Для получения уточненных зависимостей свойств бетона от его состава, если имеется возможность, проводят предварительные испытания. При этом желательно использовать математические методы планирования эксперимента и обработки его результатов.
Бетонная смесь обладает необходимой укладываемостью только при содержании в ней достаточного количества цемента. Уменьшение количества цемента ниже определенных величин повышает опасность расслоения
бетонной смеси и может привести к появлению в смеси микропустот и снижению прочности и долговечности бетона. Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетонной смеси и крупности заполнителя (таблица 2.2).
Таблица 2.2 – Минимальный расход цемента для получения нерасслаиваемой плотной бетонной смеси
| Смесь | Минимальный расход цемента, кг/м3, припредельной крупности заполнителя, мм | |||
| 10 | 20 | 40 | 70 | |
| Особожесткая (Ж>20с) | 160 | 150 | 140 | 130 |
| Жесткая (Ж=10-20с) | 180 | 160 | 150 | 140 |
| Малоподвижная (Ж=5-10с) | 200 | 180 | 160 | 150 |
| Подвижная (ОК=1-10см) | 220 | 200 | 180 | 160 |
| Очень подвижная (ОК=10-16см) | 240 | 220 | 210 | 180 |
| Литая (ОК>16см) | 250 | 230 | 200 | 190 |
Примечание: Жесткость указана по стандартному вискозиметру.
В качестве заполнителей бетона стремятся использовать, как правило, местные материалы или материалы из близко расположенных карьеров, но отбирают из них те, которые позволяют получить бетон 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.
Минимального расхода цемента добиваются правильным выбором содержания крупного и мелкого заполнителя. При определении их содержания используют коэффициент раздвижки зерен щебня раствором α, который показывает, насколько объем раствора превышает объем пустот в щебне. Введение коэффициента α позволило упростить определение состава бетона и сделать его более надежным, так как оптимальные значения α, обуславливающие получение при прочих равных условиях бетона с минимальным расходом цемента, выбираются на основе зависимостей, вытекающих из физических основ структурообразования бетона. В этом случае расходы песка и щебня в тяжелом бетоне определяют по формулам, которые выводятся при решении системы двух уравнений:
(Ц/ρц) + В + (П/ρп) + (Щ/ρщ) = 1000 (2.2)
(Ц/ρц) + В + (П/ρп) = Пщ α (Щ/γщ) (2.3)
где Ц, В, П, Щ – соответственно расходы цемента, воды, песка и щебня, кг/м3;
ρц, ρп, ρщ – истинные плотности цемента, песка и щебня, кг/л;
Пщ – пустотность щебня (относительная величина);
α – коэффициент раздвижки зерен щебня раствором;
γщ – плотность щебня, кг/л.
Первое уравнение выведено из условия, что сумма абсолютных объемов компонентов бетона равна 1 м3 (1000л) готового плотного бетона, если в бетоне нет вовлеченного воздуха, а второе уравнение – из условия, что цементно-песчаный раствор должен заполнить все пустоты между щебнем с некоторой раздвижкой его зерен, что необходимо для получения удобообрабатываемой бетонной смеси и хорошего связывания зерен заполнителя в единый прочный монолит.
В этой системе уравнений два неизвестных – расход песка и щебня, так как расходы цемента и воды определяются в зависимости от прочности бетона и подвижности бетонной смеси, а коэффициент α назначается в соответствии с полученными экспериментальным путем, рекомендациями, обеспечивающими наиболее разумное соотношение между песком и щебнем, при котором расход цемента оказывается минимальным.
Решение приведенной системы уравнений получаем
Щ = 1000/ α(Пщ/ γщ) + (1/ ρщ) (2.4)
П = [1000-(Ц/ ρц +В + (Щ/ρщ)]/ ρп (2.5)
Одним из основных факторов, определяющих экономичность состава бетона, а также его высокое качество, является правильный выбор соотношения между крупным и мелким заполнителями.
Состав бетонной смеси выражают двумя способами:
1) Соотношением по массе между цементом, песком и щебнем с обязательным указанием водоцементного отношения и активности цемента. Количество цемента принимают за 1, поэтому соотношение между составными частями бетона записывают в виде 1:х:у с указанием В/Ц (например, 1:2:4 по массе при В/Ц=0,6);
2) Расходом материалов по массе (кг) на 1 м3 уложенной и уплотненной бетонной смеси, например, цемента – 280, песка – 700, щебня – 1250, воды – 170, итого – 2400.
Различают лабораторный состав бетона, устанавливаемый для сухих материалов, и производственный (полевой) – для материалов в естественно-влажном состоянии. Лабораторный состав бетона определяют расчетно-экспериментальным путем. Состав бетона предварительно рассчитывают по абсолютным объемам, используя формулы для определения расхода воды, цемента, песка и щебня, выведенные на основании рассмотренных выше зависимостей, а затем уточняют пробными затворениями.
Порядок расчета состава следующий:
1) Определяют В/Ц (или Ц/В) в зависимости от требуемой прочности, срока и условий твердения бетона. Водоцементное или цементноводное соотношение находят путем предварительных опытов, устанавливающих зависимость прочности бетона от этого фактора и активности цемента (с применением местных заполнителей) или ориентировочно по формулам:
а) для обычного бетона при В/Ц>0,4
В/Ц = АRц /(Rб + А 0,5 Rц) (2.6)
б) для высокопрочного бетона при В/Ц< 0,4
В/Ц = А1Rц /(Rб - А10,5 Rц) (2.7)
Значение коэффициентов А и А1 берут из таблицы 2.3
Таблица 2.3 – Значение коэффициентов А и А1
| Материалы для бетона | А | А1 |
| Высококачественные | 0,65 | 0,43 |
| Рядовые | 0,6 | 0,4 |
| Пониженного качества | 0,55 | 0,37 |
При расчете состава бетона иногда необходимо учитывать требования к нему по морозостойкости, водонепроницаемости, прочности на растяжение при изгибе и пр. В этом случае для назначения В/Ц используют соответствующие зависимости, но способ определения состава бетона в принципе сохраняется.
2) Определяют расход воды в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси на основании результатов предварительных испытаний. При этом необходимо учитывать водопоглащение крупного заполнителя, если оно более 0,5% по массе.
3) Определяют расход цемента:
Ц=В:В/Ц
Если расход цемента на 1 м3 бетона окажется ниже допускаемого по СНиПу (таблица 2), то следует увеличить его до требуемой нормы или ввести тонкомолотую добавку. Последнюю применяют в случае, если активность цемента слишком высока для бетона данной марки.
4) Устанавливают коэффициент раздвижки α для пластичных бетонных смесей в зависимости от количества цементного теста и крупности песка или выбирают его значение по таблице 2.4.
Таблица 2.4– Оптимальные значения коэффициента α для пластичных бетонных смесей
| Расход цемента, кг/м3 | Оптимальные значения коэффициента α при В/Ц | ||||
| 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | |
| 250 | - | - | 1,26 | 1,32 | 1,38 |
| 300 | - | 1,3 | 1,36 | 1,42 | - |
| 350 | 1,32 | 1,38 | 1,44 | - | - |
| 400 | 1,4 | 1,46 | - | - | - |
| 500 | 1,5 | 1,56 | - | - | - |
Зависимость коэффициента раздвижки зерен α от расхода цементного теста на 1 м3 бетона. При уменьшении модуля крупности песка Мкр на 1 коэффициент α уменьшается на 0,1…0,15, однако он не должен быть менее 1,1.
5) Определяют расход щебня или гравия по формуле:
Щ=1000/(αПщ//ρщ+1/ ρщ) (2.8)
6) Определяют расход песка по формуле:
Щ= ρп (1000 - Ц/ρц – В - Щ/ ρщ) (2.9)
7) Проверяют на пробных замесах подвижность (осадку конуса) или жесткость бетонной смеси, при необходимости вносят поправки в расчет состава бетона. Если применяют воздухововлекающие добавки, то количество вовлеченного воздуха учитывают при подсчете расхода песка.
Современная технология отличается большим разнообразием требований к бетону, материалов для бетона и технологических приемов приготовления и укладки бетонной смеси. Однако нет необходимости создавать для каждого случая свой метод расчета.
Расчет состава обычного тяжелого бетона должен выполняться по рассмотренной методике. Специфические требования к бетону и материалам для него надо учитывать путем введения соответствующих поправок.
2.4 Требования, предъявляемые к бетонам и бетонным смесям
В настоящее время в строительстве используют различные виды бетона. Бетоны классифицируются по средней плотности, виду вяжущего вещества, структуре, технологическим особенностям и назначению.
Многие свойства бетона зависят от его плотности, на величину которой влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетонов.
Проектируемый нами бетон по плотности является тяжелым – 2100-2500 кг/м3. Бетон должен обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой и незначительно выделять теплоту при твердении.
Общие требования к бетонам и бетонным смесям следующие: до затвердевания бетонной смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаиваться; бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию; по возможности расход цемента должен быть минимальным.
Получить бетон, удовлетворяющий всем поставленным требованиям, можно при правильном проектировании состава бетона, надлежащем приготовлении, укладки и уплотнении бетонной смеси, а также при правильном выдерживании бетона в начальный период его твердения.