Полные диаграммы деформирования высокопрочного керамзитобетона

Авторы на основе экспериментальных исследований по оценке предельной относительной деформации сжатия для высокопрочного керамзитобетона приходят к выводу, что несмотря на существенное отличие диаграмм деформирования, низкого модуля упругости у высокопрочного керамзитобетона, предельные относительные деформации сжатия остаются практически равными деформациям для тяжелого бетона такой же прочности.

Вопросам исследования физико-механических свойств конструкционного керамзитобетона посвящено немало работ [ 1 -10]. Тем не менее, многие вопросы все еще остаются не в полной мере изученными. Желание получить материал, обладающий пониженной объемной массой и в тоже время высокой прочностью как при сжатии, так и при растяжении, сдерживается рядом причин. Основными из которых являются неоднородность пористого заполнителя, низкая прочность и модуль упругости, что сказывается на напряженно-деформированном состоянии и неоднородности поля напряжений под воздействием внешней нагрузки. В настоящее время получены конструкционные керамзитобетоны с прочностью на сжатие 50-70 МПа, но при этом прочность на растяжение значительно ниже соответствующей прочности полученной для тяжелого бетона. Так, если для тяжелого бетона с призменной прочностью 50 МПа, прочность на осевое растяжение составляет 3-4 МПа, то для высокопрочного керамзитобетона с плотностью 1800 кг/м3 эта величина не превышает 2,0-2,5 МПа.

 Одним из слабо изученных вопросов остается оценка предельной деформативности при сжатии и растяжении.

Знание предельной относительной деформации для различных классов бетона позволяет использовать высокопрочную арматуру в центрально сжатых железобетонных элементах, при внецентренном сжатии и в сжатой зоне изгибаемых элементов, у которых предел деформативности соответствующий площадке текучести был бы равен или превышал предельную деформативность бетона, что создает условия для увеличения несущей способности элемента.

Во многих странах мира [11] предельная относительная деформация бетона при сжатии считается одной из основных величин, используемых в расчетах для различных классов бетона. Ее значение отражается в нормативных документах. В нашей стране при отсутствии ГОСТа по определению полных диаграмм деформирования бетона (ПДДБ) статистических данных для нормирования предельных относительных деформаций бетона соответствующих пиковой нагрузке (призменной прочности) и на уровне 0,85Rb нисходящей ветви в настоящее время недостаточно. Что же касается данных по оценке предельной деформативности при сжатии и растяжении для конструкционного керамзитобетона, то в литературе данные сведения весьма противоречивы. Это в первую очередь связано с трудностями прогнозирования предельной относительной деформации бетона при сжатии в условиях стандартных испытаний. Высокопрочный конструкционный керамзитобетон разрушается хрупко, без каких-либо существенных пластических деформаций. Поэтому все приборы (индикаторы часового типа) демонтируются перед разрушением на уровне 0,8-0,9 Rb. При измерении тензорезисторами можно приблизиться к пределу прочности, но и здесь завершающая стадия разрушения проходит довольно динамично, с взрывным характером разрушения. 

Большинство исследователей [1,2,6,7,10] утверждают, что керамзитобетон имеет более высокую сжимаемость и растяжимость по сравнению с равнопрочным тяжелым бетоном. Многие авторы отмечают, что с ростом прочности конструкционного керамзитобетона предельная деформативность увеличивается, но разброс предельной сжимаемости весьма значителен и совершенно не ясно для какой призменной прочности существует нисходящая ветвь или она вообще отсутствует.

На многие вопросы о характере деформирования конструкционного керамзитобетона можно получить ответы, воспользовавшись методикой [12] по оценке полных диаграмм деформирования бетона при сжатии. Данная методика позволяет проводить исследования для любых классов бетона, доводя процесс измерения до разрушения При этом обеспечивается полная безопасность в момент разрушения образца.
Анализ литературных данных [1, 3, 5 6, 10] свидетельствует, что коэффициент призменной прочности для конструкционного керамзитобетона на 10-15% выше, чем у равнопрочного тяжелого бетона. Значения верхней границы трещинообразования так¬же выше, а нижняя граница не имеет явного проявления. Механизм деформирования и разрушения конструкционных легких бетоне существенно отличается от тяжелого бетона

В работе [13] были проведены экспериментальные исследования по влиянию макроструктуры бетона на процессы деформирования и разрушения при сжатии. Авторы, исследуя цементный камень, раствор и бетон, пришли к выводу, что, несмотря на одинаковую прочность, физико-механические свойства данных материалов существенно отличаются и процессы деформирования и разрушения имеют отличия. Так, модуль упругости при переходе от трехкомпонентной структуры к однокомпонентной снижается, а верхняя граница трещинообразования у бетона ниже, чем у раствора и цементного камня. Характер разрушения опытных образцов-призм также существенно менялся. Если для бетона наличие микротрещин удавалось определять уже на уровне 0,4-0,5Rb и далее по мере повышения нагрузки фиксировать их развитие, то для цементного камня микротрещин не наблюдалось практически до момента разрушения. Характер разрушения был хрупким, и образец разделялся по всей длине на отдельные части.

Таким образом, можно констатировать, что введение крупного заполнителя, прочность и модуль упругости которого выше, чем у цементно-песчаного раствора, а сцепление между заполнителем и матрицей недостаточное, то на контакте создает условия для появления трещин. Появление микротрещин приводит к нелинейности диаграмм деформирования. С повышением прочности бетона сцепление между заполнителем и матрицей увеличивается, а поле напряжений за счет повышения модуля упругости матрицы выравнивается, и диаграммы деформирования имеют более высокую линейность.

Совсем иной характер деформирования и разрушения у легких конструкционных бетонов. Так, в статье [6] при исследовании прочностных и деформативных свойств конструкционного керамзитоперлитобетона плотностью 1100-1400 кг/м3 было отмечено, что границы микротрещинообразования R0crc и Rvcrc значительно выше, чем у тяжелого бетона равной прочности. Нижняя граница микротрешинообразования составила 0,73-0,8 Rb, а верхняя — О,94-1,0 Rb. При этом диаграммы деформирования имели линейный характер как для продольных деформаций, так и для поперечных. Отмечается, что быстронатекающая деформация ползучести ниже, чем у тяжелого бетона. Модуль упругости снижался более чем на 50% по сравнению с аналогичным по прочности тяжелым бетоном. Что же касается предельной сжимаемости, то авторы утверждают о ее повышенных значениях в сравнении с обычным бетоном. В зависимости от призменной прочности предельная относительная деформация составляла 226-270хЮ-5. Причем с повышением прочности деформативность увеличивалась. Прочность на осевое растяжение значительно ниже, чем для аналогичных тяжелых бетонов, но за счет более низкого модуля упругости предельная растяжимость выше, чем у тяжелого бетона. Анализ изменения коэффициента поперечной деформации показал его постоянство до весьма высокого уровня нагружения. Это доказывает, что между матрицей и керамзитом наблюдается хорошее сцепление на контакте, что сдерживает момент образования трещин. Разрушение образцов происходит хрупко без заметных пластических деформаций.

В работах [3, 4, 5] были представлены результаты исследований высокопрочного конструкционного керамзитобетона. В легких бетонах были применены 2 вида керамзитового гравия и два вида модификаторов МБ 10-50С (смесь суперпластификатора С-3, микрокремнезема и золы уноса) и «Эмбэлит» (смесь суперпластификатора С-3, гипса и метакаолина). Доля модификатора по массе вяжущего во всех сериях легких бетонов составляла 15% от массы цемента. Плотность керамзитобетона в сухом состоянии равнялась 1800 кг/м3. Керамзитобетон обладал высокой подвижностью (ОК 24-27 см). При этом количество цемента было одинаковым — 500 кг/м3.

Как показали результаты кратковременных испытаний, наибольшая призменная прочность была получена на более прочном керамзите (R=8,4 МПа, Д=750 кг/м3 и модификаторе МБ 10-50С), а наименьшая - на керамзите (R=1,9 МПа и плотности 500 кг/м3 с использованием модификатора «Эмбэлит»). На прочном керамзите и модификаторах МБ10-50С и «Эмбэлит» призменная прочность составила 66,0 и 67,1 МПа, а на керамзите низкой марки соответственно 50,2 и 44,1 МПа.

Предельные относительные деформации сжатия по результатам экстраполяции на пиковую нагрузку Rb для первых двух серий составили 310-330 х 10 в-5степени, а для 3 и 4 серии на керамзите с малой прочностью – 230-240x10в -5 степени. Отмечается, что на модификаторе «Эмбэлит» предельная деформативность несколько выше, чем на МБ10-50С. Значения начального модуля упру¬гости изменялось в 4-х сериях от 21,2х103 до 25,9х103 МПа. Отмечается более высокая линейность деформирования диаграмм (ợ/R) - ɛ и более высокий уровень верхней границы трещинообразования по сравнению с тяжелым бетоном равной прочности.

В целях оценки реальных значений предельных относительных деформаций сжатия для высокопрочного конструкционного керамзитобетона были проведены экспериментальные исследования на 4 сериях образцов-призм размером 10x10x40см по методике оценки полных диаграмм деформирования бетона [12]. Составы бетона представлены в табл. 1. Из нее следует, что бетонные смеси мало отличались. В качестве крупного заполнителя применялся керамзит фракций 0-5 с прочностью 4,85 МПа и 5-20 с прочностью 9,4 МПа, а также шунгит фракции 10-20 марки по дробимости D1200. В качестве мел¬кого заполнителя использовался кварцевый песок средней крупности. Осадка конуса для всех серий составляла 23-25 см. Как видно из табл. 1, количество цемента во всех сериях оставалось неизменным, а варьировался в основном керамзите различной прочностью и фракциями. Испытания образцов-призм проводились в возрасте 1 года.

составы бетонов  Перед испытаниями образцы измерялись, взвешивались и определялись плотность и скорость ультразвука при продольном сквозном прозвучивании. На боковые поверхности призм приклеивались тензорезисторы с базой 50 мм (4 продольных и 4 поперечных). Нагружение образцов осуществлялось ступенями с выдержкой на ступени в течение 5 минут. Отсчеты показаний тензорезисторов снимались сразу после подъема нагрузки на ступени и в конце выдержки. Результаты физико-механических характеристик представлены в табл.2. Из таблицы видно, что прочностные и деформативные характеристики мало отличались друг от друга. Характерной особенностью является более высокая граница трешинообразования Rvcrc и практически равная с тяжелым бетоном предельная относительная деформация сжатия. 

характеристики конструкционного керамзитобетона

Для сравнения характера деформирования конструкционного керамзитобетона и тяжелого бетона одинаковой призменной прочности составлена табл. 3 для продольных и поперечных деформаций и их процентное значение от предельной на различных относительных уровнях нагружения, а также построены диаграммы деформирования в координатах (ợ/R) - ɛ для продольных и поперечных деформаций (рис. 1).

уровень напряжения


Диаграмма деформирования для тяжелого бетона

Как видно из полученных данных, про¬дольные деформации существенно отличаются по своему характеру деформирования. Для конструкционного керамзитобетона характерна линейность деформирования вплоть до разрушения, что доказывает отсутствие процесса трещинообразования на контакте между заполнителем и цементным раствором. В тоже время для тяжелого бетона существование нелинейности проявляется при уровне превышающем 0,5Rb. Если сравнить доли предельных деформаций, которые достигаются при уровне 0,9 Rb, то можно отметить, что для тяжелого бетона предельная деформация составляет 65,2%, а для конструкционного керамзитобетона — 88,1%. В тоже время для поперечных деформаций соответственно 28,0% и 64,1 %. Можно отметить значительно меньшие предельные поперечные деформации у керамзитобетона.
Анализ показывает, что для тяжелого бетона значительная доля деформаций проявляется в зоне близкой к разрушению и количество трещин возрастает из-за возможности перераспределения напряжений с матрицы на заполнитель. В то же время у керамзитобетона перераспределение невозможно из-за слабого керамзита и после потери несущей способности матрицы нагрузка передается на керамзит, который деформируется и приводит к разрушению весь образец. Построение зависимостей изменения модуля деформаций, коэффициента поперечной деформации и объемных деформаций для керамзитобетона показало, что модуль деформаций и коэффициент поперечной деформации остаются неизменными до уровня 0,7-0,8 Rb, а уплотнение керамзитобетона на 65% выше, чем у тяжелого бетона равной прочности. Модуль упругости ниже на 40%.
Таким образом, можно утверждать, что предельная сжимаемость высокопрочного конструкционного керамзитобетона практически не превышает значений для тяжелого бетона равной прочности. Предельные относительные деформации сжатия для керамзитобетона прогнозировать значительно проще из-за линейности процесса деформирования. Предвестниками близкого разрушения могут быть поперечные деформации в зоне близкой к разрушению, которые существенно повышаются при уровне 0,8-0,91Rb в отличие от продольных деформаций. Что же касается разработки зависимости изменения модуля упругости и предельной деформативности от плотности и призменной прочности, как это предложено для тяжелого бетона в работах [14, 15], то здесь зависимости будут определяться прочностью матрицы и крупного заполнителя, а также видом мелкого заполнителя. Так что единое корректное уравнение для различных классов легких конструкционных бетонов получить весьма непросто.
Дальнейшее изучение конструкционных легких бетонов будет способствовать более достоверному определению напряженно- деформированного состояния конструкций и сооружений и более рациональному проектированию.

Библиографический список:
1 Пирадов А.Б. Конструктивные сво-ва легкого бето¬на и железобетона. М., Стройиздат, 1973, - 133 с.
2 Бабич Е.М., Сафонов Г.И. Зависимости продольных деформаций модуля упругопластичности керамзи¬тобетона от величины напряжений при одноосном кратковременном сжатии.//Известия вузов. Строительство и архитектура, №2,1975, с. 86-90.
3 Андрианов А.А.., Результаты экспериментальных исследований физико-механических и реологических свойств высокопрочных легких бетонов// Вестник отделения строительных найк РААСН, вып.11, Курск, Курский государственный технический университет, 2007, с. 53-58.
4 Карпенко Н.И., Андрианов АЛ., Каприелов С.С., Безгодов И.М. Меры ползучести высокопрочных легких бетонов с применением модификаторов МБ и Эмбэлит.//Материалы научно-техничес¬кой конференции «Строительная физика в XXI веке». М., 2006, с. 538-541.
5. Безгодов ИМ., Андрианов А.А. Влияние длитель¬ного нагружения на физико-механические харак¬теристики высокопрочного керамзитобетона // Технологии бетонов, №8, 2008, с. 48-50.
6. Макеева Л.А., Ярмаковский В.И., Истомин А.С. Прочность и деформативность конструкцион¬ного керамзитобетона //Бетон и железобетон, №12, 1985, с. 18-19.
7. Шмандин МЛ- Предельная деформативность легкого бетона //Известия вузов. Строительс¬тво и архитектура, №°8, 1985, с. 69-72.
8. Мешкаускас Ю.И. Конструктивный керамзитобетон. М., Стройиздат, 1977, - 87 с.
9. Валц К., Вишер Г. Конструктивный высокопроч¬ный легкий бетон. М., Стройиздат, 1969, - 64 с.
10. Демос К.П. Керамзитобетон в мостостроении. М., «Транспорт», 1976, - 232 с.
11. Панфилов ДА., Пищулев А. А., Гимадетдинов К.И. Обзор существующих диаграмм деформирования бетона при сжатии в отечественных и зарубеж¬ных нормативных документах // Промышленное и гражданское строительство, №4,2014, с. 80-84.
12. Безгодов И. М., Левченко П.Ю. К вопросу о мето¬дике получения полных диаграмм деформирования бетона //Технологии бетонов, .№10,2013, с. 34-36.
13. Писанко Г.Н.. Щербаков Е.Н., Хубова Н.Г. Влия¬ние макроструктуры бетона на процессы дефор¬мирования и разрушения при сжатии // Бетон и железобетон, №8, 1972, с. 31-33.
14. Безгодов И.М. К вопросу оценки предельной относительной деформации бетона при сжатии для различных классов бетона // Бетон и желе¬зобетон, №5, 2015, с. 9-11.
15. Безгодов ИМ., Дмитренко Е.Н. Совершенство¬вание криволинейных диаграмм деформирования бетона //Промышленное и гражданское строи¬тельство, №8, 2019, с. 99-104.

наверх