Упрощенные методы испытания цементно-глиняных растворов

Цементно-глиняные растворы одного и того же номинального состава (например, 1:1:6; 1:1:9) могут иметь существенно разнящиеся характеристики при практическом их применении. В связи с этим вообще является необходимым подбор состава смешанных растворов, а так же текущий контроль качества раствора, применяемого в кладку. Особенно же важным это является в случаях централизованного приготовления растворов на заводах. Если необходимость подбора состава части оспаривается для обычных смешанных расстворов то совершенно естественно, что широкое внедрение цементно-глиняных растворов не может происходить без предварительной оценки качества глины и без подбора подходящего состава раствора, соответствующего заданной его марке, а также без текущего производственного контроля качества примененного раствора.

Как известно, нормы по каменным конструкциям устанавливают марки растворов применительно к временному сопротивлению их сжатию. Таким образом при подборе состава раствора и текущем контроле его качества необходимо изготовлять и испытывать кубики 7X7X7 см.
Выше нами неоднократно отмечалось, что оценка качества растворов по временному сопротивлению сжатию кубиков не может считаться достаточно точной, так как этот показатель не отражает условий твердения раствора в шве, степень практической удобоукладываемости и т. п. Поэтому желательно было проверить возможность применения каких-либо иных более простых или более удобных методов оценки качества цементно-глиняных растворов. С этой целью были произведены серии специальных испытаний.
С одной стороны, эти испытания коснулись упрощенных приемов оценки прочности цементно-глиняных растворов и отчасти оценки их механических свойств в шве. С другой же стороны, они коснулись упрощенных приемов (проверки качества глин на содержание в них органических веществ, сульфатов и других легко растворимых солей.

Упрощенные приёмы испытания механических свойств

Испытание восьмерок на растяжение. Естественно, что при оценке различных приемов испытания прочности растворов в первую следовало установить возможность перехода к испытанию растворов на растяжение, так как этот прием позволяет существенно уменьшить объем работы при подборе состава растворов и по испытанию их в условиях полевой лаборатории, благодаря уменьшенным размерам образцов.
Кроме того, прибор Михаэлиса для разрыва восьмерок практически имеется в каждой полевой лаборатории, в то время как многие из таких лабораторий не располагают прессом для испытания кубиков. Весьма ценным можно также признать возможность осуществления твердения образцов в виде восьмерок в условиях, приближающихся к твердению раствора в шве. В частности, сравнительно малая толщина восьмерок и относительно большой модуль их поверхности могут сделать полученные результаты более показательными, чем в случае испытания кубиков. Кроме того, твердение восьмерок легко осуществить с применением кирпича как материала для подкладки под образцы и этим также приблизиться к условиям твердения раствора в шве.

Общеизвестно, что неправильное распределение напряжений в восьмерке, возникающее благодаря недостаточным ее размерам и ряду других причин, делает вообще показатели прочности на растяжение весьма условными. Однако надо отметить, что всякого рода воздействия на восьмерки (воздействие условий хранения, в частности переменного хранения и повторных циклов замораживания и оттаивания) должны отзываться на восьмерках значительно сильнее, чем на образцах кубической формы. Поэтому установление условных коэфициентов размягчения, морозостойкости и т. п. вообще следует признать более (правильным, если таковое производится над образцами, подвергающимися растяжению, а не сжатию. Следует отметить, что, например, по Гиршвальду морозостойкость и коэфициенты размягчения песчаников устанавливаются обычно на основе испытания камня на растяжение, а не на сжатие.

В связи с этим, несмотря на общеизвестные недостатки испытаний на растяжение, все же следует признать, что подобное испытание может оказаться не менее показательным, чем испытание кубиков на сжатие. Поэтому мы считали необходимым установить, хотя бы в первом приближении, соотношение между величинами временных сопротивлений цементно-глиняных растворов сжатию и растяжению для целей практического перехода от одного из этих показателей к другому.


Рис. 1. Соотношение между временным сопротивлением сжатию и растяжению для растворов, содержавших 1 цем.: 1,5 глины (по весу).	Рис. 2. Соотношение между временным сопротивлением сжатию и растяжению для растворов, содержавших 1 цем.: 1 глины (по весу).

На рисунке 1 приведенны основные из полученных результатов, дающие возможность нахождения соотношений между величинами времемных сопротивлений сжатию и растяжению для смешанных цементно-глиняных растворов, изготовленных на цементах различной активности. Как видно, при (применении цементов различной активности зависимость между временным сопротивлением цементно-глиняных растворов сжатию и растяжению несколько изменяется, примерно, так же, как и для обычных цементных растворов. Цементно-глиняные растворы, изготовленные с применением цементов малой активности, или с применением значительного количества глины в качестве добавки, дают повышенные показатели в отношение временного сопротивления растяжению, чем растворы той же прочности на сжатие, но изготовленные на цементах более высоких марок или с меньшим содержанием добавки. Однако в среднем при применении наиболее ходовых для растворов марок цемента от 200 до 300 в общем можно воспользоваться нижеследующей приближенной зэвисимостью:

формула

где:
R + временное сопротивление растяжению,
R — временное сопротивление сжатию.

Испытание восьмерок на сжатие

Так как вышеуказанная зависимость между R+ и R- носит сравнительно приближенный характер, то в случае возможности является желтельным дополнить получаемые характеристики растворов в отношении временного сопротивления растяжению также показателями их прочности и на сжатие.
Для этой цели взамен испытания кубиков можно произвести испытание разорванных восьмерок на сжатие. Для осуществления этого испытания половинки восьмерок накладывают друг на друга таким образом, чтобы по
верхности разрыва были обращены в разные стороны.
При этих условиях (площадь, через которую передается давление от одной восьмерки к другой, является всегда сравнительно определенной и при условии применения стандартных форм для изготовленных восьмерок таковую можно принять равной 12 кг/см2.

Проведенные нами систематически испытания для оценки соотношения между величинами временных сопротивлений сжатию и растяжению при испытании вышеописанным способом показали, что общий характер зависимости между величинами временных сопротивлений и в этом случае носит, примерно, тот же характер, что и при сопоставлении результатов испытания восьмерок на растяжение, а кубиков на сжатие.


	Рис. 3. Соотношение между временным сопротивлением сжатию и растяжению для растворов, содержавших 1 цем. : 0,5 глины, по весу
	Рис. 4. Сопоставление показателей временного сопротивления сжатию (в восьмерках и кубиках) при различном соотношении цемента и тушинской глины.

Отсюда можно было сделать вывод, что соотношение между величинами временного сопротивления сжатию, полученными при испытании растворов в образцах кубической формы и в виде половинок восьмерок, положенных друг на друга, должны находиться между собой в простой линейной зависимости.
На рис. 4—5 приведены результаты произведенных нами испытаний, из которых в общем можно видеть, что действительно зависимость между этими двумя величинами может быть принята за носящую линейный характер и выраженную простым уравнением: R1 = 1,4R2, где R1 — временное сопротивление сжатию раствора, определенное при испытании кубиков, a R2 — то же, но определенное при испытании сложенных половинок восьмерок. В отдельных сериях испытаний коэфициент перехода от кубиков к восьмеркам менялся в пределах от 1,3 до 1,5, причем он оказался почти зависящим от активности цемента.


Рис. 5. Сопоставление показателей временных сопротивлений сжатию, полученных при испытании кубиков и разорванных восьмерок.	Рис. 6. Сопоставление показателей временных сопротивлений сжатию, полученных при испытании кубиков и разорванных восьмерок (глина со ст. Воронцово).

Испытание малых образцов

Ввиду того, что испытания образцов раствора в форме кубиков и даже в форме восьмерок дают лишь условные показатели прочности раствора, которые далеко не всегда будут отвечать фактическим свойствам раствора в шве, нами была сделана попытка отыскания каких-либо иных методов испытания механических свойств растворов. Вообще является весьма желательным иметь возможность производить испытания раствора в слоях небольшой толщины.

Однако испытание пластинок, небольшой толщины под прессом чрезвычайно резко искажает показатели прочности раствора. Это искажение имеет место, как известно, за счет влияния сил трения, возникающих между подушками пресса и испытуемой плиткой. Хотя на первый взгляд и кажется, что плитка раствора, находящаяся между подушками пресса, работает в условиях более близких к ее условиям работы в кладке, чем кубики, однако легко видеть, чго это совсем не так. В то время, как кирпич в кладке имеет серьезные поперечные деформации, подушки пресса почти не имеют таких деформаций. В силу этого показатели прочности, получаемые прн испытании плиток раствора, оказываются резко преувеличенными.
Первоначально предполагалось производить испытания раствора в образцах малого размера. Такие образцы могли иметь как кубическую форму, так и форму цилиндра. Мы остановились на цилиндрических образцах ввиду того, что формы для таковых можно изготовить гораздо легче, а главное потому, что отсутствие вертикальных ребер в цилиндрических образцах позволяет получить несколько более равномерное строение цилиндрических образцов по сравнению с образцами кубической формы.
При проведении испытаний, однако, оказалось, что выбранные нами размеры цилиндрических образцов (диаметр — 2 см и высота 2 см) являются слишком малыми для того, чтобы получить образцы правильной формы и равномерной структуры при применении растворов с обычным песком. Эти образцы оказались достаточно удобными для работы со строительными растворами, состоящими лишь из вяжущих веществ, или с очень жирными растворами, но давали весьма пестрые и неправильные показания при изготовлении их из растворов, содержащих значительное количество песка.
Таким образом, мы пришли к заключению, что при переходе на образцы меньшего размера является необходимым применение образцов несколько увеличенных размеров по сравнению с испытанными нами.

Испытание слоёв раствора на кирпиче

Подмеченная в лаборатории каменных конструкции зависимость между прочностью кладки слоев раствора и величинои деформации раствора, на котором, на кирпиче сложена кладка, делает весьма многообещающими такие методы испытаний раствора, в которых оценивается не только показатель его прочности, но и показатели деформаций. С целью отыскания метода испытания раствора в шве была предпринята попытка оценки качества раствора по показатёлям, получаемым при вдавливании в затвердевший слой раствора какого-либо пуансона. Диаметр вдавливаемой в раствор цилиндрической части пуансона был принят, на основе предварительных экспериментов, равным 5 мм.

Общая схема испытаний при этом была нижеследующая: раствор, имевший рабочую консистенцию, укладывался на сухой или смоченный кирпич; после отвердевания слоя на кирпиче в затвердевший раствор производилось постепенное вдавливание пуансона на глубину 1, 2, 3 мм и т.д. до полного погружения цилиндрической части пуансона, имевшей высоту 10 мм; при каждой ступени погружения, выражавшейся в 1—2—3 мм и т.д., замерялась сила, необходимая для вдавливания пуансона на эту глубину. Глубина вдавливания пуансона в раствор определялась с помощью мессур, представляющем общую схему данного испытания.

При применении этого метода имели в виду впоследствии перейти на метод ручного вдавливания пуансона на определенную глубину с замером усилия, необходимого для вдавливания с помощью ручного динамометра.
Для оценки этой возможности необходимо было предварительно установить те зависимости, которые существуют между усилием, потребным для вдавливания пуансона в раствор на какую-либо глубину, и общепринятыми показателями прочности, раствора. Для этой цели нами были предприняты систематические опыты с растворами различных типов, начиная от чисто - цементных и кончая растворами со значительным содержанием добавок в виде извести или глины, изготовленных на песке или на шлаке. При этом укладка, растворов производилась как на сухой кирпич, так и на смоченный.

Необходимо отметить нижеследующее любопытное явление которое имело (место при этих испытаниях. Весьма прочные цементные растворы (состава 1 цем.: 2,0 песок — 1 цем.: 3 песок), имевшие весьма большую прочность в кубиках и требовавшие значительных усилий для погружения пуансона в слой затвердевшего раствора, уже при незначительной глубине погружения пуансона раскалывались на 2—3—4 части, начисто отделяясь от сухого кирпича. При этом отколовшиеся лещадки или пластинки раствора сохраняли свою прочность. При укладке же раствора на хорошо вымоченный кирпич погружение пуансона вызывало лишь развитие трещин, идущих от отверстия, проделанного пуансоном, но раствор и при наличии этих трещин оставался хорошо приставшим к кирпичу.
В то же время смешанные растворы, содержавшие в своем составе глину или известь, не давали раскалывания и отделения пластинок раствора от кирпича даже в том случае, когда последний был сухим. Эти обстоятельства лишний раз подчеркивают то большое значение, которое имеет для сцепления раствора с кирпичом водоудерживающая способность раствора.
Общий характер зависимости между глубиной погружения пауансона и потребными для этого нагрузками на пуансон показаны в виде выборочных данных. Можно видеть, что для различных растворов эти зависимости несколько различны. Для растворов, содержащих достаточное количество добавок и особенно для шлаковых растворов, для которых, по видимому, обезвоживание значительно менее опасно, чем для песчаных, наблюдается известная закономерность между увеличением глубины погружения пуансона и возрастанием требуемого для этого усилия. Кривая, характеризующая эту зависимость, как видно, имеет достаточно плавный вид. Для цементных же жирных растворов, не содержащих добавок, кривая, характеризующая вышеуказанные зависимости, внезапно обрывается, так как происходит отмеченное выше раскалывание слоя раствора и распадение этого слоя на несколько частей.

Рис. 7. Общий характер зависимости между глубиной погружения пуансона и потребными для этого нагрузками.

	Рис. 8—9. Связь между сопротивлением растворов вдавливанию пуансона и временным сопротивлением их сжатию.

Для некоторых из песчаных растворов, даже и содержащих в своем составе известь или глину, наблюдалось при погружении пуансона незначительное выкалывание раствора в непосредственной близости от места вдавливания. Однако это обстоятельство сравнительно мало отражается на общем характере кривой, характеризующей зависимость между глубиной вдавливания пуансона и потребной для этой нагрузкой.

На рис. 8—9 показана наблюдавшаяся в наших опытах связь между величиной усилия, необходимого для погружения пуансона в слой раствора на глубину в 5 мм, и показателями кубиковой прочности для различных растворов. При этом из рассмотрения пришлось исключить те из цементно-песчаных растворов без добавок, которые раскалывались ранее, чем пуансон успевал опуститься на глубину в 5 мм.

Как видно из рис. 8—9, в общем существует достаточно определенная связь между нагрузкой, необходимой для вдавливания пуансона на определенную глубину, и показателем кубиковой прочности раствора. Однако характер этой связи различен для случаев укладки раствора на сухой или на влажный кирпич.
Как правило, величина нагрузки, необходимая дли вдавливания пуансона в слой раствора, уложенного на сухой кирпич больше, чем для случаев укладки раствора на смоченный кирпич. Однако при укладке на сухой кирпич песчаные растворы, как уже выше было отмечено, дают мастичное выкалывание, и в них получаются трещины, расходящиеся от пункта, в который вдавливается пуансон.

Наличие известной зависимости, приведенной на рис. 143-144, показывает, что, вообще говоря, упрощенные испытания растворов с помощью оценки величины нагрузки, потребной для вдавливания пуансона того или иного вида, возможны. Известным препятствием для ручного вдавливания может послужить лишь то, что по отношению к некоторым особо прочным растворам усилие, потребнoe для непосредственного вдавливания пуансона, является весьма значительным (свыше 100 кг); однако такие растворы применяются редко.
Все же на настоящем этапе работ без дальнейших наследований возможности перехода на пуансоны других размеров и форм нельзя непосредственно использовать полученные данные для целей оценки качества раствора в шве. Полученные результаты лишь показывают, что такая задача может быть решена в частности и предлагаемым методом.

Упрощенные методы оценки качества глин

В целях упрощения приемов испытания качества глин при предварительной оценке пригодности их для цементно-глиняных растворов нами были опробованы те же самые методы, которые применяются для оценки вредных примесей в песке.
Как выше было указано, возможными вредными примесями в глине следует считать: органические примеси (в частности, гумуовые), легко растворимые соли (сульфаты и др.) и пирит.

Для установления присутствия органических примесей в основных наших работах мы пользовались данными предварительных химических анализов, производимых Научно-исследовательским институтом почвоведения. Однако метод оценки содержания глине гумуса путем количественного анализа навески глины по Киопу является достаточно громоздким и совершенно неприемлемым для полевых лабораторий. В связи с этим, параллельно с подобными определениями, нами для тех же самых навесок глины производились колориметрические пробы по тому же способу, который указан в ОСТ 3518 для определения загрязнения песка.

Для этой цели глина в измельченном состоянии подвергалась просушке при 105° до постоянного веса; после этого глина измельчалась дополнительно и просеивалась через сито с ячейками в 0,3 мм. Просеянная и просушенная глина постепенно всыпалась в мензурку, в которую предварительно был налит 3%-ный раствор едкого натра. При этом количество глины по весу бралось равным количеству раствора едкого натра. За эталон, как обычно, применялся 2%-ный раствор таннина в 10%-ном растворе алкоголя. Как видно, используемый прием имеет лишь то единственное отличие от обычно применяемого метода колориметрической пробы песка, что весовое количество испытуемой глины не устанавливается, а устанавливается лишь определенное соотношение между навеской глины и раствором едкого натра. Это изменение было сделано с той целью, чтобы полевые лаборатории имели возможность применить любую стеклянную посуду для этой пробы. Естественно, что и эталонный образец должен также находиться в посуде того же размера и того же качества стекла. Вместе с тем, как это можно видеть из сопоставления с данными, не наблюдалось достаточно хорошего совпадения между результатами колориметрической пробы и содержанием гумуса, определенным непосредственными химическими анализами.