Расчет лабораторного состава бетона

 

Расчет лабораторного состава бетона производится по методу абсолютных объемов. Согласно этому методу, расход всех четырех компонентов бетонной смеси должен быть таким, чтобы сумма их абсолютных объемов составляла 1000 л (при этом не учитывается небольшой объем вовлеченного воздуха):

(5.8)

где Ц, В, П, Щ – соответственно расход цемента, воды, песка и щебня, кг.;

ρ_ц, ρ_п, ρ_щ – соответственно истинная плотность цемента, песка и щебня

Расходы материала определяются в следующем порядке:

1) Вычисляется цементно-водное отношение из формулы (5.5), отражающей основной закон прочности бетона(если Ц/В менее 2,5):

(5.9)

Если Ц/В > 2,5, что характерно для высокопрочных бетонов, то для расчета используется формула (5.7), из которой следует:

(5.10)

Если к бетону предъявляются дополнительные требования по морозостойкости, водонепроницаемости, то полученные значения Ц/В сравнивают с нормированными и для дальнейших расчетов принимают большее из них.

2) Ориентировочный расход воды (В) принимается по таблице 5.11 в зависимости от требуемой удобоукладываемости бетонной смеси, вида и крупности заполнителя.

 

Таблица 5.11

Ориентировочный расход воды на 1 м³ бетонной смеси

на плотных заполнителях

 

Марка бетонной смеси по удобо-уклады-ваемости	Расход воды (л/м^3) при крупности заполнителя (мм)
гравия	щебня
СЖ1
Ж4
Ж3
Ж2
Ж1
П1
П2
П3
П4
П5

 

Примечания: 1. Расходы воды даны для смесей на цементе с нормальной густотой теста 27 % и песка с модулем крупности М_кр = 2.

2. При изменении нормальной густоты цементного теста на каждый процент в меньшую сторону процент воды следует уменьшить на 3-5 л/м³, в большую сторону – увеличить на ту же величину.

3. В случае изменения модуля крупности песка в меньшую сторону на 0,5 его значения, расход воды следует увеличить на 3-5 л/м³, а при изменении М_кр в большую сторону – уменьшить на ту же величину.

 

3) Расход цемента определяется уже с учетом найденных значений Ц/В и В:

(5.11)

Полученное значение расхода цемента необходимо сверить с нормативными требованиями ГОСТ 26633 по минимальному расходу цемента, который назначается в зависимости от характера армирования конструкции, условий эксплуатации и вида цемента. Так, например, при использовании бездобавочного портландцемента минимальный расход составляет: для неармированных конструкций – 150 кг/м³, для армированных ненапрягаемой арматурой, подверженных атмосферным воздействиям – 200 кг/м³, для конструкций с предварительно напряженной арматурой, подверженных атмосферным воздействиям – 240 кг/м³. Если в результате расчета по формуле (5.11) получилась величина меньше требуемой по нормам, то следует принять нормативное минимальное значение расхода цемента.

4) Для определения расхода крупного и мелкого заполнителей задаются двумя условиями:

а) сумма абсолютных объемов всех компонентов в уплотненном состоянии равна 1000 л (1 м³), что выражается уравнением (5.8);

б) цементно-песчаный раствор должен заполнить все пустоты крупным заполнителем с учетом некоторой раздвижки зерен этим раствором. Величина раздвижки задается коэффициентом раздвижки зерен крупного заполнителя (щебня или гравия), который показывает, на сколько объем раствора превышает объем пустот. Избыток растворной части необходим для получения удобообрабатываемой бетонной смеси и хорошего (полного) связывания зерен заполнителя в единый прочный монолит. Это условие можно записать уравнением:

(5.12)

где V_п.щ. – пустотность крупного заполнителя;

ρ_ц и ρ_п – истинная плотность соответственно цемента и песка,;

– насыпная плотность крупного заполнителя,;

α – коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя.

Значение коэффициента α для жестких бетонных смесей принимается равным 1,05-1,15. В подвижных бетонных смесях значение коэффициента раздвижки зерен изменяется в более широком интервале: α = 1,25 – 1,55. Величина α принимается тем больше, чем выше требуемая подвижность бетонной смеси, так как для увеличения пластичности смеси зерна крупного заполнителя должны быть более отдалены друг от друга.

Для расчета состава бетона может быть использована зависимость α от объема цементного теста V_ц.т. (рис. 5.9).

Объем цементного теста рассчитывается по формуле

(5.13)

Решая систему двух уравнений (5.8) и (5.12), можно рассчитать необходимое количество щебня (гравия) на 1 м³ бетона:

(5.14)

где , ρ_щ – соответственно насыпная и истинная плотность щебня (гравия), кг/м³.

Расчет расхода мелкого заполнителя (песка П) на 1 м³ бетона выполняется по формуле

(5.15)

Для обычных тяжелых бетонов расчетная плотность бетонной смеси в уплотненном состоянии, определяемая как Ρ_б.с. = Ц + В + П + Щ, (5.16)

находится в пределах 2350-2450 кг/м³.

Расчетный состав бетона уточняется на пробных замесах. Вначале готовится замес бетонной смеси для проверки удобоукладываемости. Вследствие особенностей свойств применяемого цемента и местных заполнителей возможно отличие величины осадки конуса или жесткости бетонной смеси от принятой в расчете. Если смесь окажется более подвижной, то добавляется небольшое количество песка и крупного заполнителя, примерно по 5-10 % до обеспечения требуемой удобоукладываемости. Если же смесь окажется менее подвижной, то добавляют небольшое количество воды (5-10 %) и на столько же увеличивают расход цемента, чтобы сохранить расчетное цементно-водное отношение. Пробные замесы повторяют до тех пор, пока не получат требуемые показатели удобоукладываемости.

В обоих случаях производят перерасчет состава по фактической плотности бетонной смеси, полученной при способе уплотнения, принятом в производственных условиях.

Из бетонной смеси, откорректированной по удобоукладываемости, изготовляют контрольные образцы, которые после твердения в нормальных условиях в течение 28 суток испытывают на прочность при сжатии. Если прочность контрольных образцов отличается от заданной более чем на ±15 %, то корректируют состав цемента в большую или меньшую сторону, изготовляют контрольные образцы и снова их испытывают. Результатом экспериментальной проверки расчетного состава бетона является новый уточненный состав, учитывающий свойства конкретных материалов.

В производственных условиях для приготовления бетонных смесей зачастую используются влажные заполнители. Дополнительная вода, содержащаяся в заполнителях, приводит к необходимости корректировки составов. В результате пересчета расхода материалов с учетом фактической влажности заполнителей получают производственный (рабочий) состав бетона.

Вначале рассчитывается количество воды, привнесенное заполнителями, по формуле

ΔВ_п = ПW_п, (5.17)

ΔВ_щ = ЩW_щ, (5.18)

где W_п, W_щ – влажность песка и крупного заполнителя, %;

ΔВ_п и ΔВ_щ – количество воды, содержащееся соответственно в песке и щебне, кг/м³.

Затем устанавливается расход воды с учетом влажности заполнителей:

В_w = В – (ΔВ_п + ΔВ_щ). (5.19)

Чтобы сохранить при этом расчетное количество заполнителей в смеси, необходимо увеличить их расход на то количество воды, которое в них содержится. В производственном составе расходы песка и щебня, с учетом влажности, будут:

П′ = П + ΔВ_п. (5.20)

Щ′ = Щ + ΔВ_щ. (5.21)

Расход цемента при пересчете в производственном составе остается неизменным.

Объем бетонной смеси всегда меньше суммарного объема ее компонентов в насыпном состоянии. Это объясняется тем, что в процессе перемешивания более мелкие зерна заполняют пустоты в более крупных, цементное тесто заполняет пустоты в самых мелких зернах. Для оценки объема получаемой смеси рассчитывается коэффициент выхода бетонной смеси β:

(5.22)

где – насыпная плотность цемента, песка, щебня, кг/м³.

Коэффициент β используется также для оценки качества уплотнения бетонной смеси и расчета производительности бетоносмесителей. Среднее значение коэффициента выхода для тяжелых бетонов составляет 0,67, для легких – 0,75.

 

Основы технологии бетона

 

Производство бетона включает следующие основные технологические процессы:

- приготовление бетонной смеси;

- транспортирование бетонной смеси;

- укладка и уплотнение бетонной смеси;

- твердение бетона.

Приготовление бетонной смеси осуществляется при последовательном выполнении технологических операций дозирования и перемешивания.

Дозирование компонентов бетонной смеси должно обеспечить точность взвешивания, которая гарантирует соответствие фактического состава заданному. Согласно требованиям ГОСТ 7473, точность дозирования для цемента, воды и добавок должна быть не выше ±1 %, заполнителей ±2 %. Все материалы дозируют по массе, кроме пористых заполнителей, которые дозируют по объему, с корректировкой по массе. Для дозирования используют автоматические дозаторы, обеспечивающие не только требуемую точность взвешивания, но и малую продолжительность операции.

Перемешивание должно обеспечить однородность бетонной смеси за счет равномерного распределения компонентов по всему объему смеси.

Перемешивание отдозированных компонентов производят в бетоносмесителях различной конструкции. Смешивание компонентов происходит за счет многократного перемешивания частиц и отдельных объемов бетонной смеси. В процессе перемешивания преодолеваются внутренние силы: силы трения, сцепления, тяжести и сопротивления смеси сдвигу. Величина этих сил зависит от состава бетонной смеси и свойств исходных материалов. Подвижные смеси с большим содержанием воды и цемента смешиваются значительно легче, чем жесткие смеси с малым расходом цемента, в которых внутренние связи более прочные. Крупнозернистые смеси перемешиваются легче, чем мелкозернистые; смеси с легким заполнителем смешиваются труднее, чем с плотным. Эти особенности бетонных смесей учитываются при выборе смесителя и режима перемешивания.

Бетоносмесители по принципу перемешивания подразделяют на гравитационные и принудительного действия; по режиму работы – на цикличные (периодического действия) и непрерывного действия. В гравитационных смесителях перемешивание происходит во вращающемся барабане с горизонтальной или наклонной осью вращения. Компоненты бетонной смеси загружают в бетоносмеситель, порции материала при вращении поднимаются корытообразными лопастями в крайнее верхнее положение, откуда они свободно падают и внедряются в бетонную смесь в нижней части барабана. Так, в результате многократного подъема и падения, происходит перемешивание.

Стационарные гравитационные смесители периодического действия имеют вместимость по загрузке 750, 1200, 1500, 2400 и 3000 л, частоту вращения барабана 13-20 об./мин. Общий вид смесителя представлен на рис. 5.10.

Длительность перемешивания, зависящая от объема бетоносмесителя и марки по удобоукладываемости бетонной смеси, назначается опытным путем или по данным табл. 5.12.

Таблица 5.12 - Рекомендуемая продолжительность перемешивания бетонных смесей на плотных заполнителях в стационарных смесителях

 

Вместимость смесителя по загрузке, л	Продолжительность перемешивания, с, не менее
В гравитационных смесителях для марки по удобоукладываемости	В смесителях принудительного действия для смесей всех марок по удобоукладываемости
Ж1, П1	П2	П3-П5
750 и менее
Св. 750 до 1500
Св. 1500

 

Смесители непрерывного действия перемешивания находят применение при больших объемах производства бетонной смеси постоянного состава, например, для дорожного строительства.

Для перемешивания жестких бетонных смесей гравитационные смесители не применяются, так как не могут обеспечить однородность смеси даже при увеличении длительности перемешивания.

В этих случаях используют бетоносмесители принудительного действия.

Внутри корпуса таких смесителей установлены специальные смешивающие устройства (лопатки, лопасти и др.), которые прикреплены к вращающимся вертикальным или горизонтальным валам. Эти устройства задают компонентам бетонной смеси принудительное перемешивание.

Циклические смесители по принципу действия подразделяются на:

- противоточные с вращающимся корпусом (рис. 5.11, а);

- роторные с неподвижным корпусом (рис. 5.11, б).

Общий вид роторного смесителя дан на рис. 5.12.

Вместимость циклических смесителей по загрузке 500, 750, 1500 л, частота вращения рабочего органа составляет 15...40 об./мин.

Одновальные смесители используют только для смешивания компонентов мелкозернистого бетона, двухвальные смесители применяют для приготовления обычных бетонных смесей с крупным заполнителем.

Для непрерывного приготовления смесей обычно применяют двухвальные лопастные смесители с горизонтально расположенными валами. Валы вращаются в разные стороны, и лопасти не только перемешивают все компоненты смеси, но и постепенно перемещают смесь от загрузочного отверстия к разгрузочному.