Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

26.06.2016

Задачей исследований являлось получение основных физико-механических характеристик песчаных бетонов марок 100-700, приготавливаемых по различным технологиям.
Определялись следующие характеристики:
— прочность на сжатие R;
— призменная прочность Rпр;
— прочность при осевом растяжении Rр;
— модуль упругости при сжатии Eб;
— предельные деформации при сжатии εсж пр;
— коэффициент поперечной деформации μ;
— напряжения на нижней границе микротрещинообразования RТ0;,
— напряжения на верхней границе микротрещинообразования RТv.
Ввиду большого количества различных факторов состава и технологии, влияющих на перечисленные выше характеристики, был использован метод планирования эксперимента, применение которого позволило при сравнительно небольшом количестве опытов получить искомые характеристики для широкой группы песчаных бетонов.
На основании анализа и обработки результатов приведенных выше исследований в качестве изменяемых выбраны следующие факторы:
— водосодержание цементно-песчаной смеси;
— расход вяжущего;
— вид вяжущего;
— способ перемешивания;
— крупность песка;
— способ уплотнения.
Пo сравнению с пассивным экспериментом, в набор изменяемых факторов и границы их варьирования внесены следующие изменения:
— диапазон эксперимента расширен. Рассмотрены как жесткие, так и подвижные смеси;
— изменены границы фактора водосодержания. Нижняя граница — 350 л/м3 введена для исследования подвижных смесей. Верхняя граница установлена в 190 л/м3, вместо 180 л/м3, с целью гарантии качественного уплотнения образцов на имеющемся оборудовании и используемых песках. Воспроизводимость эксперимента была проверена пробными формовками до изготовления основных серий;
— поскольку влияние пригруза не сказывается на подвижных смесях и, в то же время, весьма ощутимо при формовании жестких смесей, весь план эксперимента был разделен на две части относительно фактора пригруза. Для I части (жесткие смеси) водосодержание варьировалось в границах 190-250 л/м3, для II части (подвижные смеси) — 250-350 л/м3;
— виброперемешивание смеси и крупность песка приняты в качестве значимых факторов только в I части эксперимента.
Результаты пассивного эксперимента показали возможность представления основных характеристик прочности в виде линейных моделей. Поэтому план I части эксперимента был выбран в виде 1/4 реплики 25-2, а план II части — в виде полуреплики 23-1. Матрицы планирования для I и II частей приведены в табл. 1.4.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Остальные факторы, влияющие на свойства бетонов, но не вошедшие в матрицу планирования, поддерживались на постоянном уровне.
Так, цемент Rц500 одной партии Воскресенского завода был заготовлен на весь объем эксперимента, помещен в полиэтиленовые мешки и хранился в закрытом помещении. Проверка активности цемента, проведенная через 3 месяца (сразу после завершения эксперимента), показала среднюю величину (по нескольким пробам) Rц=496 кг/см2.
Для изготовления образцов использовали высушенный песок Тучковского карьера Mк=1,9. На этом песке были приготовлены все образцы II части и половина образцов I части для которых X5 = -1.
Образцы I части (X3, Х4) формовали на крупном песке Академического каръерa Mк = 2,8.
Перемешивание цементно-песчаных смесей вели в вибролопастном смесителе. Вначале в течение 2 мин перемешивали сухую смесь, затем вводили воду затворения и перемешивали еще в течение 3 мин. Смеси I и II части при X4 = -1 перемешивали только лопастями. Для I части эксперимента при X4 = +1 одновременно применялось лопастное и виброперемешивание.
Формование образцов-кубов с ребром 10 см и призм с размерами 10x10x40 см проводили непосредственно после перемешивания. Уплотнение вели на лабораторной виброплощадке с частотой колебаний w = 50 Гц и амплитудой А = 0,7 мм. Образцы I части формовали с пригрузом 100 г/см2 в течение 2 мин. Изготовление образцов каждой части эксперимента проводили в сжатые сроки с тем, чтобы сохранить идентичные условия твердения.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Образцы хранились в камере нормального хранения (t = 20-22°С; W = 95±5 %) в течение 28 суток до испытаний.
Ввиду особой важности качественного уплотнения для жестких смесей коэффициент уплотнения образцов I части определяли дважды: сразу после формования — взвешиванием смеси в форме — и на следующий день — взвешиванием и измерением образцов после разборки форм.
Результаты определения Kу двумя упомянутыми способами практически не отличались друг от друга (образцы в формах первые сутки хранились во влажной среде) и составляли К = 0,97/0.98.
Данные эксперимента — сопротивление осевому сжатию R и обработка результатов приведены в табл. 1.5.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Критерий Фишера (F) при 5%-ном уровне значимости равен 6,23, т. е. линейная модель адекватна при 5%-ном уровне значимости.
Доверительный интервал Δв = 25,6.
Таким образом, коэффициенты в3 и в4 незначимы.
Отметим, что модель весьма похожа на аналогичную, полученную по результатам обработки пассивного эксперимента (формула 1.3). Существенно изменился лишь коэффициент, связанный с фактором виброперемешивания, т. е. в проведенных опытах влияние виброперемешивания на прочность почти вдвое меньше, чем по литературным данным. Поскольку в большинстве источников не приводятся показатели коэффициента уплотнения, то, по-видимому, эффект виброперемешивания складывался из двух частей: от лучшего уплотнения смеси и от виброактивации. При проведении собственных опытов ставилась цель добиться максимального уплотнения (Ку = 0,97/0,98), и поэтому влияние виброперемешивания на Ky невелико. В связи с этим уменьшилось и влияние виброперемешивания на прочность.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Небольшая положительная статистически незначимая величина в3 (влияние тонкомолотого вяжущего) свидетельствует о том, что совместным домолом цемента и песка в соотношении 75:25 до Sуд = 5000 см2/г можно получить прочность не ниже, чем на исходном цементе, сэкономив таким образом 25% цемента.
Результаты, полученные при испытании призм, представлены на рис. 1.2 (пример), где по оси абсцисс отложены продольные деформации сжатия εсж, поперечные деформации растяжения εр, время прохождения ультразвука τ (в мксек), а также дифференциальный коэффициент поперечной деформации
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

вычисленный по приращениям деформаций на каждой ступени нагружения. По оси ординат отложена испытательная нагрузка. Сплошные линии — продольные и поперечные деформации призмы, полученные по электротензодатчикам. Время прохождения ультразвука (среднее по двум измерениям во взаимоперпендикулярных плоскостях) показано на линии с треугольниками и штрихпунктиром, величина μ (средняя по четырем граням) — линией со сплошными кружками и пунктиром.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Результаты обработки величины Rnp приведены в табл. 1.6.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Линейная модель адекватна при 5%-ном уровне значимости.
Доверительный интервал Δв = 26,4.
Как и для модели R, величины в3 и в4 незначимы. Полученные модели геометрически представляют собой гиперплоскости в пятимерном пространстве. Однако в данном случае оказалось возможным эти модели интерпретировать на плоскости. Фактор X3 (влияние тонкомолотого вяжущего), имеющий в обеих моделях наименьший коэффициент регрессии, как статистический незначимый исключен из рассмотрения. Два технологических фактора (X4 и X5) имеют только по два фиксированных уровня без промежуточных значений. Поэтому можно функции (1.9) и (1.10) для каждого из четырех возможных сочетаний X4 и Х5 изобразить в осях X1 и X2 линиями, соединяющими точки с одинаковыми значениями R или Rпр (рис. 1.3). Каждый квадрант на рис. 1.3 изображает зависимость прочности от В и Ц для определенного сочетания крупности песка и способа перемешивания.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Экспериментальные значения модуля упругости бетона при сжатии Eσ вычислены по формуле:
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Величины (ε1-ε2) принимались как средние по 4 граням каждой призмы. Результаты обработки значения Eσ приведены в табл. 1.7.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Линейная модель Eσ адекватна при 5%-ном уровне значимости. Доверительный интервал Δe = 15,5.
Коэффициенты регрессии в3 и в4 незначимы.
По сравнению с моделями для R и Rпр в модели для Еσ заметно уменьшено влияние фактора X2 (количество вяжущего).
Величина сопротивления осевому растяжению Rр по результатам раскалывания кубов определялась по формуле:
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Линейная модель адекватна при 5%-ном уровне значимости.
Доверительный интервал Δв = 0,98.
Коэффициенты в3 и в4 незначимы.
Модель Rр (1.12) представлена на рис. 1.4.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Математические модели характеристик прочности и деформативности (R, Rпр, Rp, Eσ), полученные выше, во многом сходны. Во всех случаях статистически незначим коэффициент в3, т. е. оба вяжущих, используемых в эксперименте (ТКВ 75:25 с Sуд = 4500-5000 см2/г и исходный цемент Rц500) для песчаных бетонов, уплотняемых с пригрузом, на 28-е сутки нормального хранения дали практически одинаковые прочностные характеристики.
Можно отметить значительное влияние на прочность крупности песка (в среднем на 15%) и несколько меньшее (7-12%) влияние виброперемешивания.
Параметрические точки RТ0 и RТv устанавливались в соответствии с рекомендациями. Нижнюю границу микротрещинообразования RТ0 определяли:
— по началу увеличения v — крайняя левая точка кривой v на рис. 1.2;
— по прекращению начального уплотнения и началу разуплотнения, о чем свидетельствует увеличение τ — крайняя левая точка кривой τ на рис. 1.2;
— по первому заметному увеличению наклона графиков продольных деформаций.
На уровне верхней грани микротрещинообразования:
— резко увеличивался наклон к горизонтали графиков продольных и поперечных деформаций;
— заметно увеличивался наклон кривой г;
— значение v приближалось к 0,5.
Параметрические уровни определялись при наличии обоих упомянутых признаков. Так, отдельные увеличения т отмечались и до RТ из-за неплотности прилегания щупов прибора «Бетон-5». В ряде случаев графики деформаций по отдельным датчикам резко меняли свой наклон при низких уровнях напряжений, что вызвано образованием микротрещины непосредственно в зоне датчика. Отдельные значения v давали большие отклонения от аппроксимирующей кривой при резком изменении показаний датчиков. Таким образом, определение уровней RT0 и RTv потребовало одновременного рассмотрения и анализа всех особенностей деформирования каждой испытываемой призмы.
На рис. 1.2 представлены величины RT0 (светлыми треугольниками) и RTv (затушеванными кружками).
Предлагая зависимости для определения параметрических точек, О.Я. Берг отмечает, что для более однородного материала, каким является песчаный бетон, должно наблюдаться повышение уровней RT, что подтвердилось в приведенных опытах.
Во II части эксперимента был применен насыщенный план: 4 опыта для полудробной реплики 23-1. В этих 4-х опытах участвовали составы 2-2, 2-3, 2-5, 2-8 (табл. 1.4). Для проверки адекватности полученных моделей был проведен дополнительный опыт с составом 2-0, в котором количественные факторы поддерживались на нулевых уровнях.
В табл. 1.9 приведены итоги обработки результатов испытаний по сопротивлению осевому сжатию, в табл. 1.10 — призменная прочность, в табл. 1.11 — прочность на растяжение.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Линейная модель адекватна при 5%-ном уровне значимости.
Δв =20,6, т. е. коэффициент при X3 незначим.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Линейная модель адекватна при 5%-ном уровне значимости.
Δв = 27,2, т. е. коэффициент при X3 незначим.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Линейная модель адекватна при 5%-ном уровне значимости.
Δв = 0,76.
Все коэффициенты значимы.
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Модели для определения прочностных характеристик бетонов из подвижных смесей (1.13-1.15) схожи с алогичными моделями для бетонов из жестких смесей. Влияние факторов cocтава (Ц и В) для обеих частей эксперимента, по существу, одинаково. Заметное различие наблюдается для фактора X3. Если в жестких смесях замена 25 % исходного цемента песком и совместный домол цемента с песком не изменили прочностных характеристик, то в подвижных смесях во всех полученных моделях наблюдается уменьшение прочности на 5-15% при замене исходного цемента на ТКВ, и, следовательно, эффект от введения TKB в подвижных смесях существенно снижался.
Таким образом, при проведении исследований, ставящих целью нормирование физико-механических характеристик песчаных бетонов разных марок, приготавливаемых по разным технологиям, рассмотрено влияние расхода цемента, водосодержания смеси, вида вяжущего, крупности песка, виброперемешивания, способа уплотнения. Получены данные о прочности на сжатие, растяжение, призменной прочности, модуле упругости бетона при сжатии, уровнях напряжений на границах микротрещинообразования, предельных деформациях при сжатии, коэффициенте поперечной деформации.
По результатам испытаний для основных характеристик песчаных бетонов были построены адекватные линейные модели в виде:
Определение физико-механических характеристик песчаных бетонов

Адекватность моделей была проверена по F — критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости. В табл. 1.12 сведены значения аi отдельно для песчаных бетонов из жестких и подвижных смесей. Все характеристики — в кг/см2.
Анализ полученных моделей показал:
- применение комплексного вяжущего в жестких смесях дает возможность снизить на 25 % расход цемента без ухудшения основных характеристик бетона (величина во всех моделях для жестких смесей статистически незначима). В подвижных смесях этот технологический прием, как правило, нецелесообразен;
- применение крупного песка позволяет уменьшить расход цемента на 10-15%;
- виброперемешивание смеси приводит к повышению прочности бетона на 5-15%, причем эффект виброперемешивания увеличивается с повышением жесткости смеси.