ГлавнаяКак правило, прочность бетона при растяжении Rbt.m шлакощелочного бетона на крупном заполнителе составляет от 10 до 20 % прочности при сжатии Rb.m. Наблюдается некоторый разброс значений прочности бетона при растяжении: для бетона на силикатных щелочных компонентах Rbt.m = (0,051/0,07) Rm, а на карбонатных Rbt.m = (0,098/0,13) Rm, где Rm — прочность кубов при сжатии .
Н.Н. Фирсовым изучено влияние плотности раствора силиката натрия на прочность при изгибе бетона, твердевшего в естественных условиях и подвергнутого тепловлажностной обработке. Установлено, что бетонные образцы с одинаковой прочностью при сжатии обладают более высокой прочностью при изгибе в случае снижения плотности раствора щелочного компонента и увеличения расхода шлака. Так, изменение плотности дисиликата натрия от 1100 до 1300 кг/м3 приводит к снижению прочности при изгибе равнопрочных пропаренных бетонов примерно на 35%.
В то же время по данным малые расходы шлака в смеси плотностью 200...250 кг/м3 могут быть компенсированы большими расходами жидкого стекла. Увеличение расхода шлака при неизменной плотности раствора натриевого растворимого стекла вызывает прирост прочностных характеристик бетона.
На зависимость отношения предела прочности при изгибе к кубиковой прочности от вида щелочного компонента указывает В.И. Гоц. Так, если у бетона на основе силикатного щелочного компонента отношение прочностей при изгибе и сжатии составляет 0,05—0,09, то у бетона на основе карбонатного щелочного компонента — в 1,5—2 раза выше — 0,1—0,14.
Предел прочности при изгибе и кинетика его изменения в большей степени определяются условиями твердения, чем предел прочности при сжатии.
По данным А.Г. Гелеверы максимальные приросты предела прочности при изгибе получены в результате твердения мелкозернистого бетона в воде. Так, в возрасте 28 сут прочность бетона при изгибе (на основе карбонатного щелочного компонента), твердевшего в розе, превысила в 2,2 раза прочность бетона после твердения в нормальных условиях. В более поздние сроки твердения (180 сут) показатели прочности сближаются. Максимальные приросты прочности при изгибе приходятся на период до 180 сут, дальнейшие наблюдения вплоть до 1460 сут зафиксировали стабилизацию значений данного показателя независимо от условий твердения.
При изучении мелкозернистого бетона на основе карбонатного щелочного компонента в водных условиях твердения В.Ю. Тимковичем зафиксировано падение прочности в возрасте 28 и 360 сут. В воздушно-сухих условиях аналогичное явление наблюдалось в возрасте 28 и 180 сут, а к 720 сут прочность при изгибе упала ниже исходного уровня. Для пропаренных образцов бетона на основе силикатного щелочного компонента характерен стабильный рост прочности во времени.
Замедление темпов прироста прочностных характеристик шлакощелочного бетона в воздушно-сухих условиях твердения и даже некоторое их снижение авторы работ связывают с замедлением процессов гидратации и твердения шлакощелочного вяжущего вследствие кристаллизации щелочного компонента, усадкой и дегидратацией низкоосновных гидросиликатов кальция, уменьшением удельной поверхности гелевидной фазы и потерей гелем клеящей способности.
Анализ приведенной информации показывает, что наиболее существенное влияние на прочность бетона при изгибе оказывают вид щелочного компонента, расход шлака, плотность и расход раствора щелочного компонента.
Математические модели зависимостей прочностных характеристик от перечисленных парам состава бетонов с помощью трехфакторного трехуровневого плана, близкого по свойствам к Д-оптимальному, построены С.И. Солодким, где выходными параметрами принят предел прочности на растяжение при изгибе (прочность при изгибе) бетона в возрасте 28 и 90 сут.
Как следует из анализа полученных моделей для бетона на основе карбонатного щелочного компонента, все рассматриваемые факторы существенно влияют на прочностные показатели бетона. Варьирование парам состава в принятых интервалах позволяет получать бетон в широком диапазоне прочностей при изгибе от 4 до 10 МПа (рис. 3.14).
Наибольшее влияние на прочность бетона оказывает расход шлака, причем зависимость прочности при изгибе от данного фактора носит параболический характер с экстремумом максимума при расходе шлака 568 кг/м3, в то время как соответствующая зависимость для прочности при сжатии приближается к линейной.
Снижение темпов прироста прочности при изгибе по отношению к прочности при сжатии в случае увеличения расхода шлака в диапазоне 450—600 кг (на 1 м3 бетонной смеси) объясняется тем, что прочность при растяжении шлакопесчаного камня выше прочности камня вяжущего, поскольку адгезия шлакощелочного вяжущего к зернам кварцевого заполнителя выше когезии вяжущего.
В меньшей мере на прочностные характеристики бетона оказывает влияние плотность раствора содощелочного плава. С ее увеличением в интервале 1100—1200 кг/м3 прочность бетона изменяется по параболической зависимости с максимумом в экстремуме. Увеличение плотности раствора от 1150 до 1200 кг/м3 вызывает рост прочности бетона при изгибе на 6 %. Максимум прочности при изгибе достигается при плотности раствора содощелочного плава, равной 1185 кг/м3, и составляет 7,41 МПа в возрасте 28 сут и 10,45 МПа — в возрасте 90 сут (расход шлака — 600 кг, расход раствора — 140 л/м3).
Как видно из сопоставления полученных зависимостей, увеличение прочностных показателей бетона может быть обеспечено за счет снижения расхода раствора щелочного компонента (см. рис. 3.14), однако этот параметр состава нельзя рассматривать как фактор регулирования прочности бетона, поскольку его значение регламентируется требованиями удобоукладываемости бетонных смесей.
Использование в качестве алюмосиликатного компонента вяжущего кислого и нейтрального шлаков изменяет показатели прочности по абсолютному значению, однако характер зависимостей прочностных характеристик от рассмотренных парам состава аналогичен выявленному для бетона на основном шлаке.
Таким образом, по критерию максимума прочности на растяжение при изгибе оптимальны составы с расходом шлака в смеси — 500—550 кг при минимальном (по условию обеспечения необходимой удобоукладываемости бетонной смеси) расходе раствора карбонатного щелочного компонента плотностью 1170—1180 кг/м3.
Поскольку к возрасту 90 сут наблюдается значительный прирост прочностных показателей (на 39 % — при сжатии и на 36 % — при изгибе у бетонов со значением всех факторов на основном уровне) прочностные характеристики бетона естественного твердения целесообразно нормировать в 3-месячном возрасте.
Прочностные показатели бетона, подвергнутого тепловлажностной обработке, зависят от расхода шлака и плотности раствора содощелочного плава в меньшей мере, чем при естественном твердении искусственного камня, хотя характер зависимостей остается аналогичным (см. рис. 3.14).
Исходя из анализа изопараметрических диаграмм, для получения бетона с максимальными показателями прочности при изгибе 9 МПа (после твердения 28 сут) и 10,5 МПа (90 сут), в составе смеси должно быть не менее 520 кг шлака и не более 180—185 л раствора содощелочного плава плотностью 1170—1180 кг/м3.
Анализ моделей бетона на основе силикатного щелочного компонента (рис. 3.15) показывает, что все рассматриваемые факторы влияют на прочностные показатели, варьирование парам состава в принятых интервалах позволяет получать искусственный камень прочностью при изгибе от 4 до 10 МПа.
Для бетона на основе силикатного щелочного компонента (в отличие от бетона на карбонатном щелочном компоненте) зависимость прочности получаемого камня от плотности раствора носит линейный характер. Так, при увеличении плотности раствора от минимального (1100 кг/м3) до максимального (1300 кг/м3) значение прочности бетона в возрасте 28 сут при изгибе увеличивается только на 24 %, в то время как по данным прирост прочности при сжатии в случае изменения плотности раствора дисиликата натрия в принятых интервалах варьирования достигает 52 %. Выявленная закономерность сохраняется и в более поздние сроки твердения бетона, поскольку с увеличением количества кремнегеля в составе вяжущего проявляется хрупкий характер разрушения бетона. С повышением хрупкости возрастает негативное влияние на прочность неоднородности материала и связанной с ней концентрации напряжений.
Таким образом, введение в систему в качестве щелочного компонента дисиликата натрия способствует формированию структуры, обеспечивающей высокие показатели прочности при сжатии и приводит к усилению хрупкого характера разрушения бетона, обусловливающего пониженные темпы прироста прочности при изгибе.
С увеличением расхода шлака в смеси в принятом интервале варьирования прочностные показатели бетона изменяются по параболической зависимости. Так, увеличение расхода шлака от 300 до 450 кг вызывает рост прочности бетона при изгибе на 26—27 %. При дальнейшем возрастании расхода шлака вплоть до 600 кг прочность бетона при изгибе повышается в значительно меньшей степени — на 9—12 %, причем большая часть указанного прироста проявляется в диапазоне 450—500 кг.
Как следует из анализа диаграмм (см. рис. 3.15, а), максимальная прочность бетона при изгибе в возрасте 28 сут составляет 8 МПа, что достигается при содержании в 1 м3 бетонной смеси не менее 450 кг шлака, а для получения в возрасте 90 сут бетона прочностью при изгибе 10 МПа необходимо применять смеси с содержанием шлака свыше 510 кг (рис. 3.15, б).
Указанные прочностные показатели бетонов можно реализовать в широком диапазоне расходов раствора дисиликата натрия. Так же как и при использовании карбонатного щелочного компонента наблюдается рост прочности при уменьшении расхода раствора.
Следовательно, по критерию максимума прочности при изгибе оптимальны составы бетона с расходом шлака в диапазоне 500—550 кг, при минимальном (по условию обеспечения необходимой удобоукладываемости бетонной смеси) расходе щелочного компонента, представленном раствором дисиликата натрия плотностью 1200 кг/м3.
В связи с отсутствием существенного прироста прочности при изгибе и усилением хрупкого характера разрушения бетона нецелесообразно применять для изготовления изгибаемых элементов растворы силикатного щелочного компонента плотностью свыше 1200 кг/м3.
Из сравнительного анализа моделей бетона на основе силикатного щелочного компонента (рис. 3.15, в, г) следует, что для пропаренных образцов по сравнению с образцами, твердевшими в естественных условиях, характерны меньшие колебания прочности при отклонении значений парам состава от основного уровня (расход шлака — 450 кг, плотность раствора — 1200 кг/м3, расход раствора — 170 л). Причем прочностные показатели бетона, твердевшего в различных условиях, отличаются между собой в гораздо меньшей степени, чем аналогичные показатели бетона на карбонатном щелочном компоненте.
Характер зависимости прочностных показателей от плотности раствора щелочного компонента у пропаренного бетона и бетона, твердевшего в естественных условиях, аналогичен.
Максимальная прочность бетона при изгибе после тепловлажностной обработки в возрасте 28 сут составляет 10 МПа и достигается при содержании в бетонной смеси не менее 475 кг шлака и не более 145 л раствора дисиликата натрия плотностью 1250—1300 кг/м3 (рис. 3.15, в, г).
Использование в качестве алюмосиликатного компонента вяжущего нейтрального и кислого шлаков не влияет на характер выявленных зависимостей прочностных характеристик бетона от парам его состава.
Обобщение приведенных данных позволяет констатировать, что прочность шлакощелочного бетона при изгибе зависит от его вещественного состава (расхода шлака, вида, расхода и плотности щелочного компонента), а стабильность данного показателя — от условий твердения бетона.
Кинетику изменения пределов прочности шлакощелочного бетона при изгибе в условиях длительного увлажнения и высушивания исследовали на образцах из мелкозернистого бетона на основе карбонатного и силикатного щелочных компонентов (табл. 3.10). Их хранили в нормальных, водных и воздушно-сухих условиях при естественной влажности воздуха (W = 63—85 %) и испытывали в возрасте 28, 90, 180 и 360 суток.
Испытания образцов, твердевших до 360 сут в воздушно-сухих условиях при естественной влажности воздуха, зафиксировали спады прочности при изгибе на 42 % — при использовании карбонатного щелочного компонента и на 32 % — при использовании силикатного щелочного компонента, тогда как показатели прочности при сжатии снижаются соответственно только на 12 и 5 %.
По интенсивности набора прочности при изгибе шлакощелочной бетон уступает цементному только после твердения в воздушносухих условиях, а в условиях нормальных и длительного водонасыщения превосходит показатели бетона на основе портландцемента (см. табл. 3.10).
Наиболее высокие темпы роста прочности при изгибе для бетона на карбонатном щелочном компоненте наблюдаются при хранении в воде, а для бетона на силикатном щелочном компоненте — в нормальных условиях. В возрасте 360 сут значения прочностей при изгибе в указанных условиях твердения составили: 11,2 МПа — для бетона на дисиликате натрия (ρ = 1300 кг/м3); 10,6 МПа — для бетона на содощелочном плаве (ρ = 1200 кг/м3) и 7,9 МПа — для бетона на основе дорожного портландцемента.
Структурные изменения, обусловливающие падение прочности при длительном твердении в воздушно-сухих условиях, являются обратимыми, и при последующем влажностном воздействии шлакощелочной камень обладает способностью к самозалечиванию дефектов структуры, причем с увеличением длительности твердения шлакощелочных бетонов их подверженность деструктивным воздействиям снижается.