Общие принципы проектирования.

 

В задачу проектирования состава гидротехнического бетона входит выбор цементов, заполнителей воды и добавок; установление их оптимальных соотношений при минимальном расходе цемента; обеспечение необходимых технологических свойств бетонной смеси; получение бетона с заданными проектными физико-механическими свойствами по прочностным показателям, водонепроницаемости, коэффициенту фильтрации, коррозийной стойкости, морозостойкости, трещиностойкости и т. д.

При проектировании состава бетонной смеси должны учитываться всевозможные факторы, влияющие на конечное качество бетона с целью обеспечения надёжности и долговечности бетонной или железобетонной конструкции.

Долговечный высококачественный гидротехнический бетон может быть получен при наилучшей структуре бетонной смеси, которая образуется только при использовании доброкачественного цемента, минимального количества воды, оптимального гранулометрического состава качественных заполнителей, ввода пластифицирующих и воздухововлекающих (или комплексных) добавок.

В зависимости от размеров конструкции, густоты армирования, способа укладки и уплотнения назначается удобоукладываемость бетонной смеси и максимальная крупность (d _наиб) гравия и щебня. Следует применять крупный заполнитель максимальной крупности из условий обеспечивающих минимальный расход цемента. Однако нужно иметь ввиду, что слишком большое большое уменьшения количества цемента может вызвать расслоение бетонной смеси и снижение прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Предельная крупность заполнителя не должна превышать 0,75 наименьшего расстояния (в свету) между стержнями арматуры и 1/3 наименьшего размера бетонируемой конструкции. При бетонировании плит максимальный размер крупного заполнителя допускается увеличивать до 0,5 толщины плиты.

Удобоукладываемость бетонной смеси при определённом виде и крупности заполнителей определяется количеством цементного теста (соотношением объёмов цементного теста и заполнителей) и его пластичностью.

Самым существенным фактором, определяющим плотность, прочность, водонепроницаемость, морозостойкость и долговечность бетона является водонепроницаемое соотношения (В/Ц). Поэтому при проектировании состава бетона на определение этого параметра следует обратить особое внимание.

Виды и марки цемента должны отвечать требования ГОСТ. Цементы, применяемые для приготовления бетонной смеси гидротехнического бетона, должны обеспечивать долговечность бетона в конструкции, заданную прочность в определённом возрасте, морозостойкость, водонепроницаемость, водостойкость, трещиностойкость при экзотермии и усадке.

Для затворения бетонной смеси применяется обычная питьевая вода, не содержащая вредных примесей (из водопровода, рек, естественных и искусственных водоёмов), препятствующих нормальной гидратации цемента, схватыванию и твердению бетонной смеси.

В качестве крупного заполнителя в гидротехническом бетоне используется естественный гравий или щебень из плотных горных пород, отвечающих требованиям ГОСТов.

Зерновой состав смеси крупных заполнителей рекомендуется подбирать экспериментально, он должен удовлетворять требованиям ГОСТов.

Использование крупного заполнителя, не отвечающего требованиям стандартов, увеличивает расход цемента, снижает прочность до 10%. Увеличение крупности заполнителей снижает водопотребность бетонной смеси в определённых пределах, что благоприятно сказывается на прочности бетона. При замене щебня гравием прочность бетона понижается до 20% за счёт гладкой поверхности гравия. В качестве мелкого заполнителя следует применять кварцевые пески, отвечающие требованиям ГОСТов. При возведении монолитных и железобетонных конструкций и сооружений гидромелиоративного назначения обязательно применяются химические добавки, т. к. к гидротехническому бетону предъявляются требования по водонепроницаемости марки В4 и выше, морозостойкости Мрз150 и выше. Кроме того, химические добавки в значительной степени улучшают технологические свойства бетонной смеси и физико-механические свойства бетона.

В качестве химических добавок при приготовлении бетонной смеси гидротехнического бетона применяются:

§ Пластифицирующие – с целью снижения начального водосодержания, уменьшения расхода цемента, улучшения удобоукладываемости смеси, повышения водонепроницаемости и прочности бетона;

§ Воздухововлекающие – с целью улучшения однородности, связности и удобоукладываемости бетонной смеси, повышения морозостойкости, трещиностойкости и водонепроницаемости бетона;

§ Пластифицирующе-воздухововлекающие – с цельюснижения начального водосодержания, уменьшения расхода цемента, улучшения удобоукладываемости и однородности смеси, повышения водонепроницаемости, морозостойкости, трещиностойкости и прочности бетона;

§ Ускорители твердения цемента – для нейтрализации замедляющего действия поверхностно-активных добавок на процесс гидратации и повышения плотности бетона, а также для ускорения твердения бетона при пониженной положительной температуре;

§ Замедлители схватывания – для предотвращения раннего загустевания смеси в процессе производства работ при повышенной температуре и низкой относительной влажности окружающей среды;

§ Противоморозные – для сохранения жидкой фазы бетона при отрицательной температуре окружающей среды;

Запроектировать состав гидротехнического бетона используя:

                                        

 (Вариант 1)

Вид сооружения	Зона использования				Проектные марки			Метод уплотнения бетонной смеси	Качество материалов
	По отношению к воде	Месторасположение конструкции	Климатические условия	Агрессивность внешней среды	По прочности на сжатие Rб180	По водонепроницаемости В, н/см^2	По морозостойкости Мрз. циклов
Гравитационная плотина	Подводная	Наружное	Суровые	Слабая	150 R 28	6	100	Глубинные вибраторы	Среднее

 

 

Рекомендуемые виды добавок в зависимости от условий твердения бетона даны в Таблице 1, а от требований по водонепроницаемости и морозостойкости в Таблице2.

 

Вид конструкции	Условия твердения	Индивидуальные и комплексные добавки
Монолитные	Зимние	ПАЩ-1 + НКМ, ПАЩ-1+ НК+ М, ПАЩ-1+ СНВ + НКМ, ПАШ-1 + СДП + НКМ, Аммиачная вода.

Таблица 1.

 

Примечание: индексы М, М₁, НК и НКМ обозначают соответственно: мылонафт, карбамид (мочевина), азотнокислый кальций и двойная соль азотнокислого кальция и мочевины.

 

 

Таблица 2.

Наименование добавок	Водонепроницаемость бетона (В)
	До В-6	Более В-6
	Морозостойкость (Мрз), циклов
	150	150
Пластифицирующие СДБ, ССБ, ПАЩ	+	-
Пластифицирующие воздухововлекающие ВЛХК, мылонафт, супердобавки, эмульбит	+	-
Воздухововлекающие СНВ, СПД	+	+
Гидрофобно-пластифицирующие воздухововлекающие ГКЖ-10, ГКЖ-11	-	-
Микрогазообразователь ГКЖ-94	-	-
Комбинированные СДБ + Ca(NO3)2	+	+
Тоже СДБ + СНВ, СДБ + СПД,  ССБ + СНВ,  ССБ + СПД.	+	+

 

 

Рекомендуемые (ориентировочные) дозировки добавок в зависимости от вида цемента приведены в Таблице 3, а от расхода цемента в Таблице 4.

 

Таблица 3.

Вид цемента	Добавки	Количество добавки от массы цемента в расчёте на сухое вещество, %
Сульфатостойкий портландцемент	СДБ, ССБ, мылонафт ВЛХК, ГКЖ-10, ГКЖ-11	0,1 – 0,2 0,05 – 0,15

 

Таблица 4.

Вид добавки	Количество добавки от массы цемента в расчёте на сухое вещество, в % при расходе цемента, кг/м^3
	До 300
СНВ, СМД	0,005 – 0,015

 

Вид цемента, в зависимости от зоны расположения бетона в сооружении по отношению к воде (надводная, подводная или переменного горизонта воды) принимается по Таблице 5.

 

Таблица 5.

Зона расположения	Виды цемента
	Рекомендуемые	допустимые
Подводная	Пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, портландцементы с тонкомолотыми добавками или с добавками золы-уноса, портландцемент с умеренной экзотермией пластифицированный или сульфатостойкий портландцемент.	Другие виды цемента

 

 

Для массивных сооружений (гравитационные плотины, отстойники) лучше применять в подводной зоне: цементы с умеренной экзотермией (шлакопортландцемент, пуццолановый и сульфатостойкий портландцемент). В надводной зоне: пластифицированный и гидрофобный портландцементы с умеренной экзотермией, т. е. с содержанием трёх кальциевого алюмината не более 8,0% и трёх кальциевого силиката (алита) до 50%.

Марка цемента, в зависимости от заданной марки бетона по прочности на сжатие, принимается по Таблице 6.

 

                                                                                    Таблица 6.

Марка бетона по сжатию	150
Марка цемента	300

 

Цементы должны отвечать требованиям ГОСТ 10178-76 «Портландцемент, шлакопортландцемент. Технические условия», ГОСТ 22266-76 «Цементы сульфатостойкие. Технические условия», ГОСТ 969-77 «Цемент глинозёмистый. Технические условия».

В качестве мелкого заполнителя следует применять кварцевые пески с истинной плотностью зёрен 2,5–2,7 кг/л, с насыпной плотностью 1,50-1,65 кг/л и межзерновой пустотностью 35-40%, отвечающие требованиям ГОСТ 8736-77 «Песок для строительных работ. Технические условия», ГОСТ 4797-69 «Бетон гидротехнический, материалы для его приготовления. Технические требования». ГОСТ 10268-76 «Заполнители для тяжёлого бетона. Технические требования». Модуль крупности песка при материалах высокого качества должен быть в пределах 3,5-2,5 (крупнозернистый песок), при материалах среднего качества – в пределах 2,5-2,0 и при материалах пониженного качества 2,0-1,5.

 

 

В качестве крупного заполнителя следует применять щебень и гравий из плотных горных первичных изверженных пород (гранит, диорит, базальт, диабаз и т. д.). Или метаморфических пород (кварциты, гнейсы и т. д.) с истинной плотностью в пределах 2,5-2,7 кг/л, а для осадочных пород (плотные известняки, доломиты и т. д.) – в пределах 2,3-2,6 кг/л. Насыпная плотность крупного заполнителя должна быть в пределах 1,15-1,35 кг/л, а межзерновая пустотность в пределах 40-55%. Прочность зёрен крупного заполнителя на сжатие должна быть не менее 80 Мпа для первичных изверженных и метаморфических пород, и не менее 60 Мпа для осадочных пород. Водостойкость (коэффициент размягчения) должен быть не менее 0,8 (т.е. снижение прочности при водонасыщении должно быть менее 20%). Загрязнённость заполнителей (песка, щебня, гравия) пылевидными частицами, илом и глиной должна быть не более величин указанных в Таблице 7.

   Таблица 7.

Примеси	Предельное содержание примесей % по массе
	Подводный бетон и бетон внутренней зоны
	Щебень и гравий	Песок
Глина, ил, и мелкие пылевидные фракции, отделяемые отмачиванием в % по массе, не более	2,0	4,0

Наибольшая крупность зёрен крупного заполнителя для тонкостенных конструкций (лотковые каналы, напорные трубы) должна быть не более 20 мм, обычных конструкций (безнапорный сброс, акведуки, облицовки каналов, арочные плотины, дюкера) – не более 40 мм, а для массивных конструкций (гравитационные плотины, отстойники) – до 70-80 мм.

После выбора материалов для бетона следует определить наибольшую допускаемую величину водоцементного отношения бетона из условия обеспечения требуемой по заданию морозостойкости, водонепроницаемости а также коррозионной стойкости в соответствии с заданной степенью агрессивности внешней среды, с учётом зоны расположения бетона по отношению к воде. Наибольшее значение водоцементного отношения по условию заданной морозостойкости принимается по Таблице 8, по водонепроницаемости - Таблице 9, а по степени агрессивности внешней среды - Таблице 10.

 

                                                  Таблица 8.                                                                                                    Таблица 9.

Марка бетона по морозостойкости	Наибольшее водоцементное отношение		Марка бетона по водонепроницаемости	Наибольшее водоцементное отношение
100	0,60		В-6	0,55

 

   Таблица 10.

Условия работы конструкции	Наибольшее водоцементное отношение при степени агрессивности внешней среды
	слабая
Подводная конструкция	0,50

 

Поскольку на эксплуатационную надёжность и долговечность бетона гидротехнических сооружений влияет целый комплекс неблагоприятных внешних воздействий: климатические условия, особенно в зоне переменного горизонта воды, напор воды в поддонных частях сооружений и т. д. – водоцементное отношение бетона с учётом этих неблагоприятных факторов должно быть не более величин указанных в Таблице 11.

 Таблица 11.

Место расположение бетона в конструкции и климатические условия	Наибольшее водоцементное отношение в конструкциях
	Массивных в зоне:
	наружной	внутренней
Подводная зона	0,57	0,75
Надводная зона	0,62	0,75

 

Из полученных по таблицам 8-11 водоцементных отношений, в дальнейших расчётах выбирается наименьшее значение водоцементного отношения, как предельно допустимое (В/Ц).

Необходимую удобоукладываемость бетонной смеси (требуемую осадку конуса в см.) с учётом вида вида конструкции и метода уплотнения бетонной смеси назначают по Таблице 12.

   Таблица 12.

Вид конструкций	Метод уплотнения	Осадка конуса, см.
Массивные бетонные и мелиоративные конструкции (гравитационные плотины, отстойники)	Глубинные вибраторы	3 - 5

 

Дальнейший расчёт состава бетонной смеси ведут в следующей последовательности:

1. Из условия заданной мари бетона (прочности) на сжатие определяют требуемое водоцементное отношение. При этом необходимо оговорить, что марка бетона принимается в возрасте 28 суток нормально-влажного хранения образцов в связи с требованием скорейшего ввода сооружения в эксплуатацию.

Требуемое из условия обеспечения заданий марки бетона водоцементное отношение определяется по формуле:

 

Где R_ц и R_б28 – соответственно марка цемента и бетона по прочности на сжатие Па;

А – Параметр учитывающий качество применяемых для бетона материалов. Значение его параметра принимается по Таблице 13.

 

Таблица 13.

Качество применяемых материалов	Значение параметра А в зависимости от вида крупного заполнителя
	Морской и речной гравий
Среднее	0,51

 

Если полученное требуемое водоцементное отношение окажется больше ранее найденного по по таблицам 8-10 предельно допустимого водоцементного отношения, дальнейший расчёт ведут принимая:

 

[В/Ц]^тр = [В/Ц]

 

где [В/Ц] – полученное по таблицам 8-10 предельно допустимое (нименьшее) водоцементное отношение.

 

2. Необходимый расход воды на один кубометр бетонной смеси из условия обеспечения нужной удобоукладываемости бетонной смеси (осадка конуса, полученной по таблице 12) находится по Таблице 14, с учётом вида (щебень или гравий) крупного заполнителя и наибольшей крупности его зёрен.

3. Определив требуемое водоцементное отношение и необходимый расход воды на кубометр бетона, находим расход цемента на кубометр бетона:

 

где В – расход воды, принятый по Таблице 14. л.

Таблица 14.

Удобоукладываемость бетонной смеси по осадке конуса в см.	Расход воды в литрах на кубометр бетона при крупном заполнителе из
	Гравия с крупностью зёрен до 70-80мм.
3 - 5	160

 

Указанные в Таблице 14 расходы воды получены при применении песка с модулем крупности равным 2,0, при увеличении модуля крупности на каждые 0,5, расход воды уменьшается на 3-5 литров. Если модуль крупности песка меньше 2,0, то при уменьшении модуля крупности на каждые 0,5, расход воды увеличивается на 3-5 литров.

Полученный расход цемента должен быть не менее минимального, допустимого из условия нерасслаиваемости бетонной смеси, указанного в Таблице 15 (принимаемого с учётом удобоукладываемости смеси по осадке конуса и наибольшей крупности зёрен крупного заполнителя), а также – минимально допустимого по условиям работы бетона в конструкции, указанного в Таблице 16.

                    Таблица 15.

Удобоукладываемость бетонной смеси по осадке конуса в см.	Наибольшая крупность зёрен крупного заполнителя в мм.
	80
3 - 5	160

 

Таблица 16.

Условия работы бетона в конструкции	Минимальный расход цемента в кг, на кубометр бетона
Бетон внутренней зоны массивных сооружений, защищённый от атмосферных осадков.	200

 

4. Морозостойкость бетона определяется его капиллярной пористостью, которая зависит от водосодержания и расхода цемента в бетоне. Минимальный расход цемента из условия требуемой морозостойкости находим по методике д. т. н. проф. Г. И. Горчакова:

где       В – расход воды, найденный по условию требуемой удобоукладываемости бетонной смеси по Таблице 14, л;

П_кап – набольшая капиллярная пористость бетона в %, допустимая из условия морозостойкости, принимаемая по Таблице 17;

β – степень гидратации цемента. В 28-суточном возрасте принимается равной 0,60;

Таблица 17.

Требуемая марка бетона по морозостойкости	100
Наибольшая капиллярная пористость бетона %	8,0

 

Если найденный из условия морозостойкости расход цемента окажется большею. чем ранее полученный из условия прочности, дальнейший расчёт
ведут, полагая:

где    Ц^наим_Мрз – найденный по условию морозостойкости расход цемента (в кг на кубометр бетона).

 

5.
Расход крупного заполнителя вычисляется по формуле:

 

где       ρ^кр_нi ρ_зi – соответственно насыпная плотность крупного заполнителя и средняя плотность зёрен крупного заполнителя, кг/л;

α_р – коэффициент раздвижки зёрен крупного заполнителя, принимаемый по Таблице 18 с учётом удобоукладываемости бетонной смеси и расхода цемента;

V_iз – межзерновая пустотность крупного заполнителя, равная:

       

  Таблица 18.

Расход цемента кг/м^3бетона	Удобоукладываемость бетонной смеси по осадке конуса, см.
	3 - 5
267	1,3

 

6. Расход песка находят по формуле:

 

      

 

где    ρ_iц – истинная плотность цемента кг/л, принимаемая равной 3,0-3,2 для обычного портландцемента, сульфатостойкого, гидрофобного и пластифицированного портландцемента и 2,9-3,1 для шлакопортландцемента;

ρ_iп – истинная плотность песка, кг/л;

ρ_iв – истинная плотность воды, кг/л;

ρ_зi – средняя плотность зёрен крупного заполнителя, кг/л;

Значения истинной плотности песка и средней плотности зёрен крупного заполнителя приняты в пределах указанных ранее.

 

7. Подбор состава бетона проведён в предположении, что песок и крупный заполнитель сухие. Поскольку в производственных условиях эти материалы имеют некоторую влажность, крупный заполнитель способен поглощать часть воды затворения, расход воды для производственных условий уточняется по формуле:

где     В, П, Кр – соответственно полученные расчётом расходы воды, песка и крупного заполнителя, кг.

            W_п W_кр – соответственно влажность песка и крупного заполнителя, % по массе.

            В_мас – воодопоглащение крупного заполнителя, % по массе.

 

Влажность песка (для предварительных расчётов) можно принимать в пределах 3-7%, а крупного заполнителя из первичных и метаморфических пород – 1-2%, а из осадочных пород – 2-4%.

Водопоглащение крупного заполнителя (В_мас) из первичных и метаморфических пород можно принимать в пределах 0,5-1,0%, а из осадочных пород в – пределах 1-3%.

8. После уточнения расхода воды, следует определить расчётную (теоретическую) среднюю плотность бетонной смеси по формуле:

 

и коэффициент выхода бетона:

 

       

 

где     b ^ц_нi, b ^п_нi, b ^кр_нi – соответственно насыпная плотность цемента, песка и крупного заполнителя.

II. Расчёт кирпича.

Мы определим количество кирпичей необходимых для кладки 1 м² стены при двухрядной укладке ложковым и тычковым способом. Размер кирпича – стандартный: 250´120´65мм. Шов – 10мм.

 

Расчёт:

 

В 1м – 1000мм.

Нам необходимо будет произвести расчёт количества кирпичей по горизонтали и вертикали, иначе говоря количество кирпичей в ряду и количество рядов в 1м². Сразу добавим к общим габаритам кирпича толщину шва которая составляет 10мм. И получим: при ложковом методе - 260´120´65, при тычковом - 250´130´65мм.

1) По горизонтали: 1000/260=3,85*2(т.к. 2 ряда)=7,7; 1000/130=7,7;

2) По вертикали: 1000/75=13,3

3) S=a*b = 13,3*7,7=102,4 кирпича (в 1м²)

 

 

В 1м² – 102 кирпича. На рисунке 1 приведён чертёж участка стены с различными методами кладки. Масштаб 1:10.

Рисунок 1.

Расчётный проект зданий.

 

Исходные данные	Вариант 1.
Назначение помещения	Машинный зал
Район	Воронеж
Ширина, м.	9
Длина, м.	30
Высота, м.	4,8
Тип освещения	Боковой, двухсторонний
Вид перепл.	Профильное стекло

Из рассчитанного ранее количества кирпичей в 1м² необходимо используя данные таблицы запроектировать здание с учётом всех оконных и дверных проёмов, рассчитать количество кирпичей которые потребуются для его строительства. Чертёж здания изображён на рисунке 2.

Общая площадь стен здания (без окон и дверей) составляет:

Количество кирпичей которое будет затрачено на возведение стен здания двухрядной кладкой составит произведение количества кирпичей в 1м² на разницу между общей площадью стен и суммой площадей всех оконных и дверных проёмов. Иначе говоря:

Всего в здании:

 

окна	16 (2,5х2 м.)	Расстояние между окнами 2 и 1,5 м.
двери	1 (1х2 м.)	Расстояние между углом и воротами – 1 м.
ворота	1 (3х3 м.)	Расстояние между дверью и углом соответственно 3 и 1 м.

 

Окна запроектированны с двух сторон в соответствии с условием о боковом двухстороннем освещении.

Используя имеющиеся данные находим общую площадь проёмов:

Площадь с учётом всех проёмов:

Общее количество кирпичей:

Итог: На возведение стен машинного зала из кирпичей двухрядной кладкой потребуется 29020 кирпичей.

 

 

Рисунок 2.