Глава 4. Курсовая работа "проектирование состава бетона"

4.1. Указания к выполнению курсовой работы

Работа выполняется индивидуально. Варианты исходных данных приведены в табл. П.12-П.15 Приложения. Номер варианта задается преподавателем. Предполагается, что студенты знакомы с материалом лекций, практических и лабораторных работ по темам "Вяжущие вещества" и "Бетоны".

Согласно заданию на курсовую работу необходимо, для каждой из трех зон сооружения запроектировать состав бетона, удовлетворяющий техническим требованиям проекта сооружения (табл. П.12) и условиям: 1) недопущения коррозии бетона в природной воде и 2) обеспечения термической трещиностойкости бетона.

В работе должны быть решены следующие задачи: 1) с учетом агрессивности воды-среды выбраны цемент и заполнители для бетона; 2) определены параметры состава бетона (В/Ц, r, Ц); 3) подсчитаны расходы материалов (Ц, В, П, Кр); 4) рассчитано тепловыделение бетона запроектированного состава; 5) установлено распределение температуры по толщине бетонного массива; 6) произведена оценка термической трещиностойкости бетона.

4.1.1. Оценка агрессивности воды-среды к бетону производится согласно СНиП 2.03.11-85 по каждому из 8 видов коррозии путем сравнения фактического значения показателя агрессивности (указан в табл. П.13 для каждого варианта) с допустимым значением (табл. П.4 и П.5), зависящим от водонепроницаемости бетона и вида цемента.

Если марка по водонепроницаемости, заданная в проекте сооружения (табл. П.12), недостаточна для обеспечения коррозионной стойкости бетона, ее следует принять более высокой.

По результатам оценки агрессивности воды-среды необходимо сформулировать требования к виду цемента и марке бетона по водонепроницаемости или указать на необходимость применения гидроизоляции бетона.

4.1.2. Выбор материалов для бетона.

Вид цементавыбираем исходя из условий службы бетона, пользуясь рекомендациями, данными в табл. П.1 Приложения и с учетом результатов оценки агрессивности воды среды. Марку цемента выбираем в зависимости от заданного класса бетона по прочности (табл. П.2 Приложения).

Шлаковый и пуццолановый портландцементы применяют в подводной зоне, от которой не требуется высокой прочности или морозостойкости, но зато необходимы высокая коррозионная стойкость и пониженное тепловыделение.

В зоне переменного уровня воды и в надводной зоне бетон должен быть морозостойким, поэтому здесь можно применять только портландцемент или сульфатостойкий портландцемент.

Вид заполнителейвыбирают, главным образом, из экономических соображений в зависимости от условий транспортирования, удаленности карьеров и дробильно-сортировочных хозяйств. При необходимости получить бетон с высокой прочностью предпочтительнее использовать щебень, а не гравий (см. табл. П.2 Приложения).

На­ибольший размер зерен заполнителя (D_наиб) принимают, исходя из характера и размера конструкции, расстояния между прутьями арматуры и т.п.

В курсовой работе для зоны Iна­ибольший размер зерен заполнителя принимаем равнымD_наиб=20 мм. Заполнители делим на две фракции: 0-5 мм (песок – П) и 5-20 мм (крупный заполнитель – Кр). Зерновой состав в этом случае характеризуем параметромr=П/(П+Кр).

Для зон IIиIIIна­ибольший размер зерен заполнителя принимаем согласно варианту задания (табл. П.14). Число фракций выбираем в зависимости отD_наиб, но не менее четырех. Размеры фракций назначаем с учетом стандартных номеров сит: 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160. Зерновой состав (ЗС) характеризуем процентным содержанием каждой фракции в смеси заполнителей.

4.1.3. Определение параметров состава бетона производится экспериментально, согласно принципам и методикам, излагаемым в разделе курса "Проектирование состава бетона".

В курсовой работе предполагается, что соответствующие эксперименты проводятся и студентам необходимо описать их методику с учетом конкретных данных, принятых или полученных в работе. В качестве результатов условно проведенных экспериментов следует использовать опытные данные, приведенные в таблицах раздела П.3 Приложения. Выбранные из таблиц данные должны соответствовать характеру экспериментов, виду использованных в бетоне материалов и составам испытываемого бетона. По этим данным строятся графики зависимостей соответствующих свойств бетона (бетонной смеси) от того или иного параметра состава. Искомые параметры находят по соответствующим графикам.

В пояснительной записке необходимо дать описание того, что должно быть проделано, для определения каждого из трех параметров состава.

4.1.4. Расчет расходов материалов по найденным параметрам состава бетона. Для зоныIрасходы материалов на 1 м³бетона следует рассчитать методом абсолютныхобъемов.Значения плотности материалов приведены в табл. П.3 Приложения.

Для зон IIиIIIрасходы материалов рассчитать по объемной массе бетона, принимая_б=2400 кг/м³.

4.1.5. Расчет тепловыделения производим для бетона зоны I сооружения. Будем считать, что начальная температура бетона t_o и в дальнейшем температура его поверх­ности t_n равны средней температуре наружного воздуха (t_o=t_n=t_ext). При этом температура поверхности бетона постоянна во времени (t_n=const).

Химический состав порт­ландцемента – содержание в нем окислов: SiO₂ (S), А1₂О₃ (А), Fe₂O₃ (F), CaO (С), MgO, SO₃, а также прочих соединений (проч.), куда включены потери при прокаливании приведен в табл. П.14 Приложения.

Работу выполняем в следующей последовательности.

1. Исходя из химического состава портландцемента, вычисляем его минералогический состав, пользуясь расчетными формула­ми, согласно которым процентное содержание минералов равно:

а) трехкальциевого силиката C₃S=4,07C–7,6S–6,72A–1,42F;

б) двухкальциевого силиката C₂S=8,6S+5,07A+l,07F–3,07C;

в) трехкальциевого алюмината С₃А=2,65(А–0,64F);

г) четырехкальциевого алюмоферрита C₄AF=3,04F;

д) сульфата кальция CaSO₄=1,7SO₄;

е) периклаза MgO=MgO.

Вычисление процентного содержания в цементе сульфата каль­ция и периклаза необходимо для проверки общей суммы, кото­рая должна составлять 100 %. Результаты вычислений следует округлять до десятых долей.

2. По найденному минералогическому составу определяем удельное тепловыделение порт­ландцемента в изотермическом режиме при 20 °С, используя формулу (2.10)

Удельное тепловыделение пуццоланового портландцемента можно принять на 25, а шлакопортландцемента – на 15 % меньше, чем портландцемента. Значения q вычисляем для всех сро­ков твердения, указанных в табл. 2.3. Результаты вычислений

сводим в таблицу (см. табл. 4.19). Находим тепловыделе­ние бетона Q=qЦ при температуре 20 °С для каждого срока твер­дения.

3. В реальных блоках бетонирования температура не остается постоянной, она повышается при твердении бетона, особенно внутри крупных блоков, для которых более близким является адиабатический режим твердения (без теплообмена с окружающей средой). Переход к тепловыделению в адиабатическом режиме осуществляется путем расчета новых сроков τ_ад для данных значений тепловыделения Q. Поскольку температура в адиабатическом режиме постоянно растет, то те же значения тепловыделения достигаются в более короткие сроки (τ_ад<τ).

Для расчета адиабатического тепловыделения воспользуемся уравнением (2.9). Результаты сводим в таблицу (см. табл. 4.20). Последовательность вычисления:

1) находим значения параметров изотермического тепловыделения Q_max и A_t=A₂₀ по методике п. 2.7.3, принимая порядок реакции m=2;

2) находим удельную теплоемкость бетона [формула (2.14)], пользуясь данными табл. П.1.3 Приложения;

3) по формуле (2.13) находим повышение температуры бетона по сравнению с начальной Δt_ад=t_ад-t_o, которое имело бы место при выделении данного количества теплоты Q в адиабатическом режиме;

4) по формуле (2.8) находим значение температурной функции f_t, принимая t₁= t_ад и t₂=20 °С;

5) вычисляем коэффициент темпа тепловыделения A_t при каждом значении температуры t, пользуясь формулой (2.12);

6) новые сроки τ_ад получаем по формуле (2.15).

4.1.6. Расчет температурного поля в бетонном массиве с учетом теплопотерь в окружающую среду (см. раздел 2.7.4) производим в следующей последовательности:

1) задаемся размерами бетонного массива;

2) вычисляем характеристику формы массива по формуле (2.24);

3) вычисляем функцию остывания по формуле (2.23) для каждого из сроков твердения τ_ад и для ряда точек по толщине стенки (по оси x), принимая для x значения: 0,125δ, 0, 25δ, 0,375δ и 0,5δ. С учетом того, что при x=0 и x=δ функция остывания u=0, а также того, что в силу симметрии граничных условий u одинакова для пар значений x, составляющих 0,125δ и 0,875δ, 0,25δ и 0,75δ, 0,375δ и 0,625δ, будем иметь 9 расчетных точек для построения графика θ=f(x) (рис. 2.14);

4) коэффициент внутренней теплопроводности бетона принимаем в расчетах равным 1,5 Вт/(м·°С);

5) температуру поверхности бетона t_n (при x=0 и x=δ), как и начальную температуру t_o, принимаем равной температуре наружного воздуха: t_n=t_o=t_ext;

6) перепад температуры внутри бетонного блока θ=t–t_n получаем из формулы u=Δt/Δt_ад [см. (2.18)] с учетом того, что t_o=t_n.

4.1.7. Оценка термической трещиностойкости бетона (см. раздел 2.7.5) выполняется в следующей последовательности.

1. Для срока с наибольшими значениями θ строим график зависимости θ=f(x) (см. рис. 2.14) и вычисляем площадь Ω полученной эпюры.

2. Определяем температурную деформацию блока в вертикальном направлении по формуле (2.26), принимая значение коэффициента линейного температурного расширения бетона равным 1,2∙10^–5 °С^–1.

3. Определяем предельно-допустимую растяжимость бетона по формуле (2.25).

Для бетона классов ниже В25 принимаем ε_пл+ε_пз=5∙10^–5, Е=23,6 ГПа, классов В25 и выше – ε_пл+ε_пз=3∙10^–5, Е=32,6 ГПа.

Предел прочности при растяжении R_р для бетона классов ниже В25 составляет 1/9…1/15, а классов В25 и выше – 1/15…1/20 от прочности при сжатии.

4. Если коэффициент трещиностойкости бетона К_т=ε_пред/ε_t<1, то следует либо уменьшить тепловыделение бетона, применяя более низкотермичный цемент или сокращая его расход в бетоне, либо увеличить теплопотери, уменьшая размеры блоков бетонирования (повышая характеристику формы Ф).