33) Проектирование состава бетона

Это установление расхода материала на 1 м³ бетонной смеси при заданной прочности бетона, а также морозостойкости, водонепроницаемости и специальных свойств.

Состав бетонной смеси выражают двумя способами.

1. В виде соотношения по массе (реже объемного, менее точного) между количествами цемента, песка и гравия (или щебня) с обязательным указанием водоцементного отношения, и активности цемента. Массу цемента принимают за единицу, поэтому соотношение между составными частями бетона имеет вид: 1: х: у при определенном В/Ц и R_ц (например, 1: 2: 4 по массе при В/Ц=0,6 и R_ц=40 МПа). Устанавливать составы бетона по объему допустимо только на небольших стройках; при этом цемент всегда должен дозироваться по массе.

2. На крупных стройках и центральных бетонных заводах все материалы дозируются по массе, при этом состав бетона обозначают в виде расхода материала на 1 м3 уложенной и уплотненной бетонной смеси.

Расход материала указывают с точностью, которую может обеспечить принятый способ дозирования материалов. Обычно расход цемента и воды указывают с точностью до 1 кг, песка и щебня до 5 кг. Различают два состава бетона: номинальный (лабораторный), устанавливаемый для сухих материалов, и производственный (полевой) — для материалов в естественно-влажном состоянии.

При расчете состава бетона ставится задача — получить следующие показатели: прочность, равную полной марке бетона, или части ее, достаточной для распалубки, перевозки и частичной загрузки конструкции (обычно 70% марки); подвижность и жесткость бетонной смеси, создающие надлежащее уплотнение в изделии или конструкции; экономичность, заключающуюся в возможно меньшем расходе цемента на единицу объема бетона, но выше минимального расхода, обеспечивающего плотность бетона. При определении состава бетона учитывается необходимость достижения полной или частичной прочности в сроки, соответствующие графику производства работ или изготовления конструкций.

Прежде, чем рассчитывать состав бетона, необходимо выбрать марку цемента и исследовать местные заполнители (песок, гравий, щебень), а также воду. Для экономного расходования цемента необходимо, чтобы его марка превышала заданную марку бетона.

1. Устанавливается марка цемента по марке бетона. При применении более низких марок цемента для приготовления бетона требуется слишком большой расход цемента. Наоборот, когда марка цемента слишком высока, может случиться, что расход цемента будет меньше требуемого для получения бетона необходимой плотности. В этом случае к цементу надо добавить тонкомолотую добавку — активную кремнеземистую или инертную (молотый кварцевый песок, инертный при обычном твердении бетона без автоклавной обработки; каменную муку из плотного известняка и т. п.). Добавка может быть размолота в сухом состоянии и заранее смешана с цементом или же в виде водной суспензии введена непосредственно в бетоносмеситель.

2. Водоцементное отношение рассчитывают по заданным марке и сроку твердения бетона, активности цемента и виду заполнителей на основании формул или по результатам предварительных опытов. Если задан расчетный срок n, не равный 28 сут, то сначала вычисляют R_ц по формуле, затем по R28 определяют водоцементное отношение. R_б=А·R_ц((Ц/В)±0,5), Ц/В=R_б/(А·R_ц),

«+» при Ц/В=1,4-2,5 «-» при Ц/В>2,5

R_б-прочность бетона нормального твердения в возрасте 28 сут, R_ц-активность цемента, А-эмпирический коэффициент, учитывающий влияние на прочность бетона заполнителей и других факторов.

3. Расход воды В на 1 м³ бетона определяют по графику в зависимости от требуемой подвижности или жесткости бетонной смеси, вида и крупности заполнителя. Зная В/Ц и В, определяют расход цемента на 1 м³ бетона Ц=В (Ц/В).

4. Для определения расхода песка и щебня (гравия) составляют два уравнения. Первое уравнение выражает, что сумма абсолютных объемов всех составных частей бетона (в литрах) равна 1 м³ (1000 л) готового уплотненного бетона, если в бетоне нет вовлеченного воздуха К=1000/(((V_пуст·K_разд)/У_к)+1/g_к

Коэффициент К_разд определяет соотношение между песком и щебнем в бетоне. При излишне высоких коэффициентах К_разд бетонная смесь содержит избыточное количество песка. Такая смесь обладает повышенной водопотребностью и соответственно требует большего расхода цемента. При слишком малых значениях К_разд в бетонной смеси будет недостаток песка, что приведет к ее расслоению, и, следовательно, к снижению прочности бетона, к ухудшению его морозостойкости и других свойств. Таким образом, правильный выбор коэффициента К_разд даст возможность получить экономичный по расходу цемента прочный и плотный бетон.

С увеличением количества воды для придания бетонной смеси большей подвижности объем цементного теста возрастает, а вязкость его понижается. Чтобы избежать водоотделения и расслоения бетонной смеси и чтобы была необходимая ее связанность, приходится увеличивать коэффициент К_разд, сохраняя и даже увеличивая (при высоких значениях В/Ц) соотношение между песком и щебнем, так как более высокая удельная поверхность песка, мелкие поры и капилляры между его частицами способствуют удержанию воды в жидком цементном тесте.

34) Свойства бетона

1. Плотность

Плотность бетона заметно влияет на его стойкость в различных условиях эксплуатации. Следует различать

плотность незатвердевшей бетонной смеси и плотность затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом воды, содержащейся в смеси), если она правильно рассчитана и плотно уложена. В затвердевшем бетоне только. часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным.

Плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей, дающим уменьшение объема пустот в смеси заполнителей, а следовательно, и содержания: цементного камня и бетоне.

Плотность бетона может быть повышена путем уменьшения водоцементного отношения, что достигается введением в бетонную смесь специальных добавок — пластификаторов, уплотнением бетонной смеси вибрацией, центробежным или другим механизированным способом. Часть свободной воды из бетонной смеси при укладке можно удалить вакуумированием.

2. Прочность

Прочность бетона — одно из главных его строительных свойств. Она определяет способность бетона противостоять внешним механическим усилиям.

Прочность бетона R_б к определенному сроку при твердении в нормальных условиях (температура 15-20 ^оС и относительная влажность окружающего воздуха 90—100 %) зависит, главным образом, от двух факторов: прочности (активности) цемента R_ц и водоцементного отношения В/Ц.

На прочность бетона, хотя и менее существенное, чем R_ц и В/Ц, заметное влияние оказывают также виды цемента форма заполнителей, характер их поверхности, способы приготовления образцов и другие факторы.

Высококачественными материалами являются: щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок хорошего зернового состава, портландцемент высокой активности, без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. Заполнители должны быть чистыми, промытыми, фракционированными с оптимальным зерновым составом смеси фракций. Рядовые материалы: заполнители среднего качества, отвечающие требованиям ГОСТ, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокопрочный шлакопортландцемент. Материалы пониженного качества: крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой активности.

Прочность бетона характеризуется его маркой, которая определяется пределом прочности при сжатии стандартных бетонных кубов размером 150Ч150Ч150 мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 сут после твердения в нормальных условиях. Для тяжелых бетонов применяют марки М100, М150, М200, М250, М300, M350, M400, М450, М500, М600.

Марки бетона могут быть определены также и по прочности на растяжение при изгибе, например для тяжелых бетонов, применяемых в дорожном и аэродромном строительстве. Прочность бетона на растяжение при изгибе определяется путем испытания образцов, имеющих форму балочек квадратного сечения. Прочность бетона при изгибе в несколько раз меньше прочности бетона при сжатии и его марки на растяжение при изгибе могут быть: М15, М20, М25, МЗО, МЗ5, М40, М45, М50, М55.

Прочность бетона также характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяются на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗО; В40; В45; В50; В55; В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (в МПа), контролируемой на производстве для образцов 15Ч15Ч15 см (при нормативном коэффициенте вариации 13,5 %) следует применять формулу: R_б^ср =В/0,778.

3. Деформативные свойства бетона

Усадка бетона, т. е. уменьшение его объема, проявляется при твердении бетона в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, способствующей высыханию бетона.Общая величина деформаций усадки складывается из влажностной, контракционной и карбонизационной деформации, названной так по виду определяющего фактора.

Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует изменениям в поровой структуре материала: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры. Обычно эта усадка развивается в период затвердевания бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материала. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидрата окиси кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.