Требования к материалам

3.1. Вяжущие вещества

Класс бетона, отпускная прочность и другие специальные требования определяются условиями эксплуатации конструкции и указываются в рабочих чертежах и ТНПА на данный вид изделия. При проектировании состава бетона необходимо установить такое соотношение компонентов, которое бы обеспечило требования ТНПА, достаточную прочность, морозостойкость и др.

Марку цемента выбирают по СНБ 5.03.01 «Бетонные и железобетонные конструкции» в зависимости от требуемой прочности бетона на сжатие. Следует соблюдать рекомендуемые значения подвижности и жесткости смеси.

Выбор марки цемента является наиважнейшей задачей, при решении которой следует учитывать свойства цемента по: прочности, химической стойкости, тепловыделению, морозостойкости, водонепроницаемости.

Для экономии цемента рекомендуется использовать высокомарочный цемент, марка которого в 1,5-2 раза выше проектируемой марки бетона.

Допустимые и рекомендуемые марки цемента соответствует значениям, указанным в таблице 3.1

Таблица 3.1 Допустимые и рекомендуемые марки цемента

Класс бетона по прочности на сжатие.	Марки для цемента для бетона Rц
Рекомендуемые	Допустимые
С8/10…С20/25
С25/30		550,600
С30/37		500,600
С35/45…С90/105		550,550

Вид цемента следует выбирать в соответствии с назначением конструкции и условиями эксплуатации, требуемого класса бетона, на основании стандартов, технических условии или документации на изделия с учетом ГОСТ 3051. СНиП 5.01.23 устанавливает минимальный и максимальный расход цемента в бетоне.

Таблица 3.2 Минимальный расход цемента Кг/м³

Вид смеси	Наибольшая крупность заполнителя, мм
Особо жесткая (Ж>20 c)
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)

Минимальные значения механических характеристик цемента даны в таблице 3.3

Таблица 3.3 Минимальное значение предела прочности цемента при изгибе и сжатии

Обозначение цемента	Гаранти-рованная марка	Предел прочности, Мпа
при изгибе в возрасте, сут.	при сжатии в возрасте, сут
ПЦ-Д20, ШПЦ		-	5,4	-	39,2
		-	5,9	-	49,0
		-	6,1	-	59,0
		-	6,4	-	58,8
ПЦ-Д20-Б		3,9	5,4	24,5	39,2
		4,4	5,9	27,5	49,0
ШПЦ-Б		3,4	5,4	19,6	39,2

3.2. Заполнители для бетона.

Заполнители составляют от 60 до 80 % объема бетона и влияют на прочность, деформативность, водонепроницаемость, пористость, морозостойкость и др.

По крупности зерна разделяются на мелкие (песок с размерами зерен 0,14...5 мм) и крупные (гравий и щебень с размерами зерен свыше 5 мм). По плотности заполнители разделяются на тяжелые, особо тяжелые и легкие.

Для производства сборных бетонных и железобетонных изделий в качестве заполнителей используются тяжелые (плотные) и легкие (пористые) песок, щебень, гравий и щебень из гравия. Щебень, гравий и щебень из гравия, используемые в качестве крупных заполнителей для тяжелого бетона, должны соответствовать требованиям ГОСТ 26633.

Для каждой группы песков значения модуля крупности и полный остаток на сите № 063 должны соответствовать значениям, приведен­ным в табл. 3.4.

Таблица 3.4 Классификация песков по зерновому составу

Группа песка	Модуль крупности	Полный остаток на сите № 063, % по массе
Крупный	Свыше 2,5	Свыше 45
Средний	2,0...2,5	30...45
Мелкий	1,5...2,0	10...30
Очень мелкий	1,0...1,5	До 10

При выборе крупного заполнителя предпочтение следует отдать щебню. Применение гравия возможно только при соответствующем технико-экономическом обосновании. Для высокопрочных бетонов следует применять только щебень, прочность которого должна превышать среднюю прочность бетона не менее чем в 2 раза для бетона С20/25 и выше. Максимальная крупность зерен щебня (гравия) должна быть не более 1/3 минимального размера конструкции и не более 3/4 наименьшего расстояния между стержнями арматуры.

3.3. Вода для бетона.

Для приготовления бетонной смеси, промывки заполнителей и поливки твердеющего бетона должна использоваться вода, удовлетворяющая требованиям СТБ 1114. К вредным примесям, препятствующим нормальному схватыванию и твердению бетона, относят: сульфаты, кислоты, жиры, сахар и т.д.

В зависимости от типа конструкции и от вида армирования допускается содержание растворимых солей 3 000… 10 000 мг/л, сульфатов – 2000…5000мг/л, хлоридов – 650…4500 мг/л, взвешенных частиц – 2000…5000мг/л.. Во­дородный показатель воды (рН) — в пределах 4... 12,5 (ограничение показате­ля рН воды затворения бетона обусловлено тем, что при рН, равном 4 и ме­нее, активно проявляется кислотная коррозия бетона, арматуры и железобе­тонных конструкций, а при рН воды более 12,5 — щелочная коррозия бетона).

Вода не должна также содержать примесей, влияющих на сроки схватывания и твердение цементного теста и бетонной смеси, снижающих прочность и морозостойкость бетона.

3.4 Добавки к бетону

Добавки к бетонам разделяют на химические, активные минеральные и тонкомолотые наполнители.

Активные минеральные добавки вводятся с целью повышения коррози­онной стойкости цементного камня и бетона, и особенно при агрессии проточ­ной воды малой жесткости, которая, выщелачивая гидрат окиси кальция из цементного камня, способствует разложению гидросиликатов и гидроалю­минатов кальция, разрушая структуру бетона.

Наполнители вводят с целью замены части цемента и уменьшения его расхода. Особенностью их является снижение активности цемента примерно на один процент на каждый процент введенной тонкомолотой добавки.

Тонкомолотые минеральные материалы (туф, трепел, апока, трасс, диатомит) также выступают в роли добавок, их вводят от 5% до 20%. В качестве пластифицирующих добавок широкое распространение получили ПАВ (поверхностно активные вещества): пластифицирующие гидрофильные (способствуют диспергированию цементного теста и тем самым улучшают его текучесть) например - сульфатно-спиртовая бражка (СДБ); гидрофобизирующие (вовлекают в бетонную смесь мельчайшие пузырьки воздуха и т. о. обеспечивают более высокую текучесть, пластичность, подвижность бетонной смеси) – пасты, полученные гидролизом жидких кислот древесного пека (мылонафт, асидол, натриевые соли). Они вводятся в количестве 0,02-0,1% от массы цемента.

Химические добавки к бетонам вводятся для улучшения технологических свойств бетонных смесей, ускорения твердения бетона или улучшения строительно-технических свойств бетонов: морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости и др.

Приготовление бетонной смеси с добавками отличается от приготовления обычной бетонной смеси тем, что в бетоносмеситель вместе с водой затворения подается количество добавки, необходимое на замес. Заранее приготавли­вают их водные растворы повышенной концентрации: 1...5 % — для воздухо-вовлекающих добавок и ВРП-1; 5...10 %-й — для пластифицирующих, пласти-фицирующе-воздухововлекающих и уплотняющих добавок, суперпластифика­торов, а также для замедлителей схватывания; 10%-й — ускорителей тверде­ния и ингибиторов коррозии стали; 10...20 %-й — для противоморозных до­бавок

3.5. Арматура.

Для армирования бетона используются в основном сталь­ная арматура из углеродистых и низколегированных сталей.

Прутковую сталь поставляют в виде стержней длиной 6-12 м, а по особому заказу до 18 и даже до 25м, диаметром более 10 мм в пач­ках массой до 5т. В бухтах поставляют арматурную сталь диаметром менее 10 мм и длиной до 200 м, а также витую проволочную арматуру.

Механические свойства проволочной арматурной стали и изделий из неё в виде прядей и канатов характеризуются условным пределом упругости s_0,01 и условным пределом текучести s_0,2, при которых упругие деформации достигают соответственно 0,01 и 0,2% базы измерения при испытании на растяжение.

В предельно напряжённых конструкциях для полного использования прочности проволоки необходимо, чтобы условный предел текучести s_0,2 приближался к временному сопротивлению. Высокопрочная проволока, пряди и колонны обладают переменной упру­гостью: s_0,01 ³ 0,6s_в,

s_0,2 ³ 0,8 s_в.

Арматурные стали должны обладать достаточной пластичностью, что важно в условиях работы конструкции под нагрузкой, а так­же при заготовке арматуры. Пластичность характеризуется относи­тельным удлинением при её испытании на разрыв. Арматурная сталь не должна снижать при сварке механических свойств. Свариваемость стали характеризуется углеродным показателем. К хорошо свариваемым относятся горячекатаные стали с малым содержанием углерода - Ст-3, Ст-5.

4. МАРКИРОВКА БАЛОК

Железобетонная балка обозначается маркой в соответствии с тре­бованием ГОСТ 20372-86. Балки настоящего выпуска обозначены марками, в которых указаны индекс, номинальный пролет и категория балки на несущую способность.

Маркировка проектируемой балки:

Пр-21Г-20, где

Пр - промежуточная балка с нормальными свесами плиты;

(Кр – крайняя балка с нормальными свесами плиты; Пр^к - промежуточная балка, стоящая на месте крайней)

18 (12, 15, 21, 24, 33, 41) – длина балки в метрах.

Г (П) – горизонтальные пучки, полигональные пучки.

5,6,7,9,10,12,14,20,26 – количество пучков или прядей напрягаемой арматуры.

УК – балки с уменьшенными свесами плиты.

Кроме этого должна быть предусмотрена маркировка балок:

А) по марке бетона на морозостойкость – 200,300,

Б) по расчётной температуре воздуха наиболее холодных суток, где будут эксплуатироваться балки до -30˚, до -40˚, до -50˚, ниже -50˚.

5. ЭСКИЗ КОНСТРУКЦИИ В АКСОНОМЕТРИИ

Выбранная схема армирования конструкции представлена на листах графического материала.

6. РАСЧЁТ МАССЫ БАЛКИ

Расчёт массы балки произведён на основе исходных данных с учётом выбранного варианта армирования, включая массу закладных деталей и других арматурных элементов (фиксаторов и стяжек). Двускатная балка обозначается маркой в соответствии с требованием ГОСТ 20372-86.

Принимаем сечение балки за тавровое. Площадь поперечного сечения состоит из площади верхней полки S₁, стойки S₂, нижней части S₃

S₁ = 0,120·1,8 = 0,216 м² ;

S₂ = 0,24·1,36 = 0,3264 м²;

S₃ = 0,12·0,62 = 0,075 м²;

Общая площадь: S_Б = 0,216 + 0,3264 + 0,075 = 0,6174 м²

Объём балки: V_Б = l ·S_Б = 21·0, 6174 = 12,9654 м³.

Балки изготавливаем из тяжелого бетона средней плотности 2,4т/м3 включительно.

Масса бетона в балке: M_б = V_Б·ρ_б = 12,9654м³·2,4т/м³ = 31,12 т.

Масса стали в балке состоит из массы напрягаемой арматуры М₁, массы ненапрягаемой арматуры М₂ и массы закладных деталей М₃: М_с = М₁ + М₂ + М₃. Расчет массы стали приведен в разделе 7.

М₁ = 650,3 кг, М₂ = 1238,2 кг, М₃ = 38,6 кг.

М_с = 650,3 + 1238,2 + 38,6 = 1927,1 кг ≈ 1,93 т.

Общая масса балки: М_Б = M_б + М_с = 31,12 т + 1,93 т = 33,047 т

7. ВЫБОР ВАРИАНТА АРМИРОВАНИЯ, РАСЧЁТ МАССЫ МЕТАЛЛА

Спецификация напрягаемой арматуры в балке представлена в таблице 7.1

Таблица 7.1.Спецификация семипроволочных прядей и спиралей в балке

№ п/п элементов	Профиль	Длина	Количество	Общая длина
мм	м	шт	м
	Ø15П7			88,8
	Ø15П7			133,2
	Ø15П7			177,6
	Ø15П7			177,6
	Ø6АI			78,0

Общая масса стали, состоящей из напрягаемой арматуры, в балке приведена в таблице 7.2.

Таблица 7.2.Выборка стали на одну балку

№ п/п	Профиль	Общая длина	Вес пог. м	Общий вес
Мм	м	кг	кг
	Ø15П7	577,2	1,11	641,0
	Ø6АI	78,0	0,222	17,3
Итого	650,3

Итого, масса стали напрягаемой арматуры в балке М₁ = 650,3 кг.

В случае использования ненапрягаемой арматуры в балке мы должны проармировать балку по двум вариантам. В первом варианте необходимо взять арматуру класса А-II, во втором варианте армируем балку арматурой класса А-III. Спецификации армирования по двум вариантам приведены в таблицах 7.3 и 7.4.

Таблица 7.3.Армирование балок с использованием стали класса А-II

Профиль мм	Масса, кг
Арматурная сталь	Полосовая сталь	Всего
Класса A-I	КлассаA-II
Ø 6 А I	43,3	-	--	43,3
Ø 8 A I	250,7	-	-	250,7
Ø 32 A I	70,8	-		70,8
Ø 10 A II	-	45,2	-	45,2
Ø 12 A II	-	489,6	-	489,6
Ø 14 A II	-	281,0	-	281,0
Ø 16 A II	-	187,2	-	187,2
- 300x12	-	-	32,2	32,2
Итого	364,8	1003,0	32,2	1400,0

Масса стали ненапрягаемой арматуры в армировании по первому варианту составляет 1400,0 кг.

Таблица 7.4.Армирование балок с использованием стали класса А-III

Профиль мм	Масса, кг
Арматурная сталь	Полосовая сталь	Всего
КлассаA-I	КлассаA-III
Ø 6 А I	43,3	-	-	43,3
Ø 8 A I	250,7	-	-	250,7
Ø 32 A I	70,8	-	-	70,8
Ø 10 A III	-	181,8	-	181,8
Ø 12 A III	-	472,2	-	472,2
Ø 16 A III	-	187,2	-	187,2
- 300x12	-	-	32,2	32,2
Итого	364,8	841,2	32,2	1238,2

Масса стали ненапрягаемой арматуры в армировании по второму варианту составляет 1238,2 кг.

Принимаем наиболее экономичный вариант армирования с использованием арматуры класса А-III, масса стали – М₂ =1238,2 кг.

Расход металла на закладные детали представлен в таблице 7.5.

Таблица 7.5.Выборка стали на один элемент

Наименование	Марка позиц.	Профиль	Общая длина, м	Масса одного. п.м.	Общ. масса, кг	Свар-ные швы, п.м.
Закладная деталь	М-1	Ø16 А ΙΙ	0, 52	1, 58	1, 6	0,6
-300×12	0, 57	28, 26	16, 1
Стяжки	9	Ø6А Ι	0, 16	0,222	0, 036	-
10	Ø6А Ι	0, 2	0,222	0, 045	-
11	Ø6А Ι	0, 25	0,222	0, 056	-
12	Ø6А Ι	0,3	0,222	0, 067	-
Отдельный стержень	13	Ø12А ΙI	0, 5	0, 888	0, 45	-

Итого, вес стали на закладные детали составляет: М₃ = (1,6 + 16,1)·2 + 0,036·2 + 18·0,045 + 4·0,056 + 4·0,067 + 4·0,45 = 38,6 кг.

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЁЛОГО БЕТОНА С УЧЁТОМ ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ

Проектируем состав бетона, который имел бы через 14 суток прочность при сжатии 58 МПа.

Прочность бетона через 28 суток нормального твердения, исходя из формулы RСЖ28 = RСЖ14 lg28 / lg14 =73,23 МПа.

Вид конструкции: железобетонная балка.

Способ формования: на виброуплотнение без пригруза.

Подвижность бетонной смеси, требуемая условиями работ, характеризуется осадкой конуса 5-8 см.

Допускаемая наибольшая крупность заполнителя: 40 мм.

Материалы: цемент - портландский с активностью в 14 суточном возрасте 58 МПа (в 28 суточном возрасте - 64,2 МПа);

нормальной густотой теста К_нг = 0,24 и плотностью r_ц = 3100 кг/м³.

Крупный заполнитель – щебень гранитный с плотностью в виброуплотнённом состоянии r_кв =1884 кг/м3, плотностью зёрен r_к = 2670 кг/м3, пустотностью П_к = 0,285.

Зерновой состав: фракции

40-20 мм – 49,8 %

20-10 мм – 25,2 %

10-5 мм – 22,5 %

5-2,5мм – 2,5 %

Мелкий заполнитель: песок кварцевый с плотностью в виброуплотнённом состоянии r_пв = 1887 кг/м3; с плотностью зёрен r_п = 2645 кг/м3 и пустотностью П_п = 0,261.

Зерновой состав: фракции

10-5мм – 6,0

5-2,5 мм – 10,7%

2,5-1,25 мм -18,1%

1,25-0,63 мм – 32%

0,63-0,315 мм - 19,1%

0,315-0,14мм – 11,5%

менее 0,14 мм – 2,6%

1.Определяем максимальную насыпную плотность смеси заполнителей в виброуплотнённом состоянии:

r _смв = П_кз·р_пв + р_кв·1 =0,285·1887 + 1884 = 2422кг/м³, где

Максимальная плотность смеси зёрен заполнителей равна

r_см=[р_п+р_кв·р_к/(П_кз·р_пв)]/[1+р_кв/(П_кз·р_пв)]= =[2645+1884·2670/(0,285·1887)]/[1+1884/(0,285·1887)]= 2664,45 кг/м³,

Минимальная пустотность смеси заполнителей.

V_псм = (r_см - r _смв)/r_см = (2664,45-2422)/2664,45=0,083 => 8,3%

Строим график изменения пустотности в зависимости от объёмов песка и щебня на 1м³ смеси заполнителей.

2.Определяем оптимальную пустотность V_п смеси заполнителей:

Принимаем V_псм = 0,09м³, V_п = 0,314 м³, V_к = 0,985 м³, тогда П₁ = 1887·0,314 = 593 кг– масса песка, К₁ = 1884·0,985 = 1856 кг–масса крупного заполнителя.

V_п ≥1,1·V_к·V_пк= 1,1·1·0,285 = 0,314 м³, принимаем V_п=0,314 м³.

3.Определяем суммарную площадь зёрен крупного заполнителя и песка с учётом каждой фракции заполнителя и величины её удельной поверхности:

S_см=S_к+S_п=0,001·(П₁·åР_ni·S_ni+К₁·åР_кi·S_кi)= 0,001·[593·(10,7·9,4 + 18,1·18,5 + +32·33,0 + 19,1·66,0 + 11,5·129,0 + 2,6·261,0) + 1856·(49,8·1,35+ 25,2·2,7 + +22,5·5,4)] = 3390,64м²,

где Р_кi, Р_ni - содержание каждой фракции крупного и мелкого заполнителей в %,

S_кi, S_ni – удельная поверхность i-ой фракции крупного заполнителя и песка.

4.Находим объём цементного теста для приготовления 1 м³ бетонной смеси и выход бетона.

V_б =1+0,000013· S_см= 1 + 0,000013·3390,64= 1,044 м³;

V_т=(V_псм+0,000013· S_см)/ V_б =(0,09+0,000013·3390,64)/1,044=0,128 м³.

5.В связи с тем, что объём бетона вследствие раздвижки зёрен заполнителей цементным тестом получается больше чем 1м³, проводим корректировку расхода заполнителей по выходу бетона:

П₂ = П₁/ V_б =593/1,044 = 568 кг; К₂ = К₁/ V_б =1856/1,044 = 1778кг.

6.Общая водопотребность заполнителей в кг:

В_з=0,0001(П₂·åР_ni·В_ni+К₂·åР_кi·В_кi)=0,0001·[568·(10,7·0,32 + 18,1·0,788 + +32·1,32 + 19,1·2,65 + 11,5·5,04 + 2,6·10,4) + 1778·(49,8·0,77+ 25,2·0,93 + +22,5·1,21)] = 26,9 кг,

где В_ni, В_кi – общее водопоглащение песка и крупного заполнителя.

7.Определяем количество воды, адсорбированной на поверх­ности зёрен заполнителей:

В_ад=0,0001(П₂·åР_ni·В_nадi+К₂·åР_кi·В_кадi)=0,0001·[568·(10,7·0,376 + 18,1·0,76 + +32·1,32 + 19,1·2,65 + 11,5·5,04 + 2,6·10,4) + 1778·(49,8·0,27+ 25,2·0,51+ +22,5·0,81)] = 19,03 кг,

где В_nадi,В_кадi - количество воды, адсорбирующейся на i-ой фракции песка и крупного заполнителя.

8.Определяем расход цемента для приготовления 1 м³ бетон­ной смеси при c=1,2, где c - относительное водосодержание цементного теста:

Приведенная плотность цемента:

r_п = 1000/(1000/р_ц - 0,012 + 0,263*К_нг) = 1000/(1000/3100 – 0,012 + +0,263·0,24) =2676 кг/м³;

Ц₁=(1000·V_т-В_ад)/{1,02·(1000/р_п+К_нг(c-0,293)}=(1000·0,128-19,03)/{1,02·[1000/2676+ 0,24·(1,2 – 0,293)]} = 180,65 кг.

9.Определяем водоцементное отношение бетонной смеси:

(В/Ц) =c·К_нг+В_з/Ц= 1,2·0,24 + 26,9/180,65= 0,44.