Меняя расход воды и цемента, марку используемого цемента, вид и количество крупного и мелкого заполнителя, можно получить бетоны, значительно различающиеся между собой по строительным свойствам — прочности, морозостойкости, водопоглощению, усадке и стоимости. Оптимальным для конкретных условий строительства и последующей эксплуатации будет такой состав бетона, который, удовлетворяя техническим требованиям строительства, имеет наименьшую стоимость. Наиболее дефицитной и дорогостоящей частью бетона является цемент. Поэтому обычно стремятся подобрать состав с минимальным расходом цемента.
Оптимальный состав бетона определяют расчетно-экспериментальным методом в три этапа:
1. Проектирование состава бетона на основе исходных данных с помощью формул, графиков и таблиц.
2. Уточнение состава бетона на пробных замесах.
3. Определение фактического расхода составляющих материалов на 1 м3 бетона, исходя из расхода материалов на оптимальный пробный замес и объема этого замеса, вычисленного по экспериментально определенной средней плотности бетонной смеси.
Окончательно состав бетона может быть выражен в виде расхода материалов на 1 м3 бетона или в частях по массе или по объему по отношению к цементу (В/Ц при этом всегда выражается по массе).
Для проектирования состава бетона необходимо иметь следующие исходные данные: назначение бетона; требуемую марочную прочность бетона на сжатие (в возрасте 28 дн); требуемую удобоукладываемость бетонной смеси; вид и марку (активность) цемента; плотность истинную, среднюю и насыпную всех компонентов; зерновой состав заполнителей и пустотность крупного заполнителя (д ля проведения учебного замеса в лабораторных условиях целесообразно принять расчетную прочность бетона (марку) 200 кгс/см2, а подвижность бетонной смеси (ОК) - 2...4 см.).
Рассчитывают состав тяжелого бетона в следующем порядке.
1. Обеспечение требуемой прочности бетона. Зависимость прочности бетона через 28 сут. твердения от его состава имеет вид:
Rб = АRц (Ц / В ± 5), (45)
где Rц — активность (марка) цемента, кгс/см2;
Ц/В—соотношение цемента и воды;
А—коэффициент, зависящий от вида бетона и качества заполнителей.
При возможности выбора марки (активности) цемента рекомендуется, чтобы его марка (активность) была в 2...2,5 раза выше требуемой прочности бетона. Меньшая разница в этих показателях ведет к увеличению расхода цемента, при большей разнице необходимо в цемент вводить тонкомолотые минеральные добавки (молотые гранулированные шлаки, золы ТЭС, молотый известняк и т. п.).
Указанная формула позволяет определить соотношение воды и цемента В/Ц, которое при данном качестве заполнителей А и данной активности цемента Rц обеспечивает получение требуемой прочности бетона: для пластичных смесей (при В/Ц ≥ 0,4) В/Ц = ARц /(Rб + 0,5А1Rц), для особо жестких смесей (при В/Ц < 0,4) В/Ц = ARц (Rб – 0,5А2 Rц).
2. Расход воды определяют, исходя из заданной удобоукладываемости (подвижности или жесткости) бетонной смеси по графикам или справочным таблицам (табл. 14). Расход воды выражают в л (кг) на 1 м3 бетонной смеси.
3. Расход цемента (Ц (кг). Зная расход воды, определяют Ц = В: (В/Ц).
Если рассчитанный расход цемента окажется ниже допустимого (табл. 30), его увеличивают; при этом добавляют соответствующее количество воды с таким расчетом, чтобы сохранилось принятое значение В/Ц.
4. Расход заполнителей (песка и крупного заполнителя) рассчитывают, решая совместно два уравнения, характеризующие строение бетонной смеси.
Таблица 30. - Расход воды, л, на 1 м3 бетонной смеси
| Характеристика бетонной смеси | Наибольшая крупность заполнителя, мм | ||||||
| гравия | щебня | ||||||
| Осадка конуса (OK), см | жесткость, с | ||||||
| — | 40...50 | ||||||
| — | 25...35 | ||||||
| — | 15...20 | ||||||
| — | 10...15 | ||||||
| 2…4 | — | ||||||
| 5…7 | — | ||||||
| 8…10 | — | ||||||
| 10…12 | — | ||||||
| 12…16 | — | ||||||
| 16…20 | — |
П р и м е ч а н и я: 1. Табличные данные справедливы для бетона с песком средней крупности Мк = 2,25 и водопотребностью 7 %. При применении песка иной крупности и водопотребности расход воды увеличивают (или уменьшают) на 5 л на каждый процент увеличения (или уменьшения) водопотребности:
| Модуль крупности Мк | ..... | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 |
| Водопотребность Вп, % | ..... |
2. При применении пуццолановых цементов расход воды увеличивается на 15...20 л.
3. При расходе цемента свыше 400 кг на 1 м3 бетона расход воды увеличивают на 1 л на каждые 10 кг цемента сверх 400 кг.
Объем 1 м3 (1000 дм3) плотно уложенной бетонной смеси слагается из абсолютных (без воздушных пустот) объемов цемента, воды, мелкого и крупного заполнителя:
Ц / рц + В + П / рп + К / рк = 1, (46)
где Ц, В, П, К — расходы соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг;
рц, рп, рк — соответственно истинные плотности цемента, песка, крупного заполнителя, кг/м3.
Таблица 31. - Минимально допустимые расходы цемента, кг, в бетоне и зависимости от способа его уплотнения и условий эксплуатации
| Условия эксплуатации бетона | Уплотнение вибрацией | Без вибрации |
| Постоянно соприкасается с водой, подвержен частому замораживанию и оттаиванию | ||
| Не защищен от атмосферных воздействий | ||
| Защищен от атмосферных воздействий |
Пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены растворной смесью с учетом некоторой раздвижки зерен, значение которой определяется коэффициентом раздвижки:
α Краз К / рнаск = Ц / рц + П / рп + В, (47)
где рнаск — насыпная плотность крупного заполнителя;
α — межзерновая пустотность крупного заполнителя;
Краз — коэффициент раздвижки зерен заполнителя.
Коэффициент раздвижки зерен для жестких бетонных смесей принимают равным 1,05...1,15, в среднем — 1,1; для пластичных смесей Краз принимают по табл. 32.
Таблица 32. - Коэффициент раздвижки зерен Краз в зависимости от расхода цемента и В/Ц
| Расход цемента, кг, на 1 м3 бетона | В/Ц | |||||
| 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | |
| — | — | — | 1,26 | 1,32 | 1,38 | |
| — | — | 1,30 | 1,36 | 1,42 | — | |
| — | 1,32 | 1,38 | 1,44 | — | — | |
| 1,31 | 1,40 | 1,46 | — | — | — | |
| 1,44 | 1,52 | 1,56 | — | — | — | |
| 1,52 | 1,56 | — | — | — | — |
Решая совместно приведенные выше уравнения, получаем формулы для определения расхода (в кг на 1 м3 бетона):
крупного заполнителя:
К = 1 / (α Краз / рнас + 1 / рк), (48)
Песка:
П = [1 - (Ц / рц + В + К / рк)] рп. (49)
Таким образом, получают расчетный состав бетона в виде расхода материалов Ц, В, П, К в кг для получения 1 м3 бетона. Расчетная плотность бетонной смеси (кг/м3):
ррб.с = Ц + В + П + К, (50)
Часть II
