2.8. Проектирование состава бетона

Проектирование состава бетона заключается в нахождении параметров В/Ц, r и Ц. Если заполнители рассеиваются более, чем на две фракции, то нужно находить не только долю песка r в массе заполнителей, но и долю (или процентное содержание) каждой фракции, т. е. зерновой состав заполнителей (ЗС), который должен быть оптимальным. Запроектированный состав бетона должен обеспечить заданные в проекте сооружения свойства бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость) и заданные в проекте производства работ свойства бетонной смеси (удобоукладываемость, жизнеспособность) при наименьшем из возможных расходов цемента (наиболее дорогого компонента в бетоне).

2.8.1. Выбор материалов для бетона. Вид цемента выбирают из соображений стойкости бетона против коррозии, морозного разрушения и термического трещинообразования, а его марку – исходя из заданной прочности бетона.

В случае сульфатной агрессивности воды-среды, следует применять сульфатостойкие виды цементов. В зоне переменного уров­ня воды не применяют пуццолано­вый и шлаковый портландцементы из-за их низкой морозостойкости. Для бетона массивных сооружений, подлежащих расчету на термическую трещиностойкость, необходимо применять цементы с пониженным тепловыделением.

Высокоактивные цементы нецелесооб­разно применять в низкопрочном бетоне, ибо расход цемента окажется по рас­чету очень низким, что вызовет понижение связности бетонной смеси, снижение объемной массы и водо­непроницаемости бетона.

Выбор заполнителей проводится на осно­вании технико-экономи­ческих сравнений различных вариантов.

2.8.2. Определение параметров состава обычного бетона. В простейшем случае заданы: 1) прочность бетона при сжатии в возрасте 28 суток (R₂₈) и 2) подвижность (ОК) бетонной смеси. Если заполнители рассеиваются только на две фракции: 0…5 мм (песок) и крупнее 5 мм (крупный заполнитель), то зерновой состав характеризуют одним параметром r. В этом случае требуется определить: В/Ц, r и Ц.

Для решения задачи есть две зависимости, связывающие свойства бетонной смеси и бетона с параметрами состава:

R₂₈=f(В/Ц) и ОК=f(В/Ц, r, Ц).

В конкретном виде (в виде формул или графиков) эти зависимости дают два уравнения, из которых, однако, все три неизвестных (В/Ц, r, Ц) не могут быть найдены. Из первого уравнения по заданной прочности R₂₈ можно найти В/Ц. Подстановкой найденного значения В/Ц второе уравнение приводится к виду ОК=f(r, Ц). Это уравнение имеет множество решений, каждое из которых представляет собой согласованную пару значений r и Ц (изменение r влечет за собой изменение Ц для обеспечения заданной подвижности). Понятно, что из всего множества решений нужно выбрать то, которое характеризуется наименьшим расходом цемента (Ц_min). Наименьший расход цемента получается при одном единственном значении параметра r, которое называют оптимальным (r_опт). Таким образом необходимо определить: r=r_опт и Ц=Ц_min.

Определение В/Ц. Водоцементное отношение определяют из зависимости R₂₈=f(В/Ц), которую можно представить в виде формулы или получить экспериментально в виде графика.

Расчетный способ позволяет ориентировочно оценить величину В/Ц, обеспечивающую заданную прочность бетона R₂₈, по любой из известных формул, например, по формуле (2.4), в которую кроме заданной прочности нужно подставить активность цемента R_ц и показатель качества заполнителей К.

Экспериментальный способ дает более достоверное решение.дает более достоверное решение.жностиционных покрытий., термического трещинообразования и др.___________________________________ Готовят несколько бетонных смесей с различным В/Ц и с постоянными значениями расхода цемента Ц и доли песка r, взятыми произвольно², но в разумных пределах. Из каждой бетонной смеси изготовляют образцы-кубы. Образцы хранят в стандартных условиях и испытывают на прочность при сжатии в возрасте 28 суток. По полученным данным строят график зависимости R₂₈=f(В/Ц) (см. рис. 2.6-а). По графику для заданной прочности находят искомое В/Ц. В данном случае не требуется отдельно определять активность цемента и качество заполнителей, так как все особенности материалов отражаются непосредственно на прочности бетона.

Определение r_опт. Известно два экспериментальных способа определения r_опт,

Способ 1. Определение r_опт по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей. При этом способе полагают, что минимальный расход цемента в бетоне получится в том случае, если сухая смесь песка и щебня (гравия) будет иметь наименьший объем межзерновых пустот. Тогда потребуется наименьшее количество цементного теста, а, следовательно, и цемента для заполнения этих пустот.

Готовят несколько сухих смесей песка и щебня с различным параметромr и определяют для каждой смеси объем межзерновых пустот V_п. Строят график зависимости V_п=f(r), по которому для наименьшего объема пустот находят r_опт (рис. 2.15).

Способ 2. Определение r_опт по наибольшей подвижности бетонной смеси. При этом способе за r_опт принимают такое значение r, при котором бетонная смесь имеет наибольшую подвижность. В этом случае цемента в бетоне потребуется в наименьшем количестве.

Затворяют несколько бетонных смесей с различным r и постоянными параметрами В/Ц и Ц. Водоцементное отношение берут равным найденному значению, а расход цемента Ц, поскольку он пока еще не установлен, принимают произвольно в разумных пределах³. Для каждой бетонной смеси определяют осадку конуса и строят график зависимости ОК=f(r). По графику находят r_опт, которое соответствует наибольшей ОК (см. рис. 2.4-в). Метод определения r_опт по наибольшей подвижности бетонной смеси наиболее достоверный, т. к. позволяет контролировать расход цемента непосредственно в бетонной смеси.

Определение Ц выполняют экспериментально. Затворяют несколько бетонных смесей, отличаю­щихся расходом цемента. Смеси должны иметь одинаковые В/Ц и r, найденные ранее. Опре­деляют ОК каждой смеси и по полученным данным строят график зависимости ОК=f(Ц). По заданной ОК находят необходимый расход це­мента (см. рис. 2.4-б).

2.8.3. Проектирование состава гидротехнического бетона представляет собой несколько более сложную задачу, т. к. в число заданных свойств, помимо прочности и подвижности, обычно входят водонепроницаемость и морозостойкость. Кроме того, смесь заполнителей составляют не из двух, а из большего числа фракций (0…5, 5…10, 10…20, 20…40, 40…80 мм и т. д.) и вместо r определяют процентное содержание в смеси заполнителей каждой фракции – зерновой состав (ЗС). Задача по проектированию ставится следующим образом.

Заданы: 1) прочность бетона в возрасте 180 суток (R₁₈₀); 2) водонепроницаемость бетона (W); 3) Морозостойкость бетона (F); 4) подвижность бетонной смеси (ОК).

Требуется определить: В/Ц, ЗС, Ц.

Определение В/Ц. Прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона при неизменных мате­риалах практически однозначно зависят от В/Ц, и не зависят от двух остальных параметров состава (ЗС и Ц).

При экспериментальном определении водоцементного отношения готовят несколько бетонных сме­сей с различными значениями В/Ц и постоянными произвольно взятыми или ориентировочно установленными ЗС и Ц. Из каждой бетонной смеси готовят три серии образцов: кубы на прочность, кубы на морозостойкость и цилиндры на водонепроницаемость. По истечении срока твердения бетона проводят соответствующие ис­пытания, по результатам которых строят графики зависимостей рассматриваемых свойств от В/Ц. По графикам для заданных значений прочности, водонепроницаемости и морозостой­кости (R_зад, W_зад, F_зад) находят три значения В/Ц, из которых окончательно принимают наи­меньшее, обеспечивающее одно из свойств. Два других свойства будут обеспечены с из­бытком.

Определение ЗС_опт. Су­ществует несколько способов для определения опти­мального зернового состава заполнителей. Можно, например, экспериментально определить содержание каждой фракции либо по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей, либо по наибольшей подвижности бетонной смеси так, как это делается при определении r. Однако такая работа достаточно трудоемка. Поэтому различными авторами предложены и более простые, но менее достоверные способы, один из которых рассмотрен ниже.

Таблица 2.4 Зерновой состав заполнителей
Фракция, мм	Содержание фракций, %
	Dнаиб=40 мм	Dнаиб=80 мм
0…5 5…10 10…20 20…40 40…80	40 14 20 26 -	32 8 14 20 26
Всего	100	100

О пределение ЗС по идеальной кривой просеивания.На основе экспериментального материала были установлены кривые просеивания смеси заполнителей, обес­печивающие минимальный расход цемента. Такие кривые называют идеальными. Одна из них изображена на рис. 2.16. По оси абсцисс откладывается безразмерная величина D/D_наиб, где D – верхний размер зерен данной фракции (размер отверстий сита, через которое эти зерна проходят); D_наиб – наибольший размер зерен заполнителя. По оси ординат откладываются проходы (количество зерен, проходящих через данное сито, в % от массы заполнителя). Идеальная кривая просеивания используется для установления оптимального зерново­го состава смеси заполнителей при любом D_наиб. Для этого необходимо в соответствии с безразмерной шкалой по­строить шкалу, на которой размеры отверстий сит выражены в мм. На рис. 2.16 построены две шкалы – для D_наиб=40 мм и для D_наиб=80 мм. Про­центное содержание каждой фракции (табл. 2.4) получаем по разности соответствую­щих ординат.

Определение Ц выполняется так же, как и для обычного бетона.

2.8.4. Проверка результатов проектирования состава бетона осуществляется путем испытания бетонной смеси и бетона запроекти­рованного состава. Необходимо, чтобы фактическая подвижность бетонной смеси соответствовала заданной или отличалась от нее не более чем на 1 см: ОК_факт=ОК_зад ±1 см.

Необходимо также, чтобы фактическое значение лимити­рующего свойства бетона оказалось не ниже заданного. Если, например, лимитирующим свойством является прочность бетона, то она должна быть не ниже заданной, но и не превышать заданную более чем на 15 %: R_факт=(1…1,15)R_зад.