Проектирования состава обычного (тяжелого) бетона

Для определения состава бетона проектировщику должны быть известны следующие данные: класс и плотность бетона, гранулометрический состав заполнителей, объем меж зерновых пустот заполнителей, прочность, влажность, средняя и истинная плотности заполнителей, марка цемента, его средняя и истинная плотности. Удобоукладываемость бетонной смеси определяют либо опытным путем в зависимости от вида и способа формования изделия, либо выбирают из таблиц (табл. 8.1).

Таблица 8.1.

Необходимая удобоукладываемость бетонной смеси в зависимости от способа формования

Для рационального использования цемента марку цемента в зависимости от заданного класса бетона назначают следующим образом (табл. 8.2.)

Таблица 8.2.

Марка цемента в зависимости от заданного класса бетона

Указанные в табл. 8.2. верхние пределы марки цемента применяют в случае необходимости получения более подвижных бетонных смесей, а также для ускорения твердения бетона. При приготовлении жестких бетонных смесей с относительно низким В/Ц марка цемента может быть равна заданной прочности проектируемого бетона.

Если R_ц/R_б более 2,5, то расход цемента в бетоне может быть недостаточным для получения однородной бетонной смеси. В таких случаях при отсутствии цемента другой марки применяют тонкомолотые минеральные добавки к цементу. Ориентировочное количество добавки может быть рассчитано по следующей формуле:

(8.1.)

Затем рассчитанное количество добавки уточняют опытным путем.

Для определения состава обычного (тяжелого) бетона существует ряд расчетно-экспериментальных методов. Наибольшее распространение получил метод абсолютных объемов, предложенный проф. Б. Г. Скрамтаевым. В основе этого метода лежит гипотеза, предусматривающая равенство плотности уплотненной бетонной смеси и абсолютной плотности (содержащийся в уплотненной бетонной смеси небольшой объем воздушных пор условно во внимание не принимается). Согласно этому условию абсолютный объем исходных материалов в 1 м³ уплотненной бетонной смеси равен единице:

(8.2.)

Где Ц, В, П, Щ – расходы цемента, воды, песка и щебня на 1 м³ бетонной смеси, т; ρ_ц, ρ_п, ρ_щ – истинные плотности цемента, песка и щебня, т/ м³.

Одним из условий, принятых в методе абсолютных объемов, является то, что цементно-песчаный раствор расходуется на заполнение объема меж зерновых пустот крупного заполнителя с некоторой раздвижкой его зерен. Это условие обозначается следующим уравнением:

V_пk_раз, (8.3.)

Где Р_нщ – насыпная плотность щебня, кг/м³; V_п – объем межзерновых пустот щебня (в долях единицы); К_раз – коэффициент раздвижки зерен заполнителя (коэффициент избытка раствора).

Подбор состава бетона методом абсолютных объемов разделяется на три этапа: 1) предварительный расчет расхода материалов на пробные замесы; 2) корректировка состава пробных замесов; 3) определение расхода материалов на 1 м³ бетонной смеси.

Проектирование состава бетона по этапам производят в такой последовательности.

Из готовых таблиц или графиков определяют ориентировочный расход воды в зависимости от заданной подвижности (жесткости) бетонной смеси и наибольшего размера зерен крупного заполнителя (табл. 8.3.)

Таблица 8.3.

Ориентировочные расходы воды на 1 м³

Примечания: 1. Таблица составлена для средних песков с водопотребностью 7%. При водопотребности песка менее 7% расход воды уменьшается на 5 дм³ /м³ на каждый процент снижения водопотребности; при водопотребности песка более 7% расход воды увеличивается на 5 дм³/м³ на каждый процент повышения водопроводности. 2. При использовании пуццолановых портландцементов расход воды увеличивается на 15…20 дм³/м³. 3 При водопотребности щебня (гравия) более 1,5% расход воды увеличивается соответственно. 4 Данные таблицы справедливы в пределах расхода цемента до 350…400 кг/м³.

Затем из формулы прочности бетона определяют значение Ц/В. Для этого используют формулу Боломея-Скрамтаева:

R^и₂₈=AR_ц (Ц/В – 0,5) при Ц/В < 2.5; (8.4.)

R^и₂₈=А₁R_ц (Ц/В + 0,5) при Ц/В > 2.5. (8.5.)

Значения коэффициентов А и А₁ принимают по табл. 8. 4.

Таблица 8.4.

Значения коэффициентов А и А₁

Так как значение Ц/В заранее проектировщику неизвестно, то формулу (9. 4.) рекомендуют использовать в следующих случаях:

Если А = 0,65, то при R_б ≤ 1.3 R_ц

» А = 0,60,»» R_б ≤ 1.3 R_ц

» А = 0,55,»» R_б ≤ 1.1 R_ц.

При необходимости получения бетона более высокого класса, чем указано выше, рекомендуется использовать формулу (8.5.)

Более правильные результаты получаются при использовании формулы, предложенной во ВНИИжелезобетона:

R^и₂₈ = 0,1 [(0,23 R_ц + 100) Ц/В - 80], МПа при Ц/В ≤ 2,5; (8.6)

R^и₂₈ = 0,1 [(0,23 R_ц + 100) Ц/В – 80] (1 - ∆R_б), МПа при Ц/В > 2,5. (9.7)

Значения ∆R_б принимают согласно табл. 8.5.

Таблица 8.5.

Значения ∆R_б в зависимости от марки цемента

После определения значения Ц/В вычисляют расход цемента на 1 м³ бетонной смеси, кг:

Ц = (Ц/В) В. (8.8.)

Расход щебня (гравия) и песка на 1 м ³ бетонной смеси вычисляют по следующим формулам, кг:

; (8.9.)

(8.10.)

где Ц, В, Щ, П – расход цемента, воды, щебня (гравия), песка на 1000 дм³ бетонной смеси, кг.

Значения коэффициента раздвижки зерен для умеренно жестких бетонных смесей принимаются равными 1,15 1,2, а для жестких бетонных смесей – 1,05 1,1. Для подвижных бетонных смесей значения К_раз зависят от расхода цемента и принимаются согласно данным табл. 8.6.

Таблица 8.6.

Значения коэффициента раздвижки зерен заполнителя К_раз для подвижных бетонных смесей

Примечание. В таблице приведены значения К_раз для песков средней крупности с водопроводностью 7%. При использовании мелких песков с водопроводностью более 7% значения К_раз снижаются на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности; при использовании крупных песков с водопроводностью менее 7% значение К_разувеличивается на 0,03 на каждый процент снижения водопотребности.

После подсчета расхода материалов на 1 м³ бетонной смеси рассчитывают расход материалов на пробный замес объемом 10 дм³. Затем приготовляют три пробных замеса объемом по 10 дм³. В первом замесе значение Ц/В принимается равным расчетному, во втором – на 0,05 меньше, а в третьем – на 0,05 больше. Во всех трех замесах подвижность (жесткость) бетонной смеси должна быть равна заданной величине. Если подвижность смеси окажется меньше заданной, то в смесь небольшими порциями добавляют 5 10% от первоначальной массы цемент и воду, сохраняя расчетное соотношение между ними. При получении подвижности больше заданной в смесь небольшими порциями добавляют песок и щебень, не изменяя расчетное соотношение между ними.

Получив замесы бетонной смеси с заданной подвижностью (жесткостью), из них изготовляют образцы кубической формы для определения предела прочности при сжатии в установленные сроки твердения. По полученным результатам испытаний строят графическую зависимость между прочностью бетона и Ц/В. Из графика определяют фактическое значение Ц/В, обеспечивающее заданную прочность бетона.

Затем, исходя из найденного значения Ц/В, пересчитывают расход цемента, песка и щебня (гравия) на 1 м³ бетонной смеси.

Следует отметить, что при известной графической зависимости Ŕ_б=f (Ц/В) для конкретных материалов в лаборатории отпадает необходимость постановки вышеприведенных опытов. В таком случае приготовляют один пробный замес для корректировки состава по заданной подвижности (жесткости).

При поступлении на завод новой партии заполнителей возникает необходимость определения оптимального соотношения между мелким и крупным заполнителями. В этом случае при подборе состава бетона количество пробных замесов доводят до девяти. Приготовляют три серии пробных замесов, отличающихся по значению Ц/В, и в каждой серии по три замеса, отличающихся между собой по соотношению мелкого и крупного заполнителей.

Соотношение между мелким и крупным заполнителями варьируют путем изменения значения коэффициента раздвижки зерен. В одном из замесов значения К_раз принимают из таблицы в зависимости от расхода цемента, во втором – на 10 15% больше, а в третьем – 10 15% меньше. При этом во всех пробных замесах подвижность (жесткость) смеси должна быть равна заданной.

Из каждого замеса изготовляют не меньше трех образцов-кубов, оставляют на твердение по заданному режиму и определяют пределы прочности при сжатии. Оптимальным считается состав, обеспечивающий заданные свойства бетонной смеси и бетона при минимальном расходе цемента.

Затем определяют среднюю плотность бетонной смеси ρ_см, кг/дм³, оптимального состава путем уплотнения ее способом, принятым при производстве данного вида изделий:

(8.11.)

где m_см – масса уплотненной бетонной смеси в форме, кг; V_фор – объем формы, дм³.

При этом разница между фактической и расчетной плотностью бетонной смеси не должна превышать 2%.

После этого определяют фактический объем полученной бетонной смеси V_ф, дм³, при приготовлении пробного замеса:

(8.12.)

где Σ_m – сумма масс всех исходных материалов, израсходованных на приготовление пробного замеса, кг; - фактическая средняя плотность бетонной смеси, кг/дм³.

Фактический расход исходных материалов на 1 м³ уплотненной бетонной смеси определяют по следующим формулам:

; ; ; , (8.13.)

где Ц_ф, В_ф,Щ_ф П_ф – фактические расходы цемента, воды, щебня (гравия) и песка на 1 м³ бетонной смеси, кг; ц, в, щ, п – фактические расходы цемента, воды, щебня, песка на пробный замес, кг.

Затем определяют коэффициент выхода бетонной смеси, который означает отношение объема бетонной смеси к сумме объемов цемента, песка и щебня (гравия). По значению коэффициента выхода судят об экономичности его состава, и чем выше значения этого коэффициента, тем экономичнее бетона:

(8.14.)

где V_ц, V_п, V_щ – объемы цемента, песка и щебня, израсходованные на приготовление пробного замеса, дм³; ρ_оц, ρ_оп, ρ_ощ – насыпная плотность цемента, песка и щебня, кг/дм³.

Из бетонной смеси оптимального состава изготовляют контрольные образцы для испытания на сжатие в установленные сроки.

Результаты опытов записывают в табл. 8.7, 8.8, 8.9.

Таблица 8.7.

Результаты испытания образцов

Таблица 8.8.

Показатели подбора состава бетона

Класс бетона

Удобоукладываемость бетонной смеси

Марка цемента

Истинная и насыпная плотность цемента

Истинная и насыпная плотность песка

Истинная и насыпная плотности щебня (гравия)

Наибольший размер зерен щебня, мм

Пустотность щебня, %

Водопотребность песка, %

Влажность заполнителей, %

№ пробных замесов

Расход материалов на замес объемом 10 дм3, кг

Wп

Wщ

Ц

В

П

Щ

Ц

В

П

Щ

Ц/В

Таблица 8.9.

Определение оптимального состава бетона