КРАСОВСКИЙ_УП

Прочность бетона при изгибе зависит от тех же факторов, что и при сжатии, однако количественные зависимости при этом получаются другими.

Более точной зависимость получается, если в ней учитывается активность цемента, получаемая при изгибе:

(рис. 6.7). На практике достигнуть прочность бетона при изгибе более 6 МПа очень трудно.

6.4. Изменение прочности бетона во времени

В связи с продолжающейся длительное время гидратацией цемента структура затвердевшего бетона постоянно изменяется за счет развития кристаллического сростка. Вместе с ней изменяются физико-механические свойства бетона и в частности – его прочность (рис. 6.8) [10].

Рис. 6.8. Изменение прочности бетона во времени

На рост прочности – вначале интенсивный, а затем замедляющийся – значительное влияние оказывает вид цемента, тонкость его помола и условия твердения – температура и влажность окружающей среды. При тонкости помола от 2200 до 2500 см2/г она изменяется согласно данным, приведенным в табл. 6.3.

71

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таблица 6.3

Рост прочности бетона на портландцементе во времени

Для ориентировочных расчетов при такой тонкости помола можно вос-

где Rбn и Rб – предел прочности бетона при сжатии в возрасте соответственно

n = 28 суток, кгс/см2, или МПа; n – возраст бетона в сутках.

Формула применима для портландцемента при n ≥ 7. В более раннем возрасте фактическая прочность бетона может значительно отклоняться от расчетной. Размалываемые более тонко цементы, очевидно, способны демонстрировать другие показатели, тем более цементы, относящиеся к группе тонкомолотых вяжущих (ВНВ) [20] (табл. 6.4).

С увеличением возраста бетона его прочность при изгибе и растяжении воз-

Контрольные вопросы

1.Чем определяется прочность бетона?

2.Какова связь между прочностью бетона на сжатие и растяжение?

3.Каков характер разрушения бетона различной структуры?

72

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

4.Где возникают наибольшие концентрации напряжений в бетоне?

5.Каков характер появления и развития микротрещин в бетоне?

6.Назовите факторы, влияющие на прочность бетона.

7.Каково влияние влажности бетона на его прочность?

8.Какие факторы влияют на показатели прочности бетона?

9.Каков характер разрушения бетонных кубов?

10.Что такое эффект обоймы?

11.Что такое масштабный фактор?

12.Приведите формулы Беляева и Боломея.

13.Дайте графическую интерпретацию закона В/Ц и Ц/В.

14.Объясните влияние качества заполнителей на прочность бетона.

15.Как изменяется прочность бетона во времени?

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕТОНА

7.1. Порядок проектирования состава бетона

Обычный тяжелый бетон является в настоящее время наиболее широко применяемым материалом. Его изготовляют на различных цементах, песке, гравии или щебне различных горных пород или металлургических шлаках. Как правило, бетон имеет слитное строение, однако могут быть и другие разновидности в зависимости от назначения или технологических особенностей. Прочность бетона можно изменять в широких пределах от 5 до 80 МПа и выше. Выбирая соответствующее сырье и состав бетона, а также его технологию, получают бетоны с необходимыми морозостойкостью, водонепроницаемостью, быстротвердеющие, высокопрочные и другие в соответствии с требованиями проекта.

Проектирование (подбор) состава бетона заключается в выборе материалов (цемента, мелкого и крупного заполнителей), определении соотношения между ними и установлении водоцементного отношения, при котором при минимальном расходе цемента получается бетонная смесь необходимой пластичности, а после затвердевания бетон будет иметь прочность не ниже требуемой. При этом выбранный состав должен обеспечивать получение бетона максимальной плотности, так как высокая плотность бетона является основным условием его долговечности. В зависимости от условий, в которых будет находиться бетон в сооружении, к нему предъявляются обязательные требования: высокая морозостойкость, стойкость при воздействии агрессивных вод и др.

Различают лабораторный (номинальный) состав бетона, устанавливаемый для высушенных материалов, и производственный (полевой) для материалов в естественно-влажном состоянии.

Проектирование состава бетона производится в следующем порядке.

1. Первоначально на основе проектной документации, технических условий определяют требования к бетону. При этом учитываются исходные действую-

73

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

щие нормативы, определяется весь комплекс свойств, которые должны быть обеспечены в процессе проектирования состава бетона. Чаще всего они определяются в архитектурно-строительной части проекта, затем с учетом условий производства устанавливают требования к бетонной смеси, которые также должны быть удовлетворены в процессе проектирования состава бетона. Чаще всего они задаются в проекте производства работ, выполненном для конкретной организации с учетом ее технической вооруженности и технологий, гарантирующих характеристики применяемых материалов.

2.Рассчитывается расход материалов для 1 м3 уплотненной бетонной смеси

ипробного замеса.

3.Корректируется состав бетонной смеси по подвижности и прочности.

4.Осуществляется переход от номинального состава к полевому и рассчитывается расход материалов на один замес бетономешалки.

7.2. Анализ исходных данных

Все существующие методы проектирования состава бетона являются рас- четно-экспериментальными, т. е. требующими после выполнения всех расчетов экспериментальной проверки возможности получения проектируемых характеристик бетонной смеси и бетона на небольших (пробных) замесах в лабораторных условиях.

При этом все данные можно условно разбить на две группы:

∙проектные данные (все, которые можно получить при анализе проектной и нормативной документации). В простейшем случае это могут быть класс бетона

ихарактеристика пластичности бетонной смеси. Однако в проекте могут быть заданы и требуемая морозостойкость, и водонепроницаемость бетона, и другие его характеристики, что усложняет процесс проектирования состава бетона, но сохраняет при этом его порядок;

∙исходные данные, касающиеся характеристик свойств конкретно используемых строителями материалов, которые определяются при испытании мате-

риалов в строительных лабораториях. Ими являются активность цемента Rц, плотность ρц и насыпная плотность ρнц цемента; модуль крупности Мкр, плотность ρп и насыпная плотность ρнп песка; диаметр наибольшей крупности Dнк, плотность ρщ и насыпная плотность ρнщ, а также пустотность nщ щебня.

Поскольку в проекте чаще всего задается класс бетона, а в предлагаемых формулах используется характеристика средней прочности бетона (требуемой прочности), необходимо воспользоваться формулой перехода от класса бетона к его прочности

Для корректного перехода в данном случае необходимо знание коэффициента корреляции ν, конкретного для предприятия, производящего бетонную смесь или железобетонные конструкции. Иногда для определения условной

74

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

прочности используется коэффициент корреляции, установленный [21] для тяжелого и легкого бетонов ν = 13,5 %, для плотного силикатного бетона – 14 % и для ячеистого, а также для бетонов гидротехнических конструкций – 17 %.

Достаточно часто перед специалистом встает необходимость самостоятельного назначения удобоукладываемости бетонной смеси. В этом случае можно воспользоваться рекомендациями, приведенными в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Назначение удобоукладываемости в зависимости от вида конструкций

При использовании бетононасосов смесь должна иметь осадку конуса ОК > 8 см для обеспечения ее прокачиваемости по трубопроводам. В последнее время при монолитном бетонировании для бетонирования густоармированных тонкостенных конструкций используются литые бетонные смеси с ОК = 16…20 см и выше с добавками суперпластификаторов.

75

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Бетонная смесь обладает требуемой подвижностью только при содержании в ней необходимого количества цемента. Ниже определенных величин повышается опасность расслоения бетонной смеси; появления в смеси макропустот; снижения прочности и долговечности бетона. Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетонной смеси, крупности заполнителя и способа уплотнения (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Минимальный расход цемента, кг/м3, для получения нерасслаивающейся плотной бетонной смеси

Если при расчете состава бетона окажется, что расход цемента, требуемого для получения заданной прочности, ниже указанных значений, то в расчет принимают минимальный расход цемента. При этом необходимо помнить [22, 23], что в зависимости от вида конструкций и условий эксплуатации также установлены минимальные расходы цементов исходя из обеспечения требуемой плотности бетона (табл. 7.3).

Таблица 7.3

Минимальный расход цемента, кг/м3, в зависимости от вида конструкций

Ограничения, предусмотренные государственными стандартами, позволяют при изготовлении армированных бетонов уменьшать расходы цемента при условии предварительной проверки обеспечения защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре.

76

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В качестве заполнителей стремятся использовать местные материалы из близко расположенных карьеров, но отбирают из них те, которые позволяют получать бетоны с заданными свойствами при минимальных расходах цемента. Заданную подвижность бетонной смеси обеспечивают правильным назначением расхода воды, а прочность бетона – правильным назначением водоцементного отношения и расхода цемента.

7.3. Расчет количества материалов на 1 м3 бетона

Из существующих методов расчета состава бетона наибольшее признание получил метод «абсолютных объемов». Порядок расчета расходов материалов по этому способу заключается в следующем.

Определение В/Ц или Ц/В. Если в справочной технической литературе имеются графики зависимости прочности бетона от В/Ц или Ц/В на местных материалах (типа приведенных на рис. 7.1), можно воспользоваться ими, поскольку они обеспечивают наиболее высокую точность расчетов.

Рис. 7.1. Зависимость прочности бетона: а – от Ц /В и цемента; б – от В/Ц и активности цемента; 1 – 40 МПа; 2 – 50 МПа; 3 – 55 МПа; 4 – 60 МПа; 5 – 60 МПа;

6 – 55 МПа; 7 – 50МПа; 8 – 40 МПа

Когда же таких сведений нет, можно применять формулу Боломея (рис. 7.2)

где можно использовать коэффициенты, полученные в работах Ю.М. Баженова [1]

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

цемента; А – коэффициент, учитывающий качество используемых материалов.

Определение количества воды.

Связность, способность бетонной

смеси растекаться, сохраняя свою

Рис. 7.2. Зависимость прочности бетона от Ц/В однородность, и плотно заполнять форму придает цементное тесто. Чем выше содержание цементного теста, чем более жидкой является его консистенция, тем больше подвижность бетонной смеси. Введение в цементное тесто заполнителей уменьшает подвижность смеси тем больше, чем больше удельная поверхность заполнителей.

Однако при изменении содержания цемента в бетоне от 200 до 400 кг/м3 при постоянном расходе воды изменение подвижности бетонной смеси не наблюдается. Она изменяется только при изменении расхода воды. Эта закономерность носит название закона постоянства водопотребности. Он позволяет использовать упрощенную зависимость подвижности бетонной смеси только от расхода воды (рис. 7.3).

На подвижность влияет крупность зерен заполнителя. С увеличением крупности зерен суммарная площадь их поверхности уменьшается, в результате чего подвижность возрастает. Поэтому на графиках имеются криволинейные зависимости от Dнб заполнителя. Пыль, глинистые и другие загрязняющие примеси обычно снижают подвижность жирной бетонной смеси. Снижает подвижность и шероховатая поверхность щебня по сравнению с гладкой у гравия. В связи с этим при замене гравия щебнем расход воды, определяемый по графику, увеличивается на 10 л. Если в смеси использу-

78

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ется мелкий песок с Вп > 7 %, расход воды увеличивается на 5 л на каждый процент увеличения Вп; если песок крупный (Вп < 7 %), расход воды уменьшается на 5 л на каждый процент уменьшения водопотребности. Если неизвестна водопотребность песка, можно упрощенно для мелкого песка расход воды увеличить на 10 л, для крупного – уменьшить на 10 л.

Влияют на подвижность бетонной смеси и свойства цемента. Применение цемента с более высокой нормальной густотой понижает подвижность бетонной смеси (при постоянном расходе воды). Особенно это заметно при использовании пуццоланового портландцемента, водопотребность которого зачастую выше 30 % (у портландцемента 24–27 %). Поэтому при использовании пуццоланового портландцемента содержание воды увеличивается на 15–20 л.

Расход воды можно определить по различным таблицам, имеющимся во многих справочниках, и по формуле И.Я. Медника

При подсчете количества воды В вводятся уточнения ( В ) на вид крупного заполнителя (щебень), крупность песка, вид цемента, а также крупность заполнителя (табл. 7.4).

Таблица 7.4

Количество воды в зависимости от крупности заполнителя

Определение расхода цемента. Зная расход воды, обеспечивающий требуемую подвижность смеси, и Ц/В, гарантирующее получение проектной прочности, расход цемента, кг/м3, можно определить по формуле

Определение количества крупного и мелкого заполнителей. Подвижность смеси помимо указанных факторов зависит также от соотношения между песком и щебнем. Наилучшая подвижность достигается при некотором оптимальном соотношении, при котором толщина прослойки цементного теста – максимальная. При содержании песка в смеси заполнителей сверх этого значения бетонная смесь делается менее подвижной, что объясняется увеличением площади поверхности смеси заполнителей.

Содержание крупного и мелкого заполнителей определяют на основе, с одной стороны, получения бетона плотного строения, с другой – обеспечения минимального расхода цемента и пластичности смеси. Формулы для расчета песка и щебня получают из решения системы двух уравнений. Первое уравнение показывает, что сумма абсолютных объемов цемента, заполнителей и воды равна

79

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1 м3 (1000 л) уплотненного бетона при отсутствии в нем вовлеченного воздуха (отсюда и название метода):

где Ц, В, П, Щ – масса материалов, кг, в 1 м3 бетона; ρ – плотность материалов, кг/л.

Второе уравнение показывает, что цементно-песчаный раствор должен заполнить все пустоты между щебнем (в насыпном состоянии) с некоторой раздвижкой зерен:

где n – пустотность щебня (в насыпном состоянии);

ρнщ – насыпная плотность щебня, кг/м3; α – коэффициент раздвижки зерен.

Коэффициент α назначается в соответствии с полученными экспериментальным путем рекомендациями, обеспечивающими наиболее разумное соотношение между песком и щебнем, при котором расход цемента оказывается минимальным. Исследованиями установлено, что для жестких бетонных смесей при расходе цемента менее 400 кг/м3 α следует принимать 1,05…1,15. Для пластичных смесей оптимальные значения коэффициента наиболее точно могут быть установлены на основе зависимости α = f (ЦТ) . Незначительные отклоне-

ния коэффициента α от оптимального значения практически не сказываются на свойствах бетона и бетонной смеси, поэтому его достаточно легко можно определить из эмпирической формулы

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com