Расчет состава бетонной смеси с заданными свойствами

ИСПЫТАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ И

СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

Методические указания

к лабораторным работам

для студентов

Казань

Составители: М.Г. Габидуллин, Д.С. Смирнов

УДК 691:620

Проектирование составов и испытание тяжелых бетонов и строительных растворов. Методические указания к лабораторным работам по строительным материалам. КГАСА; Сост.: М.Г. Габидуллин, Д.С. Смирнов. Казань, 2003. – 39 с.

Табл. 9, илл. 6, библиогр. 16 наим.

Рецензент: доцент кафедры ТСМиК

Низамов Р.К.

Ó Казанская государственная

архитектурно-строительная

академия, 2002

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ И

ИСПЫТАНИЕ БЕТОНОВ

ГОСТ I0I8I.0-8I — ГОСТ I0I8I.4-8I.

ГОСТ I0I80.0-90 (СТ СЭB 3978-83).

ГОСТ I8I05.0-86 (с изм.) — ГОСТ I8I05.2-86 (с изм.).

Определение и классификация бетонов

Бетоном называется искусственный камень, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка, щебня или гравия).

Классифицируют бетоны по главнейшим признакам /1/:

- средней плотности (особо тяжелый r₀ > 2500 кг/м³; тяжелый r₀ = I800-2500 кг/м³; легкий r₀ =500-I800 кг/м³; особо легкий (r₀ > 500 кг/м³);

- виду вяжущего: цементные, силикатные, гипсовые, бетоны на органических вяжущих – асфальтобетоны и полимер (пласт-) бетоны;

- прочности (марки 100, 150, 200, 250, 300, 400, 450, 500, 600);

- морозостойкости (F 10, 15, 35, 50, I00, 150, 200, 300);

- назначению (обычный, гидротехнический, для полов, дорожных покрытий и оснований; для зданий и легких покрытий, кислотоупорный, жароупорный и специального назначения).

Свойства бетонов

Свойства бетонов характеризуются /1/ пределом прочности при сжатии и изгибе, плотностью, проницаемостью для газов и жидкостей, морозостойкостью, усадкой и расширением, огнестойкостью и жароупорностью, стойкостью в агрессивных средах, стойкостью к истиранию. Прочность бетона характеризуют марками.

Маркой бетона называется установленное стандартами значение предела прочности (в 0,1 MПa, 1 кгс/см²) бетонных кубиков размером 15x15x15 см в возрасте 28 суток, твердевших при нормальных условиях твердения (относительная влажность не менее 95%, температура 20 + 2°С).

При определении прочности бетона испытанием кубиков других размеров, а также цилиндров учитывают масштабный фактор и влажность образцов /9/.

Размеры образцов в зависимости от наибольшей крупности заполнителя в пробе бетонной смеси приведены в табл. 1.

Образцы изготовляют сериями. Серия должна состоять не менее, чем из двух образцов.

Напряжение в образце должно возрастать непрерывно с постоянной скоростью: (0,6 + 0,4 МПа), (6 + 4) кгс/см² в секунду до его разрушения. При испытании на осевое растяжение, а также при испытании образцов – призм на растяжение при изгибе – (0,05 + 0,02) МПа, (0,5 + 0,2) кгс/см².

Таблица 1

Наибольший размер заполнителя, мм	Наименьший размер образца (ребро куба, сторона поперечного сечения призмы или восьмерки, диаметра и высоты цилиндра), мм

Прочность бетона определяется путем испытания образцов. Форма и размеры образцов в зависимости от вида испытания бетона, приводятся в табл. 2.

Таблица 2

Метод	Форма образца	Размеры образца, мм
Определение прочности на сжатие и на растяжение при раскалывании	Куб	Длина ребра: 100; 150; 200; 300
Цилиндр	Диаметр d: 100; 150; 200; 300 Высота h, равная 2d
Определение прочности на осевое растяжение	Призма квадратного сечения	100Х100Х400 150Х150Х600 200Х200Х800
Цилиндр	Диаметр d: 100; 150; 200; 300 Высота h, равная 2d
Определение прочности на растяжение при изгибе и при раскалывании	Призма квадратного сечения	100Х100Х400 150Х150Х600 200Х200Х800

При определении прочности на осевое растяжение допускается применять образцы восьмерки по рис. 1 и табл. 3.

Рис. 1. Образец восьмерка.

Таблица 3

Обозначение Размера	Значение при поперечном сечении образца, мм
70Х70	100Х100	150Х150	200Х200
a
b
l
l1
l2
l3

За базовый принимают образец размерами рабочего сечения – 150 х 150 х 150 мм. Перед изготовлением образцов внутренние поверхности форм покрывают тонким слоем смазки, не оставляющей пятен на поверхности образцов. Образцы перед испытанием должны в течение 2-4 часов, находиться в помещении.

Прочность бетона, МПа (кгс/см²), следует вычислять с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см²) при испытаниях на сжатие и до 0,01 МПа (0,1 кгс/см²) при испытаниях на растяжение для каждого образца по формулам:

на сжатие

(1)

на осевое растяжение

(2)

на растяжение при раскалывании

(3)

на растяжение при изгибе

(4)

где F – разрушающая нагрузка, Н (кгс); А – площадь рабочего сечения образца, мм² (см²); a, b, l – соответственно ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между опорами при испытании образцов на растяжение при изгибе, мм (см); a, b, g, d – масштабные коэффициенты для приведения прочности бетона к прочности бетона в образцах базовых размера и формы; k_w – поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитываю­щий влажность образцов в момент испытания.

Допускается значения масштабных коэф­фициентов a, b, g и d для отдельных видов бетонов принимать по табл. 4.

Таблица 4

Форма и размеры образца, мм	Масштабные коэффициенты
Сжатия a, всех видов бетонов, кроме ячеистого	Растяжения при раскалывании g	Растяжения при изгибе тяжелого бетона d	Осевого растяжения b
тяжелого бетона	мелкозер-нистого бетона
Куб (ребро) или квадратная призма (сторона)	0,85	0,78	0,87	0,86	0,85
	0,95	0,88	0,92	0,92	0,92
	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
	1,05	1,10	1,05	1,15	1,08
	1,10	–	–	1,34	–
Цилиндры (диаметр Х высота) 100Х200	1,16	0,98	0,99	–	–
150Х300	1,20	1,13	1,08	–	–
200Х400	1,24	–	–	–	–
300Х600	1,28	–	–	–	–

Примечания:

1. Для ячеистого бетона со средней плотностью менее 400 кг/м³ масштабный коэф­фициент a следует принимать равным 1,0 независимо от размеров и формы образцов.

2. Для ячеистого бетона со средней плотностью 400 кг/м³ и более масштабный коэффициент a для выбуренных цилиндров диаметром и высотой 70 мм и выпилен­ных кубов с ребром длиной 70 мм принимают равным 0,90, а для цилиндров диамет­ром и высотой 100 мм и кубов с ребром длиной 100 мм – равным 0,95.

3. Применение экспериментальных масштабных коэффициентов a, b, g и d по приложению 11, отличающихся от единицы в сторону увеличения или уменьшения более, чем это указано в табл. 5 для отдельных видов бетонов и размеров образцов ¾ не допускается.

Значения коэффициента k_w, для ячеистого бетона принимают по табл. 5. Коэффициент k_w при промежуточных значениях влажности бетона определяют по линейной интерполяции. Для других видов бетона прини­мают k_w равным единице.

Таблица 5

Влажность ячеистого бетона по массе в момент испытания w, %	Поправочный коэффициент kw	Влажность ячеистого бетона по массе в момент испытания w, %	Поправочный коэффициент kw
	0,8		1,05
	0,9		1,10
	1,0	25 и более	1,15

Прочность бетона (кроме ячеистого) в серии образцов определяют как среднее арифметическое значение в серии:

из двух образцов — по двум образцам;

из трех образцов ¾ по двум наибольшим по прочности образцам;

из четырех образцов — по трем наибольшим по прочности образцам.

из шести образцов — по четырем наибольшим по прочности образцам.

При необходимости определения прочности бетона в любом возрасте используется экспериментальная логарифмическая формула проф. Б.Г. Скрамтаева.

R_n = R₂₈ × lg n / lg 28, (5)

где R_n – прочность бетона в любом возрасте (формула справедлива при n > 3), кгс/см²; R₂₈ – прочность бетона (марка) в возрасте 28 суток.

1.3. Классы бетонов

Постановлением Госстроя СССР с I января I983 года введен СТ СЭВ I406-78. В этом стандарте прочность характеризуется не маркой (М), а классом (В). Марка бетона в старом понятии потеряла физический смысл. Известно, что до последнего времени марка бетона определялась испытанием эталонных образцов – кубов с размером ребер 150 х 150 х 150 мм. Марочная прочность не гарантировала соответствующей прочности бетона в изделиях, изготавливаемых на предприятиях, не обеспечивала требований к условиям производства. Статистический метод контроля прочности бетона позволяет достичь постоянства принятых при расчете конструкций нормативных сопротивлений (прочности) бетона.

При статистическом методе контроля требования к прочности бетона назначаются с учетом фактической однородности прочности, характеризуемой величиной коэффициента вариации прочности бетона. При этом на предприятиях с высокой культурой производства, изготавливающих и применяющих бетон с высокой однородностью, появляется возможность снизить требуемую прочность по сравнению с нормируемой (классом) с соответствующим сокращением расходов цемента или улучшением других технико-экономических показателей, т.е. при реализации нормативного сопротивления бетона появляется заинтересованность в повышении культуры и совершенствовании технологии производства (за счет снижения коэффициента вариации V).

Таким образом, переход от марок к классам по прочности на сжатие и растяжение является прогрессивным шагом в системе нормирования и реализации фактических показателей бетона. Классы бетона, обозначаемые символом В, отвечают его гарантированной прочности с обеспеченностью (доверительной вероятностью 0,95) и численно равны его нормативным сопротивлениям. А марка бетона отвечает его средней прочности.

Класс бетона определяется по формуле 6:

В = М (1 – 1,64 × V), (6)

где В – класс бетона, М – марка бетона (средняя прочность); V — коэффициент вариации (изменчивости) бетона. Для тяжелого бетона V = 0,I35.

Установлена следующая шкала классов по прочности на сжатие: В I; В I,5; В 2; В 2,5; В 3,5; В 5; В 7,5; В I0; В I2,5; В I5; В 20; В 25; В 35; В 40; В 45; В 50; В 55 и В 60.

Допускается изменение бетонов промежуточных классов В 22,5, В 27,5 (при условии, если это приводит к экономии цемента по сравнению с применением бетона соответственно классов В 25 и В 30). Действующая шкала классов бетона по прочности не совпадает с ранее действующей шкалой марок бетона по прочности бетона на сжатие.

Например, М 15 — В I; М 25 — В 2.

Условная марка бетона (М) определяется по формуле 7:

М = В / (0,980665 × (1 – 1,64 × V), (7)

где В – численное значение класса бетона МПа; 0,980665 — переходный коэффициент от МПа к кгс/см²; V – номинальное значение коэффициента вариации прочности бетона.

Контроль прочности бетона проводится статистическим методом, позволяющим достичь постоянства принятой при расчете конструкции обеспеченности нормативных сопротивлений бетонов (классов).

Статистический метод контроля позволяет учитывать фактическую однородность прочности, которая характеризуется величиной коэффициента вариации прочности бетона. При достижении предприятием или стройплощадкой высокой однородности прочности бетона требуемая прочность бетона по сравнению с нормируемой должна быть снижена с соответствующим уменьшением расхода цемента.

При изготовлении единичных конструкций, когда нет возможности получить необходимое число результатов для статистических характеристик, допускается нестатистический метод контроля прочности бетона.

Однородность прочности бетона характеризуется среднеквадратическим отклонением S и коэффициентом вариации V. Определение показателей однородности прочности бетона приводится отдельно для каждого технологического комплекса. В технологический комплекс объединяются две или несколько технологических линий на предприятиях сборного железобетона или секций на бетонных заводах при условии, если средние значения коэффициентов вариации по партиям отличаются не более чем на 12 %, разность между максимальным и минимальным значениями коэффициента вариации – не более 2 %, а средняя прочность между максимальным и минимальным значениями – не более 5 %.

К одному технологическому комплексу могут относиться бетоны одного класса (марки), отличающиеся наибольшей крупностью заполнителей, подвижностью (жесткостью) бетонной смеси не более чем в два раза и расходом цемента не более чем на + 15 % от среднего значения.

Средняя прочность бетона в партии`R вычисляется как среднее арифметическое значение результатов единичных испытаний по формуле 8:

n

`R = S R_i / n,(8)

i = 1

где `R – единичный результат (средняя прочность бетона серии образцов, конструкции или участка конструкции); n – число единичных результатов (серий образцов, конструкций или участков конструкций).

Среднее квадратическое отклонение для партии бетона или отдельно принимаемой конструкции вычисляется по формуле 9:

n

S = S (R_i –`R)² / (n – 1) .(9)

i = 1

Коэффициент вариации прочности бетона в процентах в партии или в отдельной конструкции вычисляется по формуле 10:

V = (S /`R) × 100. (10)

Прочность бетона может быть определена также и ускоренным методом путем прогревания по определенному режиму образцов. При определении прочности бетона могут быть применены и неразрушающие методы: с помощью ультразвука /12/ , эталонного молотка Кашкарова /13/, метод ускоренного определения на сжатие /14/.

Морозостойкость бетона характеризуется наибольшим числом циклов попеременного замораживания при температуре минус 18 + 2°С и оттаивании при температуре плюс 15-20°С, которые способны выдерживать образцы 28-суточного возраста без снижения предела прочности более чем на 5 % по сравнению с контрольными образцами и потери массы более 3 % (для дорожного бетона) /8/.

Морозостойкость бетона может быть определена и ускоренными методами – по накоплению остаточных деформаций, замораживанию при температуре минус 50 + 2°С и по "компенсационному" фактору /8/.

Водонепроницаемость бетона характеризуется наибольшим давлением воды, при котором она еще не просачивается через образцы и обозначается В-2, В-4, В-6 и т.д. /11/.

Расчет состава бетонной смеси с заданными свойствами

Подбор состава сводится к установлению рационального соотношения между составляющими материалами бетона, определению номинального состава и корректировке рабочего состава, расчету и передаче в производство рабочих дозировок. Подобранный состав должен обеспечить заданную подвижность (удобоукладываемость), прочность бетона при минимальном расходе цемента.

До начала расчета необходимо проверить качество всех исходных материалов. Наиболее прост и удобен расчет по методу абсолютных объемов, предложенный профессором Б.Г. Скрамтаевым, Расчет ведется на I000 литров бетонной смеси. Удобнее показать его на примере.

З а д а н и е: подобрать состав бетона для железобетонного монолитного перекрытия в промышленном здании. Конструкция особо насыщена арматурой. Содержание арматуры – более 1%, минимальное расстояние между стержнями арматуры – 60 мм. Толщина плиты 100 мм, наименьшее измерение балок – 200 мм. Марка бетона "200" (принимается по чертежам конструкции). Пластичность бетонной смеси можно принять по таблице в зависимости от размеров конструкции и густоты армирования.

Таблица СНиПа рекомендует бетон пластичностью 5-8 см. Наибольшая крупность заполнителя может быть принята не более 1/2 толщины плиты, 1/3 наименьшего измерения балок и более 3/4 расстояния между стержнями арматуры в свету.

Следовательно, наибольшая крупность гравия может быть принята 40 мм (45 мм).