Механическая прочность ячеистых бетонов

Кубиковая прочность

Кубиковая прочность ячеистого бетона при сжатии — одна из основных его характеристик. Определяют предел прочности при сжатии ячеистых бетонов (контрольную характеристику) на образцах-цилиндрах диаметром и высотой 100 мм или образцах-кубах с размером ребра 100 мм. Для испытания берут шесть образцов. Их высушивают до постоянного веса и испытывают на сжатие после остывания.


Предел прочности при сжатии ячеистобетонных контрольных образцов зависит от направления сжимающей нагрузки относительно направления заливки ячеистобетонной смесью. Исследования [89] показали, что предел прочности при сжатии кубов при испытании нагрузкой, направленной перпендикулярно направлению заливки R^⊥, на 20—30% выше предела прочности при сжатии кубов, испытанных нагрузкой, направленной параллельно направлению заливки R^||. В среднем можно принять R^⊥≈1,25R^||. Поэтому испытания образцов на сжатие проводят в положении, соответствующем работе изделия в конструкции. При горизонтальном формовании изделий сжимающая сила должна прилагаться перпендикулярно направлению заливки бетонной смеси, при вертикальном — параллельно или перпендикулярно в зависимости от работы изделия в конструкции.

Опорные поверхности выпиленных или высверленных образцов перед испытанием должны быть отшлифованы. Образцы устанавливают одной из шлифованных граней на нижнюю опорную плиту пресса, центрально по его оси, пользуясь разметкой, нанесенной на плите. Под одной из опорных плит пресс должен иметь сферическую опору. Давление на образец должно возрастать равномерно со скоростью 2—3 кгс/см² в 1 сек до его разрушения

Предел прочности бетона при сжатии (контрольную характеристику вычисляют с точностью до 1 кгс/см² как среднее арифметическое из результатов испытания шести образцов. Результаты испытаний, отличающиеся на ±20% от среднего значения (не не более двух), отбрасывают.

Зависимость кубиковой прочности ячеистого бетона от его объемного веса может быть выражена эмпирическими формулами, связывающими средние величины R_c и γ_с.


Например, в практике пользуются следующей зависимостью [49]:


где А — конструктивный коэффициент, величина которого может меняться в значительных пределах. Так, например, для отечественных ячеистых бетонов автоклавного твердения заводского изготовления А равен 100, для бетонов лабораторного и полупроизводственного изготовления — 140. Для отечественных бетонов безавтоклавного твердения А=75÷85. Для ячеистых бетонов, выпускаемых в ПНР, А=140 — при испытании кубов силой, перпендикулярной направлению заливки бетонной смеси в форму, и А=105 — при испытании кубов силой, параллельной направлению заливки [89]. Для датских автоклавных ячеистых бетонов [56] А=77 и для безавтоклавных А=28,5.

A. П. Меркин и А. П. Филин предлагают предел прочности при сжатии ячеистых бетонов определять по формуле


где a и b — постоянные величины, зависящие от пористости бетона; σ — среднеквадратическое отклонение от средней прочности.

B. А. Пинскер [61] рекомендует прочность ячеистого бетона вычислять в зависимости от прочности бетона межпоровых стенок R_M по формуле


где П — макропористость, определяемая в зависимости от объемного веса ячеистого бетона γ_c и бетона межпоровой стенки γ_м:



По К. И. Бахтиярову и А. Т. Баранову [6, 7], зависимость между объемным весом и прочностью бетона выражается формулой


Формулы (22)—(24) могут быть использованы для вычисления кубиковой прочности при различных значениях объемного веса и пористости ячеистого бетона.

Имеются и другие эмпирические формулы, выражающие зависимость между кубиковой прочностью и объемным весом ячеистых бетонов [89, 90, 91]. Однако ни один из них не является универсальной, пригодной для всех видов отечественных и зарубежных бетонов. На рис. 23 приведены графики R_c—γ_c, построенные по формуле (21) при различных значениях коэффициента А, которые показывают, в каких пределах меняется прочность ячеистых бетонов отечественного производства при данном объемном весе.

По результатам работ шведских исследователей [88] предел прочности при сжатии контрольных кубов с ребром 150 мм при остаточной влажности W≤10% для объемных весов 400, 500 и 650 кг/м³ соответственно равен 15, 30 и 65 кгс/см².


В табл. 23 приведены контрольные характеристики R_c для отечественных ячеистых бетонов и соответствующие им показатели γ_с; в ней же даны величины проемной марки бетона R, являющиеся основным исходным показателем в нормативных документах.


За проектную марку бетона R принимается временное сопротивление сжатию в кгс/см² кубов с ребром 200 мм, испытанных при естественной влажности 8% (по весу) — для ячеистых бетонов на кварцевом песке и 15% (по весу) — для ячеистых бетонов на золе. Для перехода от контрольной характеристики R_с к проектной марке бетона R применяется переходный коэффициент К_п:


Коэффициент перехода К_п представляет собой произведение поправочных коэффициентов, учитывающих влияние на прочность при сжатии размера образца и влажности.

Влияние размера контрольных образцов на прочность при сжатии, по данным отечественных и зарубежных исследователей [49, 89], показано на рис. 24 влияние влажности на механические свойства ячеистого бетона будет рассмотрено далее.

Призменная прочность

До последнего времени призменную прочность ячеистых бетонов, как и других видов легких и тяжелых бетонов, устанавливали испытанием на сжатие призм размером 15Х15Х60 или 20X20X80 см при влажности образца 8—15% по весу.

Эти призмы испытывали по обычной методике, принятой для испытания бетонных призм на сжатие.

В последнее время в связи с введением ГОСТ 12852—67 [25] призменную прочность определяют испытанием на сжатие призм 10Х10X30 см, высушенных до постоянного веса. Призмы выпиливают из изделия таким образом, чтобы положение их при испытании соответствовало работе изделия в конструкции. Для испытания берут шесть образцов и высушивают их до постоянного веса. Опорные плоскости призм отшлифовывают. После установки призмы центрируют при нагрузке, не превышающей 20% предполагаемой разрушающей, по индикаторам, размещенным по одному на каждой грани призмы. Отклонения показаний отдельных индикаторов не должны отличаться более чем на 10% от среднего значения.

Образец-призму ставят на опорную плиту пресса так, чтобы сжимающая сила была параллельна продольной оси образца призмы и чтобы вертикальная ось образца проходила через центр опорной плиты пресса. Средний предел прочности призм при сжатии вычисляют так же, как и при определении предела прочности при сжатии ячеистобетонных кубов.

Сравнение результатов испытаний на сжатие призм размером 10Х10Х30 см, высушенных до постоянного веса, с результатами испытаний призм 15X15X60 и 20Х20X80 см при естественной влажности показало, что коэффициенты призменной прочности


Зависимость нормативной средней призменной прочности от кубиковой проектной марки бетона R^н_пр (рис. 25) может быть выражена формулой



Величины нормативной призменной прочности для разных марок бетона приведены в табл. 24.


По данным Э. Пуринса [90], коэффициент призменной прочности в среднем равен 0,95, а в ряде случаев близок 1 (рис. 26). По данным О. Графа [85], призменная прочность ячеистых бетонов близка к кубиковой и К_п.п=1. Согласно Г. Шеффлеру [93], К_п.п меняется от 0,8 до 1,2, составляя в среднем 1.

Как видно из приведенных данных, ячеистые, бетоны характеризуются высокими коэффициентами призменной прочности.

Сопротивление ячеистого бетона осевому растяжению

Сопротивление ячеистого бетона осевому растяжению определяют испытанием либо призм и восьмерок на растяжение, либо кубов и цилиндров на раскалывание. Для испытания на раскалывание используют гидравлический пресс со шкалой предельных нагрузок 5 и 10 т, стальные полоски размером 10Х20Х110 или 10Х10Х110мм.

Прочность при растяжении находят из испытаний шести образцов-цилиндров диаметром и высотой 100 мм или образцов-кубов с размером ребер 100 мм, выпиленных или высверленных из изделия. Опорные грани кубов или образующие цилиндров после выпиливания (высверливания) пришлифовывают и образцы высушивают до постоянного веса. Испытания образцов проводят в положении, соответствующем работе изделий в конструкции. Образец помещают между двумя сильными прокладками, расположенными вдоль линии, соединяю щеп середины двух противоположных опорных плит пресса, как указано на рис. 27. Давление на образец должно возрастать равномерно со скоростью 2—3 кгс/см² в 1 сек. Испытание следует прервать в тот момент, когда образец полностью еще не расколот, но показание на манометре пресса начинает падать.

Предел прочности на осевое растяжение (R^н_р) Для каждого образца вычисляют по следующим формулам:

при испытании образцов-кубов


где Р_макс — максимальная разрушающая нагрузка в кгс; a — длина ребра куба в см;

при испытании образцов-цилиндров


где d — диаметр цилиндра в см; l — высота цилиндра в см.

Предел прочности при растяжении определяют с точностью до 1 кгс/см² как среднее арифметическое из результатов испытания шести образцов. Результаты испытаний отдельных образцов, отличающиеся на ±20% от среднего значения (но не более двух), отбрасывают.

Испытания ячеистых бетонов на растяжение при раскалывании показали, что зависимость между нормативным сопротивлением осевому растяжению и проектной маркой бетона R^н_р (см. рис. 25) может быть выражена формулой


Величины нормативных сопротивлений ячеистого бетона растяжению R^н_р для разных марок бетона приведены в табл. 25.


По данным [88], сопротивление ячеистых бетонов осевому растяжению в значительной степени зависит от методики испытаний; в среднем для шведских бетонов величина R^н_р составляет 1/6 предела прочности при сжатии R_с.

Э. Пурине [90] установил, что сопротивление ячеистых бетонов осевому растяжению может быть вычислено по формуле Гранхольма


На рис. 28 приведены результаты испытаний шведских ячеистых бетонов на осевое растяжение.

Сопротивление ячеистого бетона растяжению при изгибе

Сопротивление ячеистого бетона растяжению при изгибе определяют испытанием балок размером 100Х100Х600 мм. Перед испытанием измеряют ширину и высоту образца-балки в середине ее длины с точностью до 1 мм. Испытания про водят двумя равными сосредоточенными грузами, располагаемыми симметрично по отношению к опорам; балки опираются на шарнирные опоры, причем одна из опор должна быть подвижной и допускать свободное перемещение балки вдоль оси, а другая — неподвижной (см. рис. 27). Испытания проводят на прессе мощностью до 5 тс. Балку укладывают на опоры так, чтобы изгиб ее происходил в плоскости, перпендикулярной направлению заливки ячеистой массы в форму. Скорость загружения не должна превышать 25 кгс в 1 сек. Предел прочности на растяжение при изгибе вычисляют по формуле


где N_p — разрушающая нагрузка в кгс; b — ширина балки в см; h — высота балки в см.

Предел прочности ячеистого бетона на растяжение при изгибе вычисляют с точностью до 1 кгс/см² как среднее арифметическое из результатов испытания шести образцов. Результаты испытании, отличающиеся от среднего более чем на ±20% (но не более двух), отбрасывают.

Опытами установлено, что сопротивление ячеистого бетона растяжению при изгибе R^н_р.и по величине R может быть вычислено но формуле


Величины нормативных сопротивлений R^н_р.и для бетонов разных марок приведены в табл. 26.


Р. Валор [82] на основании опытов О. Графа и Других исследователей приходит к выводу, что относительная величина R^н_р.и:R_c при изменении кубиковой прочности бетона от 35 до 190 кгс/см² соответственно меняется от 0,5 до 0,25.

По данным [88], величина сопротивления растяжению при изгибе R^н_р.и зависит от методики испытаний и в среднем составляет 20% величины кубиковой прочности.

Сопротивление ячеистого бетона срезу

Сопротивление ячеистого бетона срезу определяют испытанием призм размером 300X500X100 мм со специальными вырезами. Испытание проводят по схеме, приведенной на рис. 27.

Величину предела прочности ячеистого бетона при срезе вычисляют по формуле


где N_р — разрушающая нагрузка в кгс; F — сечение среза в см².

Средний предел прочности при срезе вычисляют как среднее арифметическое из результатов испытания шести призм-близнецов. Результаты испытаний отдельных призм, отличающиеся от среднего более чем на ±20% (но не более двух), отбрасывают. Испытания показали, что сопротивление ячеистого бетона срезу по величине марки бетона можно вычислить по формуле


Величины сопротивления ячеистого бетона срезу приведены в табл. 27.


По данным [88], сопротивление ячеистого бетона срезу в значительной мере зависит от методики испытаний. При испытании на чистый срез при помощи круглого штампа с расположением образца на основании, имеющем круглое отверстие, диаметр которого равен диаметру штампа, сопротивление срезу R^н_ср составляет 25—30% кубиковой прочности. Если же отверстие в основании имеет больший диаметр, чем диаметр штампа, то при испытании на срез выкалывается конус под углом 45° и сопротивление срезу может составлять всего лишь 2—3% кубиковой прочности.

Показатели однородности

В ЦНИИСК и НИИЖБ была произведена статистическая обработка результатов испытаний контрольных образцов-кубов и цилиндров, изготовленных и испытанных на ряде отечественных заводов ячеистых бетонов.

Из данных, приведенных в табл. 28, видно, что коэффициенты изменчивости показателен объемного веса и прочности ячеистых бетонов, изготовляемых на восьми крупных заводах ячеистых бетонов, достаточно велики. По объемному весу коэффициент изменчивости С меняется от 3 до 8%, по прочности — от 14 до 23%.


Показатель однородности по прочности К, приведенный в таблице, вычислен по формуле


где R_ср — средняя статистическая кубиковая прочность в кгс/см²; R_с — заданная данному заводу кубиковая прочность в кгс/см²; С_R — изменчивость показателей прочности.

Для разных заводов ячеистых бете нов величина К менялась от 0,36 до 0,79, составляя в среднем для заводов, выпускающих бетоны автоклавного твердения, К=0,52, а для завода, выпускающего безавтоклавный золобетон, К=0,39.

Таким образом, принятое в нормативных документах значение коэффициента однородности по прочности К=0,45 — для бетонов автоклавного твердения и К=0,4 — для бетонов безавтоклавное твердения подтверждается результатами статистической обработки данных испытаний контрольных образцов на действующих заводах ячеистого бетона мощностью 100—200 тыс. м³ в год.

Статистическая обработка результатов испытаний образцов из ячеистых бетонов на растяжение, изгиб и срез показала, что показатели изменчивости ячеистых бетонов при этих воздействиях значительно выше, чем при сжатии, и составляют в среднем C_R=25%. Это обусловило установление величины коэффициента однородности при растяжении, изгибе и срезе, равной 0,25.