6.3.1. Закон водоцементного отношения

Основой современных способов подбора (проектирования) состава бетона на заданную прочность является закон водоцементного отношения, впервые сформулированный русским ученым проф. И.Г. Малюгой в конце прошлого столетия. Согласно этому закону, прочность бетона R_б, приготовленного на одних и тех же материалах, не зависит от его состава (1:x:y) и, следовательно, от расхода цемента, а определяется водоцементным отношением В/Ц, т.е.

R_б = f(B/Ц). (6.7)

Этой зависимости следуют бетоны одного возраста, твердевшие в одних и тех же температурно-влажностных условиях и приготовленные из бетонных смесей при одной и той же степени уплотнения и при расходе цемента от 200 до 450 кг/м³.

Зависимость R_б(n) = f(B/Ц) с максимумом при водоцементном отношении 0,3-0,4 приведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Зависимость R_б28 = f(B/Ц)

Положение максимума может смещаться влево (в область более низких значений В/Ц) при применении более совершенных способов укладки, позволяющих плотно укладывать бетонные смеси с пониженным расходом воды; при этом прочность бетона, соответствующая максимуму на кривой, существенно повышается. С увеличением водоцементного отношения (правая ветвь кривой) прочность бетона понижается вследствие уменьшения плотности цементного камня, так как только часть воды затворения входит в состав новообразований. Понижение прочности бетон при уменьшении водоцементного отношения (левая ветвь кривой R_б = f(В/Ц)) вызывается тем, что при этом ухудшается удобоукладываемость бетонной смеси, что исключает возможность достаточно плотной ее укладки. Для получения удобоукладываемых бетонных смесей обычно применяют водоцементные отношения, превышающие значения, соответствующие максимуму на кривой R_б = f(В/Ц).

Впервые для отечественных цементов кривые R_б(n) = f(В/Ц) были экспериментально получены Н. М. Беляевым, который дал математическое выражение для правой ветви кривой в виде

.

где R_б28 – предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут. при твердении в нормальных температурно-влажностных условиях, МПа; R_ц  активность цемента, МПа; А – коэффициент, учитывающий вид крупного заполнителя и равный для щебня 3,5, а для гравия 4.

При замене щебня гравием прочность бетона понижается примерно на 10-15 %, что объясняется меньшим сцеплением цементного раствора с гравием, имеющим окатанную поверхность.

Прочность бетона R_б28 в зависимости от цементно-водного отношения Ц/В описывается формулой:

R_б28 = AR_ц(Ц/В  0,5), (6.8)

в которой прочность бетона уже линейно связана с Ц/В, что делает ее более удобной для практического использования.

Однако при Ц/В > 2,5 (В/Ц  0,4) зависимость (6.8) нарушается, и действительные показатели прочности оказываются ниже расчетных значений. Для практических целей удобно зависимость R_б = f(Ц/В) при Ц/В > 2,5 принимать прямолинейной, но с меньшим углом наклона прямой, чем при Ц/В < 2,5. Ошибка расчетов в этом случае не превысит 4 %.

Таким образом, зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения и активности цемента не может быть выражена одной формулой. Строго говоря, эта зависимость вовсе не прямолинейная, а представляет собой довольно сложную кривую (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Зависимость прочности бетона от Ц/В [2]

Однако для практических целей эту кривую можно заменить двумя прямыми и для расчета состава бетона использовать две эмпирические формулы:

 для обычных бетонов прочностью до 40 МПа при В/Ц ≥ 0,4 (Ц/В  2,5)

R_б = АR_ц/(Ц/В – 0,5); (6.9)

 для высокопрочных бетонов прочностью более 40 МПа при В/Ц  0,4 (Ц/В > 2,5)

R_б = А₁R_ц/(Ц/В + 0,5). (6.10)

Значения коэффициента А и А₁ принимаются по табл. 6.4

Таблица 6.4

Значения коэффициентов А и А₁

Материалы для бетона	А	А1
Высококачественные Рядовые Пониженного качества	0,65 0,60 0,55	0,43 0,40 0,37

Примечание. Высококачественные материалы: щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности и портландцемент высокой активности, без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки; заполнители чистые, промытые, фракционированные с оптимальным зерновым составом смеси фракций. Рядовые материалы: заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент. Материалы пониженного качества: крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой активности.

Приведенные формулы справедливы для бетонов из умеренно жестких и подвижных бетонных смесей, уложенных вибрацией при коэффициенте уплотнения не ниже 0,98.

Если бетон приготовляют на чистых плотных заполнителях с прочностью, превышающей марку бетона, то влияние прочности заполнителей на прочность бетона незначительно, так как разрушение в этом случае происходит по цементному камню. Заполнители с прочностью меньшей, чем прочность цементного камня, оказывают существенное влияние на прочность бетона, понижая ее тем больше, чем меньше их прочность.