ОСНОВНИЙ ЗАКОН МІЦНОСТІ БЕТОНУ Будівельні матеріали та технології
12.3. ОСНОВНИЙ ЗАКОН МІЦНОСТІ БЕТОНУ
Бетон працює під навантаженням як єдиний композиційний матеріал і у формуванні його міцності беруть участь цементний камінь (матриця), зерна заповнювача і контактний шар між ними. Іншими словами, міцність бетону залежить від міцності складових його матеріалів та від міцності зчеплення їх один з одним. Міцність заповнювача (піску, щебеню, гравію) у важкому бетоні, як правило, вища за задану міцність бетону, тому мало впливає на останню. Таким чином, міцність бетону визначається в основному двома факторами: міцністю затверділого цементного каменю; • міцністю його зчеплення із заповнювачем.
Міцність цементного каменю залежить від двох факторів: активності (марки) цементу (R) і співвідношення кількостей цементу і води (Ц/В).
Чим вище марка цементу, тим за інших рівних умов буде міцнішим цементний камінь, оскільки марка цементу — це насправді міцність модельного (дрібнозернистого) бетону, що відформований і твердів у стандартних умовах (див. лабораторну роботу № 7).
Залежність міцності цементного каменю від співвідношення цементу та води у бетонній суміші пояснюється наступним. Цемент при твердінні хімічно пов'язує трохи більше 20. 25 % води своєї маси. Але щоб забезпечити необхідну пластичність цементного тіста і відповідно рухливість бетонної суміші, необхідно брати 40. 80 % води від маси цементу. Вода, крім того, необхідна для змочування поверхні піску та великого заповнювача: велика питома поверхня заповнювача потребує більшої витрати води (див. § 10.2). Природно, чим більше в бетоні буде вільної, хімічно не пов'язаної води, тим більше згодом буде пір у цементному камені тавідповідно нижче стане його міцність.
З іншого боку, якщо не забезпечити необхідну удобовкладальність бетонної суміші, що відповідає прийнятому в даному конкретному випадку методу ущільнення, то через недоущільнення в структурі бетону з'являться великі порожнечі та ділянки з порушеним зв'язком "цементний камінь - заповнювач", що призведе до різкого зниження міцності бетону.
Експериментально крива залежності міцності бетону від кількості води замішування (В) при постійній витраті цементу (Ц) (тобто фактично від В/Ц) і за однакового методу ущільнення (рис. 12.5) підтверджує сказане вище. Ліва гілка кривої відповідає недоуп-лотненим бетонним сумішам, занадто жорстким для даного способу ущільнення. При зростанні кількості води замішування до певної межі бетонна суміш укладається щільніше, зменшується обсяг порожнеч, а міцність бетону підвищується. При оптимальному (для даного способу ущільнення) кількості води бетон має найбільшу міцність та щільність, що відповідає максимуму на кривій міцності.
Rц: 1 - Rі = 60 МПа; 2 – Rц = 55 МПа; 3 - Rц = 50 МПа; 4 - Rц = 40 МПа
Подальше збільшення кількості води розріджує бетонну суміш, підвищує її рухливість. Однак вода, що додається, лише частково зв'язується цементом, а надлишок її утворює в бетоні пори — і в результаті міцність бетону знижується (права гілка кривої).
Для кожної бетонної суміші існує оптимальна кількість води, яка дозволяєотримати при даному способі ущільнення бетон з мінімальною пористістю та найбільшою міцністю.
Міцність зчеплення між цементним каменем та заповнювачем визначається в основному якістю поверхні заповнювача. Для забезпечення високої міцності зчеплення поверхня зерен заповнювача має бути чистою та шорсткою. Наприклад, бетон на щебені за інших рівних умов міцніший за бетон на гравії. У узагальненому вигляді цей показник називається коефіцієнтом якості заповнювачів (А), яке чисельні значення наводяться нижче (див. лабораторну роботу № 9).
Висловлені теоретичні передумови були покладені в основу експериментальних досліджень залежності міцності бетону від Ц/В, марки цементу та якості заповнювачів (під міцністю тут і далі мається на увазі марочна міцність, тобто міцність після 28 діб твердіння у стандартних умовах). Отримані експериментальні залежності R = (Ц/В) є досить складною кривою, що має точку перегину (рис. 12.6). З деяким наближенням цю криву в реальному інтервалі Ц/В (від 1,4 до 3,3) можна апроксимувати двома прямими, що описуються рівнянням виду 232
Наведена формула запропонована І. Боломеєм та уточнена Б.Г. Скрамтаєвим. Вона виражає основний закон міцності бетону та використовується для визначення складу бетону за заданими параметрами.
Для стандартних бетонів (марок нижче М500) в інтервалі Ц/В = =1,4. 2,5 формула Боломея — Скрамтаєва має вигляд
а для міцних бетонів при Ц/В = 2,5. 3,3
У графічному вигляді закон міцності бетону представлений на рис. 12.7. Цязалежність справедлива лише за умови забезпечення щільного укладання бетонної суміші. Використання цієї формули для розрахунку складу бетону дано в лабораторній роботі № 9.