4.3. Пример подбора состава бетона

4.3.1. Задание. Подобрать состав бетона класса В 20 для массивной бетонной конструкции моста, расположенной в подземной незатопляемой зоне. Климатические условия района строительства суровые. Марка бетона по морозостойкости F 100, марка по водонепроницаемости W 4. Нормируемое значение передаточной прочности составляет 100 % класса прочности. Коэффициент вариации прочности бетона v_п = 13,5 %.

Осадка конуса бетонной смеси ОК = 3 – 4 см. Твердение бетона в естественных условиях при температуре воздуха 15 – 20 °С.

Ограничения по составу бетона: объем вовлеченного воздуха 2 %, значения водоцементного отношения и расходы цемента следует принимать в соответствии с требованиями СНиП 3.06.04-91 [2].

Требования к применяемым материалам: портландцемент для конструкций мостов по ГОСТ 10178; комплексная добавка, содержащая пластифицирующий и воздухововлекающий компоненты; щебень гранитный с маркой по прочности не ниже М 1000, песок природный среднезернистый.

4.3.2. Для приготовления бетона получены следующие материалы:

- портландцемент нормированного состава марки ПЦ 400 – Д0 Н с активностью 40 МПа, истинной плотностью 3,1 кг/л;

- гранитный щебень с маркой по прочности М 1200, истинной плотностью 2,64 кг/л, содержанием пылевидных и глинистых частиц 2 %. Щебень имеет наибольшую крупность зерен 40 мм, состоит из смеси фракций: фракции 5 – 10 мм – 20 %, 10 – 20 мм – 30 %, 20 – 40 мм – 50 % по массе;

- песок природный среднезернистый с модулем крупности 2,2, истинной плотностью 2,62 кг/л;

- химические добавки – ПАВ: ЛСТ и СНВ. Плотность пластифицирующей добавки ЛСТ равна 1,73 кг/л, воздухововлекающей добавки СНВ – 1,37 кг/л.

4.3.3. По п.п 3.3.1 – 3.3.6 устанавливаем, правильно ли выбран вид цемента. Водоцементное отношение бетона с добавками для массивной конструкции должно быть не более 0,6 (см. табл. 1), минимальный расход цемента должен составлять не менее 230, максимальный – не более 450 кг/м³ бетона (см. п.п 1.5.1, 1.5.2). Объем вовлеченного воздуха в бетонной смеси должен составлять 2 – 4 % (см. табл. 6).

По табл. 4 уточняем наибольшую крупность зерен и зерновой состав крупного заполнителя с учетом наличия фракций. Требования к ограничению наибольшей крупности щебня не предъявляются, так как конструкция бетонная массивная (табл. П.1.4.).

Назначаем расходы добавок (ЛСТ – 0,2 %, СНВ – 0,001 % от массы цемента), объем вовлеченного воздуха 2 %, осадку конуса 3 см (табл. П.1.3.).

4.3.4. Расчет состава бетона ведем на 1 м³ (1000 л) уплотненной бетонной смеси в следующем порядке.

1. Определяем требуемую прочность тяжелого бетона R_Т по формуле (2.3) при коэффициенте вариации v_п = 13,5 % (см. табл. 3) и нормированной прочности R_Н = В= 20 МПа

R_Т = 1,305 · 20 = 26,1 МПа.

2. Определяем средний уровень прочности бетона R_У в проектном возрасте по формуле (2.2) при значении k_мп = 1,1 (см. табл. 2)

R_У = 1,1 · 26,1 = 28,7 МПа.

3. Определяем В/Ц по формуле (4.1)

В/Ц = 0,45·40 / (28,7 + 0,18·40) = 0,53.

Такая величина меньше предельного значения В/Ц (см. табл. 1).

4. Устанавливаем по табл. 7 расход воды в бетонной смеси при осадке конуса ОК = 3 см и наибольшей крупности щебня 40 мм – 160 л.

Принимаем расход воды 150 л, так как в бетонной смеси используется пластифицирующая добавка (см. примечание к табл. 7).

5. Определяем расход цемента по формуле (4.2)

Ц = В / В/Ц = 150/0,53 = 283 кг.

Согласно п.1.5.1 такой расход допустим.

6. Примерный расход химических добавок составит (см. табл. 5):

ЛСТ = 0,002 · 283 = 0,5660 кг,

СНВ = 0,00001 · 283 = 0,0283 кг.

7. Находим по формуле (4.8) соотношение масса/плотность для смеси добавок

Д/r_Д = 0,5660/1,73 + 0,0283/1,37 = 0,350.

8. Определяем абсолютный объем цементного теста по формуле (4.3)

V_Т = 283/3,1 + 0,350 + 150 = 241,65 л.

9. Рассчитываем абсолютный объем заполнителей по формуле (4.4)

V_З = 1000 – 241,65 = 758,35 л.

10. Для расчета количеств песка и щебня следует принять значение r = П/Щ – соотношение по массе между песком и щебнем. Согласно рекомендациям (см. табл. 8), для среднезернистого песка принимаем значение r = 0,55.

11. Приведенная плотность смеси заполнителей, определяемая по формуле (4.9), составит:

ρ_З = (2,64 + 2,62 · 0,55) / (1 + 0,55) = 2,63 кг/л.

12. Рассчитываем расходы заполнителей, песка и щебня по формулам (4.5 – 4.7)

З = 2,63 · 758,65 = 1994 кг,

Щ = 1994 / (1 + 0,55) = 1286 кг,

П = 1994 – 1286 = 708 кг.

Сумма масс Σ М цемента, воды, песка и щебня составляет

Σ М = 283 + 150 + 783 + 1286 = 2427 кг.

Объем вовлеченного воздуха V_В = 2 % · 1000/100 % = 20 л.

12. Получен следующий номинальный состав бетонной смеси при r = 0,55 и В/Ц = 0,53:

Ц:П:Щ – (Ц/Ц:П/Ц:Щ/Ц) – 1:2,50:4,51.

4.3.5. После завершения расчета сначала готовится пробная бетонная смесь номинального состава с введением комплексной добавки и принятым значением r. Количество смеси должно быть не менее 12 л, чтобы можно было определить подвижность бетонной смеси и ее фактическую плотность по методике, изложенной в [3, 16]. Расходы компонентов бетонной смеси рассчитывают на объем 12 л, для чего значения Ц, В, П, Щ и Д, рассчитанные на 1000 л бетонной смеси, умножают на 0,012. Добавки растворяют в рассчитанном для бетонной смеси количестве воды затворения.

Корректировку состава бетонной смеси в случае отклонения подвижности от требуемой величины проводят с соблюдением принятого В/Ц и неизменном r согласно [3, 17].

4.3.6. Из бетонной смеси откорректированного состава необходимо изготовить не менее 3-х образцов-кубов с размером ребра 150 мм для последующих испытаний на прочность при сжатии и водонепроницаемость.

Допустимо изготовление образцов с размером ребра 100 мм при наибольшей крупности щебня до 20 мм. Для изготовления трех образцов-кубов с размером ребра 100 мм готовят 7 л бетонной смеси.

Методика изготовления образцов-кубов и их испытания на прочность при сжатии изложена в [3, 4], методика определения марки бетона по водонепроницаемости – в разделе 5.

4.3.7. Для установления зависимости прочности бетона от водоцементного отношения необходимо рассчитать еще два дополнительных состава, отличающихся от номинального по величине В/Ц на 0,02 – 0,05 в большую и меньшую стороны, и приготовить бетонные смеси.

4.3.8. Произведем подбор дополнительных составов для рассмотренного примера, приняв величину отклонения В/Ц, равной 0,03, оставив неизменными r, подвижность смеси и свойства материалов (табл. 9, 10).

Таблица 9