Прочность бетона на растяжение при изгибе

Когда речь идет о прочности бетона, чаще всего имеется в виду прочность на сжатие. Именно эту характеристику проверяют на стройплощадках и указывают в проектной документации. Однако для целого ряда объектов — дорог, аэродромов, мостов, метро — наряду со сжатием не менее важным является сопротивление изгибающим нагрузкам. Этот параметр во многом определяет долговечность конструкции.

Показатель прочности на изгиб у бетона составляет примерно 10–15% от прочности на сжатие. При превышении предела возникают трещины в растянутой зоне, что может привести к разрушению конструкции.

Особенно критичен этот параметр при устройстве цементобетонных покрытий в дорожном строительстве, при изготовлении аэродромных плит и мостовых конструкций. В инфраструктурном строительстве требования к прочности на растяжение при изгибе также крайне высоки — вплоть до 7,5–8,2 МПа для отдельных конструкций.

Что влияет на способность бетона сопротивляться изгибу?

Водоцементное отношение

Чем больше воды в смеси, тем больше дефектов образуется в затвердевшем бетоне. Избыточная вода, не вступившая в реакцию гидратации цемента, испаряется, образуя капиллярные поры и микропустоты. При изгибающих нагрузках эти поры работают как концентраторы напряжений, провоцируя раннее трещинообразование в растянутой зоне. К примеру, снижение В/Ц с 0,45 до 0,38 при сохранении подвижности смеси (за счет гиперпластификаторов) позволяет повысить прочность на растяжение при изгибе на 10–15%.

Качество заполнителей

Пылевидные и глинистые частицы на поверхности щебня и песка ухудшают сцепление заполнителей с цементной матрицей. Пылевидные, илистые и глинистые частицы оседают на поверхности щебня и песка, создавая тонкую физическую «плёнку». Она препятствует прямому контакту цементного камня с заполнителем и химическому сцеплению продуктов гидратации с водой. В результате разрушение бетона происходит именно по этой слабой контактной зоне. К примеру, при увеличении содержания пылевидных и глинистых частиц в щебне с 0,5% до 2% прочность бетона на изгиб может снизиться на 10–15% при неизменной прочности на сжатие.

Тип инертных материалов

Плотность породы, размер кристаллов, крупность фракции — всё это напрямую влияет на прочность при изгибе. Чем мельче фракция щебня, тем больше площадь поверхности контакта с цементной матрицей и тем выше прочность на изгиб. Замена речного гравия с гладкой округлой поверхностью на дробленый гранитный или габбро-диабазовый щебень той же фракции увеличивает прочность на изгиб, благодаря шероховатой поверхности и механическому заклиниванию зёрен.

Адгезия растворной части к заполнителю

Прочность контактной зоны «заполнитель — цементно-песчаный раствор» зависит не только от шероховатости, но и от химического взаимодействия минералов породы с гидратирующим цементом. Активные породы (например, карбонатные или некоторые метаморфические) способны вступать в химическую связь с продуктами гидратации цемента, формируя прочную контактную зону.

Использование кубовидного щебня с высокой шероховатостью в сочетании с тонкодисперсными минеральными добавками увеличивает сцепление растворной части с заполнителем, смещая плоскость разрушения с контактной зоны на сам заполнитель.

Дефекты структуры бетона

Внутренние дефекты — каверны от неполного уплотнения, расслоение смеси (водоотделение), крупные вовлеченные пузыри воздуха и усадочные микротрещины — резко снижают сопротивление бетона растяжению. Если при сжатии бетон «самоуплотняется» под нагрузкой, то при изгибе любая микротрещина мгновенно раскрывается и приводит к разрушению.

К примеру, нарушение режима вибрирования или передозировка воздухововлекающих добавок снижает прочность на растяжение при изгибе бетона.

Условия твердения

Неправильный уход за бетоном может привести к неполной гидратации клинкерных минералов или образованию продуктов гидратации неправильной формы. Это снижает прочность.

Лабораторные исследования ЦЕМЕНТУМ

Мы провели лабораторные испытания, чтобы оценить влияние различных факторов на прочность на изгиб. Использовали два типа цемента — бездобавочный ЦЕМ 0 и композиционный ЦЕМ II с добавкой шлака, а также два типа щебня — фракции 5-20 и 5-10. Мы сделали равноподвижные смеси с одинаковым водоцементным отношением. Расскажу подробнее о полученных результатах.

Добавочный цемент прочнее на изгиб

Испытания показали, что на цементе с добавкой шлака прочность на изгиб выше, чем на бездобавочном цементе, хотя он немного проигрывает в прочности на сжатие. Это означает, что в некоторых случаях добавочный цемент может быть предпочтительнее.

Мелкий щебень дает большую прочность на изгиб

Испытания показали, что щебень фракции 5–10 показывает прочность на растяжение при изгибе выше, чем щебень фракции 5–20. Это связано с тем, что у более мелкого щебня суммарная площадь поверхности больше, а значит, больше точек контакта с цементной матрицей. Этим можно оперировать при подборе состава бетонной смеси.

Проекты ЦЕМЕНТУМ

Расскажу о некоторых проектах, в которых требования к прочности на изгиб были особенно высокими.

Фундаментные плиты для метро

Один из проектов, в котором участвовал ЦЕМЕНТУМ, был связан с устройством фундаментной плиты по системе «масса-пружина» на станциях метро неглубокого залегания. Эта система позволяет снизить вибрационную и шумовую нагрузку до 30 дБ и прокладывать ветки метро в районах, которые раньше были недоступны для строительства. Требования к бетону были высокими: класс B40, прочность на растяжение при изгибе 6,4 МПа, а фактически — 8,2 МПа с учётом нормативных коэффициентов.

В исследованиях мы пошли по нескольким направлениям. Сначала попробовали использовать щебень фракции 5–20. Получили результаты, близкие к пограничным. Перешли на фракцию 5–10 и получили прирост в прочности. Затем попробовали заменить гранитный щебень на габбро-диабаз — более плотную породу с мелкокристаллической структурой. Это дало дополнительное увеличение прочности. А когда добавили микрокремнезём в дозировке 15–16% от массы цемента в состав бетонной смеси, мы вышли на стабильные показатели выше требуемых.

Одновременно с этим пробовали использовать также базальтовую фибру, прописанную в проекте. Фибра действительно даёт небольшой прирост прочности. Однако при увеличении её дозировки прочность падает, так как фибра неравномерно распределяется и создаёт дефекты. В итоге для финального состава от применения фибры отказались.

❮

❯

❮

❯

Блоки ЛВТ — полушпалы для метро

В этом проекте были озвучены еще более жёсткие требования: класс B60, прочность на растяжение при изгибе 7,5 МПа, марка по удобоукладываемости P1.

Мы скорректировали состав: немного сократили расход щебня, использовали смесь двух песков с модулем крупности 3 и 1,2, применили микрокремнезём. В итоге получили прочность с запасом — 8 МПа. Изготовили серию полушпал, которые успешно прошли испытания.

Роль испытательного оборудования

Есть ещё один аспект, который важно учитывать при оценке прочности бетона, — испытательное оборудование. В ходе работы с одним из клиентов возникла показательная ситуация: заказчик не мог достичь требуемых параметров прочности на растяжение при изгибе. Когда специалисты ЦЕМЕНТУМ повторили испытания в своей лаборатории на тех же составах, результаты оказались выше на 1 МПа.

В итоге мы провели сличительные испытания. Разделили 12 образцов пополам: часть образцов клиент испытывал в своей лаборатории, часть мы испытали у себя. Клиент получил 8 МПа, у нас вышло 9 МПа.

И то, и другое оборудование соответствует ГОСТу, но конструктивно они отличаются. Разница была в способе приложения нагрузки: в одном случае использовался пресс с подвижными валиками, в другом — приспособление с плоскими призмами. Из-за разного сопротивления трению мы получаем разницу в результатах.

Такие ситуации важно держать в уме, если подбор состава проводится в одной лаборатории, а подтверждение характеристик в другой.

Вдобавок при испытаниях на растяжение при изгибе разброс результатов может быть значительно выше, чем при испытаниях на прочность при сжатии. Поэтому запас прочности на изгиб для конструкций должен быть существенно больше — это снижает возможные риски.

За счет чего можно достичь нужного показателя прочности на растяжение

На основе проведённых исследований и опыта реализации проектов можно сформулировать следующие принципы достижения высоких показателей прочности на растяжение при изгибе:

Фракция заполнителя

Использование щебня более мелкой фракции — например, 5–10 вместо 5–20, — позволяет увеличить прочность за счёт большей площади контакта с цементной матрицей.

Порода щебня

Более плотные породы с мелкокристаллической структурой — например, габбро-диабаз, — обеспечивают лучшие показатели по сравнению с гранитом.

Тип цемента

Композиционные цементы могут быть эффективнее бездобавочных: цемент с добавкой шлака в ряде случаев демонстрирует более высокую прочность на изгиб, что делает его хорошей альтернативой.

Активные минеральные добавки

Применение микрокремнезёма уплотняет контактную зону «заполнитель — матрица» и обеспечивает прирост прочности на растяжение при изгибе.

Дозировка фибры

Оптимальная дозировка фибры даёт прирост прочности. Её избыток создаёт дефекты и ухудшает характеристики.

Испытательное оборудование

Разные типы прессов могут давать разницу в результатах, что необходимо учитывать при сличительных испытаниях и подтверждении характеристик.

Запас прочности

Ввиду большей вариативности результатов при испытаниях на растяжение при изгибе запас прочности по этому параметру для соответствующих конструкций должен быть выше, чем при испытаниях на сжатие.

Дмитрий Калугин менеджер по разработке продукта ЦЕМЕНТУМ