Постановка задачи и исходные данные

Необходимо спроектировать состав бетона для каждой из трёх зон сооружения, исходя из требований, приведённых в таблице 1.

Таблица 1. Требования к проектированию бетона

Сооружение расположено в открытом водоеме. Химический состав воды приведен в табл. 2. Температура окружающего воздуха t_ext =-5,4°C.

Таблица 2. Химический состав воды-среды

1. Выбор материала для бетона

В нашем случае для зоны I следует использовать портландцемент марки 550. Здесь можно было бы использовать более дешевый шлакопортландцемент, однако, его марка не превышает 500, что при высокой требуемой прочности бетона (В35) менее рационально.

2.1 Оценка агрессивности воды-среды

Для зон II и III выбор цемента производим после оценки агрессивности воды-среды.

Оценку агрессивности воды-среды производят согласно СНиП 2.03.11-85. Цемент для бетона из каждой зоны выбирают, руководствуясь результатами оценки агрессивности воды-среды и рекомендациями, приведёнными в приложении СНиП 2.03.11-85.

Таблица 3. Оценка агрессивности воды-среды

Вывод 1. Вода агрессивна в общекислотной коррозии в отношении двух марок бетона W6 и W8 по водонепроницаемости. Этот вид коррозии опасен для всех видов цемента. Процесс общекислотной коррозии описывается уравнением:

Ca(OH)2 +2HСl = CaCl2 + 2H2O

Хлористый кальций хорошо растворим, и легко вымывается из бетона. Это ведет к исчезновению из бетона кристаллического сростка Ca(OH)2.

В качестве меры борьбы с данным видом коррозии применим устройство гидроизоляции.

Вывод 2. Вода агрессивна по сульфатной коррозии для бетона II зоны при использовании портландцемента и шлакопортландцемента и III зоны при использовании портландцемента. Шлаковый и пуццолановый портландцементы применяют в подводной зоне, от которой не требуется высокой прочности или морозостойкости, но зато необходимы высокая коррозийная стойкость и пониженное тепловыделение. Во II зоне применим шлакопортландцемент. В надводной зоне бетон должен быть морозостойким, поэтому здесь можно применять только портландцемент или сульфатостойкий портландцемент. Применим в надводной зоне портландцемент. В соответствии с классом бетона по прочности (табл.) требуется цемент марок 400 и 500 для подводной и надводной зоны сооружения соответственно. В силу вышесказанного в этих зонах следует применять шлакопортландцемент и портландцемент соответственно с использованием полимерной окрасочной гидроизоляции: эпоксидно-дегтевая гидроизоляция – против общекислотной коррозии и применением мер защиты от сульфатной коррозии.

2.2 Материалы для бетона

Выбор крупного и мелкого заполнителя был произведен в соответствии с заданием на проектирование. Выбор марки цемента и вида заполнителя (для бетона I зоны) был произведен по таблице П.2 «Рекомендации по выбору марки цемента и вида заполнителей», стр.144 [1].

Окончательно принятые материалы для приготовления бетона приведены в таблице 4.

Таблица 4. Материалы для бетона

Таблица 1. Требования к проектированию бетона

1. Определение параметров состава бетона I зоны

3.1а) Определение водоцементного отношения с помощью формулы Боломея

Для обычных бетонов (марок ниже М500-М550) в интервале Ц/В от 1,4 до 2,5 (В/Ц от 0,4 до 0,71) формула Боломея имеет вид:

R28 = К*Rц*(Ц/В – 0,5)

Для высокопрочных бетонов при Ц/В в пределах от 2,5 до 3,3 (В/Ц от 0,3 до 0,4):

R28 = К*Rц*(Ц/В + 0,5)

где R28 – прочность бетона в возрасте 28 дней, Rц - активность цемента, К – коэффициент, учитывающий вид и качество заполнителей, в нашем случае К при промытом щебне равен 0,65.

Активность цемента марки 550 Rц = 42,5 МПа.

Прочность бетона В35 в возрасте 28 дней составляет R 28=35/0,78= 44,9 МПа

Отсюда найдем Ц/В:

Ц/В – 0,5 = R28/ (К*Rц)

Ц/В = 44,9/(0,65*42,5)+0,5 = 2,12

Следовательно, В/Ц = 0,47

3.1б) Определение водоцементного отношения

Используя выбранные материалы, описанные выше, устанавливаем зависимость прочности бетона при сжатии от водоцементного отношения R 28= f (В/Ц), для чего готовим несколько бетонных смесей с различным В/Ц и постоянными Ц и r (Ц=250 кг/м³ и r=0,35). Из каждой бетонной смеси изготовляем образцы-кубы, которые храним в стандартных условиях и испытываем на прочность при сжатии в возрасте 28 суток. Результаты испытаний на сжатие бетона с различным водоцементым отношением и с постоянными значениями расхода цемента и доли песка (Ц=250 кг/м³ и r=0,35) приведены в таблице П.7, стр.147 [1]. Так как в виде крупного заполнителя используется промытый щебень, то в соответствии с примечанием к табл. П.7, прочность бетона увеличиваем на 18,2 %.

Пример вычислений:

Марка цемента для бетона I зоны – 550.

В/Ц = 0.40

По таблице П.7, стр.147 [1], предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 суток, R28= 54.2 МПа.

Так как в виде крупного заполнителя используется промытый щебень:

R’28 = 1.182*R28= 1.182*54.2 = 64.1 МПа.

Результаты испытаний сводим в табл. 6.

Таблица 6. Результаты испытаний бетона на сжатие в возрасте 28 суток.

По данным табл. 6 строим график (рис.2.) и определяем искомое В/Ц. Среднее значение прочности для заданного класса бетона (В35) составляет:

R _зад=35/0,78= 44,9 МПа.

Результат округляем до сотых долей и получаем В/Ц= 0,50

Рис.1 График для определения В/Ц

3.2 Определение оптимальной доли песка rопт

Из выбранных материалов готовим 7 бетонных смесей с различным r (от 0,30 до 0,50). Остальные параметры сохраняем постоянными: В/Ц=0,50 (найдено ранее); расход цемента принимаем произвольно (пусть предварительно Ц=300 кг/м³). Устанавливаем зависимость ОК= f (r), для чего определяем ОК каждой бетонной смеси. ОК бетонной смеси в зависимости от r при Ц = const (Ц=300 кг/м³) и В/Ц = const (В/Ц=0,50) определяем по табл. П.8, стр.148 [1]. В таблице есть нужное нам водоцементоное отношение В/Ц=0,50. Результаты определения заносим в табл. 7.

Таблица 7. Результаты определения подвижности бетонной смеси в зависимости от r.

По данным табл. 7 строим график зависимости ОК= f (r) (рис.3), по которому определяем r опт, как значение, соответствующее наибольшей осадке конуса.

Рис. 3 ОК в бетонной смеси в зависимости от r при Ц=const и В/Ц = const

Из графика видно, что для наибольшей осадке конуса, ОК =5,1 см, соответствует rопт = 0,348. Округляем значение до сотых, получаем rопт = 0,35. Данное значение является предварительным и должно быть уточнено при фактическом расходе цемента.

3.3 Определение количества цемента

Опыт состоит в затворении 9 бетонных смесей, отличающихся расходом цемента. Смеси должны иметь одинаковые В/Ц и r, найденные выше. Определяют ОК каждой смеси и по данным опыта строят график ОК = f(Ц). Результаты экспериментального определения осадки конуса бетонной смеси в зависимости от расхода цемента определяем по табл. П.6, стр.146 [1].

Водоцементное отношение: В/Ц = 0,50;

Доля песка: rопт = 0,35;

Таблица 8. Результаты экспериментального определения осадки конуса бетонной смеси в зависимости от расхода цемента

По данным табл. 8 строим график зависимости ОК= f (Ц) (рис.4), по которому определяем Ц, как значение, соответствующее заданной осадке конуса ОК = 1 см.

Рис.4. График зависимости ОК= f (Ц)

Из графика видно, что при ОК = 1 см, Ц = 125 кг/м³.

3.4 Уточнение параметров оптимальной доли песка и цемента

При определении rопт был предварительно принят Ц=300 кг/м³ , однако, фактически получено 125 кг/м³. Для уточнения rопт повторяем испытания бетонных смесей с Ц= 125 кг/м³.

Результаты определения заносим в табл. 9.

Таблица 9.Уточненные результаты определения подвижности бетонной смеси в зависимости от r

Рис.5. График зависимости ОК= f (r)

Из графика видно, что для наибольшей осадке конуса, ОК =2,1 см, соответствует rопт = 0,42.

Учитываем теперь значение Ц при rопт = 0,42. Для этого готовим и испытываем на подвижность несколько бетонных смесей с уточненным значением rопт, прежним В/Ц = 0,50 и различным расходом цемента.

Результаты экспериментального определения осадки конуса бетонной смеси в зависимости от расхода цемента определяем по табл. П.6, стр.146 [1].

Водоцементное отношение: В/Ц = 0.50;

Доля песка: rопт = 0.42;

Результаты заносим в табл.10.

Таблица 10. Уточненные результаты экспериментального определения осадки конуса бетонной смеси в зависимости от расхода цемента

По данным табл. 10 строим график зависимости ОК= f (Ц) (рис.6), по которому определяем Ц, как значение, соответствующее осадке конуса ОК = 1 см.

Рис.6. График зависимости ОК= f (Ц)

Из графика видно, что при ОК = 1 см, Ц = 88 кг/м³. Таким образом, в результате уточнения rопт получена экономия цемента в 37 кг/м³.

3.5 Запроектированный состав бетона I зоны методом абсолютных объемов

Запроектированный состав бетона характеризуется следующими параметрами:

Расход цемента Ц = 88 кг/м³;

Доля песка в смеси заполнителя r опт = 0,42;

Водоцементное отношение В/Ц = 0,50.

Подсчитаем расход материалов на 1 м³ бетона методом абсолютных объёмов при ρц=3,15 г/см³, ρв=1,00 г/см³, ρп=2,77 г/см³, ρкр=2,68г/см³. Принимаем объём тщательно уплотнённой смеси равным сумме абсолютных объёмов составляющих её материалов.

Решаем систему:

В = (В/Ц)*Ц = 0,50*88 = 44 кг/м³

П + Кр =1059+1462= 2521 кг

Т.о. для приготовления 1 м³ бетона необходимо взять:

Цемент – 88 кг/м³;

Вода – 44 кг/м³;

Песок – 1059 кг/м³;