Прочность при сжатии является важнейшим свойством тяжелого бетона и основной его нормируемой характеристикой. Она зависит от большого числа факторов. Влияние времени и условий твердения уже рассмотрено выше. Две других группы факторов — это состав бетона и характеристики применяемых материалов.
Большинство факторов оказывает влияние на прочность вследствие изменения ими пористости. При этом важна не столько общая пористость бетона, сколько пористость цементного камня в нем.
Закон водоцементных отношений
Закон водоцементных отношений формулируется достаточно категорично: II прочность бетона на данных материалах зависит только от I В/Ц.
Разумеется, это справедливо для бетона определенного возраста и условий твердения. Это не препятствует широкому применению закона, так как обычно он используется для бетона стандартного возраста, твердевшего в нормальных условиях. Закон В/Ц является краеугольным камнем бетоноведения, так как позволяет «управлять» прочностью бетона.
Его физической основой является тот факт, что В/Ц определяет пористость цементного камня в бетоне. Именно она, а не общая пористость бетона, как это уже отмечалось выше, определяет его свойства. Поэтому возможна и расширительная трактовка этого закона: свойства бетона определяются в первую очередь водоцементным отношением.
Прочность бетона и расход цемента
Повышение Ц/В на практике осуществляют путем увеличения расхода цемента, так как количество воды обеспечивает подвижность смеси и поэтому не должно меняться. При постоянном количестве воды имеет место частная зависимость: прочность бетона определяется расходом цемента.
При росте расхода цемента эффективность его использования повышается. Это объясняется тем, что первые порции цемента, добавляемые в бетонную смесь, недостаточны для создания прочности. И лишь при приближении Ц/В к величине 0,5 прочность начинает расти, а эффективность использования цемента повышается. Это происходит до точки перегиба (Ц/В = 2,5), после чего прочность растет в меньшей степени.
В итоге наибольшая эффективность использования цемента из условия прочности достигается при его расходе 400-500 кг/м3. Это соответствует и положению об оптимальном содержании дисперсных частиц в бетоне, составляющем такую же величину.
Но бетоны с такими расходами цемента имеют высокий объем цементного камня, большие тепловыделение и усадку, что может приводить к трещинообразованию. Поэтому с более общих позиций (качества бетона) оптимальными считаются меньшие расходы цемента: порядка 300-400 кг/м3.
Расход цемента в бетоне регулируется выбором марки (класса) цемента в зависимости от уровня прочности бетона.
Зависимость прочности от Ц/В для конкретного производства
Формулы и графики прочности не учитывают, да и не могут учесть всех влияющих факторов. Например, качества заполнителей (коэффициенты, приведенные выше, имеют ориентировочный характер), объема цементного камня в бетоне или не поддающегося количественной оценке сцепления цементного камня с заполнителями. В итоге фактическая прочность, как правило, отличается от расчетной.
Если предприятие работает на постоянных материалах и выпускает бетон различной прочности, целесообразно уточнить зависимость прочности от Ц/В для этого конкретного производства.
Если же в производстве используются уже отработанные составы, то можно построить график зависимости по этим данным. Прочность каждого состава может быть принята по усредненным результатам ее производственного контроля. Это одновременно позволит оценить правильность подбора применяемых составов: все точки должны лечь около средней линии. Пример построения зависимости по экспериментальным точкам точкам приведен далее. Если какая-либо точка существенно «выпадает» из общей зависимости, соответствующий состав нуждается в проверке. В то же время небольшие отклонения экспериментальных точек от прямой являются вполне возможными.
Для сравнения полезно нанести и линии, построенные по формуле прочности бетона для разных значений А. Это позволит оценить качество применяемых материалов и уровень достигаемой прочности бетона.
Влияние объема цементного камня
Как было показано выше, основное влияние на прочность бетона оказывает качество цементного камня, т. е. его пористость, определяемая В/Ц. Но определенную роль играет и его количество в бетоне. Уменьшение объема пористого цементного камня и повышение концентрации заполнителей приводит к увеличению прочности бетона (при его определенном качестве, т. е. постоянном В/Ц).
Уменьшение объема цементного теста сопровождается снижением удобоукладываемости бетонной смеси. Или иначе: уменьшение подвижности или увеличение жесткости смеси приводит к росту прочности бетона. Влияние объема цементного камня относительно невелико в бетонах из подвижных смесей, где он составляет более 250-280 л/м3. Но оно существенно возрастает при переходе к жестким и сверхжестким смесям.
Повышение прочности происходит лишь до тех пор, пока при данной интенсивности уплотнения достигается качественное формование бетонной смеси (содержание воздуха до 2—3%). При дальнейшем снижении объема цементного теста смесь недоуплотняется и происходит спад прочности. Оптимум прочности не является постоянным, а зависит от интенсивности уплотнения.
При уменьшении интенсивности он сдвигается в сторону более подвижных смесей. И наоборот, при повышении интенсивности уплотнения (например вибрация с пригрузом или вибропрессование) оптимум прочности будет перемещаться сторону более жестких смесей с меньшими объемами цементного теста-камня, а сама прочность — увеличиваться. Оптимуму прочности соответствуют и максимальные значения ряда других свойств бетона (например морозостойкости).
Представленные данные иллюстрируют принцип назначения удобоукладываемости смеси для достижения наиболее высоких технических свойств бетона. Она определяется по оптимуму прочности, получаемому при данной интенсивности уплотнения. Но фактически принимается несколько большая удобоукладываемость смеси, чтобы при неизбежных производственных ее колебаниях не попадать в опасную зону недоуплотнения (слева от оптимума). Кроме того, учитываются и характеристики изделия (размеры, густота армирования).
В последнее время наблюдается тенденция к применению все более подвижных смесей. Расход цемента и объем цементного камня при этом увеличиваются (применяемые составы лежат справа от оптимума). Свойства бетона при росте объема цементногло камня несколько ухудшаются. Для их восстановления приходится снижать В/Ц дополнительным повышением расхода цемента. Качество бетона из высокоподвижных и литых смесей оказывается низким.
Но этого не происходит, если повышение подвижности смеси достигается не увеличением расхода воды, а введением добавок — эффективных пластификаторов. При этом водопотребность таких смесей остается на уровне малоподвижных смесей без добавок, объем цементного камня не увеличивается, качество бетона не ухудшается. Но существенно сокращается время и трудоемкость бетонирования, растет производительность труда.
Тенденция применения высокоподвижных смесей, пластифицированных добавками, является сегодня основной. Тем не менее бетоны оптимальных составов сохраняют свою область применения (например, при необходимости получения повышенных технических свойств).
