МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ 6 страница
3 5-20, 15-30, 40-50, 50-70.
4 10-15, 15-25, 30-40, 40-60.
11 Какая форма зерен щебня предпочтительней для качественного заполнителя?
1 Пластинчатая форма.
2 Близкая к кубической форме.
3 Игловатая форма.
4 Близкая к форме параллелепипеда.
Лабораторная работа № 11
РАСЧЕТ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
Общие сведения
Расчет состава тяжелого бетона производится для получения необходимых свойств бетона в конструкциях, установленных государственными стандартами, техническими условиями и проектной документацией на эти конструкции при минимальном расходе цемента. От правильного назначения состава бетона зависят его свойства, долговечность и экономическая эффективность. Для правильного назначения количества компонентов бетона на единицу его объёма (обычно на 1 м3) студенты четко должны представлять факторы, влияющие на качество и свойства бетона, понимать основные принципы метода расчета.
Для расчёта состава тяжелого бетона используется метод абсолютных объёмов, который базируется на следующих принципах:
− прочность бетона зависит от активности вяжущего, качества применяемых материалов, цементно-водного отношения (Ц/В) и средней плотности;
− так как для тяжелого бетона применяются плотные заполнители, то средняя плотность бетона зависит от степени уплотнения бетонной смеси, количества воды затворения и соотношения компонентов;
− в бетонной смеси оптимального состава компоненты находятся в «абсолютно плотном состоянии». Пустоты крупного заполнителя заполняются мелким заполнителем, а пустоты мелкого заполнителя заполняются цементным тестом. Если такая бетонная смесь хорошо уплотнена, то и бетон из неё будет достаточно плотным, прочным и долговечным;
− существенное влияние на качество бетона оказывает цементно-водное отношение (Ц/В), которое характеризует плотность цементного камня. Чем больше воды приходится на единицу массы цемента в бетоне, тем больше останется при определённых условиях твердения несвязанной химически и адсорбционной воды, что будет повышать пористость цементного камня, снижать его плотность, прочность и долговечность.
Цель работы
Изучить и овладеть порядком расчёта состава тяжелого бетона по методу абсолютных объёмов.
Порядок выполнения работы
На лабораторном занятии студенты изучают теоретические предпосылки и этапы расчёта состава тяжелого бетона по методу абсолютных объёмов. Затем каждый студент выполняет самостоятельно один из вариантов задания на расчёт состава тяжёлого бетона, приведённых в таблице 47.
Пример расчёта состава бетона
Требуется подобрать состав тяжелого бетона М 300 (В 22,5), предназначенного для изготовления железобетонных забивных свай при коэффициенте вариации прочности бетона V п = 10 %, обеспечивающий получение после тепловлажностной обработки ТВО отпускной прочности R о. Бетон изготовляется из бетонной смеси с маркой по удобоукладываемости П 2 (осадка конуса 4…6 см) и маркой бетона по морозостойкости F 200. Проектное задание на расчет состава бетона с необходимыми характеристиками исходных материалов приведено в таблице 31.
Таблица 31 − Задание на расчет состава тяжёлого бетона
| Характеристики | Наименование показателей | Обозначение | Единицы измерения | Значения |
| Бетона | Класс по прочности при сжатии | В | МПа | 22,5 |
| Коэффициент вариации прочности | Vп | % | ||
| Отпускная прочность | R о | % | ||
| Марка по морозостойкости | F | циклы | ||
| Бетонной смеси | Подвижность | ОК | см | 4…6 |
| Воздухововлечение | ВВ | % | ||
| Цемента | Наименование (вид) | – | – | ПЦ Д-5 |
| Активность (марка) | R ц | МПа | ||
| Активность при пропаривании | R цп | МПа | 32,7 | |
| Нормальная густота | НГ | % | 28,5 | |
| Плотность истинная | ρ ц | г/см3 | 3,0 | |
| Плотность насыпная | ρ ц нас | г/см3 | 1,2 | |
| Песка природного | Модуль крупности | МК | – | 2,5 |
| Плотность зёрен | ρ п | г/см3 | 2,65 | |
| Плотность насыпная | ρ п нас | г/см3 | 1,72 | |
| Водопотребность | В п | % | 6,0 | |
Влажность 
| ω п | % | 4,0 | |
| Крупного заполнителя | Вид (горная порода) | – | – | щебень (гранит) |
| Плотность зёрен | Ρ щ | г/см3 | 2,60 | |
| Плотность насыпная | Ρ щ нас | г/см3 | 1,48 | |
| Наибольшая крупность | НК | Мм | ||
| Влажность
| ω щ | % | 3,0 | |
| Зерен лещадной формы | – | % |
В качестве вяжущих веществ для приготовления тяжелого бетона следует применять портландцемент и его разновидности, отвечающие требованиям ГОСТ 10178, а также сульфатостойкие и пуццолановые цементы по ГОСТ 22266 и цементы по действующим техническим условиям. Марку цемента следует выбирать в зависимости от проектной марки (класса) бетона по прочности при сжатии (таблица 31).
Для бетонов, подвергаемых ТВО, следует применять цементы I или II групп эффективности при пропаривании по ГОСТ 22236 (таблица 32), применение цементов III группы одинаковых видов и марок нецелесообразно, так как вызывает значительное повышение расхода цемента.
Таблица 32 − Группы цементов по эффективности при пропаривании
| Группа цемента | Цемент | Rц, МПа, после ТВО 2+3+6+2 при 80 оС для цементов марок | |||
| 550,600 | |||||
| І | ПЦ | > 23 | > 27 | > 32 | > 38 |
| ШПЦ | > 21 | > 25 | > 30 | – | |
| ІІ | ПЦ | 20…23 | 24…27 | 28…32 | 33…39 |
| ШПЦ | 18…21 | 22…25 | 26…30 | – | |
| ІІІ | ПЦ | < 20 | < 24 | < 28 | < 33 |
| ШПЦ | < 18 | < 22 | < 26 | – |
При использовании цемента высоких марок для получения бетонов низких марок рекомендуется для обеспечения требуемой удобоукладываемости вводить в состав бетонной смеси активные минеральные добавки АМД: золы, молотые доменные гранулированные шлаки, природные пуццоланы. При наличии цементов разных видов и марок следует учитывать коэффициенты их эффективности (таблица 33).
Таблица 33 − Коэффициенты эффективности различных видов и марок цемента
| Коэффициент | Марка и вид цемента | Коэффициент |
| Межмарочный | 1,20 | |
| 1,00 | ||
| 0,88 | ||
| 550, 600 | 0,8 | |
| Межвидовой | ПЦ Д-0, ПЦ-Д 5 | 0,91 |
| ПЦ Д-20, ПЦ Д-20 Б | 1,00 | |
| ШПЦ, ШПЦ-Б | 1,05, 1,10* | |
| ППЦ | 1,12 |
* – для бетона сборных конструкций 1,05, монолитных – 1,10.
Выбор вида цемента для различных условий работы конструкций следует производить по ГОСТ 10178, ГОСТ 23464 с учетом требований ГОСТ 26633, касающихся условий использования цементов для производства различных видов конструкций и предъявляемых к ним требований. Применение пуццолановых цементов для бетонов сборных ЖБК из-за повышенной водопотребности не рекомендуется.
Для бетона дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор ЛЭП должен применяться портландцемент на основе клинкера с нормированным минералогическим составом (С3А ≤ 8 %). Для бетона дорожных оснований допускается применение ШПЦ.
Для бетонов с марками по морозостойкости F 200, F 300 рекомендуется применять портландцементы ПЦ Д-0, ПЦ Д-5, ПЦ Д-20, использование ШПЦ или ППЦ для таких бетонов не допускается. Для бетонов с маркой по морозостойкости F 400 и выше следует использовать портландцементы ПЦ Д-0, ПЦ Д-5 или сульфатостойкие портландцементы.
Введение добавок при изготовлении изделий из бетона или железобетона обязательно в следующих случаях:
− для приготовления высокоподвижных или литых бетонных смесей с осадкой конуса не менее 10 см, а также при марке бетона равной или большей марки цемента необходимо использование пластификаторов или суперпластификаторов;
− для изделий из бетона с повышенной морозостойкостью (марки F 200 и более) необходимо введение воздухововлекающих или пластифицирующе-воздухововлекающих добавок;
− для агрессивных условий эксплуатации должны вводиться добавки повышающие стойкость бетона и его защитные свойства по отношению к арматуре;
− для бетона с повышенными требованиями по водонепроницаемости (марка W 6 и более) вводятся уплотняющие добавки.
Помимо обязательных случаев химические и минеральные добавки могут применяться для регулирования качества бетонной смеси и бетона, придания бетону специальных свойств, а также для экономии цемента.
Наибольшая крупность заполнителя (НК) принимается в зависимости от вида бетонируемой конструкции и способа транспортирования бетонной смеси. НК не должна превышать 3/4 минимального расстояния между стержнями арматуры, для плитных изделий НК должна быть не более половины толщины плиты. При подаче бетонной смеси по хоботам и бетононасосами НК должна быть не более 1/3 внутреннего диаметра хобота или трубопровода, а при укладке бетонной смеси в скользящую опалубку не должна превышать 1/6 размера наименьшего сечения бетонируемой конструкции. При назначении НК предпочтительно применение максимально допустимого значения для заданного изделия. Принимаем НК = 20 мм.
Определение состава бетона производится расчетно-экспериментальным способом, который включает:
− установление исходного расчетного состава;
− экспериментальную проверку и корректировку исходного состава по консистенции бетонной смеси и по прочности бетона с получением лабораторного состава на сухих заполнителях;
− определение производственного состава на влажных заполнителях и расчет расхода материалов на один замес бетоносмесителя.
Исходный состав тяжелого бетона определяется в следующем порядке.
1 Проектирование состава бетона осуществляется для обеспечения среднего уровня прочности, который принимается с учетом фактической однородности бетона по прочности, характеризуемой коэффициентом вариации (V n). Если отсутствуют данные о фактической однородности бетона, средний уровень прочности принимают равным требуемой прочности по ГОСТ 18105 для бетона данной марки (класса) при V n = 13,5 % для всех конструкций из тяжелого бетона, кроме гидротехнических, для которых V n = 17 %.
Средний уровень прочности в зависимости от V n определяется по формулам
R у = R т. К мп = R н. К т1 . К мп (27)
R у = В н . К т . К мп, (28)
где R т – требуемая прочность МПа; R н – нормируемая по маркам прочность, МПа; В н – нормируемая по класса прочность, МПа; К мп, К т1, К т – коэффициенты, зависящие от V n, приведены в таблице 34.
Таблица 34 − Коэффициенты для расчета среднего уровня и требуемой прочности
| V n,% | < 6 | |||||||||||
| К мп | 1,03 | 1,04 | 1,05 | 1,07 | 1,07 | 1,09 | 1,09 | 1,09 | 1,10 | 1,10 | 1,10 | 1,10 |
| К т1 | 0,83 | 0,83 | 0,84 | 0,85 | 0,87 | 0,89 | 0,92 | 0,96 | 1,00 | 1,04 | 1,08 | 1,12 |
| К т | 1,07 | 1,08 | 1,09 | 1,09 | 1,11 | 1,14 | 1,18 | 1,23 | 1,28 | 1,33 | 1,38 | 1,43 |
V n, = 10 %. К мп = 1,09, К т = 1,14
Из условия задачи находим, что R у = 22,5*. 1,14*. 1,09 = 28 МПа.
2 Определение Ц/В
Определение Ц/В производится по формулам
Rц + 0,37 Rцп + 3,22
(Ц/В)1 = --------------------------- = 2,199 (29) и
0,43 Rцп + 5,6
Rц - 0,06 Rц + 10
(Ц/В)2 = ------------------------- = 1,561, (30)
0,24 Rц + 10
где 
– активность цемента или гарантированная марочная прочность, МПа.
Принимаем наибольшее значение Ц/В = 2,199.
При использовании воздухововлекающей добавки, обеспечивающей воздухововлечение 2…4 %, Ц/В увеличивается на 0,01…0,02, а при воздухововлечении 4…6 % – на 0,02…0,04 для компенсации понижения прочности бетона вследствие повышенного содержания воздуха в нём. В нашем случае примем воздухововлечение равным 4 %, тогда Ц/В = 2,199 + 0,02 = 2,219.
При нормируемых требованиях к бетону по водонепроницаемости и морозостойкости Ц/В должно быть не менее значений, приведённых в таблице 35. Если из условия обеспечения требуемой прочности Ц/В оказалось ниже, чем требуется для заданной водонепроницаемости и морозостойкости, то для дальнейших расчетов принимается табличное значение. В нашем случае для обеспечения марки по морозостойкости F 200 Ц/В должно быть не менее 1,82. Для дальнейших расчетов принимаем Ц/В = 2,219.
Таблица 35 − Минимальные значения величины Ц/В для бетонов
с нормируемой водонепроницаемостью и морозостойкостью
| Марка бетона по водонепроницаемости | Марка бетона по морозостойкости | Ц/В не менее |
| W2 | – | 1,43 |
| W4 | F100 | 1,67 |
| W6 | F200 | 1,82 |
| – | F300 | 2,00 |
| W8 | F400 | 2,22 |
| W12 и более | F500 и более | 2,50 |
3 Определение расхода воды
Определение расхода воды производится по таблице 36 в зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси, наибольшей крупности заполнителя с последующей корректировкой:
а) при Ц/В менее 1,25 или Ц/В более 2,5 расход воды соответственно уменьшают или увеличивают на 5 %;
б) при отличии НГ от значений 25…30 % на каждый процент в меньшую (большую) сторону расход воды следует уменьшать (увеличить) на 3…5 л;
в) в случае отличия модуля крупности песка от значения МК = 2,0 в меньшую (большую) сторону на каждые 0,5 расход воды необходимо увеличить (уменьшить) на 3…5 л;
г) при ОК бетонной смеси ≥ 10 см следует применять пластифицирующие добавки, а расход воды принимать как для бетонной смеси с ОК = 5…9 см.
Таблица 36 − Ориентировочный расход воды на 1 м3 бетонной смеси*
| Консистенция смеси | Расход воды, л, на 1 м3 бетонной смеси при максимальной крупности заполнителя, мм | ||||||
| ОК, см | Ж, с | щебня | гравия | ||||
| 5…9 | – | ||||||
| 1…4 | – | ||||||
| – | 5…10 | ||||||
| – | 11…20 | ||||||
| – | 21…30 | ||||||
| – | ≥ 31 |
* - данные даны для бетонных смесей на цементе с НГ = 25…30 % и песке с МК = 2,0.
Из таблицы 20 устанавливаем предварительный расход воды. При проектируемой подвижности бетонной смеси, соответствующей ОК = 4…6 см и НК щебня 20 мм расход воды составляет 205 л на 1 м3 бетонной смеси. Так как применяется песок с МК = 2,5, то расход воды уменьшаем на 4 л.
Тогда расход воды составит В = 205 – 4 = 201 л.
4 Определение расчетного расхода цемента
Ц р = В. Ц/В = 201. 2,219 = 446 кг. (31)
Полученный расход цемента Ц р сравнивают с минимально допустимым по ГОСТ 26633 (таблица 37) и с элементными нормами расхода Ц э по СНиП 82-02-95. При этом должно выполняться условие
Ц min ≤ Ц р ≤ Ц э = К. Ц б, (32)
где Ц б – базовые нормы расхода цемента (таблица 22); К – корректирующий коэффициент, К = К1 . К2 . К3; К1… К3– коэффициенты, зависящие от вида и свойств материалов и технологии.
Базовые нормы цемента разработаны из условия приготовления бетонной смеси на цементах М 400 (таблица 38). При использовании цементов других марок вводится коэффициент К 1, который для бетонов на цементах М 300 равен 1,14, а для бетонов на цементах М 500 классов В 20 и менее при отпускной прочности 60 % и менее равен 0,87, при отпускной прочности 90…100 % – 0,90, для бетонов классов от В 15 до В 30 и отпускной прочности 70…80 % − 0,87, а при большей отпускной прочности – 0,92. В нашем случае К 1 = 0,92.
В базовых нормах предусмотрено применение цементов с нормальной густотой 25…27 %. Если НГ цемента отличается от этих значений, то базовые нормы умножаются на коэффициент К2, значения которого приведены в таблице 39.
По заданию класс бетона В22,5 а НГ цемента 28,5 %, следовательно К2 = 1,02.
Таблица 37 − Минимально допустимые расходы цемента
| Конструкция | Условия эксплуатации | Расход цемента, кг на 1 м3 бетона | ||
| ПЦ-Д 0, ПЦ-Д 5, ССПЦ-Д О | ПЦ-Д 20, ССПЦ-Д 20 | ШПЦ, ППЦ, ССШПЦ | ||
| Неармированная | без атмосферных воздействий | не нормируется | ||
| при атмосферных воздействиях | ||||
| С ненапрягаемой арматурой | без атмосферных воздействий | |||
| при атмосферных воздействиях | ||||
| С напрягаемой арматурой | без атмосферных воздействий | |||
| при атмосферных воздействиях |
Таблица 38 − Базовые нормы расхода цемента Ц б
| Класс по прочности | Базовые нормы расхода цемента М 400, кг, для тяжелого бетона | |||||
| Нормального твердения | твердения при ТВО до отпускной прочности, % | |||||
| 55…60 | ||||||
| В 7,5 | ||||||
| В 10 | ||||||
| В 12,5 | ||||||
| В 15 | ||||||
| В 20 | ||||||
| В 22,5 | ||||||
| В 25 | ||||||
| В 30 | ||||||
| В 35 | ||||||
| В 40 | – |
Таблица 39 − Значения коэффициента К 2
| НГ цементного теста, % | Значения К 2 для бетонов проектного класса | ||
| ≤ В 22,5 | В 25…В 30 | В 35…В 40 | |
| Менее 25 | 0,98 | 0,96 | 0,94 |
| Более 27 до 30 | 1,02 | 1,03 | 1,05 |
| Более 30 | 1,04 | 1,05 | – |
Базовые нормы для бетона, твердеющего при тепловой обработке, предусматривают применение цементов II группы эффективности при пропаривании по ГОСТ 22236. При использовании цементов I группы базовые нормы умножаются на коэффициент К 3 = 0,93. Коэффициент К 3 = 1 для бетонов класса В 30 и выше при отпускной прочности ≤ 70 % от марочной прочности. В задании приведена активность цемента при пропаривании, что в соответствии с приложением 3 позволяет считать используемый цемент I группы эффективности при пропаривании. Поскольку класс бетона В 22,5 то К 3 = 0,93.
Базовые нормы приведены для бетона на щебне, при использовании гравия их следует умножать на коэффициент К 4 (таблица 40). Так как по заданию используется щебень, то К 4 = 1.
Таблица 40 − Значения коэффициента К 4
| Класс бетона | В 7,5 | В 10…В 12,5 | В 15 | В 20 | В 22,5 |
| К 4 | 0,91 | 0,94 | 0,96 | 0,97 | 0,98 |
НК заполнителя учитывается коэффициентом К 5, который при НК = 20 равняется 1, а при другой величине НК его значения приведены в таблице 41. В рассматриваемом примере НК = 20 мм, поэтому К 5 = 1.
Таблица 41 − Значения коэффициента К 5
| НК, мм | Значения К 5 для бетона классов | |
| ≤ В 25 | ≥ В 30 | |
| 1,10 | 1,07 | |
| 0,93 | 0,95 | |
| 0,90 | 0,92 |
Базовые нормы определены для щебня с содержанием зёрен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы 25…35 % по массе. При содержании этих зёрен менее 25 % вводится коэффициент К 6 = 0,98, а более 35 % – К 6 = 1,03. По заданию зёрен лещадной формы 39 %, следовательно К 6 = 1,03.
Базовыми нормами предусмотрено использование песка МК = 2,1…3,25. При использовании мелких и очень мелких песков следует применять для тяжелого бетона коэффициент К 7 (таблица 42). Для мелкозернистых бетонов при использовании песков с модулем крупности МК = 1,5…2,0 К7 = 1,20.
Таблица 42 − Значения коэффициента К7 для тяжелого бетона
| Класс бетона по прочности при сжатии | К7 для песка с МК | |
| 1,5…2,1 | < 1,5 | |
| В 15 и менее | 1,0 | 1,03 |
| В 20…В 25 | 1,03 | 1,06 |
| Более В 25 | 1,05 | 1,10 |
По задания МК = 2,5, значит К7 = 1.
При использовании песков из отсевов от дробления горных пород следует применять коэффициент К8 = 1,03. По заданию песок природный, значит К8 = 1.
Удобоукладываемость бетонной смеси следует принимать в соответствии со способом формования и типом конструкции согласно СНиП 3.09.01-85. Базовые нормы приведены для бетонных смесей с ОК = 1…4 см. При использовании бетонных смесей другой удобоукладываемости вводится коэффициент К 9, для смесей с ОК = 5…9 см К9 = 1,07, при Ж = 5…10 с – К 9 = 0,93, при Ж = 11…20 с – К 9 = 0,88. В рассматриваемом примере ОК бетонной смеси 4…6 см, поэтому принимаем К 9 = 1,07.
Базовые нормы предусматривают применение бетонной смеси с температурой не выше 25 оС, при температуре 25…30 оС вводится коэффициент К10 = 1,03, при температуре > 30 оС – К 10 = 0,88. Принимаем К 10 = 1.
При изготовлении преднапряженных ЖБК с отпуском натяжения арматуры на горячий бетон вводится коэффициент К 11 = 1,08. Принимаем К 11 = 1
Таким образом, исходя из условия обеспечения прочности бетона базовая норма расхода цемента Ц б = 420 кг, а корректирующий коэффициент К = 0,92. 1,02. 0,93. 1. 1. 1,03. 1. 1. 1,07. 1. 1 = 0,96, следовательно элементная норма расхода цемента Ц э1 = 420. 0,96 = 403 кг.
Для изделий и конструкций, к бетонам которых предъявляются требования по морозостойкости и водонепроницаемости типовые элементные нормы, на которые не распространяется корректирующий коэффициент, приведены в таблице 43.
Таблица 43 − Типовые элементные нормы расхода цемента для бетона
с нормируемыми требованиями по морозостойкости и водонепроницаемости
| Консистенция бетонной смеси | Элементные нормы расхода цемента ,кг, для марок бетона по | |||||||||
| морозостойкости F, циклы | водонепроницаемости | |||||||||
| ОК, см | Ж, с. | ≤ 75 | ≥ 400 | W 2 | W 4 | W 6 | ≥ W8 | |||
| 5…9 | – | |||||||||
| 1…4 | – | |||||||||
| – | 5-10 | |||||||||
| – | 11-20 |