§ 49. Подбор состава бетона

Подбор состава бетона заключается в установлении наиболее рационального соотношения между составляю­щими бетон материалами (цементом, водой, песком, гра­вием или щебнем). Такое соотношение должно обеспе­чить требуемую удобоукладываемость бетонной смеси для принятого способа ее уплотнения, а также приобре­тение бетоном заданной прочности в назначенный срок при наименьшем расходе цемента. [В отдельных случаях следует учитывать требования по получению бетона не­обходимой плотности, морозостойкости, водонепроницае­мости, стойкости к воздействию агрессивных вод и т. п.

Состав бетонной смеси выражают в виде массового (реже объемного) соотношения между количеством це­мента, песка, гравия или щебня с обязательным указа­нием водоцементного отношения. При этом количество цемента принимают за единицу. В общем виде состав бе­тонной смеси выражают соотношением 1 : х : у (цемент:

: песок : гравий) при В/Ц=г, например 1 : 2,5 : 4,8 при В/Ц — 0,5. Состав бетона может быть выражен в виде расхода материалов по массе на 1 м³ уплотненной смеси, например цемента 260, песка 660, гравия 1310 кг/м³, во­ды 165 л/м³.

Различают два состава бетона: номинальный (лабо­раторный), рассчитанный для материалов в сухом состо­янии, и производственный (полевой) для материалов в естественно-влажном состоянии.

Существует несколько методов подбора состава бето­на. Наиболее простым и удобным является метод «абсо­лютных объемов» Б. Г. Скрамтаева. Состав бетона по этому методу подбирают в два этапа. Вначале рассчиты­вают ориентировочный состав бетона, который затем проверяют и уточняют по результатам пробных замесов и испытаний контрольных образцов.

Расчет состава бетона для пробных замесов. Для расчета состава бетона необходимы следующие данные: заданные марка бетона удобоукладываемость бетон­ной смеси, а также характеристика исходных материа­лов—• активность цемента R_n, насыпная и истинная плотность цемента, песка, гравия или щебня, пустотность гравия или щебня и наибольшую крупность их зереи.

Состав бетона для пробных замесов рассчитывают в следующей последовательности: вычисляют водоцемент­ное отношение, определяют расходы воды и цемента, а затем расходы крупного и мелкого заполнителя на 1 м³ бетонной смеси. Водоцементное отношение вычисляют по формуле, приведенной на с. 175, которая после преобра­зования имеет вид:

В/Ц- ARJ(R₆-\-0,5AR_n) или В/Ц = АЯ_ц/(Я_б-0,5АЯц).

Расход воды (водопотребность) ориентировочно оп­ределяют исходя из заданной удобоукладываемости бе­тонной смеси по таблицам, составленным с учетом вида и крупности зерен заполнителя (табл. 11).

Расход цемента в кг на 1 м³ бетона вычисляют по уже известной величине ВЩ, определенной по таблице водопотребности бетонной смеси:

Ц = В/(В/Ц).

Расход заполнителей (песка, щебня или гравия) в кг на 1 м³ бетона вычисляют, исходя из двух условий: во- первых, сумма абсолютных объемов всех компонентов бетона равна 1 м³ уплотненной бетонной смеси, т. е.

Ц/р_а + В/р_в + П/р_а + Щ(Г)/р_т(г)= 1,

где Ц, В, П, Щ{Г) — расход цемента, воды, песка и щебня (гравия), кг/м³; рч, рв, рп, рщ(г) — исгинная плотность этих материалов, кг/м³; Д/ри, £/рв, П/рп, Щ(Г)рщ(г)—абсолютные объемы материалов, м³;

во-вторых, цементно-песчаный раствор заполнит пустоты в крупном заполнителе с некоторой раздвижкой зерен, т. е.

Д/Рц + Рв П/Рл — ^ п.щ(г) Щ (Г)а/Ртш(г) I

где У_п.щ(г) — пустотность щебня (гравия) в рыхлом состоянии; ршщ(г) — плотность щебня (гравия), кг/м³, а — коэффициент раз­движки зерен щебня (гравия), для подвижной смеси (0„=4...15см) а= 1,25...1,6 в зависимости от расхода цемента, для малоподвижных {П\= 1...3 см) а= 1,62...1,5, для жестких а= 1,05...1,1.

Из этих двух уравнений можно вывести формулу для определения расхода щебня (гравия), кг, на 1 м³ бето­на:

Уп.щ(г) ^а/Ртщ(г) + 11Рщ(г)

После этого рассчитывают расход песка, кг/м³, как разность между проектным объемом бетонной смеси и суммой абсолютных объемов цемента, воды и крупного заполнителя по формуле:

П = [1 - (Ц/р_щ + В/р_в + Щ (Г)1р_щМ)] р_п.

Определив расход компонентов Ц, В, П, Щ(Г) на 1 м³ бетонной смеси, вычисляют ее расчетную плотность, кг/м³, по формуле р_тб.см = Ц+В-\-П + Щ(Г) и коэффи­циент выхода бетона р — делением объема бетонной сме­си (1 м³) в уплотненном состоянии на сумму объемов сухих составляющих, затраченных на ее приготовление:

К„+К„-!- V_lu(r) Ц1р_а.п + П/Рп.и + Щ(П/Рп.щМ ’

где У_ц, V_n, Ущ(г) — объем сухих составляющих, затраченных на приготовление 1 м³ бетонной смеси, м³; р_н._ц, р_и.„, р_и.щ(г) — насыпная плотность сухих материалов, кг/м³.

Значение коэффициента выхода бетона обычно [3=0,6...0,75.

Уточнение расчетного состава бетона пробными заме­сами.

После выполнения расчета состава бетона готовят пробный замес бетонной смеси объемом 30—50 л и опре­деляют ее подвижность или жесткость (методика опреде­ления подвижности и жесткости бетонной смеси приведе­на в § 47). Если бетонная смесь получилась менее подвижной, чем требуется, то увеличивают количество цемента порциями по 10 % первоначального и вводят со­ответствующее цементоводному отношению количество воды. В том случае, когда подвижность смеси получалась больше требуемой, добавляют небольшими порциями песок и крупный заполнитель, сохраняя отношение их постоянным. Таким путем добиваются заданной подвиж­ности бетонной смеси.

Объем замеса бетонной смеси, полученной после кор­ректирования состава ее по подвижности, может быть оп­ределен по формуле:

Уз — [Цз П₃-\- Щ (ОзУртб-см-

где V₃ — объем замеса бетонной смеси, м³; Ц₃, В₃, П₃, Щ(Г)_а —со­ответственно масса цемента, воды, песка и щебня (гравия), израс­ходованных на замес, кг, р_тб.см — плотность бетонной смеси, кг/м®.

Далее, зная объем бетонной смеси и расход материа­лов для получения этого объема, можно рассчитать рас­ход материалов на 1 м³ бетонной смеси:

Ц = {Ц₃\)1Уз, В = (В₃ 1)/У₃; П = (Л₃ 1)/К₃; Щ(Г) = (Щ (n₃i)/vv

Помимо замеса для уточнения состава бетонной сме­си рекомендуется готовить еще два пробных замеса того же объема, что и первый, но в одном водоцементное от­ношение принимается большим на 20 %, а в другом мень­шим на 20 %. Для двух дополнительных составов бетона определяют расход воды, цемента, крупного заполните­ля и песка аналогично приведенному выше расчету.

Из бетонной смеси каждого замеса изготовляют по три контрольных образца-куба размером 150X15QX XI50 мм, которые испытывают на сжатие через 7 и 28 сут нормального твердения. По результатам испыта­ний строят график R₅=f(B/IJ,), по которому выбирают водоцементное отношение, обеспечивающее получение бетона заданной марки.

На пробных замесах проверяют подвижность или жесткость бетонной смеси, а также определяют ее плот­ность, которая должна совпадать с расчетной.

По результатам пробных замесов и испытаний кон­трольных образцов-кубов вносят коррективы в расчет­ный состав бетона. При этом учитывают фактическую влажность заполнителей и пересчитывают номинальный состав бетонной смеси на производственный. При таком пересчете количество влажных заполнителей увеличива­ют, чтобы содержание в них сухого материала равнялось расчетному, а количество вводимой в замес воды умень­шают на величину содержания воды в заполнителях.

Плотность уплотненной смеси можно определить при изготовлении контрольных образцов-кубов, взвешивая пустую форму и форму с уплотненной в ней бетонной смесью.

Производственный (полевой) состав бетона по массе вычисляют делением расхода каждого компонента бе­тонной смеси на расход цемента:

Ц/Ц:П/Ц:Щ (Г)/Ц — 1:Л/Ц:Щ (Г)/Ц, а по объему следующим образом:

Ц - ^_а1Уц'. Vщ(г)/Уц ⁼ 1 ^: VnlVЦ - Ущ<г)/1^ц.

Расчет дозировки составляющих бетонной смеси, кг/м³, на один замес бетоносмесителя определенного объема с учетом найденного коэффициента выхода бето­на выполняют по формулам:

Д„=(рУ/1)Д; B₀ = (PV/1)B;

Пц — (PV/1) П; Щ(Г)„ = №УП)Щ(Г),

где Ц„, B_Vt П„, Ill(r)v — масса соответственно цемента, воды, песка, щебня (гравия), кг, требуемая на замес бетоносмесителя с бараба­ном объемом V, м³.

Пример. Требуется подобрать состав тяжелого бетона марки М300 с ^6 = 30 МПа для бетонирования монолитных балок и колони среднего сечения и рассчитать расход материалов на замес в бето­носмесителе с полезным объемом барабана V=1200 л. Подвижность бетонной смеси П\—2..А см.

Характеристика исходных материалов: портландцемент активно­стью /?_ц=44 МПа, насыпная плотность сухих составляющих р_н._ц = =1200 кг/м³; р_н.11 = 1500 кг/м³; р_н.щ=1600 кг/м³; их истинная плот­ность рц=3100 кг/м³; р_и=2600 кг/м³; р_1Ц=2700 кг/м³; пустотность гранитного фракционированного щебня к_Пщ=0,41; наибольшая круп­ность зерен щебня 40 мм, влажность крупного кварцевого песка 1У_П = 4 %, влажность щебня №_щ=1 %.

Водоцементное отношение вычисляем по формуле:

R₆= АЯ_ц(Ц1В-0,5).

которая после преобразования илгеет вид:

В/Ц = AR₄/(R₆ + 0,5/1) = (0,6-5'44)7(300 + 0,5-0 ,65-44) = 0,65.

Коэффициент Л = 0,65 выбираем по табл. 10 как для высокока­чественных материалов.

Расход воды на 1 м³ бетонной смеси В определяем по табл. 11, учитывая заданную осадку конуса бетонной смеси для бетонирова­ния блока и колонн Я] = 2...4 см. Для получения бетонной смеси та­кой подвижности с применением в качестве крупного заполнителя щебня с наибольшей крупностью зерен 40 мм В—175 кг.

Расход цемента на 1 м³ бетона составит

Ц= В/(В/Ц)= 175/0,65 = 269 кг.

Расход щебня в сухом состоянии на 1 м³ бетона находим по формуле:

1 1

ц/ ]422 кг

Уц.щ “/Рнлц + ¹ /Рщ 0,41-1,3/1600 -)- 1/2700

Значение коэффициента раздвижки зерен а=1,3 выбираем со­гласно рекомендациям (см. с. 182).

Расход песка в сухом состоянии на 1 м³ бетона определяем по формуле:

П = [1 - (Zf/Рц + В/ 1000 + Щ/р_т] р„ =

= [1_ (269/3100+ 175/1000 + 1422/2700)] 2600 = 551 кг.

В результате получаем следующий ориентировочный номиналь­ный (лабораторный) состав бетона, кг/м³:

Цемент 269

Вода 175

Песок 551

Щебень 1422

Всего 2417

Полученное в итоге значение является расчетной плотностью бетонной смеси, т. е. р_тб.см=2417 кг/м³.

Найдем коэффициент выхода бетона по формуле:

R= - 1: (269/1200 + 551/1500 +

4/Рн.ц + Я/Рнп + ^/Ря.Щ

+ 1422/1600) = 0,68.

Расход материалов на 0,05 м³ (50 л) бетонной смеси пробного замеса рассчитываем исходя из приведенного выше номинального состава бетона, кг:

Цемент . 269-0,05 =13,45

Вода .......... 175-0,05 = 8,75

Песок . 551-0,05 = 27,55

Щебень 1422-0,05 = 71,1.

Все материалы в расчетных количествах отвешивают и приго­товляют из них бетонную смесь, подвижность которой определяют при помощи стандартного конуса. Если осадка конуса получилась 1 см, т. е. менее заданной, то для увеличения подвижности бетонной смеси добавляют 10% цемента и воды (цемента 13,45-0,1 = 1,345 кг, воды 8,75-0,1=0,875 кг).

Бетонную смесь с' добавкой цемента и воды дополнительно хо­рошо перемешивают и проверяют подвижность. Если осадка конуса окажется равной 3 см, что соответствует указанным пределам, то производят перерасчет для установления действительного расхода материалов с учетом добавления 10 % цемента и воды, определяя их абсолютный объем, м³:

Цемент . . , (13,45 + 1,345)/3100 = 0,0048

Вода .... (8,75 + 0,875)71000= 0,0096

Песок. . , . 27,55/2600 = 0,0106

Щебень . . . 71,1/2700 = 0,0263

Всего . . . 0,0513

Зная объем бетонной смеси пробного откорректированного за­меса V₃ и фактический расход материалов Ц₃, В₃, П₃, Щ₃, рассчиты­ваем расход материалов, кг, на 1 м³ бетонной смеси по формулам:

Ц = Ц_а-1/У₃ = 14,80-1/0,0513= 288 В = В₃- 1/У₃ = 9,63-1/0,0513 = 188 П = П₃- l/V₃ =27,55-1/0,0513 = 537 Щ₃- 1/У₃= 71,7-1/0,0513 = 1398

Всего. . . 2411

Фактическая плотность свежеуложенной бетонной смеси рб.см= = 2411 кг/м³, т. е. отличается от расчетной менее чем на 1 %.

Производственный (полевой) состав бетона вычисляем, принимая во внимание влажность заполнителей (в данном примере влажность песка 4 и щебня 1 %), — уменьшаем необходимое количество воды

188 —(4-537/100+ 1-1398/100)= 188 —(21 + 14)= 153,

соответственно увеличиваем и количество заполнителей:

Песок, кг- 537(1 +4/100) = 537 + 21 = 558;

Щебень, кг— 1398(1 + 1/100) = 1398+ 14= 1412.

Для получения производственного состава в соотношениях по массе расход каждого компонента бетонной смеси делим на расход цемента:

Ц/Ц:П/Ц'.ШЩ = 288/288:558/288:1412/288 =1:2:5 при В/Ц=0,54.

Определяем дозировку составляющих бетонной смеси (кг) на один замес бетоносмесителя с полезным объемом барабана 1,2 м³ (1200 л):

Ц = (В V/1000) Ц = (0,68-1200/1000) 288=237;

В = (Р У/1000) В = (0,68-1200/1000) 153= 125; '

П = (В VI1000) Я = (0,68-1200/1000) 558 = 455;

Z//= ((} у/1000) Щ= (0,68-1200/1000)1412 = 1152.

В лаборатории из приготовленных пробных замесов объемом по 50 л изготовляем контрольные образцы-кубы размером 150Х150Х XI50 мм, которые испытываем через 7 и 28 сут хранения в нор­мальных условиях на гидравлическом прессе. По результатам испы­таний уточняем водоцементное отношение,' обеспечивающее получе­ние бетона заданной марки.