(067) 443-28-63

(067) 328-70-78

(099) 637-17-79

(097) 996-89-02

UA
Бетон и стройматериалы с доставкой по Киеву

Определение состава бетона

Одной из основных технологических задач является проектирование состава бетонной смеси. Разработан ряд методов проектирования состава, имеются официальные руководства, облегчающие решение этой задачи. Каждый раз необходимо выбирать тот метод проектирования (или подбора), который при принятой технологии способен обеспечить получение наиболее достоверного состава и оптимальной структуры бетона. Тогда формируется качество бетона, при котором имеется не только комплекс заданных, но и экстремальных показателей свойств, что соответствует закону створа. При всех методах на начальной стадии производится обоснованный выбор исходных материалов, чему способствуют табличные данные и вспомогательные графики, помещаемые в соответствующие руководства по подбору составов. В них выбор исходных материалов обусловлен проектной маркой (классом) бетона, разновидностью конструкций и эксплуатационными условиями с учетом не только прочности, но и морозостойкости, водонепроницаемости и других свойств. На втором этапе всех методов проектирования с помощью расчетов и опытов в лаборатории определяют количественные соотношения применяемых исходных материалов. Важно найти наиболее достоверные и закономерные способы определения таких соотношений с гарантией получения бетона не только необходимого качества по показателям свойств, но и оптимальной структуры. На третьем этапе в методах обычно предусмотрен выпуск пробного замеса бетонной смеси и более полная техническая характеристика качества этой смеси с возможным корректированием (уточнением) проектного состава.

Изложенный в теории ИСК общий метод проектирования состава и оптимальной структуры в полной мере, естественно, относится к тяжелому и другим видам цементных бетонов. Принятое в общем методе отношение с/ф становится водоцементным (В/Ц) или водотвердым при более сложном вяжущем веществе.

Ниже изложен общий метод применительно к тяжелому плотному цементному бетону, но вначале следует уточнить общие закономерности из теории ИСК, на которые опирается этот метод. Среди законов видное место занимает закон створа, а в отношении механических свойств действует закон прочности оптимальных структур: произведение прочности бетона на степенную функцию фазового отношения (В/Ц) есть величина постоянная. Такой постоянной величиной служит аналогичное произведение прочности цементного камня на его водоцементное отношение при оптимальной структуре, возведенное в ту же степень, т. е. R* • (В/Ц*) . Прочность R* цементного камня оптимальной структуры находится опытным путем при испытании образцов, хотя возможен и расчетный метод по формуле Фере: R=K[cl(c+e+a)] п, где К— константа; с, е, а — абсолютные объемы соответственно цемента, воды и воздуха в смеси. Как отмечал А.В. Волженский , было бы более целесообразно в формуле принять абсолютный объем новообразований цемента с учетом, по мнению Т. Пауэрса, и объема гелевых пор.

Показатель степени п в обоих случаях отражает влияние заполняющих компонентов и общую степень дефектности структуры бетона.

Из закона прочности оптимальных структур и общей формулы  следует и общая формула прочности бетонов:

(1.1) Rб = R*ц /x п

где Rб — прочность цементного бетона оптимальной структуры, выраженная любой ее характеристикой (предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении центральном или изгибе и т. п.); R*ц — прочность цементного камня оптимальной структуры, выраженная той же характеристикой, которая была принята для оценки Прочности цементного бетона (и в том же возрасте); х — отношение Фактической величины В/Ц бетона к В*/Ц цементного камня оптимальной структуры; оно равно отношению усредненных толщин (δ; δ*) пленок водной среды в свежеизготовленных материалах, т. е. * = В/Ц / В*/Ц = δ/δ*; п — показатель степени, отражающий влияние Качества заполняющих материалов, дефектов структуры на прочность бетона; R* — экстремум в зависимости R =/(В/Ц), определяется опытным путем.

Для исходных материалов, применяемых в цементном бетоне, и принятой технологии изготовления бетона с ее конкретными параметрами и режимами все члены формулы (1.1) имеют вполне определенный физический смысл. Из формулы следует, что повышения прочности бетона можно достигнуть, во-первых, путем всемерного увеличения Rц* — введением химических добавок типа катализаторов или поверхностно-активных веществ, увеличения содержания кристаллической фазы на стадии твердения, дополнительным помолом, переходом на более высокие марки вяжущего и др. Из формулы (1.1) следует также, что для той же цели требуется уменьшать значение реального В/Ц и показателя степени п. Первое достигается с помощью пластифицирующих и суперпластифицирующих добавок, интенсификацией перемешивания смеси или другими мерами, снижающими толщину пленок водной среды на твердых частицах цемента или другого вяжущего; второе достигается фракционированием и промывкой заполнителя, составлением плотных смесей, применением кубовидного крупного заполнителя, активированием поверхности зерен и т. п. Большой резерв повышения прочности заключается в оптимизации технологических переделов, особенно режимов уплотнения при формовании и тепловых режимов при обработке отформованных изделий и конструкций.

Гиперболические кривые прочности бетонов оптимальной структуры

Рис. 1.1. Гиперболические кривые прочности бетонов оптимальной структуры; интенсивность спада прочности зависит от заполнителя: 7 — прочный известняк; II — гранитный щебень; /// — керамзитовый гравий; IV — природный гравий (необработанный)

 Формула (1.1) графически выражается гиперболической кривой в прямоугольной системе координат (R, В/Ц).

На плоскости Я(В+Ц) ей соответствует формула прочности бетона оптимальной структуры:(1.2)

Ее можно также выразить не процентах, а в долях единицы.

Объединением формул (1.1) и (1.2) получена формула (1.3) в полном виде:(1.3)

В ней нашли отражение все основные факторы, влияющие на величину прочности при воздействии на бетон практически любых напряжений (сжатия, растяжения, сдвига и др.), а именно: содержание вяжущего вещества (В+Ц), а следовательно, и заполняющей части П+Щ =100 — (В+Ц),% по массе; водоцементное отношение В/Ц; качество (расчетная прочность) вяжущего вещества оптимальной структуры R*; пористость А:, %; качество заполнителя по отношению к принятому вяжущему веществу и (В+Ц) (степенной показатель и); жесткость бетона или количество заполнителя, а, следовательно, и (В+Ц) (показатель т ); технологические параметры и режимы; эффективность добавочных веществ (добавок), отражающаяся на значениях В*/Ц и R*. Отсюда следует, что на технологической стадии безусловно возможно и необходимо регулировать и управлять числовым значением прочности и других свойств, но при непременной оптимизации структуры, соответствующей реальной технологии бетона. Только при ней действуют общие и объективные законы ИСК.

Здесь необходимо снова вернуться к формуле, которая применительно к бетонам выглядит так:(1.4)

где М = В + Ц— цементное тесто в долях единицы (по массе). Из формулы по-прежнему видно, что важно всемерно увеличивать расчетную величину активности матричного (вяжущего) вещества с соответственным уменьшением значения М, что после вычисления требуемого водоцементного отношения по формуле (1.4) адекватно уменьшению расхода цемента в бетоне (в кг/м3) до рационального минимума. Последний обычно обусловлен высокой плотностью и морозостойкостью бетона. При оптимальных структурах все эти параметры качества бетона находятся в теснейшей взаимосвязи.

После уточнения формул прочности ИСК применительно к бетону целесообразно изложить последовательность проектирования состава тяжелого цементного бетона, в’ том числе с использованием компьютерной программы.

  1. Определение расчетной активности цементного камня R* как Матричной части бетона и минимального значения фазового отношения В*/Ц, обеспечивающего, при принятых технологических условиях, оптимальную структуру. Для этого из цементного теста с 3—4 различными В/Ц, отличающимися между собой на величину 0,02—0,03, изготовляют образцы-кубики размером 10x10x10 см путем уплотнения их способом, принятым в технологии производства проектируемого изделия. В качестве исходного может быть принято В/Ц, соответствующее нормальной густоте цементного теста. После графического построения функции R = /(В/Ц) находят и уточняют искомое значение В*/Ц при наибольшей прочности цементного камня R*.
  2. Определение состава плотной смеси песка (П) и щебня (Щ). Сосуд объемом 2 л заполняют мокрым щебнем и уплотняют способом, принятым в технологии. После установления стабильного уровня щебня сосуд взвешивают, определяя фактическую массу щебня. Затем в сосуд постепенно добавляют заранее взвешенный и смоченный водой песок, который заполняет пустоты между зернами щебня при непрерывной вибрации. После полного заполнения пустот песком определяют массу сосуда с щебнем и песком, находящимся в пустотах крупного заполнителя, тем самым устанавливая оптимальное соотношение по массе. Полнота заполнения пустот щебня песком возрастает при применении мокрых материалов и определяется по максимальной массе смеси.
  3. Определение оптимального количества исходных материалов в бетонной смеси. С этой целью выполняют две последовательно чередующиеся операции: вспомогательную и основную.

Вспомогательная операция является экспериментальной, необходимой для определения показателей степени пит, используемых в формулах прочности и составов.

По лабораторным данным строят кривую оптимальных структур при произвольно выбранном значении (В/Ц)л и находят в точке А величину RA на кривой ДВЕ, а также значение (В/Ц)д в точке В. Прочность RA имеется и на кривой KL, которой к началу экспериментов хотя еще и нет, но о ее вероятном существовании, как и кривой оптимальных структур из теории ИСК, известно. И тогда полученных данных RA, (В+Ц)в (В/Ц)А достаточно, чтобы определить значения показателей степени пит согласно вышеприведенным формулам, поскольку другие требуемые значения Rц* и В*/Ц ранее были определены (на первом или втором этапах проектирования). Важно помнить, что величина тх — переменная и при новых В/Ц или R требует уточнения.

Основная операция второго этапа проектирования оптимального состава бетона (как и всех других ИСК) является расчетной, причем сначала рассчитывают расход материалов (Ц, В, П, Щ) в % по массе на 1 тонну смеси, а затем пересчитывают в % по массе на 1 м3 бетонной смеси или 1 м3 бетона, например в абсолютно плотном теле.

На третьем этапе проектирования рассчитывают расход материала при производственном составе, т. е. с учетом влажности песка и щебня; изготовляют контрольный замес (лучше в производственных условиях, применительно к которым были приняты технологические параметры и режимы формования и хранения) и образцы с оценкой свойств бетона в требуемом (обычно в 28-дневном) возрасте. Последнее производят с учетом известного логарифмического закона. На этом этапе завершается проектирование; состав передается заводу.

В настоящее время пока еще распространен подбор состава тяжелого бетона по методу «абсолютных объемов», разработанному Б.Г. Скрамтаевым и его научной школой.

На первом этапе принимают исходные данные в отношении проектного класса бетона по прочности и другим свойствам. Для обоснования данных используют технические документы — проект здания или сооружения, проект бетонных элементов, проект организации работ, СНиП и другую проектную и нормативную документацию. Существенной характеристикой бетонной смеси (в зависимости от проектных и производственных условий) принимается подвижность, выражаемая в сантиметрах, или жесткость, выражаемая в секундах, и определяемые по ГОСТ 10181—81. Производится выбор заполнителей, возможных фракций при их разделении (классификации), а также размера наибольшего зерна (щебня или гравия) в зависимости от вида конструкции и способа укладки бетонной смеси. Обосновываются вид и марка цемента, его минимально допустимое количество в зависимости от условий работы конструкции и подвижности (жесткости) бетонной смеси. Обусловливается рекомендуемый расход воды в зависимости от подвижности бетонной смеси, вида и крупности заполнителя, а именно: чем меньше жесткость (выше пластичность) смеси и мельче наиболее крупный размер щебня (гравия), тем больший расход воды рекомендуется принимать в бетонной смеси, выражаемый в л/м3.

На втором этапе определяют состав бетона расчетно-экспериментальным способом в такой последовательности: а) определяют водоцементное отношение (В/Ц) по данным предварительных опытов, которые помогают установить графическую зависимость прочности бетона от В/Ц при данной активности цемента и применении принятых местных заполнителей (табл.).

Таблица. Значения коэффициентов А и A1

Заполнители бетона А А1
Высококачественные 0,65 0,43
Рядовые 0,60 0,40
Пониженного качества 0,55 0,37

б) определяют расход воды (В) по требуемой подвижности бетонной смеси на основании результатов предварительных испытаний или по таблице, но с обязательным последующим корректированием применительно к исходным материалам (рис. 1.2);

Рис. 1.2 График водопотребности бетонных смесей жестких (а) и пластичных (б), приготовленных с применением портландцемента, песка средней крупности и гравия наибольшей крупности:

1 -  80 мм; 2 — 40 мм; 3 — 20 мм; 4 — 10 мм (при использовании вместо гравия щебня расход воды увеличивают на 10 л. При использовании пуццоланового портландцемента расход воды увеличивают на 15—20 л. При применении мелкого песка расход воды увеличивают на 10—20 л)

в) находят расход цемента (Ц): Ц = В:В/Ц. Может оказаться, что полученная величина расхода цемента на 1 м3 бетона ниже допустимого нормами минимума и принятого по таблицам на первом этапе подбора. Тогда величину Ц увеличивают до требуемой нормы с соответствующим увеличением количества воды В, с тем чтобы неизменным оставалось расчетное водоцементное отношение. Следует отметить, что минимально допустимый расход цемента для бетонных конструкций 200 кг/м3г для железобетонных — 220 кг/м3;

г) по полученным значениям В/Ц и Ц устанавливают так называемый коэффициент раздвижки (а) зерен щебня или гравия, который вводят в расчеты для увеличения количества песка, чтобы повысить подвижность бетонной смеси за счет отдаления (раздвижки) зерен щебня или гравия друг от друга. Чем выше требуемая пластичность бетонной смеси, тем дальше должны быть отдалены зерна щебня и, следовательно, больше величина а. Она возрастает также при увеличении расхода цемента и принимается: для подвижных смесей — 1,25—1,55, для жестких бетонных смесей — 1,05—1,15;

д) определяют расход щебня (или гравия) по формуле (1.5)

е) определяют расход песка по формуле(1.6)

В двух последних формулах ν пуст = 1-(ρощ/ρщ); ρц, ρп и ρщ — истинные плотности соответственно цемента, песка и щебня; — насыпная плотность крупного заполнителя (щебня или гравия).

Формулы нетрудно выводятся из условий, что сумма абсолютных объемов исходных материалов в 1 м3 уплотненной бетонной смеси близка к 1000 л и что объем пустот в щебне заполняется суммой объемов песка, цемента и воды при некоторой раздвижке крупных зерен (что учитывается сомножителем α).

После определения количества компонента расчетная средняя плотность бетонной смеси равна ρб.с= Ц + П + Щ + В (кг/м3). У тяжелых бетонов величина ρб.с обычно не превышает 2500 кг/м3.

На третьем этапе подбора проверяют проектный состав бетона. С этой целью приготовляют пробный замес и определяют подвижность или жесткость бетонной смеси. Если величина этой характеристики окажется на уровне заданной, то из смеси изготовляют контрольные образцы из расчета не менее трех на каждый срок испытания. Их хранят в течение суток в помещении при температуре 16—20°С, а оставшееся время до испытания — в специальной камере или в нормальных температурно-влажностных условиях (температура 20°С; влажность воздуха 95—100%). Если величина подвижности окажется меньше заданной, то постепенно увеличивают содержание воды и цемента в бетонной смеси, сохраняя постоянным водоцементное отношение. Если подвижность окажется больше заданной, то в бетонную смесь добавляют песок и щебень (или гравий), сохраняя их отношение по массе. Получив величину подвижности на уровне заданной, изготовляют пробные образцы, выдерживают и испытывают их для проверки соответствия прочности и других свойств бетона заданным техническим требованиям.

Состав бетона представляют в двух выражениях: номинальном и производственном. Номинальный — это когда расходы материалов на 1 м3 бетонной смеси относят к расходу цемента в виде Ц/Ц:П/Ц:Щ:Ц = 1:П/Ц:Щ/Ц. Данная пропорция показывает, сколько частей сухого песка и сухого щебня приходится на 1 часть (по массе) цемента при приготовлении 1 м3 бетона. Обязательно указывают также величину В/Ц. Переход от номинального состава к производственному связан с учетом естественной влажности заполнителей. Для этого определяют влажность и реальное содержание влаги (воды) в песке и щебне. Эту воду вычитают из расчетного расхода воды, а при дозировании на заводах ее засчитывают с массой заполнителей, к которым добавляют их массу, равную соответствующе массам воды в сырых заполнителях.

Бетоносмеситель передвижной

Рис. 1.3 Бетоносмеситель передвижной: 1 — ковш; 2 — бак для воды; 3 — барабан