Проектирование состава тяжелого бетона

Проектирование состава бетона заключается в определении количества исходных материалов (вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей) на 1 м³ уплотнённой бетонной смеси. От правильности проектирования состава бетона зависит его средняя плотность, которая, в свою очередь, определяет такие свойства, как прочность, водонепроницаемость, теплопроводность и морозостойкость.

В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно указывают требования к прочности бетона, его класс или марку.

Для конструкций, которые проектируют с учетом требований СТ СЭВ 1406–78, прочность бетона на сжатие характеризуется классами.

Класс бетона (В, МПа) определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяются на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В 3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В50; В55; В60.

На производстве контролируют среднюю прочность или марку бетона. Между классом бетона и его средней прочностью имеется зависимость В = R(1 – tν), где R – средняя прочность, которую следует обеспечить при производстве конструкций, МПа; t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона; ν – коэффициент вариации прочности бетона.

При переходе от класса бетона В к его средней прочности (R_б^ср, МПа), контролируемой на производстве, для образцов размерами 15×15×15 см (при нормативном коэффициенте вариации 13,5 % и
t = 0,95) следует принимать соотношение R_б^ср = В/0,778. Например, для класса В5 получим среднюю прочность R_б^ср = 6,43 МПа, а для класса В40 – R_б^ср = 51,4 МПа.

В настоящее время в ряде нормативных документов наблюдается переход от марки к классу бетона, однако для некоторых специальных конструкций остается обозначение марки бетона. Поэтому далее используются понятия как класса, так и марки бетона.

Средняя прочность, или марка, тяжелого бетона определяется пределом прочности при сжатии (МПа) стандартных бетонных кубов размерами 15×15×15 см, изготовленных из бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15…20 ^оС, относительная влажность окружающего воздуха 90…100 %). В строительстве используют следующие марки: М50, М75, М100, М150, М200, М225, М300, М350, М400, М450, М500, М600 и выше (через М100). На производстве необходимо обеспечить среднюю прочность, или заданную марку, бетона. Превышение ее допускается не более чем на 15 %, так как это ведет к перерасходу цемента.

Рациональным считается тот состав бетона, в котором расход вяжущего минимальный, а заполнителей (особенно крупных) максимальный, при условии получения плотного бетона.

Для определения состава бетона необходимо иметь исходные данные, характеризующие качество цемента и заполнителей:

1. Характеристика бетона:

• класс и марка бетона;

• удобоукладываемость бетонной смеси.

2. Характеристика заполнителей:

• гранулометрический состав;

• влажность;

• истинная и насыпная плотность;

• объем межзерновых пустот крупного заполнителя;

• наибольший размер зерен крупного заполнителя.

3. Характеристика цемента:

• марка;

• истинная плотность.

Для рационального использования цемента его марку задают в зависимости от класса бетона (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Проектная марка бетона	Марки цемента для тяжелого бетона
рекомендуемые	допускаемые
М100 М150 М200 М250 М300 М350 М400 М450 М500 М600 и выше	500, 550 550, 600 550, 600	- 300, 500 300, 500 500, 550 500, 550 550, 600 600, 400 500, 400

В случае использования цемента высокой активности для
бетонов низких марок рекомендуется применять минеральные добавки: золы-унос тепловых электростанций, доменные гранулированные шлаки, природные активные минеральные добавки.

Для определения состава обычного (тяжелого) бетона существует ряд расчетно-экспериментальных методов. Наибольшее распространение получил метод абсолютных объемов, предложенный проф. Б.Г. Скрамтаевым. В основе его 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). В соответствии с этим абсолютный объем исходных материалов в 1 м³ смеси равен единице:

где Ц, П, Щ, В – расход цемента, воды, песка и щебня на 1 м³ бетонной смеси, кг; r_ц, r_п, r_щ, r_в – истинные плотности цемента, песка, щебня и воды, кг/м³.

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

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

Подбор состава бетона методом абсолютных объемов осуществляют в три этапа:

1) предварительный расчет расхода материалов на пробные замесы;

2) корректировка состава пробных замесов;

3) определение расхода материалов на 1 м³ бетонной смеси.

Ориентировочный расход воды определяют в зависимости от заданной подвижности (жесткости) бетонной смеси и наибольшего размера зерен крупного заполнителя (табл. 2.14).

Таблица 2.14

Расход воды, л, на 1 м³ бетонной смеси

Удобоукладываемость бетонной смеси	При наибольшем размере зерен заполнителей, мм
Гравий	Щебень
Осадка конуса, см	Жесткость, с
	150...200
	90...120
	60...80
	30...50
	20…30
	15...20
2…2,5	–
3...4	–
	–
	–
	–
10…12	–

Примечание. Данные представлены для цементов с нормальной густотой теста 26…28 и песка с модулем крупности 2. При изменении нормальной густоты теста на каждый процент в меньшую сторону расход воды следует уменьшать на 3 – 5 л/м³, в большую – увеличивать на то же значение. В случае изменения модуля песка на каждые 0,5 % его значения в меньшую сторону расход воды необходимо увеличивать на 3…5 л/м³, а в большую – уменьшать на такое же количество.

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

для пластичных смесей

при Ц/В < 2,5;

для жестких смесей

при Ц/В > 2,5.

Значения коэффициентов качества заполнителей А и A₁ принимают по табл. 2.15.

Таблица 2.15

Значения коэффициентов А и А₁

Качество заполнителей	А	A1
Высокое	0,65	0,43
Среднее	0,60	0,40
Низкое	0,55	0,37

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

Расход щебня (гравия) Щ(Г) и песка на 1 м³ бетонной смеси вычисляют по следующим формулам, 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 коэффициент a зависит от расхода цемента и принимается согласно данным табл. 2.16.

Таблица 2.16

Значения коэффициента α раздвижки зерен заполнителя
для подвижных бетонных смесей

Расход цемента на 1 м3 бетонной смеси	Значения a
Бетон на гравии	Бетон на щебне
	1,34	1,3
	1,42	1,36
	1,48	1,42
	1,52	1,47

Примечание. При других значениях Ц и В/Ц коэффициент α назначают интерполяцией.

После подсчёта расхода материала на 1м³ бетонной смеси рассчитывают расход материалов на пробный замес объемом 10 дм³. Затем приготовляют три пробных замеса объёмом до 10дм³ каждый. В первом замесе значение Ц/В принимается равным расчётному, во втором – на 0,05 меньше, в третьем – на 0,05 больше. Во всех замесах подвижность (жесткость) должна быть равна заданной величине. Если во всех трёх замесах подвижность (жёсткость) бетонной смеси окажется меньше заданной, то в смесь небольшими порциями добавляют цемент и воду (5...10 % от первоначальной массы), сохраняя расчётное соотношение между ними. При получении подвижности больше заданной в смесь небольшими порциями добавляют песок и щебень, не изменяя расчетного соотношения между ними. Получив замесы бетонной смеси с заданной подвижностью (жёсткостью), из них изготовляют образцы кубической формы для определения предела прочности при сжатии (R_сж) в установленные сроки твердения. По полученным результатам испытаний строят графическую зависимость между R_сж и Ц/В. Из графика определяют фактическое значение Ц/В, обеспечивающее заданную прочность бетона.

Если для ускорения твердения использует метод ТВО, то прочность бетона составляет 70…80 % от марочной.

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

Для определения подвижности смеси используют стандартный конус, который заполняют в три приёма бетонной смесью, уплотняя каждый слой штыкованием (25 раз). После заглаживания верхней поверхности конус медленно поднимают вертикально. Подвижная смесь, освобождённая от формы, дает осадку, которая служит мерой ее подвижности. Смеси, не дающие осадку, называются жесткими. Определение жесткости производится в специальном приборе, состоящем из цилиндра, стандартного конуса, устанавливаемого в цилиндре, и диска с шестью отверстиями, укрепляемого на специальной штанге. Прибор устанавливают на виброплощадке. Конус, как и при определении подвижности, заполняют бетонной смесью, затем его снимают и на поверхность смеси устанавливают диск. Включают виброплощадку и продолжают вибрирование до тех пор, пока не начнётся выделение цементного клея из двух отверстий диска. Затраченное время в секундах является показателем жесткости.

Если удобоукладываемость окажется меньше расчётной, то корректируют состав смеси, увеличивая на 10 % количество цементного теста, не меняя водоцементного отношения (уяснить, почему), и заново ее проверяют. Если удобоукладываемость больше расчётной, то увеличивают на 10 % содержание песка и крупного заполнителя, не меняя соотношения между ними.

Для откорректированной бетонной смеси определяют среднюю плотность. С этой целью используют мерный цилиндр объёмом (V) 3-5 л. Бетонную смесь укладывают в цилиндр и уплотняют на виброплощадке. Время уплотнения принимается для жёстких смесей равным показателю жесткости, увеличенному на 30 с, а для подвижных смесей в пределах 5…30 с. Поверхность уплотненной смеси заглаживают вровень с краями цилиндра и при помощи взвешивания определяют массу (m) бетонной смеси в цилиндре (как разность масс цилиндра со смесью и пустого цилиндра). Средняя плотность (ρ_б^ф ) бетонной смеси (фактическая) рассчитывается как соотношение массы и объема.

По полученному результату можно рассчитать коэффициент уплотнения (К_упл) бетонной смеси как соотношение фактической средней плотности к теоретической, которая рассчитывается кг/л, в предположении, что бетонная смесь не содержит воздуха:
ρ_б^ф= (Ц + П + Щ+В)/1000.

По величине К_упл можно судить, хорошо ли уплотнена бетонная смесь (К>0,98) и, следовательно, правильно ли выбрана ее удобоукладываемость, Недоуплотнённая бетонная смесь (К_упл<0,93) является следствием ее недостаточной удобоукладываемости.

После определения средней плотности изготовляют стандартные образцы бетона (не менее трех) для определения его марки. Стандартные размеры образца 15×15×15 см. Разрешается использовать образцы с размерами 10×10×10 см при наибольшей крупности заполнителя до 20 мм.

Изготовленные образцы хранятся во влажных условиях в течение 28 суток и затем испытываются на прочность при сжатии. Иногда образцы бетона могут быть испытаны до истечения 28 суток. В этом случае прочность на 28-е сутки определяется по формуле Б.Г. Скрамтаева: R_сж²⁸ = (R_сжⁿ lg 28)/lg n, где n – возраст образцов в момент испытаний.

При испытании образцов с размерами менее 15×15×15 см необходимо учитывать завышение предела прочности на сжатие. Поэтому их прочность для ее приведения к прочности стандартных кубиков необходимо умножить на К = 0,85.

В случае несоответствия показателей прочности вновь проводят корректировку состава бетона путём соответствующего изменения количества цемента (уяснить, почему), затем также изготавливают и испытывают образцы.

В итоге должен быть получен окончательный состав бетона. При его корректировке подсчитывают общую массу замеса (m) и определяют её объём (V_б), учитывая фактическую среднюю плотность бетона (р_б^ф): V_б = m/ р_б^ф.

По известному расходу материалов на замес и его объёму
находят расход материалов на 1 м³ бетонной смеси:

Ц* = Ц 1000 / V_б; П* = П 1000 / V_б; Щ* = Щ 1000/ V_б,

где Ц*, П*, Щ* – окончательный расход соответствующего компонента на 1 м³ бетонной смеси, если производилась корректировка состава, кг.

Окончательный расход материалов для приготовления 1 м³ бетонной смеси записывают в виде соотношения по массе:

и по объёму:

Естественный объем каждого компонента определяют как соотношение массы компонента (кг) с его насыпной плотностью (кг/л). Зная расход материалов, определяют коэффициент выхода (β) бетонной смеси, который показывает, какой объём бетонной смеси получается из 1 м³ сухих компонентов:

β = 1000 / (V_ц^ест + V_п^ест + V_щ^ест )

По результатам испытаний образцов строятся графические зависимости:

R_б = f (В/Ц) и R_б = f (Ц/В).

Строительные растворы

Строительными растворами называют искусственные каменные материалы, полученные в результате затвердевания рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и мелкого заполнителя. Смесь этих компонентов до затвердевания является растворной смесью.

Строительные растворы классифицируются по следующим ведущим признакам: средней плотности, виду вяжущего вещества, назначению.

По средней плотности в сухом состоянии растворы подразделяются:

– на обыкновенные (тяжелые) со средней плотностью 1500 кг/м ³ и более;

– легкие, имеющие среднюю плотность менее 1500 кг/м³ .

По виду вяжущего вещества различают строительные растворы цементные, известковые и гипсовые. Строительные растворы, в состав которых входит только один вид вяжущего, называются простыми.

По техническим или экономическим соображениям в цементных растворах часть цемента заменяют известью или глиной. Такие растворы получили название смешанных (цементно-известковые, цементно-глиняные). Смешанные растворы получают также смешиванием, например, извести и гипса для ускорения твердения известковых растворов. Такие растворы называют известково-гипсовыми.

По назначению строительные растворы бывают:

– кладочные – для каменных кладок и кладки стен из крупных элементов;

– отделочные – для штукатурки, изготовления архитектурных деталей, нанесения декоративных слоев на стеновые блоки и панели;

– специальные, разновидности которых имеют узкое применение, но обладают некоторыми ярко выраженными или особыми свойствами (акустические, рентгенозащитные, тампонажные и т.д.)

Качество растворных смесей характеризуется их удобоукладываемостью, то есть способностью легко укладываться на основание тонким, равномерным по толщине и однородным по плотности слоем, прочно сцепляющимся с поверхностью. Удобоукладываемость растворных смесей зависит от их подвижности и водоудерживающей способности.