Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование состава цементного бетона для автомобильных дорог общего пользования. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А.В. Каклюгин, И.В. Трищенко
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА
ЦЕМЕНТНОГО БЕТОНА
ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2023
2
УДК 691
ББК 38.3
К16
Рецензент
доктор технических наук, доцент Н.Д. Яценко
(Южно-Российский государственный политехнический университет
(НПИ) им. М.И. Платова)
Каклюгин, Александр Викторович.
К16 Проектирование состава цементного бетона для автомобильных
дорог общего пользования : учебное пособие / А.В. Каклюгин,
И.В. Трищенко ; Донской государственный технический университет. –
Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2023. – 157 с.
ISBN 978-5-7890-2122-4
Приведены технические требования к портландцементу, щебню,
песку и химическим добавкам, используемым в технологии бетона для
покрытий и оснований автомобильных дорог. Изложены методы
испытаний этих дорожно-строительных материалов. Описаны правила
проектирования состава и оценки качества дорожного цементного бетона.
Все методы испытаний и расчетов изложены в соответствии с требованиями серии стандартов «Дороги общего пользования».
Предназначено для обучающихся по направлению подготовки
08.03.01 Строительство, а также по специальности «Строительство,
эксплуатация, восстановление и техническое прикрытие автомобильных
дорог, мостов и туннелей». Может быть полезно преподавателям строительных и автодорожных направлений вузов и колледжей, инженерамстроителям и технологам, работникам дорожно-строительных лабораторий.
УДК 691
ББК 38.3
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
ISBN 978-5-7890-2122-4
© Каклюгин А.В., Трищенко И.В., 2023
© Донской государственный
технический университет, 2023
3
Предисловие
Особенностью данного учебного пособия является то, что все техни-
ческие характеристики и методы контроля качества указанных выше видов
дорожно-строительных материалов изложены в соответствии с требованиями действующих национальных стандартов Российской Федерации серии
«Дороги общего пользования». Показатели качества этих материалов
и методы их оценки, описанные в других параллельно действующих
стандартах, в настоящем учебном пособии не рассматриваются.
В учебном пособии приведены формы таблиц, предназначенных для
заполнения студентами в процессе выполнения соответствующих видов
испытаний на лабораторных работах и расчетов на практических занятиях. После выполнения лабораторной работы студенты оформляют
и защищают индивидуальные отчеты. Защиту отчета проводят по контрольным вопросам, перечень которых приведен в конце каждой главы.
Для контроля знаний студентов в процессе как аудиторной,
так и самостоятельной работы приведены индивидуальные (вариантные)
задания по расчету начального состава дорожного цементного бетона
и пример их решения.
Для подготовки к контролю знаний студентам рекомендованы литература и нормативные документы.
4
Глава 1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
ДЛЯ ДОРОЖНЫХ БЕТОНОВ
Портландцемент – порошкообразный строительный вяжущий ма-
териал, обладающий гидравлическими свойствами и получаемый тонким измельчением (чаще всего помолом в шаровых мельницах) клинкера, гипса и, при необходимости, минеральных добавок.
Портландцементный клинкер производят обжигом до спекания при
температуре 1300-1450 °С сырьевой смеси, состоящей в основном из
карбоната кальция (различных видов известняков) и алюмосиликатов
(глин, мергеля и др.) в соотношении 3:1. Клинкер представляет собой зернистый материал в виде горошка размером около 10 мм и на 70-80 % состоит из образовавшихся при обжиге высокоосновных силикатов кальция:
а) 3CaO·SiO2 (C3S) – трехкальциевого силиката или алита, пред-
определяющего интенсивность твердения цемента и обеспечивающего
высокую прочность образующегося искусственного камня;
b) 2CaO·SiO2 (С2S) – двухкальциевого силиката или белита, менее
активно взаимодействующего с водой цементного теста и набирающего
высокую прочность при благоприятных условиях (положительной температуре и высокой влажности) только после длительного срока твердения.
Оставшиеся 20-30 % в составе клинкера в основном занимают еще
два искусственных минерала:
− 3CaO·Al2O3 (C3A) – трехкальциевый алюминат;
− 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) – четырехкальциевый алюмоферрит.
Трехкальциевый алюминат очень быстро гидратируется и твердеет.
Это вызывает необходимость для регулирования сроков схватывания цемента вводить при помоле клинкера небольшое количество добавки гипса
(CaSO
4
·2H
2
O) или других материалов, содержащих сульфат кальция.
Четырехкальциевый алюмоферрит по скорости твердения и прочности продуктов гидратации занимает промежуточное место между алитом
и белитом. Однако важно отметить, что образующиеся при твердении
C3A и C4AF гидроалюминаты кальция характеризуются повышенной по-
ристостью и способны оказывать существенное неблагоприятное влияние на морозостойкость и объемные деформации цементного камня.
Минеральные добавки вводят в цемент с целью достижения определенных показателей качества и (или) экономии клинкера и топливно-
5
энергетических ресурсов. Общестроительные цементы с минеральными
добавками в основном сохраняют те же свойства, что и бездобавочный
портландцемент, но имеют меньшую стоимость. Их существенный недостаток – повышенная водопотребность, что является причиной снижения
морозостойкости цементного камня. В качестве минеральных добавок
для общестроительных видов цемента используют тонкоизмельченные
доменные и электротермофосфорные шлаки, некоторые вулканические
и осадочные горные породы, золы-уносы и пр.
В соответствии с требованиями ГОСТ 31108 цементы по прочности
на сжатие в возрасте 28 сут подразделяют на классы: 32,5; 42,5 и 52,5.
В зависимости от интенсивности набора прочности в начальный период твердения (2 или 7 сут) цементы подразделяют на подклассы:
‒ Н (нормальнотвердеющие);
‒ Б (быстротвердеющие);
‒ М (медленнотвердеющие).
Классы и подклассы цементов и требования к их физико-механическим показателям приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Физико-механические свойства цементов
Класс и подкласс
прочности
цемента
Прочность на сжатие, МПа, в возрасте
Начало
схватывания,
мин,
не ранее
Равномерность
изменения
объема
(расширение),
мм,
не более
2 сут,
не менее
7 сут,
не менее
28 сут
не менее
не более
32,5М
−
12
32,5
52,5
75
10
32,5Н
−
16
32,5Б
10 − 42,5М
−
16
42,5
62,5
60
42,5Н
10 − 42,5Б
20 − 52,5М
10
−
52,5
не нор-
миру-
ется
45
52,5Н
20 − 52,5Б
30
−
Приведенная выше краткая характеристика клинкерных минералов
портландцемента объясняет необходимость нормирования минералогического состава клинкера специальных цементов, в частности портландцемента для бетонов дорожных покрытий.
6
Требования к минералогическому составу клинкера цемента для бетона покрытий и оснований автомобильных дорог (обозначение по
назначению соответственно ДП и ДО), установленные в ГОСТ 33174,
приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Виды, типы и классы прочности цементов для дорожных бетонов
и минералогический состав портландцементного клинкера
Вид цемента
Содержание клинкерного
минерала, % массы клинкера
Тип
по вещественному
составу по ГОСТ
31108
Классы
и подклассы
прочности
С3А,
не более
С3А + С4АF,
не более
С3S,
не менее
Цемент для бетона
покрытий
автомобильных
дорог (ДП)
по ГОСТ 33174
7
24
55
ЦЕМ I,
ЦЕМ II/А-Ш
32,5Н; 32,5Б;
42,5Н; 42,5Б;
52,5Н; 52,5Б
Цемент для бетона
аэродромных
покрытий (АП)
по ГОСТ Р 55224
Сульфатостойкий
цемент
по ГОСТ 22266
3
Не нормируется
ЦЕМ I СС
32,5Н; 32,5Б;
42,5Н; 42,5Б
5
Ц Е М I I / А - Ш С С
32,5Н; 32,5Б;
42,5Н
Цемент для бетона
оснований
автомобильных
дорог (ДО)
по ГОСТ 33174
Не нормируется
ЦЕМ II/А-Ш, ЦЕМ
II/В-Ш, ЦЕМ III/A,
ЦЕМ V/A
32,5Н; 32,5Б;
42,5Н
Примечание. Выбор класса прочности цемента определяется проектной прочностью бетона.
Ограничения в содержании трехкальциевого алюмината (С3А) и в
суммарном содержании трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита (С3А+С4АF) в клинкере цемента для бетона дорожных
покрытий направлены на обеспечение его высокой морозостойкости.
Повышенное количество трехкальциевого силиката (С3S) объясняется
тем, что именно этот минерал в первую очередь обеспечивает достижение
дорожным бетоном требуемой прочности в проектном возрасте.
Идентичные требования к минералогическому составу клинкера
установлены в ГОСТ Р 55224 на цемент для бетона аэродромных покрытий (АП), что позволяет использовать данный вид специального цемента
также и для изготовления дорожного бетона.
7
На основе портландцементного клинкера нормированного минералогического состава отечественные цементные заводы также производят
сульфатостойкие типы цементов по ГОСТ 22266. В данном случае ограничения по содержанию в клинкере С3А направлены прежде всего на
обеспечение повышенной коррозионной стойкости бетонных и железобетонных изделий при воздействии сред, агрессивных по содержанию
сульфатов. Однако в результате, как правило, достигаются дополнительные эффекты снижения открытой пористости и, как следствие, повышения морозостойкости цементного камня. Это позволяет после соответствующей экспериментальной проверки рекомендовать некоторые типы
сульфатостойких цементов для приготовления бетонных смесей, используемых в устройстве дорожных покрытий, особенно в случае угрозы сульфатной коррозии бетона в условиях эксплуатации (например, при наличии сульфатов натрия и кальция в грунтовых или сточных водах и др.).
Дополнительной мерой, направленной на обеспечение повышенной
морозостойкости бетонов для дорожных покрытий, является ограничение содержания в вещественном составе предназначенного для них цемента минеральных добавок. Предпочтительнее применять перечисленные выше виды специальных цементов, не содержащие минеральные добавки – типы ЦЕМ I, ЦЕМ I СС (см. табл. 1.2). В вещественном составе
цементов этих типов допускается содержание только вспомогательных
компонентов, не превышающее 5 % от массы клинкера (кроме гипса).
Вспомогательные компоненты представляют собой специально подготовленные природные и техногенные неорганические вещества, в том
числе минеральные добавки и отходы производства клинкера. Благодаря
своему зерновому составу, существенно не повышая водопотребность
цемента, вспомогательные компоненты снижают его водоотделение и
улучшают некоторые другие технические характеристики.
При изготовлении цемента для бетона дорожных покрытий в качестве основного компонента допускается использовать только добавку
доменного гранулированного шлака (Ш) по ГОСТ 3476 (типы ЦЕМ
II/А-Ш и ЦЕМ II/А-Ш СС).
Доменные шлаки представляют собой отход производства черной
металлургии, образующийся в виде шлакового расплава в доменной
печи при выплавке чугуна. Грануляцию шлаков (размер гранул до 10 мм)
осуществляют на специальных грануляционных установках быстрым
8
охлаждением шлаковых расплавов водой. По химическому составу
шлаки на 90-98 % состоят из оксидов CaO, SiO2, Al2O3 и MgO, т.е. близки
к портландцементному клинкеру. Быстрое охлаждение позволяет шлакам сохранить химическую активность и в тонкоизмельченном состоянии проявлять гидравлические свойства. При их твердении образуются
гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, аналогичные тем, которые
получаются при твердении гидравлических вяжущих веществ.
Нормальная густота цемента для бетона покрытий не должна превышать 30 %. В этих целях содержание добавки шлака в цементе допускается в количестве не более 15 % суммарной массы его основных компонентов.
Водоотделение цемента для бетона покрытий не должно быть более 28 %.
При изготовлении цемента для бетона оснований применяют минеральные добавки, предусмотренные ГОСТ 31108, в соответствии с типами цемента, приведенными в табл. 1.2. При этом композиционный цемент типа ЦЕМ V/A рекомендуется применять для бетона оснований
только после предварительных обосновывающих исследований в аккредитованной лаборатории, в том числе в сравнении с цементом ЦЕМ I.
Допускается использовать типы и классы цемента, предназначенные
для бетона покрытий, в производстве бетона для оснований.
Прочность цемента на сжатие в возрасте 2, 7 и 28 сут должна соответствовать требованиям ГОСТ 31108 для цемента конкретного класса
(см. табл. 1.1), а прочность цемента на растяжение при изгибе – требованиям ГОСТ 33174, приведённым в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Прочность цемента при изгибе
Срок испытания,
сут
Прочность при изгибе, МПа,
не менее, для цемента класса
32,5Н; 32,5Б
42,5Н; 42,5Б
52,5Н; 52,5Б
28
5,5
6,0
6,5
Начало схватывания цемента для дорожных бетонов должно наступать не ранее 2 ч. Это требование обусловлено тем, что при существующей технологии строительства бетонных покрытий и оснований между
приготовлением бетонной смеси на заводе и ее укладкой всегда существует достаточно длительный период, в течение которого смесь должна
сохранять свою удобоукладываемость.
9
Цемент должен выдерживать испытания на равномерность изменения объема. Расширение не должно превышать 10 мм. Не допускается
использовать цемент, обладающий признаками ложного схватывания
любого типа, а также пластифицированный и гидрофобный.
Удельная поверхность цемента при измерении методом Блейна
должна быть не менее 280 и не более 400 м2/кг.
1.1. Условное обозначение цементов
Условное обозначение цемента должно включать в себя:
− наименование цемента по ГОСТ 31108;
− обозначение типа, класса и подкласса прочности цемента в соот-
ветствии с табл. 1.2;
− обозначение цемента по назначению в соответствии с табл. 1.2;
− обозначение ГОСТ 33174.
Примеры условных обозначений:
1. Условное обозначение портландцемента для бетона покрытий ДП
типа ЦЕМ I класса прочности 42,5, нормальнотвердеющего:
Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ДП ГОСТ 33174-2014.
2. Условное обозначение композиционного цемента для бетона оснований ДО типа ЦЕМ V/А со смесью шлака и золы, класса прочности
32,5, нормальнотвердеющего:
Композиционный цемент ЦЕМ V/А (Ш-З) 32,5Н ДО ГОСТ 33174-2014.
В условное обозначение цемента допускается не включать его
наименование по ГОСТ 31108. Пример:
ЦЕМ V/A (Ш-З) 32,5Н ДО ГОСТ 33174-2014.
1.2. Оценка качества цемента
В строительных лабораториях качество цемента оценивают рядом
обязательных показателей. Их номенклатура и области применения для
портландцемента некоторых видов приведены в табл. 1.4.
10
Таблица 1.4
Обязательные показатели качества цемента некоторых видов
Вид и назначение портландцемента
Область применения обязательных
показателей качества
Прочность на сжатие
Прочность на растяжение
при изгибе
Нормальная густота
цементного теста
Равномерность изменения
объема
Начало схватывания
Водоотделение
Удельная поверхность
Ложное схватывание
Общестроительный (ГОСТ 31108)
+ ‒ ‒ + + ‒ ‒
‒
Для дорожных бетонов
(ГОСТ 33174):
‒ для бетона покрытий (ДП)
+ + + + + + +
+
‒ для бетона оснований (ДО)
+ + ‒ + + ‒ +
+
Для транспортного строительства
(ГОСТ Р 55224):
‒ для бетона аэродромных покрытий (АП)
+ + + + + + +
+
‒ для железобетонных изделий и
мостовых конструкций
+ ‒ ‒ + + + +
‒
Сульфатостойкий (ГОСТ 22266)
+ ‒ ‒ + + ‒ +
‒
Примечание. Знаки «+» и «‒» обозначают, что указанные показатели качества цемента
оцениваются и не оцениваются соответственно.
Дополнительно следует оценивать истинную и насыпную плотность
цемента. Использование их значений предусмотрено действующими методиками и рекомендациями расчета состава бетона.
В настоящем учебном пособии подробно описаны методики опреде-
ления следующих показателей качества цемента:
– прочность (на растяжение при изгибе и на сжатие);
– нормальная густота цементного теста;
– сроки схватывания (начало и конец);
– равномерность изменения объема;
– истинная плотность;
– насыпная плотность.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]