем, что прочность бетона при Ц/В = 3,3 составляет 106% от активности цемента, т. е. (106/100) R_Ц = 480,

откуда R_Ц = 450 кГ/см² и, по всей вероятности, нами был использован портландцемент со средней маркой М400.

Здесь же следует отметить те границы, в которых может находиться величина активности цемента. Если принять возможные отклонения от среднего в пределах одного стандарта, что охватывает собою около 70% всех возможных значений активности, то R^МИН = 385 кГ/см²; R^МАКС = 515 кГ/см².

Этот подсчет подкрепляет наши предположения, что использованный цемент относится к марке М400.

Из колонки R₂ = f(R₁) видно, что через 27сут. последующего за пропариванием хранения в нормальных условиях бетон повышает свою прочность в среднем не менее, чем на 33%, т. е. обеспечивает требуемую прочность, если сразу после пропаривания было обеспечено 70% проектной марки.

2. Рассмотрим другую задачу, встречающуюся при работах с монолитным бетоном. Пусть требуется назначить фактор прочности в бетоне марки М300, причем марка бетона должна быть обеспечена к возрасту 28 сут.

Сделав затворение бетона на материалах, отвечающих требованиям стандарта, как описано выше, и получив по данным испытания зависимость R₁ = f(Ц/В)‚ мы, пользуясь зависимостью R₃ = f(R₁) ‚ подсчитываем предполагаемую прочность бетона 28-суточного нормального твердения.

Так, R₃ при Ц/В = 3,3, составит 118% от R₁ т. е. R₃ = 570 кГ/см².

и при Ц/В = 2 составит 131% от R₁ , т. е. R₃ = 330 кГ/см².

Наметив эти две точки на графике, проведем пунктирную прямую и по ней найдем искомую величину Ц/В для бетона марки М300 при твердении в нормальных условиях. В этом примере Ц/В = 1,84.

Из табл. 1 видно, что пользование ею приводит к быстрому решению задач выбора фактора прочности для бетонов разных марок как при пропаривании бетона по стандартному режиму, так и при нормальном твердении, а также к оценке активности и марочности применённого портландцемента.

Публикуя вышеприведенные результаты работы, авторы обращают внимание, что поскольку результаты получены статистической обработкой ряда опытов, на практике могут иметь место и несовпадения фактических данных с ожидавшимися. Однако это несовпадение не выйдет за рамки границ, характеризуемых полученной изменчивостью.

Авторы рассчитывают, что пользование предлагаемым методом ускоренного испытания цемента в бетоне и расчета прочности бетона позволит накопить обширный статистический материал, пользуясь которым удастся уточнить предлагаемый метод.