Особенности подбора состава бетона гидротехнических сооружений

          Салас Джехад

 

Сведения об авторе. Салас Джехад - гражданин Сирийской Арабской Республики. Выпускник Ленинградского инженерно-строительного института (1986). Кандидат технических наук: в 1993 г. – защита диссертации в ЛИСИ по специальности 05.23.05- строительные материалы и изделия.  1994-2004 – консультант консалтингового бюро по вопросам строительства. 2004-2008 – руководитель строительства больницы в Дамаске. С 2007 г. и по наст. время – руководитель технического бюро муниципалитета г. Таль (р-н Дамаска).

 

Особенности подбора состава бетона гидротехнических сооружений

     В статье показаны различия в решении вопроса подбора состава бетона для выполнения конструкций промышленного и гражданского назначения и конструкций гидротехнических зданий и сооружений.

 

     Железобетонные конструкции получили широкое распространение в гидротехнике благодаря ценным качествам – это, в том числе, способность воспринимать различные виды статических и динамических нагрузок, долговечность, возможность выполнять конструкции различной сложной геометрической формы. Из железобетона возводят плотины, здания гидроэлектростанций, набережные, причальные и специальные морские сооружения, камеры шлюзов, камеры сухих доков и многие другие здания и сооружения.

     Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений отличаются от железобетонных конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений некоторыми специфическими особенностями возведения и эксплуатации. Основными отличиями являются: работа в условиях водной среды; часто - массивность конструкций при относительно малом содержании арматуры; большое влияние температурных воздействий водной и воздушной сред эксплуатации и агрессивность указанных сред.

Эти особенности учитываются при проектировании, расчете и строительстве гидротехнических зданий и сооружений.

   Прочность и долговечность железобетонных конструкций напрямую зависят не только от качества применяемых материалов, способа уплотнения бетонной смеси и условий выдерживания бетона, но и, главным образом, от рационального подбора состава бетонной смеси, ее подвижности (жесткости) и дозировки материалов.

    Выполняя подбор состава гидротехнического бетона очень важно учитывать все параметры и компоненты бетона, таких как: состав бетона, правильный расчет состава бетона, баланс и правильные нормы содержания воды в бетонной смеси, оптимальное содержание песка в бетоне, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя в бетоне, водоцементное отношение и структура бетона; температурные влажностные условия твердения в зависимостях прочности бетона от В/Ц, расчетно-экспериментальное прогнозирование морозостойкости при проектировании составов бетона, морозостойкость, водонепроницаемость, адаптация расчетных составов бетона к производственным условиям, цементы с минеральными добавками и портландцемент, не содержащими минеральных добавок, активные минеральные добавки в бетонах, химические добавки, заполнители бетона. От этих данных в основном зависит качество бетона, поэтому при производстве бетона необходимо учитывать все расчеты.

     Подбор состава бетона - дело и, можно сказать, искусство профессиональных строителей. Реализация сложных строительных проектов требует тщательного подбора строительных материалов. В этих условиях подбор состава бетона становится отдельной задачей, решение которой зависит от профессионализма строителей. Свойства бетона, достаточно хорошо изученные, зависят от многих факторов. В их числе, водоцементное отношение, вид вяжущего, качество наполнителей, виброуплотнение и выдерживание готовой смеси.    

Грамотный подбор состава бетона позволяет получить водонепроницаемый бетон, морозостойкий бетон, самоуплотняющийся бетон, торкрет-бетон. Соответствующий подбор состава бетона также требуется, чтобы качественно осуществить ремонт бетона.

Как известно, для гидротехнических сооружений срок твердения (возраст) бетона, отвечающий его классам по прочности на сжатие, на осевое растяжение и марке по водонепроницаемости, принимается, как правило, для конструкций речных гидротехнических сооружений 180 суток, для сборных и монолитных конструкций морских и речных портовых сооружений - 28 суток. Срок твердения (возраст) бетона, отвечающий его проектной марке по морозостойкости, принимается 28 суток, для массивных конструкций, возводимых в теплой опалубке, 60 суток.

Если известны сроки фактического нагружения конструкций, способы их возведения, условия твердения бетона, вид и качество применяемого цемента, то допускается устанавливать класс бетона в ином возрасте.

Для сборных, в том числе предварительно напряженных конструкций, отпускную прочность бетона на сжатие следует принимать в соответствии с ГОСТ 13015.0-83, но не менее 70 % прочности принятого класса бетона.

     Проектирование состава бетона сводится к трем взаимосвязанным задачам:

1.      Назначение требований к техническим свойствам бетона и технологическим свойствам бетонной смеси.

2.      Выбор материалов для бетона.

3.      Собственно проектирование состава бетона, т. е. установление:

      - величины водоцементного отношения В/Ц,

      - оптимального зернового состава смеси заполнителей,

      - 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 основных 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.

     Параметры 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; жизнеспособность 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.

 

Выбор материалов для бетона

 

1. Выбор цемента

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

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

 

3. Выбор добавок

     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.

 

Определение параметров состава бетона

     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 свойства  испытанных образцов не соответствуют заданным, то изготавливают образцы другого состава, снова испытывают, и т. д. Важно, чтобы работа по проектированию свойств бетона была выполнена при минимальных затратах труда и не содержала 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,

 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 схеме, представленной в таблице.

     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 показана в соответствующей колонке таблицы.

 

 

№п.п	Подбор состава бетона
		Конструкции промышленного и гражданского назначения	Гидротехнические здания и сооружения
1.	Постановка задачи	Задано: - прочность бетона в возрасте 28 суток R28 = Rзад - подвижность (осадка конуса) бетонной смеси ОК = ОКзад Требуется определить: - водоцементное отношение В/Ц, - оптимальную долю песка в смеси заполнителей r и расход цемента  Ц.	Задано: - прочность бетона в возрасте 180 суток    R180 = Rзад, - водонепроницаемость бетона W = Wзад - морозостойкость бетона F = Fзад - подвижность (осадка конуса) бетонной смеси ОК = ОКзад Требуется определить: - водоцементное отношение В/Ц, - оптимальный зерновой состав заполнителей ЗС и расход цемента  Ц.
2.	Зависимости, используемые при проектировании	Для решения поставленной задачи нужно экспериментально зависимости, связывающие свойства бетонной смеси и бетона с параметрами состава. Таких зависимостей 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 условие экономии цемента и запишем третьим номером равенство: 3. Ц = Цmin . 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 rопт.
3.	Определение величины водоцементного отношения	Расчетный способ Ориентировочно оценить величину водоцементного отношения, обеспечивающую заданную прочность бетона R28, можно по уравнению: , где А – коэффициент, зависящий от вида и качества заполнителей Решая это уравнение относительно водоцементного отношения получаем: Рис. 1.1 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. 1.1), используя значение заданной прочности найти искомое В/Ц.	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 -  методом абсолютных объемов.. 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: Rзад, Wзад, Fзад. 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.
4.	Определение оптимальной доли песка в смеси заполнителей. Определение оптимального зернового состава заполнителей	Рис.1.2 Определение rопт по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей Способ 1. Определение rопт 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 Vп . Строят график зависимости Vп = f(r), по которому для наименьшего объема пустот находят rопт (рис. 1.2).   Способ 2. Определение rопт по наибольшей подвижности бетонной смеси Рис. 1.3 Определение rопт по наибольшей подвижности бетонной смеси      При этом способе за rопт 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 rопт. Это значение соответствует наибольшей ОК (рис. 1.3). 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 rопт 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 rопт, бетонные смеси могут оказаться недостаточно связными. Поэтому рекомендуется назначать долю песка несколько большей, чем rопт по графику, а именно увеличивать r на 0,02—0,03. Такое увеличение значения r приводит лишь к весьма незначительному уменьшению осадки конуса.	Рис. 2.1. Идеальная кривая просеивания В настоящее время существует много различных способов для определения оптимального зернового состава заполнителей. Рассмотрены наиболее 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. 2.1 изображена одна из таких идеальных кривых для песчано-гравийной смеси. По оси абсцисс откладывается безразмерная величина Д/Днаиб, где Д—размер зерен данной фракции или, иными словами, размер отверстий сита, через которое эти зерна проходят; Днаиб — 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 Днаиб. Для этого необходимо в соответствии с безразмерной шкалой построить шкалу, на которой размеры отверстий сит выражены в мм. На рис. 2.1 построены две такие шкалы—для Днаиб = 40 мм и для Днаиб = 80 мм. Таблица 1. 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. 1.      Определение процентного содержания фракции 0—5 мм (мелкого заполнителя) по идеальной кривой просеивания следует считать предварительным.      Крупный заполнитель, образующий жесткий скелет бетона, определяется из условия максимального заполнения объема с поправкой на его раздвижку растворной частью.      При использовании пластифицирующих добавок Учитывается объем вовлеченного в состав бетонной смеси воздуха.
5.	Определение расхода цемента	Рис. 1.4 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).	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: ОКфакт = ОКзад ± 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%: Rфакт = (1-1,15)Rзад. 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.

 

Список использованной литературы:

1.Баженов Ю.М. Способы определения состава бетонов различных видов. М.: Стройиздат,1975.

2. Белан В.И., Проталинский А.Н. Бетоны гидротехнические. Составы и свойства. Новосибирск, 1995.

3. Дворкин Л.И. Строительные материалы гидротехнических сооружений. Киев: Вища школа,1977.

4. Судаков В.В. Рациональное использование бетона в гидротехнических сооружениях. М.: Энергия,1976.