Проектирование состава бетона сводится к трем взаимосвязанным задачам:

1. назначению требований к техническим свойствам бетона и технологическим свойствам бетонной смеси;
2. выбору материалов для бетона;
3. собственно проектированию состава бетона, т. е. установлению: 1) величины водоцементного отношения В/Ц, 2) оптимального зернового состава смеси заполнителей и 3) минимально необходимого расхода цемента Ц, кг/м³. Эта система параметров удобна тем, что такие важные свойства бетона, как прочность, морозостойкость и водонепроницаемость, выражаются сравнительно простыми функциями от параметров состава бетона.

Комплекс требований, предъявляемых к бетону, должен обеспечить три фундаментальных качества: прочность, долговечность и экономичность бетона. Эти требования назначаются в проекте сооружения. Прочность бетона задается классами по прочности при сжатии и растяжении, с учетом напряженного состояния конструкции. Долговечность бетона зависит от многих факторов и определяется рядом свойств, таких как морозостойкость, водонепроницаемость, водостойкость и др. Для массивных сооружений большое значение имеет термическая трещиностойкость бетона, которая обеспечивается пониженным тепловыделением, высокой предельной растяжимостью, малым коэффициентом температурного расширения.

Требования к бетонной смеси должны обеспечить высокую технологичность ее транспортирования, укладки и уплотнения с учетом применяемых механизмов и методов бетонирования. Эти требования задаются в проекте производства работ в виде: осадки конуса (ОК), либо показателя жесткости (Ж), характеризующих удобоукладываемость; жизнеспособности и т. п.

Экономичность бетона определяется в основном расходом цемента, как наиболее дорогим компонентом в бетоне (если не принимать во внимание добавок). Здесь следует пояснить, что добавка не является обязательной составляющей в бетоне, а присутствие цемента – обязательно, но количество его для обеспечения требуемых свойств может быть и больше необходимого, что неоправданно увеличивает стоимость бетона. Поэтому общим экономическим принципом проектирования состава бетона является отыскание минимально необходимого расхода цемента.

1. Выбор цемента

оглавление | следующий пункт

При выборе вида цемента учитывают следующие моменты.

Агрессивность воды-среды. Если вода-среда характеризуется сульфатной агрессивностью, то следует применять сульфатостойкий портландцемент, пуццолановый портландцемент или сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Положение бетона в сооружении. В зоне переменного уровня воды нельзя применять пуццолановый и шлаковый портландцементы из-за их низкой морозостойкости.

Массивность сооружения. Для бетона массивных сооружений, подлежащих расчету на термическую трещиностойкость, необходимо применять цементы с пониженным тепловыделением — пуццолановые и шлаковые портландцементы.

Класс бетона по прочности. Высокоактивные цементы нецелесообразно применять для бетона, к которому не предъявляется высоких требований по прочности. Если для бетона низкой прочности использовать высокоактивный цемент, то расход цемента на 1 м³ бетонной смеси окажется по расчету недопустимо низким и это вызовет ухудшение технологических свойств бетонной смеси и некоторых технических свойств бетона (повышенное водоотделение и пониженная связность бетонной смеси, снижение объемной массы и водонепроницаемости бетона). Активность цемента не должна превышать класс бетона по прочности более чем в 3 раза, если проектный возраст бетона 28 дней, или в 2 раза, если проектный возраст 180 дней.

2. Выбор заполнителей

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Выбор заполнителей проводится на основании результатов испытаний отобранных проб, а также после технико-экономических сравнений различных вариантов заполнителей.

3. Выбор добавок

оглавление | предыдущий пункт

Для приготовления бетона чаще всего применяют поверхностно-активные добавки. Они могут вводиться в бетонную смесь при ее затворении в бетономешалке. Иногда эти добавки уже содержатся в самом цементе.

На практике правильно запроектировать состав бетона можно только экспериментальным подбором параметров под заданные свойства, т.е. из выбранных материалов готовят бетонную смесь и бетон произвольного состава и определяют их свойства путем испытаний. Если эти свойства не соответствуют заданным, то изготавливают образцы другого состава, снова испытывают и т. д. Важно, чтобы эта работа была выполнена при минимальных затратах труда и не содержала бы лишних опытов. С этой целью разработаны основные принципы нахождения параметров состава бетона, которые мы рассмотрим для наиболее простого случая, когда заданных свойств всего два: 1) прочность бетона при сжатии и 2) подвижность бетонной смеси. Кроме того, пусть заполнители рассеиваются только на две фракции: фракция 0-5 мм - мелкий заполнитель (песок) и фракция более 5 мм – крупный заполнитель. В этом случае зерновой состав заполнителей характеризуется всего одним параметром r – долей песка от массы заполнителей. Тогда определение параметров состава бетона можно провести по следующей схеме.

1. Постановка задачи

оглавление | следующий пункт

Пусть задано:

1. Прочность бетона в возрасте 28 суток R₂₈ = R_зад

2. Подвижность (осадка конуса) бетонной смеси ОК = ОК_зад

Требуется определить:

водоцементное отношение

оптимальную долю песка в смеси заполнителей

расход цемента

2. Зависимости, используемые при проектировании

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Для решения поставленной задачи нужно экспериментально (в виде таблицы) получить зависимости, связывающие свойства бетонной смеси и бетона с параметрами состава. Таких зависимостей у нас только две:

1. R₂₈=f(В/Ц),
2. ОК=f(В/Ц, r, Ц).

Три неизвестных (В/Ц, r, Ц) из двух уравнений не могут быть найдены, следовательно задача имеет множество решений с различными парами значений r и Ц (В/Ц определяется однозначно из первой зависимости по заданной прочности R₂₈). Чтобы задача имела однозначное решение добавим уже упомянутое выше условие экономии цемента и запишем третьим номером равенство:

3. Ц = Ц_min .

Это означает, что из всех возможных решений нужно найти такое, при котором расход цемента будет наименьшим. Наименьшему расходу цемента соответствует только одно значение параметра r, которое называют оптимальным значением и обозначают r_опт.

3. Определение величины водоцементного отношения

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Расчетный способ

Ориентировочно оценить величину водоцементного отношения, обеспечивающую заданную прочность бетона , можно по уравнению:

,

где А – коэффициент, зависящий от вида и качества заполнителей

Решая это уравнение относительно водоцементного отношения получаем:

Рис. 17. Определение В/Ц по заданной точности

Экспериментальный способ

Значение водоцементного отношения находят по экспериментальным данным. Для этого готовят несколько бетонных смесей с различным В/Ц и с постоянными значениями расхода цемента Ц и доли песка r, взятыми произвольно, но в разумных пределах. Из каждой бетонной смеси изготовляют образцы-кубы, которые хранят в стандартных условиях и испытывают на прочность при сжатии в возрасте 28 суток. По полученным данным можно построить график зависимости и по нему (рис. 17), используя значение заданной прочности найти искомое В/Ц.

4. Определение оптимальной доли песка в смеси заполнителей

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Рис. 18. Определение rопт по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей

Способ 1. Определение r_опт по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей

При этом способе полагают, что минимальный расход цемента в бетоне получится в том случае, если сухая смесь песка и щебня (гравия) будет иметь наименьший объем межзерновых пустот. Тогда потребуется наименьшее количество цементного теста, а, следовательно, и цемента для заполнения этих пустот.

Готовят несколько сухих смесей песка и щебня с различным параметром r и определяют для каждой смеси объем межзерновых пустот V_п . Строят график зависимости V_п = f(r), по которому для наименьшего объема пустот находят r_опт (рис. 18).

 

Способ 2. Определение r_опт по наибольшей подвижности бетонной смеси

Рис. 19. Определение rопт по наибольшей подвижности бетонной смеси

При этом способе за r_опт принимают такое значение r, при котором бетонная смесь имеет наибольшую подвижность. В этом случае цемента в бетоне потребуется в наименьшем количестве.

Затворяют несколько бетонных смесей с различным r и постоянными параметрами В/Ц и Ц. Водоцементное отношение берут равным найденному значению, а расход цемента Ц, поскольку он пока еще не установлен, принимают произвольно в разумных пределах. Для каждой бетонной смеси определяют осадку конуса и строят график зависимости ОК=f(r). По графику находят r_опт. Это значение соответствует наибольшей ОК (рис. 19). Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что оптимальную долю песка определяют не по заданной, а по наибольшей подвижности бетонной смеси. Заданная подвижность будет принята во внимание в дальнейшем — по ней устанавливается расход цемента. При этом, чем выше заданная подвижность бетонной смеси, тем больше требуется цемента для ее получения. Поэтому метод определения r_опт по наибольшей подвижности бетонной смеси обладает преимуществом перед другими методами, т. к. позволяет контролировать расход цемента непосредственно в бетонной смеси, автоматически учитывая особенности всех входящих в нее материалов.

Следует иметь в виду, что при значении r, несколько меньшем r_опт, бетонные смеси могут оказаться недостаточно связными. Поэтому рекомендуется назначать долю песка несколько большей, чем r_опт по графику, а именно увеличивать r на 0,02—0,03. Такое увеличение значения r приводит лишь к весьма незначительному уменьшению осадки конуса.

5. Определение расхода цемента

оглавление | предыдущий пункт

Рис. 20. Определение расхода цемента по заданной ОК

Эта задача решается экспериментально. Затворяют несколько (обычно четыре-пять) бетонных смесей, отличающихся расходом цемента. Смеси должны иметь одинаковые В/Ц и одинаковые r, найденные ранее. Определяют ОК каждой смеси и по данным опыта строят график ОК=f(Ц). По заданной ОК находят необходимый расход цемента (рис. 20). Этот расход является минимальным, поскольку соотношение мелкого и крупного заполнителей (параметр r) было установлено так, чтобы гарантировать минимум расхода цемента.

Определением минимально необходимого расхода цемента. заканчивается, по существу, решение задачи проектирования состава бетона, так как все три параметра, выражающие состав бетона (В/Ц, r и Ц), оказываются найденными. Остается лишь вычислить расход материалов в кг на 1 м³ бетона по одному из ранее изложенных методов (по методу абсолютных объемов или по методу, при котором объемная масса бетона известна).

 

Проектирование состава гидротехнического бетона представляет собой несколько более сложную задачу, т. к. в число заданных свойств, помимо прочности и подвижности, обычно входят и другие, например, водонепроницаемость и морозостойкость. Кроме того, для повышения качества бетона смесь заполнителей составляют не из двух, а из большего числа фракций (0-5, 5-10, 10-20, 20-40, 40-80 мм и т.д.) и параметр r должен быть заменен другим, который условно обозначим ЗС. По существу ЗС подразумевает набор чисел, выражающих процентное содержание каждой фракции в смеси заполнителей. Таким образом, несколько видоизменяется постановка задачи по проектированию, которая может быть представлена следующим образом.

1. Постановка задачи

оглавление | следующий пункт

Задано:

1. Прочность бетона в возрасте 180 суток R₁₈₀ = R_зад

2. Водонепроницаемость бетона W = W_зад

3. Морозостойкость бетона F = F_зад

2. Подвижность (осадка конуса) бетонной смеси ОК = ОК_зад

Требуется определить: В/Ц, ЗС, Ц.

2. Определение водоцементного отношения

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Определение в, первую очередь величины В/Ц удобно уже потому, что свойства затвердевшего бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость) при неизменных материалах практически однозначно зависят от этого параметра, и не зависят от двух остальных параметров состава (зернового состава ЗС и расхода цемента Ц). При этом устанавливается необходимое значение В/Ц для каждого из заданных свойств затвердевшего бетона (прочности, морозостойкости, водонепроницаемости).

При определении В/Ц по условиям прочности можно пользоваться не только экспериментальным, но и расчетным методом. Что же касается значений В/Ц, обеспечивающих заданные морозостойкость и водонепроницаемость, то эти значения обычно устанавливаются на основе эксперимента.

При экспериментальном определении зависимостей, связывающих прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона с величиной водоцементного отношения, необходимо приготовить образцы (кубы или цилиндры) из бетонных смесей с четырьмя-пятью различными значениями В/Ц и испытать их в требуемом возрасте.

Значения В/Ц устанавливаются в соответствии с заданными марками по прочности, водонепроницаемости и морозостойкости: R_зад, W_зад, F_зад.

Результаты испытаний образцов позволяют построить графики зависимостей рассматриваемых свойств от величины В/Ц. Графики имеют сходный характер — с увеличением В/Ц и прочность, и морозостойкость, и водонепроницаемость бетона снижаются.

Из полученных трех значений В/Ц следует принять наименьшее, например, обеспечивающее заданную прочность. При этом два других свойства бетона (морозостойкость и водонепроницаемость) будут обеспечены с избытком.

Было .бы совершенно неправильным принимать среднее арифметическое значение В/Ц или промежуточное значение из трех найденных, так как при этом одно из заданных свойств окажется ниже требуемого.

3. Определение оптимального зернового состава заполнителей

оглавление | предыдущий пункт

Рис. 21. Идеальная кривая просеивания

В настоящее время существует много различных способов для определения оптимального зернового состава заполнителей. Можно, например, экспериментально определить содержание каждой фракции либо по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей, либо по наибольшей подвижности бетонной смеси так, как это делается при определении r. Понятно, что такая работа достаточно трудоемка. Поэтому различными авторами предложены и более простые, но менее точные способы, один из которых рассмотрен ниже.

Определение ЗС по идеальной кривой просеивания. На основе обширного экспериментального материала были установлены кривые просеивания смеси заполнителей, обеспечивающие минимальный расход цемента. Такие кривые часто называют идеальными. На рис. 21 изображена одна из таких идеальных кривых для песчано-гравийной смеси. По оси абсцисс откладывается безразмерная величина Д/Д_наиб, где Д—размер зерен данной фракции или, иными словами, размер отверстий сита, через которое эти зерна проходят; Д_наиб — наибольшая крупность зерен заполнителя. По оси ординат откладываются так называемые проходы, т. е. масса зерен, проходящих через данное сито, в %.

Построенная в таких координатных осях кривая может быть использована для установления оптимального зернового состава смеси заполнителей при любом Д_наиб. Для этого необходимо в соответствии с безразмерной шкалой построить шкалу, на которой размеры отверстий сит выражены в мм. На рис. 21 построены две такие шкалы—для Д_наиб = 40 мм и для Д_наиб = 80 мм.

Таблица 9. Оптимальный зерновой состав заполнителей

Фракция,	Процентное содержание фракций
мм	Днаиб =40 мм	Днаиб =80 мм
0—5 5—10 10—20 20—40 40—80	40 14 20 26 -	32 8 14 20 26
Всего	100	100

Пользуясь этой кривой, легко установить содержание отдельных фракций в смеси заполнителей. Так, например, если заполнитель рассеивается на фракции 0—5; 5—10; 10—20; 20—40 и 40—80 мм, то по разности соответствующих ординат получим процентное содержание каждой фракции, приведенное в табл. 9.

Определение процентного содер-жания фракции 0—5 мм (мелкого запол-нителя) по идеальной кривой просеивания следует считать предварительным.

Правильность проектирования состава бетона проверяется по фактической подвижности бетонной смеси и путем испытания образцов, приготовленных из бетона запроектированного состава. При этом необходимо, чтобы фактическая подвижность бетонной смеси соответствовала заданной или отличалась от нее не более чем на 1 см:

ОК_факт = ОК_зад ± 1 см.

Необходимо также, чтобы фактическое значение лимитирующего свойства бетона оказалось не ниже требуемого. В том случае, когда лимитирующим свойством является прочность бетона, для контроля готовят образцы-кубы из бетона запроектированного состава и испытывают их в соответствующем возрасте. Прочность образцов должна быть не ниже заданной, но и не превышать заданную более чем на 15%:

R_факт = (1-1,15)R_зад.

Когда лимитирующим свойством является водонепроницаемость или морозостойкость, следует провести соответствующие испытания бетона запроектированного состава и убедиться в том, что значение лимитирующего свойства оказывается не ниже заданного.