Лабораторная работа № 7 подбор состава тяжелого бетона

Цель работы: ознакомление с методом абсолютных объемов по подбору (проектированию) состава тяжелого бетона и стандартными методиками определения основных свойств бетонной смеси и тяжелого бетона.

Подбор состава бетона заключается в определении расхода исходных материалов (вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей) на 1 м³ уплотненной бетонной смеси.

В относительном выражении - соотноше­ние по массе или объему между количествами цемента, песка и щебня (гра­вия) при обязательном указании водоцементного отношения массу или объем цемента принимают за единицу, поэтому соотно­шение между составными частями бетона имеет вид: 1 :Х:У при определен­ном В/Ц (где X - количество частей песка, У - количество частей щебня или гравия).

От правильности подбора (проектирования) состава тяжелого бетона зависят его плотность и прочность, которые, в свою очередь во многом определяют такие важные свойства как морозостойкость, водонепроницаемость и др.

Рациональным считается тот состав обычного тяжелого бетона, в котором обеспечены условия:

- минимализация расхода вяжущего;

- обеспечение заданной прочности бетона ;

- обеспечение необходимой удобоукладываемости бетонной смеси.

1. Проектирование состава тяжелого бетона

Порядок проектирования состава бетона:

- расчет ориен­тировочного состава;

- проверка на опытных замесах удобоукладываемости бетонной смеси и прочности бетона;

- уточнение состава бетона, если требуемые свойства не достигнуты;

- расчет номиналь­ного (лабораторного состава);

- расчет полевого (производственного) состава с учетом влаж­ности заполнителей;

- определение расхода материалов на один замес бетоносмесителя.

1.1.Расчет предварительного состава тяжелого бетона

Расчет предварительного состава тяжелого бетона производят на основе зависимости прочности бетона от активности цемента, цементно-водного фактора и качества заполнителей, а также зависимости подвижности бетон­ной смеси от расхода воды и других факторов. Определение расходов песка и крупного заполнителя основано на формулах, которые вытекают из физи­ческих основ структурообразования бетона (принципы метода абсолютных объемов). Требуемую среднюю прочность бетона определяют, исходя из заданного класса по прочности на сжатие, по формуле:

R_б= 1,1 B/ K_{б ,} ( 7.1)

где R_б - класс бетона по прочности на сжатие; К₆ - Коэффициент, зависящий от вида бетона (для тяжелого бетона К₆ равен 0,778).

Если в задании указана марка бетона, то требуемую прочность бетона в рассчитывают по формуле

R_б = 0,11М,

где М - заданная марка бетона.

1.1.1.Порядок расчета состава тяжелого бетона.

Определяют водоцементное отношение по формулам: а) для обычного бетона (при В/Ц > 0,4, если R_б < 2А • R_ц):

В/Ц = А • Rц /( R_б + 0,5 А • Rц) (7.2.)

б) для высокопрочного бетона (при В/Ц < 0,4):

В/Ц = А • Rц /( R_б - 0,5 А • Rц) (7.3)

Значения коэффициентов А и А₁ принимают из справочной литературы ( прил.3 табл.6)

Назначают водопотребность (В) бетонной смеси (расход воды в дм³ или кг на 1 м³ бетона) в зависимости от ее удобоукладываемости (подвижности или жесткости).

Удобоукладываемость смеси, если она не задана, выбира­ется в зависимости от вида конструкции и способа формования по СНиП или по таблице из справочной литературы (табл.7 прил. 3 ) в зави­симости от требуемой удобоукладываемости (подвижности или жесткости) бетонной смеси, вида и крупности заполнителя.

Определяют расход цемента на I м³ бетона по формуле:

Ц= В/(В\Ц)

Если расход цемента на 1 м бетона окажется меньше допускаемого СНиПу (табл. 3.25 прил.), то следует увеличить его до требуемой величины.

Определяют расход заполнителей на 1 м бетона по следующим форулам:

Щ = 1000/(α • V_п/ρ_нщ+1/р_щ), (7.4)

П=ρ_п (1000-Ц/р_ц-В-Щ/ρ), (7.5)

где: Щ, П, Ц и В - расходы соответственно щебня, песка, цемента и воды в кг на 1 м³ бетона;

α - коэффициент раздвижки зерен щебня раствором. Коэффициент раздвижки для жестких бетонных смесей следует принимать в пределах 1,05-1,15, в среднем 1,1; для пластичных смесей. Определяют по справочной литературе (табл.3.26 прил. ). При Ц и В/Ц, не указанных в таблице коэффициент а находят интерпо­ляцией. Если водопотребность песка более 7%, коэффициент ос умень­шают на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности; если водо­потребность песка менее 7%, коэффициент а увеличивают на 0,03 на каж­дый процент снижения водопотребности;

V_п -пустотность щебня в долях единицы;

р_щ, р_п и р_ц - истинные плотности со­ответственно щебня, песка и цемента, кг/дм³; р_нщ - насыпная плотность щебня, кг/дм³.

Определяют расчетный состав бетона в виде расхода мате­риалов Ц, В, П и Щ (кг) для получения 1 м³ или 1000 дм³ бетона.

Определяется расчетная плотность бетонной смеси (кг/м³) по формуле:

ρ_бс = Ц + В + П + Щ (7.6)

1.1.2. Корректирование состава бетона по пробному замесу

Производят корректирование удобоукладываемости бетонной смеси на проб­ном замесе. Удобоукладываемость бетонной смеси определяют согласно стандартной методике (в описании лабораторной работы методика приведена по окончании метода расчета состава бетона).

Определяют фактические расходы сырьевых материалов на на 1 м³:

Ц_ф = Ц_{зф •} 1000/ V_зф (7.7)

В_ф = В_{зф •} 1000/ V_зф (7.8)

П_ф = П_{зф •} 1000/ V_зф (7.9)

Щ_ф = Щ_{зф •} 1000/ V_{зф ,} (7.10)

где Ц_3ф, В_3ф, П_3ф и Щ_3ф - фактические расходы сырьевых материалов на пробный замес, кг;

V_зф- фактический объем пробного замеса, дм³ :

V_зф = Ц_зф + В_зф + П_зф + Щ_зф / р_бс^ф, (7.11)

где р_бс^ф - фактическая плотность бетонной смеси, кг/дм³ (не должна отличаться от расчетной плотности более чем на 2 %).

Изготавливаются стандартные контрольные образцы бетона и испытывают его на сжатие в соответствии с ГОСТ (в описании лабораторной работы методика приведена по окончании метода расчета состава бетона). Если фактическая прочность бетона отличается от за­данной более чем на 15% в ту и другую сторону, то следует внести коррек­тивы в состав бетона. Для повышения прочности увеличивают расход це­мента, т.е. Ц/В; в противном случае - уменьшают расход цемента и соот­ветственно Ц/В.

1.1.3.Определение полевого (производственного) состава бетона

Производственный состав бетона определяют с учетом влажности заполнителей:

Ц_п = Ц_ф

В_п= В_ф - П_ф • W _п/ 100 - Щ_ф • W _щ/100 (7.12)

Пп = П_зф + П_ф • W _п/ 100 (7.13)

Щ_п = Щ_ф + П_ф • W _п/ 100, (7.14)

где: W _{п ,} W _щ п- влажность песка и щебня, %

1.1.4.Определение расходов материалов на замес бетоносмесителя

Производят определение коэффициента выхода бетона, который представляет собой степень уменьшения объема бетонной смеси по сравнению с суммарным объемом исходных материалов (обычно равен 0,6...0,7) вычисляют по формуле:

β=1000/ (Ц/ρ_нц + Пп/ρ_нп + Щп/ρ_нщ ), (7.15)

где: ρ_{нц ,}ρ_{нп ,} ρ_нщ - насыпные плотности, соответственно, цемента, песка и щебня, кг/дм³.

Определяют V_б - объема бетонной смеси, получаемой из одного замеса бетоносмеси­теля, дм³ :

V_б =β-V _бс, (7.16)

где : V_бс - емкость бетоносмесителя по загрузке.

Определяют расходы материалов на замес бетоносмесителя по формулам:

Ц_бс= Ц • V_б/ 1000 (7.17)

В_бс= Вп • V_б/ 1000 (7.18)

П_бс= Пп • V_б/ 1000 (7.19)

Щ_бс= Щп • V_б/ 1000 (7.20)

Состав бетона выражают расходом всех составляющих мате­риалов по массе на I м³ уложенной и уплотненной бетонной сме­си или отношением массы составляющих материалов смеси к массе цемента, принимаемой за единицу, т. е. 1 : х: у (цемент : пе­сок : щебень или гравий) при В/Ц = Z Например, в первом слу­чае состав бетона: цемента — 280, песка — 670, щебня — 1300, воды — 170 кг/м³, а во втором случае: 1:2,4:4,7 при В/Ц = 0,6.

1.2. Определение свойств бетонной смеси

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из частичек вяжущего, новообразований, возникающих при взаимодействии вяжущего с водой, зерен заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев специальных добавок, вовлеченного воздуха. Из-за проявле­ния сил взаимодействия между перечисленными компонентами эта система приобретает связность и может рассматриваться как единое физическое тело с определенными физическими свойствами.

Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона в кон­струкциях и изделиях необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистен­цию, соответствующую условиям ее укладки и уплотнения, т.е. определен­ную удобоукладываемость. Это основное свойство бетонной смеси оцени­вают показателями подвижности и жесткости. По этим показателям бетон­ные смеси подразделяют на группы и марки (табл.3.12 прил.).

Помимо удобоукладываемости бетонные смеси характеризуются также средней плотностью, объемом вовлеченного воздуха, расслаиваемостью (при необходимости), сохраняемостью во времени свойств: удобоуклады­ваемости, расслаиваемости, объема вовлеченного воздуха (при необходи­мости).

Свойства бетонной смеси зависят от ее состава, вида и свойств отдель­ных компонентов. Так, при увеличении содержания цементного теста и, соответственно, уменьшении содержания заполнителей смесь становится более подвижной. Аналогично влияет увеличение содержания в смеси воды, но это может вызвать расслоение смеси, а прочность бетона падает.

2.1.Определение подвижности бетонной смеси

В качестве показателя подвижности используют осадку бетонного конуса под собственной массой. С этой целью используют стандартный при­бор в форме усеченного конуса, изготовленного из листовой стали (рис.27).

Рисунок 27 - Конус для определения подвижности бетонной смеси

Конус с размерами, приведенными на рис.27, предназначается для опреде­ления подвижности бетонной смеси с зернами заполнителя наибольшей крупности до 40 мм.

Сначала внутреннюю поверхность конуса вытирают влажной тканью и устанавливают на ровную поверхность. На конус надевают воронку, запол­няют бетонной смесью до 1/3 высоты и штыкуют металлическим стержнем 25 раз. Затем конус заполняют до 2/3 высоты, штыкуют 25 раз, далее запол­няют с избытком и штыкуют опять 25 раз. Штыкование производят равно­мерно от стенок к центру конуса. После уплотнения третьего слоя воронку снимают, кельмой срезают излишек смеси и заглаживают поверхность. Ме­таллический конус поднимают вертикально и устанавливают рядом с от­формованным бетонным конусом.

Разность в высотах металлического и бетонного конуса, измеряемая с округлением до 0,5 см, означает подвижность бетонной смеси. Измерение производят два раза и по двум результатам вычисляют среднеарифметиче­ское значение подвижности с округлением до 1 см. При этом разница меж­ду двумя результатами не должна превышать 1 см при ОК < 4 см, 2см при ОК=5-9 см и 3 см при ОК > 10 см. В противном случае приготавливают но­вый замес и опыт повторяют до получения необходимых результатов.

При размере зерен заполнителя более 40 мм используют увеличенный конус с размерами, мм: внутренний диаметр нижнего основания — 300, верхнего основания — 150, высота — 450. Метод определения подвижности с применением этого конуса аналогичен стандартному, но при этом полу­ченный результат умножают на поправочный коэффициент 0,67 для приве­дения к величине осадки обычного конуса.

2.2.Определение жесткости бетонной смеси

Показатель жесткости бетонной смеси определяют на специальном приборе, который состоит из цилиндрического сосуда 1 высотой 200 мм с внутренним диаметром 240 мм с закрепленным на нем устройством 9 для измерения осадки бетонной смеси в виде направляющего штатива 8, штанги 5 и металлического диска 6 толщиной 4 мм с шестью отверстиями 7 (рис. 28). Прибор устанавливают на стандартную лабораторную виброплощадку и плотно прикрепляют к ней. Затем в сосуд помещают металлическую фор­му-конус 3 с насадкой 4 для заполнения бетонной смесью.

Размеры формы-конуса такие же, как при определении подвижности бетонной смеси, т.е. высота — 300 мм, нижний диаметр — 200 мм, верхний диаметр — 100 мм. Форму-конус с помощью специального кольца-держателя 2 закрепляют в приборе и заполняют тремя слоями бетонной смеси, уплотняя ее штыкованием (25 раз каждый слой). Затем удаляют форму-конус, поворачивают штатив, устанавливают на поверхности бетон­ной смеси диск и включают виброплощадку. Вибрирование при частоте (2900+100) кол/мин и амплитуде (0,50±0,01) мм продолжают до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из двух отверстий диска. Полученное время вибрирования — показатель жесткости бетонной смеси.

Рисунок 28 - Стандартный прибор для определения жесткости бетонной смеси

Жесткость бетонной смеси определяют дважды. Общее время испыта­ния от начала первого определения до окончания второго не должно пре­вышать 15 мин. Жесткость бетонной смеси вычисляют с округлением до 1 как среднее арифметическое значение результатов двух определений, отливаючающихся не более чем на 20%. При большем расхождении результатов V определение повторяют на новой пробе.

В лабораториях иногда используют упрощенный способ определения жесткости бетонной смеси, предложенный Б. Г. Скрамтаевым. По этому способу испытание проводят следующим образом. В обычную металличе­скую форму для приготовления кубов размером 20x20x20 см вставляют стандартный конус. Предварительно с него снимают упоры и немного уменьшают нижний диаметр, чтобы конус вошел внутрь куба (рис. 29).

Рисунок 29 - Определение жесткости бетонной смеси упрощенным способом

Наполняют конус также в три слоя. После снятия металлического ко­нуса бетонную смесь подвергают вибрации на лабораторной площадке. Вибрация длится до тех пор, пока бетонная смесь не заполнит всех углов у куба и ее поверхность не станет горизонтальной.

Н⁴ как показали опыты, показатель жесткости, определенный на стандарт­ном приборе, приблизительно в 1,5-2 раза меньше показателя, полученного по способу Б. Г. Скрамтаева.

2.3.Определение пределов прочности тяжелого бетона

Качество тяжелого бетона характеризуют классами и марками по проч­ности при сжатии и изгибе, марками по морозостойкости и водонепрони­цаемости. Класс бетона но прочности на сжатие определяют величиной гарантированного предела прочности на сжатие в МПа с обеспеченностью 0,95 образцов бетона базового размера (кубов с ребром 15x15x15 см) в воз­расте 28 суток. Бетоны подразделяют на классы: В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В12,5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 45; В 50; В 55; В 60, В 65; В 70; В 75; В80.

На производстве контролируют среднюю прочность бетона на сжатие или марку бетона по прочности на сжатие. Соотношение между классами бетона по прочности на сжатие, средней прочностью на сжатие и марками по прочности на сжатие приведены в таблице 3.14 приложения.

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродро­мов, устанавливаются классы и марки бетона по прочности при изгибе.

Определение предела прочности тяжелого бетона на сжатие. Предел прочности бетона на сжатие обычно определяют на образцах кубической формы с размерами грани 70, 100, 150, 200, 300 мм; а также на образцах цилиндрической формы диаметром 70, 100, 150, 200 мм и высотой

h = d или 2d. Размеры образцов выбирают в зависимости от максималь­ного размера зерен заполнителя. Максимальный размер зерен заполнителя должен быть не более 1/4 размера грани куба или диаметра цилиндра. Об­разцы испытывают сериями по три образца.

Перед формованием внутреннюю поверхность металлических форм смазывают тонким слоем машинного масла. Уплотнение бетонной смеси при изготовлении образцов осуществляют способом, принятым в техноло­гии производства изделий. При невозможности выполнения этого условия, образцы формуют следующим образом. Укладку бетонной смеси и ее уп­лотнение производят штыкованием с помощью металлического стержня диаметром 16 мм. Количество штыкований определяется из расчета 10 штыкований на каждые 100 см² площади образца.

При уплотнении бетонной смеси с подвижностью менее 10 см или же­сткостью до 11с форму закрепляют на лабораторном вибростоле с помо­щью металлических зажимов. Форму заполняют бетонной смесью с избыт­ком и включают вибростол. Вибрирование продолжают до тех пор, пока смесь полностью не заполнит форму с образованием на поверхности це­ментного молока.

При изготовлении образцов из бетонной смеси жесткостью 11 с и более, на форме закрепляют насадку. Форму с насадкой жестко закрепляют на виброплощадке и устанавливают на поверхность смеси пригруз, обеспе­чивающий давление (4,0 ± 0,5) кПа, и вибрируют до прекращения оседания пригруза, плюс дополнительно 5-10 с.

Затем излишек бетонной смеси срезают металлической линейкой, и по­верхность образца сглаживают кельмой. При определении пределов проч­ности на сжатие товарного бетона поверхность образцов закрывают влаж­ной тканью, выдерживают в комнате при температуре воздуха (20±3) °С не менее 24 часов, а затем распалубливают и помещают в камеру нормального твердения. Если предусмотрено тепловлажностное ускоренное твердение бетона, то образцы в формах помещают в пропарочную камеру и подверга­ют тепловлажностной обработке по заданному режиму. Чаще всего образцы подвергают твердению вместе с изделиями в идентичных условиях. К перед испытанием образцы подвергают визуальному осмотру (дефектные образцы испытаниям не подлежат), взвешивают, определяют среднюю плотность. Среднее значение средней плотности бетона округляют до десяти кг/м³.

Испытуемый образец устанавливают на нижнюю плиту гидравли­ческого пресса так, чтобы направление разрушающей силы было парал­лельно слоям бетонной смеси при ее уплотнении. Нарастание нагрузки на образец должно быть постепенным. Скорость нарастания нагрузки должна быть в пределах (0,6 ± 0,4) МПа в секунду.

Предел прочности бетона в МПа вычисляют по формуле

R= (7.21)

где Р - разрушающая сила, Н (кгс); F - площадь поперечного сечения об­разца, мм² (см²); - масштабный коэффициент.

Значения масштабных коэффициентов выбирают из табл.3.15 прил. в зависи­мости от размеров испытуемых образцов.;

После вычисления предела прочности отдельных образцов рассчиты­вают среднее арифметическое значение предела прочности в данной серии образцов: из двух образцов — по двум образцам; из трех образцов — по двум наибольшим по прочности образцам)

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте кратко основные принципы подбора (проектирования) тяжелого бетона методом абсолютных объемов.

2. Цель проектирования состава бетона? Какой состав тяжелого бетона принято считать рациональным?

3. Перечислите свойства сырьевых материалов, показатели которых необходимо знать при проектировании состава бетона.

4. Как рассчитывается В/Ц? Принципы подбора коэффициентов А, А₁?

5. От чего зависит расход воды при получении бетона, как он определяется при проектировании?

6. Как определяется расход минеральной части бетонной смеси при проектировании состава тяжелого бетона?

7. Каковы физический и практический смысл коэффициента раздвижки зерен? Как он определяется при проектировании состава бетона?

8. Методика определения удобоукладываемости бетонной смеси? Классификация бетонных смесей по показателям подвижности и жесткости, краткое обозначение показателей?

9. Дайте определение терминам «марка», «класс» бетона. Как определить класс бетона, зная марку и наоборот?

10. Методика определения прочности бетонов? Классы и марки тяжелого бетона?