Конструкционные тяжелые бетоны

В соответствии с ГОСТ 26633-2012, гармонизированным с европейскими нормами EN 206-1:2000, тяжелые цементные бетоны подразделяют по основному назначению на конструкционные и специальные; по виду заполнителя на бетоны, изготавливаемые с применением плотных заполнителей и бетоны, изготовляемые с применением специальных заполнителей; по условиям твердения на бетоны естественного и бетоны ускоренного твердения при атмосферном давлении.

В соответствии с нормами проектирования и условиями работы бетона к нему устанавливают определенные требования по прочности, плотности, морозостойкости, водонепроницаемости, истираемости, при необходимости нормируются также показатели других свойств. Для тяжелого бетона установлены:

классы бетона по прочности на сжатие в проектном возрасте: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В70; В80; В90; В100;

классы по прочности на осевое растяжение: В,0.8...В(4.0 (с градацией 0.4);

классы по прочности на растяжение при изгибе: B_tB0.4...B_tB8.0 (с градацией 0.4);

марки по средней плотности: D2000...D2500; марки по морозостойкости: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000;

марки по водонепроницаемости: W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20;

марки по истираемости: И1; ИП; ИШ.

В бетоне ограничивается содержание хлоридов ( в пересчете

на ион С1 ); не более 1% по массе в неармированном бетоне; 0,4% - в бетоне с ненапрягаемой и 0,1% - с напрягаемой арматурой.

Таблица 4.1

Допустимое содержание вредных примесей в заполнителях для тяжелых бетонов

Крупные заполнители для тяжелых бетонов должны иметь среднюю плотность зерен от 2000 до 3000 кг/м³, мелкие - истинную плотность от 2000 до 2800 кг/м³. Крупный заполнитель применяют в виде раздельно дозируемых фракций 5

(3)___10, 10...20, 20...40, 40...80, 80... 120 или в виде смеси двух

смежных фракций. В заполнителях ограничивается содержание пылевидных и глинистых частиц, зерен пластинчатой (лещад- ной) формы в крупном заполнителе, вредных примесей (табл. 4.1). Заполнители, содержащие включения вредных примесей в

количестве, превышающем допустимые значения, могут применяться лишь после проведения испытаний.

Общее количество химических добавок в бетоне должно быть не более 5% массы цемента, при этом добавки (кроме воздухововлекающих), используемые в количестве менее 0.2% массы цемента, вводят в бетонную смесь с водой затворения. При подборе состава бетона устанавливают совместимость добавок с компонентами бетонной смеси и между собой. Вода для затворения бетонной смеси и приготовления растворов химических добавок должна соответствовать требованиям ГОСТ 23732.

При решении задач проектирования номинальных составов тяжелых бетонов после выбора исходных материалов последовательно определяют значения цементно-водного отношения, обеспечивающие необходимые проектные показатели, расход воды с учетом требуемой подвижности или жесткости бетонной смеси и расход заполнителей, используя допущение о том, что бетонная смесь складывается из абсолютных объемов всех ее составляющих. В простейшем случае для четырехкомпонентной смеси, необходимо знание трех параметров: цементно-водного отношения (Ц/В), расхода воды (В) и фактора, характеризующего соотношение заполнителей ( доли песка в смеси заполнителей (г) или коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором (а) (рис. 4.1). Последний фактор можно рассматривать как оптимизирующий, т.к. лишь при некотором оптимальном его значении, в условиях Ц/В = const, возможно достижение минимального расхода цемента (рис.4.2). Чаще всего под оптимальным понимают соотношение заполнителей, обеспечивающее их наилучшую удобоукладываемость или минимальную водопотребность.

Оптимизирующим фактором может служить также расход добавки. В частности добавки-пластификаторы позволяют достичь минимальный расход цемента при оптимальном их расходе (рис.4.3), который зависит от необходимой подвижности смеси и прочности бетона. При необходимости принимают во внимание воздействие добавок и на другие свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона.

Рис. 4.1. Схема расчета номинальных составов тяжелого бетона

Известные значения цементно-водного или водоцементного отношения и водосодержания позволяют легко рассчитать расход цемента на 1 м'’ бетонной смеси:

Минимальный расход цемента принимается по ГОСТ 26633- 2012 в соответствии с табл. 4.2.

Рис. 4.2. Влияние доли песка в смеси заполнителей на удобоукпады- ваемость бетонной смеси (по О.А. Гершбергу):

1. Номинальный состав 1:1 (цемент: смесь мелкого и крупного заполнителя). 2. То же, 1:1.5. З.То же, 1:2 (Жесткость бетонной смеси приведена по техническому вискозиметру)

Таблица 4.2

Минимальный расход цемента в бетоне_

продолжение табл.4.2

нием минеральной добавки соответственно 0, 5 и 20% по масе. ССПЦ- Д0 и ССПЦ - Д20 - сульфатостойкий портландцемент с содержанием минеральной добавки 0 и 20%, ССШПЦ - сульфатостойкий шлакопор- тландцемент. ШПЦ и П_у1Щ0П_ц - соответственно шлакопортландцемент и пуццолановый цементы. 2.Допускается изготовление армированных бетонов с расходом цемента менее минимально допустимого при условии предварительной проверки обеспечения защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре. 3. Минимальный расход цемента других видов устанавливают на основании результатов оценки защитных свойств бетона на этих цементах по отношению к стальной арматуре. 4. Минимальный расход цемента для бетонов конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, определяют с учетом требований СНиП 2.03.11.

Расход заполнителей можно рассчитать, зная объем цементного теста (У_цд) в бетонной смеси и рекомендованную долю песка в суммарном объеме заполнителей (г) (табл.3.11), или коэффициент раздвижки а (табл.3.12) по формулам (3.45,3.46).

Рис. 4.3. Влияние расхода ЛСТ на водопотребность бетонной смеси и расход цемента:

• - водопотребность
• -----расход цемента
• 1 - Ж=13 с; 2 - Ж=20 с; 3 - Ж=27с

Разработано значительное количество расчетно- экспериментальных методов проектирования составов бетонов. Наиболее распространенными для тяжелых бетонов являются методы, разработанные Б.Г. Скрамтаевым и Ю.М. Баженовым, а также Научно-исследовательским институтом бетона и железобетона (НИИЖБ). При выборе метода и расчетных зависимостей должны учитываться наряду с их точностью особенности конкретной задачи, имеющаяся исходная информация

Пример 4.1. Необходимо рассчитать Ц/В для тяжелого бетона класса В20. Бетон изготавливают с применением портландцемента марки М500 на гранитном щебне и кварцевом песке с содержанием отмучиваемых частиц (глины, пыли и ила) соответственно 1 и 3%. По данным производственного контроля, выполненного по схеме А (ГОСТ 18105-2010)средний коэффициент вариации прочности V = 8%.

1. Рассчитываем требуемую прочность бетона по формуле (3.51). При V = 8% коэффициент к_т=1,09 (табл. 3.13):

• 2. Примем для расчета Ц/В формулу (1.63);
• 3. Значения коэффициента А примем по табл. 1.8, А = 0,58;
• 4. По формуле (1.63)рассчитываем значения Ц/В:

Пример 4.2. Необходимо рассчитать В/Ц для получения бетона прочностью 20 МПа в возрасте (т) 7 суток при температуре твердения (t) 10 и 30 ° С. Коэффициент А в формуле (1.63) с учетом качества заполнителей принять 0,52 (табл. 1.8). Активность использованного портландцемента Я_ц = 40 МПа.

1. Находим по табл. 1.15 коэффициент A_tT:

при

2. Находим В/Ц по формуле (1.63), учитывая дополнительно коэффициент A_tT.:

Использование коэффициента A_tT дает возможность рассмотреть пример и при другой постановке задачи, определив ожидаемую прочность бетона в возрасте 7 суток (R_7y) при температурах твердения 10 и 30°С, если он рассчитан на прочность в 28 суток. Например, при нормальных условиях твердения 28- суточная прочность бетона К_сж = 30 МПа. Тогда при t = 10 ⁰ С R₇ = 0,58 * 30 = 17,4 МПа; t = 30 ⁰ С R₇ = 0,9 * 30 = 27 МПа.

Пример 4.3. Определить необходимое Ц/В, которое обеспечивает в возрасте 28 суток прочность бетона на сжатие Я_сж > 20 МПа, прочность бетона на растяжение при изгибе R_pM >

8,3 МПа, прочность бетона на растяжение при раскалывании Rp.p > 7,9 МПа.

Рассчитаем значения Ц/В, обеспечивающие заданные значения прочности на сжатие, растяжение при изгибе и растяжение при раскалывании.

Как следует из графика (рис. 4.4), для данного примера, определяющим параметром является прочность на растяжение при раскалывании. При прочности бетона при раскалывании Rp._p > 7,9 МПа обеспечивается прочность бетона при изгибе Rp.H > 8,3 МПа и прочность бетона при сжатии Re* > 20 МПа. Значение Ц/В, обеспечивающее прочность бетона при раскал Rp.p ⁼ 7,9 МПа найдем из формулы, приведенной в табл. 1.12.

Из формулы R_pp=0.031R„(IVB)+0,064) Ц/В для заданной прочностного параметра (7.9 МПа) равно Ц/В = 2,1. Легко можно убедиться в том, что при Ц/В = 2,1 заданные значения прочности бетона при сжатии и растяжении при изгибе будут обеспечены. При найденном расчетном значении Ц/В, определив по справочным данным расход воды и необходимую долю песка в смеси заполнителей или коэффициент раздвижки цементнопесчаным раствором зерен крупного заполнителя, можно найти необходимый состав бетонной смеси .

Рис. 4.4. Влияние Ц/В на прочность при сжатии (R), растяжение при изгибе (R р._и) и растяжение при раскалывании (R_{p p})

Пример 4.4. Определить ориентировочный расход воды для изготовления бетонной смеси марки П2 (ОК = 5 ... 7 см). Исходные материалы: портландцемент с НГ = 24Уо, крупный заполнитель - речной гравий крупностью до 40 мм, мелкий заполнитель - песок с М_кр - 1,5 и содержанием ила и пыли - 4Уо

Ориентировочный расход воды (табл. 4.3) определяем с учетом поправок по данным табл. 1.1.

Таблица 4.3

Расчет расхода воды , л/м³

Пример 4.5. Определить ориентировочный расход воды для получения бетонной смеси с ОК = 9 ... 10 см. Исходные материалы: пуццолановый портландцемент (портландцемент IV типа), щебень крупностью до 40 мм, песок с водопотребно- стъю 9%. Добавка - суперпластификатор с водоредуцирующим эффектом 20... 25%.

1. По данным табл. 1.1,1.3 находим, что ориентировочный расход воды в бетонной смеси без пластифицирующей добавки с учетом поправок на водопотребность песка и применение пуц- цоланового цемента должен составлять:

2. Введение добавки суперпластификатора снижает расход воды на 20.. .25%: 220л -(44.. .55)л = 176... 165 л.

Пример. 4.6. Рассчитать номинальный состав бетона класса В15 в возрасте 28 суток укладываемого бетононасосом в неармированную конструкцию толщиной 700 мм при отсутствии арматуры. Активность портландцемента 40 МПа , его плотность р-3,1 кг/л, нормальная густота цементного теста 26%. Плотность кварцевого песка р_п = 2,62 кг/л , модуль крупности М_кр = 2 , водопотребность В_п= 8 % .Плотность гранитного щебня р_щ = 2,68 кг/л. Наибольшая крупность заполнителя 40 мм , насыпная плотность р_{н щ} = 1,48 кг/л. Подвижность бетонной смеси по условиям укладки бетононасосом принимается равной ОК = 6 см (марка по удобоукладываемости П2).

1. Устанавливаем необходимую среднюю прочность бетона по формуле (3.52):

2. Водоцементное отношение определяем по формуле (1.63) для рядовых заполнителей (А=0,6).

3. Расход воды - В =185 л/м³ (по табл. 1.1).

4. Определяем расход цемента, кг/м³:

5. Вычисляем пустотность крупного заполнителя:

6. Коэффициент раздвижки зерен а = 1,35 (по табл. 3.12). Поскольку песок имеет водопотребность 8%, уменьшаем коэффициент раздвижки на 0,03, окончательно принимаем а = 1,32. Определяем расход щебня по формуле (3.45), кг/м³:

7. Определяем расход песка по формуле(3.46), кг/м³:

Расчетный номинальный состав бетона, кг/м³: Ц = 247; П = 645; Щ = 1310; В =185 или 1:2,61:5,3 при В/Ц = 0,75.

Пример 4.7. Определить состав тяжелого бетона с требуемой прочностью в 28 суток Я_сж = 60 МПа, твердеющего в условиях, приближающихся к нормальным. Подвижность бетонной смеси соответствует ОК = 2 ... 4 см, в смесь вводится добавка-суперпластификатор С-3 в оптимальном количестве 0,8% от массы цемента.

Исходные материалы: портландцемент с активностью R_u = 45 МПа. Щебень гранитный с максимальной крупностью зерен 40 мм, плотностью р_щ = 2,7 г/см³, насыпной плотностью Рн.щ ⁼ 1630кг/м³, песок среднезернистый с модулем крупности М,ф = 2,2 и плотностью р_п = 2,6 г/см³.

1. Найдем значение водоцементного отношения по формуле (1.64). Коэффициент = 0,43 (табл. 1.7):

2. Расход воды находим по табл. 1.1.

Принимаем, что водоредуцирующий эффект при введении добавки С-3 составляет 20%, тогда расход воды в бетонной смеси с добавкой:

3. Рассчитаем расходы отдельных компонентов по формулам (4,1, 3.45, 3.46). Пустотность щебня: 1-1,63/2,7 = 0,4. Коэффициент а = 1 -38 /табл. 3.121:

Пример 4.8. При условиях, указанных в примере 4.7, найти расходы щебня и песка, использовав рекомендуемые в табл. 3.11 значения г.

1. Объем цементного теста:

Объем заполнителей:

2. При г=0,33 (табл. 3.111 оасхол песка:

3. Расход щебня: