Контрольные вопросы

1. Какие параметры отличают щебень от гравия? Какой из видов крупного заполнителя предпочтителен для применения в тяжелых бетонах? Почему?

2. Приведите перечень основных показателей, по которым крупный и мелкий заполнитель оценивается на предмет возможности их применения в тяжелом бетоне.

3. Какие требования предъявляются к песку для применения в тяжелом бетоне?

4. Какие требования предъявляются к крупному заполнителю для применения его в тяжелом бетоне?

5. Дайте определение термину «зерновой (гранулометрический) состав заполнителя».

6. Какой зерновой состав песка можно считать оптимальным для применения в тяжелых бетонах? Почему?

7. Какой зерновой состав крупного заполнителя можно считать оптимальным для применения в тяжелых бетонах? Почему?

8. Методики проведения оценки соответствия зерновых составов песка и крупного заполнителя для применения в тяжелом бетоне.

9. Классы и модули крупности песков, применяемых в тяжелых бетона. По каким показателям оценивается класс песков? Как определяется модуль крупности?

10. Как определяется наибольшая и наименьшая крупность зерен крупного заполнителя? На какие параметры бетонной смеси и бетонов влияют эти характеристики?

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 с учетом известных соотношений между классами, марками и средней прочностью бетонов и значений масштабных коэффициентов для приведения прочности тяжелого бетона к прочности бетона на образцах базового размера (прил.3 табл.16, 17). Возможно также использование формул:

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.18)

Назначают водопотребность (В) бетонной смеси (расход воды в дм³ или кг на 1 м³ бетона) в зависимости от ее удобоукладываемости (подвижности или жесткости) (прил.3 табл.19, 20).

Определяют расход цемента на I м³ бетона по формуле:

Ц= В/(В\Ц)

Если расход цемента на 1 м бетона окажется меньше допускаемого СНиПу (прил.3, табл.21), 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 (прил.3,табл.22). 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 сис-тему, 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.20).

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 до1 как среднее арифметическое значение результатов двух определений, отли-\/ чающихся 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)