CC BY
88
УДК 691.32
Д. С. Смирнов, Т. Р. Гараев, А. Р. Хамитов
СПОСОБЫ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВОВ БЕТОНОВ
Ключевые слова: пластифицирующая добавка C-3, бетон класса В22,5, портландцемент марки «400».
В научной работе исследованы и разработаны рекомендации по оптимизации зернового (гранулометрического) состава крупного и мелкого заполнителей. Приводятся результаты испытания крупного и мелкого заполнителей представленных заказчиком; методики подбора составов тяжелого бетона и растворов; рекомендации по использованию современных пластифицирующих добавок приготовленных на заполнителях представленных Заказчиком. Для выполнения работы на кафедру строительных материалов Казанского Государственного Архитектурно-Строительного Университета Заказчиком были доставлены: горный песок (проба № 1), речной песок (проба № 2), гравий, цемент М400, пластифицирующая добавка - С-3.
Keywords: plasticizer C-3, the concrete class V22,5, portland cement brand "400".
In a scientific research we've explored and developed recommendations for optimizing the grain (grain size distribution) of the composition of large and small aggregates. The results of testing coarse and fine aggregates pre-customer-represented; method of selection of heavy concrete structures and solutions; recommendations on the use of co-temporary plasticizers prepared on fillers provided by the Customer. To perform the work at the Department of Building Materials Kazan State University of Architecture and Engineering were delivered by the Customer: Mountain sand (sample number 1), river sand (sample number 2), gravel, cementM400, plasticizer - С-3.
Введение
Бетон является основным рабочим материалом строителя в наши дни. В мире его производится до нескольких млрд. куб. м в год. В развитых странах запада его производство достигает до 2 куб. м. на человека, а в России лишь - 0,2. Эта довольно небольшая цифра дает перспективы развития собственного рынка бетона и железобетона. По своим ключевым показателям бетон и железобетон один из самых эффективных строительных материалов. А основные физико-механические показатели бетона зависят, от условий эксплуатации конструкции. Правильный выбор требований к бетону является гарантией его долговечности, качества и разумной стоимости. Для получения бетона в конструкциях с необходимыми показателями качества, в соответствии с государственными стандартами, техническими условиями или проектной документацией на эти конструкции, при минимальном расходе цемента или другого вяжущего, поэтому состав бетона подбирается с учетом требований ГОСТ 27006-86. Подбор состава выполняется следующим образом: определение номинального состава, расчет и корректировка рабочего состава, расчет и передача в производство рабочих дозировок.
Экспериментальная часть и определение состава бетона
Новый рабочий состав бетонной смеси назначают, если на стадии входного контроля выявится изменение качества материалов по сравнению с применяемыми ранее. Изменения также не должны превышать разницу указанную в ГОСТ 27006 п.4.1. Изменение рабочего состава производят, если по данным контроля качества заполнителей и производства появляется изменение качества материалов или получаемой бетонной смеси. Изменения также не должны превышать разницу, указанную в ГОСТ 27006 п.4.1. Корректировку осуществляют, когда фактическая прочность не достигает требуемой ГОСТом 18105.
1. Основные характеристики исходных материалов:
У портландцемента М400 плотность и насыпная плотность соответственно, рц = 3,1 г/см3; р0ц = 1300 кг/м3.
У песка мелкого рп = 2,7 г/см3; р0п =
3
1533 кг/м3.
Песок очень мелкий имеет рп = 2,68 г/см3; р0п = 1465 кг/м3
Гравий (по ГОСТ 26633) имеет наибольшую крупность Dнб = 20 мм; плотность ргр = 2,5 г/см3; насыпную плотность р0гр = 1539 кг/м3; пустот-ность П =38,44 %; коэффициент пустотности Кп = 0,38;
2. Определение расхода цемента по оптимальному значению водоцементного соотношения (рекомендации НИИЖБ).
Водоцементное отношение (В/Ц) или цементо-водное отношение (Ц/В) вычисляют по формуле:
В/Ц = А1 • Rц/(Rб - А1 • 0,5 • Rц), (1)
где Rц - предел прочности бетона нормального твердения в возрасте 28 суток; А и А1 - коэффициенты, характеризующие качество материалов; В/Ц - водоцементное отношение.
Характеристики исходных материалов приведены ниже, по ним определим коэффициент А для каждого:
- высококачественными материалами являются: щебень из плотных пород, заполнители чистые, фракционированные, портландцемент высокой активности. Тогда А = 0,65 при В/Ц >0,4 , а А1 = 0,43 при В/Ц < 0,4;
- рядовые: гравий, портландцемент средней активности. Тогда А = 0,6 при В/Ц > 0,4 , а А1 = 0,4 при В/Ц < 0,4;
- пониженного качества: крупный заполнитель низкой прочности, цемент низкой активности. Тогда А = 0,55 при В/Ц > 0,4 , а А1 = 0,37 при В/Ц < 0,4.
Подставляя значения в формулу (1) получим:
В/Ц = 0,57 => Ц/В = 1,75
3. Расход воды на 1 м3 бетонной смеси
Расход воды определяется по графику проф. Миронова по заданной пластичности бетонной смеси и наибольшей крупности гравия. Принимаем расход воды 195 л Определение расхода цемента производится по формуле (2), а расход цементного теста по формуле (3):
Ц = В • [Ц/В], (2)
^.т.= В + Ц / р ц, (3)
Ц = 341 кг
Vц. т. = 195 + 341 / 3,1 = 310 л
4. Расчет количества заполнителей
При подборе состава нужно установить рациональное соотношение между материалами бетона, определить номинальный состав и подкорректировать рабочий состав, расчитать рабочие дозировки.
Подобранный состав должен обеспечить заданную консистенцию бетонной смеси, прочность бетона при минимальном расходе цемента.
Расчет ведется по методу абсолютных объемов проф. Б.Г. Скрамтаева на 1 м3 бетонной смеси.
Сумма абсолютных объемов всех составных частей бетона в 1 м3 выражается уравнением (4):
(Ц/Рц) + (П/Рп) + (щ/Рф) + В = 1000, (4)
Раствор цемента и песка заполнит пустоты в крупном заполнителе с некоторой раздвижкой зерен. Уравнение составляется из этого предположения:
(Ц/Рц) + (П/Рп) + В = Кп • (Щ/Р0гр) • а (5)
а - коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя, определяется по табл. 1
Решая совместно уравнения (4) и (5), находим формулу (6) для определения потребности в гравии.
Гр = 1000/[(Кп • о/р0гр) + (1/рГр)], (6) Гр = 1000/[(0,38^1,46/1,539)+(1/2,5)] =1316кг
Определение расхода песка производится по формуле (7):
П = (1000 - (Гр/ргр) - Vц. т.) • Рп, (7) В наших расчетах использовался песок двух разных месторождений речной (мелкий) и горный (очень мелкий). В первом случае расход песка составил: П = (1000 - (1316 / 2,5) - 310) • 2,7 = 441,72 кг во втором:
П = (1000 - (1316 / 2,5) - 310) • 2,68 = 438,45 кг
Расход материалов на 1 м3 (номинальный состав) для бетона класса В 22,5 (М 300) с учетом поправочных коэффициентов принятых по СНиП 82-02-95.
1 состав
Цемент 341 кг
Песок (мелкий) 441,72 кг
Гравий 1316 кг
Вода 195 л
2 состав
Цемент 341 кг
Песок (очень мелкий) 438,45 кг
Гравий 1316 кг
Вода 195 л
Расчетный состав бетонной смеси может быть выдан на производство только после экспериментальной проверки его удобоукладываемости, прочности, морозостойкости, водопроницаемости и водопоглощения в проектном возрасте.
5. Пластифицирующие добавки
Одним из простых и доступных способов улучшения качества бетона является введение в его состав высокоэффективных модификаторов. На протяжении многих лет предпринимались попытки улучшения текучести цементных смесей за счет введения в их состав пластифицирующих добавок.
В соответствии с ГОСТ 24211-91 пластифицирующие добавки делятся на 4 группы. Наиболее эффективными являются добавки I группы, так называемые суперпластификаторы. Среди отечественных добавок этой группы следует отметить разжижитель С-3. Добавка на основе натриевых солей продуктов конденсации нафталинсульфо-кислоты и формальдегида. Жидкость темно-коричневого цвета или порошок, хорошо растворимый в воде. Один из известных пластификаторов в России. На основе этой добавки производится большое количество полифункциональных модификаторов. Таким образом для цемента определим количество добавки С-3 в пересчете на сухое вещество.
5.1. Применяя суперпластификатор в сборных железобетонных конструкциях получаются следующие показатели: сокращение времени и интенсивность вибрации (либо сокращение числа вибраторов. В отдельных случаях отказ от вибра-ции) в 3-5 раз, экономия электроэнергии при приготовлении, транспортировании и укладке бетонной смеси 2,5-3раза
Применение пластификатора С-3 дает следующие показатели:
Подвижность смеси увеличивается от П1 до П5; в 1,5-1,6 раза увеличивается сцепление бетона с закладной арматурой и металлоизделиями; снижается водопотребность на 20-25%; увеличиваются конечные прочностные характеристики на 25%; получаются бетоны с повышенной влагонепрони-цаемостью, трещиностойкостью, морозостойкостью (350 циклов); снижается расход цемента до 25 %.
Таблица 1
Расход цемента, кг/м3 Значения а
В/Ц
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
250 1,32 - 1,26 1,32 1,38
300 - 1,3 1,36 2,42 -
350 - 1,38 1,44 - -
400 1,40 1,46 - - -
5.2 Расчет количества вводимой добавки в бетонную смесь
Пусть вводимая добавка составляет 0.3% от всей бетонной смеси.
Расход добавки на 100 кг цемента:
Возьмем, что 100 кг - это 100%, тогда п кг - это 0,3
%,
п = 0,3 кг, абсолютно сухого пластификатора С-3. Добавка вводится в виде раствора рабочей концентрации (в данном примере, 35%). Следовательно: 0,3 кг - 35% п - 100%,
п = 0,3-100/35 = 0,857 кг раствора рабочей концентрации из расчета на 100 кг цемента.
Если дозирование рабочего раствора добавки осуществляется в литрах, а не в килограммах, то
V =
где - т - масса рабочего раствора добавки в кг; - d -плотность 35% добавки раствора рабочей концентрации.
V = 0,857/1,185 = 0,723 л добавки на 100 кг цемента.
Если на 1 м3 расходуется, например, 360 кг цемента, то при дозировке 0.5% добавки получаем рабочий раствор пластификатора С-3:
0,723 3,6=2,6 л (на 360 кг цемента).
Если дозирование происходит в килограммах, то
0,857 3,6=3,085 кг (на 360 кг цемента).
5.3 Испытание на прочность
На рисунке 1 наглядно дана зависимость набора
Рис. 1 - Зависимость увеличения прочности бетона ДR, % с суперпластификатором С-3 от возраста бетона, сут.
Заключение
Таким образом, получены два оптимальных составы бетонов, по результатам расчетов его компонентов по стандартным методикам. Исследовано влияние пластифицирующей отечественной добавки С-3 на свойства бетонной смеси и приведена зависимость увеличения прочности бетона от времени после добавления этой добавки.
Литература
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: Изд-во АСВ, 2003 - 500 с.
2. Трамбовецкий В.П. Бетон в современном строительстве - Ж. Технологии бетонов. № 2, 2006., с. 72-74.
3. Программный комплекс Structure CAD. Руководство пользователя - Киев. НПП «Топаз-Информ., 1996 с. 434.
4. L. Holmberg, M. Hansson, J. Engstrand. Новые суперпластификаторы на основе поликарбок-силата. Швеция. Доклады конференции.
5. Трамбовецкий В.П. Бетон - в мире технологий. - Ж. Технологии бетонов. № 1, 2005., с. 70-73.
6. Научно-практическая конференция «Современные тенденции в технологии производства бетонов и изделий из них». Казань. 2005.
7. Касторных Л.И. Добавки в бетоны и строительные растворы. Учебное пособие - Ростов на Дону. 2005. -221 с.
8. Руководство по применению бетонов с противомо-розными добавками / НИИЖБ Госстроя СССР, М.: Стройиздат, 1978. - 81 с.
9. Добролюбов Г., Ратинов В.Б., Розинберг Т.И. Прогнозирование долговечности бетона с добавками. - М. : Стройиздат, 1983. - 212 с.
10. Смирнов Д.С. Разработка и расчет состава высококачественного бетона для производства блоков колец тоннеля Казанского метрополитена. Диссертация -Казань. 2005.
прочности бетона с суперпластификатором С-3.
60,00 -г- —Г" —г- —г- —г
1 3 7 10 28 100
возраст, сут.
© Д. С. Смирнов - кандидат технических наук, доцент КНИТУ, denis27111974@yandex.ru; Т. Р. Гараев - аспирант КНИТУ; А. Р. Хамитов - студент КНИТУ, E-mail: nomadblack@bk.ru.
© D. S. Smirnov - candidate of technical sciences, docent, KNRTU,E-mail: denis27111974@yandex.ru; T. R. Garaev - postgraduate student, KNRTU; A. R. Hamitov - student, KNRTU, E-mail: nomadblack@bk.ru.
