5. Определение параметров состава бетона 3 зоны

- Определение В/Ц

По условию прочности:

_,

_{для бетона 3 зоны имеем R28=30/0,78=38,46 МПа, Rц=500/10=50 МПа (активность цемента), А=4(гравий)}

Находим В/Ц=0,472;

По условию водонепроницаемости:

предположим, что В/Ц=1, тогда W=1, откуда К₃=1;

W^ССПЦ_мах=20 при В/Ц=0,4, тогдаlg20=n₃(1-lg4), откудаn₃₌3,27

_{для бетона 3 зоны имеем W=8, n3=3,27 ,K3=1;}

Находим В/Ц=0,529

По условию морозостойкости:

предположим, что В/Ц=1, тогда F=1, откуда К₂=1;

F^ССПЦ_мах=1000 при В/Ц=0,3, тогдаlg1000=n₂(1-lg3), откудаn₂₌5,73

_{для бетона 3 зоны имеем F=300, n2=5,73 ,K2=1;}

Находим В/Ц=0,370

Окончательно выбираем В/Ц=0,370

- Определение В

По условию подвижности:

ОК= а*В-b*Ц-с,

Для бетона 3 зоны имеем ОК=12_, а = 0,3,b=0 ,с=57-15lgD_{max ,}D_max=100мм

_{12=0,3*В-0*Ц-27;}

Находим В=130кг/м³;

- Определение Ц

Ц=В/(В/Ц)= 130/0,370=351,35кг/м³

Находим Ц=351,35 кг/м³;

- Запроектированный состав бетона 3 зоны характеризуется следующими параметрами:

Ц= 351,35кг/м³ , В/Ц=0,370, В= 130 кг/м³;

- Переход от параметров состава к расходам материалов

Рассчитаем расходы материалов, когда известна объемная масса бетона

Объемная масса бетона γ_Б = 2400 кг/м³.

Для бетона подводной зоны на 1 м³ смеси:

П + Кр = γ_Б – (Ц + В) = 2400 – (351,35+ 130) = 1918,65 кг;

П = (П + Кр) * r = 1918,65 * 0,25= 479,66кг;

Кр = П + Кр – П = 1918,65 – 479,66= 1438,99 кг;

Окончательно имеем: Кр = 1438,99 кг/м³, П = 479,66 кг/м³, В = 130 кг/м³,Ц =351,35кг/м³, В/Ц=0,370;

5. Определение тепловыделения портландцемента

- Исходные данные

Состав бетона: Ц=364,454; В=151,613 кг; П=1095,95; Кр=936,709кг/м³.

Вид цемента: портландцемент марки 550. Химический состав портландцемента приведен в таблице 7.

Таблица 7

SiO2 (S)	Al2O3 (A)	Fe2O3 (F)	CaO (C)	MgO	SO3	Проч.	Сумма
22,2	5,0	4,9	64,3	0,2	2,0	1,4	100

Вид заполнителей: Песок кварцевый морской; гравий промытый доломитовый.

Температура наружного воздуха: t_ext=8,8°С

Начальные условия – начальная температура бетона равна температуре наружного воздуха (t_o= t_ext=4,8 °С).

Граничные условия – температура поверхности бетона постоянна и равна температуре наружного воздуха (t_n= t_ext=4,8 °С).

- Минералогический состав портландцемента:

C₃S(3CaOSiO₂) = 4,04С-7,6S-6,72А-1,42F= 50,49%;

C₂S (2CaOSiO₂) = 8,6S+5,07А+1,07F-3,07С = 24,11%;

С₃А (3CaOAl₂O₃) = 2,65(А-0,64F) = 4,94%;

C₄AF (4CaOAl₂O₃Fe₂O₃) = 3,04F = 14,896%;

CaSO₄= 1,7SO₃= 3,4%;

MgO = 0,2 %.

Итого 98,04%

- Результаты вычислений удельного тепловыделения порт­ландцемента qи тепловыделе­ния бетонаQ в изотермическом режиме при 20 °С, повышения температурыt_ад-t_oи сроков τ_адвыделения данного количества тепла в адиабатическом режиме

, где

C₃S, С₂S, С₃А,C₄AF– процентное содержание в цементе клинкерных материалов.

Таблица 8

Продолжительность твердения, сутки	Минералы
	С3S	C2S	C3A	C4AF
	Доля минералов в тепловыделении, кДж/(кг %)
	a	b	c	d
3	3,89	0,67	6,35	-0,5
7	4,58	0,97	8,66	-1,73
28	4,78	0,64	9,63	0,59
90	4,95	0,97	10,29	1,39
180	5,108	1,863	10,29	1,6
360	5,31	2,23	10,57	1,68

Коэффициенты а, b, с и d выражают количество теплоты в кДж, выделяемой в одном кг цемента каждым из минералов в расчете на 1% минерала и выбираются из табл.8.. Находим тепловыделе­ние бетона Q=qЦ при температуре 20 °С для каждого срока твер­дения.

Пример вычисления для τ=3ч:

Результаты расчета изотермического тепловыделения

Таблица 9

τ, сут.	q, кДж/кг	Q	τ/Q	(τ/Q)τ	τ2	a	b	Qmax	A20
3	236,495	86191,61	0,00003	0,000104	9	6,81*10-6	4,93*10-5	146682,5	0,14
7	271,658	99006,85	0,00007	0,000495	49
28	313,150	114128,8	0,00024	0,006869	784
90	344,868	125688,5	0,00071	0,064445	8100
180	377,535	137594	0,00131	0,235475	32400
360	399,130	145464,4	0,00247	0,890939	129600
Сумма 668	1942,836	708074,2	0,00485		170942

. Далее для расчётов тепловыделения воспользуемся уравнением И.Д.Запорожца для изотермического тепловыделения бетона:

где,

A_t – коэффициент темпа тепловыделения, характеризу­ющий скорость тепловыделения при постоянной температуре t;

т – порядок реакции гидратации по воде (число молекул воды приходящихся в среднем на одну условную молекулу цемента).

Q_max – предел, к которому стремиться тепловыделение. Q_max не зависит от температуры твердения – это величина постоянная.

По полученным выше значениям Q вычислим Q_max и коэффициент темпа A_t при t=20 °С, который обозначим A₂₀. Порядок реакции т для портландцемента составляет 2,0-2,3. Примем т=2. При т=2 уравнение приводится к линейному виду τ/Q=aτ+b, где a=1/Q_max и b=1/(Q_maxA₂₀).

График зависимости τ/Q=f(τ) есть прямая линия с угловым коэффициентом а, отсекающая по оси ординат отрезок, рав­ный b.

где п — число точек графика.

Q_max=1/а=146882,5 кДж/м³

А₂₀=1/(Qмах*b)=0,14

Температурную функцию вычисляют по формуле

,где

ε – характеристическая температурная разность. Если t₁-t₂=ε, то f_t=2, то есть при повышении температуры на ε градусов скорость тепловыделения возрастает в 2 раза. Характеристическая температурная разность ε не постоянна, а зависит от температуры. Эту зависимость аппроксимируют линейной функцией ε=kt+l, где k≈0,13; l≈8 – эмпирические характеристики процесса.

f_t принимаем t₂=20 °С.

Величину A_t можно найти как

A_t=A₂₀∙f_t= A₂₀∙2^(t-20)/ε.

То количество выделяемой теплоты, которое в изотермическом режиме полностью рассеивается в среду, в адиабатическом режиме идет на повышение температуры бетона:

Δt_ад= t_ад-t_o=Q/cγ_б, где

t_ад – текущая температура бетона в адиабатическом процессе;

t_о – начальная температура бетона; с и γ_б – удельная теплоемкость и объемная масса бетона.

Удельную теплоемкость бетона с можно рассчитать по правилу аддитивности:

с = (с_цЦ+с_вВ+с_пП+с_крКр)/γ_б, где

с_ц, с_в, с_п, с_кр – удельные теплоемкости, соответственно, цемента, воды, песка и крупного заполнителя;

Ц, В, П, Кр – расходы материалов в кг/м³.

Пример вычисления f_t, Δt_ад, A_t при τ=3ч:

t_ад= Δt_ад-8,8=25,18 С

ε=kt+l=0,13*25,18+8=11,27

Такое же количество теплоты, что и в изотермическом процессе, в адиабатическом режиме будет выделено за более короткие сроки, которые можно рассчитать как

τ_ад=χ/[(1-χ)A_t], где

χ = Q/Q_max.

для τ=3ч:

χ = Q/Q_max=86191,61/146682,5=0,588.

Повышение температуры бетона в адиабатическом режиме Δt_ад, температурную функцию f_t, коэффициент темпа тепловыделения A_t вычисляем для каждого срока твердения.

Таблица 10

Изотермический режим при 20 °С					Адиабатический режим
τ, сут.	q, кДж/кг	qmax, кДж/кг	А20	Q, кДж/м3	tад-to, °С	ft	Аt	τад, сут.	Q, кДж/м3
3	236,495	399,130	0,14	86191,61	33,98	1,37	0,19	7,5	86191,61
7	271,658			99006,85	39,03	1,81	0,25	8,3	99006,85
28	313,150			114128,8	44,99	2,42	0,33	10,5	114128,8
90	344,868			125688,5	49,55	2,95	0,41	14,7	125688,5
180	377,535			137594	54,24	3,55	0,49	30,8	137594
360	399,130			145464,4	57,34	3,98	0,55	216,8	145464,4

Литература:

1. Ю.Г. Барабанщиков. Материаловедение и технология конструкционных материалов ( вяжущие вещества и бетоны): Учебное пособие.

СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008.

13