Проектирование состава тяжелового бетона

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина

Институт  материаловедения и металлургии

Кафедра материаловедения в строительстве

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

270106 580000 010

 

 

Руководитель                                                                                                       

доцент                                  ______________________               В. Б. Ежов

 

Студент                                                                                                        

гр. МТ-491202                    ______________________               О. А. Шадрина

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2013

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 РАСЧЕТ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА КЛАССА  В15 5

1.1 Исходные данные 5

1.2 Определение требуемой прочности бетона по ГОСТ 18105-2010 5

1.4 Определение водоцементного отношения в зависимости от качества материалов и рекомендуемой по прочности бетона марки цемента 6

1.5 Определение ориентировочного расхода воды 8

1.6 Определение расхода цемента 9

1.7 Определение пустотности щебня 9

1.8 Определение коэффициента раздвижки зерен α 9

1.9 Определение расхода щебня 11

1.10 Определение расхода отсева 11

1.11 Определение расчетной плотности бетонной смеси 12

1.12 Определение производственного состава бетона с учётом влажности заполнителей 12

1.13 Определение расхода материалов на замес для бетоносмесителя с объемом барабана 2000 л 13

1.14 Сводная таблица результатов вычислений 15

2 ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА И РАСХОДА ЦЕМЕНТА ОТ КОЭФФИЦИЕНТА ВАРИАЦИИ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПРОЕКТИРУЕМОГО СОСТАВА 16

2.1 Зависимость требуемой прочности бетона от коэффициента вариации прочности бетона 16

2.2 Зависимость расхода цемента от коэффициента вариации прочности бетона 16

3 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ БЕТОННОЙ СМЕСИ И БЕТОНА ПРОЕКТИРУЕМОГО СОСТАВА 18

3.1 Структура бетонной смеси 18

3.2 Структура бетона 20

4 ДЕФОРМАЦИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ БЕТОНА 22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 27

ВВЕДЕНИЕ

 

Бетон - искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания подобранных  и тщательно перемешанных смесей из минерального или органического  вяжущего вещества с водой, мелкого  и крупного заполнителей, взятых в  определенных пропорциях.

Тяжелый бетон - наиболее распространенный (обычный) бетон с плотностью от 1800 кг/м³ до 2500 кг/м³. Вяжущим веществом в тяжелом бетоне обычно является портландцемент и его разновидности (быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий) или шлакопортландцемент; в подземных и подводных сооружениях - пуццолановый портландцемент. Крупными заполнителями тяжёлого бетона являются такие плотные горные породы, как: гранит, известняк, диабаз. В качестве мелкого заполнителя используется песок - кварцевый или полевошпатный, реже из плотного известняка, или отсев.

Тяжелый бетон имеет плотную структуру, обеспечиваемую правильным подбором зернового состава смеси мелкого и крупного заполнителей, достаточным содержанием цемента (не менее 200 кг в 1 м³ бетона), минимально необходимым содержанием воды и тщательным механизированным уплотнением бетонной смеси при укладке ее в формы сборных деталей или в опалубку монолитных сооружений

Тяжёлый бетон - наиболее часто используемый и самый прочный из распространённых видов бетона. Все виды монолитных несущих конструкций - это область применения тяжёлого бетона. Великолепные прочностные характеристики, удобство подачи и укладки, в совокупности с доступной ценой, делают тяжёлый бетон самым используемым и практичным строительным материалом на сегодняшний день.

 

 

1 РАСЧЕТ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО  БЕТОНА КЛАССА  В15

1.1 Исходные данные

 

          Исходные данные по сырьевым материалам приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Характеристики сырьевых материалов

Материал	Насыпная плотность , кг/м3	Истинная плотность , кг/м3	Прочие характеристики
ПЦ	1000	3050	НГ = 27 %
Щебень	1480	2950	НК = 20 мм; W = 5 %
Отсев	1450	2600	Мкр = 2,0; Вп = 6 %; W = 3 %

 

Рассчитать  состав тяжёлого бетона класса В15 при коэффициентах вариации прочности бетона V_п = 7; 13; 16 %. Осадка конуса ОК=12см. Рассчитать дозировку материалов на замес для бетоносмесителя с барабаном V = 2000 л.

1.2 Определение требуемой  прочности бетона по ГОСТ 18105-2010

 

Согласно  ГОСТ 18105-2010 («Бетоны. Правила контроля и оценки прочности») требуемая прочность  бетона (отпускная в промежуточном  или проектном возрасте) при нормировании ее по классам (R_т, МПа) определяется по формуле (1.1):

                                   ,                                             (1.1)

где B_норм – нормируемое значение прочности в МПа для бетона данного класса по прочности на сжатие, или осевое растяжение, или при изгибе; в данной задаче B_норм = 15 МПа;

К_т – коэффициент требуемой прочности, принимаемый в зависимости от среднего коэффициента вариации прочности бетона V_п (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Значение коэффициента К_т в зависимости от V_п

Vп, %	менее 6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Кт	1,07	1,08	1,09	1,11	1,14	1,18	1,23	1,28	1,33	1,38	1,43

 

 

1.3 Определение среднего уровня прочности бетона, МПа

 

   R_у = R_т·K_м.п., МПа,           (1.2)

где  К_м.п. – коэффициент, принимаемый в зависимости от среднего коэффициента вариации прочности бетона.

Таблица 1.3 – Значение коэффициента К_м.п. в зависимости от V_п

Vп, %	≤ 6	6-7	7-8	8-10	10-12	12-14	> 14
Км.п.	1,03	1,04	1,05	1,07	1,09	1,12	1,15

R_у¹ = 16,2·1,05 = 17,010МПа;

R_у² = 19,2·1,12 = 21,504 МПа;

R_у³ = 21,45·1,15 = 24,668 МПа;

1.4 Определение водоцементного отношения в зависимости от качества материалов и рекомендуемой по прочности бетона марки цемента

 

Определение водоцементного отношения (В/Ц) производится в зависимости от качества материалов (по таблице 1.4) и рекомендуемой по прочности бетона марки цемента (по таблице 1.5).

Таблица 1.4 – Коэффициенты качества материалов

Характеристика материалов	А, В/Ц ≥ 0,4	А1, В/Ц ≤ 0,4
Высококачественные	0,65	0,43
Рядовые	0,6	0,4
Пониженного качества	0,55	0,37

Примечание:

1) Высококачественные  материалы: щебень из плотных  горных пород высокой прочности;  песок, отмытый оптимальной крупности;  портландцемент (ПЦ) высокой активности  без добавок или с минимальным  количеством гидравлической добавки;  заполнители чистые, промытые, фракционированные,  с оптимальным зерновым составом;

2) Рядовые  материалы: заполнители среднего  качества в том числе гравий; ПЦ среднего качества или высококачественный  шлакопортландцемент (ШПЦ);

3) Материалы  пониженного качества: крупный заполнитель  пониженной прочности, песок;  цементы низкой активности.

По таблице 1.4 определяем значение коэффициента качества материалов. Материалы рядовые А=0,6.

 Таблица 1.5 – Зависимость марки цемента от класса бетона (по СНиП 5.01.23–83)

Класс бетона	B7,5	B10	B15	B20	B22,5	B25	B30	B35	B40	B50
Рекомендуемая марка цемента	300	400	400	400	400	400	500	550	600	600
Допускаемая марка цемента	300	400	300 500	300 500	500	500	500 600	500 600	500 550	550

По таблице 1.5 определяем марку цемента для бетона класса  В15 - рекомендуемая марка 400. Допускаемые марки – 300 и 500.

Водоцементное отношение (В/Ц) определяют по формуле (1.3):

 

,

                                          (1.3)

где А  – коэффициент, определяемый по таблице 1.4 для рядовых материалов (заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высококачественный ШПЦ), А=0,6;

R_ц – марка цемента (для бетона класса В15 принимаю марку цемента 400, R_ц=40), МПа;

R_б – средний уровень прочности бетона, МПа.

Определяем  водоцементное отношение:

 

  

,

 

Т.к. значение В/Ц получилось слишком большим, понижаем активность цемента до 200, добавляя 50% золы:

  

.

1.5 Определение ориентировочного расхода воды

Найдем  ориентировочный расход воды в зависимости  от подвижности и наибольшей крупности щебня по таблице 1.6. По заданию осадка конуса составляет ОК = 12 с, что соответствует подвижности П3. При наибольшей крупности щебня 20мм ориентировочный расход воды составляет 190 л/м³.

Таблица 1.6 – Ориентировочный расход воды на 1 м³ бетонной смеси на плотных   заполнителях при температуре смеси 20^оС

Смесь	Подвижность,  о.к., см	Расход воды, л/м3, при крупности гравия, мм
		10	20	40	70
П1	4 и менее	190	175	160	155
П2	5-9	200	185	170	164
П3	10-15	215	205	190	180
П4	16 и более	225	220	205	195

Примечание: смеси на цементе с нормальной густотой теста НГ=26-28% и песка М_к=2. При изменении НГ цементного теста в меньшую сторону, расход воды следует уменьшить на 4 л/м³ на каждый процент увеличения НГ и увеличить на то же значение при изменении НГ в большую сторону. В случае изменения модуля крупности песка в меньшую сторону, на каждые 0,5 его значение необходимо увеличить расход воды на 4 л/м³ и уменьшить на тоже значение при изменении модуля крупности в большую сторону.

По условию  НГ=27 %, М_к=2,0, ориентировочный расход воды на 1 м³ бетонной смеси составит:

л/м³

1.6 Определение расхода цемента

Расход цемента  определяют по формуле (1.4):  

 

,                                                           (1.4)

      ,

  ,

  .

1.7 Определение пустотности щебня

Пустотность щебня определяют по формуле (1.5):

,                                                       (1.5)

где – насыпная плотность щебня ( =1,48), г/см³,

– истинная плотность щебня ( =2,95), г/см³,

 

1.8 Определение коэффициента раздвижки зерен α

  Таблица 1.7 – Оптимальное значение  коэффициента раздвижки зерен α для пластичных бетонных смесей

Расход цемента, кг/м3	Оптимальное значение коэффициента α при В/Ц
	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
250	–	–	1,26	1,32	1,38
300	–	1,3	1,36	1,42	1,52
350	1,32	1,38	1,44	1,56	1,62
400	1,4	1,46	–	–	–
500	1,5	1,56	–	–	–

 

Примечание: при использовании песка с  водопотребностью более 7 % коэффициент  α уменьшают на 0,03 на каждый процент  увеличения водопотребности. Вп = 6 %. Находим значения α методом интерполяции.

  Т.к. расход цемента составляет Ц₁ = 227,95кг, Ц₂ = 252,2кг, Ц₃ = 270,39кг, то назначаем коэффициент раздвижки зерен равным:

 

Для В/Ц=0,523 и Ц=371,96

α₃₅₀=1,38+((1,44-1,38)/(0,6-0,5))*(0,523-0,5)=1,392

α₄₀₀=1,56+((1,62-1,56)/(0,6-0,5))*(0,523-0,5)=1,572

α¹_{ц 371,96}=1,392+((1,572-1,392)/(400-350))*(371,96-350)=1,471

 

Для В/Ц=0,436 и Ц=444,65

α₄₀₀=1,4+((1,46-1,4)/(0,5-0,4))*(0,436-0,4)=1,422

α₅₀₀=1,5+((1,56-1,5)/(0,5-0,4))*(0, 436-0,4)=1,522

α²_{ц 444,65}=1,422+((1,522-1,422)/(500-400))*(444,65-400) =1,467

 

Для В/Ц=0,391 и Ц=495,79

α₄₀₀=1,38+((1,44-1,38)/(0,4-0,3))*(0,391-0,3)=1,435

α₅₀₀=1,44+((1,5-1,44)/(0,4-0,3))*(0,391-0,3)=1,495

α³_{ц 495,79}=1,435+((1,495-1,435)/(500-400))*(444,65-400)=1,462

 

 

 

 

 

1.9 Определение расхода щебня

Расход щебня (в килограммах) определяют по формуле (1.6):

                                          ,   кг/м³                                          (1.6)

 

где - насыпная плотность щебня ( = 1,48), кг/л;

- истинная плотность щебня ( = 2,95), кг/л;

α  -  коэффициент раздвижки зерен гравия; (α₁=1,471; α₂=1,467; α₃=1,462);

V_пуст - пустотность щебня, V_пуст = 0,498.

 

Щ

кг/м³;

Щ

кг/м³;

Щ

кг/м³.

1.10 Определение расхода отсева

Расход  отсева(в килограммах) определяют по формуле (1.7):                                    

                         , кг/м³                          (1.7) 

где  - истинная плотность отсева ( = 2,6), кг/л;

– истинная плотность щебня ( = 2,95), кг/л;

– истинная плотность цемента ( = 3,05), кг/л;

Ц - расход цемента, кг;(Ц₁=371,96 кг; Ц₂=444,65 кг; Ц₃=495,79 кг);

В - расход воды (В=194), кг;

Щ - расход щебня, кг; (Щ₁=1199,11 кг; Щ₂=1201,04 кг; Щ₃=1203,48 кг).

 

 

 кг/м³;

 кг/м³;

 кг/м³.

1.11 Определение расчетной плотности бетонной смеси

Расчётная плотность бетонной смеси находится по формуле (1.8):

                                                      ,                                          (1.8)

где В, Ц, Щ и П - соответственно расходы воды, цемента, щебня и песка на 1 м³ бетонной смеси.

 кг/м³;

 кг/м³;

 кг/м³.

1.12 Определение производственного состава бетона с учётом влажности заполнителей

Содержание  воды в заполнителях:

Отсев:                         л;

           

л;

            

л.

 Щебень:               л;

            

л;

                    л.

 

Для сохранения В/Ц и заданной прочности бетона расход воды, полученный при расчёте для сухих заполнителей, уменьшают, а расход отсева и щебня увеличивают. Таким образом, расход материалов составит:

 кг

кг

кг

кг

кг

кг

кг

кг

л

л

л

кг

кг

кг

1.13 Определение расхода материалов на замес для бетоносмесителя с объемом барабана 2000 л

  1) коэффициент выхода бетонной смеси находят по формуле (1.9):

                                   ,                                               (1.9)

где ,, - соответственно насыпная плотность цемента, щебня и отсева, г/см³;

Ц, Щ, О - расходы цемента, щебня и отсева (с учетом влажности заполнителей) соответственно, кг.

 

 

 

2) для бетоносмесителя с объемом барабана 2000 л выход бетона из одного замеса составит:

л

л

л

3) расход материалов на один замес представлен в таблице 1.8:

 

Таблица 1.8 - Расход материалов на один замес в бетоносмесителе V=2000л

Сухие материалы	Влажные материалы
состав №1 Ц = 371,96*0,576=214,25 кг Щ = 1199,11*0,576=679,89 О =721,68*0,576=409,19 кг В = 194*0,576=111,74 л	состав №1 Ц = 371,96*0,576=214,25 кг Щ = 1259,01*0,576=428,16 кг О = 743,33*0,576=428,16 кг В =112,39*0,576=67,74 л
состав №2 Ц = 444,65*0,567=252,12 кг Щ =1201,04*0,567=681 кг О =658,27*0,567=373,09 кг В =194*0,567=110 л	состав №2 Ц = 444,65*0,567=252,12 кг Щ = 1261,09*0,567=715,04 кг О =677,75*0,567=384,28 кг В =114,21*0,567=64,75 л
состав №3 Ц = 495,79*0,5604=277,84 кг Щ = 1203,48*0,5604=674,43 кг О =612,27*0,5604=343,12 кг В =194*0,5604=108,7 л	состав №3 Ц = 495,79*0,5604=277,84 кг Щ = 1263,65*0,5604=708,15 кг О =630,64*0,5604=353,41 кг В =115,46*0,5604=64,70 л

 

1.14 Сводная таблица результатов вычислений

Таблица 1.9 – Расход сухих и влажных материалов на 1 замес в бетоносмесителе

Расход материалов, кг	состав №1	состав №2	состав №3
Сухих материалов
Ц	214,25	252,12	277,84
Щ	690,68	681	674,43
О	415,68	373,09	343,12
В	111,74	110	108,7
∑	1432,35	1416,21	1404,09
Влажных материалов
Ц	214,25	252,12	277,84
Щ	725,22	715,04	708,15
О	428,16	384,28	353,41
В	64,73	64,75	64,70
∑	1432,36	1416,19	1404,1

 

Вывод: так  как суммы расходов влажных и  сухих материалов совпадают, то арифметических ошибок при расчетах не допущено.

 

  2 ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА И РАСХОДА ЦЕМЕНТА ОТ КОЭФФИЦИЕНТА ВАРИАЦИИ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПРОЕКТИРУЕМОГО СОСТАВА

2.1 Зависимость требуемой прочности бетона от коэффициента вариации прочности бетона

 

 

Рис.2.1 - График зависимости требуемой прочности бетона R_б, МПа от коэффициента вариации прочности бетона V_п, %

      2.2 Зависимость расхода цемента от коэффициента вариации прочности бетона

 

Рис. 2.2 - График зависимости расхода цемента  на 1 м³ от коэффициента вариации прочности бетона V_п, %

 

  3 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ БЕТОННОЙ СМЕСИ И БЕТОНА ПРОЕКТИРУЕМОГО СОСТАВА

  3.1 Структура бетонной смеси

 

  Бетонная смесь представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из цемента, воды и заполнителя. Заполнитель в свою очередь, также является совокупностью мелких и крупных частиц. В ряде случаев в смесь вводят специальные добавки. В процессе её приготовления часть объёма занимает воздух. Таким образом, смесь представляет собой многофазную среду, которая по своим свойствам занимает промежуточное положение между вязкими жидкостями и сыпучими средами.

  Свойства смеси зависят от количественного соотношения различных фаз, которые в целом определяют её структуру.

  По количественному состоянию растворной составляющей и заполнителя можно выделить три типа структур бетонной смеси (рис. 3.1).

  1         2                   3

Рис. 3.1 - Типы структур бетонной смеси: 1 – смесь с плавающим расположением заполнителей, 2 – смесь с плотной упаковкой заполнителей, 3 – крупнопористая смесь с недостатком цементного теста.

 

В первой структуре (рис. 3.1 - 1) зерна заполнителя раздвинуты и практически не взаимодействуют друг с другом; они оказывают влияние лишь на прилегающую зону цементного теста, а суммарное действие их прямо пропорционально содержанию зёрен заполнителя и их удельной поверхности. Для структуры этого типа решающее значение имеют свойства цемента, реологические свойства определяются в соответствии с зависимостями, характерными для вязких жидкостей. Примером смеси, имеющей структуру первого типа, является цементно-песчаная смесь с повышенными расходами вяжущего, применяемая для изготовления армоцементных конструкций.

Во  второй структуре (рис. 3.1 - 2) цементного теста меньше и оно лишь заполняет поры между зёрнами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зёрен слоем обмазки, толщина которого в местах контакта зёрен заполнителя равна 1-3 средним диаметрам частиц цемента. В этих условиях зоны воздействия отдельных зёрен заполнителя начинают перекрывать друг друга – возникает трение между зёрнами заполнителя. Для придания смеси той же подвижности, что и в структуре первого типа, требуются более интенсивные воздействия или увеличение подвижности цементного теста за счёт изменения В/Ц в большей мере, чем это было свойственно структурам первого типа. В структуре второго типа возрастает роль заполнителя и трения между его зёрнами.

В третьей структуре (рис. 3.1 - 3) бетонной смеси цементного теста мало, оно только обмазывает зёрна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зёрнами заполняет лишь частично. Структуру третьего типа имеют беспесчаные бетонные смеси (для крупнопористого бетона) и некоторые тощие составы строительных растворов.