Проектирование состава тяжёлого бетона

Основные требования к составу бетона сформулированы в Европейских нормах ЕN 206-1: характеристики затвердевшего бетона должны соответствовать всем эксплуатационным требованиям, предъявляемым к конструкциям, а на стадии приготовления и укладки бетонной смеси должны удовлетворять технологическим требованиям. К основным требованиям следует отнести удобоукладываемость, плотность, минимальное расслоение и водоотделение смеси, а также плотность, прочность, долговечность бетона, обеспечение защиты стальных закладных деталей и арматуры от коррозии. Для первичных подборов вид смесителя и технология перемешивания должны быть аналогичными виду и технологии реального производства. Если отличия в оборудовании имеются, то это обстоятельство должно приниматься во внимание.

Прочность при сжатии образцов данного состава, который должен быть одобрен, должен превышать значения нормируемой прочности (класс). Для разрабатываемых стандартизированных составов (стандартный бетон – бетон заданного состава, который определён стандартом {производственными нормами}, действующими в месте применения бетона) результат предвари-тельных испытаний должен превышать класс бетона по прочности при сжатии на 12 МПа.

Подвижность бетонной смеси должна находиться в допустимых пределах для соответствующего класса по подвижности по истечению некоторого времени после приготовления бетонной смеси, которое должно соответствовать моменту укладки смеси в дело. Другие характеристики также должны находиться в допустимых пределах.

Требуемое качество бетона в конструкции может быть достигнуто только при тщательном соблюдении требований технологии бетонных работ – транспортировки, укладки, уплотнения и ухода за свежеуложенным бетоном. Качество выполнения бетонных работ создаёт некоторые неопределённости в обеспечении надёжности работы конструкции, это обстоятельство учитывается введением в расчётные характеристики бетона коэффициента запаса по материалу.

Подбор составов на основе количественных критериев оценки долговечности конструкции предполагает знание механизма постепенного исчерпания долговечности бетона на протяжении заданного срока эксплуатации сооружения. Критерии должны быть выражены в виде зависимостей с использованием количественных характеристик или коэффициентов. Получить их можно на надёжных статистических данных обследования конструкций, эксплуатируемых в определённых средах, данных результатов испытаний с учётом воздействия внешней среды и/или на надёжных физических моделях прогнозирования поведения конструкций.

На практике обеспечение долговечности зависит от сочетания выбранных архитектурно-планировочных решений, применяемых материалов и качества производства работ.

По [1] проектирование состава обычного (тяжёлого) бетона включает: определение номинального состава, расчет и корректировку рабочего состава, расчет и передачу в производство рабочих дозировок.

Номинальный состав бетона определяется при организации производства новых видов конструкций, изменении нормируемых показателей качества бетона или бетонной смеси, технологии производства, поставщиков, вида или марок применяемых материалов, а также при разработке и пересмотре производственных норм расхода материалов.

Проектирование состава бетона выполняется лабораторией предприятия –изготовителя бетонной смеси по утвержденному заданию, разработанному технологической службой этого предприятия. Допускается производить подбор состава бетона в центральных лабораториях, научно-исследовательских лабораториях и других организациях по утвержденному заданию на подбор состава бетона.

Задание должно содержать:

· нормируемые показатели качества бетона в соответствии с техническими требованиями стандартов, технических условий или проектной документации на конструкции конкретных видов, для которых предназначен бетон;

· показатели качества бетонной смеси, длительность и режимы твердения бетона и другие условия производства, принимаемые по технологической документации, разработанной в соответствии с действующими стандартами, нормами и правилами;

· показатели однородности прочности бетона всех видов, а также соответствующий им требуемый уровень прочности и плотности, планируемые на предстоящий период;

· ограничения по составу бетона и применению материалов для его приготовления, установленные нормативно-технической и технологической документацией.

Выбор вида цемента производится в соответствии с требованиями нормативной или проектной документации на изготавливаемое изделие с учётом действующих ограничений и экономичности. Ограничения по виду цемента приведены в [2,3,4], где указано, что для производства сборных железобетонных изделий применение пуццолановых портландцементов не допускается, а портландцементы и шлакопортландцементы должны быть 1 или 2 группы по эффективности при пропаривании по [5]. По [6,7] цементы на основе портландцементного клинкера не должны содержать хлор-иона более 0,1%, а содержание оксида серы SО₃ должно быть не менее 1,0 и не более 4,0% массы цемента. По Европейским нормам [8] для бетона изделий или конструкций, эксплуатируемых в среде с химической агрессией, должен применяться сульфатостойкий цемент. По [2] для бетона дорожных и аэродромных покрытий, напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор ЛЭП, стоек контактной сети железнодорожного транспорта и освещения должен поставляться портландцемент, изготовленный на основе клинкера нормируемого состава с содержанием С₃А не более 8% по массе. Для этих изделий должен применяться один из следующих видов цемента:

1. ПЦ Д0-Н – для всех разновидностей перечисленных изделий,

2. ПЦ Д5-Н – для труб, шпал, опор ЛЭП, мостовых конструкций независимо от вида активной минеральной добавки,

3. ПЦ Д20-Н – для бетона дорожных и аэродромных покрытий при использовании в качестве активной минеральной добавки доменного гранулированного шлака не более 15 % по массе.

Для железобетонных конструкций с маркой бетона по морозостойкости F-200…F300 рекомендуются ПЦ Д0, ПЦ Д5, ПЦ Д20, а при марке F400 и выше – ПЦ Д0, ПЦ Д5 или сульфатостойкий портландцемент. Для пропариваемых изделий из бетонов с нормируемыми требованиями по морозостойкости может использоваться шлакопортландцемент М400.

При выборе вида цемента из всех допускаемых разновидностей предпочтение отдаётся наиболее дешёвому – как правило, с максимально допустимым содержанием активной минеральной добавки, а в условиях тепловлажностной обработки – шлакопортландцементу.

Марки цемента для бетонов различных видов и классов (марок) по прочности при сжатии выбираются из табл. 1[9] .

Таблица 1.

Удобоукладываемось бетонной смеси назначается в зависимости от принятого способа уплотнения при формовании железобетонных изделий так, чтобы коэффициент уплотнения бетонной смеси для тяжёлого бетона был не менее 0,98, а для жёстких бетонных смесей и смесей для мелкозернистого и песчаного бетона – не менее 0,96. Рекомендации по удобоукладываемости бетонных смесей в зависимости от способа формования сборных железобетонных изделий принимаются в соответствии с требованиями [10], для монолитных железобетонных конструкций чаще всего используют бетонные смеси с марками по удобоукладываемости П2…П4 или самоуплотняющиеся смеси.

Широко применяемым способом регулирования свойств бетона и бетонной смеси является введенение различных добавок при приготовлении бетонной смеси. Обязательное применение добавок регламентируется в следующих случаях:

· Для приготовления высокоподвижных и литых бетонных смесей с показателем подвижности (осадкой конуса) не менее 10 см, а также при классе бетона по прочности при сжатии больше или равном классу цемента необходимо использовать пластифицирующие добавки по [11] для водоредуцирования, повышения прочности или снижения расхода цемента.

· Бетонные смеси для бетонов с маркой по морозостойкости F 200 и более должны содержать воздухововлекающие или воздухо-вовлекающе-пластифицирующие добавки.

· Для агрессивных условий эксплуатации должны вводиться добавки, повышающие стойкость бетона и его защитные свойства по отношению к арматуре.

· Для бетона с повышенными требованиями по водонепроницаемости (марка W 6 и более) вводятся уплотняющие добавки.

Помимо обязательных случаев химические и минеральные добавки могут применяться для регулирования качества бетонной смеси и бетона, придания бетону специальных свойств, а также для экономии цемента.

Для расчёта состава наиболее применяемого тяжелого бетона чаще всего используется метод абсолютных объёмов. Этот метод базируется на следующих принципах:

· Прочность бетона зависит от активности вяжущего, качества применяемых материалов, цементно-водного отношения (Ц/В) и средней плотности. Для тяжелого бетона на плотных заполнителях средняя плотность бетона зависит от степени уплотнения бетонной смеси, количества воды затворения и соотношения компонентов,

· В бетонной смеси оптимального состава компоненты находятся как бы в «абсолютно плотном состоянии» так как пустоты крупного заполнителя заполняются мелким заполнителем, а пустоты мелкого заполнителя заполняются цементным тестом. В [9] рассматривается класс (марка) проектируемого состава бетона не более В45(600), при этом прочность крупного заполнителя и другие свойства заполнителей должны удовлетворять требованиям [3]. Если такая бетонная смесь хорошо уплотнена, то есть из неё удалён воздух, то и бетон из неё будет достаточно плотным, прочным и долговечным,

· Существенное влияние на качество бетона оказывает цементно-водное отношение (Ц/В), которое характеризует плотность цементного камня, так как чем больше воды приходится на единицу массы цемента в бетоне (чем меньше Ц/В), тем больше останется при определённых условиях твердения несвязанной химически и адсорбционно воды, что будет повышать пористость цементного камня, снижать его плотность, прочность и долговечность.

· Количество воды затворения влияет на удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона. Удобоукладываемость обеспечивается количеством тестообразующих материалов (тонкодисперсных частиц заполнителей, цемента и минеральных добавок), связывающих воду затворения адсорбционно и образующих при этом пластичное тесто. Качество цементного теста зависит от Ц/В, чем меньше это отношение, тем меньше вязкость цементного теста и бетонной смеси. Расслаиваемость бетонной смеси при формовании (седиментация) внутренняя и внешняя вызывает формирование открытой пористости бетона, ухудшает сцепление цементного камня с заполнителем, что снижает характеристики прочности и, особенно, стойкости бетона. Седиментационные капилляры – основной дефект структуры бетона, поэтому расслаивающиеся бетонные смеси не допускается использовать в технологии сборного и монолитного железобетона. Для предотвращения расслаиваемости бетонной смеси вводятся водореду-цирующие и стабилизирующие добавки Количество и качество цементного теста должно быть таким, чтобы обеспечить нерасслаиваемость бетонной смеси при транспортировке, укладке и уплотнении, а также нормируемую степень уплотнения при формовании.

· Добавки вводятся для обеспечения специальных свойств бетона (морозостойкости, водонепроницаемости, коррозионной стойкости и др.). По [8] общий объём химических добавок не должен превышать 5% от массы цемента, если отсутствует надёжное подтверждение обеспечения долговечности бетона при повышенных дозировках добавок. Если объём вводимой добавки менее 0,2% от массы цемента, её следует вводить только с водой затворения для обеспечения равномерного распределения по объёму. Максимальное содержание хлоридов (в пересчёте на ион хлора) не должно превышать: для неармированного бетона 1% от массы цемента, для железобетона – 0,4%, для преднапряжённого железобетона 0,1…0,2% в зависимости от вида арматуры.

Наибольшая крупность заполнителей (НК) назначается в зависимости от видов бетонируемой конструкции и способов подачи бетонной смеси к месту укладки. НК не должна превышать ¾ минимального расстояния между стержнями арматуры для всех видов железобетонных изделий, для плит покрытий и перекрытий НК не должна превышать половину толщины плиты. При подаче бетонной смеси по хоботам и бетононасосами НК должна быть не более 1/3 внутреннего диаметра хобота или трубопровода, а при укладке бетонной смеси в скользящую опалубку не должна превышать 1/6 наименьшего размера поперечного сечения бетонируемой конструкции. При назначении наибольшей крупности заполнителей предпочтительно применение максимально допустимого значения НК для бетонируемого изделия.

Заполнители должны соответствовать требованиям соответствующих стандартов, их характеристики должны учитывать технологию производства работ, назначение сооружения, условия эксплуатации. В случае подозрений заполнителя на чувствительность к щелочной реакции (содержание Nа₂О и К₂О в цементе или других составляющих), а бетон конструкций подвержен при эксплуатации воздействию влаги, необходимо предпринимать меры (вводить активные минеральные добавки), предупреждающие протекание щелочной коррозии.

Расчёт номинального состава по [9]. Для расчёта состава наиболее применяемого тяжелого бетона чаще всего используется метод абсолютных объёмов. Этот метод базируется на следующих принципах:

· Основное влияние на качество бетона оказывает цементно-водное отношение (Ц/В), которое характеризует плотность и прочность цементного камня.

· Прочность бетона зависит от активности вяжущего, качества применяемых материалов, цементно-водного отношения (Ц/В) и средней плотности. Для тяжелого бетона на плотных заполнителях средняя плотность и прочность бетона зависит от степени уплотнения бетонной смеси, количества воды затворения и соотношения компонентов. Этот принцип позволяет определить величину Ц/В исходя, например, из основного закона прочности бетона Боломея-Скрамтаева:

Rб = АRц(Ц/В-0,5), (1)

где Rб – проектируемая прочность бетона в марочном возрасте (обычно 28 суток) нормального твердения, МПа,

А ­ - коэффициент, зависящий от качества исходных материалов,

Rц- активность или марочная прочность цемента, МПа.

· Количество воды затворения влияет на удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона. Удобоукладываемость обеспечивается количеством тестообразующих материалов (тонкодисперсных частиц заполнителей, цемента и минеральных добавок), связывающих воду затворения адсорбционно и образующих при этом пластичное тесто, скрепляющее зёрна заполнителя. Качество цементного теста зависит от Ц/В, чем меньше это отношение, тем меньше вязкость цементного теста и бетонной смеси. Количество и качество цементного теста должно быть таким, чтобы обеспечить нерасслаиваемость бетонной смеси, нормируемую степень уплотнения при формовании, а также регламентируемые свойства бетона. Количество воды затворения на 1 м³ бетона обычно назначается по таблицам или графикам исходя из требуемой удобоукладываемости бетонной смеси, вида и наибольшей крупности заполнителей, а также водопотребности цемента. Зная Ц/В и количество воды затворения можно определить расход цемента на 1 м³ бетона.

· В бетонной смеси оптимального состава компоненты находятся как бы в «абсолютно плотном состоянии», так как пустоты крупного заполнителя заполняются мелким заполнителем, а пустоты мелкого заполнителя заполняются цементным тестом, пористость частиц заполнителей мала и ей можно пренебречь. Если такая бетонная смесь хорошо уплотнена, из неё удалён воздух и бетон из неё будет достаточно плотным, прочным и долговечным (при создании условий твердения бетона близких к «нормальным» - относительная влажность окружающего воздуха не менее 95%, температура 20 + 2⁰С). Исходя из этого принципа можно получить для определения расхода крупного и мелкого заполнителя два уравнения: 1)сумма абсолютных объёмов компонентов бетона равна объёму бетона (обычно расчет ведётся на 1 м³ или 1000 л бетона) и 2)сумма абсолютных объёмов растворных компонентов бетонной смеси равна объёму пустот крупного заполнителя с учётом раздвижки его зёрен:

1) Ц/ +П/ +Щ/ +В/ = 1000 (2)

2) РЩ/ = Ц/ +П/ +В/ , (3)

где Ц,П,Щ,В –расходы в кг соответственно цемента, песка, щебня, воды,

- коэффициент раздвижки зёрен,

- плотности цемента, песка, щебня, воды, кг/л,

Р – пустотность щебня,

- насыпная плотность щебня, кг/л.

По [1] проектирование состава бетона осуществляется для обеспечения среднего уровня прочности, причём последний принимается с учётом фактической однородности бетона по прочности и планируемых мероприятий по её повышению. Понятие о среднем уровне прочности введено в ГОСТ 18105-86, где приводятся для этого все необходимые данные. Однако, с 1 января 2010 года введён ГОСТ Р 53231-2008, а с 1 сентября 2012 года взамен ему введён ГОСТ 18105-2010 по правилам контроля и оценке прочности бетона, в которых отсутствует понятие и способы определения среднего уровня прочности бетона, поэтому состав тяжелого бетона следует подбирать для обеспечения требуемой прочности (R_t) бетона в МПа, которую рассчитывают:

R_t = К_t.В_норм, (4)

где В_норм – нормируемое значение прочности бетона, МПа,

К_t – коэффициент требуемой прочности, определяется в зависимости от коэффициента вариации прочности бетона.

Величина коэффициента К_t зависит от схемы контроля прочности бетона, в соответствии с [12] при контроле прочности бетона могут применяться четыре схемы:

А - используется не менее 30 единичных значений прочности, полу-ченных при контроле прочности бетона предыдущих партий готовой бетонной смеси (БСГ) или сборных конструкций в анализируемом периоде для определения характеристик однородности бетона по прочности.

Б - используется не менее 15 единичных значений прочности бетона в контролируемой партии готовой бетонной смеси или сборных конструкций и предыдущих проконтролированных партиях в анализируемом периоде для определения характеристик однородности бетона по прочности.

В – для определения характеристик однородности бетона по прочности используют результаты неразрушающего контроля прочности бетона одной текущей контролируемой партии конструкций.

Г – без определения характеристик однородности бетона по прочности.

Контроль прочности БСГ производится по схемам А,Б,Г, для сборных конструкций применяют схемы А,Б,В,Г, для монолитных ­- схемы В,Г.

При контроле по схемам А и В коэффициент К_t определяют по табл.2 в зависимости от среднего коэффициента вариации прочности бетона за анализируемый период V или текущего коэффициента вариации прочности бетона контролируемой партии V_m.

Таблица 2

Коэффициент требуемой прочности К_t при контроле прочности по схемам А и В

При контроле по схеме Б коэффициент К_t рассчитывают по формуле:

К_t= , (5)

где t₀ – коэффициент, принимаемые по табл.3 в зависимости от общего числа единичных значений прочности бетона n в проконтролированных партиях БСГ или конструкций, по которым рассчитан скользящий коэффициент вариации прочности V_с % за анализируемый период.

Таблица 3

Коэффициент t₀

При контроле прочности бетона по схеме Г коэффициент К_t принимают по табл. 4

Таблица 4

Коэффициент требуемой прочности К_t при контроле по схеме Г.

Цементно-водное отношение (Ц/В)₁ в номинальном составе бетона, твердеющего в условиях тепловой обработки и обеспечивающее получение заданного значения требуемой прочности бетона, определяется:

, (6)

где - отпускная требуемая прочность бетона после тепловлажностной обработки, МПа, определяется по значению требуемой прочности и нормируемого стандартом или ТУ на сборное железобетонное изделие процента отпускной прочности (в пределах 55…100 %);

- активность цемента при пропаривании, МПа, принимается по данным цементного завода или по табл.5.

Для сборных железобетонных изделий по [3] следует применять цементы 1 или 2 групп эффективности при пропаривании.

Величину (Ц/В)₂, обеспечивающую требуемую прочность пропаренного бетона в проектном (марочном) возрасте, определяют:

, (7)

где — требуемая прочность бетона в 28 суток после тепловой обработки, МПа.

– активность цемента после тепловой обработки в возрасте 28 суток, МПа. Определяется по результатам испытания образцов, пропаренных по методике ГОСТ 310.4-81 [12] и испытанных в возрасте 28 суток, или принимается равной гарантированной марочной прочности цемента.

Из значений Ц/В, определенных по (6) и (7), выбирают большее и принимают его для подбора начального состава бетона.

Для монолитного бетона величина Ц/В может быть определена по формуле (7) или из рис.1

, МПа

Рис. 1. Зависимость прочности бетона в возрасте 28 суток от величины Ц/В и марки цемента. 1–4 марки цемента соответственно 300,400, 500, 600.

На рис. 2 приведена зависимость марочной прочности бетона (Rб) относительно марочной прочности цемента (Rц) от В/Ц, используемая при проектировании состава бетона, и возможные отклонения прочности от средних значений [13].

Rб/Rц

Рис.2 Зависимость относительной прочности бетона от В/Ц .

1 – бетон на щебне, 2 – бетон на гравии.

По величине В/Ц можно примерно определить [13] относительную прочность бетона нормального твердения в разном возрасте, табл.6, из которой видно, что с возрастанием В/Ц относительная прочность бетона снижается в раннем возрасте (до 28 суток), а в позднем возрасте возрастает.

Таблица 6

Относительная прочность бетона в разном возрасте

На величину прочности бетона, твердеющего в условиях, исключающих испарения влаги, большое влияние оказывает температура [14], в том числе и в результате его саморазогрева вследствие экзотермических реакций гидратации минералов цемента, табл.7:

Таблица 7

Средние значения прочности бетона в % от марочной на низкоалюминатном (Б) и среднеалюминатном (В) портландцементах

При использовании воздухововлекающей добавки, обеспечивающей воз-духововлечение 2...4 %, принятая величина Ц/В увеличивается на 0,01...0,02, а при воздухововлечении 4...6 % - на 0,02...0,04 для компенсации понижения прочности бетона вследствие повышенного содержания в нем воздушных пор. По ГОСТ 26633-91 [3] для бетона дорожных и аэродромных плит объём вовлечённого воздуха должен быть 5...6 %, а Ц/В ≥ 2.

При нормировании бетона по водонепроницаемости или морозостойкости минимально допустимая величина Ц/В приведена в табл. 8.

Таблица 8

Рекомендуемые минимальные значения Ц/В для обеспечения требований по водонепроницаемости и морозостойкости бетона

Если расчетное значение Ц/В менее минимально допустимого по табл. 9, то для дальнейших расчетов принимается последнее.

По [8] ограничения по Ц/В принимаются также в зависимости от агрессивности среды эксплуатации железобетонных конструкций. При этом различаются следующие среды:

· Без признаков агрессии ХО

· Возможность коррозии арматуры вследствие карбонизации защитного слоя бетона: ХС1 – постоянно сухая или постоянно сырая среда эксплуатации, ХС2 – влажная, иногда сухая, ХС3 – умеренно влажная (влажные помещения или климат), ХС4 – попеременное увлажнение и высушивание.

· Хлоридная коррозия (кроме морской воды): ХD1 – умеренная влажность, ХD2 – влажная, иногда сухая, ХD3 – попеременное увлажнение и высушивание.

· Коррозия под действием морской воды: ХS1 – воздействие солей без прямого контакта с морской водой, ХS2 – конструкции постоянно находятся в морской воде, ХS3 – приливная зона, действие солёных брызг, волн.

· Коррозия при циклическом замораживании: ХF1 – умеренное водонасыщение без антиобледенителей, ХF2 – умеренное водонасыщение с антиобледенителями, ХF3 – сильное водонасыщение без анитиобледенителей, ХF4 – сильное водонасыщение (в том числе морской водой) с антиобледенителями.

· Химическая коррозия ХА1 – незначительное присутствие агрессивных агентов, ХА2 – умеренное содержание, ХА3 – повышенное содержание.

Рекомендации по выбору требований к бетону в зависимости от условий эксплуатации железобетонных конструкций приведены в табл. 10 [8].

Таблица 10

Рекомендуемые параметры состава бетона в зависимости от класса сред эксплуатации конструкций

Примечание к табл. 10. Сведения даны применительно к цементу типа СЕМ 1.

Расход воды для начального состава бетона принимается в зависимости от заданной удобоукладываемости бетонной смеси, вида и наибольшей крупности заполнителя по табл.11.

Таблица 11

Определение расхода воды

Примечания к табл.11. 1.Расход воды приведен для Ц/В = 1,25...2,5, при Ц/В <1,25 и Ц/В > 2,5 расход воды соответственно уменьшают или увеличивают.

2. Расход воды приведен для цементов с нормальной густотой 25...30 %, при увеличении или уменьшении нормальной густоты на 1 % за указанные пределы расход воды увеличивают или уменьшают на 2 %.

Расход цемента, кг на 1 м³ бетонной смеси, в начальном составе бетона

. (8)

Полученный расчетом расход цемента сравнивают с минимально допустимым по [3] расходом цемента (табл.12) и с элементными нормами расхода , приведенными в [15]. При этом должно выполняться условие

, (9)

где - базовые нормы расхода цемента, кг;

– корректирующий коэффициент.

Минимальный расход цемента для бетонов конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, определяется с учетом требований [8, 16].

Базовые нормы расхода цемента распространяются на приготовление тяжёлых¸ мелкозернистых и лёгких бетонов для сборных и монолитных железобетонных изделий и конструкций, применяемых для всех видов строительства. Базовые нормы расхода цемента для тяжелых бетонов, используемых при производстве монолитных и сборных железобетонных конструкций по поточно-агрегатной, конвейерной или стендовой технологии, приведены в табл. 13, при производстве сборных железобетонных изделий по кассетной технологии – в табл.14. Базовые нормы расхода цемента для изделий из мелкозернистых бетонов приведены в табл.15.

Таблица 13

Базовые нормы расхода цемента М400 для тяжелого бетона

*Перед чертой для сборных, после черты – для монолитных жбк.

Таблица 14

Базовые нормы расхода цемента М400 для кассетных изделий

Нормы регламентируют содержание цемента в 1 м³ бетона изделий и конструкций в плотном теле, обеспечивающее ему заданные свойства, предусмотренные проектной документацией. Нормы определяют чистый расход цемента в бетоне и не включают производственные потери цемента при его транспортировке, хранении и применении. Окончательные нормы устанавливаются умножением базовой нормы на корректирующий коэффициент, учитывающий проектные характеристики бетона, свойства материалов и технологические особенности производства.

Таблица 15

Базовые нормы расхода цемента М400 для изделий

из мелкозернистого бетона

Корректирующий коэффициент является произведением отдельных коэффициентов:

К = К₁.К₂.К₃.К₄…К_i, (10)

где Кi – коэффициенты, учитывающие колебания показателей качества материалов и технологических режимов.

К₁ - коэффициент, учитывающий переход от цемента М400 к цементам М300 и М500, устанавливается по табл. 15

Таблица 15

Определение К₁ для сборных жбк

Для монолитных жбк при переходе на цемент М500 К₁=0,88, для це- мента М300 К₁=1,12.

К₂ – коэффициент, учитывающий влияние вида цемента, при переходе на шлакопортландцемент и сульфатостойкий шлакопортландцемент базовые нормы повышаются на К₂ = 1,1. При использовании пуццоланового цемента для бетона проектного класса до В22,5 включительно монолитных жбк К₂=1,08, классов В25-В30 К₂=1,15.

К₃ – коэффициент учитывающий водопотребность цемента, в базовых нормах предусмотрено применение цементов с нормальной густотой 25…27%, если она отличается от этих значений, то К₃ находится по табл.16

Таблица16

Определение К₃

К₄ – базовые нормы для бетона, твердеющего при тепловой обработке, предусматривают применение цементов 2-й группы эффективности при пропаривании, при использовании цементов 1-й группы К₄=0,93, кроме бетонов классов В30 и выше с отпускной прочностью 70% и ниже.

К₅ – базовые нормы приведены для бетона на щебне, при использовании гравия вводится коэффициент К₅=0,91 для класса В7,5, К₅=0,94 для класса В10-В12,5, К₅=0,96 для класса В15, К₅=0,97 для класса В20, К₅=0,98 для класса В22,5.

К₆ – коэффициент наибольшей крупности заполнителей, для бетона сборного железобетона класса до В25 включительно он принимается при наибольшей крупности 10, 20, 40, 70 мм соответственно 1,1; 1,0; 0,93; 0,9, а для бетона класса В30 и выше он принимается при наибольшей крупности 10, 20, 40, 70 мм соответственно 1,07; 1,0; 0,95; 0,92. Для бетона монолитных конструкций класса не более В25 при НК 20, 40, 70 К₆ соответственно 1,08; 1,00; 0,97, а для класса не менее В30 1,05; 1,00; 0,97.

К₇ – базовые нормы определены для щебня с содержанием зёрен пластинчатой и игловатой формы от 25 до 35%. Если содержание таких зёрен менее 25%, то К₇ = 0,98, если более 35%, то К₇ = 1,03.

К₈ – коэффициент, учитывающий модуль крупности песка (МК), если МК = 1,5…2,1, то К₈ =1,0; 1,03; 1,05 для бетона класса В15 и меньше, В20…В25 и более В25 соответственно и если МК менее 1,5 то К₈ = 1,03; 1,06; 1,10 для бетона класса В15 и меньше, В20…В25 и более В25 соответственно. При МК=2,1…3,25 К₈ =1,0. для мелкозернистого бетона при использовании песка с МК =1,5…2,0 К₈ = 1,2.

К₉– при использовании песков из отсевов дробления К₉ =1,05.

К₁₀ – базовые нормы расхода цемента приведены для бетонной смеси сборных жби с маркой по удобоукладываемости П1 К₁₀ = 1,00, для П2 К₁₀ = 1,07, для Ж1 К₁₀ = 0,93, для Ж2 К₁₀ = 0,88. Для монолитных конструкций при марке П1 К₁₀ = 0,91, для П2 К₁₀ =1,00, для П3 К₁₀ = 1,07. При использовании бетонных смесей марок П3 и П4 обязательно применение пластифицирующих добавок.

К₁₁ – базовые нормы предусматривают использование бетонной смеси с температурой не выше 25⁰С. При температуре более 25, но менее 30 ⁰С К₁₁ = 1,03, при температуре 30 ⁰С и выше К₁₁ = 1,06.

К₁₂ – коэффициент учитывающий продолжительность тепловой обработки сборных жби, устанавливается по табл. 17.

Таблица 17

Значения коэффициент К₁₂

При изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций с отпуском натяжения арматуры после тепловой обработки на горячий бетон базовые нормы расхода цемента принимаются по величине нормируемой передаточной прочности, соответствующей отпускной прочности с применением коэффициента = 1,08.

Для бетонных смесей, подача которых производится бетононасосами, базовые нормы расхода цемента следует умножать на К₁₄ = 1,05, при этом расход цемента должен быть не менее 250 и не более 500 кг/м³.

Базовые нормы расхода цемента определены из условия, что твердение бетона монолитных конструкций происходит в естественных условиях при температуре 15…25 ⁰С с предотвращением влагопотерь.

Для бетонов, к которым предъявляются требования по морозостойкости и водонепроницаемости типовые элементные нормы (ТЭН) приведены в табл. 18 с условием обязательного применения воздухововлекающих, газообразующих или комплексных добавок.

Таблица 18.

ТЭН кг/м³ для бетона с нормируемой морозостойкостью и водонепроницаемостью.

В качестве ТЭН следует принимать расход, который окажется наибольшим при сопоставлении с ТЭН, полученными умножением базовой нормы на все необходимые коэффициенты, и ТЭН, указанными в табл. 18.

Если расчетный расход цемента не превышает хотя бы один из максимально допустимых расходов цемента по [14], то можно переходить к следующему этапу расчета - определению расхода заполнителей. Если же расчетный расход выше ТЭН, то необходимо предусмотреть одно или несколько мероприятий по снижению расхода цемента:

1) Повысить марку цемента в пределах допустимого по табл.1.

2) Использовать добавки пластификаторов или суперпластификаторов. Добавки жидких гиперпластификаторов на основе эфиров поликарбо-ксилатов при концентрации около 50% вводят в количестве от 0,5 до 2,0% от массы цемента, что обеспечивает водоредуцирование на 20…45%. Дозировки суперпластификаторов (типа С-3) составляют 0,3...0,8 % в расчете на сухое вещество от массы цемента, и позволяют уменьшить количество воды затворения на 20...30 % от первоначального без изменения удобоукладываемости бетонной смеси. Сильно пластифицирующие добавки (типа ЛСТМ-2, МЛСТ) вводят в количестве 0,15...0,25 %, что снижает количество воды затворения для получения равноподвижных бетонных смесей на 15...20 %. Добавки среднепластифицирующие (типа ЛСТ) также вводятся в количестве 0,15...0,25 % от массы цемента и снижают водопотребность бетонной смеси на 10...15 %.

3) Заменить часть цемента золой-унос тепловых электростанций, удовлетворяющей требованиям [17]. По [8] при использовании портланд-цемента типа СЕМ 1 золой может быть заменено до 33 % цемента, а минимальный расход цемента для бетонов, эксплуатирующихся в соответствующих средах (табл. 10,12) может быть снижен на величину, получаемую умножением минимально допустимого содержания цемента (200 кг/м³) на 0,2 для СЕМ1 класса 32,5 и на величину 0,4 для СЕМ1 класса 42,5 и выше. При этом количество вяжущего (цемент + зола) должно быть не менее указанных в табл.10,12.

По [9] расход цемента с минеральной добавкой рассчитывается по формуле:

, (11)

где Ц₀, П₀ – расходы цемента и песка в составе бетона без добавок, кг,

Ц₁, Д₁ – расходы цемента и добавки в составе бетона с добавкой, кг,

– плотности цемента, добавки, песка, кг/л,

В – увеличение водопотребности бетонной смеси л/м³ за счёт введения добавки, определяется по табл.19.

Таблица 19

Увеличение водопотребности бетонной смеси

за счёт введения минеральной добавки

Вид добавки	Расход до-бавки, кг/м3	В л/м3 при расходе цемента в кг/м3
Менее 200	200-300	Более 300
Золы и грану-лированные топливные шлаки	Менее 100		0-5	5-15
100-200	0-10	5-20	10-30
200-300	5-20	15-40	-
Гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки	Менее 100		0-5	5-10
100-200	0-5	5-10	10-20
200-300	5-10	10-20	20-30

При совместном введении минеральной и водоредуцирующей добавок В =0. Зная Ц₀ и Ц₁ можно определить уменьшение расхода цемента в кг на 1 м³ бетона за счёт введения минеральной добавки.

4) Ввести отвечающую требованиям соответствующих нормативов (например ТУ 5743-048-03495332) добавку микрокремнезема (МК) - отход производства ферросилиция. Дозировка этой добавки допускается не более 10 % от массы портландцемента, и не более 6 % от массы шлакопортландцемента. На каждый процент добавки микрокремнезема совместно с суперпластификатором может быть снижен расход цемента до 2 % от исходного.

По [8] вводимое количество МК учитывается как заменитель цемента для снижения его расхода при условии, что его количество не превышает 11% от массы цемента. При применении цемента типа СЕМ1 в сочетании с микрокремнезёмом расход цемента определяется:

Ц₁ = Ц₀ – К.МК, (12)

где Ц₁ и Ц₀ – расходы цемента в кг с добавкой и без добавки микрокремнезёма,

К – К-фактор, который принимается: при В/Ц < 0,45 К=2, при В/Ц>0,45 также К=2, за исключением сред эксплуатации бетона ХС и ХF (табл.10), когда К=1.

Общий расход вяжущего, определяемый по формуле Ц₁ + К.МК, должен быть не менее минимальной величины по табл. 10,12. Если минимальный расход цемента в бетоне для соответствующих сред эксплуатации составляет 300 кг и менее, то эту величину при введении МК допускается уменьшать не более чем на 30 кг, независимо от значений, полученных путём указанных выше вычислений.

При выборе способа снижения расхода цемента необходимо руководствоваться не только техническими, но и экономическими соображениями, учитывая стоимость используемых минеральных и химических добавок. Помимо экономии цемента минеральные добавки позволяют:

· повысить однородность, нерасслаиваемость, удобоукладываемость и сохраняемость бетонных смесей,

· увеличить жаростойкость, сульфатостойкость, морозостойкость, водостойкость и стойкость к щелочной коррозии бетона, уменьшить экзотермию бетона,

· снизить себестоимость бетона,

· утилизировать промышленные отходы.

После выбора способа снижения расхода цемента необходимо откорректировать расход воды и цемента (при использовании добавок пластификаторов), или В/Ц, В, Ц (при повышении марки цемента), или только Ц – при использовании минеральных добавок.

Расход раствора добавки (А) рабочей концентрации, л на 1 м³ бетона,

, (13)

где Ц - расход цемента, кг на 1 м³ бетона;

С - дозировка добавки, % от массы цемента;

К - концентрация рабочего раствора добавки, %;

П - плотность рабочего раствора добавки, кг/л.

Дозировки некоторых добавок, плотности их водных растворов при 20 °С при различной концентрации рабочих растворов приведены в табл.20.