В этом разделе описаны особенности процессов деформирования и разрушения тяжелых бетонов при различных напряженных состояниях с учетом влияния на эти процессы качества используемых составляющих, технологии изготовления бетона, условий его работы под нагрузкой, воздействия внешней среды и других факторов.
В современном строительстве наблюдается тенденция к применению высокопрочных бетонов в сочетании с высокопрочной арматурой. Рационально комбинируя эти материалы, можно более полно использовать их свойства, особенно в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
Сборные конструкции из предварительно напряженного железобетона изготовляют преимущественно из тяжелых бетонов марок 400-500. Использование бетонов более высоких марок позволит снизить собственный вес конструкций, уменьшить их сечения, создать более рациональные конструктивные формы элементов.
Высокопрочные бетоны, обладающие повышенной скоростью твердения, набирают прочность в сравнительно короткие сроки. По этой причине можно сократить продолжительность пропаривания изделий из таких бетонов при заводском изготовлении, а в некоторых случаях отказаться от тепловлажностной обработки. Применение высокопрочных бетонов с пониженной деформативностью под кратковременной и длительной нагрузками благоприятно отразится на жесткости элементов, позволит уменьшить потери предварительного натяжения от ползучести бетона. Усадка высокопрочного бетона, как правило, не превышает в сопоставимых условиях аналогичных деформаций бетона обычной прочности.
Применению в отечественной практике строительства бетонов высоких марок способствует все более широкое использование высокоактивных цементов, совершенствование технологических процессов изготовления бетона. Освоение методов получения таких бетонов на заводах железобетонных конструкций должно осуществляться в тесной связи с повышением общей культуры производства.
Вместе с тем физико-технические свойства высокопрочных бетонов изучены в настоящее время еще недостаточно. Необходимые для проектирования элементов конструкций расчетные характеристики не имеют достаточно полного обоснования.
Особенности технологии изготовления высокопрочных бетонов
Существуют в основном две точки зрения об определении границы между обычными и высокопрочными бетонами. Согласно первой, высокопрочными следует называть бетоны, предел прочности которых больше, чем у применяемого в нем цемента, а согласно второй - бетоны, прочности которых превышают принятые в действующих нормативных документах. По-видимому, устанавливать четкую границу не имеет смысла, поскольку любое разделение бетонов по такому признаку является в значительной мере условным. Везде в дальнейшем авторы подразумевают под высокопрочными тяжелые бетоны с марочной прочностью 700 и выше.
Проведенные в нашей стране и за рубежом экспериментальные исследования показали, что можно изготовлять бетоны с пределом прочности 600-1200 кг/см2 на обычно применяемых материалах. Отмечается, что приготовить бетоны марок 600-800 в производственных условиях не трудно. Были получены бетоны с прочностью до 1400 кг/см2, применив фракционированный заполнитель в виде базальта и высокоактивный цемент с последующим хранением бетона при температурах от 5 до 20° С.
1. Материалы, используемые для приготовления высокопрочного бетона
К материалам, используемым для приготовления высокопрочного бетона, предъявляются повышенные требования, обеспечивающие получение бетона нужной прочности при максимально возможной экономии цемента.
Цемент. В качестве вяжущего, применяют пластифицированный, гидрофобный или обычный портландцементы, которые должны иметь наибольшую возможную активность и наименьшую нормальную густоту. Рекомендуются цементы, у которых нормальная густота цементного теста не более 25-26 % и активность не ниже 500-600.
Высокопрочные бетоны наиболее целесообразно приготовлять на высокоактивных портландцементах (ВПЦ), которые выпускаются в настоящее время отечественной цементной промышленностью. Достаточно быстрое нарастание прочности в раннем возрасте позволяет сократить до минимума использование различного рода ускорителей твердения бетона.
Песок. Для приготовления высокопрочного бетона используются природные, искусственные (или их смеси) фракционированные кварцевополевошпатовые пески, поставляемые в виде двух фракций - крупной (размерами зерен от 1,25 до 5 мм) и мелкой (размерами зерен от 1,4 до 0,63 мм). Зерновой состав крупного и мелкого заполнителей после фракционирования должен отвечать требованиям ГОСТ.
В крупной фракции наличие зерен более 5 мм, а в мелкой менее 0,14 мм не допускается, при этом содержание отмучиваемых примесей в песке не должно превышать 1 % по весу.
Исходя из условий получения бетонной смеси с наилучшей удобоукладываемостью соотношение крупной и мелкой фракций песка выбирают в пределах: крупной - 20-50% и мелкой - 80-50% по весу.
Для приготовления высокопрочных бетонов марок до 800 включительно можно применять чистые крупно- или среднезернистые пески природной гранулометрии (без фракционирования) при условии, если кривая просеивания находится в пределах области, рекомендуемой ГОСТ. В случаях, когда вязкость применяемого цементного теста велика, т. е. нормальная густота Кн.г.>26%, а В/Ц< 0,33), кривая просеивания должна находиться у верхней границы области, рекомендуемой ГОСТ. Такой песок следует фракционировать, отделяя частицы мельче 0,3 мм. Применять пески, зерновой состав которых не отвечает указанным требованиям, допускается только при соответствующем технико-экономическом обосновании.
Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя в высокопрочных бетонах применяют щебень, получаемый дроблением прочных плотных горных пород. Прочность щебня при сжатии в насыщенном водой состоянии, согласно ГОСТу, должна превышать прочность бетона не менее чем в полтора раза.
Допускается применять щебень пониженной прочности, но не ниже прочности бетона. В этом случае его следует испытывать в бетоне и использовать после соответствующего технико-экономического обоснования.
Щебень необходимо применять чистым (не содержащим отмучиваемых частиц) и фракционированным. Размеры фракций принимаются 5-10, 10-20 и 20-40 мм.
Наибольшую крупность щебня обычно выбирают в зависимости от размеров поперечного сечения элемента и особенностей армирования конструкции. Для изготовления слабоармированных, толстостенных конструкций можно применять щебень с максимальной крупностью до 70 мм.
Заполнители, используемые для приготовления высокопрочного бетона, должны быть сухими. В остальном крупный заполнитель должен отвечать требованиям ГОСТа.
Технико-экономическая эффективность высокопрочных бетонов
Значительная часть несущих конструкций промышленных и транспортных сооружений выполняется из сборного железобетона. Применение высокопрочных бетонов с достаточно высоким коэффициентом однородности позволяет сократить расход материалов, снизить вес и стоимость конструкций, одновременно уменьшить трудоемкость их изготовления и монтажа. Использование высокопрочных бетонов даст возможность значительно увеличить производительность заводских стендов без существенных изменений технологии работ.
Отмечается, что с повышением марки бетона от 300 до 600 в сжатых элементах вес конструкции снижается на 20-30%, и соответственно снижается их стоимость.
При изготовлении ферм из бетона марки 800 вместо марки 400 расход его уменьшается на 26-29%. При этом возрастает несущая способность ферм различных пролетов.
Анализ данных о расходе бетона и стали в несущих конструкциях одноэтажных промышленных зданий показывает, что с увеличением марки бетона, применяемого в конструкции, снижается расход как бетона, так и арматуры.
Изготовление экспериментальных подстропильных ферм пролетом 18 м из бетона марки 800 вместо марки 500 позволило снизить вес ферм и расход бетона на 21%, а стали - на 24%.
Применение высокопрочных бетонов в конструкции дает возможность перекрывать существенно большие пролеты без увеличения общего веса конструкции, при этом ее вес, отнесенный к 1 пог. м перекрываемого пролета, значительно снижается.
Вес сегментной фермы из бетона марки 400, пролетом 30 м совпадает с весом ферм из бетона марки 800, пролетом 36 м при таком же шаге колонн. Вес фермы, приходящийся на 1 пог. м пролета, при увеличении пролета до 36 м снижается на 17%.
Подсчеты также показывают, что при увеличении шага колонн с 6 до 12 м пролет, равный 24 м, может быть перекрыт сегментной фермой, изготовленной из бетона марки 800.
В этом случае полный вес фермы увеличивается незначительно, а вес фермы, приходящийся на 1 пог. м шага колонн, значительно снижается.
Один из эффективных путей использования высокопрочных бетонов - применение конструкций под большую полезную нагрузку без изменения их сечений только за счет изменения процента армирования. Это касается и плит перекрытий, сечение которых удается уменьшить за счет применения бетона марок 600-800 вместо марок 300-400. Однако увеличение марки бетона позволит за счет повышения обжатия ребер увеличить армирование и трещиностойкость, т. е. в целом повысить полезную нагрузку на плиту. Аналогичная замена марки бетона в стропильных фермах при сохранении их габаритных размеров позволит удвоить шаг колонн.
Значительное внимание в последнее время уделяется применению высокопрочных бетонов для конструкций транспортных сооружений и, в частности, в пролетных строениях железнодорожных и автодорожных мостов.