Дорожные и гидротехнические бетоны

Дорожные и гидротехнические бетоны объединяют жесткие условия эксплуатации и соответственно повышенные требования к свойствам, которые определяют их долговечность. При проектировании составов как дорожных, так и гидротехнических бетонов задачи заключаются в том, чтобы обеспечить наиболее рациональным способом комплекс нормируемых свойств.

Расчетно-экспериментальное проектирование составов дорожных и гидротехнических бетонов может базироваться на рекомендованных ограничениях значений В/Ц и других параметров их состава (табл.4.18...4.22), а также соответствующих эмпирических зависимостях, которые позволяют учитывать особенности исходных материалов и другие технологические факторы (табл. 4.23).

Таблица 4.18

Рекомендуемые предельно допустимые величины В/Ц для _ гидротехнического бетона_

Таблица 4.19

Максимально допустимые величины водоцементного отношения для бетона разных сооружений по рекомендациям _Американского института бетона_

продолжение табл. 4.19

Примечания. * При использовании сульфатостойкого цемента максимально допустимые величины водоцементного отношения могут быть повышены на 0,045. ** Величина водоцементного отношения должна приниматься исходя из требований к прочности и удобоукладываемости.

Таблица 4.20

Показатели водонепроницаемости бетона и В/Ц_

Таблица 4.21

Предельные значения В / Ц в зависимости от марки бетона по _морозостойкости_

Примечания: 1. Для повышения морозостойкости бетона рекомендуется применять воздухововлекающие добавки. 2. Водоцементное отношение для бетона дорожных и аэродромных однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий должно быть не более 0,50, для нижнего слоя - не более 0,60.

Таблица 4.22

Предельные расходы цемента в зависимости от вида сооружений

Выбор алгоритма для решения задач проектирования составов гидротехнического и дорожного бетонов зависит от условий их работы в конструкциях и сооружениях и, соответственно, нормированных требований (табл. 4.24).

Бетон в дорожных покрытиях подвергается воздействию многократного повторяющихся статических и динамических нагрузок от транспортных средств, а также комплексному воздействию окружающей среды - увлажнению и высушиванию, нагреванию и охлаждению, замораживанию и оттаиванию с одновременным воздействием солей, применяемых для борьбы с гололедом.

Требования для дорожного бетона зависят от конструкции покрытия, положения слоя бетона, интенсивности нагрузки, климатических условий.

Таблица 4.23

Эмпирические зависимости для расчета составов дорожных и _ гидротехнических бетонов_

Свойства бетона	Формула	Условные обозначения
Морозостой- кость		Пк-капиллярная пористость
		Ai А2,Аз - коэффициенты (Аз~0,35) Fee-o6beM вовлеченного воздуха
Водонепроницаемость		Кф - коэффициент фильтрации; ^-прочность бетона при сжатии, МПа
Тепловыделение, кДж/м3		с- удельная теплоемкость бетона кДж / кг • град; ро - средняя плотность бетона; и tft'H. - соответственно критическое значение температуры и начальная температура бетона, К- коэффициент, зависящий от условий охлаждения бетона
		q- удельное тепловыделение цемента при заданных значениях длительности и температуры твердения; Ц- расход цемента, кг/м3
Удельное тепловыделение цемента, кДж / кг в возрасте 7 суток		Rl( - активность цемента, МПа
Усадка бетона		В - водосодержание бетонной смеси,л/м3

Свойства бетона	Формула	Условные обозначения
Динамический модуль упругости, МПа
Модуль упругости		Рк - объемная концентрация цементного камня в бетоне

Таблица 4.24

Требования к гидротехническому бетону по зонам_

Примечание. Знак "+" означает, что требование предъявляется.

Как для гидротехнического, так и для дорожного бетона одним из наиболее важных свойств, обеспечивающих их долговечность является морозостойкость.

Для обеспечения необходимой морозостойкости бетонов важно правильно подобрать объем вовлеченного воздуха. Он может быть назначен по нормативным рекомендациям или ориентировочно рассчитан по эмпирическим зависимостям .

Например, для гидротехнических сооружений с нормированной морозостойкостью F200 и выше, эксплуатируемых в условиях насыщения морской или минерализованной водой, объем вовлеченного воздуха в бетонной смеси согласно ГОСТ В.2.7.-43-96 должен соответствовать значениям указанным в табл. 4.25.

Таблица 4.25

Объем вовлеченного воздуха, рекомендуемый для гидротехниче-

ского бетона с повышенной морозостойкостью (F>200)

Для бетона однослойных и верхнего слоя двухслойных дорожных покрытий объем вовлеченного воздуха рекомендуется в пределах 5 ... 7%, для бетона нижнего слоя двухслойных покрытий 3 ... 5%, мелкозернистого бетона - 1 ... 12%.

Ориентировочно объем необходимого вовлеченного воздуха может быть найден из следующей формулы:

где F -марка бетона по морозостойкости; R - прочность бетона при сжатии, МПа; А] иЛ₂- коэффициенты.

Для подвижных бетонных смесей с ОК=9...12 см Ai=0,34; А₂=1,68, малоподвижных (ОК=1.. .4 см) Ai=0,91; А₂=1,47, жестких - Aj=2,48; А₂=1,28.

Необходимый объем вовлеченного воздуха обеспечивается введением воздухововлекающих добавок, дозировка которых определяется экспериментально в зависимости от состава бетонных смесей. На рис. 4.9 приведена экспериментально полученная номограмма для определения содержания воздухововлекающей добавки типа СНВ в зависимости от необходимого объема вовлеченного воздуха (К_в._в), расхода воды (В) и цемента (Ц), доли песка в смеси заполнителей (г) и содержания в песке фракции меньше 0,63 мм.

Рис. 4.9. Номограмма для определения объема вовлеченного воздуха

Бетонное покрытие дороги работает на изгиб как плита на упругом основании. Поэтому основным показателем механических свойств дорожных бетонов является прочность на растяжение при изгибе. Она назначается в зависимости от вида покрытия и положения слоя бетона в конструкции покрытия дороги, а также интенсивности расчетной нагрузки .

Для расчета составов дорожных бетонов кроме формулы ( 4.52 ), отражающей корреляционную связь между прочностью на растяжение при изгибе и прочностью на сжатие можно применять формулы (4.50 ... 4.52 ), непосредственно связывающие прочность на растяжение бетона при изгибе и соответственно прочность цемента на изгиб при его стандартном испытании (табл. 4.26).

Предложено несколько формул , связывающих прочность бетона на растяжение при изгибе с аналогичным показателем стандартного цементно - песчаного раствора (R_llM) ? Из них можно выделить формулы :

• Ю.М. Баженова:

• СоюзДорНИИ:

• ХАДИ:

В формуле (4.49) А = 0,42 для высококачественных материалов, 0,4 - для рядовых и 0,37 - пониженного качества. Значение А в формуле (4.50) для бетона без пластифицирующих добавок - 0,39 , с пластифицирующими - 0,38, воздухововлекающими - 0,34, газообразующие добавками - 0,36 .

Формула (4.51) дает возможность учесть консистенцию смеси, вид щебня и песка. При применении подвижных и жестких бетонных смесей значения коэффициента А] при использовании известнякового и шлакового щебня соответственно равны 1,17 и 1,22; фракционированного гранитного щебня 1,08 и 1,13; фракционированного песка - 1,0 и 1,05 ; рядового гравия - 0,90 и 0,95 и щебня, имеющего пылевато - глинистую пленку -0,85 . Значение коэффициента А₂ зависят от вида песка: при применении искусственного песка (высевок) А₂ = 1,15 ; чистого кварцевого песка -1,0; песка с окатанными зернами , а также с повышенным содержанием примесей - 0,93 .

Прочность бетона на растяжение при изгибе (R_te) можно ориентировочно рассчитать по формуле ( 4.52 ) , устанавливающей ее связь с прочностью при сжатии :

В табл. 4.26 приведены расчетные значения R_te при использовании формул (4.49...4.52) и применении рядовых материалов. Для определения R_te по формуле (4.52) рассчитывали сначала прочность бетона на сжатие R, при этом активность цемента принимали равной его марке при данном значении R_HM.

Анализ данных табл. 4.26 показывает, что значения R_le, вычисленные по формулам (4.49...4.51), достаточно близки и отклонения расчетных значений при правильном выборе коэффициентов не превышают 3%. Отклонения несколько повышаются при использовании формулы (4.52) , однако остаются при этом сравнительно низкими (до 8 ... 10 %) при минимально допустимых соотношениях Rum ^и Ru- Во многих случаях фактические соотношения R_u „ и R_lt значительно выше нормативных и тогда расчетные значения R_te по формуле (4.52) являются заниженными . Выбор формул для определения R_te бетона также как и ряда других его показателей нормируемых свойств и соответственно водоцементного отношения в значительной степени должен определяться имеющейся исходной информацией.

Таблица 4.26

Расчетные значения R_te при использовании формул (4.49...4.52)

5,5	40	1,5	3,0	2,9	3,0	2,8
		2,5	4,8	5,1	5,1	5,1
6	50	1,5	3,5	5,5	5,6	3,0
		2,5	5,5	3,4	3,5	5,5
6,5	60	1,5	3,9	3,4	3,5	3,3
		2,5	6,2	6,0	6,1	6,0
7,5	60	1,5	3,9	3,9	4,1	3,8
		2,5	6,2	6,0	7,0	6,9

Трещиностойкость бетона в условиях развития усадочных и термических напряжений определяется многими свойствами: прочностью при растяжении, тепловыделением, ползучестью, модулем упругости, усадкой и др. Для большинства этих свойств разработаны зависимости, связывающие их с основными параметрами состава как напрямую, так и через корреляцию с прочностью при сжатии (табл. 4.23).

Сопротивление бетона возникновению трещин в значительной мере характеризуется его предельной деформацией при растяжении или предельной растяжимостью ?_пр.. Прямые определения е_пр. связаны с достаточно сложными испытаниями. По экспериментальным данным s_np для бетона составляет (5...15)-10‘⁵. В конструктивных расчетах усредненную величину е_пр обычно принимают 1-10'⁴. Наиболее близки к экспериментальным значения s_np_, определенные из соотношения:

где R_tc -прочность на растяжение при раскалывании; Е_д - динамический модуль упругости.

При дополнительном нормировании свойств бетона, характеризующих его трещиностойкость, нахождение состава требует установления определяющих показателей, достижение которых обеспечивает и все другие свойства. При этом при нормировании предельной растяжимости, модуля упругости, тепловыделения, усадочных деформаций возможны ограничения по расходу цемента и водосо- держания бетонной смеси. Известно , например , что увеличение содержания цемента в бетоне повышает его прочность при растяжении , но вместе с тем приводит к росту тепловыделения , использование заполнителей с большей крупностью зерен позволяет уменьшить расход цемента , но приводит к увеличению модуля упругости , применение воздухововлекающих добавок позволяет снизить расход цемента и модуль упругости , но снижает прочность бетона при растяжении и уменьшает теплопроводность бетона и т.п.

Выбор необходимых технологических решений обусловлен конкретными производственными возможностями. Например, одновременное повышение прочности бетона на растяжение и уменьшение тепловыделения можно достичь путем применения пластифицирующих добавок, снижением температуры бетона, переходом на более жесткие смеси.

В табл. 4.27-4.29 приведены схемы некоторых характерных алгоритмов расчета составов дорожных и гидротехнических бетонов с применением эмпирических зависимостей.

1. Определяют средний уровень прочности бетона в проектном возрасте и в 28 суток.

2. Рассчитывают В/Ц бетонной смеси, обеспечивающее заданную прочность бетона на сжатие.

3. Определяют расход воды для обеспечения заданной удобоук- ладываемости бетонной смеси.

4. Определяют расход цемента.

5. По формуле (4.43) находят тепловыделение бетона (QT).

6. Определяют необходимую температуру укладки бетонной смеси (t6.H)- С этой целью применяют формулу:

где t6,Kp - критическое значение температуры бетона для определенного срока твердения (температура разогрева); с - удельная теплоемкость бетона, (с ~ 1,05 кДж / кг °С); р0 - средняя плотность бетона, кг/м3; К - коэффициент, зависящий от условий охлаждения (К= 0,8 ... 1,0).

7. Находят расход заполнителей, определив коэффициент раздвижки а в зависимости от расхода цемента и В / Ц.

8. Определяют при необходимости возможные технологические решения для достижения необходимой температуры укладки бетонной смеси.

Пример 4.13. Рассчитать состав бетона для однослойного покрытия автомобильной дороги с заданными показателями прочности на сжатие R = 30 МПа и изгиб R_te = 4,4 МПа. Марка бетона по морозостойкости F300. Бетонная смесь укладывается в покрытие бетоноукладочной машиной (ОК = 2 см).

Исходные материалы: портландцемент М500, НГ = 25,5%; кварцевый песок с модулем крупности М_к = 2,2, содержанием отмучиваемых примесей 2,5%, плотностью р „ = 2,67 кг/л, насыпной плотностью р_нм. = 1, 55 кг / л; гранитный щебень фракции 5-40 мм, р_щ — 2,7 кг / л, р_н ,_щ = 1,4 кг / л, содержание отмучиваемых примесей 0,8%. Вводится воздухововлекающая добавка.

Для расчета используем алгоритм, приведенный в табл. 4.27.

1. Определяем по формуле (4.52) необходимую прочность при сжатии (R ),обеспечивающую нормированную прочность при изгибе:

• 2. Поскольку R >R принимаем ее для дальнейших расчетов (R =40,8 МПа).
• 3. По формуле (4.48) определяем необходимый объем вовлеченного воздуха, , опеспечивающий при заданной прочности требуемую марку по морозостойкости. Коэффициенты А] и А2 в формуле (4.48) выбираем с учетом подвижности бетонной смеси (ОК=2 см):

4. Уточняем значения прочности бетона с учетом влияния вовлеченного воздуха:

5. Необходимая прочность бетона на сжатие, обеспечивающая заданные значения прочности при изгибе и морозостойкости с учетом вовлеченного воздуха:

6. Рассчитываем В/Ц бетонной смеси, обеспечивающие расчетную прочность бетона на сжатие. Принимаем коэффициент А = 0,55:

• 7. Расход воды для заданной подвижности бетонной смеси с учетом особенностей заполнителей составит 180 л/мЗ (табл. 4.11).
• 8. Расход цемента:

9. Расход щебня (коэффициент раздвижки oj,=l,39; пустотность щебня #^=0,48):

10. Расход песка найдем с учетом вовлеченного воздуха:

Расчетный состав бетона:/|=368 кг/м³; 5=180 кг/м³;

Щ= 1181 кг/м³; /7=680 кг/м³; У_вв =10 л/м³.

Пример 4.14. Рассчитать состав бетона для блока плотины ГЭС с прочностью на сжатие 22 МПа в возрасте 180 суток с температурой разогрева в возрасте 28 суток не более 28°С. Подвижность бетонной смеси ОК = 2 см. Определить необходимую температуру укладки бетонной смеси при использовании:

• а) портландцемента М400;
• б) шлакопортландцемента М300.

Заполнители: кварцевый песок с модулем крупности М_к = 2,2, содержанием отмучиваемых примесей 2,5%, р_п=2,67кг/л; гранитный щебень фракции 5-40 мм с р_щ = 2,7 кг л и р_н._щ=1,4 кг / л, содержанием отмучиваемых примесей 0,8%.

• 98 1 яп Is 28
• 1. По логарифмической формуле R = R ^ ^gQ ^найдем средний уровень прочности бетона в 28 сут:

2. Необходимое В/Ц по формуле (4.5) при использовании портландцемента:

шлакопортландцемента: в/II =-^{9,59 30}-= 0 71

• 15 + 0,5-0,59-30 ’
• 3. Расход воды (табл. 4.10) с учетом необходимой подвижности бетонной смеси и качества исходных материалов: 5=180 л/м³;
• 4. Расход цемента при использовании:
  • - портландцемента//=180:0,85=212 кг/м³;
  • - шлакопортландцемента: //=180:0,71=254 кг/м³;
• 5. Находим по формуле (4.43) тепловыделение бетона:
  • - на портландцементе при ⁼ 315 кДж/кг,

- на шлакопортландцементе при q= 250 кДж/кг,

• 6. Температуру укладки бетонной смеси находим по формуле (4.54) при 5=0,8; с = 0,966 кДж/(кг °С); р = 2400 кг/м³ и использовании:
  • - портландцемента: 28-08_⁶⁶⁷⁸⁰_< у с ’?>

’ 0,966-2400

- шлакопортландцемента: 28-0 8—⁶⁸⁵⁰⁰— <^°с;

’ 0,966-2400

• 7. Расчитываем расход заполнителей. При коэффициенте раздвижки (табл. 4.15) для бетонной смеси на
• - портландцементе («=1,38):

- шлакопортландцементе («=1,32):

Расчетные составы бетона:

- при использовании портландцемента:

Ц= 212 кг/м³; Щ= 1176 кг/м³; Я=843 кг/м³; 5=180 кг/м³;

- при использовании шлакопортландцемента:

Ц=254 кг/м³; ZZ/= 1204 кг/м³; Я=780 кг/м³; 5=180 кг/м³.

Пример 4.15. Рассчитать состав бетона для гидротехнического сооружения с прочностью на сжатие 30 МПа в 28 суток , эксплуатируемого в мягкой воде под напором Н = 5 м, толщиной L = 0,50 м. Расчетный срок службы сооружения т=50 лет. Применяется портландцемент М500, НГ=25,5 % с содержанием оксида кальция qcao = 0,65 г на 1 г цемента. Допустимую степень выщелачивания СаО , не приводящую к существенному снижению прочности от суммарного содержания цемента принять а_в=0,2; среднюю концентрацию СаО за время выщелачивания Сс_ао⁼0,5.10~³ г/см³. Экспериментально установлено, что количество СаО, которое может быть вынесено из бетона без потери им несущей способности Q_e = 1,95 г/см³. Бетонная смесь имеет подвижность ОК = 2 см. Заполнители : кварцевый песок с модулем крупности М_к = 2,2 , содержанием отмучиваемых примесей 2,5 % , плотностью р_п — 2,67 кг /л ; гранитный щебень фракции 5-40 мм ср _щ= 2,7 кг/л и Рн.щ -1,4 кг/л, содержанием отмучиваемых частиц 0,8 %.

Для расчета используем алгоритм, приведенный в табл. 4.29.

1. Минимально необходимый расход цемента при допустимой степени выщелачивания, обеспечивающий несущую способность бетона по формуле (4.55):

2. Необходимый коэффициент фильтрации (4.56):

3. Прочность бетона, необходимая для обеспечения расчетного коэффициента фильтрации по (4.57):

4. Необходимое В/Ц из условия прочности:

5. Расход воды, обеспечивающий необходимую подвижность смеси:

В = 180 л/м³.

6. Расход цемента из условия прочности:

Поскольку Ц> Ц1 принимаем расход цемента Ц= 300 кг/м³.

7. Расходы щебня и песка найдем из условий абсолютных объемов.

Расчетный состав бетона:1/=300 кг/м³; Щ= 175 кг/м³; 11=169 кг/м³; 5=180 кг/м³.