Введение. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова"

(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова)

Чайковский технологический институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова"

(ЧТИ (филиал) ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова)

Баженова Т.Р.

ПОДБОР СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

Методические указания к лабораторной работе и практическому занятию
по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
для студентов очного и очно-заочного отделения
специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство»

ЧТИ ИжГТУ, 2013

УДК

Методические указания
по выполнению лабораторной работы
и практического занятия
для студентов специальности 270102
для всех форм обучения

Составитель: ст. преподаватель
Баженова Татьяна Растамовна
2013 г.

Утверждено на заседании кафедры «Технология и организация строительного производства» Чайковского Технологического института (филиал) ИжГТУ.

Данные методические указания содержат методику выполнения лабораторной работы и практического занятия по дисциплине «Технология конструкционных материалов».

Введение.

Подбор состава бетона заключается в определении расхода исходных материалов (вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей) на 1 м³ уплотненной бетонной смеси или в относительном выражении – соотношения по массе или объему между количествами цемента, песка и щебня (гравия) при обязательном указании водоцементного отношения. В последнем случае массу или объем цемента принимают за единицу, поэтому соотношение между составными частями бетона имеет вид: 1:Х:Y при определенном В/Ц (где Х- количество частей песка, Y – количество частей щебня или гравия).

От правильности проектирования состава тяжелого бетона зависят его плотность и прочность, которые, в свою очередь во многом определяют такие важные свойства как морозостойкость, водонепроницаемость и др. Рациональным считается тот состав тяжелого бетона, в котором расход вяжущего минимален при условии получения заданной прочности бетона и необходимой удобоукладываемости бетонной смеси.

При проектировании состава бетона сначала рассчитывают его ориентировочный состав, затем проверяют на опытных замесах удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона, и уточняют состав бетона, если требуемые свойства недостигнуты. После этого пересчитывают номинальный (лабораторный состав) на полевой (производственный) с учетом влажности заполнителей и определяют расход материалов на один замес бетоносмесителя.

Качество тяжелого бетона характеризуют классами и марками по прочности при сжатии и изгибе, марками по морозостойкости и водонепроницаемости. Класс бетона по прочности на сжатие определяют величиной гарантированного предела прочности на сжатие в МПа с обеспеченностью 0,95 образцов бетона базового размера (кубов с ребром 15х15х15 см) в возрасте 28 суток. Бетоны подразделяют на классы: В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 50; В 55; В 60; В 65; В 70; В 75; В 80.

На производстве контролируют среднюю прочность бетона на сжатие или марку бетона по прочности на сжатие. Соотношение между классами бетона по прочности на сжатие, средней прочностью на сжатие и марками по прочности на сжатие приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Классы, марки и средняя прочность бетона на сжатие.

Класс бетона по прочности на сжатие	Средняя прочность бетона данного класса, МПа	Ближайшая марка бетона по прочности на сжатие
В 3,5	4,6	М 50
В 5	6,5	М 75
В 7,5	9,8	М 100
В 10	13,1	М 150
В 12,5	16,4	М 150
В 15	19,6	М 200
В 20	26,2	М 250
В 25	37,7	М 350
В 30	39,3	М 400
В 35	45,8	М 450
В 40	52,4	М 500
В 45	58,9	М 600
В 50	65,5	М 700
В 55	72,0	М 700
В 60	78,6	М 800

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются классы и марки бетона по прочности при изгибе.

Для бетонов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации по переменному замораживанию и оттаиванию, назначают следующие марки по морозостойкости: F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500; F 600; F 800; F 1000.

Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Марки тяжелого бетона по водонепроницаемости: W 2; W 4; W6; W8; W 10; W 12; W 16; W 18; W20.

Расчет предварительного состава тяжелого бетона.

Расчет предварительного состава тяжелого бетона производят на основе зависимости прочности бетона от активности цемента, а также зависимости подвижности бетонной смеси от расхода воды и других факторов. Определение расходов песка и крупного заполнителя основано на формулах, которые вытекают из физических основ структурообразования бетона.

Требуемую среднюю прочность бетона определяют по формуле:

; (1.1)

где В – класс бетона по прочности на сжатие;

- коэффициент, зависящий от вида бетона (для тяжелого бетона =0,778).

Если в задании указана марка бетона, то требуемую прочность бетона в МПа рассчитывают по формуле:

; (1.2)

где М – заданная марка бетона.

Средний уровень прочности округляется в большую сторону до ближайшей марки по таблице 1.

Порядок расчета состава тяжелого бетона:

1. Определяют водоцементное отношение по формулам:

а) для обычного бетона (при В/Ц ≥ 0,4):

(1.3)

б) для высокопрочного бетона (при В/Ц < 0,4):

(1.4)

Формулу (1.3) следует применять, если , в других случаях надо пользоваться формулой (1.4).

Значения коэффициентов и берут из таблицы 2.

Таблица 2 – Значения коэффициентов и .

№ п/п	Материалы для бетона
	Высококачественные	0,65	0,43
	Рядовые	0,60	0,40
	Пониженного качества	0,55	0,37
Примечания: 1. К высококачественным материалам относят щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки в его составе; заполнители должны быть чистые и фракционированные. 2. К рядовым материалам относят заполнители среднего качества, в том числе гравии, портландцемент средней активности или высокомолочный шлакопортландцемент. 3. К материалам пониженного качества относят крупные заполнители низкой прочности, мелкие пески, цементы низкой активности.

2. Определяют водопотребность бетонной смеси (расход воды в дм³ на кг или кг на 1 м³ бетона).

Назначают в зависимости от ее удобоукладываемости (подвижности или жесткости). Удобоукладываемость смеси, если она не задана, выбирается в зависимости от вида конструкции и способа формования по таблице 3.

Таблица 3 – Рекомендуемая удобоукладываемость бетонной смеси для различных конструкций.

Вид конструкции, изделий и метод их изготовления	Подвижность, см	Показатель жесткости, С
Монолитные конструкции Подготовка по фундаменты и основания дорог Полы, покрытия дорог и аэродромов, массивные неармированные конструкции Массивные армированные конструкции Тонкостенные конструкции, сильно насыщенные арматурой	2-3 2-4 6-8	30-60 25-30 15-25 6-10
Сборные конструкции Изделия, формуемые с немедленной распалубкой Стеновые панели, формуемые в горизонтальном положении с вибропригрузом Изделия, формуемые вибропрокатом		80-160 60-80 50-60

Водопотребность бетонной смеси определяют по таблице 4 в зависимости от требуемой удобоукладываемости (подвижности или жесткости) бетонной смеси, вида и крупности заполнителя.

Таблица 4 – Ориентировочные расходы воды на 1 м³ бетона.

Удобоукладываемость бетонной смеси	Наибольший размер зерен заполнителя, мм
Гравий	Щебень
Осадка конуса, см	Жесткость, с
	31 и более
	21-30
	11-20
	5-10
4 и менее	1-4
5-9	-
10-15	-
16 и более	-
Примечание: 1. Таблица составлена для средних песков с водопотребностью 7%. При применении крупного песка с водопотребностью менее 7% расход воды уменьшается на 5 дм³ на каждый процент снижения водопотребности; при применении мелкого песка с водопотребностью более 7% расход воды увеличивается на 5 дм³ на каждый процент увеличения водопотребности. 2. При применении пуццолановых цементов расход воды увеличивается на 15….20 дм³. 3. При расходе цемента свыше 400 кг/м³ расход воды увеличивается на 10 дм³ на каждые 100 кг цемента.

3. Определяют расход цемента на 1 м³ бетона по формуле:

(1.5)

Если расход цемента на 1 м³ бетона окажется меньше допускаемого по СНиП (см. таблицу 5), то следует увеличить его до требуемой величины .

Таблица 5 – Минимальный расход цемента для получения нерасслаиваемой плотной бетонной смеси

Вид смеси	Наибольшая крупность заполнителя, мм

Особо жесткая (Ж>20 с)
Жесткая (Ж=10-20 с)
Малоподвижная (Ж=5-10 с)
Подвижная (ОК=1-10 см)
Очень подвижная (ОК=10-16 см)
Литая (ОК>16 см)

4. Определяют расход заполнителей на 1 м³ бетона по формулам:

; (1.6)

; (1.7)

где Щ, П, Ц и В – расходы соответственно щебня, песка, цемента и воды в кг

на 1 м³ бетона;

α – коэффициент раздвижки зерен щебня раствором. Его принимают для жестких бетонных смесей в пределах 1,05-1,15 (в среднем – 1,1); для пластичных смесей α принимают в соответствии с таблицей 6.

- пустотность щебня в долях единицы;

, , - истинные плотности соответственно щебня, песка и

цемента, кг/дм³;

- насыпная плотность щебня, кг/дм³;

Таблица 6 – Оптимальные значения коэффициента α для подвижных бетонных смесей

Расход цемента	Оптимальные значения коэффициента α при В/Ц
0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
	-	-	1,26	1,32	1,38
	-	1,3	1,36	1,42	-
	1,32	1,38	1,44	-	-
	1,4	1,46	-	-	-
	1,5	1,56	-	-	-
Примечание: 1. При других Ц и В/Ц коэффициент α находят интерполяцией. 2. Если водопотребность песка более 7%, коэффициент α уменьшают на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности; если водопотребность песка менее 7%, коэффициент α увеличивают на 0,03 на каждый процент снижения водопотребности.

Таким бразом получают расчетный состав бетона в виде расхода материалов Ц, В, П и Щ [кг] для получения 1 м³ и 100 дм³ бетона.

Расчетная плотность бетонной смеси [кг/м³] составит:

(1.8)

КОРРЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕТОНА ПО ПРОБНОМУ ЗАМЕСУ.

После корректирования удобоукладываемости бетонной смеси на пробном замесе определяют фактические расходы сырьевых материалов на пробный замес.

Фактические расходы сырьевых материалов на 1 м³ бетона рассчитывают по формулам:

; (1.9)

; (1.10)

; (1.11)

; (1.12)

где ; ; ; - фактические расходы сырьевых материалов на

пробный замес, кг;

- фактический объем пробного замеса, дм³;

; (1.13)

где - фактическая плотность бетонной смеси, кг/дм³

(не должна отличаться от расчетной плотности более чем на 2%).

После заданного срока твердения контрольные образцы бетона испытывают на сжатие. Если фактическая прочность бетона отличается от заданной более чем на 15% в ту или другую сторону, то следует внести коррективы в состав бетона. Для повышения прочности увеличивают расход цемента, то есть Ц/В; в противном случае – уменьшают расход цемента и соответственно Ц/В.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕВОГО (ПРОИЗВОДСТВЕННОГО) СОСТАВА БЕТОНА.

Полевой состав бетона рассчитывают с учетом влажности заполнителей по формулам:

; (1.14)

; (1.15)

; (1.16)

; (1.17)

где , - влажности песка и щебня, %

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ МАТЕРИАЛОВ НА ЗАМЕС БЕТОНОСМЕСИТЕЛЯ.

Расходы материалов на замес бетоносмесителя рассчитывают по формулам:

; (1.18)

; (1.19)

; (1.20)

; (1.21)

где - емкость бетонной смеси, получаемой из одного замеса

бетоносмесителя, дм³;

; (1.22)

где - емкость бетоносмесителя по загрузке, дм³;

- коэффициент выхода бетона, представляющий собой степень уменьшения объема бетонной смеси по сравнению с суммарным объемом исходных материалов и обычно равен 0,6 … 0,7, его вычисляют по формуле:

; (1.23)

где , , - насыпные плотности, соответственно, цемента, песка и

щебня, кг/дм³;

Вывод: В задании на работу каждый студент получает исходные данные для предварительного расчета состава тяжелого бетона методом абсолютных объемов, а именно: требуемый класс или марку бетона по прочности, марку или активность цемента, характеристики удобоукладываемости бетонной смеси (подвижность или жесткость) и качества заполнителей для бетона (высококачественные, рядовые или пониженного качества), наибольшую крупность щебня или гравия, значения истинной и насыпной плотности основных компонентов, величину пустотности крупного заполнителя. Кроме того, в задании приводятся ситуационные данные: изменения расхода материалов в пробном замесе для корректировки удобоукладываемости бетонной смеси, ее фактическая плотность, значения влажности заполнителей в производственных условиях, емкость бетоносмесителя.

Ниже приводится пример расчета состава тяжелого бетона для оказания помощи в выполнении этих расчетов.

Исходные данные для расчета.

1) Класс (марка) по прочности на сжатие – В20;

2) Удобоукладываемость бетонной смеси по подвижности (жесткости) – ОК=4см;

3) Цемент

3.1) Марка (активность) – М 400;

3.2) Истинная плотность - =3,1 кг/дм³;

3.3) Насыпная плотность - =1,2 кг/дм³;

4) Песок средней крупности

4.1) Истинная плотность - =2,65 кг/дм³;

4.2) Насыпная плотность - =1,6 кг/дм³;

4.3) Водопотребность – 5%;

5) Щебень (гравий)

5.1) Истинная плотность =2,7 кг/дм³;

5.2) Насыпная плотность =1,45 кг/дм³;

5.3) Наибольшая крупность НК=40 мм;

5.4) Пустотность =0,465 в долях единицы;

6) Увеличение в пробном замесе расход воды и цемента (заполнителей) – на 10%;

7) Фактическая плотность бетонной смеси составила =2460 кг/м³;

8) Влажность песка и крупного заполнителя в производственных условиях равна соответственно: =5%;

=3%;

9) Емкость бетоносмесителя по загрузке – 500 дм³.

Результаты расчета:

I. Расчет предварительного состава бетона.

Определение требуемой прочности:

Определение среднего условия прочности – округляем по таблице 1 в большую сторону до ближайшей марки: М 350, т.е. =25 МПа.

1. Определение водоцементного отношения.

а) для обычных бетонов, т.к. =25 МПа ≤ ;

;

2. Определение расхода воды по таблице 3 для подвижности с ОК=4 см и наибольшей крупности щебня НК=40 мм. Таким образом: В= 175 дм³.

Необходима коррекция расхода воды, исходя из водопотребности песка 5% - уменьшение расхода воды на 10 дм³, т.е. В= 165 дм³.

3. Определение расхода цемента:

кг.

Если расход цемента на 1 м³ меньше допустимого по СНиП: кг (таблица 4), то его увеличивают до требуемой величины .

Окончательно принимаем расход цемента =254 кг.

4. Определение расхода заполнителей:

Расход щебня:

кг.

Расход песка:

кг.

В результате расчета получим предварительный состав бетонной смеси, который приводится в таблице 7.

Таблица 7 – Предварительный состав бетонной смеси

Цемент	Вода	Песок	Щебень
				0,649

Расчетная плотность бетонной смеси составляет

кг/м³.

II. Корректирование состава бетона по пробному замесу.

Состав бетона, полученный расчетом, уточняется на пробных замесах и по результатам испытаний контрольных образцов.

Объем пробного составляет 50 л.=0,05 м³.

Расчет количества материалов и характеристики бетонной смеси в пробном замесе приведен в таблице 8.

Таблица 8 – Расчет количества материалов бетонной смеси в пробном замесе.

Количество материалов [кг]	Исходной смеси	После корректировки смеси
Цемент - () Вода - () Песок - () Щебень - ()	254·0,05=12,74 кг 165·0,05=8,25 кг 753·0,05=37,65 кг 1266·0,05=63,3 кг	13,97 кг 9,075 кг 37,65 кг 63,3 кг
Суммарная масса всех материалов	121,9	123,9
Средняя плотность бетонной смеси () [кг/дм³]	2,438	2,450
Объем пробного замеса [дм³];		50,57