Проектирование состава бетона

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование состава бетона позволяет надежно и наиболее экономично обеспечить требуемые компоненты состава бетона.

Требования к бетону обычно назначают в соответствии с видом выпускаемого изделия. При расчете состава бетона необходимо знать характеристики всех составляющих материалов. В частности необходимо иметь данные:

- заданный класс (марку) бетона

- удобоукладываемость бетонной смеси

- вид цемента

- активность цемента

- насыпную и истинную плотности заполнителей

- наибольшую крупность и пустотность крупного заполнителя

При подборе состава бетона необходимо опираться на следующую закономерность: коэффициент заполнения пустот и раздвижки зерен щебня раствором, для конкретной осадки конуса на данных заполнителях является величиной постоянной и зависит от расхода цемента. Это позволяет поновому определять оптимальное содержание песка в бетоне и решать задачу определения оптимального соотношения между песком и щебнем.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Бетон — искусственный каменный материал, получаемый в результате рационально подобранной и тщательно перемешанной с последующим затвердеванием смеси вяжущего вещества, заполнителей и воды, взятых в определенных соотношениях. До затвердевания эту смесь называют бетонной.

Активные составляющие бетона — цемент и вода. При взаимодействии они переходят в камневидное состояние Крупный и мелкий заполнители, равномерно распределенные в бетоне, образуют его жесткий скелет. Бетон способен выдерживать большие сжимающие нагрузки (сопротивляться сжатию), но плохо сопротивляется растягивающим усилиям (прочность его на растяжение в 10... 15 раз меньше чем на сжатие). В строительном производстве широко применяют предварительно напряженные железобетонные конструкции. Сущность предварительного напряжения состоит в обжатии натянутой арматурой той части бетона, которая будет работать при нагружении на растяжение или изгиб. В этом случае при действии растягивающих сил в предварительно напряженном бетоне вместо появления растягивающих напряжений лишь уменьшаются напряжения сжатия, а сопротивление возникновению трещин возрастает в несколько раз.

Конструкции из предварительно напряженного железобетона более экономичны, чем из обычного бетона.

Бетонной смесью называют рационально подобранную и тщательно перемешанную смесь, состоящую из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей и добавок до начала ее формования и затвердения. Свойства бетонной смеси в значительной степени зависят от качества и соотношения всех её компонентов.

При воздействии на бетонную смесь внешними силами резко снижается ее вязкость. Изменение вязкости бетонной смеси под влиянием механических воздействий и восстановление ее после прекращения воздействий называется тиксотропией.

Огромное влияние на свойства бетонной смеси оказывает качество и количество цемента в смеси, а также расход воды.

К основным свойствам бетонной смеси относят: водопотребность, удобоукладываемость, однородность, вязкость, нерасслаиваемость, водоудерживающую способность.

Составом бетона называют соотношение по массе всех компонентов (вяжущего вещества, мелкого и крупного заполнителей), при котором обеспечивается заданная удобоукладываемость бетонной смеси и заданные свойства при наименьшем расходе вяжущего для принятой технологии изготовления изделий. При проектировании состава бетона обычно требуется:

- назначить требование к бетону

- выполнить выбор материалов для бетона

- определить предварительный состав бетона

- осуществить проверку состава на пробных замесах

- произвести корректировку состава бетона в процессе производства

- определить специальные свойства бетона.

Требования к бетону обычно назначают в соответствии с видом выпускаемого изделия. Класс (марка) бетона, показатели других его свойств указывают в рабочих чертежах на изготовляемые изделия. Для приготовления бетонов применяют обычно местные материалы, которые расположены в непосредственной близости от завода. Из имеющихся материалов выбирают те, которые обеспечивают получение бетона с заданными свойствами при минимальном расходе цемента.

При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.

Свойства, которые определяют качество бетонной смеси, относят к основным. К технологическим свойствам относят: удобоукладываемость, однородность, связность, водоудерживающая способность.

Удобоукладываемость характеризует способность бетонной смеси заполнять форму изделия и уплотняться в ней под действием силы тяжести или под действием внешних усилий. Характеризуется подвижностью или жесткостью.

Однородность бетонной смеси достигают путем выбора оптимальных соотношений смеси и достижения оптимального режима перемешивания. Смесь считают однородной, если любая ее проба, взятая в достаточно большом объеме не менее чем в пять раз превышающая больше объема заполнителя (имеет один и тот же состав).

Связность – характеризует способность бетонной смеси формоваться, приобретая заданную форму без разрывов и расслоений. Обеспечивается правильным выбором вещества, мелким заполнителем и оптимальным соотношением между фракцией крупного заполнителя и оптимальное время перемешивания.

Характеристиками связности бетонной смеси являются:

- раствороотделение; для определения бетонную смесь укладывают и уплотняют в кубик 10*12, затем вибрируют по времени зависящим от жесткости или подвижности бетонной смеси. После вибрирования верхний слой снимают (10 см) и взвешивают, тоже проделывают с нижним слоем. После этого каждый слой по отдельности промывают через сито 5 мм,

полностью отделяя раствор от заполнителя. Промытый крупный заполнитель высушивают, взвешивают и вычисляют объем верхней и нижней частей, и вычисляется раствороотделение, которое не должно превышать 20%.

- водоотделение – характеризует связанность бетонной смеси в состоянии покоя. Определяют: бетонную смесь уплотняют в цилиндре, закрывают пластиной и через 1.5 часа собирают воду на поверхности пипеткой, определяют массу, объем и количество выделившейся воды.

Водоудерживающая способность – это свойство бетонной смеси удерживать воду без ее выделения на поверхности изделия (цемент - арматура, цемент - крупный заполнитель). Оценивается тем максимальным количеством воды, где выделение воды не происходит.

Состав бетонной смеси рассматривается как соотношение между объемами растворенной части и крупного заполнителя. Он влияет на удобоукладываемость, и мы должны его оптимизировать. Эта задача решается при проектировании состава бетона. Для этой цели мы выбираем определенный коэффициенты избытка и раздвижки. При постоянных значениях расхода цемента и воды существуют оптимальные значения коэффициента раздвижки зерен, при котором наблюдается большая подвижность зерен.

При проектирование состава бетонной смеси используют 3 способа:

1 Расчетно-экспериментальный – при этом способе мы делаем сначала расчет, а потом экспериментально подтверждается (основные свойства материала известны и мы их подтверждаем).

2 Подбор состава бетонной смеси по графикам и таблицам, он используется в том случае, когда известны все свойства материала.

3 Ускоренный метод подбора - он применяется в тех случаях, когда не известны свойства материалов. При этом способе принимают ряд Ц/В отношений и расход материала при них, и, учитывая водопотребность заполнителей, готовят контрольные образцы испытывают и по испытаниям делают выбор.

При расчете состава бетона необходимо знать характеристики свойств всех составляющих материалов. В частности необходимо иметь следующие данные: заданный класс (марку) бетона, удобоукладываемость (подвижность или жесткость) бетонной смеси, а также характеристики материалов – вид и активность цемента, насыпную и истинную плотности заполнителей, их влажность. Расчет состава бетона должен производиться с учетом режима приготовления и уплотнения бетонной смеси, а также условий твердения изготовляемых изделий.

Определение состава бетонной смеси ведут в такой последовательности: рассчитывают водоцементное отношение в бетоне; назначают количество воды для бетонной смеси; определяют расход цемента; рассчитывают содержание мелкого и крупного заполнителей и определяют лабораторный состав бетона; приготавливают пробный замес бетонной смеси и проверяют заданную удобоукладываемость; изготавливают стандартные образцы-кубы; выдерживают их по заданному режиму и определяют класс (марку) бетона; производят корректировку состава и определяют специальные свойства бетона.

Компоненты бетонной смеси дозируют по массе (пористые заполнители дозируют по объему с коррекцией по массе, а жидкие – по массе или по объему). Допускаемая погрешность дозирования 1%.

При дозировании добавок следует учитывать, что их эффективность частично зависит и от порядка дозирования. В ряде случаев целесообразно вначале загрузить все сухие добавки и часть воды, а в процессе перемешивания ввести недостающую воду с добавкой.

Назначение оптимальной продолжительности перемешивания обеспечивает заданную производительность бетоносмесителя и высокое качество бетонной смеси. За продолжительность перемешивания принимают время от момента окончания загрузки материалов в смеситель до начала выгрузки из него готовой смеси. Продолжительность перемешивания следует устанавливать опытным путем. Для этого смесь одного и того же состава перемешивают разное время и изготавливают из нее контрольные образцы.

Технология приготовления бетонной смеси.

Бетонная смесь может быть приготовлена:

-на центральном районном заводе, снабжающем готовой смесью строительные объекты, расположенные на расстояниях, не превышающих технологически допустимые радиусы автомобильных перевозок;

-на приобъектных бетонных заводах;

-в автобетоносмесителях и смесителях-перегружателях.

Для приготовления небольших порций бетонной смеси используют бетоносмесители.

В крупных населенных пунктах и в районах с развитой дорожной сетью приготовление бетонной смеси предпочтительнее осуществлять на центральных районных заводах. Такие предприятия, как правило, экономически более эффективны, чем система мелких ведомственных приобъектных заводов. Они имеют более высокий коэффициент использования оборудования во времени, высокую степень механизации и автоматизации, что позволяет организовать эффективный контроль качества выпускаемой продукции.

Приобъектные бетонные заводы целесообразны главным образом в удаленных от центральных заводов районах и при невозможности доставки смеси с центрального завода по дорожным условиям района.

При необходимости доставки бетонной смеси на строительный объект, удаленный от центрального бетонного завода на расстояние, превышающее технологически допустимый радиус транспортирования готовой смеси, ее приготовляют в автобетоносмесителях или смесителях-перегружателях. В этом случае на заводе товарного бетона в автобетоносмесители или автобетоновозы загружают сухую или частично затворенную смесь, а ее окончательное приготовление осуществляется в процессе доставки или непосредственно на строительном объекте. Такая технологическая схема приготовления может быть экономически более эффективна, чем устройство приобъектного завода.

Процесс приготовления бетонных смесей включает в себя следующие технологические операции: подготовку, подачу и дозирование исходных компонентов, их перемешивание и выгрузку из смесителя готовой смеси. Качество приготовляемых бетонных смесей оценивают по однородности заданных свойств бетонной смеси (подвижность, расслаиваемость, плотность и др.) и бетона (прочность, плотность и др.).

Приготовление бетонной смеси осуществляют в смесителях принудительного или гравитационного перемешивания.

В гравитационных смесителях допускается приготовление бетонных смесей на плотных и пористых заполнителях плотностью в насыпном состоянии более 600 кг/м³. В смеситель подают цемент, песок и крупный заполнитель. Сухие составляющие перемешивают в течение 30... 60 с, а затем вводят воду затворения и производят окончательное перемешивание.

При использовании предварительно насыщенных водой или растворами добавок пористых заполнителей их вводят вместе с плотным песком, после чего смесь перемешивают в течение 45... 60 с, а затем подают цемент и воду затворения. С целью уменьшения налипания цементно-песчаного слоя при приготовлении первых порций легкобетонной смеси на пористом песке рекомендуется до начала замесов смазать стенки бетоносмесителя цементным молоком.

Приготовление бетонной смеси в смесителях принудительного типа более эффективно для получения однородных смесей невысокой подвижности (до 8 см) и смесей с расходом цемента более 250 кг/м³, а также легкобетонных смесей.

При приготовлении легкобетонных смесей на низкопрочных пористых заполнителях (П25...П75) порядок загрузки компонентов и режим приготовления смеси назначается с учетом самоизмельчения зерен в процессе перемешивания. В этом случае сначала подают в смеситель цемент и ²/з расчетного количества воды. При использовании плотного песка, песок загружают в смеситель вместе с цементом. Указанные компоненты перемешивают в течение 60 с, а затем после подачи пористых заполнителей и остатка воды производят перемешивание еще в течение 4... 5 мин для бетонов на сухих пористых материалах и 3 мин — на насыщенных пористых материалах. Для высокоподвижных бетонных смесей с осадкой конуса более 12 см продолжительность перемешивания уменьшается на 20... 25 %

При использовании прочных (Ш25 и более) пористых и плотных заполнителей в смеситель подают все компоненты и перемешивают их с ²/з воды затворения в течение 1,5... 2 мин, а затем вводят остальное количество воды затворения и производят повторное перемешивание в течение 2... 3 мин.

Жаростойкие бетоны приготовляют следующим образом: в смеситель загружают сухие материалы и перемешивают их не менее 60 с, после чего в смеситель заливают затворитель (вода, жидкое стекло, раствор ортофосфорной кислоты), соответствующий данному виду бетона, и перемешивают смесь не менее 3 мин.

Использование турбулентных смесителей позволяет интенсифицировать процесс приготовления бетонных смесей за счет сокращения времени перемешивания по сравнению с принудительными смесителями с 3...5 мин до 60...90 с. Приготовление легкобетонных смесей в турбулентном смесителе наиболее эффективно для получения бетона классов ВЗ,5...В7,5 на низкопрочных пористых заполнителях при отсутствии пористого песка. Данный способ предусматривает использование эффекта дробления пористых зерен, и в первую очередь слабых, и образование активной тонкомолотой добавки, что ведет к повышению средней прочности заполнителя, а следовательно и бетона. Этим достигается возможность получения равнопрочных бетонов, приготовленных в принудительных смесителях при экономии 15... 20 % цемента.

Приготовление легкобетонных смесей в турбулентных смесителях осуществляется следующим способом. Сначала в смеситель заливают воду, затем подают цемент и перемешивают их в течение 5... 10 с. После этого загружают пористый заполнитель. Время перемешивания после введения пористого материала устанавливается путем проведения опытных замесов, в которых устанавливаются соответствие получаемого гранулометрического состава заполнителей заданному, требуемые свойства бетонной смеси и бетона. Ориентировочное время перемешивания может приниматься 40... 80 с но не менее 30с, при этом плотность в насыпном состоянии применяемого пористого заполнителя должна быть не более 600 кг/м³. При использовании в бетонных смесях воздухововлекающих добавок их перемешивают с водой и цементом в течение 5... 10с перед загрузкой пористых материалов.

Бетонные смеси с добавками приготовляют как в смесителях гравитационного, так и принудительного типа. При этом пластифицирующие, пластифицирующие воздухововлекающие, воздухововлекающие, противоморозные добавки, ускорители твердения и замедлители схватывания вводят вместе с водой затворения, а суперпластификаторы вместе с 0,2... 0,25 частями воды в конце процесса перемешивания. В зависимости от объема приготовляемой смеси продолжительность перемешивания принимают 200... 300 с для смесителей гравитационного типа и 90... 150 с — для принудительного. Для равномерного распределения добавки по всему объему бетонной смеси продолжительность перемешивания после введения всех материалов, в том числе и добавок, принимают не менее 90 с для гравитационных смесителей и 30 с — для принудительных.

В автобетоносмесителях осуществляют затворение сухой смеси и ее перемешивание, а также окончательное приготовление частично затворенной на заводе товарного бетона смеси. Сухую бетонную смесь затворяют при вращающемся барабане автобетоносмесителя за 20... 30 мин до выгрузки готовой смеси. Бетонную смесь после ее затворения перемешивают в течение 15... 20 мин при частоте вращения барабана автобетоносмесителя 6... 12 мин.-¹.

При загрузке в автобетоносмеситель частично затворенной (смоченной) смеси на заводе товарного бетона вводят 60... 75% воды, а оставшееся количество за 10... 20 мин до выгрузки автобетоносмесителя. Продолжительность перемешивания смеси при окончательном ее приготовлении 8... 10 мин при частоте вращения барабана автобетоносмесителя 10... 18 мин-¹.

Смесители-перегружатели используют для окончательного приготовления частично затворенных смесей, доставляемых на строительную площадку автобетоновозами или самосвалами. Технология приготовления бетонной смеси в смесителе-перегружателе барабанного типа аналогична технологии приготовления смеси в автобетоносмесителях. При использовании смесителя-перегружателя конвейерного типа продолжительность перемешивания смеси после введения оставшейся воды затворения 8... 12 мин при частоте вращения винтовых конвейеров 30... 40 мин-¹.

Критерием качества перемешивания бетонной смеси служит коэффициент вариации ее подвижности, однородности и прочности контрольных кубов, приготовленные из одного замеса. Для назначения продолжительности перемешивания опытным путем определяют зависимость коэффициента вариации заданных свойств бетонной смеси и бетона. Достаточной является продолжительность перемешивания, при которой вариация подвижности и однородности бетонной смеси не превышают соответственно 10% и прочности образцов-кубов из одного замеса — 5%. Отбор проб для испытаний производят сразу после перемешивания, при этом они должны отбираться равномерно по мере выгрузки замеса из всех его частей. В процессе эксплуатации бетоносмесителя периодически проверяют качество перемешивания, которое также зависит от износа и правильности установки лопастей смесителя. Подобная проверка заключается в сравнении содержания крупного заполнителя в пробах, отобранных в начале, середине и конце выгружаемого замеса. Количество крупного заполнителя в пробе определяют с помощью Мокрого рассева смеси на сите с отверстиями 5x5 мм. Разность в содержании крупного заполнителя в трех пробах не должна превышать 5 %.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕТОНА

Характеристика изделия

Железобетонные марши, площадки и накладные проступи следует изготовлять в соответствии с требованиями ГОСТ 9818-85.

Лестничные марши подразделяют на типы:

ЛМ – плоские без фризовых ступеней, рисунок 1.

Рисунок 1 – Марш типа ЛМ

ЛМФ – ребристые с фризовыми ступенями, рисунок 2.

Рисунок 2 – Марш типа ЛМФ

ЛМП – ребристые с полуплощадками, рисунок 3, 4.

Рисунок 3 – Марш типа ЛМП с двумя полуплощадками.

Рисунок 4 – Марш типа ЛМП без нижней полуплощадки.

Марши и площадки предназначены для применения в лестницах на расчетные временные нагрузки (при коэффициенте надежности по нагрузке n=1,2 и без учета собственного веса):

3,5 кПа (360 кгс/м²) – для жилых зданий;

4,7 кПа (480 кгс/м²) – для общественных зданий, производственных и вспомогательных зданий промышленных предприятий.

Элементы лестниц, при необходимости, изготовляют в двух вариантах исполнения: правом и левом – для лестниц с подъемом соответственно против часовой и по часовой стрелке.

Элементы лестниц изготовляют с отделкой верхних лицевых поверхностей следующих видов:

- с гладкой поверхностью бетона на обычном цементе;

- с шлифовочной мозаичной поверхностью декоративного конструкционного слоя из бетона на обычном, белом или цветном цементах и на мраморном щебне (для площадок и накладных проступей);

- с облицовкой керамической плиткой (для площадок).

Нижние и видимые боковые поверхности маршей и площадок предназначают под окраску.

Элементы лестниц обозначают марками в соответствии с ГОСТ 23009-78.

Марка элементов лестниц состоит из буквенно-цифровых групп, разделенных дефисами.

Элементы лестниц должны удовлетворять требованиям ГОСТ 13015.0-83:

по заводской готовности;

по прочности, жесткости и трещиностойкости;

по показателям фактической прочности бетона (в проектном возрасте и отпускной);

по морозостойкости бетона;

по средней плотности легкого бетона;

по истираемости бетона элементов лестниц первой категории качества;

к качеству материалов, применяемых для приготовления бетона;

к бетону, а также к материалам для приготовления бетона элементов лестниц, применяемых в условиях воздействия агрессивных сред;

к форме и размерам арматурных и закладных изделий (в том числе монтажных петель) и их положению в элементах лестниц;

к маркам сталей для арматурных и закладных изделий, в том числе для монтажных петель;

по отклонению толщины защитного слоя бетона до арматуры;

по защите от коррозии;

по применению форм для изготовления элементов лестниц.

Элементы лестниц следует изготовлять из тяжелого бетона или конструкционного легкого бетона плотной структуры классов или марок по прочности на сжатие, указанных в типовой проектной документации на эти элементы лестниц.

Коэффициент вариации прочности бетона на сжатие в партии для элементов лестниц высшей категории качества не должно быть более 9 %.

Нормируемая отпускная прочность бетона элементов лестниц должна составлять (в процентах от класса или марки бетона по прочности на сжатие):

70 – при поставке элементов лестниц в теплый период года;

80 – при поставке накладных проступей в холодный период года;

85 – при поставке маршей и площадок в холодный период года.

Конструкционный легкий бетон плотной структуры должен удовлетворять требованиям ГОСТ 25820-83:

по отклонению фактической средней плотности бетона от марки по средней плотности;

по показателям пористости уплотненной бетонной смеси;

к качеству материалов, применяемых для приготовления бетона.

В бетоне элементов лестниц, поставляемых потребителю, трещины не допускаются, за исключением усадочных и других поверхностных технологических трещин на нижней и торцевых поверхностях элементов, ширина которых не должна превышать 0,1 мм.

Марши высшей категории качества, предназначенные для устройства лестниц без накладных проступей, должны иметь верхнюю бетонную поверхность полной заводской готовности класса А0 или А2.

Изделия и материалы, применяемые для отделки элементов лестниц, должны удовлетворять требованиям государственных стандартов или технических усовий на эти изделия и материалы.

Маркировка элементов лестниц – по ГОСТ 13015.2-81. Маркировочные надписи и знаки следует наносить на боковых гранях маршей и площадок, обращенных к стене лестничной клетки, и на нелицевых поверхностях накладных проступей.

Требования к документу о качестве элементов лестниц, поставляемых потребителю, - по ГОСТ 13015.3-81.

Транспортировать и хранить элементы лестниц следует в соответствии с требованиями ГОСТ 13015.4-84.

Вывод: для изготовления лестничных маршей принимаем портландцемент R_ц=400, в качестве мелкого заполнителя принимаем песок, в качестве крупного – щебень D_max= 40 мм. Бетон класса В25, коэффициент вариации V_n= 9%.

3 ВЫБОР МАТЕРИАЛА

3.1 Подбор мелкого заполнителя.

По заданию дан речной песок, который является наиболее подходящим для элементов лестниц, так как содержит меньше глинистых и органических примесей.

3.1.1 Корректировка зернового состава расчетным способом

Таблица3 - Зерновые составы песка, остаток на ситах.