Тема « ПОДБОР СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА» – 1 час

Бетон – это искусственный камень, полученный в результате затвердевания специально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, крупного и мелкого заполнителя и воды. В отдельных случаях могут вводиться специальные добавки. Смесь из указанных выше материалов до начала ее затвердевания называется бетонной смесью.

Бетон работает под нагрузкой как единый композиционный материал, и в формировании его прочности участвуют цементный камень (матрица), зерна заполнителя и контактный слой между ними, т.е. прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

- прочностью затвердевшего цементного камня;

- прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня (R_б) зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента (R_ц) и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В или В/Ц).

Чем выше марка цемента, тем при прочих равных условиях будет прочнее цементный камень.

Цемент при твердении химически связывает не более 20-25 % воды от своей массы. Но чтобы обеспечить необходимую пластичность цементного теста и, соответственно, подвижность бетонной смеси, необходимо брать 40-80 % воды от массы цемента. Чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой. Например, бетон на щебне, при всех прочих равных условиях, прочнее бетона на гравии. В обобщенном виде этот показатель именуется коэффициентом качества заполнителей (А).

Высказанные теоретические предпосылки были положены в основу экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от Ц/В, марки цемента и качества заполнителя и описаны уравнением:

R_б=АR_ц(Ц/В±b),где b=±0,5.

Это уравнение выражает основной закон прочности бетонаи называется формулой Боломея-Скрамтаева.

Состав бетона выражают расходом всех составляющих материалов по массе на 1 м³ уложенной и уплотненной смеси или отношение массы составляющих материалов смеси к массе цемента ,принимаемой за единицу, т.е. 1 : x : y (цемент : песок : щебень или гравий) при В/Ц = Z. Например, в первом случае состав бетона: цемента – 280, песка – 670, щебня – 1300, воды – 170 кг/м³, а во втором случае: 1:2,4:4,7 при В/Ц=0,6.

Различают два состава бетона: номинальный (лабораторный), рассчитанный для материалов в сухом состоянии, и производственный (полевой) – для материалов в естественно-влажном состоянии.

Наибольшее применение среди минеральных вяжущих веществ имеют цементы различных видов. Цементное тесто, образующееся при затворении цемента водой, обволакивает зерна песка, щебня или гравия, заполняет промежутки между зернами заполнителя и играет роль своеобразной смазки, придающей бетонной смеси необходимую подвижность. Цементное тесто, затвердевая, переходит в камневидное состояние и надежно связывает зерна заполнителя; последний образует жесткий скелет бетона и уменьшает его усадку, возникающую в результате усадки цементного камня при твердении. Структура цементного камня представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема структуры затвердевшего тяжелого бетона: 1 - цементный камень; 2 – песок; 3 – щебень.

Бетонная смесь обладает рядом свойств: удобоукладываемость (подвижность, жесткость), однородность, средняя плотность, водоцементное отношение – которые регламентируются нормативными документами и от которых в значительной степени зависит прочность и другие характеристики затвердевшего бетона. Свойства бетонной смеси обусловлены ее составом, т.е. количеством исходных компонентов, расходуемых на приготовление 1 м³ смеси.

Состав бетонной смеси определяется расчетно-экспериментальным методом подбора состава бетона. Данный метод включает два этапа: первый – расчет состава бетонной смеси; второй (экспериментальный) – приготовление пробного замеса, формование, выдержка и испытание опытных образцов.

Первый этап –расчет количества исходных компонентов бетонной смеси, которая после затворения водой и затвердевания обеспечит заданную марку бетона.

Второй этап –приготовление пробного замеса бетонной смеси, формование контрольных образцов-кубов размерами 15х15х15 см или 10х10х10 см, выдержка их в нормально-влажостных условиях 28 сут или для ускорения твердения бетона в пропарочной камере и испытание прочности в суточном возрасте после пропаривания для определения марки полученного бетона.

Расчет состава бетона

Порядок проведения опыта

Исходные данные:
- проектируемая марка бетона (R₂₈);
- требуемая удобоукладываемость бетонной смеси (ОК или Ж);
- активность цемента (R_ц);
- качество заполнителей –А - (вид, крупность, пустотность, влажность);
- истинная плотность цемента – 3120 кг/м³;
- насыпная плотность цемента – 1340 кг/м³.

Рассчитывают состав тяжелого бетона в следующем порядке:

1 .Обеспечение требуемой прочности бетона. Зависимость прочности бетона через 28 сут твердения от его состава имеет вид:R_б=АR_ц(Ц/В±0,5).

При возможности выбора марки (активности) цемента рекомендуется, чтобы его марка была в 2-2,5 раза выше требуемой прочности бетона. Меньшая разница в этих показателях ведет к увеличению расхода цемента, при большей разнице необходимо в цемент вводить тонкомолотые минеральные добавки (молотые гранулированные шлаки, золы ТЭС, молотый известняк и т.п.).

Указанная формула позволяет определить соотношение воды и цемента В/Ц, которое при данном качестве заполнителей А и данной активности цемента R_ц обеспечивает получение требуемой прочности бетона:

В/Ц = АR_ц/(R₂₈ + 0,5АR_ц) – для пластичных смесей при В/Ц ≥ 0,4.

Коэффициенты А₁ и А₂, учитывающие качество материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1– Значение коэффициентов А₁ и А₂

Характеристика заполнителей и цемента	А1	А2
Высококачественные	0,65	0,43
Рядовые	0,6	0,4
Пониженного качества	0,55	0,37

Примечание: 1. К высококачественным материалам относят щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки; заполнители должны быть чистые и фракционированные. 2. К рядовым материалам относят заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент. 3. К материалам пониженного качества относят крупные заполнители низкой прочности, мелкие пески, цементы низкой активности.

А –для рядового щебня А=0,55, для гравия А=0,5.

2. Расход воды (В) определяют, исходя из заданной удобоукладываемости (подвижности или жесткости) бетонной смеси по графикам или справочным таблицам (табл. 2) и выражают в л (кг) на 1 м³ бетонной смеси.

Таблица 2 –Определение расхода воды на 1 м³ бетонной смеси^*

Подвижность, ОК, см	Жесткость, с	Расход воды, л/м3, при наибольшей крупности заполнителя, мм
Гравий	Щебень
9…12	-
6…8	-
3…5	-
1…2	-
-	30…50				-				-
-	60…80				-				-
-	90…120				-				-
-	150…200				-				-

*Примечание. Данные табл. 1 справедливы для бетонов с расходом цемента не выше 400 кг/м³. При использовании пуццолановых цементов расход воды увеличивается на 15…20 л. При использовании мелкого песка расход воды увеличивается на 10 л.

3. Расход цемента (Ц) на 1 м³ бетонной смеси, кг:

Ц = В/ (В/Ц)

4. Расход заполнителей (песка и крупного заполнителя) рассчитывают, решая совместно два уравнения, характеризующие строение бетонной смеси.

Объем 1 м³ (1000 дм³) плотно уложенной бетонной смеси слагается из абсолютных (без воздушных пустот) объемов цемента, воды, мелкого и крупного заполнителя:

Ц/ ρ_ц + В + П/ ρ_п + Щ/ ρ_щ = 1(1),

где Ц, Щ, В – расходы соответственно цемента, щебня, воды; ρ_ц, ρ_щ, ρ_п – истинные плотности цемента, щебня, песка, кг/м³.

Пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены растворной смесью с учетом некоторой раздвижки зерен, значение которой определяется коэффициентом раздвижки:

V_n×α×Щ/ρ_нас^щ = Ц/ ρ_ц + В + П/ρ_п (2),

где ρ_нас^щ - насыпная плотность щебня кг/м³; α – коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя устанавливается по табл. 3 для пластичных смесей, а для жестких принимают равным 1,05-1,15; V_n – пустотность крупного заполнителя, выраженная в долях единицы (берут из выполненной лаб. работы по определению пустотности, которая составила 0,39…0,42).

Таблица 3 –Коэффициент раздвижки зерен^*

Расход цемента, кг	Коэффициент раздвижки зерен при В/Ц
0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
	-	-	1,26	1,32	1,38
	-	1,30	1,36	1,42	-
	1,32	1,38	1,44	-	-
	1,40	1,46	-	-	-
	1,52	1,56	-	-	-

*Примечание. При других значениях В/Ц и расхода цемента коэффициент раздвижки зерен находят интерполяцией.

Решая совместно приведенные выше уравнения, получаем формулы для определения расхода материалов (в кг на м³ бетона):

расход щебня:

Щ=ρ_ис^щ / [1+ (ρ_ис^щ/ ρ_нас^щ)×α×V_n], где

ρ_ис^щ - истинная плотность щебня кг/м³;

расход песка, кг:

П = [1 – (Ц/ρ_ис^ц + Щ/ρ_ис^щ + В/ρ_в)]× ρ_ис^п , где

ρ_ис^ц_, ρ_ис^щ_, ρ_ис^п – истинные плотности цемента, щебня, песка, кг/м³.

Теоретическая средняя плотность бетонной смеси, кг/м³:

ρ_б.с.^теор = Ц + В + Щ + П

Поправка в расчетный состав бетонной смеси с учетом влажности щебня и песка, кг:

П'=П+П×W_п/100;

Щ'=Щ+Щ×W_щ/100;

В'=В-(П×W_n/100+ Щ×W_щ/100)

Результаты расчетов сводят в табл. 3

Таблица 3 –Расход компонентов на 1 м³ бетонной смеси,кг

Расчетный состав	Производственный состав
Ц	В	Щ	П	Ц	В	Щ	П

Коэффициент выхода бетонной смеси (b):

b = 1/ (Ц/ρ_нас^ц + Щ/ ρ_нас^щ + П/ρ_нас^п) или
b = 1/(V_ц + V_п + V_щ )

Расчет ведется на сухие составляющие. Этот коэффициент необходим для пересчета количества исходных компонентов на 1 замес 1000-литрового бетоносмесителя. Значение β обычно находится в пределах 0,55-0,75.