Неоднородность бетона по прочности

Обновлено: 19.04.2024

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Анцибор Алексей Валерьевич, Бруссер Марк Израилевич

Представлена новая методика определения прочностных характеристик бетонов, в том числе особо высокопрочных, при испытании на растяжение при раскалывании малогабаритныхобразцов цилиндров. Отличительным является возможность с высокой дискретностью шагапо глубине сечения конструкции определять неоднородность прочностных характеристик,в том числе и в густоармированных конструкциях. Показаны примеры полученных графиков количественного изменения прочностных показателей по сечению конструкции плиты перекрытия. Результаты выполненных экспериментальных исследований удовлетворяют требованиям действующего стандарта по критерию однородности полученных переходных коэффициентов. Методика испытаний может быть использована научными, проектными и изыскательскими организациями, исследовательскими лабораториями и инжиниринговыми компаниями для определения и оценки эксплуатационной надежности и пригодностибетонных и железобетонных конструкций и изделий.

Текст научной работы на тему «Определение неоднородности свойств бетона по сечению бетонных и железобетонных конструкций»

А.В. АНЦИБОР, инженер, М.И. БРУССЕР, канд. техн. наук,

Научно-исследовательский институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева (Москва)

Определение неоднородности свойств бетона по сечению бетонных и железобетонных конструкций

При проведении обследований строительных объектов определение и оценка неоднородности свойств бетона бетонных и железобетонных конструкций являются одними из важных показателей, определяющих работоспособность конструкции [1—3]. Степень неоднородности бетона в сечении конструкций обусловливается рядом причин. На композиционную структуру бетона и его свойства существенное влияние оказывают как особенности технологии изготовления изделий и конструкций в заводских и построечных условиях, так и особенности условий эксплуатации. Примерами могут служить появления неоднородности за счет разного уплотнения бетона в разных областях сечения (например, область основного ядра конструкции и область защитного слоя; расслоение бетонной смеси в опалубке при неправильном вибрировании; замораживание бетона конструкции до набора им уровня критической прочности; повреждение бетона в конструкциях при высокотемпературных воздействиях; изменение свойств бетона в конструкциях при эксплуатации в агрессивных водных и воздушных средах). При этом снижение технико-эксплуатационных свойств бетона больше проявляется в наружных слоях конструкции. В большинстве случаев отмечается снижение прочности бетона. Одновременно снижаются и другие важные характеристики бетона — водогазонепроницаемость, морозостойкость, защитные функции бетона по отношению к коррозионной стойкости арматуры, возрастает неоднородность упругодеформативных свойств бетона по сечению несущих железобетонных элементов конструкций. Все это оказывает прямое влияние как на надежность железобетонных конструкций, так и на их долговечность.

Для принятия адекватных мер по учету и устранению влияния проявлений, описанных выше, необходимы надежные и доступные инструменты диагностики. Одним из таких инструментов является описанный в [1] метод испытаний бетона в отобранных из конструкций

образцах-цилиндрах диаметром 17—25 мм. Использование этого метода основано на установленной взаимосвязи прочности бетона при разных напряженно-деформированных состояниях, а именно при переходе от прочности на растяжение при раскалывании к прочности при сжатии [4, 5]. Методика установления этой связи регламентирована в новой редакции ГОСТ 10180—2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

В предложенном методе (заявка на получение патента на изобретение № 2012140023 от 19.09.2012 г.) принята схема приложения нагрузки, создающая растягивающие напряжения в поперечном сечении образца-цилиндра. Сравнительные схемы приложения нагрузки к образцу при испытании на раскалывание (стандартная и предлагаемая) показаны на рис. 1.

Получаемые результаты прочности на раскалывание бетонного образца являются характеристикой, имеющей достаточно тесную корреляцию с прочностью бетона при сжатии и на растяжение [4, 5].

Проведенные серии экспериментов с использованием прессового оборудования — модернизированного пресса ПРГ-1-10, ИП-6013-2000 (испытано более 30 парных серий образцов) проявили высокую однородность коэффициентов перехода между предлагаемым методом испытаний и существующим прямым методом определения прочности при сжатии в образцах-кубах эталонного размера при испытании высокопрочных бетонов (В60 и выше). В соответствии с методикой ГОСТ 10180—2012 по определению и оценке однородности полученных переходных коэффициентов полученные результаты однородности прочности имеют коэффициенты вариации не более 15%, что соответствует требованиям стандарта. Следует отметить, что в отличие от традиционных методов, принятых при испытании отобранных из конструкции образцов, где дискретность определения прочности по глубине конструкции обычно не может быть исходя из условия h>0,85d менее

Рис. 1. Схемы приложения нагрузки при испытании на раскалывание: а - стандартная; б - предлагаемая; 1 - цилиндрический образец; 2 - колющие прокладки; 3 - нижняя опорная плита пресса

Все свежие статьи публикуются в электронном журнале ВесьБетон.

Журнал «ВесьБетон»— всегда свежая и профессиональная

О неоднородности бетона говорят значительно реже, чем, о его прочности, деформативности, морозостойкости. Однако, это свойство заслуживает более внимательного отношения.

Кто же не знает, что такое однородность и неоднородность?

Эти понятия используются буквально во всех областях человеческой деятельности: однородные и неоднородные функции в математике, однородная атмосфера в физике, однородная деформация в технике, однородные и неоднородные смеси в химии и технологии. А сколько затрачивается труда на то, чтобы создаваемые материалы (сплавы, бетоны, керамика) получились более однородными; для этого создают все более сложные смесители и гомогенизаторы, но однородность оказывается недостаточной и технологи, со своим сырьем и оборудованием, устремляются в космос, в невесомость, чтобы сила тяжести не ухудшала однородность создаваемого материала.

Так что же это за свойство, называемое однородностью и что такое неоднородность? – Попробуем сформулировать: однородность- это…, впрочем, давайте заглянем в Большую Советскую Энциклопедию. Ищем: «обзорность», «огнеупорность», «одаренность», «одушевленность»…всякие свойства есть, а «однородности» нет. Посмотрим на букву «н»: «необратимость», «неодолимость», «неодушевленность». Все есть кроме «неоднородности».

Нет этих терминов и в других энциклопедиях, - в Философской, Технической, Географической и др., включая Большую Британскую Энциклопедию. Термины «неоднородность», «неоднородное тело» и т. п. Отсутствуют в Толковом словаре живого великорусского языка Владимира Даля; нет их и в словаре Ожегова, нет в Политехническом словаре, не нашлось для них места и в десятитомном издании «Научно-техническая терминология», а также в созданных Академией Наук СССР: в Словнике толкового словаря естественно научных терминов и в Логическом словаре-справочнике. Бесполезно также рыться в Толковом словаре математических терминов, в Философском словаре и многих, многих других.

Как же оценивается однородность бетона специалистами:

А.П.Меркин, весьма глубоко исследовавший структуру ячеистых бетонов, писал, что несмотря на очевидную важность, на сегодня нет единой трактовки понятия однородности и методов ее оценки.

Г.И.Горчаков отмечает важность однородности распределения компонентов бетона.

И.А.Рыбьев рассматривает бетон как искусственный строительный конгломерат и выделяет в нем пять масштабных уровней.

В.И.Соломатов считает бетоны материалами полиструктурными (структура в структуре).

А.Е.Шейкин отмечает физическую и химическую неоднородность продуктов гидратации цемента.

И.А.Иванов пишет, что в бетоне заложены определенные противоречия, связанные с понятием однородности; спрашивается, в какой степени конгломератный материал, являющийся по своей природе неоднородным, относится ли это к его структуре или только к свойствам.

П.Г.Комохов показал, что в нагружаемом конструктивном элементе неизбежно образуется зона начала разрушения, где и возникает первая магистральная трещина, приводящая к деструкции.

Невозможно перечислить всех исследователей, которые обращали внимание на неоднородность бетонов и ее влияние (чаще всего отрицательное) на эксплуатационные свойства бетонных изделий. Здесь к месту будет русская поговорка: где тонко, там и рвется. Неоднородность и создает эти тонкие места.

В журнале «Популярное бетоноведение» (№1, 2004 г.) анализируются известные труды Й.А.Хинта, по обработке бетонных смесей в дезинтеграторе. При этом получаемый положительный эффект всецело относят на счет тонкого измельчения и механической активации сырья. Не отрицая возможного влияния указанных причин, необходимо добавить, что определенное значение имела и повышенная однородность смесей, достигаемая за счет их обработки в быстроходном дезинтеграторе.

Такое утверждение подтверждается прямым экспериментом. Известно, что ингредиентами газобетонной смеси являются: вяжущее(цемент, известь), наполнитель (молотый песок, зола ТЭЦ), газообразователь (алюминиевая пудра) и вода. Труднее всего равномерно распределить по объему смеси газообразователь; во-первых, его очень мало (доли процента); во-вторых, частицы алюминиевой пудры слипаются в гранулы разных размеров; в-третьих, каждая частица покрыта слоем парафина, что делает пудру гидрофобной. Каждая из указанных особенностей пудры вносит свою долю неоднородности в газобетонную смесь. Здесь к месту будет русская поговорка: где тонко, там и рвется. Неоднородность и создает эти тонкие места.

Такое утверждение подтверждается прямым экспериментом. Известно ,что ингредиентами газобетонной смеси являются: вяжущее(цемент,известь), наполнитель(молотый песок, зола ТЭЦ),газообразователь(алюминиевая пудра) и вода. Труднее всего равномерно распределить по объему смеси газообразователь; во-первых, его очень мало (доли процента); во-вторых, частицы алюминиевой пудры слипаются в гранулы разных размеров; в-третьих, каждая частица покрыта слоем парафина, что делает пудру гидрофобной. Каждая из указанных особенностей пудры вносит свою долю неоднородности в газобетонную смесь.

Суть эксперимента состояла в следующем: готовили три вида газобетонной смеси с одинаковыми расходами вяжущего, наполнителя и воды, но в первом случае в смесь вводили сухую (гидрофобную) алюминиевую пудру; во втором- пудру вводили в виде гидрофильной суспензии(сейчас так делают на всех заводах пенобетона); в третьем случае смесь дополнительно перемешивали в быстроходном турбулентном смесителе. Из всех трех видов смеси изготовили контрольные образцы, запарили их одновременно в одном автоклаве, после чего выдержали в течение суток в помещении лаборатории и испытали на плотность и прочность.

В результате при одинаковой плотности газобетона, прочность образцов составила, соответственно, 100,130,190%. Такова роль неоднородности.

Пристальное внимание к рассматриваемому феномену привело к появлению нового подраздела науки- Теории неоднородности. При этом вскрылись интересные вещи, например, существует аддитивная характеристика неоднородности, имеющая размерность единиц работы и, в отличие от статистических методов, позволяющая суммировать разные виды неоднородности одного объекта; существует глобальная эволюционная тенденция движения от однородности к неоднородности, которая в рамках живой природы характерна и для филогенеза, и для онтогенеза. Но это отдельный разговор.

В рамках же популярного бетоноведения представляют интерес следующие частные выводы Теории неоднородности:

1. Совершенствование конструкционного материала не может осуществляться только за счет исключения из достигнутого арсенала воздействий, каких либо приемов или ингредиентов; неизбежно расширение арсенала, а, следовательно, наращивание неоднородности.

2. Следовательно, неоднородность бетона является единственно возможной формой его существования, а не каким-то фатальным недостатком; к коварству неоднородности следует отнести то, что она содержит в себе и позитивные возможности, нужно только их рассмотреть.

3. Неоднородность сама по себе неоднородна; например, неравномерное распределение ингредиентов бетона в конкретном блоке приводит к снижению его прочности - это неоднородность объекта, но и при самом тщательном дозировании составляющих, и при максимально одинаковом перемешивании прочность разных блоков будет не одинаковой- это неоднородность продукции; разные виды неоднородности требуют разных приемов реагирования.

Если внимательно рассмотреть всю совокупность существующих бетонных элементов, то можно увидеть, что на определенном этапе появились автоклавные изделия, в которых содержится новый компонент, молотый песок, а цемент заменен известью; затем возникли грунтосиликаты, содержащие вместо цемента едкую щелочь; нет числа появляющимся добавкам- ускорителям, пластификаторам. Все это наращивает неоднородность существующей совокупности бетонных изделий, но не воспринимается как отрицательное явление.

Все бетонные элементы появляются, существуют и исчезают в поле тяготения Земли, в окружение ее атмосферы, они воспринимают различные внешние воздействия, среди которых и механические силы, и агрессивная среда, и колебания температур.Максимальным разрушающим воздействиям подвергается поверхность элемента, являющаяся границей между элементом и окружающей средой; внутренние же зоны, экранированные собственным телом элемента, подвергаются существенно меньшим воздействиям. Вследствие этого, даже самый однородный элеиент будет характеризоваться неоднородным напряженным состоянием.

Против этого явления найдено противоядие, названное вариатропией. Интересно то, что с неоднородностью напряженногосостояния борются путем сознательного внесения неоднородности в структуру изделий, для чего разработаны достаточно простые и эффективные технологические приемы, сорздано необходимое промышленное оборудование, осуществлено внедрение разработки в производство. Но это также отдельный разговор.

Легкое отношение к неоднородности ложится тяжелым бременем на экономику бетонов и особенно это относится к ячеистым бетонам, у которых регламентирована не прочность, но и теплопроводность. Дело в том, что проектировщики оперируют не фактическими, а так называемыми расчетными значениями прочности и теплопроводности бетонов, учитывающими возможные колебания характеристик, т. е. Принимающими во внимание фактическую неоднородность изделий. При этом расчетное значение прочности бетона близко к минимальной величине, а теплопроводности-к максимальной и в 95% случаев фактические показатели изделий не соответствуют расчетным, а за это надо платить.

Если с неоднородностью объекта можно боротьсяпутем совершенствования методов перемешивания, то с неоднородностью продукции-сложнее, поскольку здесь больше влияющих факторов-температура и компонентов, и окружающей среды, меняющиеся от замеса к замесу, и погрешности дозировки каждого из компонентов, и колебания влажности воздуха и атмосферного давления и т. д.

Особенно трудно бороться с неоднородностью ячеистобетонной продукции, посколькупрактически невозможно получить одинаковую плотность ячеистого бетона в двух разных замесах, особенно это относится к газобетону, который вспучивается не всегда на строго одинаковую высоту, из-за чего меняется его плотность.

Неприятным следствием нестабильности вспучивания является вынужденное искусственное снижение практически всех эксплуатационных характеристик газобетона. От плотности любого поризованного материала зависят все его показатели, включая прочность, теплопроводность, стойкость, усадку и пр.; например,прочность газобетона является кубической функцией его плотности, уменьшение последней в два раза приводит к восьмикратному падению прочности.

Возможность уменьшения колебаний плотности открывает широчайшие перспективы совершенствования технологии; можно реализовать любой из перечисляемых ниже путей: применять более экономичные составы и режимы при сохранении заданныхпоказателей газобетона; принять более высокое значение расчетной прочности; снизить расчетную плотность изделий, а следовательно повысить их теплозащитные характеристики, уменьшить удельный расход сырьевых материалов, трудоемкость и энергоемкость их переработки, расходы на транспортировку сырья и готовой продукции, на монтаж зданий; расширить сырьевую базу газобетона за счет возможности применения тех материалов, которые считались неприемлемыми для технологии с большими колебаниями плотности.

Следует заметить, что и здесь найден способ борьбы с неоднородностью, получивший имя автофреттаж и это тоже предмет отдельного разговора.

Неоднородность свойств бетона в сечении бетонных и железобетонных конструкций обуславливается рядом причин. Это и композиционная структура самого бетона, как строительного материала, и особенности технологии изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций в заводских и построечных условиях, и особенности условий эксплуатации конструкций и изделий в различных областях промышленности.

В подтверждение этому приведём примеры:

неоднородность уплотнения бетона при возведении монолитных конструкций в разных областях сечения (например, основное ядро конструкции колонны и область слоёв защитного слоя),
расслоение бетонной смеси в опалубке при вибрировании, замораживание наружных слоёв бетона конструкции до набора им критической прочности,
повреждение бетона в конструкциях при высокотемпературных воздействиях,
изменение свойств бетона в конструкциях мостов, эстакад, портовых сооружений при эксплуатации в агрессивных водных и воздушных средах (коррозия).

Подобных примеров неоднородности свойств бетона по сечению конструкций можно привести большое множество, но при этом в них можно отметить некоторые общие черты. Неоднородность свойств чаще всего проявляется по направлению от наружных слоёв конструкции к её внутренней зоне. Вместе с тем отмечается снижение одного из главных свойств бетона, как строительного материала, его прочности. Одновременно снижаются и другие важные характеристики бетона – водо- газонепроницаемость, морозостойкость, защитные функции бетона по отношению к коррозионной стойкости арматуры, неоднородность упруго-деформативных свойств бетона по сечению несущих железобетонных элементов конструкций. Всё это влияет как на надёжность железобетонных конструкций, так и на их долговечность.

Для принятия адекватных мер по учёту и устранению влияния проявлений, описанных выше необходимы надёжные и доступные инструменты диагностики. Одним из таких инструментов является описанный в [1] метод испытаний бетона в отобранных из конструкций малогабаритных образцах-цилиндрах. Этот метод основан на установленной взаимосвязи прочности бетона при разных напряжённо-деформированных состояниях, а именно при переходе от прочности на растяжение при раскалывании к прочности при сжатии. Методика установления этой связи регламентирована в новой редакции стандарта [2].

В предложенном нами методе принята схема приложения нагрузки, создающая растягивающие напряжения в поперечном сечении образца-цилиндра [3]. Проведённая серия экспериментальных испытаний (испытано более 30 парных серий образцов) проявила высокую однородность коэффициентов перехода между предлагаемым методом испытаний и существующим прямым методом определения прочности в образцах кубах эталонного размера при испытании высокопрочных бетонов (В60 и выше). В соответствии с методикой [2] определения и оценки однородности полученных переходных коэффициентов результаты однородности прочности имеют коэффициенты вариации не более 15%, что соответствует требованиям стандарта. При этом следует отметить, что в отличие от традиционных методов, принятых при испытании отобранных из конструкции образцов, где дискретность определения прочности по глубине конструкции обычно не может быть (исходя из условия h ? 0,85*d) менее 34 мм, предложенная методика позволяет оценивать изменение прочности по сечению конструкции с минимальной дискретностью до 15 мм, причём при заметно меньших трудозатратах на каждую единицу испытания.

Очевидно, что как таковой факт качественного выявления признаков замораживания бетона в раннем возрасте не имеет практического применения (впрочем, как и других способов внешнего воздействия на бетон и бетонную смесь), т.к. определяющим является конечное количественное изменение (снижение) технических характеристик материала в результате этого воздействия. Выявление подобного снижения характеристик материала ниже заданных проектных значений даёт возможность проектировщику учесть это при оценке эксплуатационной пригодности и долговечности каждой конкретной конструкции.

Испытания

Прикладное применение предлагаемого метода позволило нам на практике количественно определить степень неоднородности прочности бетона в конструкции плиты перекрытия, подвергнутой замораживанию до набора им критической прочности.

Толщина испытываемой плиты перекрытия - 200 мм.
Возраст испытаний – более 28 суток.
Класс бетона – В25

Бетонная смесь с противоморозной добавкой, рассчитанной на минимальную температуру минус 15 °С. Фактическая температура наружного воздуха в первые 7 суток колебалась от минус 10 до минус 25 °С. Это привело к частичному замерзанию бетонной смеси. После 7 дней выдерживания тепловая обработка осуществлялась путём устройства тепляка (с температурой бетона до 50 °С).

Графики, отражающие изменение прочности по сечению конструкции плиты (от верхней плоскости к нижней) представлены на Рисунке 1 (а-г).

Как видно из аппроксимирующих графиков, изменение прочности от поверхности плиты к её середине сечения во всех случаях имеет возрастающую функцию, а на графиках (а), (б) и (г) отмечена тенденция к последующему снижению при испытании слоёв бетона от середины (110 мм от верхней плоскости) к нижней плоскости конструкции (140 мм от верхней или 60 мм от нижней плоскости). Этот характер распределения результатов испытаний является ожидаемым и может быть объясним совокупным влиянием следующих факторов:

наиболее значимым фактором - различной степенью промораживания (разрыхления структуры цементно-песчаной матрицы при замерзании части свободной воды) бетона по сечению плиты, как с верхней, так и с нижней плоскости;
перемещением влаги из-за возникновения температурного градиента по сечению конструкции от её середины к поверхностным слоям в начальный период твердения, что влечёт за собой некоторое изменение водоцементного отношения в бетоне на разных глубинах конструкции;
различной степенью гидратации цемента в разных слоях конструкции из-за различных температурных и влажностных условий твердения.

По характеру распределения результатов испытаний на графиках следует отметить:

высокую величину достоверности аппроксимации полиномиальным уравнением третьей степени в большинстве проведённых серий (R2 = от 0,7 до 1);
плавное возрастание прочности при изменении глубины сечения;
получение близких значений прочности на одних и тех же глубинах по сечению конструкции в образцах, отобранных в одном месте;
существенную (шестикратную) разницу между прочностью бетона наружных и внутренних слоёв бетона конструкции;

Это даёт основания рекомендовать применение изложенного метода определения неоднородности свойств бетона по сечению не только в высокопрочных, но и в традиционных для массового строительства, классах бетона.

Список литературы.

Анцибор А.В., Бруссер М.И. //Новое в методах испытания бетонов// Промышленное и гражданское строительство. 2013г. №1. с 60.
ГОСТ 10180-12 //Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам//.
Заявка на получение патента на изобретение №2012140023 от 19.09.2012г.

В статье описываются возможности новой методики определения прочностных характеристик бетонов, в том числе особо высокопрочных, при испытании на растяжение при раскалывании малогабаритных образцов цилиндров. Отличительным является возможность с высокой дискретностью шага по глубине сечения конструкции определять неоднородность прочностных характеристик бетона, в том числе и в густоармированных конструкциях.

Об авторах:

О неоднородности бетона говорят значительно реже, чем о его прочности, деформативности, морозостойкости. Однако это свойство заслуживает более внимательного отношения. Кто же не знает, что такое однородность и неоднородность?

Эти понятия используются буквально во всех областях человеческой деятельности: однородные и неоднородные функции в математике, однородная атмосфера в физике, однородная деформация в технике, однородные и неоднородные смеси в химии и технологии. А сколько затрачивается труда на то, чтобы создаваемые материалы (сплавы, бетоны, керамика) получились более однородными; для этого создают все более сложные смесители и гомогенизаторы. Но однородность оказывается недостаточной, и технологи со своим сырьем и оборудованием устремляются в космос, в невесомость, чтобы сила тяжести не ухудшала однородности создаваемого материала.

Так что же это за свойство, называемое однородностью, и что такое неоднородность? Попробуем сформулировать: однородность – это… Впрочем, давайте заглянем в Большую Советскую Энциклопедию. Ищем: «обзорность», «огнеупорность», «одаренность», «одушевленность» …всякие свойства есть, а «однородности» нет. Посмотрим на букву «н»: «необратимость», «неодолимость», «неодушевленность». Все есть, кроме «неоднородности». Нет этих терминов и в других энциклопедиях, – в Философской, Технической, Географической и прочих – включая Большую Британскую Энциклопедию.

Термины «неоднородность», «неоднородное тело» и т. п. отсутствуют в Толковом словаре живого великорусского языка Владимира Даля. Нет их и в словаре Ожегова, нет в Политехническом словаре, не нашлось для них места и в десятитомном издании «Научно-техническая терминология», а также в словарях, выпущенных Академией Наук СССР: в Словнике толкового словаря естественнонаучных терминов и в Логическом словаре-справочнике. Бесполезно также рыться в Толковом словаре математических терминов, в Философском словаре и многих, многих других. Как же в таком случае можно дать определение такому явлению как неоднородность бетона?

Вот как оценивается однородность бетона специалистами?

А. П. Меркин, весьма глубоко исследовавший структуру ячеистых бетонов, писал, что, несмотря на очевидную важность, на сегодня нет единой трактовки понятия однородности и методов ее оценки.

Г. И. Горчаков отмечает важность однородности распределения компонентов бетона.

И. А. Рыбьев рассматривает бетон как искусственный строительный конгломерат и выделяет в нем пять масштабных уровней.

В. И. Соломатов считает бетоны материалами полиструктурными (структура в структуре).

А. Е. Шейкин отмечает физическую и химическую неоднородность продуктов гидратации цемента.

И. А. Иванов пишет, что в бетоне заложены определенные противоречия, связанные с понятием однородности – в какой степени конгломератен материал, являющийся по своей природе неоднородным, относится ли это к его структуре или только к свойствам.

П. Г. Комохов показал, что в нагружаемом конструктивном элементе неизбежно образуется зона начала разрушения, где и возникает первая магистральная трещина, приводящая к деструкции.

В журнале «Популярное бетоноведение» (№ 1, 2004 г.) анализируются известные труды Й. А. Хинта, по обработке бетонных смесей в дезинтеграторе. При этом получаемый положительный эффект всецело относят на счет тонкого измельчения и механической активации сырья. Не отрицая возможного влияния указанных причин, необходимо добавить, что определенное значение имела и повышенная однородность смесей, достигаемая за счет их обработки в быстроходном дезинтеграторе.

Такое утверждение подтверждается прямым экспериментом. Известно, что ингредиентами газобетонной смеси являются:вяжущие (цемент, известь), наполнитель (молотый песок, зола ТЭЦ), газообразователь (алюминиевая пудра) и вода. Труднее всего равномерно распределить по объему смеси газообразователь. Во-первых, его очень мало (доли процента). Во-вторых, частицы алюминиевой пудры слипаются в гранулы разных размеров. В-третьих, каждая частица покрыта слоем парафина, что делает пудру гидрофобной. Каждая из указанных особенностей пудры вносит свою долю неоднородности в газобетонную смесь.

Суть эксперимента состояла в следующем: готовили три вида газобетонной смеси с одинаковыми расходами вяжущего, наполнителя и воды. В первом случае в смесь вводили сухую (гидрофобную) алюминиевую пудру, во втором – пудру вводили в виде гидрофильной суспензии (сейчас так делают на всех заводах по производству пенобетона). В третьем случае смесь дополнительно перемешивали в быстроходном турбулентном смесителе. Из всех трех видов смеси изготовили контрольные образцы, запарили их одновременно в одном автоклаве, после чего выдержали в течение суток в помещении лаборатории и испытали на плотность и прочность.

В результате при одинаковой плотности газобетона, прочность образцов составила, соответственно, 100, 130, 190 процентов. Такова роль неоднородности.

Пристальное внимание к рассматриваемому феномену привело к появлению нового подраздела науки – теории неоднородности. При этом вскрылись интересные вещи: например, существует аддитивная характеристика неоднородности, имеющая размерность единиц работы и, в отличие от статистических методов, позволяющая суммировать разные виды неоднородности одного объекта; существует глобальная эволюционная тенденция движения от однородности к неоднородности, которая в рамках живой природы характерна и для филогенеза, и для онтогенеза. Но это отдельный разговор.

В рамках же популярного бетоноведения представляют интерес следующие частные выводы Теории неоднородности:

Совершенствование конструкционного материала не может осуществляться только за счет исключения из достигнутого арсенала воздействий каких-либо приемов или ингредиентов. Неизбежно и расширение арсенала, а, следовательно, наращивание неоднородности.
Следовательно, неоднородность бетона является единственно возможной формой его существования, а не каким-то фатальным недостатком. К коварству неоднородности следует отнести то, что она содержит в себе и позитивные возможности, нужно только их рассмотреть.
Неоднородность сама по себе неоднородна. Например, неравномерное распределение ингредиентов бетона в конкретном блоке приводит к снижению его прочности – это неоднородность объекта, но и при самом тщательном дозировании составляющих, и при максимально одинаковом перемешивании прочность разных блоков будет неодинаковой – это неоднородность продукции; разные виды неоднородности требуют разных приемов реагирования.

Если внимательно рассмотреть всю совокупность существующих бетонных элементов, то можно увидеть, что на определенном этапе появились автоклавные изделия, в которых содержится новый компонент – молотый песок, ацемент заменен известью. Затем возникли грунто-силикаты, содержащие вместо цемента едкую щелочь. Нет числа появляющимся добавкам-ускорителям, пластификаторам. Все это наращивает неоднородность существующей совокупности бетонных изделий, но не воспринимается как отрицательное явление.

Все бетонные элементы появляются, существуют и исчезают в поле тяготения Земли, в окружении ее атмосферы, они воспринимают различные внешние воздействия, среди которых и механические силы, и агрессивная среда, и колебания температур. Максимальным разрушающим воздействиям подвергается поверхность элемента, являющаяся границей между элементом и окружающей средой; внутренние же зоны, экранированные собственным телом элемента, подвергаются существенно меньшим воздействиям. Вследствие этого даже самый однородный элемент будет характеризоваться неоднородным напряженным состоянием.

Против этого явления найдено средство, названное вариатропией. Интересно то, что с неоднородностью напряженного состояния борются путем сознательного внесения неоднородности в структуру изделий, для чего разработаны достаточно простые и эффективные технологические приемы, создано необходимое промышленное оборудование, осуществлено внедрение разработки в производство. Но это – также отдельный разговор.

Легкое отношение к неоднородности ложится тяжелым бременем на экономику бетонов, и особенно это относится к ячеистым бетонам, у которых регламентирована не только прочность, но и теплопроводность. Дело в том, что проектировщики оперируют не фактическими, а так называемыми расчетными значениями прочности и теплопроводности бетонов, учитывающими возможные колебания характеристик, т. е. принимающими во внимание фактическую неоднородность изделий. При этом расчетное значение прочности бетона близко к минимальной величине, а теплопроводности – к максимальной, и в 95% случаев фактические показатели изделий не соответствуют расчетным, а за это надо платить.

Если с неоднородностью объекта можно бороться путем совершенствования методов перемешивания, то с неоднородностью продукции – сложнее, поскольку здесь больше влияющих факторов: температура компонентов и окружающей среды, меняющиеся от замеса к замесу, погрешность дозировки каждого из компонентов, колебания влажности воздуха и атмосферного давления и т. д.

Особенно трудно бороться с неоднородностью ячеисто-бетонной продукции, поскольку практически невозможно получить одинаковую плотность ячеистого бетона в двух разных замесах. Особенно это относится к газобетону, который вспучивается не всегда на строго одинаковую высоту, из-за чего меняется его плотность.

Неприятным следствием нестабильности вспучивания является вынужденное искусственное снижение практически всех эксплуатационных характеристик газобетона. От плотности любого поризованного материала зависят все его показатели, включая прочность, теплопроводность, стойкость, усадку и пр.; например, прочность газобетона является кубической функцией его плотности, следовательно, уменьшение последней в два раза приводит к восьмикратному падению прочности.

Возможность уменьшения колебаний плотности открывает широчайшие перспективы совершенствования технологии. Можно реализовать любой из перечисляемых ниже путей. Например, применять более экономичные составы и режимы при сохранении заданных показателей газобетона. Или принять более высокое значение расчетной прочности. Также можно снизить расчетную плотность изделий, а, следовательно, повысить их теплозащитные характеристики, уменьшить удельный расход сырьевых материалов, трудоемкость и энергоемкость их переработки. Можно сократить и расходы на транспортировку сырья и готовой продукции, затраты на монтаж зданий и расширить сырьевую базу газобетона за счет возможности применения тех материалов, которые считались неприемлемыми для технологии с большими колебаниями плотности. Следует заметить, что и здесь найден способ борьбы с неоднородностью, получивший имя автофреттаж – и это тоже предмет отдельного разговора.

Неоднородность – одна из качественных характеристик бетона, а точнее, его прочности. Неоднородным называют полиструктурный, то есть содержащий структуру в структуре, бетон. Согласно другому определению, неоднородный бетон – это искусственный камень, в котором присутствует несколько уровней. Третье определение гласит: неоднородность бетонов – явление, возникающее по причине неоднородности состава продуктов гидратации цемента. Независимо от трактовки, неоднородность считается отрицательным свойством. Сфера применения неоднородных бетонных изделий ограничена – таким изделиям не может быть присвоен высокий класс по прочности, технология их производства недостаточно надежна.

Однородность и неоднородность бетонов

Свойство, противоположное неоднородности, – однородность. Оценку этого свойства принято давать при помощи коэффициента вариации.

Данный показатель рассчитывается как среднеквадратическое отклонение прочности образцов бетона (их должно быть не меньше 30), отнесенное к величине средней прочности партии.

Чем выше этот коэффициент, тем меньшей однородностью обладает бетон, и, соответственно, тем выше его неоднородность.

Согласно соответствующему Госстандарту, коэффициент вариации не может быть меньше 13,5%.

Исследование бетонов на неоднородность, проводимое технологами и учеными, показало:

при изготовлении монолитных изделий неоднородность прочности выше в верхних слоях, где содержится меньшее количество крупного заполнителя;
прочность по сечению и ее неоднородность зависят от распределений влажностных полей и пористости бетона (для монолитных конструкций), а также от распределения деформаций усадки по объему;
чем меньшее поперечное сечение имеют бетонные или железобетонные элементы (столбы, колонны), тем большее влияние на прочность оказывают пустоты, участки пониженной плотности и другие дефекты структуры.

Таким образом, могут быть выделены следующие причины неоднородности бетона:

наличие в составе бетонной смеси непропорционально распределенных зерен разных фракций;
особенности формирования монолитной бетонной структуры (влажность, пористость, усадка);
образование пустот и других дефектов;
технологические просчеты и ошибки и намеренное сокращение содержания цемента в растворе.

Пути снижения неоднородности бетонов

Существуют следующие пути снижения неоднородности бетонов:

подбор оптимального состава бетонной смеси и включение в нее фракционированных составляющих;
использование цементного теста подходящей густоты и вязкости;
рациональный выбор способа бетонирования;
точное соблюдение технологии изготовления монолитных конструкций.

При соблюдении этих условий бетон в Харькове будет обладать высокой однородностью и такой же высокой надежностью.

Читайте также: