Расчет составов мелкозернистого бетона

УДК 666.971

, докт. техн. наук, проф., , докт. техн. наук, проф., , к. т.н. (Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования).

РАСЧЕТ СОСТАВОВ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Использование мелкозернистого бетона в строительстве (для дорожного покрытия, дорожных и тротуарных плит и др.) имеет ряд преимуществ над обычным бетоном [1].

Предлагаемая методика проектирования состава мелкозернистого бетона имеет ряд особенностей по сравнению с существующими [1, 2]:

·  При назначении необходимого цементно-водного отношения (Ц/В), учитывается тип бетонной смеси по ее удобоукладываемости, который определяет способ формования изделий и конструкций;

·  Используется физическая концепция формирования плотной структуры бетонной смеси (цементное тесто заполняет пустоты между зернами заполнителя и создает на его зернах пленку некоторой толщины d, величина которой зависит от удобоукладываемости бетонной смеси, Ц/В, особенностей заполнителя и учитывает степень уплотнения бетонной смеси);

·  Учитывается не только крупность, но и форма зерен заполнителя через величину его удельной поверхности.

Многочисленные экспериментальные данные показывают, что на прочность мелкозернистого бетона при сжатии кроме Ц/В, активности цемента и качества заполнителя, влияет много других факторов, таких как удобоукладываемость смеси, условия твердения бетона, наличие и количество активных минеральных добавок и т. д. Наряду с этим значительное влияние на свойства мелкозернистого бетона имеет также и способ уплотнения смеси.

Для расчета прочности на сжатие мелкозернистого бетона можно использовать формулу общего вида [3]:

(1)

Анализ наших экспериментальных данных (табл.1), а также данных других авторов [2, 4] (рис.1) позволяет предложить усредненные значения коэффициентов А и b в формуле (1) (табл.2).

Таблица 1

Влияние цементно-водного отношения и качества заполнителя

на прочность мелкозернистого бетона

Вид заполнителя	Удобоукладываемость бетонной смеси	Цементно-водное отношение
1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3
Прочность МЗБ на сжатие в возрасте 28 сут, МПа
Кварцевый песок (Мкр=2,5; содержание примесей –1%, uп=0,44 )	ОК=10 см	18,8	19,9	26,3	34,6	38,9	–	–
Ж=17 с	19,2	27,1	29,4	33,3	43	45,8	–
—*	30	29,2	35,4	44	51	51,5	58,2
Кварцевый песок (Мкр=1,6; содержание примесей –3%, uп=0,46 )	ОК=10 см	14	17	25,1	29,8	37	–	–
Ж=17 с	18	21,3	27,7	35,1	36,3	44,6	–
—*	27,7	29,7	32	40,8	45,3	48,9	53,7
Кварцевый песок (Мкр=0,8; содержание примесей –9%, uп=0,45 )	ОК=10 см	12,1	20,4	20,5	25,5	32,5	–	–
Ж=17 с	19,4	22,3	24,5	31,8	32,9	38,6	–
—*	21,1	25,8	33	35	43,8	47,5	49,2

Примечание: образцы отмеченных (*) серий были изготовлены из сыпучей бетонной смеси (влажность 6...7%) способом вибропрессования (амплитуда – 0,5 мм, частота – 50 Гц, длительность – 20 с, давление –0,06 МПа).

Таблица 2

Коэффициенты А и b в формуле (1) для расчета

прочности мелкозернистого бетона

Вид заполнителей	Пластичные бетонные смеси	Жесткие бетонные смеси	Сверхжесткие (полусухие) бетонные смеси
Заполнитель высокого качества	А=0,52, b=0,65	А=0,52, b=0,55	А=0,52, b=0,2
Заполнитель среднего качества	А=0,48, b=0,65	А=0,48, b=0,55	А=0,48, b=0,2
Заполнитель низкого качества	А=0,44, b=0,65	А=0,44, b=0,55	А=0,44, b=0,2

При расчете состава мелкозернистой бетонной смеси необходимо учитывать, что после ее уплотнения в бетоне всегда остается некоторый объем воздуха. Количество вовлеченного воздуха определяется особенностями конкретных воздухововлекающих добавок. Определенный объем воздуха остается в результате недоуплотнения бетонной смеси (защемленный воздух Vз. в). Аппроксимация данных [2] позволяет предложить выражения для расчета объем защемленного в мелкозернистых бетонных смесях воздуха (л):

·  для пластичных смесей:

Vз. в=-6,52ln(ОК+1) + 19,9 (2)

·  для жестких смесей:

Vз. в=24,95ln(Ж+1) - 8,3 (3)

Для смесей, жесткость которых нельзя определить обычными методами (сверхжесткие или полусухие (сыпучие) смеси), а также для бетонных смесей, которые уплотняются силовыми способами, объем защемленного воздуха зависит от параметров и особенностей способа уплотнения. Для сыпучих бетонных смесей, которые уплотняются вибропрессованием количество защемленного воздуха можно найти по номограмме полученной на основе наших экспериментальных данных [5] (рис. 2).

Расходы всех компонентов мелкозернистой бетонной смеси связываются между собою условием:

Vц. т.+Vп.+Vз. в =1000 л, (4)

где Vц. т. -объем цементного теста, л; Vп. - объем песка, л.

Количество цементного теста должна быть таким, чтобы заполнить пустоты между зернами песка и создать на них пленку некоторой толщины d.

Можно записать условие:

, (5)

где uп – пустотность заполнителя (песка); d – толщина пленки цементного теста; S – удельная поверхность заполнителя; rн. п – средняя плотность заполнителя в насыпном состоянии; П – расход заполнителя.

Анализ известных экспериментальных данных [1, 6] дает возможность утверждать, что условная толщина пленки (d) зависит от удобоукладываемости бетонной смеси (Ж или ОК), Ц/В, удельной поверхности заполнителя (S), пустотности заполнителя в насыпном состоянии (uп) и объема между зернами заполнителя незаполненного цементным тестом (Vн).

Определить условную толщину цементной пленки на зернах заполнителя можно пользуясь номограммами (рис.3, 4).

Удельную поверхность заполнителя (S, см2/см3) с достаточной точностью можно определить, использовав формулу [6]:

, (8)

где k – коэффициент, который зависит от вида песка; а...е – частные остатки на стандартных ситах с размером отверстий от 5 до 0,16 мм, %; ж – проход через сито с отверстиями 0,16 мм, %.

Величина Vн характеризует недостаток цементного теста для заполнения пустот между зернами заполнителя (а в некоторых случаях и на создание пленки условно-минимальной толщины (13 мкм)), наличие защемленного воздуха и уменьшение пустотности песка во время уплотнения смеси. Последний фактор можно учитывать, подставляя в формулы (6, 7) пустотность заполнителя в уплотненном состоянии.

В первом приближении Vн можно принимать равным объему защемленного воздуха Vз. в., однако в случае, если полученная величина d будет
меньше 13 мкм, Vн нужно увеличивать, пока условие (d≥13 мкм) не будет выполнено.

Номограммы (рис. 3, 4) справедливы при применении портландцемента с нормальной густотой цементного теста НГ=28%, при НГ<28% толщину d нужно уменьшать, а при НГ>28% – увеличивать из расчета 5% на 1% изменения НГ. Для уточнения Vн по номограммам нужно соответственно сместить линию d=13 мкм влево, если НГ>28% и вправо – если НГ < 28%.

Снижение величины Vн, в некоторых случаях (применение вибропрессования и сыпучих бетонных смесей), можно достичь увеличением количества цементного теста за счет введения дисперсного активного или инертного наполнителя (например гранитной пыли [7]).

Расходы компонентов мелкозернистого бетона можно найти, решив систему уравнений:

, (9)

где Vц – объем цемента; Vв – объем воды.

Из системы (9) находим расходы заполнителя и цемента:

(10)

(11)

Расход воды находится из условия:

В=Ц . В/Ц. (12)

Таблица 3

Примеры расчета состава мелкозернистого бетона

для Здолбуновского завода строительных материалов

Постановка задачи и исходные данные

Схема расчета

Результаты расчета и эксперимента

1	2	3
Пример №1
Рассчитать состав ДЗБ для изготовления декоративных элементов ограды. Класс бетона В22,5; жесткость бетонной смеси по ГОСТ – 10 с. Исходные материалы: портландцемент – Rц=50 МПа, rц=3,1 г/см3, НГ=28%; кварцевый песок – S=210 см2/см3 (Мкр=1,4), rп=2,65 г/см3, rпн=1,43 г/см3, пустотность uп=0,46.	1.  По формуле (1), принимая значения коэффициентов А=0,44, b=0,55 в табл. 1(материал низкого качества), находим необходимое Ц/В. 2.  По формуле (3) находим объем защемленного воздуха. 3.  С помощью номограммы (рис. 3) находим условную толщину пленки d принимая в первом приближении величину Vн = Vз. п.. В связи с тем, что при таком приближении d меньше условно-минимального (13 мкм), принимаем d =13 мкм и по той же номограмме находим действительное значение Vн. 4.  По формуле (10) определяем расход песка. 5.  По формуле (11) определяем расход цемента. 6.  По формуле (12) определяем расход воды.	Ц/В= 1,91 Vз. п.= 0,0518 м3 Vн= 0,373 м3 П = 1507 кг/м3 Ц = 438 кг/м3 В = 230 л/м3 Rcж=33 МПа Ж = 8 с.
Пример №2
Рассчитать состав ДЗБ для изготовления тротуарных плит. Класс бетона В30; ОК=10 см. Исходные материалы: портландцемент – Rц=50 МПа, rц=3,1 г/см3, НГ=28%; кварцевый песок – S=120 см2/см3 (Мкр=2,5), rп=2,65 г/см3, rпн=1,48 г/см3, пустотность uп=0,44.	1. По формуле (1), принимая значения коэффициентов А=0,52, b=0,65 в табл. 1(материал высокого качества), находим необходимое Ц/В. 2. По формуле (2) находим объем защемленного воздуха (Vз. п.). 3. С помощью номограммы (рис. 4) находим условную толщину пленки d принимая величину Vн = Vз. п. 4. По формуле (10) определяем расход песка. 5. По формуле (11) определяем расход цемента. 6. По формуле (12) определяем расход воды.	Ц/В= 2,19 Vз. п.=0,00515м3 d=18 мкм П = 1191 кг/м3 Ц = 691 кг/м3 В = 316 л/м3 Rcж=41 МПа ОК = 11 см.

Список использованной литературы

1.  Баженов бетона. – М.: Высшая школа, 1987.

2.  Сизов составов тяжелого бетона. – М.: Стройиздат, 1980.

3.  , Дворкин составов бетона с заданными свойствами. – Ровно, РДТУ, 1999.

4.  , Львович составов песчаных бетонов в зависимости от технологии их изготовления. Совершенствование методов проектирования составов и контроля качества бетонов. Сб. науч. тр. МДНТП. М.: 1982.– с. 98-104.

5.  Дворкін Л. Й., Житковський ізація параметрів ущільнення вібропресованого дрібнозернистого бетону з використанням гранітного відсіву.// Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Вип.5.– Рівне: РДТУ, 2000.

6.  , Довжик бетонные смеси в производстве сборного железобетона. Г.: Стройиздат, 1964.

7.  , Житковский бетон на основе отсевов измельчение гранита.//Вестник УДАВГ, вып.1, ч. 2., 1998.—С.120-124.

_____________

_____________

_____________

18 ноября 2002 г.

Украина, г. Ровно, 33028, ул. Соборная, 11