6.3.2. Факторы, определяющие прочность бетона при осевом сжатии
Бетон композиционный материал, матрицей в котором является цементный камень с включенными в нее зернами мелкого и крупного заполнителей.
Разрушение бетона при осевом сжатии наступает в момент, когда исчерпана предельная растяжимость цементного камня в направлении, нормальном к действию внешней силы, т. е. условия прочности бетона при одноосном сжатии и кратковременном действии нагрузки можно записать в форме следующего неравенства (по аналогии с формулой (6.5)):
(6.11)
где ε0 – предельная растяжимость цементного камня в направлении, нормальном к действию внешней силы; Ецк – модуль упругости цементного камня (или модуль деформации за время приложения нагрузки); µб – коэффициент поперечных деформаций бетона.
Из формулы (6.4) следует, что прочность тяжелого бетона при осевом сжатии определяется преимущественно механическими свойствами цементного камня – его предельной растяжимостью ε0 и модулем упругости Ецк. Заполнители же, коэффициент Пуассона которых меньше коэффициента поперечных деформаций цементного камня, влияют на прочность бетона при осевом сжатии только в том случае, если до момента разрушения сохраняется полное или частичное сцепление их с матрицей.
Это влияние заполнителей на прочность бетона при осевом сжатии в формуле (6.11) оценивается значением коэффициента поперечных деформаций бетона µб, который при всех прочих равных условиях тем ниже, чем меньше нарушено сцепление заполнителей с матрицей. Из равенства (6.11) следует, что прочность бетонов, приготовленных на одних и тех же заполнителях, т. е. когда сцепление их с матрицей можно принять за постоянную величину, определяется только свойствами цементного камня – его предельной растяжимостью ε0 и модулем упругости Ецк.
Предельная растяжимость и модуль упругости цементного камня возрастают с увеличением его относительной плотности d, описываемой уравнением:
, (6.12)
где α – степень гидратации цемента; ρц – безразмерная величина-отношение плотности цемента, г/см3, к плотности воды, равной 1 г/см3.
Зависимость прочности цементного камня Rцк от его относительной плотности впервые была установлена французским ученым Фере и в дальнейшем подтверждена результатами многочисленных экспериментальных работ. Так, на рис. 6.4 приведены экспериментальные данные, иллюстрирующие эту зависимость (результаты получены Лохером и доложены на VI Международном конгрессе по химии цемента, состоявшемся в Москве в 1974 г.). Четкая зависимость прочности цементного камня от его относительной плотности, по данным Лохера, сохраняется при различных способах изготовления образцов и условиях их твердения.
Рис. 6.4. Зависимость прочности при сжатии от пористости цементного камня,
приготовленного в различных условиях (по [1])
Из уравнения (6.12) следует, что относительная плотность цементного камня d уменьшается с ростом В/Ц и увеличивается с повышением степени гидратации цемента α.
Все факторы, способствующие росту степени гидратации цемента, а следовательно, повышающие относительную плотность цементного камня, будут увеличивать его прочность и прочность бетона. Степень гидратации цемента возрастает с увеличением времени твердения бетона по экспоненциальному закону, и при всех прочих равных условиях за равный период времени она тем больше, чем выше, активность цемента, зависящая от тонкости помола клинкера, содержания в нем активных минералов C3S и С3А и от их реакционной способности. В первые сроки твердения бетона степень гидратации цемента существенно возрастает при введении в цемент или в воду затворения химических добавок ускорителей твердения, повышающих растворимость и скорость растворения силикатных фаз портландцементного клинкера.
Заполнители оказывают влияние на прочность тяжелого бетона, если до момента разрушения цементного камня сохраняется их частичное или полное сцепление с матрицей. Следовательно, все факторы, способствующие улучшению сцепления цементного камня с зернами заполнителей, будут повышать и прочность бетона при осевом сжатии.